Работа с электронными навигационными картами в “Navi Sailor-3000”

РЕФЕРАТ

Дипломная работа на тему «Работа с электронными навигационными картами в “Navi Sailor-3000” выполнена на 90 листах печатного текста и включает в себя 69 пояснительных рисунков, 7 таблиц, список использованной литературы из 11 источников.

Данная работа состоит  из пяти основных и одного дополнительного  раздела. В первой главе дипломной работы содержаться общие сведения об электронных навигационных картах, основные определения, проекции, классификация электронных карт и их форматы.

Во второй главе рассматривается работа с судовой коллекцией электронных карт в NS-3000: главное меню программы <<Chart Manager>>, инсталляция, удаление, отображение и сортировка карт судовой коллекции.

В третьей главе описывается  работа с электронными картами, автоматическая/ручная загрузка и выгрузка карт, автоматическое и ручное масштабирование, работа с картами формата S-57, особенности работы с растровыми картами, просмотр и зуммирование карт.

Четвертая глава содержит корректуру электронных навигационных карт, методы и категории корректуры  электронных карт, работа с корректурными объектами, виды корректуры карт формата TX-97, ручная корректура карт и работа с картами пользователя.

Пятая глава содержит информацию по охране труда.

При написании работы использован  опыт работы с системой в тренажерном  центре Морского Государственного Университета имени адмирала Г.И.Невельского, руководство по эксплуатации "Navi Sailor-3000", информация из сети Интернет, с официальных сайтов гидрографических, картографических служб мира и производителей электронных карт.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………5

Глава 1. Общие  сведения об электронных навигационных  картах………...8

1. Основные определения…………………………………………....…7
2. Геодезическая основа электронных карт……………………...…11
3. Проекции электронных карт………………………………………14
4. Классификация электронных навигационных карт…………...19
5. Форматы электронных карт для NS-3000………………………..28

Глава 2. Работа с судовой коллекцией электронных карт в NS-3000……...33

2.1. Главное меню программы <<Chart Manager>>………………...33

2.2. Инсталляция и удаление карт из судовой коллекции……….....39

2.3. Отображение и сортировка карт судовой коллекции ………….49

2.4. Просмотр протоколов и лицензий на карты …………………….52

Глава 3. Работа с  электронными картами……………………………………..56

3.1. Автоматическая/ручная  загрузка и выгрузка карт ………………56

2. Автоматическое и ручное масштабирование карт…………........60
3. Работа с электронными картами формата S-57………………….62
4. Особенности работы с растровыми картами……………………..64
5. Просмотр и зуммирование карт…………………………………….66

Глава 4. Корректура электронных навигационных карт…………………….68

4.1. Методы и категории корректуры электронных карт…………....68

4.2. Работа с корректурными объектами……………………………….74

4.3. Виды корректуры карт формата TX-97……………………………78

4.4. Ручная корректура электронных карт…………………………….79

4.5. Карты пользователя …………………………………………………81

Глава 5. Охрана труда……………………………………………………………..87

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….…92

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………..……93

 

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении нескольких тысячелетий основными инструментами  навигации были компас, карта и  секстант. Достигнув в ходе развития совершенства, эти три кита, на которых  покоилось судовождение, стали, тем  не менее, преградой на пути технического прогресса в судовождении. Возросшие  размеры и скорости судов, повышение  интенсивности судоходства потребовали  внедрения новых навигационных  технологий, автоматизации судовождения, повышения безопасности судов. Традиционные орудия судоводителя не могли обеспечить выполнение этих требований.

Для того чтобы преодолеть тупик, требовался качественный скачок в картографии — и он произошел  в конце прошедшего столетия. Новые  высокопроизводительные компьютеры дали возможность переводить бумажные карты  в цифровую форму, хранить их, записывать на компактные носители, передавать по линиям связи и вновь восстанавливать  на дисплеях компьютеров.

