Сергей Тюрин
О приемниках сигналов навигационной космической системы GPS (Global Positioning System) слышали многие, за исключением,
разве что, тех, кто ими уже обладает. Эти последние знают о предмете не
понаслышке. А вот аббревиатура АИС в контексте ассоциаций с GPS пока малознакома. Вместе
с тем, история развития систем, которые в английском оригинале называются
"Automatic Information Systems
(AIS)",
насчитывает уже много лет инженерных поисков и споров представителей науки и
промышленности о том, какими должны быть эти системы. Но, почему, собственно, -
должны, и, главное – кому?
На эти вопросы будут даны ответы в предлагаемой ниже статье. А пока,
с целью выработки аналоговых (сравнительных) представлений того, о чем пойдет
речь, скажу коротко: AIS
отличается от GPS
ровно настолько, насколько персональный компьютер разнится с калькулятором.
Автоматические
информационные системы будущего
1. С чего начиналось
Прежде о калькуляторах. История космической
радионавигации насчитывает десятилетия своего развития. Сегодня не только
профессионалов-штурманов, а и далеких от навигационных специальностей людей не
удивляет наличие где-то в космосе спутников, обеспечивающих трансляцию
необходимых для выработки местоположения объекта данных. Не удивляет нас
ежеутренне восходящее солнце, как и ежевечерняя смена этого светила подобающими
ночными. Так что, взглянув на свой карманный GPS-приемник с целью выяснить местоположение, мы не
думаем о спутниках, как не волнуют нас во время разговора по мобильному телефону
базовые станции. Если принять (простите каламбур!) к сведению это неведение, GPS-приемник и есть калькулятор, только менее универсальный:
вся его калькуляция не выходит за пределы координатных расчетов. Хорошо зная
местность, можно с его помощью прокладывать по ней маршруты, намечая точки поворотов.
Но если я знаю местность, зачем, простите, мне это нужно? Если же – нет, тогда…
Тогда, как бы это сказать, ситуация усложняется вообще, а я – в частности,
поскольку пытаюсь изобразить передвижную штурманскую рубку со столом, картами и
дополнительными (кроме приемника GPS) приборами.
Разумеется, проблема возникает в случае применения персонального приемника
пешим путешественником. Если речь идет о транспортном средстве, будь это
автомобиль, пароход или самолет, тогда – другое дело. И это другое дело как раз
и привело научно-конструкторский ум к разработке автоматических информационных
систем.
По упомянутой причине именно сфера
высокотехнологичного морского и воздушного транспорта дала историко-технический
толчок развитию предмета нашего разговора. Не обошлось, разумеется, и без
военных: транспорта, потребностей и последующей конверсии, позволяющей внедрять
в виде коммерческих проектов рассекреченные технологии. Впрочем, - по порядку.
Боевые корабли и самолеты давно применяют для вполне понятных задач системы опознавания «свой – чужой». Процесс опознавания (идентификации) реализуется радиотехническими средствами без участия оператора, то есть автоматически, при обнаружении цели. Но не одним военным оказались полезными идентификационные системы: Международная Морская Организация (IMO – International Maritime Organization) признала целесообразным использование такого рода систем для обеспечения безопасности морского судоходства. В 1988-89 годах Комитет по УТБ Международной ассоциации маячных служб (МАМС) предпринял исследование "возможности применения транспондеров (судовой комплект АИС) для опознавания и сопровождения судов при подходе, входе и плавании в районе обслуживания УТБ". Статья, в которой кратко описывались первые результаты исследования, была представлена МАМС на тридцать шестую сессию Подкомитета по безопасности судоходства ИМО в сентябре 1990 г. Этот документ под названием "Требования к системе опознавания, опроса, сопровождения и автоматического оповещения для работы во взаимодействии с СУДС[i]” стал основой технических условий на АИС. Но до 1992 года АИС развивались по пути активных радиолокационных ответчиков (РЛО), технологически подражая… летным системам опознавания. Аббревиатура АИС (AIS) в международном (английском) виде закономерно расшифровывалась как Automatic Identification System (автоматическая идентификационная система). А настойчивые попытки наших с вами земляков – русских специалистов – обратить внимание ИМО на почти неограниченные информационные возможности АИС, как нередко и прежде случалось в истории, оставались без внимания. Хотя, уже тогда, в начале 90-х, появилась «отечественная альтернатива» понятию АИС: автоматические информационные (!) системы. Любопытным, не правда ли, выглядит этот конфликт «разного духа одной буквы»?
