Способ визуализации навигационной обстановки при судовождении

Способ визуализации навигационной обстановки при судовождении

Реферат

Изобретение относится к области судовождения и может быть использовано при разработке авторулевого, при проведении гидрографических работ, для повышения безопасности плавания танкеров.

Известны визуальные навигационные устройства, в которых оценка навигационной обстановки выполняется путем сравнения текущего радиолокационного изображения с радиолокационной картой [1], что требует большого личного опыта судоводителя, так как в радиолокационной карге, так и в радиолокационном изображении отсутствует точная привязка к координатам.

Известен способ визуализации навигационной обстановки, в котором текущее радиолокационное изображение совмещается с аппроксимированной электронной навигационной картой, исходная информация которой хранится на магнитном или жестком носителе [2]. Использование данных карт сопряжено с определенными трудностями, так как они изготавливаются разработчиком навигационного комплекса на каждый конкретный район плавания по предварительным заявкам.

Известен также способ визуализации навигационной обстановки, в котором текущее радиолокационное изображение накладывается на традиционную навигационную карту, изображение которой снимается посредством телевизионной камеры [3]. Способ трудоемкий, так как отягощен ручными операциями, связанными с заменой карт, требует выполнения условий по юстировке телевизионной камеры и при оперативном изменении навигационной обстановки плавания не обеспечивает ввода корректуры.

В известном способе визуализации навигационной обстановки посредством устройства, содержащего радиолокационную антенну, блок для хранения карты местности, компас, блок для определения положения радиолокационной антенны, индикатор, блок ввода данных, определяющих интересующую точку местности, и контроллер, который создает на экране индикатора радиолокационную развертку и изображение карты местности и помещает интересующую точку на радиолокационной развертке в соответствующую точку на карте местности, в результате чего радиолокационные цели, характерные особенности местности и точка, представляющая интерес, могут быть коррелированы [4].

Недостатком этого технического решения является необходимость сопоставления информации, получаемой в различных системах, так как характерная точка на местности сопоставляется с радиолокационным изображением, при этом характерная точка может находиться в не центре радиолокационного изображения.

Известен еще ряд технических решений визуализации навигационной обстановки, основанных на сопряжении электронных картографических навигационных систем с радиолокационным изображением, а также авторулевым, и внешними (радионавигационные и спутниковые навигационные системы) и автономными средствами навигации (курсоуказатель, лаг, эхолот) [5, 6]. Благодаря тому, что в данных технических решениях используется наложение текущего радиолокационного изображения, центр которого привязан к географическим координатам, определяемым по внешним системам навигации, на навигационную электронную карту существенно повышается информативность навигационных параметров и обеспечивается возможность графического отображения траектории движения судна, а также движения по заранее выбранному маршруту (программное плавание).

Однако существующие электронные навигационные карты, как правило, записываются на заводе-изготовителе аппаратуры и хранятся на дискетах ROM. На одной дискете может храниться не более семи электронных карт [7], что позволяет использовать известные системы визуализации навигационной обстановки в основном в районах плавания не отягощенных многочисленными навигационными опасностями, нанесенными на традиционную навигационную карту. Как справедливо подчеркнуто в [8, с.2], "имеющиеся в настоящее время навигационные электронные карты охватывают незначительную часть территории РФ", что ограничивает применение данных систем, несмотря на их более высокую информативность по сравнению с радиолокационным изображением местности.

Известен также способ визуализации навигационной обстановки при судовождении [8], в котором визуализация навигационной обстановки при судовождении производится путем создания при контрольном проходе судна по заданной траектории электронной радиолокационной карты местности, в виде последовательности радиолокационных изображений, координаты центров которых определяются с помощью спутниковой навигационной системы, наложения на нее текущих радиолокационных изображений, получаемых при проходе судна по заданной траектории, координаты центров которых также получают от спутниковой навигационной системы, и последующей оценки совпадения текущего радиолокационного изображения и электронной радиолокационной карты местности, по которому судят об отклонении судна от заданного маршрута и о достоверности информации, получаемой от спутниковой навигационной системы и РЛС кругового обзора, причем положение антенны РЛС кругового обзора, координаты центров радиолокационных изображений, используемых для создания электронной радиолокационной карты местности, и центр текущего радиолокационного изображения определяют сопряжением РЛС кругового обзора с ПЭВМ и аппаратурой СНС. При этом достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности и надежности отображаемой навигационной информации.