Вершиной современных  навигационных и компьютерных технологий стало создание мозга современного судна — электронной картографической информационной системы ECDIS, осуществляющей отображение карт и места судна, прокладку трассы движения и контроль отклонений от заданного маршрута, вычисление безопасных курсов, предупреждение судоводителя об опасности, ведение  судового журнала, управление автопилотом  и т.п.

Современная электронно-картографическая система состоит из трех основных элементов — цифровых карт, записанных на каких-либо носителях (в основном на компакт-дисках), приемника GPS и компьютера с соответствующим программным  обеспечением.

Уникальная функция ECDIS, которой не обладают ни бумажные карты, ни какое-либо другое техническое средство навигации — автоматическое предупреждение судоводителя об опасном курсе и вычисление безопасных курсовых секторов на основе постоянной обработки базы данных векторных электронных навигационных карт.

ECDIS вместе с векторными электронными навигационными картами — Electronic Navigation Chart (далее ENC) признается юридическим эквивалентом откорректированной морской навигационной карты согласно Правила 20/V Конвенции СОЛАС 1974г., это значит, что бумажную карту на борту иметь не надо. При использовании судоводителями традиционных бумажных карт получается недостаточная точность координат. Затраты времени для снятия координат с дисплея приемника и нанесения их на карту приводят к тому, что обсервация не является текущей и в нее внесены дополнительные погрешности. С учетом времени, необходимого для принятия решения и реакции при выполнении маневра, эта проблема часто возникает при плавании в стесненных условиях, при проходе узкостей и каналов. В данном случае необходимо иметь отображение места судна в реальном масштабе времени, что возможно при использовании навигационной карты на электронном дисплее (электронной карты). Определение координат судна в системе электронной картографии может осуществляться различными способами, но основным условием строго оговоренным в требованиях Международной морской организации — International Maritime Organization (далее IMO), является непрерывное отображение места по обсервациям, точность которых должна обеспечивать навигационную безопасность на море.

Официальные электронные  карты должны производиться уполномоченной Правительством гидрографической службой  или иным государственным институтом и поддерживаться автоматической корректурой. При этом предполагается, что государство  будет нести ответственность  за последствия аварии, произошедшей в связи с недостоверной картографической информацией (на практике это условие  не выполняется, что существенно  снижает ценность «официальных»  карт для судовладельцев).

Потенциальный вклад электронных  карт в эффективность и безопасность мореплавания неоспорим. Электронные  картографические системы, по общему признанию, будут основой "интегрированного мостика" в ближайшем будущем.

Из вышесказанного понятно, что для работы с электронными картографическими навигационными информационными системами необходимо не просто уметь обращаться с ними на уровне простого пользователя, но и понимать их структуру, принцип работы, а также информационный состав баз данных, включенных в ECDIS. Именно эти знания исключат вероятность ошибки в действиях и умозаключениях штурмана-оператора.

В настоящее время существует информация, которая при использовании  в ECDIS позволяет существенно расширить  ее функциональные возможности и  повысить безопасность и эффективность  мореплавания. Это климатические и ледовые карты, метеопрогноз, юридический режим отдельных акваторий, зоны обязательных докладов, районирование морей и океанов для плавания судов определенных классов, по признаку вероятности получения помощи в заданное время и т. д. Включение обязательного канала глобальной связи в ECDIS или наличие локальной сети для подключения к бортовому терминалу глобальной связи с целью передачи автоматической корректуры карт, метеопрогноза и целеуказания при спасательных операциях (сейчас это требование стандартом не предъявляется). Список добрых дел по развитию современного картографического сервиса в навигации этим, безусловно, не исчерпывается. Это только малая доля того, что предстоит сделать.

Цель данной работы научить  судоводителя работать с электронными картами в ЭКНИС NS-3000 наиболее полезными с точки зрения практического применения для навигации, так как с этого года электронная картография на судах морского флота станет обязательной. В течении 6 лет все суда должны перейти на электронную картографию и полностью отказаться от бумажных карт.   Необходимо, чтобы оператор, работающий с ECS, четко представлял себе порядок работы и корректуры электронных карт в NS-3000.

