Зачем нужен радарный оверлей?

Обязательность оснащения морских судов ЭКНИС системами, которая постепенно реализуется с 2012 по 2018 годы, предъявляет к судоводителям особые требования, связанные с пониманием сути и принципиальных особенностей работы, а также с умением оценивать правильность ее работы как элемента интегрированной навигационной системы.

Не смотря на то, что сопряжение различных навигационных систем происходит уже достаточно давно (например наложение АИС-овских целей на радиолокационное изображение радара), электронные картографические системы (ЭКС) стали первыми полноценным интеграторами навигационной информации на ходовом мостике. Примитивное сопряжение ЭКС только с системой позиционирования (GPS или ГЛОНАСС), которое широко практиковалось на этапе необязательного использования электронно-картографических систем, давно уже не устраивает большинство судоводителей, а также противоречит требованиям ИМО. Поэтому типичным набором подключаемых источников стали курсоуказатель (гиро, спутниковый или на худой конец магнитный компас), лаг, эхолот, датчик ветра, АИС, САРП и т.д. Для судоводителя подобное представление информации, конечно же, во благо, т.к. позволяет значительно облегчить его работу.

Однако и в подобной интеграции есть свои «подводные камни». И заключаются они, с одной стороны в том, что благодаря легкости восприятия интегрированной информации проявляется эффект абсолютного доверия технике, а с другой - приводит к неправильной оценке ситуации при возникновении сбоев. Не даром, в новой редакции ПДНВ (т.н. Манильские поправки 2010 года) в требованиях по знанию ЭКНИС значительное место отведено умению оценивать возможные ошибки в работе системы. Сделать эти оценки, выявить наличие ошибок и принять их к сведению без понимания принципов работы системы не возможно.

Но знаний одних только принципов работы, зачастую, оказывается не достаточно – нужны специальные средства. К таковым относится, прежде всего, режим наложения сырого радиолокационного изображения на карту – т.н. «радарный оверлей». Большинством судоводителей этот режим оценивается как некое дублирование радара на фоне карты. Действительно «радарные» возможности ЭКНИС частично повторяют возможности самого радара. Но есть и другая сторона, позволяющая взглянуть на радарный оверлей как на средство диагностики правильности работы всего навигационного оборудования. Т.о. в настоящей статье делается попытка ответить на вопрос «зачем нужен режим радарного оверлея в ЭКНИС?».

Прежде всего, начнем с техники. Какое сопряжение ЭКНИС с радаром возможно и что для этого нужно? Различают два типа, первое т.н. «цифровое NMEA- сопряжение», позволяющие ввести в ЭКНИС данные о сопровождаемых радаром целях. Это возможно, только в случае реализации в радаре режима автоматического сопровождения целей (т.н. САРП). Вторым видом сопряжения является подключение через радарный процессор, который, по сути, является специализированным аналогово-цифровым преобразователем видео сигнала радара в цифровой, понятный компьютеру вид. Результатом работы такой системы является отображение радиолокационного изображения «поверх» карты.

отображение сложной навигационной обстановки в режиме радарного оверлея

Теперь рассмотрим кратко особенности восприятия радиолокационного изображения на фоне карты. Именно наличие картографической подложки, относительно которой судоводитель оценивает получаемое изображение и приводит к тому, что эффекты, которые он ранее не замечал на экране радара вдруг стали проявляться и вводить в заблуждение:

1. Как известно каждому судоводителю еще из учебного курса радиолокации, одной из основных характеристик радара является ширина диаграммы направленности антенны. Чем больше геометрические размеры антенны, тем уже главный лепесток. Для большинства навигационных радаров он имеет угловое значение около 1 градуса. Именно на эту угловую величину расширяется радиолокационная отметка даже от самого небольшого объекта (например буя или вехи). Для случая наблюдения радаром буя на дистанции 1 морская миля и указанной выше шириной главного лепестка 1 градус, абсолютная ширина радиолокационной отметки составит более 30 метров. И чем больше расстояние до объекта, тем шире в абсолютном измерении эта отметка.

