sistemi telematici di bordo
Transcript
sistemi telematici di bordo
Università degli Studi di Cassino - ISMEF Master in Tecnologie e Sistemi Avanzati per la Nautica SISTEMI TELEMATICI DI BORDO Prof. Stefano Buzzi [email protected] Organizzazione corso ● 12 ore ● Slide disponibili in formato pdf ● Testo per consultazione: ● – L. Formisani, Apparati e Sistemi Elettronici per la nautica, Ugo Mursia Editore, 2010 – A. V. Formisano, G. Romano, Maritime Communications, Edizioni Duemme, 2009 Esame finale: 6 domande, tempo 1 ora. Fonti ● ● I libri di testo citati Articoli scientifici relativi ai protocolli di comunicazione ● Immagini liberamente disponibili su Internet ● Wikipedia Argomenti del corso ● Generalità sulle reti cellulari ● Generalità sulle tecniche di accesso multiplo ● ● Generalità sui sistemi di comunicazione via satellite Apparati telematici di bordo – Apparati per imbarcazioni da diporto (EPIRB, VHF, etc...) – Apparati per navi di grossa stazza (Il sistema GMDSS, l'AIS, etc..) Comunicazioni via Satellite Tratto da wikipedia… Il famoso scrittore di fantascienza Arthur C. Clarke (autore di 2001: Odissea nello spazio) viene notoriamente indicato come l'ideatore dei sistemi satellitari cosiddetti geostazionari; infatti, nel 1945 Clarke scrisse che un satellite in orbita equatoriale circolare con un raggio di circa 42424 km (dal centro della Terra) avrebbe una velocità angolare esattamente pari a quella del pianeta, rimanendo quindi relativamente immobile nel cielo rispetto al suolo e divenendo così un possibile ponte radio tra due punti dell'emisfero visibili dal satellite. Inoltre, tre satelliti spaziati di 120° potrebbero (con qualche sovrapposizione) coprire l'intera circonferenza del pianeta; in questo caso i messaggi potrebbero essere anche scambiati tra i satelliti, o attraverso un doppio hop a terra, rendendo possibile una comunicazione diretta tra due punti qualsiasi del globo. Tratto da wikipedia… L'idea di Clarke è incredibilmente innovativa se si pensa che il lancio dello Sputnik da parte dell'Unione Sovietica avvenne solo nel 1957; in quel caso inoltre si disponeva di una tecnologia missilistica sufficiente solamente per portare il satellite in un'orbita bassa. Non si riuscirà a raggiungere un'orbita sincrona prima del 1963. Le comunicazioni satellitari vere e proprie partono a metà degli anni 60 Satelliti… • Geostazionari: sono a 36000 Km di quota in orbita equatoriale • LEO (low Earth Orbit): sono ad orbite inferiori a quelle geostazionarie e hanno periodi di rotazione intorno alla terra a partire da qualche ora e a crescere… ● I satelliti LEO sono usati per – – Sistemi di positioning (GPS, GLONASS, GALILEO) Sistemi cellulari satellitari (Globalstar, iridium,…) Orbita geostazionaria Sistemi di positioning Intersecando tre circonferenze con centri noti con la superficie terrestre si riesce a ricostruire la propria posizione sulla superficie terrestre Satelliti geostazionari ● Servono per – – – – – Comunicazioni telefoniche intercontinentali (quasi soppiantati dalle fibre ottiche) Comunicazioni in zone rurali e nel terzo mondo Invio punto-punto di segnali televisivi Broadcasting di audio e video (SKY TV!!) Telefonia mobile (applicazione in disuso…) Vita di un satellite ● ● Dura intorno ai 7 – 10 anni Limitata da – – – ● Deterioramento celle solari Esaurimento del carburante per correzioni orbitali Rottura degli apparati di telecomunicazioni A fine ciclo i satelliti vengono spostati in un’orbita di parcheggio… … in realtà lo spazio sopra le nostre teste è alquanto affollato!! Il path loss ● ● ● ● Consideriamo una frequenza di 10GHz Allora la lunghezza d’onda è 3cm=0.03metri Assumendo d=36000Km=36.000.000 metri Allora l’attenuazione è L=2.27 * 1020 Trattasi della maggiore difficoltà tecnica delle comunicazioni via satellite: il rapporto SNR è estremamente basso a causa delle forti attenuazioni legate alla distanza che il segnale deve percorrere; Particolarmente critica è la tratta in discesa a causa delle limitazione in potenza degli apparati satellitari Dotazioni di sicurezza (da www.guardiacostiera.it) Dotazioni di sicurezza (da www.guardiacostiera.it) ● Possiamo vedere che entro le sei miglia non è richiesta nessuna dotazione elettronica; entro le 12 miglia è sufficiente esclusivamente un apparato VHF, entro le 50 miglia bisogna aggiungere un riflettore radar, uno strumento di radioposizionamento satellitare, e, infine, oltre le 50 miglie e senza alcun limite è richiesto un