Но вот, наконец, «лед тронулся»: после поддержки России Финляндией в 1996 году под морские нужды автоматической информационной – наконец – системы был выделен 70 канал УКВ, а затем (по предложению шведов) принят заимствованный опять же у летчиков протокол для связи.
Комбинируя
спутниковые системы определения местоположения, электронные средства
картографии, системы связи и архитектуру открытых информационных систем,
морская электронная промышленность может теперь поставить рабочие образцы того,
что называется универсальной автоматической информационной системой (УАИС) или
просто АИС. Так из калькулятора произошел компьютер.
2. Технология и
структура
Итак, имеются 3 компонента: радионавигационный приемник сигналов; автоматизированная система обработки данных приемника (АИС); спутниковая радионавигационная система. Поговорим немного о последней. Сегодня работают две таких системы: американская NAVSTAR и отечественная ГЛОНАСС.
Глобальная спутниковая радионавигационная система NAVSTAR (NAVigation System using Timing And Ranging, - она же GPS) создана для высокоточного навигационно-временного обеспечения объектов, движущихся в космосе, в воздухе, по земле и по воде. В ее состав входят навигационные спутники и наземный комплекс управления. Применяемый системой принцип основан на «способности» GPS-приемника измерять дальности до нескольких спутников и определять свои координаты по точкам пересечения линий равного удаления (линий положения). Скорость определяется по принципу Допплера: сдвигу несущей частоты сигнала спутника, вызываемому движением объекта-потребителя (GPS-приемника). Допплеровский сдвиг (Doppler shift) замеряется при сопоставлении частот сигналов, принимаемых от спутника и генерируемых приемником. Разумеется, все это происходит автоматически и занимает, учитывая гигантскую быстроту распространения радиоволн, незначительное время.
Система состоит из работающих в единой сети 24-х спутников, находящихся на 6 орбитах высотой около 17 – 20 тыс. км над поверхностью Земли. Каждый спутник весит более 900 кг и имеет максимальный размер около 5 м (с учетом протяженности солнечных батарей). Спутники движутся по орбитам со скоростью около 3 км/сек, совершая два полных оборота вокруг Земли за 1 сутки. Мощность спутникового радиопередатчика менее 50 ватт. Первый GPS-спутник был запущен в феврале 1978 года.
Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и 60 градусами южной широты и, с учетом взаимного расположения сателлитов, обеспечивают пространственно-временную глобальность, т. е. гарантированное присутствие некоторой комбинации спутников (созвездия) над произвольной точкой геодезической поверхности в любой момент.
Навигационные сигналы излучаются на двух частотах L-диапазона (L-band, полоса радиочастот от 390 до 1550 МГц): 1575,42 МГц (L1) и 1227,6 МГц (L2). На L2 излучаются сигналы так называемого P-кода P(Y) с высокоточной информацией (Precision - точный, или Protected - защищенный). P-код представляет из себя последовательность псевдослучайных бистабильных манипуляций фазы несущей частоты (Сarrier Frequency) с частотой следования, равной 10,23 МГц и периодом повторения в 267 суток. Каждый недельный сегмент этого кода является уникальным для одного из спутников GPS и непрерывно генерируется им в течение каждой недели, начиная с ночи с субботы на воскресенье. На L1 излучаются сигналы и с военным кодом P(Y), и с общедоступным гражданским кодом (Сivilian Сode), который часто называют C/A (Сlear Acquisition - код свободного доступа). Прием сигнала по коду P(Y) обеспечивает работу в режиме PPS (Precise Positioning Service - высокая точность измерений). Сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислять дополнительную задержку, возникающую при прохождении радиоволн через ионосферу, что значительно повышает точность измерений навигационных данных.