Но и это еще не все. Помимо углового «расширения», происходит удлинение радиолокационной отметки по дальности за счет фиксированной длины импульса, излучаемого радаром. Так, при работе на т.н. «коротком» импульсе (в современных радарах это около 50 наносекунд) протяженность радиолокационной отметки по дистанции составит около 10 метров. Использование же «среднего» и тем более «длинного» импульсов увеличивает эту отметку во много раз.

Таким образом, вместо точки, обозначающей местонахождения буя или вехи на карте судоводитель зачастую видит протяженную радиолокационную отметку, значительно превышающую истинные размеры объекта. И это, во-первых, не должно смущать его, а во-вторых, он должен правильно оценивать истинное местоположение наблюдаемого объекта. И находится эта «истинная» точка строго посередине передней кромки радиолокационного сигнала.

отображение буя на «коротком» импульсе радараотображение буя на «длинном» импульсе радара

2. Угловое расширение радиолокационного сигнала, механизм которого описан выше приводит еще к одному непривычному для восприятия судоводителя эффекту – расширению сигнала от береговой черты при ее облучении под острыми углами. Такой случай характерен наблюдению на носовых и кормовых курсовых углах при движении судна вдоль берега. Отображаемый сигнал от береговой линии как бы «сползает» на область воды, при наблюдении его на больших расстояниях и постепенно «возвращается» к своему истинному положению по мере приближения к наблюдаемому участку:

искажение радиолокационного сигнала от береговой черты при острых углах облучения

И опять-таки, из этого эффекта судоводитель должен извлечь практический вывод – наиболее достоверная оценка береговой линии достигается при его «перпендикулярном» по направлению к береговой линии облучении радаром, что соответствует траверзным курсовым углам при движении судна вдоль берега. Описанный эффект существует и на самом радаре, однако не столь явно заметен, т.к. на радаре нет картографической подложки и глазу, как говорится, «не за что зацепиться», не с чем сравнить радиолокационный сигнал при разных ракурсах. В ЭКНИС системах такой опорой для сравнения является карта.

3. Третий эффект, требующий учета при анализе, заключается в том, что радиолокационное изображение от береговой черты не всегда соответствует фактической береговой черте (а значит и картографическому ее изображению).

расхождение между картографическим и радиолокационным отображением береговой черты

Механизм этого достаточно подробно описывается во всех учебниках по судовой радиолокации и связан с тем, что наиболее пологий берег плохо отражает радиолокационный сигнал и часто не виден на радаре, а эффективное отражение происходит от крутых склонов или крупных береговых объектов, находящихся за береговой чертой.

Поэтому судоводителя не должно смущать строгое несоответствие радиолокационной и картографической береговой линий.

Теперь, зная особенности отображения сигнала на фоне карты, мы можем непосредственно приступить к рассмотрению ошибок, которые могут возникнуть в системе или в источниках навигационных данных и увидеть как это влияет на работу системы.

Начнем, пожалуй, с самой опасной из возможных ошибок – картографической. Неточность картографических данных возможна по разным причинам, которые хотелось бы исключить из рассмотрения в этой статье. Главное, что нужно принять как аксиому – это возможно. Т.е. никогда нельзя абсолютно доверять тем данным, которые представлены на карте. Известны случаи, когда на карты по каким либо причинам не наносились целые острова. И если эта аксиома принимается, то возникает вопрос – может ли судоводитель определить наличие таких ошибок и расхождений? Многие ответят, что опытный судоводитель, хорошо знающий район плавания сделает это «на глаз» и , наверное, будут правы. Но что делать, если он не опытен, не знает настолько подробно района или находится в условиях ограниченной видимости? Среди существующих в ЭКНИС средств наиболее эффективным для такой оценки является радарный оверлей. Он укажет на подобные расхождения и ошибки, через несоответствие картографической и оверлейной береговой линий. При этом, конечно же, судоводителю следует учитывать все особенности формирования и отображения радиолокационного сигнала от берега, описанные выше.

Следует добавить, что по инициативе России еще в 2006 году ИМО был принят циркуляр №255, рекомендующий использование радарного оверлея для выявления неточностей картографических данных.