EPIRB. Apparato VHF ● Col termine "banda VHF" si indica generalmente quella porzione dello spettro radio compreso tra i 30 e i 300MHz, cui corrispondono lunghezze d'onda comprese rispettivamente tra i 10 metri e 1 metro. La propagazione di tali onde avviene per via diretta, quindi esse sono usate principalmente per radiocomunicazione locale con un range che non eccede le 30-40 miglia. In particolare la banda marina usa frequenze comprese tra i 156 e i 162MHz. In tale banda sono definiti tutta una serie di canali, sui quali è possibile trasmettere segnali vocali con modulazione FM. La modulazione FM La modulazione FM ● Ha prestazioni superiori alle modulazioni lineari come l'AM ● Permette di barattare banda con prestazioni ● E' robusta alle non-linearità Apparato VHF ● In tutti i radiotelefoni VHF di ultima generazione è presente un pulsante protetto con l'indicazione DISTRESS. La pressione di questo pulsante da luogo, con radiotelefono interfacciato con ricevitore GPS e nominativo MMSI inserito, ad una chiamata automatica di soccorso che trasmette anche le coordinate dell'imbarcazione. Questo sistema viene detto DSC (digital selective calling). I messaggi DISTRESS sono trasmessi in automatico a tutte le stazioni nelle bande marittime. Apparato VHF Apparato VHF Strumento di radioposizionamento ● Gli strumenti di radioposizionamento sono essenzialmente di due tipi: – LORAN – GPS LORAN ● Il LORAN (LOng RAnge Navigation, dall'inglese navigazione a lungo raggio) è un sistema di radionavigazione terrestre tramite onde radio LF (a bassa frequenza) che sfrutta l'intervallo di tempo tra i segnali ricevuti da tre o più stazioni per determinare la posizione di una nave o di un aereo. LORAN ● ● La versione del LORAN oggi in uso è denominata LORAN-C, ed opera sulla banda di frequenze da 90 a 110 kHz, inclusa nella porzione LF dello spettro radio. Varie nazioni fanno uso di questo sistema, tra cui Stati Uniti d'America, Giappone e vari paesi europei. La Russia utilizza un sistema quasi identico, sulla stessa banda di frequenza, chiamato Chayka. Ad oggi, l'uso del LORAN è in rapido declino, a causa dell'avvento dei più efficaci e precisi sistemi di posizionamento satellitare, come il GPS. Nonostante ciò vi sono tuttora tentativi di migliorare e riabilitare il sistema. LORAN ● Il metodo di navigazione sfruttato dal sistema LORAN è basato sull'intervallo di tempo occorrente tra segnali ricevuti da una coppia di radiotrasmettitori sincronizzati. L'intervallo di tempo è, in condizioni ideali, direttamente proporzionale alla differenza delle distanze dai due trasmettitori e definisce quindi una linea di posizione iperbolica, detta linea TD (time delay, ritardo di tempo), i cui fuoco sono occupati dalle stazioni. Se le posizioni delle stazioni sono note, la posizione del ricevente è rappresentata da un punto sull'iperbole corrispondente all'intervallo di tempo misurato. Il LORAN fa quindi parte della famiglia di sistemi di radionavigazione iperbolici. LORAN Antenna Stazione Loran-C di Lampedusa LORAN ● Di per sé, con solo una coppia di stazioni, la posizione bidimensionale non può essere determinata. Deve essere quindi applicato nuovamente lo stesso principio, basandosi su un'altra coppia di trasmettitori: individuando l'intersezione delle due iperboli è quindi possibile stabilire la posizione del mezzo. Il sistema LORAN in realtà si basa su sole tre stazioni, accoppiandone una per due volte. Trasmettitori e Antenne ● I trasmettitori LORAN-C operano con potenze che vanno da circa 100 kW a 4 MW, comparabili con le stazioni di radiodiffusione sulle onde lunghe. Molti trasmettitori LORANC utilizzano torri di trasmissione isolate dal terreno, con altezze tra 190 e 220 metri. Le torri sono dimensionate induttivamente e provviste di un induttore di carico. Una stazione che utilizza questo tipo di antenna è il trasmettitore LORAN-C Rantum. Antenne per il LORAN ● Tutte le antenne LORAN-C irradiano in maniera omnidirezionale. A differenza delle stazioni di radiodiffusione in onde lunghe, le stazioni LORAN-C non possono usare antenne di riserva, dato che la loro posizione leggermente differente produrrebbe infatti linee di posizione differenti rispetto a quelle dell'antenna primaria. LORAN ● Il sistema LORAN è influenzato dagli effetti elettrici del tempo atmosferico, in particolare dagli effetti di alba e tramonto. Il segnale più accurato è l'onda di terra che segue la superficie terrestre, soprattutto se compie un percorso