Zjawiska wykorzystywane do uzyskania kierunku w nawigacji morskiej

AIS

Uniwersalny statkowy system automatycznej identyfikacji AIS
(Universal Shipborne Automatic Identification System) to system,
którego głównym celem jest automatyczna identyfikacja stacji
nadawczych (statków) działających w relacji
statek – statek („ship-to-ship mode”) oraz
statek–brzeg–statek („ship-to-shore mode”).

AIS

Za  pomocą  tego  systemu  statki  w  sposób  ciągły,  autonomicznie,
nadają  /  odbierają  na  dwóch  wspólnych  częstotliwościach
(161,975 MHz – kanał 87B oraz 162,025 MHz – kanał 88B) raport
identyfikacyjny  do  innych  statków  znajdujących  się  w  pobliżu
(„ship-to-ship mode”) oraz do administracji przybrzeżnych krajów
(„ship-to-shore mode”).

AIS

Statkowe systemy AIS umożliwiają ponadto wizualizację w
systemie ECDIS następujących informacji:
• o wykrytych jednostkach pływających (dane identyfikacyjne
statku, informacje dotyczące trasy przepływu, stopnia
uprzywilejowania wynikającego z postanowień
międzynarodowych przepisów o zapobieganiu zderzeniom na
morzu MPDM, liczby osób oraz przewożonych ładunkach
niebezpiecznych na statku, a także dane dotyczące aktualnej
pozycji geograficznej oraz wektora ruchu statku);
• o bezpieczeństwie żeglugi w akwenie, np. lokalne ostrzeżenia
nawigacyjne, informacje dotyczące poprawności pracy
oznakowania nawigacyjnego, służby VTS oraz aktualnie
mierzonych wartości ryzyka zderzenia.

AIS

Międzynarodowa Organizacja Morska (IMO) wprowadziła AIS do
konwencji SOLAS jako narzędzie zwiększenia bezpieczeństwa
żeglugi i wymienia następujące jego zastosowania:

• do celów antykolizyjnych w trybie statek-statek,
• do celów informacyjnych państw nabrzeżnych o statku i jego

ładunku - monitoring,

• jako narzędzie VTS zarządzania ruchem statków w trybie

statek-brzeg.

AIS

IMO ustaliła dla statków obowiązek wyposażenia w AIS:
1.

wszystkich statków skonstruowanych po 30 czerwca 2002 r.;

statków w żegludze międzynarodowej skonstruowanych przed 1 lipca
2002r.:

 w przypadku statków pasażerskich nie później niż 1 lipca 2003,
 w przypadku zbiornikowców nie później niż na pierwszym

przeglądzie środków bezpieczeństwa po 1 lipca 2003,

 w przypadku statków innych od pasażerskich i zbiornikowców, o

pojemności brutto 50 000 i więcej nie później niż do 1 lipca 2004,

 w przypadku statków innych od pasażerskich i zbiornikowców, o

pojemności brutto 300 i więcej, ale mniejszej od 50 000 nie
później niż na pierwszym przeglądzie środków bezpieczeństwa po
1 lipca 2004 lub do 31 grudnia 2004, w zależności która z dat
przypadnie wcześniej,

statków nie zaangażowanych w żegludze międzynarodowej
skonstruowanych przed 1 lipca 2002 r. nie później niż do 1 lipca 2008r.

AIS

Można wyróżnić dwa typy statkowych AIS:
• klasy A – przeznaczony dla statków morskich, na których
urządzenie to jest wymagane zgodnie z postanowieniami
rozdziału V Międzynarodowej Konwencji o Bezpieczeństwie Życia
na Morzu SOLAS z 1974 roku znowelizowanej w 2005 roku;
• klasy B – przeznaczony dla jednostek, na których urządzenie to
nie musi być instalowane zgodnie z wymaganiami Konwencji
SOLAS (statków o pojemności brutto mniejszej niż 300
odbywających podróże międzynarodowe, statków o pojemności
brutto mniejszej niż 500 nieodbywających podróży
międzynarodowych oraz na jednostkach rybackich i rekreacyjno-
sportowych).