Использование известного способа визуализации навигационной обстановки при судовождении для судов небольшого водоизмещения действительно дает положительный эффект. Однако при использовании его на судах большого водоизмещения из-за наличия "мертвых зон" при работе РЛС кругового обзора, обусловленных высотой установки антенны, а также помехами, возникающими от конструкций палубных надстроек, особенно при плавании в стесненных в навигационном отношении обстоятельств вероятность получения достоверной радиолокационной информации существенно уменьшается.

Кроме того, данный способ позволяет достичь технического результата при использовании его при плавании судна в прибрежной зоне, так как радиолокационная карта местности может быть создана при уверенном захвате РЛС кругового обзора береговых средств навигационного обеспечения или по крайней мере береговой черты. В открытом море создание электронной карты местности по радиолокационной информации путем контрольного прохода судна практически не осуществимо, ввиду отсутствия береговых ориентиров.

Для судов большого водоизмещения и особенно для судов, перевозящих опасные грузы, при проходе узкостей, фарватеров и при подходе к выносным устройствам газовых и нефтяных терминалов объем выводимой информации, характеризующей навигационную безопасность плавания в этих районах должен быть избыточным и непрерывным для принятия единственного правильного решения для обеспечения навигационной безопасности плавания.

Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности отображаемой навигационной информации за счет расширения функциональных возможностей способа.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе визуализации навигационной обстановки при судовождении, включающем хранение электронной радиолокационной карты местности, определение положения антенны радиолокационной станции (РЛС) кругового обзора, корреляцию характерных особенностей местности и интересующих точек, при наложении текущего радиолокационного изображения на электронную радиолокационную карту местности с учетом положения антенны РЛС кругового обзора, при этом электронную радиолокационную карту местности создают при обработке радиолокационной информации и сохраняют в виде последовательности радиолокационных изображений, записанных при контрольном проходе заданной траектории судном, оснащенным РЛС кругового обзора, ПЭВМ, аппаратурой сопряжения РЛС кругового обзора с ПЭВМ и аппаратурой спутниковой навигационной системы (СНС), при этом координаты центров радиолокационных изображений, используемых для построения электронной радиолокационной карты местности, получают от СНС, а при наложении текущего радиолокационного изображения на электронную радиолокационную карту местности, центр текущего радиолокационного изображения также получают от СНС и помещают в точку с соответствующими координатами на электронной карте местности, после чего оценивают совпадение текущего радиолокационного изображения и электронной радиолокационной карты местности, по которому судят об отклонении судна от заданного маршрута и о достоверности информации, получаемой от СНС и РЛС кругового обзора, причем положение антенны РЛС кругового обзора, координаты центров радиолокационных изображений, используемых для создания электронной карты местности, и центр текущего радиолокационного изображения определяют сопряжением РЛС кругового обзора с ПЭВМ и аппаратурой СНС, с отображением позиции судна, его координат, скорости, курса при наложении текущего радиолокационного изображения, центр которого привязан к географическим координатам, определяемым СНС, совмещение радиолокационного изображения с навигационной электронной картой, записанной на носитель геопространственной информации, в котором выполняют визуализацию изменения во времени фактической глубины в фиксированной точке акватории, построение и визуализацию изолиний наибольшего по астрономическим условиям размаха приливных колебаний и поверхности приливных колебаний, высоты прилива, определение и визуализацию областей акватории для некоторого момента времени, на которых фактическая глубина меньше допустимой (осадка плюс безопасная глубина), а структура хранения геопространственной информации включает преобразование плоской поверхности Земли на иерархические вложенные квадраты, каждый из которых индексируется кодом, являющимся длиной кривой Гильберта для этого квадрата, определение индекса минимального по площади квадрата, который полностью содержит заданную область, а по найденному индексу находят объекты, имеющие индекс с префиксом, равным индексу заданной области.

