Развитие навигационных информационных систем с отображением электронных карт

Развитие средств и методов навигационного обеспечения кораблей и судов ВМФ в последнее время проходит в обстановке постоянно возрастающей интенсивности мореплавания, усиления требований к точности, объему и надежности навигационной информации и оперативности ее обработки. Данные факторы, наряду с обусловленной ими необходимостью обслуживания большого количества сложной, разнотипной аппаратуры, в значительной степени усложняют деятельность командиров кораблей и штурманов по обеспечению навигационной безопасности плавания (НБП), навигационному обеспечению применения оружия и использования корабельных технических средств. В первую очередь это проявляется в сложных условиях, когда цена последствий от неправильного или несвоевременно принятого решения существенно возрастает.

Вот почему вся история Института свидетельствует о большом внимании командования, ученых и специалистов работам по автоматизации деятельности штурмана, как важнейшему пути повышения эффективности решения задач военного кораблевождения и снижения уровня навигационной аварийности.

Начало развития данного направления может быть отнесено к концу 40-х - началу 50-х годов, когда решение некоторых трудоемких задач штурмана было передано аналоговым счетно-решающим устройствам. Этапным достижением той поры при участии сотрудников Института В.К.Бобышева и Ю.А.Ладинского явилась автоматизация задачи счисления пути корабля с непрерывным отображением его места на карте в первом поколении автопрокладчиков

Следующим важным этапом можно считать создание во второй половине 50-х годов первых отечественных аналоговых навигационных комплексов (НК) ракетных пл. Несмотря на достаточно невысокий уровень автоматизации, в них, тем не менее был автоматизирован уже значительный круг штурманских задач, что сделало возможным обеспечение возросших требований к точности и оперативности выработки необходимых навигационных данных стрельбы.

Появление в конце 60-х годов инерциальных НК на базе цифровой вычислительной техники обозначило начало качественно нового этапа в развитии средств автоматизации деятельности штурмана. Появилась возможность автоматизации объемных расчетных задач выработки, коррекции и оценки точности навигационных параметров, некоторых процессов управления техническими средствами, элементов планирования и контроля деятельности штурмана. Неотъемлемой и важной частью НК становится пульт штурмана, обеспечивающий удобное управление комплексом и отображение необходимой информации.

Внедрение результатов исследований, выполненных в Институте в 70-е годы, позволило в новых НК в начале 80-х годов практически полностью автоматизировать процессы сбора и комплексной обработки информации, поступающей от разнородных автономных средств навигации и средств коррекции навигационных параметров. Значительный вклад в разработку математического обеспечения НК внесли сотрудники Института: Е.А.Ананченко, А.П.Бурсевич, В.П.Васильев, В.К.Гаранин, М.А.Казанков, Е.Н.Коренев, И.А.Кукулевич, М.А.Куражев, В.А.Масленников, Б.В.Мелещук, Ю.Г.Николаев, Ю.Н.Пленицын, Ю.А.Стецун, И.И.Тузов, В.Н.Фрадкин, Е.П.Янюшкин.

Ограниченные возможности входящих в НК специализированных ЭВМ не позволяли автоматизировать все аспекты деятельности штурмана как по управлению комплексом, так и в других вопросах. Сюда, в первую очередь, следует отнести задачи обеспечения навигационной безопасности плавания, подготовки к походу, послепоходового анализа и др. Этот недостаток компенсировался отлично зарекомендовавшими себя на флоте руководящими и методическими документами и пособиями, в разработке которых приняли самое активное участие Л.А.Богданов, С.Н.Быкова, В.К.Гаранин, Л.А.Заяц, Д.Л.Ильин, М.В.Кузнецов, А.Ю.Морозов, Б.И.Подорожный, П.П.Скородумов, Ю.А.Стецун, В.Н.Фрадкин.