 

 

 

 

 

1. Общие сведения об  электронных навигационных картах

1.1. Основные определения

Ниже приводятся основные определения  и термины электронной картографии.

Electronic Chart Display and Information System(ECDIS) – электронная картографическая дисплейная информационная система: навигационная информационная система, которая в соответствии с Резолюцией A.817(19) является эквивалентом судовой коллекции откорректированных навигационных карт, требующихся для обеспечения безопасного плавания согласно Правилу 20 Главы V SOLAS. ECDIS отображает на экране дисплея точные картографические данные морской карты в реальном времени, т. е. в сочетании с текущим местом судна, полученным от DGPS, GPS, LORAN-C. Дополнительно она обрабатывает и представляет информацию от других навигационных датчиков, например гирокомпаса, эхолота, РЛС.

Electronic Chart Data Base (ECDB) — главная база данных для ENCD, поддерживаемая в цифровой форме национальными Гидрографическими службами, содержащая картографическую информацию и другие морские и гидрографические данные.

Electronic Chart System (ECS) – электронная картографическая система: навигационная информационная система, не отвечающая требованиям стандартов ИМО. ECS считается вспомогательным навигационным оборудованием и должна всегда использоваться с откорректированной бумажной картой.

Electronic Navigation Chart (ENC) — база данных, имеющая содержание, структуру и формат, предусмотренные стандартом, выпущенная для использования в ECDIS под контролем гидрографической службы, уполномоченной правительством. Она содержит всю картографическую информацию, необходимую для безопасного судовождения и, кроме того, может включать дополнительную информацию, не имеющуюся на бумажной карте (например, руководства для плавания, сведения из лоций), которая может быть необходима для безопасного мореплавания.

Electronic Navigational Chart Data Base (ENCDB) — главная база данных для производства и поддержки ENC, скомпонованная из национальных баз данных ENC (ENCD).

IHO S-57 – стандарт Международной гидрографической организации (IHO) на производство электронных карт ENC, включающий формат для обмена цифровыми картографическими данными. Отличительная особенность карт, соответствующих S-57 – раздельное хранение данных для каждого картографического объекта, позволяющее автоматически корректировать карту через спутниковые каналы, береговые линии связи и дискеты.

System Electronic Navigational Chart (SENC) — системная электронная навигационная карта: база данных, полученная путем трансформации ENC в ECDIS с целью ее надлежащего использования — корректуры, нанесения дополнительных сведений, прокладки и т. п. SENC индицируется на экране дисплея, обладает всеми функциями откорректированной бумажной навигационной карты и считается эквивалентной ей.

Update — корректура ENC в формате, читаемом машиной без вмешательства оператора.

Electronic Navigational Chart Data (ENCD) — национальная база данных для электронных навигационных карт (ENC) в формате, признаваемом координатором ENC.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Геодезическая  основа электронных карт

В общем случае объект на карте характеризуется горизонтальными  координатами (широта, долгота) и вертикальной координатой (высота или глубина). В  основе отсчета горизонтальных координат  лежит та или иная геодезическая  система, называемая также горизонтальным геодезическим вотумом. Основой для отсчета вертикальных координат служит уровень моря, принимаемый за ноль глубин. Этот уровень называют вертикальным геодезическим датумом либо приливным уровнем.

Горизонтальный геодезический  датум (исходная геодезическая дата) включает в себя геодезические координаты исходного пункта опорной геодезической сети, геодезический азимут направления на один из смежных пунктов, определенные астрономическим путем, и высоту геоида в этом пункте над поверхностью принятого референц-эллипсоида. Референц-эллипсоидом называют Земной эллипсоид определенных размеров, являющийся вспомогательной математической поверхностью, к которой относят результаты всех геодезических измерений на поверхности Земли, на которую проектируют все пункты опорной геодезической сети и к которой относят топографические и гидрографические съемки и составляемые по ним карты земной поверхности.