Отличительными признаками, по сравнению с известными способами визуализации навигационной обстановки является то, что выполняют визуализацию изменения во времени фактической глубины в фиксированной точке акватории, построение и визуализацию изолиний наибольшего по астрономическим условиям размаха приливных колебаний и поверхности приливных колебаний, высоты прилива во времени, определение и визуализация областей акватории для некоторого момента времени, на которых фактическая глубина меньше допустимой, а структура хранения геопространственной информации включает преобразование плоской развертки поверхности Земли на иерархические вложенные квадраты, каждый из которых индексируется кодом, являющимся длиной кривой Гильберта для этого квадрата, определение индекса минимального по площади квадрата, который полностью содержит заданную область, а по найденному индексу находят объекты, имеющие индекс с префиксом, равным индексу заданной области, что позволяет хранить существенный объем картографической информации с возможностью оперативного ввода необходимой корректуры, обусловленной изменением навигационной обстановки, выполнять процедуру автоматической генерализации естественных объектов, заданных географическими координатами при их визуализации, с обеспечением возможности перехода с одного масштаба карты на другой с оценкой допустимой погрешности на конкретном масштабе.

В известных способах визуализации навигационной обстановки при судовождении для достижения технического результата, заключающегося в повышении точности и надежности необходимо хранить большой объем данных на постоянном носителе. Проблема хранения данных состоит в том, что для решения задачи визуализации геопространственную информацию требуется загружать в оперативную память. В общем случае большой объем геопространственной информации не позволяет загрузить ее полностью в оперативном случае, в частном случае, если это можно сделать в судовых условиях, то время, необходимое на загрузку, превышает допустимую величину. Кроме того, следует учитывать, что большие объемы геопространственной информации, загруженные в оперативную память, резко замедляют работу ПЭВМ. Разрешение этой проблемы связано с организацией специальной структуры хранения геопространственной информации на внешнем носителе, и специальных алгоритмов поиска и выбора в этой структуре хранения только того набора геопространственных данных, который необходим для решения конкретной текущей навигационной задачи.

Традиционные способы представления информации в реляционном виде не эффективны, так как геопространственная информация является многомерной. Существующие представления многомерных данных в форме многомерных информационных деревьев (например, k-d-B-дерева), также не эффективна по временным затратам на поиск и выборку для вывода на визуализацию.

В заявляемом техническом решении представление векторной геопространственной информации основано на виде отображения точек многомерного пространства в точки одномерного отрезка-кривой Гильберта. Такое отображение позволяет построить эффективную структуру хранения многомерной информации на внешнем носителе и алгоритмы процедуры запроса с выполнением требований по минимизации памяти и времени.

Кроме того, для крупных судов, перевозящих опасные грузы, существенным навигационным параметрам для обеспечения безопасности плавания, особенно в стесненных в навигационном отношении условиях, является фактическая глубина акватории и высота прилива. В известных способах визуализации навигационной обстановки при судовождении, если и возможен учет приливных колебаний, то только для отдельных береговых точек, для которых известны гармонические постоянные. Экстраполяция точечных значений прилива на открытые акватории неправомерна, ввиду того, что приливные колебания на открытых акваториях морей имеют сложное пространственно временное распределение.

Способ реализуется следующим образом.

При движении судна по маршруту, как и в известном способе [8], выполняют сопоставление информации о текущем положении и электронной радиолокационной карты, полученным путем определения параметров посредством РЛС кругового обзора и аппаратуры СНС.

Совмещают на экране устройства визуализации радиолокационную карту местности с электронной навигационной картой, которая хранится на внешнем носителе типа CD или винчестере. Хранение на внешнем носителе осуществляется с использованием В-дерева, основанным на иерархическом принципе хранения, который состоит в том, что:

- плоская развертка поверхности Земли разбивается на иерархические вложенные квадраты аналогично построению кривой Гильберта. Каждый квадрат индексируется кодом, являющимся длиной кривой Гильберта для этого квадрата;

- просматриваются геопространственные объекты и определяется индекс минимального по площади квадранта, который полностью содержит объект. Объекту присваивается индекс найденного квадранта.

Для поиска в заданной пространственной области принцип поиска следующий:

- определяется индекс минимального по площади квадранта, который полностью содержит заданную область;

- по найденному индексу находятся объекты, имеющие индекс с префиксом, равным индексу заданной области.