sul mare. Di notte, l'onda di cielo che si riflette sulla ionosfera compie un percorso diverso dall'onda di terra, causando un'interferenza multipercorso. L'alba e il tramonto inducono reazioni nella ionosfera, causando quindi particolari disturbi ai sistemi LORAN. Anche le tempeste magnetiche producono effetti notevoli, come su ogni altro sistema basato sulla radio. LORAN vs. GPS ● ● L'abbandono del sistema LORAN è già stato proposto: i critici sostengono che avrebbe infatti un costo troppo elevato in relazione all'esiguo numero utenti, oltre al fatto che il GPS sarebbe un'alternativa migliore in ogni caso. I fautori sostengono invece che vi siano tre vantaggi fondamentali. Innanzitutto la potenza del segnale è elevata, quindi è decisamente più protetto da tecniche di radio jamming rispetto al GPS. In secondo luogo è un sistema indipendente e potrebbe essere usato come riserva; mentre ad esempio, la rete GPS è di proprietà del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti che avrebbe la potenziale possibilità di bloccarla in qualsiasi momento. Infine, i segnali LORAN possono essere combinati con il GPS per una maggiore precisione nel determinare la posizione, rispetto all'uso di uno solo dei due. E-LORAN ● ● Con la consapevolezza delle vulnerabilità e delle limitazioni di propagazione e ricezione del sistema GPS, è nato un nuovo interesse per le applicazioni e lo sviluppo del LORAN. È stato quindi progettato un sistema migliorato, detto Enhanced LORAN, E-LORAN o eLoran che introduce sviluppi nei ricevitori e nelle caratteristiche della trasmissione, incrementando l'accuratezza e l'utilità del LORAN tradizionale, portandolo ad una risoluzione spaziale di 8 metri, in grado di competere con il GPS. I ricevitori ELORAN si basano contemporaneamente sui segnali di tutte le stazioni ricevute, senza limitarsi ad un'unica catena, e sono in gradi di acquisire dati fino a quaranta stazioni differenti. Tali caratteristiche lo rendono un adeguato sostituto del GPS in situazioni dove questo non sia efficace o disponibile. E-LORAN ● Il 31 maggio 2007, il dipartimento dei trasporti del Regno Unito, tramite le General Lighthouse Authorities (gli enti che si occupano degli aiuti alla navigazione) ha stipulato un contratto della durata di 15 anni per lo sviluppo e la fornitura di un moderno servizio ELORAN, finalizzato a migliorare la sicurezza della vita umana in mare nei territori britannici e dell'europa occidentale. Il contratto è diviso in due fasi: dal 2007 al 2010 per lo sviluppo del sistema e per la definizione dell'accordo europeo sul servizio, dal 2010 al 2022 per la fornitura totalmente operativa del servizio E-LORAN. Il trasmettitore sarà situato a Cumbria, nel Regno Unito e gestito dalla VT Communications, sezione del VT Group plc. GPS ● Il Global Positioning System, abbreviato GPS (a sua volta abbreviazione di NAVSTAR GPS, acronimo di NAVigation Satellite Time And Ranging Global Positioning System), è un sistema di posizionamento e navigazione satellitare che fornisce posizione ed orario in ogni condizione meteorologica, ovunque sulla Terra, o nelle sue immediate vicinanze, ove vi sia un contatto privo di ostacoli con almeno quattro satelliti del sistema. GPS GPS Ricevitore GPS per uso civile in mare GPS ● ● Il sistema di posizionamento si compone di tre segmenti: il segmento spaziale (space segment), il segmento di controllo (control segment) ed il segmento utente (user segment). L'Aeronautica militare degli Stati Uniti sviluppa, gestisce ed opera il segmento spaziale ed il segmento di controllo. Il segmento spaziale comprende un numero da 24 a 32 satelliti, mentre il segmento di controllo è composto da stazioni di controllo a terra. Il segmento utente infine è composto dai ricevitori GPS. GPS Il sistema di navigazione si articola nelle seguenti componenti: ● un complesso di minimo 24 satelliti, divisi in gruppi di quattro, su ognuno dei sei piani orbitali (distanti 60° fra loro) ed inclinati di 55° sul piano equatoriale, in orbita terrestre media;[5] ● 2 cicli al giorno[5]; ● una rete di stazioni di tracciamento (tracking station); ● un centro di calcolo (computing station); ● due stazioni di soccorrimento (injection stations); ● un ricevitore GPS. GPS ● Il tracciamento dei satelliti comprende tutte quelle operazioni atte a determinare i parametri dell'orbita. A ciò provvedono 5 stazioni principali, site nei pressi dell'equatore, dette appunto di tracciamento (main tracking stations), ed