Beitrag 17

Vorstellung des Projekts "INIS"
(Integrierte Navigation in der Seeschiffahrt)

Prof. Dr.-Ing. habil. J. Majohr, Dr.-Ing. R. Fiedler, M. Gluch, J. Kirchner
Universität Rostock



Ausgangssituation und Zielstellung

Ausgehend von den Erfahrungen bei der Positionsbestimmung von Seeschiffen und bei der Entwicklung von mathematischen Algorithmen zur Beschreibung der Schiffsbewegung im Projekt "Identifizierung Dynamischer Schiffsbewegungen" (IDYS), das zwischen 1992 und 1995 bearbeitet wurde, ist die Idee für ein neuartiges Navigationssystem entstanden. Dabei ist der Unterschied zu bestehenden Systemen in der Datenerfassung, Datenaufbereitung und Datenbewertung zu sehen.

An der Entwicklung von Navigationssystemen, die unterstützend den Navigationsprozeß an Bord von Seeschiffen begleiten, wird seit einigen Jahren mit großem Aufwand von vielen bekannten Firmen gearbeitet. Hierbei wird oft der Begriff 'Integriertes Navigationssystem' benutzt. Der Integrationsgrad der jedoch erreicht wird, ist dabei oft nur auf wenige Geräte beschränkt oder die Information eines Gerätes wird lediglich über einen Monitor angezeigt. Dieser Zustand ist bislang als unbefriedigend zu bezeichnen, da eine Konzentration von Informationen z.B. auf einer elektronischen Seekarte (ESK) nicht zwangsläufig auch eine Unterstützung des Navigationsprozesses herbeiführt.

Will man ernsthaft dieses Problem lösen, so muß ein Navigationssystem den momentanen Status eines Fahrzeuges erfassen, damit zu einem bestimmten Zeitpunkt nur jene Daten zur Anzeige gelangen, die wirklich notwendig sind. Ein noch besserer Unterstützungseffekt könnte erreicht werden, wenn neben der Anzeige der relevanten Daten auch noch eine Bewertung der Informationen erfolgt. Solche Informationen gestatten dann die Festlegung einer Abarbeitungsfolge für die Lösung von Navigationsaufgaben.

Einerseits liegt im ersten Ansatz die Vermutung nahe, daß die Lösung aus dem nautischen Bereich selbst kommen muß, denn hier wird der Status eines Fahrzeuges durch den Steuermann festgelegt. Andererseits kann jedoch der Status eines Fahrzeuges so definiert werden, daß man mit Hilfe von Sensoren und Rechentechnik den navigatorischen Status eines Schiffes erkennen kann. Erst damit wird die Grundlage für eine umfassende Bewertung aller anfallenden Informationen möglich. Während der Navigationsoffizier seine Bewertung der Schiffssituation nur auf einen bestimmten Teil der auflaufenden Daten aufbaut, kann durch ein Bewertungssystem ein mehrfaches an Informationen ausgewertet werden.

Vorläufiges Ziel ist der Aufbau eines experimentellen Navigationssystems, bei welchem neben einer komplexen Datenerfassung, Datenaufbereitung und Datenbewertung, Möglichkeiten einer automatischen Bahnführung aufgezeigt werden sollen.


Aufbau des experimentellen Navigationssystems

Das experimentelle Navigationssystem wurde in verschiedene Verarbeitungsebenen unterteilt, die entsprechend ihrer Aufgabenstellung auf verschiedene Hard- und Softwareplattformen zurückgreifen. Für das Navigationssystem werden vier Hauptkomponenten eingesetzt. Diese sind so konzipiert worden, daß die Experimentierumgebung nicht an die Grenzen der Rechnerkapazitäten stößt.

Eine wesentlicher Bestandteil ist das SeaNav-System [1-2]. Das Meßwerterfassungs- und Positionsbestimmungssystem SeaNav besteht neben einer eigenen Referenzstation aus zwei wesentlichen Komponenten. Dabei sind VMEbus-Rechner, Schnittstellen, Laufwerke und der GPS-Empfänger (12 Kanal C/A-Code Empfänger der Firma NovAtel) in einer Einheit untergebracht und die Stromversorgung sowie die LCR-88 AHRS (Attitude and Heading Reference System) der Firma LITEF in einer weiteren Einheit eingebaut.