При этом загружаются только объекты, пересекающиеся с заданной областью и каждому квадранту соответствует некоторый уровень разрешения (масштаб визуализации), что позволяет для больших по размеру областей не загружать малые по площади объекты путем установления ограничения на длину суффикса индекса.

При изменении позиционирования заданной области (сканирование окна обзора) в первую очередь изменяется набор малых квадрантов, а набор больших остается неизменным. Поэтому большие объекты не надо перегружать, а выполняется поиск и загрузка только относительно малых для текущего масштаба объектов. Это же справедливо и при изменении масштаба в окне визуализации. При этом загружая только минимально необходимый набор объектов можно поддерживать несколько разных масштабов визуализации одной области. Так как, расположение индексов в индексном файле последовательное, то обращение к внешней памяти однократное для чтения поиска индексов.

Структура хранения геопространственных данных на внешнем носителе включает файл метаданных, индексный файл (связи между объектами и иерархическими квадрантами разбиения), файл описания объектов в квадрантах), файл с геопространственными данными (координаты и атрибуты), как исходных объектов, так и генерализованных, что позволяет увеличить объем памяти и построить гибкую систему обработки запросов, учитывающую текущий доступный размер оперативной памяти и реализованную скорость выполнения операций, обеспечивающих обработку запросов.

Структура файла метаданных слоев включает показатель минимального дробления, диапазон иерархических индексов хранения в ОЗУ, число слоев, порядковый номер слоя, код слоя, название слоя, тип слоя (точечный, линейный, полигонный), исходный масштаб, число файлов хранения, порядковый номер, масштаб, имена (путь) файла хранения, максимальный диаметр объекта, минимальное расстояние, число градаций масштабов, число картографических знаков, порядковый номер, верхний масштаб, нижний масштаб ссылка на картографический знак.

Структура индексного файла (для всех слоев) включает иерархический индекс квадрата (стартовый индекс 0), начальное смещение данных в файле описания объектов в квадрате, конечное смещение данных в файле описания объектов в квадрате.

Файл описания объектов в квадрантах включает иерархический индекс квадрата, код данных (есть объекты, нет объектов в квадрате), при этом, если есть объекты, то и число слоев, порядковый номер слоя, код слоя, число объектов, соизмеримых с размером квадрата, порядковый номер объекта, код объекта в слое. тип объекта (весь объект, часть объекта, квадрат полностью попадает в полигон, код нижележащего полигона, значение для заливки, число масштабов, порядковый номер масштаба, значение масштаба, начальное смещение данных об объекте в файле хранения данных для всего объекта или порядковый номер начальной точки для частичного объекта, конечное смещение данных об объекте в файле хранения данных для всего объекта, ссылки на объекты ниже по уровню.

Информация о геофизических объектах кроме пространственно-временных координат включает вектор характеристик, описывающих собственно геофизическую сущность объекта. В общем случае для каждого объекта имеется свой набор этих характеристик, которые представляют собой как цифровой так и текстовый тип данных. Так как поиск объекта по заданному вектору (задача точного совпадения) или подвектору (задача поиска неточного совпадения) представляет собой сложную алгоритмическую задачу, то для ее решения строится суффиксное дерево с представлением вектора характеристик в виде строки.

Процедура автоматической генерализации естественных линейных объектов реализована на языке MatLab.

Линейные объекты на навигационной карте представлены упорядоченными наборами географических координат. Число пар координат в наборе соответствует исходному масштабу карты. При переходе к меньшему масштабу карты необходимо уменьшить, соответственно масштабу генерализации, число пар географических координат, описывающих объект. Для этого предусмотрена процедура исключения числа точек, позволяющая сохранять видимую структуру извилистости линии, а для площадных объектов - площадь. Процедура, которая удовлетворяет этим требованиям, представляет собой концепцию упорядочения точек по представительности в формировании графического образа объекта и заключается в следующем.

Каждый линейный объект (линия или полигон) занимает площадь, соответствующую площади его выпуклой оболочки. Набор точек выпуклой оболочки объекта - это тот минимальный набор точек, который представляет объект на минимальном масштабе. Этот набор может быть визуализирован, только если площадь в пикселях выпуклой оболочки больше, некоторой заданной величины (свободный параметр). При увеличении масштаба от масштаба, соответствующего визуализации выпуклой оболочки до исходного масштаба карты, число точек аппроксимации должно увеличиваться, таким образом, чтобы новые точки пополняли список уже визуализированных, что осуществляется следующим образом.