in particolare a Colorado Springs, Diego Garcia, Hawaii, l'isola di Ascensione e Kwajalein. Colorado Springs è anche sede del centro di calcolo. Ogni volta che ciascun satellite nel suo moto orbitale sorvola il territorio americano le stazioni di tracciamento ne registrano i dati doppler che vengono avviati al centro di calcolo e qui valorizzati per la determinazione dei parametri orbitali. Stazioni di soccorrimento ● I parametri orbitali di ciascun satellite, appena determinati presso il centro di calcolo, sono riuniti in un messaggio che viene inoltrato al satellite interessato mediante una delle stazioni di soccorrimento. Il satellite registra i parametri ricevuti nella sua memoria e li reirradia agli utenti. Il ricevitore GPS ● ● Il principio di funzionamento si basa su un metodo di posizionamento sferico, che consiste nel misurare il tempo impiegato da un segnale radio a percorrere la distanza satellite-ricevitore. 4 satelliti sono necessari per avere una stima della posizione Riflettore Radar ● Trattasi di un classico radar utilizzato per navigazione costiera, navigazione in acque costiere e come dispositivo anticollisione per navigazione in zone con molto traffico. Le COLREGS (International Regulations for Preventing Collisions at Sea, 1972) richiedono a tutti i natanti dotati di radar di monitorare costantemente con esso l’ambiente esterno per evitare collisioni con altri natanti. EPIRB EPIRB ● EPIRB devices are tracking transmitters which aid in the detection and location of boats, aircraft, and people in distress. Strictly, they are radiobeacons that interface with worldwide offered service of CospasSarsat, the international satellite system for search and rescue (SAR). EPIRB ● When manually activated, or automatically activated upon immersion, such beacons send out a distress signal. The signals are monitored worldwide and the location of the distress is detected by non-geostationary satellites, and can be located by trilateration in combination with triangulation, respecting the varying quality of the signal received EPIRB ● L'EPIRB è un dispositivo che aiuta i soccorritori a localizzare imbarcazioni in difficoltà. Questi dispositivi possono essere attivati manualmente, o anche in modo automatico ad esempio quando vengono a contatto con l'acqua. Un moderno dispositivo EPIRB contiene: – Un trasmettitore radio di 5Watt che opera a 406MHz – Un trasmettitore radio di 0.25Watt che opera a 121.5MHz – Un ricevitore GPS EPIRB ● Quando l'EPIRB è attivato, entrambi i trasmettitori cominciano a funzionare. Il segnale trasmesso dall'EPIRB viene raccolto da un satellite geostazionatio che è capace di rivelare il segnale a 406MHz. Il segnale contiene al suo interno un codice identificativo e, se l'EPIRB è dotato di GPS, anche la posizione del dispositivo. Se l'EPIRB è stato regolarmente registrato, dal codice identificativo si può anche risalire all'identità del proprietario dell'EPIRB. EPIRB: 406MHz beacon ● ● ● 406 MHz beacons transmit for a quarter of a second immediately when turned on, and then transmit a digital burst once every 50 seconds thereafter. Both GEOSAR and LEOSAR satellites monitor these signals. 406 MHz beacons will be the only beacons compatible with the MEOSAR (DASS) system. 406 MHz beacons must be registered. EPIRB ● ● I segnali trasmessi dall'EPIRB possono essere poi utilizzati dalle squadre di soccorso per poter localizzare l'imbarcazione in difficoltà. Se l'EPIRB non è dotato di GPS, allora un set diverso di satelliti, in orbita polare bassa, raccoglie il segnale. Dalla posizione del satellite nel momento in cui rivela il segnale si riesce a risalire ad una stima molto approssimata della posizione del dispositivo. Apparati per la sicurezza di grandi navi GMDSS Global Maritime Distress Safety System ● The Global Maritime Distress and Safety System (GMDSS) is an internationally agreed-upon set of safety procedures, types of equipment, and communication protocols used to increase safety and make it easier to rescue distressed ships, boats and aircraft. GMDSS ● GMDSS consists of several systems, some of which are new, but many of which have been in operation for many years. The system is intended to perform the following functions: alerting (including position determination of the unit in distress), search and rescue coordination, locating (homing), maritime safety information broadcasts, general communications, and bridge-to-bridge communications. Specific radio carriage