Система координат, полученная в результате уравнивания опорной  геодезической сети на референц-эллипсоиде, и представляет собой ту или иную геодезическую систему координат либо горизонтальный геодезический датум. Исходными пунктами геодезических датумов часто являются определенные точки астрономических обсерваторий, геодезические координаты которых широту и долготу определяют путем астрономических наблюдений, освобожденных от влияния уклонения отвеса.

Различают локальные, региональные и всемирные геодезические системы  координат. Локальные датумы являются геодезическими системами небольших участков земной поверхности. В качестве примера можно привести датум "Bissau Base North West and Pillar".

Региональные  геодезические системы относятся к обширным районам Земли. В качестве примеров таких систем координат можно назвать: Советскую 1942 года (Pulkovo 1942), Европейский датум 1950 года (ED50), Британскую систему 1936 г. Токийский датум. Индийский датум. Новый североамериканский датум 1983 г, (NAD83-- New North American Datum of 1983). Следует отметить, что если горизонтальный датум относится к территории государства, то он называется национальным.

Всемирный датум - это геодезическая система координат для всего земного шара. Примерами всемирных датумов являются американские системы WGS72, WGS84 и российская система П390 (SGS90 - Soviet Geocentric Coordinate System 1990).

Создание геодезических  систем координат обширных районов  земной поверхности зависит от возможностей технических средств, используемых при геодезической съемке. Когда  эти средства были только оптическими, опорная геодезическая сеть могла  включать только пункты, три из которых  в любом месте находятся в  зоне прямой видимости. Применение в  геодезических работах радиотехнических систем высокой точности, таких как  РСВТ, Decca, Hifix и др. дало возможность значительно увеличить расстояние между пунктами. Появление космической техники для точного определения положения на поверхности Земли привело к возможности создания всемирной геодезической системы.

Полученные до 1930 года горизонтальные геодезические датумы были локальными. С 1930 и до 1950 года в разных странах были проведены обширные геодезические работы по созданию региональных датумов. Начиная с пятидесятых годов, региональные геодезические системы стали не удовлетворять целям применения появившегося в те годы вооружения, которое требовало геодезическую систему отсчета мирового масштаба. Появление навигационной спутниковой системы «Транзит» позволило в I960 г. Министерству Обороны США создать путем объединения на основе спутниковых наблюдений различных региональных геодезических сетей Мировую геодезическую систему (Word Geodetic System of 1960 - WGS60). Эта система уточнялась в 1966, 1972, 1984 году. В настоящее время используется система координат WGS84, которая получила широкое распространение во всем мире. Она совпадает с NAD83. Большая а и малая b полуоси референц-эллипсоида WGS84 соответственно равны:

а=6378137.00 м; б =6356752.31 м.

WGS84 принята за стандартную при расчетах положения определяющихся объектов в GPS. В WGS84 рекомендуется составлять официальные векторные ЭК. Расчеты кинематических параметров объектов в ГЛОНАСС ведутся в советской мировой геодезической системе П390.

Морские навигационные карты, основанные на съемках разных государственных  гидрографических служб и организаций, имеют разные геодезические системы  отсчета координат. Список полученных в разные годы датумов, которые использовались при составлении карт Земной поверхности, приведен в приложении 2. В приложении 3 перечислены геодезические системы навигационных карт, входящих в коллекцию Британского адмиралтейства.

Информация о горизонтальном датуме ЭК имеется для большинства навигационных карт. Однако для ряда карт, основанных на съемке, проведенной в далеком прошлом, горизонтальный датум неизвестен. На бумажных картах информация о горизонтальном датуме приводится в заголовке карты. Начиная с 1982 г., при переиздании карт многие гидрографические службы добавляют на картах поправки по широте и долготе для приведения к карте данных спутниковых определений в системе WGS. Запись об этом "Satellite-Derived Positions" обычно располагается около заголовка карты. Следует отметить, что многие приемоиндикаторы спутниковых систем определений места имеют возможность представлять данные в разных геодезических системах.