AIS

DANE STATYCZNE:

• dane identyfikacyjne (numer MMSI, numer IMO, nazwa,

sygnał wywoławczy),

• wymiary statku (długość, szerokość),
• pozycja anteny statkowego odbiornika radionawigacyjnego

podłączonego do AIS w stosunku do środka symetrii statku
(Dimensions A, B, C, D) (rys. 2),

• typ statku (określony kodem dwucyfrowym),
• wysokość statku określona jako pionowa odległość od stępki

do topu masztu.

AIS

DANE STATYCZNE:

Dane statyczne są wprowadzane przy instalacji urządzenia i
uaktualniane przy zmianie nazwy i sygnału wywoławczego statku,
jego przebudów powodujących zmianę wymiarów podstawowych
lub przeznaczenia oraz w wypadku zmiany odbiornika
radionawigacyjnego podłączonego do AIS miejsca instalacji jego
anteny. Są one chronione przed nieautoryzowanym dostępem.
Informacja o wysokości statku jest przesyłana na żądanie kapitana
lub kompetentnych władz.

AIS
DANE DYNAMICZNE:
• pozycja geograficzna otrzymana ze statkowego odbiornika

radionawigacyjnego podłączonego do AIS wraz ze wskazaniem
klasy dokładności (dokładność powyżej lub poniżej 10m);

• czas uniwersalny (UTC) z odbiornika GNSS stanowiącego

składową AIS;

• obliczone przez statkowy odbiornik radionawigacyjny

podłączony do AIS, aktualne wartości kąta drogi nad dnem
COG (course over ground) i prędkości nad dnem SOG (speed
over ground);

• kurs z żyrokompasu lub kompasu magnetycznego (heading);
• status nawigacyjny statku wprowadzony ręcznie przez obsługę,

zgodnie z postanowieniami międzynarodowych przepisów o
zapobieganiu zderzeniom na morzu;

• prędkość kątowa zwrotu ROT (rate of turn).

AIS

DANE DOTYCZĄCE PODRÓŻY:
• aktualna wartość zanurzenia maksymalnego statku;
• informacje o przewożonych ładunkach niebezpiecznych,

szkodliwych lub zanieczyszczających środowisko (hazardous
cargo);

• port przeznaczenia i przewidywany czas przybycia statku (ETA);
• liczba osób na statku wraz z załogą.

Informacje dotyczące podróży są wprowadzane ręcznie przez
odpowiedzialnego członka załogi i są uaktualniane podczas
podróży w razie zmian.

AIS

Zasięg horyzontalny statkowych urządzeń AIS jest zmienny, ale
można przyjąć, że średni wynosi około 74 km (40 Nm), zasięg
wertykalny jest większy i wynosi około 400 km. Zasięg systemu jest
porównywalny z zasięgami innych systemów wykorzystujących
pasmo VHF, zależy on w znacznym stopniu od wysokości na jakiej
zamontowana jest antena. W przypadku AIS jest on nieznacznie
większy dzięki zastosowaniu technologii cyfrowej zamiast
analogowej. Dzięki większej długości fali nośnej, propagacja fali jest
lepsza niż w przypadku propagacji fal radarowych. Jeżeli wysokość
lądu nie jest duża to możliwy jest też odbiór sygnałów z miejsc
niewidocznych, zasłoniętych przez zakręty toru wodnego lub wyspy.
Zasięg systemu AIS może być znacznie powiększony przez budowę
sieci oraz wykorzystanie stacji retransmitujących.

AIS - zasada działania

W skład każdego urządzenie AIS wchodzi nadajnik VHF, dwa
odbiorniki VHF TDMA (Time Division Multiple Access), jeden
odbiornik VHF DSC (Digital Selective Calling) oraz urządzenia
zewnętrzne podłączone zgodnie z protokołem komunikacji między
morskimi urządzeniami elektronicznym (NMEA 0183 inaczej IEC
61162) zapewniające dostęp do danych dynamicznych (np.
żyrokompas, odbiornik GPS) oraz pozwalające na prezentację
informacji (np. ECDIS).

AIS - zasada działania

Ponieważ dokładne wyznaczenie czasu ma podstawowe znaczenie
dla prawidłowego działania systemu, każde urządzenie ma również
wbudowany wzorzec czasu zsynchronizowany z odbiornikiem
systemu GNSS (np. GPS). Ten wbudowany odbiornik może być
używany jako źródło informacji o pozycji, jednak wykorzystywane
współrzędne są zazwyczaj uzyskiwane z odbiorników zewnętrznych
(np. GPS, rzadziej Loran C lub systemy bezwładnościowe). Pozostałe
informacje przysyłane przez system AIS pochodzą z innych urządzeń
statkowych podłączonych z wykorzystaniem protokołu NMEA.