requirements depend upon the ship's area of operation, rather than its tonnage. The system also provides redundant means of distress alerting, and emergency sources of power. GMDSS ● Recreational vessels do not need to comply with GMDSS radio carriage requirements, but will increasingly use the Digital Selective Calling (DSC) VHF radios. Offshore vessels may elect to equip themselves further. Vessels under 300 Gross tonnage (GT) are not subject to GMDSS requirements. GMDSS La normativa GMDSS si applica a – Tutte le navi passeggeri – Tutte le navi da carico di stazza lorda maggiore di 300 tonnellate La nomativa non si applica a – Navi da carico di stazza lorda inferiore a 300 tonnelate – Alla navi da guerra e a quelle che trasportano truppe – Alle navi in legno di vecchia costruzione – Ai pescherecci – Alle navi che navigano nelle acque dei Grandi Laghi dell’America del Nord. GMDSS ● The main types of equipment used in GMDSS are: – Emergency Position-Indicating Radio Beacon (EPIRB) – Navtex – Inmarsat – HF Radiotelephone – Search and Rescue Locating Device – Digital Selective Calling NAVTEX ● ● Il NAVTEX ("NAVigational TEXt Messages") è un servizio internazionale automatico, trasmesso sulle medie frequenze, di stampa diretta per l'invio di avvisi e bollettini di navigazione e meteorologici. Viene usato anche per trasmettere informazioni urgenti sulla sicurezza alle navi. Il NAVTEX fu sviluppato come sistema semplice ed a basso costo per fornire informazioni a bordo delle navi in un raggio di circa 370 km (200 miglia nautiche). Negli stati uniti le stazioni emittenti NAVTEX sono operate dalla guardia costiera. Nessun costo è dovuto per la ricezione delle trasmissioni NAVTEX. NAVTEX ● In Italia tale servizio è fruibile gratuitamente sulla frequenza 518 Khz con apposito ricevitore disponibile presso i rivenditori di apparecchiature nautiche ed alle pagine 718/1,2, 3, 4, 5, 6, 7 di TELEVIDEO RAI. Il servizio usa una singola frequenza con trasmissioni effettuate da stazioni fisse ognuna in una ben definita area (NAVAREA), sincronizzate con un sistema a divisione di tempo al fine di evitare mutue interferenze; in ognuna delle trasmissioni sono contenute tutte le informazioni necessarie. NAVTEX ● ● ● Il globo terrestre è stato suddiviso in aree, per ognuna delle quali è stato designato un paese coordinatore del servizio. Il Mediterraneo è inserito nella NAVAREA III, la cui nazione coordinatrice è la Spagna. L’Italia appartiene alla NAVAREA terza, che comprende: Mediterraneo, Mar Nero e Mar d’Azov. In tale contesto , la Centrale Operativa del Comando Generale delle Capitanerie di Porto ha assunto la veste di Coordinatore nazionale per il servizio NAVTEX, con il compito di assicurare, la diffusone sulla frequenza di 518 Khz di avvisi ai naviganti e previsioni meteo. NAVTEX ● ● ● ● Il sistema NAVTEX gestito dal Corpo delle Capitanerie di Porto, utilizza un software di gestione impiegato dalla Centrale Operativa del Corpo , e 3 nuove stazioni (La Maddalena, Mondolfo e Sellia Marina) che stanno operando attualmente mediante test di trasmissione , utilizzando caratteri B1 e fasce orarie “time slot” assegnate dall’IMO così come segue: LA MADDALENA (R) 02.50-06.50-10.50-14.50-18.5022.50 U.T.C. SELLIA MARINA (G) 01.00-05.00-09.00-13.0017.00-21.00 U.T.C. MONDOLFO (A) 00.00-04.00-08.00-12.00-16.0020.00 U.T.C. NAVTEX NAVTEX modulation ● NAVTEX messages are transmitted using binary frequency-shift keying (BFSK) at 100 bit/s and a 170 Hz frequency shift. ● ● NAVTEX receivers which are approved for GMDSS contain an internal printer and/or a scrollable display, and cost between $800– $1500. A new generation of NAVTEX receivers intended for non-GMDSS applications such as the recreational community is now entering the marketplace. These receivers include features such as LCD screens and RS-232 output and have a purchase price in the $300–$500 range. Ricevitori Navtex INMARSAT Il sistema INMARSAT ● E' un sistema di comunicazione satellitare che usa satelliti geostazionari, posti a 36.000 km di quota. I servizi garantiti da questo sistema sono comunicazioni telefoniche, fax, posta elettronica, e ricezione di messaggi relativi alla sicurezza marittima. Vi sono varie versioni di tale sistema di comunicazione, denominate INMARSAT A, INMARSAT M, INMARSAT C, INMARSAT B ed INMARSAT E. Esempio di terminale INMARSAT C INMARSAT C ● The Inmarsat C satellite system provides two-way data communications to and from virtually anywhere