Человечество издревле стремилось создавать карты осваиваемых им территорий. Географические карты на папирусе, серебряных пластинах, бумаге и различных других материалах стали надежными помощниками путешественников и мореплавателей. Сегодняшний ХХ1 век диктует новые правила. На вооружении у человечества уже электронные навигационные информационные системами.

Первые карты и великие географические открытия

Самому древнему известному изображению Земной поверхности около 5 тыс. лет. Это план местности, выполненный на великолепной серебряной вазе, принадлежащей вождю одного из племен, живших в окрестностях современного Майкопа (Россия, Краснодарский край). На плане тончайшим узором выгравированы и переплетены друг с другом горы, реки, озеро, леса и различные звери. Древнейшей картой считается среднемасштабная карта Месопотамии. На ней изображены деревни, реки и горы Северной Месопотамии. Вавилонское происхождение имеет другая древняя карта мира: на ней Земля представлена в виде круглого плоского диска, который пересечен рекой Евфрат. Течет она с гор, а впадает в океан, со всех сторон окружающих Землю. По окраине океана лежат семь 'островов', имеющих треугольную форму. Надписями обозначены Вавилон (в центре), Ассирия и Урарту.

Особого расцвета картография древности достигла в античный период. Греческие историки и географы обобщили и сохранили географические знания древности. В начале V в. до н.э. Гекатей Милетский, автор трактата 'Описание земли', составил первую карту ойкумены (обитаемой части Земли). На ней схематично были изображены все четыре больших средиземноморских полуострова: Малая Азия, Балканы с Пелопоннесом, Апеннинский и Пиренейский. Идея шарообразности Земли впервые была выдвинута греческим философом Парменидом за пять веков до Рождества Христова. Еще через двести лет александрийский ученый Эратосфен произвел первое, но весьма точно определение длины большого круга земного шара: около 39 690 км (по современным данным 40 076 км).

В средние века, с расширением мореплавания, торговли и военного дела, картография получила еще более широкое развитие. Географические сведения стали предметом купли-продажи, объектом шпионажа и даже:. увлекательным чтивом, т.к. нередко сопровождались различными домыслами и фантазиями. Огромную потребность европейцы испытывали в золоте и серебре, которые полноводной рекой утекали на восток в обмен на дорогостоящие восточные товары. Именно поэтому в начале 15 в. португальцы решили, двигаясь вдоль западного побережья Африки, обогнуть Черный континент и достичь Индии. Однако там они оказались лишь весной 1498 года.

Серьезную задачу предстояло решить Христофору Колумбу. Сведения, которыми располагал великий мореплаватель перед открытием Америки не шли ни в какое сравнение с багажом знаний португальцев. Он не располагал картами, у него не было свидетельств арабских мореплавателей, и он не имел в распоряжении многих лет для движения вдоль Африканского побережья. Христофор Колумб должен был реализовать на практике модную средневековую концепцию, заменившую ему географическую карту: 'Поскольку Земля круглая, а единый массив суши существенно преобладает над единым океаном, то двигаясь в западном направлении через океан недели через три-четыре можно оказаться в Японии (или Китае либо Индии)'. Причем из множества сведений о размерах Земли мореплаватель невольно выбрал наиболее его устраивающие, сократив расстояние от Канарских островов до острова Симпаго (Япония) в 3,5 раза. Подвиг, совершенный Колумбом, трудно переоценить даже в наше время.

В 16 веке португальцы достигли побережья Австралии, однако, информация о столь великом географическом открытии была немедленно засекречена. Поскольку 'колонизационные' ресурсы Португалии были ограниченны, было принято решение оставить Австралия 'на потом'. Почти через сто лет Австралия была повторно открыта голландцами, которые также сочли данную информацию секретной и решили вернуться к исследованию неведомой земли лет так через ... сто.

В наше время на поверхности Земли практически не осталось белых пятен, поэтому накопленная за тысячелетия географических исследований и открытий информация используется для составления высокоточных морских навигационных и топографических карт.

Как рассчитать путь судна?

Разновидностью географических карт, находящей применение в навигации и судовождении, является морская навигационная карта. С появлением первых плавсредств начался непрерывный процесс их механизации, электрификации и автоматизации. Например, еще в древности колоссальным шагом вперед стало использование энергии ветра взамен мускульной силы человека для приведения судна в движение. Во все времена профессия моряка считалась не самой безопасной. Недаром древние греки делили людей на живых, мертвых и тех, кто в море.

