Галичский А.В. Создание и развитие электронных морских навигационных карт

Моряк не бывает пьяным, его просто штормит по привычке!

Морские навигационные карты являются одним из важных руководств для мореплавания кораблей и обеспечения безопасности их плавания. С древнейших времен мореплаватели фиксировали данные о береговых ориентирах и глубинах, течениях и силе ветра. Эта информация наносилась на карты и записывалась в лоции, а умение использовать эти знания часто влияло на успех сражения. Навигационные происшествия в большинстве своем до сих пор связаны и с состоянием окружающей среды.

В начале 1980-х годов появились первые электронные навигационные карты.  Развитие электронных картографических навигационных систем было связано с появлением первых персональных компьютеров и принятием международных стандартов в области электронной картографии. Электронные навигационные карты (ЭНК) — это разновидность морских навигационных карт, которые приспособлены для отображения на экране персонального компьютера. Создание электронных навигационных карт было процессом применения цифровых версий традиционных бумажных навигационных карт, которые использовались для навигации судов, полетов и других задач. Такие карты содержат информацию о географических объектах, навигационных опасностях и других элементах, необходимых для безопасного движения.

Создание электронных навигационных карт включало несколько этапов:

— автоматизированное преобразование исходной картографической информации в цифровую форму, включающее сканирование бумажных карт или использование аэрокосмических снимков;

— символизация цифровой картографической информации, при которой каждому объекту присваивается код соответствующего условного знака, а также осуществляется программный и визуальный контроль и редактирование карты;

— разработка пользовательской системы управления базами данных для работы с электронными картами.

При этом используются различные методы и технологии. Одними из них являются растровое и векторное сканирование бумажной навигационной карты с высоким разрешением. Каждому объекту на карте соответствует свой вектор, связывающий его с базовой точкой. Осуществляется использование данных географических информационных систем (ГИС), применение результатов геодезических съёмок. Добавляется основа для отсчёта координат. Создается электронная копия. ГИС обеспечивают сбор, хранение, обработку и отображение картографических данных.

Например, съёмка местности может выполняться с помощью GPS, аэро- и космической фотометрии, вертолётных лазерных измерений.

С 1992 года ЭНК получили широкое применение в кораблевождении, где они используются при решении практически всех основных задач навигации. Во многих странах, в том числе и в России, были созданы интегральные навигационные комплексы, включающие специальные модули с электронной картой. Они содержат наборы цифровых морских карт и навигационной текстовой информации (лоции, огни, таблицы приливов и т.д.) на районы Мирового океана.

Есть несколько разновидностей ЭНК. Одна из них — это растровая карта. Это сканированная, оцифрованная бумажная карта. Некоторое время назад их активно использовали. Это была эпоха переходного периода, когда еще не были разработаны электронные навигационные карты. Растровые карты первыми были адаптированы в компьютерные программы. Но при использовании растровых карт на судах возникали достаточно неприятные проблемы. Например, не было возможности осуществлять быстрый переход с карты на карту. Возникали проблемы с отображением, обозначающим процесс получения изображения по модели с помощью компьютерной программы. Моделью является описание любых объектов или явлений на строго определённом языке или в виде структуры данных. Такое описание может содержать геометрические данные, положение точки наблюдателя, информацию об освещении, степени наличия какого-то вещества, напряжённость физического поля и пр.

Главной проблемой растровых карт было то, что они не изменяемы. Объекты на растровой карте оцифрованы в одно большое изображение, на которое накладывается позиция судна. При возникновении каких-то опасностей с карты невозможно считать информацию и дать сигнал капитану. Поэтому Международная гидрографическая организация в начале 90-х годов приняла формат S-57 — прообраз векторных карт. Формат S-57 — это международный стандарт для обмена цифровыми гидрографическими данными между национальными гидрографическими службами и для их распределения производителям, морякам и другим пользователям данных. Стандарт был принят в мае 1992 года на 14-й Международной гидрографической конференции.