Abb.1

Abb. 1 SeaNav-System (Prinzip Skizze)

Die DGPS-Positionsbestimmung kann sowohl mit Rohdaten als auch mit RTCM-Korrekturdaten ausgeführt werden. Eine Positionsbestimmung aus AHRS und DGPS wird zur Verfügung gestellt. Diese Lösung wird unter Nutzung eines Kalman Filter erzeugt. Die Software des SeaNav-Systems setzt sich zusammen aus dem OS9-Betriebssystem und der Software MODAMS. Neben den vier digitalen Schnittstellen, sind 8-AD Wandlerkanäle und 4 Impulszähler verfügbar. Für die Erfassung der Meßwerte der Schiffssensoren (Ruderwinkel, Kreiselkurs, Propellerumdrehungen und Maschinenfüllung) und des Umweltsensors (Windmesser) werden diese Schnittstellen genutzt. Die Aufnahme der Schiffsgrößen erfolgt zeitgleich über eine Signalconditioning Baugruppe. Mit dieser Baugruppe kann eine Vorfilterung der analogen Signale erfolgen.

Vom SeaNav-System werden die Daten über einen 10 Hz Transputerlink an die zweite Hauptkomponente einen weiteren IPC (IPC-Ident) weitergereicht. Hier erfolgt eine Vorfilterung und Qualitätsprüfung der gemessenen Schiffsdaten. Dieser IPC wird für die Kalman Filterung eingesetzt, die anhand eines identifizierten, mathematischen Schiffsmodells in der Lage ist, eine stabilere Positionslösung zur Verfügung zu stellen. Neben dieser Funktion wird bei geeigneter Manöversituation eine Bestimmung der Identifikationsparameter ausgeführt.

Abb.2

Abb. 2 Komponenten des experimentellen Navigationssystems

------ noch zu integrierende Komponenten   ¯¯¯¯¯ bereits realisierte Komponenten

Die Bahnplanung wird ebenfalls auf dem IPC-Ident vollzogen. Der erste Bereich wird als Offline-Bahnplanung bezeichnet. Hier werden zunächst die Manöver zur Verfügung gestellt, die vor Antritt der Reise aus den Manöverdaten errechnet werden können. Der zweite Bereich wird als Online-Bahnplanung bezeichnet. Dabei wird während der Fahrt, anhand aktueller Identifikationsergebnisse ein bestimmtes Manöver geplant. Die aktuellen Meßwerte, die Manöverdaten und auch die Identifikationsergebnisse werden an die nächsten Hauptkomponenten weitergereicht.

Die ESK kann als PC- oder als Workstation System eingesetzt werden. Entscheidend hierbei sind die Leistungsreserven, die bei der Aufbereitung und Darstellung der auflaufenden Informationen gebraucht werden. Die Schnittstelle zum INMARSAT-Empfänger umfaßt lediglich die Übertragung von Korrekturdaten zur ESK. Die Daten werden so gelesen, wie sie durch den Empfänger zur Verfügung gestellt werden können. Das Datenformat richtete sich nach dem Update-Standard für die ECDIS. Die Daten des NAVTEX-Empfängers sind ebenso wie die Daten des INMARSAT-Empfängers keine zeitkritischen Daten. Die Verarbeitung der Daten ist wegen der ungenauen Standardisierung recht aufwendig. Daher muß die elektronische Auswertung mit einer ganzen Reihe von logischen Abfragen ausgestattet sein. Ein Konzept liegt dazu bereits vor. Die Daten des Radiotransponders sind zeitkritische und sicherheitsrelevante Daten, die zur Evaluierung von Radarinformationen dienen müssen. Einhergehend mit der Identifizierung von Radarobjekten steht hier insbesondere die Frage zur Kollisionsverhütung an. Die momentan festgelegten Übertragungsdaten sind dann nicht mehr ausreichend, wenn z.B. der Bahnverlauf eines möglichen Kollisionsgegners exakt vorhergesagt werden soll.

Die letzte Komponente, der IPC-TC, soll anhand der Positionsbestimmung und der Online-Identifizierung die Regelgrößen zur Steuerung des Schiffes bestimmen. Aus diesem Grund muß ein Datenfluß zwischen der ESK und dem IPC-TC sowie dem IPC-Ident erfolgen. Es werden hier vor allem Wegpunktlisten, die Regelgüte für den Bahnregler und die Parameter für das identifizierte Schiffsmodell übertragen. Der Bahnregler seinerseits muß seine Vorhersage und den Iststand an die ESK senden.