in the world. Inmarsat C terminals are simple, low-cost units small enough to be hand-carried or fitted to any vessel, vehicle or aircraft. INMARSAT C ● Communications via the Inmarsat C system are data or message-based. Anything that can be coded into data bits can be transmitted via Inmarsat C. Messages are transferred to and from an Inmarsat C terminal at an information rate of 600 bits/sec. Frequencies are 1626.5-1645.5MHz (transmit), 1530.0-1545.0Mhz (receive). INMARSAT Terminali INMARSAT ● The typical Inmarsat C mobile earth station (MES) has a small omnidirectional antenna which, because of its light weight and simplicity, can be easily mounted on a vehicle or vessel. Directional antennas are also available for use in semi-fixed installations. The main electronics unit is compact, weighing only 3-4kg. Briefcase terminals are also available, bringing the advantages of the system to international business travellers and field operators. RADIOTELEFONO HF IN SSB Radiotelefono HF ● Trattasi di un apparato di comunicazione vocale che ha uso della banda HF, ed in particolare di una banda canalizzata tra i 1800KHz e i 2400KHz. La propagazione delle onde qui avviene essenzialmente per riflessione, ragion per cui la sua funzione è complementare a quella dell'apparato VHF. Altrimenti detto, il radiotelefono HF viene usato per comunicazioni a grande distanza. Un po' declassato dall'ingresso delle trasmissioni satellitari, questo apparecchio resta obbligatorio a bordo degli scafi superiori alle 25 tonnellate di stazza lorda e fa parte del programma di assistenza e soccorso GMDSS per il naviglio mercantile. Radiotelefono HF ● La sua installazione richiede antenne particolarmente lunghe, cui si può ovviare utilizzando, sulle barche a vela, le sartie con antenne filari. La frequenza di chiamata e soccorso è 2182KHz. Ogni stazione radio costiera ha una sua frequenza di utilizzo, ed ha l'obbligo di ascolto costante sul canale a 2182KHz. Ad esempio le frequenze 2632KHz e 2023KHz sono riservate per la trasmissione e la ricezione della stazione radio di Napoli. IL SART (Search and Rescue Transponder) SART ● Il SART è un dispositivo simile all'EPIRB, ma lavora alla frequenza dei GHz. A differenza dell'EPIRB, questo dispositivo, quando in funzione, emette segnali solo quando rivela in prossimità la presenza di un radar che opera nella banda X, ovvero a 9GHz. In particolare, il SART produrrà una serie di puntini sullo schermo radar della nave giunta in soccorso, Il SART di conseguenza non è visto da un radar che operi in una banda diversa dalla X. Il range di intercettabilità per tale dispositivo è circa 15Km. SART ● ● ● Il tipo di segnale emesso dal SART è tale che la nave giunta in soccorso si accorge quando la distanza dal SART è diventata meno di 2Km. In tal modo si avrà cognizione del fatto che si è ormai nelle immediate vicinanze dell'imbarcazione da soccorrere. Un SART ben installato è capace, in condizioni meteo moderate, di garantire un’individuazione oltre le 10 miglia da grandi navi e oltre le 40 miglia da parte di aerei/elicotteri. Come gli EPIRB, i SART sono usualmente di forma cilindrica e con colori vivaci. SART Il DSC DSC ● ● Trattasi di un dispositivo che consente di effettuare o ricevere una chiamata in forma digitale, con possibilità di indirizzarla non solo "a tutte le navi", ma anche a un gruppo di navi, alle navi di una singola area geografica, e anche a una singola stazione. Ecco perchè si usa il termine "selettivo". Il DSC è costituito da un MODEM collegato al comune apparato VHF. In pratica trattasi quindi di un sistema di comunicazione numerico a basso bit rate usato per lo scambio di messaggi testuali. In figura si riportano le stazioni costiere presenti in Italia e abilitate a ricevere e inviare messaggi con il DSC. IL SISTEMA AIS (Advanced Identification System) AIS ● ● ● ● Advanced identification system Obbligatorio su tutte le navi eccedenti le 300 GT Obbligatorio su tutte le navi che trasportano passeggeri, indipendentemente dalla loro stazza Nulla vieta che anche imbarcazioni da diporto lo installino AIS ● ● The marine self-organizing VHF data link transmits digital data in marine VHF Channel 87 (161.975MHz) and Channel 88 (162.025MHz). The channel bandwidth is 25kHz. The modulation scheme is Bandwidth Adapted Frequency Modulated Gaussian Minimum Shift Keying (FM/GMSK) GMSK Modulation ● Gaussian Minimum Shift Keying. ● Used in GSM and DECT standards. ● ● Relevant to mobile