В отдельное направление выделилось создание малогабаритных штурманских вычислителей, которые позволили автоматизировать решение отдельных штурманских задач на кораблях, не оснащенных НК. К ним относятся: поступившая на флот в 1980 г. специализированная навигационная ЭВМ "Спика" (разработчик математического обеспечения – М.А.Куражев) и малогабаритный штурманский вычислительный комплекс "Электроника МК-52-Астро", созданный в 1988 г. коллективом в составе В.Н.Костина, Н.А.Минаева и А.А.Тихомирова.

Развитие и внедрение универсальных персональных ЭВМ и современных информационных технологий позволило в 90-е годы освоить качественно новый этап работ по автоматизации деятельности штурмана. Значительным достижением следует считать создание в 1993 г. пакета программ прикладных штурманских задач для ПЭВМ (А.Н.Евдокимов, Л.А.Заяц, И.С.Каменская, А.В.Кузьминов, В.И.Федоров). В пакете был впервые автоматизирован широкий спектр штурманских задач, касающихся практически всех сторон деятельности командира БЧ-1: учет материальных средств, планирование регламентных и ремонтных работ, подготовка к походу и обеспечение плавания, послепоходовый анализ, определение маневренных элементов корабля и поправок штурманских приборов, базы данных приливов, огней и знаков, РМСНО, правил рейдовой службы, использования полигонов и т.п. Пакет не требует использования дорогостоящей вычислительной техники, прост в применении.

Следующей важной вехой на пути реализации широких возможностей современной вычислительной техники в штурманском деле стали навигационные информационные системы с отображением электронной карты. Они предоставляют пользователю информацию в наиболее удобном виде, позволяют избавиться от рутинных построений на бумажной карте, повысить оперативность и точность решения традиционных задач. Функциональные возможности информационных систем неизмеримо возрастают за счет новых задач, решение которых становится возможным, если рассматривать электронную карту как базу данных, содержащую большой объем разнородной информации.

Интегрирование навигационных информационных систем с системами управления кораблем открывает еще более широкие возможности по обеспечению безопасности плавания, автоматизации процесса кораблевождения, снятия со штурмана значительной части физической и психологической нагрузки. Внедрение таких интегрированных систем является важным средством снижения аварийности флота по вине личного состава.

Работы, направленные на создание таких систем для ВМФ, были начаты в Институте еще в середине 80-х годов, однако ощутимые результаты по ним достигнуты только в последние 5 лет. Толчком к тому послужило, во-первых, появление нового поколения компьютеров с требуемыми характеристиками, во-вторых – принятие международных стандартов в области электронной картографии и, в-третьих – высокие темпы развития технологий создания национальной коллекции электронных карт 280 ЦКП ВМФ, соответствующих этим стандартам.

Важным результатом развития морской электронной картографии в мире в последнем десятилетии следует считать принятие целого комплекса международных стандартов, определивших концепцию ECDIS – информационной системы с отображением электронной карты, рассматриваемой для целей навигации в качестве эквивалентной замены традиционной бумажной морской навигационной карты.

Проводимая ГУНиО МО РФ и Институтом техническая политика последовательно направлена именно на создание и внедрение систем, соответствующих указанной концепции, дополненной для ВМФ специальными приложениями.

Применительно к системам, предназначенным для ВМФ, введено понятие ЭНИС – "Электронная навигационная информационная система". При этом имеется в виду, что полностью отвечая требованиям к ECDIS, как к системе обеспечения навигационной безопасности плавания, ЭНИС включает в себя дополнительно множество баз данных и функциональных задач, отвечающих требованиям руководящих документов ВМФ по составу и организации (алгоритмам) их решения.

По источникам навигационной информации и назначению ЭНИС делятся на автономные (принимающие, обрабатывающие и использующие для решения задач информацию от различных навигационных датчиков) и неавтономные (использующие выходную информацию НК). В наших разработках последние получили название модулей обеспечения навигационной безопасности плавания (МОНБП). Однако приоритет в развитии принадлежит не им, а автономным ЭНИС, предназначенным для оборудования широкого класса кораблей и судов ВМФ.