Datenkonzept

Das Datenkonzept beinhaltet eine Beschreibung der zu erfassenden Daten, deren Verteilung, Behandlung und Visualisierung. Die Aufteilung der Datenströme erfolgt in drei Ebenen. In der ersten, technischen Ebene wird die Bereitstellung der Daten durch die Schiffs- und Umweltsensorik und die interne Verteilung der Daten an die entsprechenden Geräte beschrieben. In der zweiten Ebene, der Datenaufbereitung werden in Abhängigkeit vom Systemzustand und von der Nutzereinstellung die Daten bearbeitet. Unter Bearbeitung ist hier vor allem eine Kontrolle, Analyse und Bewertung von einzelnen Daten gemeint. In der dritten Ebene, erfolgt die Darstellung der Daten in der ESK. Sie ist ebenfalls abhängig vom Systemzustand und von bestimmten Nutzereinstellungen.

Im SeaNav-System erfolgt eine erste Datenbehandlung, die eine Statusmeldung zur Verfügbarkeit erzeugt. Vom SeaNav-System werden die Daten dann mittels Transputerlink an den IPC-Ident weitergereicht und von dort in einem binären Format an die anderen Rechner (ESK und IPC-TC) verteilt. Mit der binären Datenübertragung eines eigenen Formats wird eine schnelle und zuverlässige Datenkommunikation zwischen den verschiedenen Rechnerarchitekturen und Betriebssystemen gewährleistet. Das Datenkonzept beinhaltet die Möglichkeit zum existierenden NMEA-0183 Standard in der Seeschiffahrt umzuschalten.

In der zweiten Ebene liegt der Schwerpunkt auf der Integration und Verarbeitung von Daten, welche sonst auf externen Geräten dargestellt werden. Ziel ist es die Anzahl der Bildschirme, die der Wachhabende Offizier zu berücksichtigen hat, zu minimieren. Das heißt, ein Überangebot von Daten soll verhindert werden, wobei es nicht um das Weglassen von Informationen geht, sondern um das Verdichten. Die Zusammenführung der Navigationsdaten auf einer zentralen Anzeige ermöglicht die Automatisierung von einzelnen Teilaufgaben, wie z.B. die Kontrolle der aktuellen Position, Darstellung des Fahrzeuges in der ESK, Bahnplanung und Kontrolle, Plausibilitätsscheck von Daten, Selektion von Sicherheits- und Navigationswarnungen usw.. Die genannten Aufgaben werden im konventionelle Schiffsbetrieb immer noch manuell ausgeführt und sind sehr arbeits- und zeitaufwendig. Bei einem zeitlichen Aufeinandertreffen kann es schnell zur Überlastung des wachhabenden Offiziers kommen.

Ein weiterer Vorteil dieser zentralen Verarbeitung der Daten wäre die Möglichkeit der Aufzeichnung der wichtigsten navigatorischen Daten in einer Black Box (nach dem Vorbild der Luftfahrt) zur späteren Ermittlung der Ursache bei einem Seeunfall. Es ist vorgesehen, das alle Daten über die ESK angezeigt und überwacht werden können. Dabei sind die einzelnen Daten nach ihrer Wertigkeit in den verschieden Schichten der Menüstruktur enthalten. Sicherheitsrelevante Daten werden sofort dargestellt. Zu allen Sensoren sollte die Möglichkeit bestehen, Genauigkeits- bzw. Statusangaben zu erhalten, damit sich der Wachhabende Offizier ein eigenes Bild über den Systemzustand machen kann.


Positionsbestimmung und Online Filterung

An Bord von Seeschiffen wird auf den Werftprobefahrten das SeaNav-System getestet. Dabei wurden unter anderem auch Vergleiche zu anderen DGPS-Systemen durchgeführt. Als Referenzsystem wird inzwischen ein TRIMBLE 4000SSi System eingesetzt, wobei die Vergleichswerte im Postprocessing, bei Basislinien von bis zu 200 km errechnet werden. Zur Offline-Identifizierung werden unterschiedliche Zick-Zack Manöver und Drehkreise gefahren.