В 30-40 годах прошлого века стали появляться первые электромеханические прокладчики пути судна на бумажных морских навигационных картах. Оказалось, что с помощью простейших вычислительных устройств можно учитывать текущие скорость и курс судна и решать задачу приращения координат. Бумажную карту крепили на специальный стол - автопрокладчик. Движущаяся в двух направления каретка была снабжена лампой, подсвечивающей перекрестие, и карандашом. Если карту крепили на автопрокладчик сверху, то текущее место судна отображалось светящимся перекрестием, а если карту располагали внутрь стола под кареткой, то место судна прочерчивал карандаш.

С ростом мощности вычислительных устройств и совершенствованием средств отображения, построенных на основе электронно-лучевых трубок, появилась возможность воспроизводить элементы морской навигационной карты на дисплеях. Подобными дисплеями могли быть оснащены системы измерения глубины под килем судна, радиолокационные станции, автоматизированные системы для расчета маневра расхождения со встречными судами и др. Информация, переносившаяся с морских навигационных карт в электронные системы, не была стандартизирована, и производители не слишком заботились о ее достоверности и идентичности первоисточнику. Излишнее доверие судоводителей к подобной 'картам' приводило к навигационным авариям и происшествиям: посадке судов на мель, касания грунта и т.д., поэтому в конце 80-х годов международной морской (IMO) и гидрографической (IHO) организациями было принято решение создать гармонизационную группу, которая должна была разработать рабочий стандарт на электронные системы, отображающие морскую навигационную карту. Итогом работы гармонизационной группы стало разработка рабочего стандарта IMO А.817(19) на т.н. ECDIS-системы (Electronic chart display and Information system или электронные информационные навигационные системы), который был принят в 1995 году на 19 конференции международной морской организации (IМО).

Электронные карты и ECDIS-системы

Итак, ECDIS - это электронная навигационная информационная система, которая может рассматриваться в качестве средства, заменяющего откорректированную бумажную навигационную карту. Как правило, ECDIS (в виде специальной стойки) состоит из IBM-совместимого компьютера специального исполнения с источником бесперебойного питания, монитора, клавиатуры, манипулятора и комплекта программного обеспечения с базами данных (электронными навигационными картами). Требования к производительности компьютера, составляющего основу подобной системы, не высоки. Особенностью эксплуатации ECDIS является то, что она работает в условиях повышенной влажности и при наличии мощных электрических и магнитных полей.

ECDIS сопрягается с датчиками навигационной информации по протоколу ММЕА-0183 (измерителем скорости - лагом, измерителем глубины - эхолотом, компасом, радиолокационной станцией и др.). Обрабатывая данные о курсе и скорости, ECDIS рассчитывает положение судна на любой момент времени. В ECDIS встраивается модуль приемников GPS или ГЛОНАСС/GPS. Этот модуль обеспечивает определение координат судна с высокой точностью и измерение скорости корабля. При использовании специальных антенн и дополнительного оборудования можно получить и курс судна. Для повышения точности местоопределения предусмотрен прием дифференциальных поправок к сигналам спутниковой навигационной системы. В этом режиме предельная погрешность (с вероятностью 0,997) определения координат не превышает 5 - 15 метров.

Другим важным узлом ECDIS является встроенный 'радар-процессор'. Это устройство преобразовывает аналоговую информацию, поступающую от РЛС в цифровой вид и накладывает, в реальном масштабе времени, 'сырое' радиолокационное изображение на электронную навигационную карту. Организованная таким образом информация позволяет сопровождать до нескольких десятков целей, определяя их элементы движения и решать задачу безопасного расхождения кораблей в районах интенсивного судоходства. Кроме того, данные от РЛС могут быть использованы для определения положения корабля относительно навигационных опасностей (например, выступов побережья).

По замыслу разработчиков ECDIS - система, предназначенная для повышения эффективности судовождения за счет оперативной обработки большого объема разнородной информации, в реальном масштабе времени. Результаты решения задач отображаются на электронной навигационной карте, эквивалентной бумажной морской навигационной карте.