Принципиальное отличие векторной карты от растровой в том, что все объекты на них (суша, опасные и неопасные объекты, море, и другие) выделены как отдельные объекты Земли. При загрузке в специализированные программы, когда позиция судна накладывается на такой карте, вместе с информацией из внешних источников, которая на такую карту поступает с радаров, эхолота, становится возможным сигнализировать о различных проблемах, которые видны на карте. Это повышает безопасность судовождения. Векторная карта быстро отображается. При смене карт происходит быстрая перерисовка новой карты, на которую переходит судно по   GPS-позиции. Задачи расхождений и сопряжений с радиолокацией достаточно хорошо на них решаются. Формат S-57 также претерпел большие изменения с 90-х годов. Возникли версии S-57.2, 57.3 и следующие. В 2007 году вышло дополнение к S-57, которое позволило кодировать и включать в электронные навигационные карты архипелажные морские коридоры и зоны, нуждающиеся в особой защите от судоходства по экологическим, научным или социально-экономическим причинам.

Постепенно происходит наращивание пакета электронных карт, с одной стороны, а с другой — продвигается стандарт S-100, в котором будут издаваться эти электронные карты.     S-100 — это стандарт Международной гидрографической организации (МГО) для обмена различными типами цифровых гидрографических данных. Он определяет формат, структуру и содержание данных для создания профессиональных векторных карт и обновлений. В процессе использования электронных навигационных карт постоянно производится их корректура.

Корректура — это процесс обновления карт, который позволяет привести их в соответствие с текущей обстановкой на местности. Изменения на местности происходят постоянно: строятся новые объекты, разрушаются старые, появляются новые подводные препятствия и т.д. Для поддержания карт в современном состоянии необходимо вносить на них изменения. При этом используются следующие виды корректуры:

— ручная — оператор вводит корректурные данные с пульта системы, используя специальные программные средства;

— полуавтоматическая — оператор устанавливает носитель корректурной информации (дискету, флеш- или оптический диск) в считывающее устройство;

— автоматическая — данные корректуры передаются по каналам спутниковой связи или интернету, система автоматически записывает их в память.

Для корректуры также используются данные дистанционного зондирования, аэрофотосъёмки и визуализации информации для контроля морской среды, оценки изменений в прибрежной зоне и выявления потенциальных навигационных опасностей. При получении корректуры основной файл с картой не изменяется. Файлы корректуры хранятся отдельно. Когда необходимая карта загружается, на неё накладывается информация из файлов корректуры. Этот процесс незаметен для пользователя, так как корректурные данные отображаются также, как и данные самой карты. Основными требования к корректуре электронных навигационных карт являются следующие:

— использование разных источников — извещений мореплавателям и навигационных предупреждений;

— стандартизация по структуре, системе классификации и кодирования;

— ведение журнала учёта корректур с записью даты и времени принятия/отклонения корректуры, полной идентификаций обновлений, ошибок или искажений, обнаруженных при получении корректуры.

Органичным применением компьютерных технологий в кораблевождении стало создание электронных «справочников» современного судна. Их принято разделять на три группы.

К первой группе относится электронно-картографическая навигационно-информационная система (ЭКНИС). Предоставляя судоводителю на дисплее справочные данные и характеристики картографических объектов, такие как ориентиры, опасные изобаты (изолиния, соединяющая точки одинаковых глубин на карте, запретные или ограниченные для плавания районы, данные об условиях плавания и опасности на маршруте следования судна, ЭКНИС в реальном времени сопоставляет их с текущим местоположением судна по данным от GPS и DGPS. Система также учитывает и предоставляет информацию от других систем и датчиков, расположенных на судне, данные магнитного компаса и гирокомпаса, лага, эхолота, АИС/РЛС, видеокамер и имеет дополнительные, не характерные ранее для средств картографии функции. Однако не на всех судах имеется возможность установки системы, отвечающей требованиям для ЭКНИС. Для некоторых судов она имеет слишком большие габариты, для других – слишком сложна в эксплуатации или просто дорога. Важной для средств картографии стала возможность оценки ЭКНИС навигационной безопасности плавания.

Ко второй группе относятся электронные картографические системы (ЭКС).

Возможности ЭКС часто сокращены по сравнению с ЭКНИС и адаптированы к задачам небольших судов, а также судов, осуществляющих плавание в ограниченном районе. Вместе с тем достоверность отображаемой электронной карты в таких системах соответствует общим требованиям и помогает судоводителю эффективно решать стоящие перед ним задачи. Но если она не является официальной, то не может отвечать требованиям Международной конвенции по охране человеческой жизни на море (SOLAS) и полностью заменить бумажные карты. SOLAS — это международный договор, который устанавливает минимальные стандарты в отношении конструкции, оборудования и эксплуатации судов, совместимые с их безопасностью.