Um die Aufgaben der Manövermeßdaten-Filterung zu erfüllen, wurden Untersuchungen zur Standardisierung der konventionellen Filterung und Bearbeitung von ausgewählten Meßsignalen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Grundlage des Entwurfes einer ganzen Palette von digitalen Standardfiltern, die größtenteils für die Filterung von gebräuchlichen Größen eingesetzt werden können.

Bei einer ausreichend genauen Positionsschätzung anhand der DGPS-Messungen und einer Online-Identifizierung wäre es unter Umständen möglich, auf eine ungleichmäßig teurere Systemkopplung mit der INS-Plattform zu verzichten. Voraussetzung dafür ist zu jedem Zeitpunkt, die genaue Kenntnis von aktuellen Arbeitspunktparametern sowie der übrigen Manövermeßdaten, insbesondere der Steuergrößen.

Die Berücksichtigung aller verfügbaren GPS-Informationen über die Qualität der Meßwerte sowie der verfügbaren Manövermeßdaten sollen zu einer Qualitätsschätzung der Positionsmeßdaten beitragen. Der Qualitätsprüfer testet die Daten auf Plausibilität, wertet die sekundären Positionsdaten (wie z.B. GDOP, DGPS-Status, Signal-Rauschabstand, Standardabweichung...usw.) aus und klassifiziert die zu bearbeitenden Daten. Anhand dieser Bewertung werden die Daten im Kalman Filter bearbeitet und die Online-Identifizierung bzw. eine Parameteraktualisierung durchgeführt. Die im Kalman Filter bearbeiteten Daten werden dann nach außen kanalisiert und gleichzeitig der rekursiven Parameterschätzung zur Verfügung gestellt.

Durch dieses Filtersystem kann gewährleistet werden, daß zu jedem Zeitpunkt eine ausreichend genaue Vorhersage der Meßwerte innerhalb des Kalman Filters unabhängig von dem aktuellen Manöver durchgeführt werden kann. Dieses sollte vor allem zur Verbesserung der Filterung von DGPS-Ausfällen bzw. Positionssprüngen mittlerer Dauer beitragen.

Die Untersuchungen der vorhandenen Meßdaten haben ergeben, daß ca. 40% der Positionsdaten durch den Kalman Filter bearbeitet werden müssen und die restlichen als ausreichend genau klassifiziert und geeignet für die Identifizierung bezeichnet werden können, wodurch der Online-Filterungsprozeß erheblich entlastet werden kann.


Identifikation von Schiffsdynamikmodellen

Parameterisierte Schiffsdynamikmodelle können an verschiedenen Stellen den Integrations- und Automatisierungsprozess unterstützen. Mögliche Anwendungsgebiete von Schiffsdynamikmodellen sind:

  • Bahnplanungsaufgaben
  • Vorausberechnung konkreter Manöverbahnen (z.B. Ausweichmanöver)
  • Vorausberechnung der Schiffsposition als Stützlösung für die Kalman Filterung
  • Bahnregelung

Diese Anwendungsaufgaben erfordern Modelle unterschiedlicher Komplexität. Angefangen von linearen Modellen, die das Bewegungsverhalten z.B. in der Nähe der geraden Bahn beschreiben und damit einen sehr beschränkten Gültigkeitsbereich besitzen, bis hin zu komplexen Modellen für ein möglichst breites Spektrum der modellierten Eingangsgrößen.


Im Rahmen des Projektes wurden sowohl lineare als auch komplexe, nichtlineare Modelle entworfen (Modellidentifikation) und anhand von Meßdaten verschiedener Großschiffe identifiziert (Parameteridentifikation). Bei den Schiffen handelt es sich um Containerschiffsneubauten mit einer Länge zwischen 150 und 210 m. Zuletzt konnte Datenmaterial, welches während der Erprobung zweier baugleicher Schiffe der Serie CS 2900 der Kvaerner Warnow Werft GmbH gewonnen wurde, untersucht werden. Neben einem linearen Modell wurde ein komplexes nichtlineares Modell, bestehend aus Zustandsgleichungen für die Geschwindigkeit in X,Y-Richtung und die Drehrate identifiziert. Dieses Modell wurde geringfügig modifiziert und bereits anhand von Datenmaterial anderer Schiffstypen ( Typ Warnow, Typ 301) erfolgreich identifiziert.