Прием на частоте L1 с кодом C/A не позволяет определить ошибки, вносимые ионосферой. Структура кода C/A обеспечивает худшие характеристики в режиме SPS (Standart Positioning Service - стандартная точность измерений). Так, если в режиме PPS с вероятностью 0,95 ошибки измерения долготы и широты не превышают 22-23 метра, высоты - 27-28 метров и времени - 0,09 мкс, то в SPS они увеличиваются соответственно до 100 метров, 140 метров и 0,34 мкс. Среднеквадратическая ошибка определения долготы и широты в PPS составляет не более 8 метров, а в SPS - не более 40 метров. Министерство обороны США, в ведении которого находилась до недавнего времени NAVSTAR, исходя из интересов национальной безопасности, искусственно ухудшало точность приема в режиме S/A (Selective Availability - ограниченный доступ). Сегодня все ограничения такого рода отменены. Первоначально режим SPS был необходим для грубого определения пользователями своих координат для вхождения в код P(Y). В настоящее время уровень электроники, программного обеспечения и методов обработки навигационной информации позволяет осуществлять достаточно быстрый захват P(Y) без кода C/A, а также проводить высокоточные определения по фазе несущей сигнала. Кроме того, полностью отработанный наземный автоматический режим дифференциальной коррекции (Differential Positioning), позволяет в ограниченном регионе получать точное определение относительных координат взаимного расположения двух приемников, отслеживающих сигналы одних и тех же спутников GPS. К примеру, штатные системы навигации транспорта, поставляемые и развернутые компанией ПРИН, при использовании гражданского C/A-кода определяют координаты автомобиля с точностью от 2 до 5 м.
В свое время группировка GPS-спутников предназначалась для обеспечения Стратегической Оборонной Инициативы (проекта времен «холодной войны»). Ответом СССР был ввод аналогичной навигационной системы "Ураган" (ныне "ГЛОНАСС"). Однако уже в 1983 году под давлением президента и Конгресса Пентагон рассекретил SPS-режим системы NAVSTAR, разумеется, в интересах союзников. А обе спутниковые «эскадры» используются для навигационных нужд всех заинтересованных и оснащенных. Такая вот «военно-стратегическая» конверсия.
3. Возможности и
планы
АИС, зародившиеся всего лишь как системы идентификации, к настоящему моменту претендуют на превращение в принципиально новое навигационное средство, обещающее принести революционные изменения в практику авто-, судо-, и самолетовождения. Подобное превращение стало возможным благодаря тому, что АИС в их современном понимании объединяют в себе достижения таких революционных технологий, как:
ü Глобальные Навигационные Спутниковые Системы;
ü Автоматическая Цифровая Радиосвязь;
ü Системы Электронной Картографии.
Что же это такое? Пришла пора поговорить и о «компьютере». Не о персональном – настольного или переносного исполнения, - им «довольно воздали дани». О бортовом, обладающем возможностями АИС.
Скажем, вы, находясь на транспортном средстве или пешком (хотя это пока лишь перспектива будущего), имеете возможность «видеть» другие суда, автомобили, самолеты и пр., находящиеся в круге радиусом 45 км, условный центр которого занимаете вы. Причем, видеть не только условные отметки этих средств, но и всевозможные данные о них, автоматически обновляемые с периодичностью от 2 до 14 секунд! Такими данными являются: идентификационный номер, координаты от GPS, скорость и направление движения, маршрут с точками предполагаемых поворотов, пункты и время отправления и прибытия, информация о перевозимом грузе и техническом состоянии. Все эти данные подразделяются на 4 категории - статические, динамические, о рейсе, относящиеся к безопасности. Бортовой компьютер (АИС) может вести такой «электронный банк» на 2500 подвижных объектов и при этом берет на себя функцию определять и выводить на экран данные по наиболее актуальным из них с точки зрения заданного вами критерия. Есть возможность скроллинга, т. е. просмотра информации и об остальных, не укладывающихся в этот критерий, объектах. При входе нового объекта в зону видимости вашей системой последняя включает его в список через 1 минуту после появления и начинает «вести» совместно с остальными.
Вы думаете, это – эмоционально-фантастический бред взращенного на виртуальной почве и на ней же свихнувшегося геймера? Ничего подобного. Во-первых, это перспектива навигационно-технической модернизации водителя подвижного средства самого ближайшего будущего. Во-вторых, аналогичная, хотя и более отдаленная перспектива путешествующего на своих двоих. И, наконец, в-третьих, из чего, собственно, и исходят первые два соображения: это – современные требования ИМО и соответствующее им сегодняшнее оборудование судов морского флота! Правда, отвечать этим требованиям в полной мере судовладельцам придется лишь к 2008 году[ii], но технические возможности, а также приведенные выше стандарты на использование АИС уже есть. И многие их реализуют уже не с сегодняшнего, а, что называется, – «со вчерашнего дня».