В 1990–1997 гг. в соответствии с принятыми в ВМФ методами и организацией штурманской службы Институтом были разработаны логико-математические формулировки и алгоритмы решения функциональных задач и тактико-технические требования к базовой автономной ЭНИС, предназначенной для вооружения кораблей и судов ВМФ различных классов.

Данная система должна принимать информацию от всех возможных навигационных датчиков (гирокомпасов, лагов, эхолотов, приемоиндикаторов наземных и спутниковых РНС), как перспективных, так и существующих, обеспечивать отображение на фоне электронной карты первичной и вторичной радиолокационной информации, выработку рекомендаций по расхождению с отслеживаемыми целями, навигационную безопасность швартовки и маневрирования в гаванях (в том числе в условиях ограниченной видимости).

Специалистами Института завершается разработка пpоекта стандарта РФ на ЭНИС военного назначения, после утверждения которого планируется внедрить систему их обязательной сертификации.

По заказу ВМФ в настоящее время заканчивается также разработка МОНБП "Сегмент-И", включенного в состав НК многоцелевой пл 4-го поколения. В этом модуле используется вся выходная информация НК, реализована связь с БИУС и РЛС.

Система успешно прошла серию конструкторских и предварительных морских испытаний. Комплекс программного обеспечения, по уровню соответствующий лучшим зарубежным аналогам, рассматривается в качестве базового для НК и других перспективных заказов ВМФ, а также для последующих разработок ЭНИС для ВМФ. С учетом этого, начиная с 1996 г., в учебных заведениях, учебных центрах, на кораблях и судах ВМФ была организована и успешно проводится опытная эксплуатация программного обеспечения в варианте, использующим в качестве источника информации приемоиндикатор среднеорбитных спутниковых навигационных систем,.

Одновременно с модулем "Сегмент-И" ведется разработка его автономного (некомплексного) варианта – ЭНИС "Сегмент", которую в конце текущего – начале будущего года планируется принять на снабжение ВМФ. В связи с этим актуальным является вопрос ее статуса в структуре корабельных средств навигации.

Основной целью развития данной технологии является замена традиционной бумажной карты информационной системой с электронной картой. Очевидной является невозможность точного прогноза сроков достижения данной цели, главным образом в связи с незавершенностью процесса стандартизации систем этого класса, а также в силу определенных традиций и неизбежного консерватизма.

Очевидно однако и то, что даже не заменяя бумажную карту, ЭНИС в значительной степени автоматизирует решение широкого круга штурманских задач, является эффективным средством предупреждения об опасности и отображения интегрированной навигационной информации в виде, наиболее удобном для анализа и усвоения в сравнении с традиционными морскими средствами навигации (МСН).

Принципиально новые возможности, предоставляемые ЭНИС, определили необходимость пересмотра существующей организации использования МСН в ближайшей перспективе. Их интеграция при решении задач обеспечения НБП может иметь следующие основные формы (варианты).

Вариант №1: МСН используются в составе интегрированных систем навигации и управления кораблем, входящих или не входящих в контур АСУ (БИУС) корабля. Лицо, осуществляющее управление кораблем, в этом случае располагает всей поступающей навигационной информацией, представляемой ему в виде, наиболее удобном для принятия необходимых решений по обеспечению НБП. В функции системы, как правило, входит автоматизированное удержание корабля на заданном курсе (траектории).

Подобная система рассматривается как наиболее эффективная интегрированная МСН с системами управления движением корабля, связи и наблюдения, именуемая как "интегрированная мостиковая система", "интегрированный мостик" и т.п. Она широко распространена на существующих кораблях и судах ведущих зарубежных морских держав и внедряется на новых судах Росморфлота. Такая система позволяет значительно автоматизировать и обезопасить процесс судовождения и, в частности, реализовать перспективную концепцию "одного человека на мостике". Вопросам ее стандартизации ИМО в последнее время уделяет большое внимание.