При увеличении масштаба для каждой визуализированной пары точек находится точка, наиболее удаленная от прямой, соединяющей эту пару точек. Если это расстояние больше, чем допустимая погрешность на этом масштабе, то точка визуализируется, в противном случае - нет. Эта процедура представляет собой модификацию алгоритма оценки глобальной фрактальной размерности кривой. Поэтому степенной закон изменения длины линии остается инвариантом по построению, а следовательно, для полигонов площадь будет мало изменяться, так как площади треугольников, "хаотично" добавляемых или "вычитаемых" треугольников на каждом шаге, достаточно малы. В тоже время число точек, описывающих кривую, резко изменяется. Эту процедуру можно провести на этапе предобработки, и на каждом шаге итерации сохранить расстояние от добавляемой точки до соответствующей прямой. Так как, реализация этой процедуры может привести к пересечению линий, то после ее выполнения производится проверка пересечений и их корректировка путем приписывания точкам, образующим пересекающиеся участки такого большего значения расстояния, которое не приводит к пересечению. Если известны расстояния для точек, то собственно процедура генерализации сводится к оценке допустимой погрешности для масштаба визуализации, выбору точек, для которых расстояние больше или равно величине погрешности, и визуализации кривой на основе этих точек.

При автоматической генерализации искусственных объектов (огражденные спецполигоны и рекомендованные пути плавания), ввиду того, что таких объектов незначительное число, они имеют классификацию по значимости, в соответствии с которой регламентируется их визуализация по масштабам. При этом процедура предобработки сводится к расчету для каждого объекта его длины и создается список индексов объектов в порядке возрастания длин. Кроме того, для всего слоя объектов рассчитывается суммарная площадь объектов, равная сумме произведений длины каждого объекта на площадь поверхности Земли, соответствующей одному пикселю в исходном масштабе карты.

Процедура визуализации состоит в том, что для всего слоя рассчитывается суммарная площадь объектов, равная сумме произведений длины каждого объекта на площадь поверхности Земли, соответствующей одному пикселю в текущем масштабе карты. Визуализируются только те объекты, сумма площадей которых равна площади для исходного масштаба карты. Для этого используется список индексов, полученных на этапе предобработки.

Помимо визуализации картографической информации, нанесенной на навигационную карту, выполняется также определение, визуализация и сохранение в файле фактической глубины на заданной траектории движения судна путем предвычисления приливов, посредством численного метода расчета пространственно-временного распределения приливных колебаний на открытой акватории по гармоническим постоянным на береговых постах наблюдения за уровнем моря, что обеспечивает возможность предвычисления фактической глубины моря, как суммы приливных колебаний и навигационной (картографической) глубины в любой точке акватории моря на любой момент времени. При этом обеспечивается вычисление фактической глубины моря в любой точке на любой момент времени; определение и картирование областей акватории, на которых фактическая глубина при любых приливных ситуациях будет меньше допустимой, всегда больше допустимой и областей, занимающих промежуточное положение (в этих областях фактические глубины могут быть меньше и больше допустимой глубины в зависимости от фазы прилива); определение и картирование областей акватории для некоторого момента времени, на которых фактическая глубина меньше допустимой (осадка плюс безопасная глубина); определение и визуализация изменения во времени фактической глубины в фиксированной точке акватории; построение изолиний наибольшего по астрономическим условиям размаха приливных колебаний на акватории, изолиний приливных колебаний; построение и визуализация поверхности приливных колебаний на акватории; мультипликация положения изолиний и поверхности высоты прилива во времени на акватории.

В отличие от известных способов визуализации навигационной обстановки при судовождении, в заявляемом способе обеспечивается возможность визуализации не только радиолокационной карты местности, но и практически не упрощенной навигационной карты с их совмещением, а также визуализация приливных колебаний на акваториях морей, что повышает надежность судовождения. Применение данного способа особенно актуально для судов, перевозящих опасные грузы. Способ может быть также использован при проведении гидрографических работ. Практическая реализация способа осуществлена на акватории Северного моря.