К третьей группе картографических систем относятся растровые картографические дисплейные системы (РКДС). Они представляют собой растровые навигационные карты, получаемые путём сканирования обычных бумажных навигационных карт, в совокупности со средствами электронного позиционирования. Отсканированные файлы с матрицами пикселей различного цвета и плотности привязываются к соответствующему референц-эллипсоиду (для возможности определения программным обеспечением координат объектов на изображении карты). Файлы дополняются метаданными.

На собрании рабочей группы NAV-54 в 2008 году Международная морская организация приняла решение об обязательном оборудовании системой ЭКНИС всех судов свыше 3000 регистровых тонн, а для пассажирских судов – свыше 500 регистровых тонн. Период перехода на неё был установлен до июля 2018 года.

В отличие от традиционных методов прокладки предварительных маршрутов электронные методы имеют расширенные возможности и позволяют создавать маршрут разными способами:

— графически с использованием встроен­ного редактора. Это метод поэтапной прокладки по участкам карты от точки отхода до точки назначения с визуальным анализом глубин, опасностей, систем разделения движения и рекомендованных путей на карте;

— с использованием стандартизованной процедуры заполнения таблицы маршрута. Данные для таблицы могут заполняться из внешних рекомендованных источников при условии дальнейшего визуального отображения в графическом виде для контроля возможных ошибок;

— методом последовательного переноса поворотных точек с ранее созданного маршрута на бумажной карте с помощью дигитайзера. Этот метод обычно применяется на судах, где уже имеется отработанный маршрут на бумажной карте;

— загрузкой полученного по каналам электронной связи файла маршрута;

— созданием маршрута с помощью программных средств работы с базами данных по системам разделения движения, рекомендованным маршрутам, запретным районам и т.д.

Для каждого участка маршрута определяется безопасный коридор, выход за пределы которого возможен только в случаях возникновения нештатных ситуаций, требующих принятия решения для такого манёвра. После создания и сохранения маршрута необходима его проверка средствами ЭКНИС на возможные ошибки. Такая процедура проводится встроенным редактором проверки благодаря использованию в системе векторных карт. В отличие от растровых карт, представляющих собой лишь визуально воспринимаемый набор пикселей, векторные карты являются совокупностью прямых и изогнутых линий, имеющих координаты и математическое описание, а значит, поддающихся анализу. Основная проверка проводится на предмет поиска опасностей в зафиксированном безопасном коридоре, поэтому наиболее важно определение ширины этого коридора на всех участках маршрута. Судоводитель после проверки удостоверяется, что найденные редактором возможные ошибки в действительности не представляют опасности.

В соответствии с требованиями международной гидрографической организации на борту судна необходимо иметь дублирующий комплект бумажных навигационных карт. Если на борту судна установлена только одна ЭКНИС, то при наличии двух компьютеров с ЭКНИС, бумажные карты не обязательны.  В 2018 году закончился переходный период, за который по конвенции часть судов обязательно должны были перейти на использование электронных средства навигации. В зависимости от тоннажа и типа судна был выстроен график. Те, кто под эти правила не попал, могут использовать бумажные карты до сих пор.

В России с 1995 по 2010 годы картографическое производство «Гидрографическое предприятие» создавало коллекцию электронных навигационных карт (ЭНК), обеспечивающих покрытие всей акватории Северного морского пути (СМП). К 2016 году были разработаны и цифровые справочно-информационные наборы (ЦСИН) на акваторию СМП. Продолжение создания ЭНК и ЦСИН выполняется по результатам новых площадных съёмок рельефа дна и содержат более детальную информацию, по сравнению с данными, указанными на официальных морских навигационных картах.

В соответствии с приказом Министра обороны РФ от 10 декабря 2020 г. № 665, не вступившим в силу, предложено установить Требования к государственным морским навигационным картам, включая требования к их картографической основе, к используемым системам координат, высот и к составу навигационной информации, содержащейся в указанных государственных навигационных картах”.