AIS - zasada działania

Urządzenie AIS pracuje z trybie autonomicznym i ciągłym
niezależnie od typu akwenu w którym prowadzona jest nawigacja.
Wykorzystywane są dwie różne częstotliwości 161.975 MHz (kanał
87B) i 162.025 MHz (kanał 88B) oraz modulacja 9.6 kbit/s GMSK
(Gaussian Minimum Shift Keying). Pomimo tego, że do działania
systemu niezbędny jest tylko jeden kanał radiowy, każde urządzenie
nadaje i odbiera na dwóch kanałach. Pozwala to na zniwelowanie
problemów związanych z interferencją oraz umożliwia zmianę
kanału bez utraty łączności z innymi statkami. Zapewnione jest
również utrzymanie integralności pracy nawet w przypadku
wystąpienia przeciążenia systemu.

AIS - zasada działania

W celu uniknięcia sytuacji, w której różne urządzenia systemu AIS
nadawałby w tym samym czasie zastosowana została technologia
SOTDMA (Self-Organized Time Division Multiple Access). W
technice tej kanał fizyczny podzielony jest w czasie na okna
(szczeliny) czasowe. Użytkownikowi na potrzeby transmisji
przydzielana jest pewna liczba szczelin czasowych.

AIS - zasada działania
Aby wykorzystanie kanału było optymalne statki, które są na
kotwicy lub są zacumowane nadają rzadziej, niż statki które
poruszają się z dużą prędkością lub manewrują. Czas pomiędzy
wysłaniem kolejnych informacji zawiera się od 3 minut dla statków
na kotwicy i statków zacumowanych do 2 sekund dla szybko
poruszających się lub manewrujących statków.
• Dane statyczne – co 6 minut i na żądanie;
• Dane dynamiczne – w zależności od prędkości i zmian kursu;

• Dane związane z podróżą – co 6 minut, w przypadku zmiany

danych i na żądanie

Statek

Statek na kotwicy

3 minuty

Prędkość 0-14 węzłów

12 sekund

Prędkość 0-14 węzłów zmieniający kurs

4 sekundy

Prędkość 14-23 węzły

6 sekund

Prędkość 14-23 węzły zmieniający kurs

2 sekundy

Prędkość ponad 23 węzły

3 sekundy

Prędkość ponad 23 węzły zmieniający kurs

2 sekundy

AIS - zasada działania

Każde urządzenie AIS ustala swój własny plan nadawania oparty na
przeszłych danych o ruchu i wiedzy o prawdopodobnych przyszłych
działaniach innych jednostek. Wysyłane informacje zajmują jedno z
2250 okien czasowych (time slots) dostępnych w każdej minucie na
każdej częstotliwości (razem 4500). Urządzenia AIS nieustannie
synchronizują czasy nadawania w celu uniknięcia nakładania się
wysyłanych informacji. Wybór okna czasowego jest losowy w
zakresie ustalonego, zdefiniowanego okresu nadawania i oznaczony
losowym opóźnieniem wynoszącym od 0 do 8 ramek. W przypadku
zmiany okna czasowego, urządzenie ogłasza zarówno położenie
nowego okna jak i opóźnienie dla tego okna. Zapewnia to odbiór
nowych sygnałów, włączając w to sygnały pochodzące ze statków
które weszły w zasięg radiowy.

AIS - zasada działania

Wymagania IMO dotyczące przepustowości standardów
meldunkowych wynoszą minimum 2000 okien czasowych na
minutę, system AIS zapewnia 4500 okien czasowych, dodatkowo
zastosowana technologia SOTDMA, dzięki dzieleniu okien
czasowych, pozwala na 400-500% przeciążenie systemu przy
utrzymaniu prawie 100% wydajności dla statków bliższych niż 8-10
Nm. W przypadku przeciążenia systemu, tylko sygnały pochodzące z
dużych odległości są pomijane, w celu zapewnienia odbioru
sygnałów z bliższych statków. W praktyce przepustowość systemu
jest prawie nieograniczona.