Одной из основных причин создания и внедрения ECDIS явилось желание судоводителей повысить навигационную безопасность плавания. Эксплуатация существующих образцов ECDIS показало, что наиболее эффективно эта система может быть использована при плавании в узкостях при сопряжении с высокоточной спутниковой навигационной системой. Действительно, крайне сложно вести прокладку в узкости на бумажной морской навигационной карте масштаба 1:25000. Достаточно часто приходится менять карту, устанавливая ее на автопрокладчик, наносить вручную результаты определения координат судна. А это значит уходят драгоценные минуты крайне необходимые для оценки положения судна относительно рекомендованного фарватера и выдачи рекомендаций на маневр. Электронная навигационная карта позволяет судоводителю освободиться от рутинных ручных операций и сосредоточится исключительно на обеспечении безопасности маневрирования судна.

Другой причиной создания и внедрения ECDIS является автоматизация решения задач сопровождения и расхождения с целями путем использования вычислительных мощностей компьютера ECDIS и совмещения радиолокационного изображения с электронной навигационной картой. Основу любой ECDIS составляют электронные навигационные карты. Абсолютное большинство электронных навигационных карт отображают данные в одной из двух концепций:

- ECS (Electronic chart system) - концепция отображения, когда электронные навигационные карты не является полным эквивалентом бумажной морской навигационной карты. В этом случае электронные карты является дополнительным источником информации, а основной картой считается бумажная.

- ECDIS - в этой концепции входящие в систему электронные навигационные карты является эквивалентом бумажной морской навигационной карты и входящие в ее состав программное обеспечение и аппаратура, а также используемые электронные навигационные карты соответствуют всем ниже перечисленным требованиям:

· IHO Special Publication S-57 edition 3 - стандарт Международного Гидрографического Общества (IHO) на обмен гидрографическими данными. Описывает структуру данных и формат обмена между Гидрографическими Службами, производителями ECDIS и судовладельцами. Редакция 3. Дата издания: ноябрь 1996 г.

· IHO Special Publication S-52 edition 5 - спецификация на информацию, содержащуюся в электронных картах, а также перечисление требований по отображению данных. Редакция 5. Дата издания: декабрь 1996 г.

· IMO Resolution A.817 - рабочий стандарт Международной морской организации (IMO) на ECDIS-системы, перечисляет требования к программному и аппаратному обеспечению, электронным картам и цифровым корректурам. Дата издания: декабрь 1995 г.

· IEC International Standard 61174 - требования Международной электротехнической комиссии (IEC) к морскому навигационному и радиокоммуникационному оборудованию ECDIS-систем. Содержит описание методов проверки соответствия систем требованиям стандарта. Дата издания: 1998 г.

Помимо соответствия перечисленным требованиям ECDIS должна пройти процедуру официальной проверки в уполномоченной организации.

Электронная карта используемая в ECDIS - это не 'фотография' бумажной карты, а как бы ее 'живая' копия, т.к. вся информация о картографических объектах хранится в векторной форме. Коллекция векторных электронных навигационных карт является наиболее дорогой частью ECDIS-систем.

Упрощенные системы, построенные по концепции ECS, стоят существенно дешевле. Ноутбук, оснащенный GPS - приемником с установленными растровыми электронными картами на район предстоящего плавания вполне может решить задачу ориентирования судоводителя в открытом море и обеспечить переход судна из одной точки в другую. Однако подобное устройство не может заменить собой (с точки зрения международного морского права) навигационные приборы и бумажную морскую навигационную карту, обязательно имеющиеся на каждом судне.

Кодируем, шифруем и раскрашиваем

Изображения, выводимые на монитор, записаны в базе данных компьютера числовыми кодами. Как можно закодировать карту числами?

Все цвета, которыми раскрашена карта, нумеруются. На карте представляется сетка горизонтальных и вертикальных линий. Чем мельче ячейка сетки, тем точнее воспроизведётся карта. В каждой ячейке записывается номер её цвета. Получается цифровая матрица. Такой способ цифровой кодировки изображения называется растровым форматом. Следовательно, растровая карта - это набор данных определенной структуры (формата), сохраненный в одном файле. Для работы с растровыми картами от пользователя не требуется особой квалификации.

Закодировать карту числами можно по-другому. Любой объект на карте - это либо точка, либо линия, либо область (полигон) на плоскости. Для определения объекта на карте достаточно задать его контур. Именно так, в виде контуров, записывается карта в векторном формате. В памяти персонального компьютера лежит список точек и линий контуров всех объектов на карте. Точки задаются своими координатами, а линии - последовательностью своих точек.