Источники информации

1. Сазонов А.Е., Родионов А.И. Автоматизация судовождения. М., Транспорт, 1977, с.194-196.

2. Пирогов Н.Н., Чернявец В.В. Навигационный комплекс для катеров на подводных крыльях/Зарубежное военное обозрение, №4, 1986, с.58-59.

3. Солнцев А.Н., Пирогов Н.Н. Автоматизированный навигационный комплекс АНКН-94 / Записки по гидрографии. Л., ГУНИО МО РФ №244, 1988, с.29-33.

4. Патент США №5179385.

5. ЭКС NAVI-SAILOR, ЗАО "ТРАНЗАС", E-mail:tel@transas.ru.

6. Современное состояние и тенденции развития зарубежных средств и систем навигации подвижных объектов военного и гражданского назначения./Александров А.С., Арно Г.Р., Васильева Т.Е. и др. Л., ГУНИО МО РФ, 1994, с.92-100.

7. Приемоиндикатор GP-1500. Проспект фирмы "Decca Radar", 1989.

8. Патент РФ №2207585.

Способ визуализации навигационной обстановки при судовождении, включающий хранение электронной радиолокационной карты местности, определение положения антенны радиолокационной станции (РЛС) кругового обзора, корреляцию характерных особенностей местности и интересующих точек, при наложении текущего радиолокационного изображения на электронную радиолокационную карту местности с учетом положения антенны РЛС кругового обзора, при этом электронную радиолокационную карту местности создают при обработке радиолокационной информации и сохраняют в виде последовательности радиолокационных изображений, записанных при контрольном проходе заданной траектории судном, оснащенным РЛС кругового обзора, ПЭВМ, аппаратурой сопряжения РЛС кругового обзора с ПЭВМ и аппаратурой спутниковой навигационной системы (СНС), при этом координаты центров радиолокационных изображений, используемых для построения электронной радиолокационной карты местности, получают от СНС, а при наложении текущего радиолокационного изображения на электронную радиолокационную карту местности центр текущего радиолокационного изображения также получают от СНС и помещают в точку с соответствующими координатами на электронной карте местности, после чего оценивают совпадение текущего радиолокационного изображения и электронной радиолокационной карты местности, по которому судят об отклонении судна от заданного маршрута и о достоверности информации, получаемой от СНС и РЛС кругового обзора, причем положение антенны РЛС кругового обзора, координаты центров радиолокационных изображений, используемых для создания электронной радиолокационной карты местности, и центр текущего радиолокационного изображения определяют сопряжением РЛС кругового обзора с ПЭВМ и аппаратурой СНС, с отображением позиции судна, его координат, курса, скорости при наложении текущего радиолокационного изображения, центр которого привязан к географическим координатам, определяемым СНС, совмещение радиолокационного изображения с навигационной электронной картой, записанной на внешний носитель геопространственной информации, отличающийся тем, что при движении судна по маршруту совмещают на экране устройства визуализации радиолокационную карту местности, полученную посредством РЛС кругового обзора и аппаратуры СНС, с навигационной электронной картой, хранящейся на внешнем носителе, осуществляют визуализацию изменения во времени фактической глубины в фиксированной точке акватории, построение и визуализацию изолиний наибольшего по астрономическим условиям размаха приливных колебаний и поверхности приливных колебаний, высоты прилива во времени, определение и визуализацию областей акватории для некоторого момента времени, на которых фактическая глубина меньше допустимой, при этом представление геопространственной информации на навигационной электронной карте местности, хранящейся на внешнем носителе, основано на отображении точек многомерного пространства заданной пространственной области маршрута судна в виде точек одномерного отрезка, представляющего кривую Гильберта, путем разбиения плоской поверхности Земли на иерархические вложенные квадраты, при этом каждый квадрат индексируется кодом, соответствующим длине кривой Гильберта для этого квадрата, причем диапазон иерархических индексов хранится в оперативном запоминающем устройстве внешнего носителя геопространственной информации, для поиска в заданной пространственной области геопространственных и геофизических объектов просматривают на экране устройства визуализации имеющиеся объекты и определяют индекс минимального по площади квадрата, который полностью содержит заданную пространственную область, по найденному индексу находят объекты, имеющие индекс, равный индексу заданной пространственной области.