communications because of constant envelope modulation: – Quite insensitive to non-linearities of power amplifier – Robust to fading effects But moderate spectral efficiency. What is GMSK Modulation? Continuous phase digital frequency modulation Modulation index h=1/2 Gaussian Frequency Shaping Filter GMSK = MSK + Gaussian filter Characterized by the value of BT T = bit duration B = 3dB Bandwidth of the shaping filter BT = 0.3 for GSM BT = 0.5 for DECT Espressione del segnale modulato x(t) x(t ) = cos ( 2π f c t + Φ (t ) ) with: t Φ (t ) = 2π h ∫ +∞ ∑ − ∞ k= − ∞ ak s (τ − kT )dτ ak = Binary data = +/- 1 h = Modulation index = 0.5 Normalization s(t) = Gaussian frequency shaping filter s(t)= Elementary frequency pulse +∞ 1 ∫− ∞ s(τ )dτ = 2 GMSK Elementary Phase Pulse t q (t ) = ∫ s (τ )dτ . −∞ Elementary phase pulse = ϕ (t ) t ϕ (t ) = 2π hq(t ) = 2π h ∫ s(τ ) dτ . −∞ For t ∈ [ nT , ( n + 1)T ] n Φ (t ) = 2π h ∑ ak q(t − kT ) = k= −∞ x(t ) = cos ( 2π f c t + Φ (t ) ) = cos 2π f c t + n ∑ k= −∞ n ∑ k= −∞ ak ϕ (t − kT ) ak ϕ (t − kT ) . GMSK Modulator 1 GMSK modulator using a VCO ∑a s (t −kT ) ∑a δ (t −kT ) k k k k Coder Bits ak r (t ) VCO h( t ) s (t ) =r (t ) * h(t ) Rectangular filter Gaussian filter h x(t ) GMSK Modulator 2 GMSK modulator without VCO ∑ k Coder Bits ak cos ( 2π f ct ) cos() 2π h ak δ ( t − kT ) t s( t ) ∫ − ∞ s(t ) = r (t ) * h(t ) Φ (t ) sin ( 2π f ct ) sin() + - x(t ) Equation for the Gaussian Filter h(t) 2 2 2π 2π B 2 h(t ) = B exp − t ln(2) ln(2) ln(2) 2 H ( f ) = exp − f 2 2B The duration MTb of the gaussian pulse is truncated to a value inversely proportional to B. BT = 0.5, MTb = 2Tb BT = 0.3, MTb = 3 or 4Tb Frequency and Phase Elementary Pulses Tbg(tElementary ) frequency pulse BTb = +∞ 0.5 BTb = 0,5 BTb = 0,3 0.4 0.3 ϕ (t) 1.6 Elementary phase pulse π/2 BT b = +∞ 1.4 BT b = 0 .5 1.2 1 BT b = 0 .3 0.8 0.6 0.2 0.4 0.1 0 0.2 -2 -1 0 1 2 t in number of bit periods Tb The elementary frequency pulse is the convolution of a square pulse r(t) with a gaussian pulse h(t). Its duration is (M+1)Tb. 0 -2 -1 0 1 2 t in number of bit period Tb Esempio di segnali GMSK 1 Binary sequence t 0 -1 0 5 10 15 20 1 GMSK modulated Signal -1 0 in rd -5 5 10 15 20 t 0 5 10 15 20 1 t 0 -1 z Q ( t ) = sin (Φ ( t ) ) 0 5 Φ (t ) z I ( t ) = cos (Φ ( t ) ) t 0 0 5 10 15 20 1 t 0 -1 0 5 10 15 20 AIS ● ● The bit rate is 9600bps. Transmitter output power is generally 2 watts at the low level or 12.5 watts at the high level. The operational range, named “cell”, is about 34 n miles in the case of ship-to-shore, and about 21 n miles in the case of ship-to-ship (1n mile= 1852 metri) Self Organizing TDMA ● ● ● Every ship will transmit messages containing information about its position, heading, and so on, at a predetermined heartbeat rate. The AIS system is used for identifying ships in the vicinity and it is of great help in, for example, bad weather situation since false radar images are a problem. With AIS, the ship will build its own surveillance picture about the neighborhood using the messages received from other ships. Self Organizing TDMA ● ● Ships all over the world can meet and track each other through this system. AIS divides the time into one minute frames where each frame contains 2250 time slots and a transfer rate of 9.6 kbps is supported. ● Time slot duration : 60 s / 2250 = 26,666 ms ● Bits transmitted per timeslot : 9600 * 26,666 * 10-3 = 256 Self Organizing TDMA ● ● Two different frequency channels, 161MHz and 162 Mhz, are used for communication and the ships will divide its messages between these two channels (called channel A and channel B). A message is 256 bits long and it fits into one time slot. Self Organizing TDMA ● STDMA is a decentralized scheme where the network members themselves are responsible for sharing the communication channel and due to the decentralized network topology, the synchronization among the nodes is done through a global navigation satellite system such as GPS or Galileo. Self Organizing TDMA ● ● All network members start by determining a report rate, that is, the number of position messages sent during one frame and this translates into the number of slots required. When a node is turned on, four different phases will follow: – Initialization – network entry – first frame – continuous operation Self Organizing TDMA ● During the initialization, the node will listen for the channel activity during one frame to determine the slot assignments, that is, listen to the