1.3. Проекции электронных  карт

Морские навигационные ЭК в подавляющем большинстве случаев  отображаются в проекции Меркатора. Меркаторская проекция - это равноугольная цилиндрическая проекция. Различают нормальную, поперечную и наклонную меркаторские проекции. Из них для представления навигационных ЭК в основном применяются две первые. С точки зрения судовождения главными достоинствами меркаторских проекций являются: возможность измерять натуральные, неискаженные углы, и зависимость частных масштабов только от положения точки, но не от направления измеряемой по небольшим частям искомой длины.

Нормальная проекция Меркатора (НПМ) используется для построения ЭК в диапазоне широт от 0 до 85°. Околополюсные районы в ней не могут быть отображены. Наибольшим достоинством НПМ для целей судовождения является представление локсодромии прямой линией.

НПМ получается проектированием  земного эллипсоида на боковую поверхность  цилиндра, касательного к эллипсоиду по линии экватора (рис. 1.2,а). Ось этого цилиндра совпадает с осью Земли. Затем боковая поверхность цилиндра разрезается по образующей и разворачивается на плоскость (рис. 1.2,б).

В нормальной меркаторской проекции меридианы являются прямыми  параллельными линиями, перпендикулярными  к экватору. На поверхности цилиндра проекции меридианов проходят через  точки касания земных меридианов с цилиндром, перпендикулярно к  плоскости экватора. Расстояние Х в НПМ между двумя меридианами с долготами , равно

;         (1.1)

где а - большая полуось земного эллипсоида.

Рис. 1.2(а, б). К пояснению нормальной проекции Меркатора.

Земные параллели в  НПМ также прямые линии, перпендикулярные к меридианам. Ввиду того, что  на земном эллипсоиде меридианы сходятся с приближением к полюсам, с ростом широты длина земной параллели между  двумя меридианами становится меньше. Это уменьшение пропорционально  уменьшению радиуса параллели r(j), который с учетом сжатия эллипсоида определяется формулой:

;            (1.2)

где е-эксцентриситет Земного  эллипсоида.

В результате, масштаб проекции по параллели  в НПМ увеличивается с ростом широты:

;       (1.3)

Приближенно можно считать  изменение  пропорциональным секансу широты.

В равноугольной проекции в каждой точке масштаб по параллели  равен частному масштабу по любому направлению, естественно, и масштабу по меридиану . В НПМ это достигается, когда расстояние от проекции экватора до проекции параллели с широтой φ на боковой поверхности цилиндра, получается по формуле

;          (1.4)

где

;    (1.5)

Следует заметить, что НПМ  не является перспективной проекцией, так как элементы Земли не проектируются  на боковую поверхность цилиндра с помощью лучей, исходящих из одной точки.

В НПМ расстояние Y по меридиану от экватора до параллели с широтой φ, выраженное в экваториальных милях, называется меридиональной частью (МЧ) этой параллели. Расстояние ∆Y между двумя параллелями с широтами φ,φ₀, (ро называется разностью меридиональных частей (РМЧ). Ввиду увеличения масштаба с широтой величина РМЧ, соответствующая одинаковому значению разности широт, с ростом широты в НПМ увеличивается (рис. 1.2,б).

Для построения на экране дисплея  карты в НПМ необходимо найти  прямоугольные экранные координаты картографических объектов. Обозначим  эти координаты х, у. Примем за их начало центр экранной области. Учитывая (1.1)-(1.5), можно найти следующие формулы для расчета значений х, у элементов ориентированной по норду карты:

;      (1.6)

где , - параллель и меридиан, проходящие через центр экрана дисплея;

Мо - масштаб по параллели (масштаб карты).