Так, в Швеции Морской Администрацией создана единая система контроля за судоходством на основе действующих СУДС и создаваемых АИС, которые будут объединяться в единую сеть. С полным вводом в действие эта система позволит контролировать и регулировать движение судов вдоль побережья, а также во внутренних озерах. Шведские власти планируют оснастить аппаратурой АИС все свои суда, самолеты и вертолеты. Всего на шведском побережье предполагается установить 35 станций АИС для обслуживания судов и низколетящих самолетов и вертолетов. По сути, основная работа по монтажу береговых станций уже выполнена. В Финляндии в опытной эксплуатации находятся семь береговых станций АИС. Правительство Финляндии планирует ввести в эксплуатацию 17 станций и создать на их основе сеть АИС, перекрывающую все воды прибрежной зоны. В осуществление этого проекта вовлечены Морская Администрация (координирующий орган), береговая охрана и судовладельцы. Министерством транспорта ФРГ также создается единая сеть контроля и регулирования судоходства на основе действующих и создаваемых СУДС с использованием АИС, которая впервые была внедрена в СУДС Кильского канала, а также для контроля паромных линий Росток - Трелеборг (Швеция) в рамках германо-шведского проекта "Бафегис".
Но прямо-таки анекдотичная ситуация с внедрением АИС сложилась в районе территориальных вод Японии. Из данного выше описания стандартов на использование АИС следует, что предельное количество объектов, контролируемых судовым транспондером – 2500. Это связано с разделением кадра (frame) на 2500 временных слотов, в одном из которых в течение 1-й минуты транспондером регистрируется входящее в зону радиовидимости судно. Так вот, за несколько лет до принятия соответствующих международных рекомендаций японцам уже не хватало этих самых 2-х с половиной тысяч слотов!
4. Преимущества
использования
Перефразируя алгоритм спектрального запоминания «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан», следует предположить заинтересованность любой морской страны в информации о том, что делается в 25-мильной зоне от ее побережья. Организация слежения за присутствием и поведением в этой и других (в том числе – сухопутных) зонах транспортных средств базируется на уверенности, что любое из этих средств, контроль за которым предполагается, имеет на борту работающий АИС-транспондер. В этом проблема: едва ли нарушитель границы, нелегальный рыболов или пират (а таковые существуют не только на страницах романов!) станет включать аппаратуру, дабы «засветиться» на экранах станций пограничного и иного контроля. И, тем не менее, таковы правила игры в «налаживание упорядоченного движения с помощью игрушки АИС». И есть по крайней мере две позиции, дающие основания для уверенности, что эти правила в широком геополитическом масштабе все-таки восторжествуют:
- тенденция американо-европейской демократии, управляющей сегодня миром, ко всеобщей регистрации и идентификации;
- несомненные профессионально-специфические преимущества, извлекаемые из применения АИС большинством легитимных пилотов транспортных средств.
Итак, окончательно разберемся, как это (рис. 1) работает, а затем – обсудим эти самые преимущества. Условием работы является наличие, где ему положено быть, активного оборудования: спутниковой системы, приемника GPS (ГЛОНАСС) и транспондера АИС на всех транспортных средствах (в дальнейшем будут именоваться «целями»), участвующих в действии.
До появления в 25-мильной зоне посторонних (за исключением нас) целей наша аппаратура формирует координаты места и ведет синхронизацию времени (UTC) с помощью системы GPS. Кроме того, транспондер, на который поступают данные с периферических приборов (определители курса, линейной и угловой скорости и пр.), кодирует их и посредством двухканальной УКВ-радиостанции передает в эфир, вместе с дополнительными данными (оповещения о своих намерениях, сводки погоды и т. д.), набираемыми при необходимости с клавиатуры. Частота «выбрасывания» в эфир таких пакетов регламентирована Резолюцией ИМО и зависит от категории, к которой относится содержащаяся в пакете информация, и скорости судна. Так, динамическая информация (скорость, курс) при скорости движения 14 узлов (26 км/ч) должна передаваться через каждые 2 секунды.
АИС как средство удаленной связи работает с применением нескольких протоколов. Основным является протокол SOTDMA – Self Organized Time Division Multiple Access (самоорганизация множественного доступа с разделением по времени). При появлении в зоне связи целей процессор транспондера, сканируя слоты кадра в минутном интервале, определяет свободный слот, который и занимает для собственной идентификации в диапазоне кадра. После этого транспондер принимает из эфира динамическую, рейсовую и статическую информацию о целях, находящихся в зоне, с транспондеров, установленных на них. Эта информация, как уже было сказано, отображается по заданному критерию на мониторе электронной картографии ECDIS (electronic display) в виде названия (идентификатора), позиции, вектора скорости и т. д., причем позиция, курс и размеры судов - графически в виде ориентированного контура судна.