Abb.3

Abb. 3 Vergleich simulierter (++) und gemessener Manöverbahnen

Eine hinreichend genaue Nachbildung der Schiffsbahn ist primäres Ziel für die untersuchten, komplexen Modelle. Aus diesem Grund wurden die Ergebnisse der Modell- und Parameteridentifikation in erster Linie an Simulationsrechnungen überprüft. Dabei standen die Manöverbahnen verschiedener, gemessener Manöver zur Verfügung. Abb. 3 zeigt gemessene und simulierte Manöverbahnen im Vergleich. Die Bahnnachbildung kann unter Berücksichtigung der fehlenden Stromkorrektur als vorläufig zufriedenstellend bezeichnet werden.


SCHLUßFOLGERUNGEN

Während zahlreicher Werftprobefahrten erwies sich die Positionsbestimmung mit DGPS im Bereich der Ostsee als ausreichendes Mittel zur Bestimmung von Manöverbahnen sowie zur Geschwindigkeitsbestimmung während der Meilenfahrt. Daraus kann geschlußfolgert werden, daß die DGPS-Positionierung auf Basis von RTCM-Daten für küstennahe Seegebiete und auch für VTS Zonen hinreichend genau ist. Für die Hafenansteuerung ist das herkömmliche DGPS-Verfahren ohne Trägerphasenkorrekturen nicht zu empfehlen. Selbst mit Trägerphasenkorrekturen treten im Hafengebiet zahlreiche Ausfälle und Sprünge in den Positionsmeßwerten auf. Hier wird es unumgänglich sein, entsprechende Stützverfahren zu benutzen. Im Projekt werden dazu zwei Varianten erprobt. Einerseits wird ein System aus DGPS und AHRS eingesetzt, andererseits eine kostengünstigere Variante aus DGPS und Schiffsdynamikmodell. Sinnvoll wäre die Kombination aus beiden Varianten. Ebenso wurden Betrachtungen zur Integration von GPS und LORAN-C vorgenommen [5].

Die nächsten wichtigen Aufgaben werden sein:

  • Testung und Vervollkommnung der Strukturen zur Online Identifizierung,
  • Erstellung von Bahnplanungs- und Manöversimulationsalgorithmen,
  • Anbindung der Bahnreglerstruktur in das Experimentiersystem
  • Bereitstellung der Informationen des INMARSAT, NavTex- und eines Radiotranspondersystems für die ESK,
  • Bewertung und Visualisierung aller navigatorisch wichtigen Größen auf der ESK.

Als Resultat wird am Ende des Projektes ein experimentelles, modular aufgebautes Navigationssystem stehen, das Grundlage für verbesserte Navigationssysteme sein kann.


REFERENZEN

[1]Fiedler, R.; Gluch, M.; Kirchner, J.; Kasties, G.: SeaNav-A Real Time Navigation System for Identification of Dynamic Parameters of Ships Using DGPS, GLONASS and Inertial Sysrems, DSNS-94, Vol. II, Paper No.77, London 1994.
[2]Fiedler, R.; Gluch, M.; Kirchner, J.; Majohr, J.: Identification of Dynamic Ship Motions on the Basis of Accuracy Position Measurments, Proceedings of ION GPS-94, Part 2, pp. 1471-1477, Salt Lake City 1994.
[3]Fiedler, R.; Gluch, M.; Libertin, A; Kirchner, J.; Majohr, J: Einsatz von DGPS für Grundlagenuntersuchungen sowie vergleichende Untersuchungen mit GLONASS zur Identifizierung dynamischer Schiffsbewegungen (IDYS), Schlußbericht im Auftrag der DARA GmbH, Förderung durch Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMBF), Förderkennzeichen 50 YI 9103/5, Universität Rostock, März 1995.
[4]Fiedler, R.; Gluch, M.; Kirchner, J.; Libertin, A.; Majohr, J.: A Maritime Experimental System, Proceedings of ION GPS-96, Part 1, pp. 345-351, Kansas City 1996.
[5]Peterson, B.; Fiedler, R.: Kalman Filter Structures for Integrated GPS/LORAN, Proceedings of 3rd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, Part II, pp. 72-81, St. Petersburg, Russia, 29. Mai 1996.