Вторая из возможных ошибок, не менее опасная для судоводителя - ошибка системы позиционирования. Мы настолько привыкли к тому, что GPS (или ГЛОНАСС) всегда покажет нам с достаточной точностью место, где мы находимся, что зачастую полагаемся на него как на абсолютно достоверно работающий прибор. А между тем и в нем возможны сбои и преднамеренные ошибки, достигающие сотен метров. К чему может привести возникновение таких ошибок для судна, думаю разъяснять не надо. Наша задача выяснить – может ли судоводитель выявить и скомпенсировать наличие таких ошибок?

Отчасти это возможно при использовании ГНСС с дифференциальным режимом работы. Но они не всегда имеются на судах, да и не во всех районах судоходства установлены ККС. Нельзя исключать также из методов обнаружения ошибок системы позиционирования анализ данных эхолота и их сопоставление с картой глубин, а также периодическое определение места судна известными стандартными способами. Но, все же, самым эффективным является все тот же режим радарного оверлея. Главное, чтобы радар видел береговую черту. И если она не соответствует картографической и имеет смешение в одном направлении на фиксированную величину – это признак того, что возникли рассматриваемые ошибки в ГНСС. Метод, конечно же, не работает при отсутствии радиолокационной видимости берегов, но этот случай, как правило, менее критичен.

контроль позиции судна с помощью радарного оверлея

Следует заметить, что на некоторых картах, вследствие ошибок или недостоверности пересчета местных эллипсоидов при их изготовлении, возможны сдвиги в привязке обширных областей. В этом случае радиолокационное изображение такого участка будет, как и в случае с ошибкой системы позиционирования, иметь постоянное смещение в одном направлении.

смещение радиолокационного сигнала относительно картографического вследствие недостоверности пересчета местных эллипсоидов

Теперь рассмотрим следующий по важности источник навигационных данных – курсоуказатель. К чему может привести наличие сбоев и ошибок в его работе? Помимо неправильного курса судна, как минимум - к неправильной оценке пеленгов на наблюдаемые цели, и как следствие – к неправильной оценке навигационной опасности и ошибочном принятии решения на расхождение с целью.

Какие же эффективные средства мы имеем для выявления таких сбоев? Ответ не нов – все тот же радарный оверлей. За счет чего? Рассмотрим механизм формирования радиолокационного изображения. Радар, как известно, изначально определяет направления относительно диаметральной плоскости судна. Затем, уже «внутри» системы осуществляется пересчет курсовых углов радиолокационных объектов в пеленга, путем прибавления к ним текущего значения курса. Полученный таким образом азимутально стабилизированный радиолокационный сигнал накладывается на карту. В случае, если значение курса судна будет иметь ошибку, то на величину этой ошибки исказится все радиолокационное изображение. Оно будет повернуто вокруг места судна на величину ошибки курса и это будет легко идентифицироваться по характерному несовпадению картографической и радиолокационной береговой черты.

поворот радиолокационного изображения вследствие ошибок курсоуказания

Информация от системы АИС, ставшей обязательной на морских судах с 2008 года, также может быть проконтролирована с помощью радарного оверлея. При правильной ее работе мы должны видеть, что отметка от АИС цели совпадает с радиолокационной по углу и дистанции. Этот же принцип относится и к контролю информации о целях, поступающей с САРП.

контроль работы АИС и САРП

Какова же «цена вопроса»? Конечно же, радарный оверлей - удовольствие не из дешевых. Цена на современные радарные процессоры колеблются от 1,5 до 3…4 тысяч долларов США. Однако, по отношению к цене самой ЭКНИС системы это составляет от 5 до 20% стоимости, что уже вполне приемлемо.

Таким образом, можно утверждать, что наличие функции радарного оверлея в современных ЭКНИС является крайне важным и полезным дополнением, позволяющим судоводителю помимо его прямого назначения по отображению радиолокационной обстановки на фоне карты, оперативно контролировать работоспособность как самой системы, так и достоверность поступающей в нее навигационной информации. Особенно важно, что этот контроль можно осуществлять оперативно, без проведения каких либо расчетов и прочих специальных действий. Достаточно просто включить режим оверлея и отслеживать соответствие радиолокационного и картографического изображений.

Фадеев Владимир Алексеевич.
к.т.н., доцент,
доцент кафедры «Радионавигационных приборов и систем» ГМА им. адмирала С.О.Макарова
.