Достоинства применения АИС:
1. Повышение
точности знания своей позиции и элементов движения: направления и скорости
2. Высокая
разрешающая способность
3. Практически
мгновенное обнаружение маневра цели
4. Возможность
адресного вызова по УКВ
5. Стабильная (25
миль) дальность обнаружения цели независимо от ее размера
6. Отсутствие
влияния атмосферных явлений и реакции на неблагоприятные погодные условия
7. Возможность
обнаружения за препятствиями
8.
Знание
ракурса цели и возможность «видеть» ее контур
9.
Относительно
невысокая стоимость транспондера – около $ 3000
10. Перспектива автоматизации
управления транспортом, т. е. возможность внедрения автопилота, авторулевого и
т. п. на более интеллектуальной основе
11. Перспектива синхронного управления
несколькими транспортными единицами с другого подвижного или стационарного
объекта
Рассмотрим подробнее суть некоторых вышеперечисленных достоинств. Проблема разрешения связана с аппаратными возможностями и радиотехническими ограничениями приборов (например, радиолокатора - РЛС), применяющихся для обнаружения объектов методами, помимо визуальных. Близкого рода проблемой является плохая погода (шторм, гроза), затрудняющая захват цели РЛС, поскольку в том и другом случаях ухудшается возможность обратного приема отраженного целью активного радиосигнала. Учитывая отличный от радиолокации принцип работы АИС, перечисленные проблемы не являются для нее таковыми, даже если необходимо обнаружить совсем малую цель. Ведь рабочий элемент АИС – не борт объекта, как в случае использования РЛС, а антенна транспондера. То же относится и к возможности обнаружить цель за любым препятствием, поскольку особенности прохождения радиоволн, применяемых системой, позволяют им огибать таковые. Практически мгновенное обнаружение маневра цели: динамические данные, т. е. данные о скорости и направлении движения передаются в соответствии с принятыми ИМО стандартами с периодичностью в несколько секунд. Получается, что начало поворота или изменение скорости инертного объекта (воздушных и морских судов, в т. ч. парусных яхт) еще незаметное глазу, фиксируется средствами АИС! Под возможностью адресного вызова по УКВ понимается гарантированная связь именно с той целью, данные которой отображены на экране ECDIS, а не с какой-либо посторонней. Знание ракурса и определения «контура» цели более специфичны для судовождения, чем для управления другими видами транспорта. Вследствие воздействия стихий судно может двигаться не в направлении носа, а несколько вбок, т. е., как выражаются моряки, иметь дрейф (снос). Наблюдателя, находящегося на другом судне, это обстоятельство может дезориентировать в отношении правильности установления им пути следования цели. Так вот, АИС – практически первое навигационное средство, могущее определить и курс, и реальное направление движения любой зарегистрированной цели, к тому же обеспечив сопутствующую графическую визуализацию на экране ECDIS.
В заключение отмечу, что промышленность уже приступила к серийному выпуску как стационарных бортовых, так и универсальных мобильных АИС-транспондеров. Так что не за горами то время, когда можно будет без проблем переносить такое индивидуальное средство с автомобиля на катер, с катера – на вертолет и т. д. Правда, «идентификационной системой», которой, по настоянию наших соотечественников, перестали именовать АИС, станет в таком случае сам владелец. Иногда бывает досадно оттого, что не умею рисовать. Карикатуры, в частности…
Литература
1. Судовые комплексы спутниковой навигации П. С. Волосов, Ю. С. Дубинко, Б. Г. Мордвинов, В. Д. Шинков 2-е изд., переработанное и дополненное Л., Судостроение, 1983 г., 272 с., ил.
2.
The
evaluation of influence of new ship communication system on collision avoidance
/ Zhang Zhixiong, Imazu Hayama // Nihon kokai gakkaishi= Navigation.-1998.-№
138.- p. 93 – 94. Япония.
3. Technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in the VHF maritime mobile band./ Рабочие материалы Международного союза телекоммуникаций по пересмотру рекомендаций ITU-RM.-1371, 1998 г.
4. Автоматическая информационная система (АИС): Концепция внедрения на морском флоте. ЦНИИМФ, СПб, 1999 г., 16 с.