Векторный формат можно представить как контурную карту, а растровый - как раскрашенную карту. Конечно, векторный вид карты занимает меньше объем дискового пространства, но зато некоторые вопросы, имеющие простые ответы в растровом формате, требуют длительных расчётов на векторном формате. Например, растровой карте легко ответить на вопрос, - какому объекту принадлежит интересующая нас точка и кто её соседи, - достаточно проанализировать соответствующую ячейку и её окрестности в матрице.

Чтобы ответить на этот вопрос, когда карта записана в векторном виде, придётся перебрать все линии в списке и произвести немалые вычисления для определения полигона, в котором лежит запрашиваемая точка. Отвечать на вопросы, используя базу данных и рисовать карты лучше в векторном виде, а обрабатывать космические снимки и моделировать явления на земной поверхности лучше, если территория представлена в растровом формате. Поэтому, векторные электронные карты популярны в картографическом производстве и у пользователей баз данных, а растровые - у дешифровщиков космической информации со спутников. В зависимости от того, в каком формате электронная карта выполняет свою основную работу, она называется векторной или растровой и вследствие этого лучше приспособлена к тем или иным задачам.

Векторное представление данных дает существенную экономию объема памяти, требуемого для хранения карты, при этом требуется минимальное время для перестроения карты на мониторе. Хранение карты, как совокупности отдельных элементов, дает много дополнительных и очень полезных для судоводителя возможностей. По своему желанию судоводитель может включать или отключать отображение на мониторе различных классов картографических объектов, подбирая удобный для данных условий плавания способ представления информации. Например, можно отключить все изобаты (линии равных глубин), задать отображение отдельных глубин до определенного значения или вовсе их отключить, в любой момент времени включить или выключить отображение средств навигационного оборудования - буев, маяков и многое другое. Вместе с этим, можно организовать слежение за любым объектом, отображенным на мониторе, установив на нем специальный маркер. Векторное представление данных позволяет включать тревожную сигнализацию при подходе к опасностям или границам района независимо от того, включены эти объекты для отображения или нет.

Управляем судном в автоматическом режиме

С гордостью можно констатировать, что российские компании добились серьезных успехов как в разработке программного обеспечения для ECDIS-систем, так и в производстве электронного оборудования для них. К настоящему времени ряд компаний создали ECDIS-системы соответствующие технико-эксплуатационным требованиям рабочего стандарта IMO А.817(19).

Серьезных успехов в создании систем отображающих электронную навигационную карту и отвечающих требованиям, предъявляемым к ECDIS, добилась компания Транзас (Transas).

В 1998 году первая российская ECDIS Navi Sailor 2400, разработанная Транзас, прошла необходимые заводские, стендовые и судовые испытания и получила одобрение типа Морской Администрации России. В настоящее время на мировой рынок предлагается очередная версия этой ECDIS - Navi Sailor 3000.

Еще одна российская компания Моринтех (Морские информационные технологии) созданная в Санкт-Петербурге в 1988 году, активно занимается разработкой и производством систем, включающих электронную навигационную карту. Основными направлениями деятельности Моринтех является разработка программного обеспечения в области навигации, гидрографии и морской картографии. В основе развития программных продуктов Моринтех лежит единая концепция - dKart, позволяющая создавать приложения, использующие электронные навигационные карты. Моринтех активно сотрудничает с национальными Гидрографическими Службами в области издания официальных электронных навигационных карт международного стандарта S-57.3. Так, система dKart Inspector является фактическим международным стандартом качества данных и широко используется Гидрографическими Службами и фирмами различных государств - Англии, Италии, Германии, Канады, России и др.

Оборудование судна ECDIS-системой завершило формирование единого контура управления судном в автоматическом режиме. Проведенные в 90-х годах 20 века эксперименты, заключавшиеся в переходе судна (в зоне действия дифференциальной подсистемы спутниковой навигационной системы), оборудованного ECDIS, из одного порта в другой без участия экипажа полностью подтвердили этот вывод. Таким образом, многолетнее становление и развитие бумажной морской навигационной карты привело к тому, что уже в наше время поверхность морей и океанов способны самостоятельно бороздить роботы-суда, а операторам, находящимся на береговых командных пунктах, остается только управлять и контролировать стальные громадины.