В ВМФ России подобные интегрированные системы развития не получили. Причинами, кроме финансовых трудностей, являются обособленность технической политики, проводимой различными заказывающими управлениями ВМФ, и традиционные отличия от других флотов в организации главного командного пункта корабля. Основное отличие заключается в том, что на кораблях ВМФ информацией от МСН, достаточной для решения в полном объеме задач обеспечения НБП, располагает только штурман (командир БЧ-1). Командир корабля или лицо, замещающее его на мостике, пользуется, как правило, вторичной информацией, поступающей в виде устных докладов от штурмана, БИП, операторов РЛС, ГАС и пр., многократно дублируемой и часто отягощенной грубыми ошибками, особенно в сложных навигационных условиях. Изложенное в полной мере относится к большинству проектов боевых кораблей, в меньшей степени - к вспомогательным судам, где не несется штурманская вахта, а обязанности штурмана и вахтенного офицера совмещает вахтенный помощник. Однако даже в последнем случае в силу традиций оборудование судов осуществляется таким образом, что полная информация от всех систем, участвующих в обеспечении НБП, собирается только на командном пункте БЧ-1 (в штурманской рубке).

Выход из создавшегося положения состоит в скорейшем внедрении на флоте новейших информационных технологий. К их числу относятся ЭНИС, соответствующие как международным стандартам, так и всем необходимым требованиям, вытекающим из руководящих документов и организации штурманской службы ВМФ. Опираясь на результаты испытаний и опытной эксплуатации ЭНИС, разрабатываемых для ВМФ, можно сделать вывод о значительном повышении степени автоматизации и эффективности решения задач обеспечения НБП при использовании данных систем. Кроме того, они обладают другими немаловажными и достаточно просто реализуемыми возможностями:

• многократного размножения единой интегрированной навигационной информации для обеспечения всех лиц, участвующих в процессе обеспечения НБП;
• наращивания (адаптации к конкретному пользователю) функциональных задач на базе единой геоинформационной оболочки для создания необходимого числа автоматизированных рабочих мест различной конфигурации.

С учетом вышеизложенного в перспективных системах обеспечения навигационной безопасности плавания ЭНИС рассматривается как обязательный элемент.

Вариант №2: МСН объединены в НК. В этом случае ЭНИС в соответствии с существующей терминологией является модулем обеспечения навигационной безопасности плавания, входящим в состав комплекса. Основная особенность данного варианта заключается в том, что в ЭHИС используется только выходная инфоpмация НК, дополненная инфоpмацией от БИУС и РЛС. Коppекция данных НК по pезультатам задач, pешаемых с помощью ЭHИС, в этом случае возможна только путем pучного ввода с пульта комплекса.

В перспективном варианте рассматриваемую структуру целесообразно расширить за счет включения в нее либо дополнительных дисплеев одной ЭHИС для командира корабля, БИП и т.п., либо дополнительных ЭHИС, идентичных ЭHИС штурмана.

Вариант №3: МСH не объединены в НК. В этом случае ЭHИС превращается в основное средство обеспечения пользователя всей необходимой информацией для решения задач HБП. На нее в полном объеме возлагаются также задачи НК по сбору и совместной обработке информации от разнородных датчиков.

Совpеменные сpедства вычислительной техники и инфоpмационные технологии позволяют в пеpспективе максимально пpиблизить возможности МСH при их совместном использовании с ЭНИС к возможностям pассмотpенных выше интегpиpованных мостиковых систем в более пpостых и более дешевых стpуктуpах.

В заключение можно отметить, что на основе исследований, выполненных к настоящему времени Институтом, заложен необходимый фундамент для дальнейшего совершенствования средств и методов автоматизации деятельности штурмана с учетом новых требований и мирового уровня развития вычислительной техники и информационных технологий.