При ориентации карты "по курсу" прямоугольные экранные координаты картографических объектов рассчитываются по формулам

;        (1,7)

где , - экранные координаты объекта при ориентации карты по курсу.

В навигационно-информационных компьютерных системах для расчета  экранных координат х, у применяются и приближенные формулы, обеспечивающие погрешность вычислений, которая не превышает половины размера пикселя. В этом случае ЭК, построенные по результатам расчета положения элементов карты по точным и приближенным формулам, являются идентичными. В качестве упрощенных приближений к меркаторской проекции используются линейное и таблично-интерполяционное.

Линейное приближение к нормальной проекции Меркатора применяется при построении крупномасштабных карт. В его основе лежит представление о Земле как о шаре с радиусом R, при котором одна минута дуги меридиана равняется одной морской миле. НПМ при таком условии получается проектированием точек Земного шара на боковую поверхность цилиндра с помощью лучей (линий), исходящих из центра Земли. В этом случае при ориентации ЭК по норду расчет экранных координат элементов карты производится по известным приближенным формулам

;        (1.8)

Таблично-интерполяционное приближение к проекции Меркатора используется при отображении мелкомасштабных карт, когда линейное приближение не обеспечивает требуемую точность. Сущность этого метода состоит в следующем. В картографической базе данных в таблице опорных точек НПМ помещаются табличные значения широт (порядка 300-500 на интервал 0-85°) и соответствующие им рассчитанные по строгим формулам значения и  .

Значения экранных координат  элементов карты рассчитываются по формулам (1.6), в которых значение , находится линейной интерполяцией между значениями , а значения , -интерполяцией между U_k. При линейной интерполяции значения , , соответствующие широте , получаются по формулам

;        (1.9)

где

;    (1.10)        ;      (1.11)

Поперечная проекция Меркатора (ППМ) применяется для создания ЭК околополюсных районов Земли, в диапазоне широт от 80 до 90°. Земной эллипсоид в этом случае проектируется на поверхность цилиндра, касательного к эллипсоиду по меридиану. Ось такого цилиндра перпендикулярна оси Земли.

Рис. 1.3. Вид меридианов и параллелей в поперечной проекции Меркатора.

Если принять касательный  к цилиндру земной меридиан за фиктивный  экватор Земли, полюса этого экватора - за фиктивные полюса Земли, проходящие через фиктивные полюса большие  круги - за фиктивные меридианы, а  серию параллельных фиктивному экватору малых кругов на поверхности Земли - за фиктивные параллели, то свойства ППМ такой модели Земли будут  аналогичны свойствам НПМ. Фиктивные  меридианы и параллели на карте  в ППМ будут взаимно перпендикулярными  системами параллельных линий, а  прямая линия будет фиктивной  локсодромией, пересекающей фиктивные  меридианы под одним углом.

Что касается действительных меридианов и параллелей, то на карте  в ППМ они будут кривыми линиями (рис. 1.3), как и действительная локсодромия. На картах околополюсных районов в ППМ меридианы близки к радиально расходящимся от полюса прямым линиям, а параллели - к концентрическим окружностям.

Область минимальных искажений  Земной поверхности на карте в  ППМ лежит в узкой полосе, центральной  линией которой является фиктивный  экватор.

1.4. Классификация электронных карт

При рассмотрении вопросов использования электронных карт применяется их классификация по различным признакам. В зависимости от полноты отображаемой информации электронные карты делятся на полномерные и упрощенные (рисунок 1.4.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

Электронные навигационные карты

 

Полномерные

Полнота отображения информации

Упрощенные

 

 

Официальные

Правовой статус

Неофициальные

 

Формат электронной карты

Векторные

 

Растровые

 

 

Базовые

Вид электронной карты

Системные

 

Карты мира

Генеральные

Прибрежные

Подходные

Гавани

Планы

Оригинальный масштаб