position messages sent in each slot. Self Organizing TDMA ● In the network entry phase, the station determines its own slots according to the following rules: (i) calculate a nominal increment, NI, by dividing the number of time slots with the report rate, (ii) randomly select a nominal start slot (NSS) drawn from the current slot up to the NI, Self Organizing TDMA (iii) determine a selection interval (SI) of slots as 20% of the NI and put this around the NSS (iv) now the first actual transmissionslot is determined by picking a slot randomly within SI that is not currently occupied by someone else and this will be the nominal transmission slot (NTS). ● If all slots within the SI are occupied, the slot used by a station located furthest away from oneself will be chosen. Self Organizing TDMA Self Organizing TDMA ● ● Upon reaching the first chosen NTS, the station will enter the first frame phase. The rest of the report rate decided transmission slots (NTSs) are determined (e.g., a report rate of 10 messages/frame implies 10 NTSs). An NI is added to the NSS and a new SI area is made available to choose a slot from. Self Organizing TDMA ● ● This is repeated until a frame has elapsed and all position messages are assigned a transmission slot Every node has only one NSS and this is used to keep track of when the frame starts for this particular node, that is, all nodes keep track of its own frame and they look at it as a ring buffer with no start and no end. Self Organizing TDMA ● ● Modulo operations are used to avoid static numbering of slots. The parameters NSS, NS, SI, and NI are kept constant as long as the node is up running. However, if the report rate is changed during operation then the parameters will be changed since NI is dependent on the report rate. Self Organizing TDMA ● ● When all slots within one frame duration are selected, the station will enter the continuous operation phase, using the NTSs decided during the first frame phase for transmission. During the first frame phase, the node will draw a random integer n ∈ {3, . . . , 8} for each NTS. After the NTS has been used for the n frames, a new NTS will be allocated in the same SI as the original NTS. The continuous operation phase AIS AIS ● The marine self-organizing VHF data link provides two communication services: – Broadcast communication service; – Point-to-point communication service. AIS ● ● Broadcast communication service supports surveillance, situation awareness, releasing short safety related message and differential GPS correction. Point-to-point communication service supports individual digital communications between ships. These communications include consultation for collision avoidance, SAR (Search And Rescue), etc. This service is the basis on which an internetwork at sea can be established. … vediamo un po' meglio come funziona l'AIS... AIS ● AIS transponders automatically broadcast information, such as their position, speed, and navigational status, at regular intervals via a VHF transmitter built into the transponder. The information originates from the ship's navigational sensors, typically its global navigation satellite system (GNSS) receiver and gyrocompass. Other information, such as the vessel name and VHF call sign, is programmed when installing the equipment and is also transmitted regularly. AIS ● The signals are received by AIS transponders fitted on other ships or on land based systems. The received information can be displayed on a screen or chart plotter, showing the other vessels' positions in much the same manner as a radar display. AIS ● In order to make the most efficient use of the bandwidth available, vessels that are anchored or moving slowly transmit less frequently than those that are moving faster or are maneuvering. The update rate ranges from 3 minutes for anchored or moored vessels, to 2 seconds for fast moving or maneuvering vessels, the latter being similar to that of conventional marine radar. Broadcast Information ● An AIS transceiver sends the following data every 2 to 10 seconds depending on a vessel's speed while underway, and every 3 minutes while a vessel is at anchor: – The vessel's Maritime Mobile Service Identity (MMSI) – a unique nine digit identification number. – Navigation status – "at anchor", "under way using engine(s)", "not under command", etc. Broadcast Information – – – Rate of turn – right or left, from 0 to 720 degrees per minute Speed over ground – 0.1-knot (0.19 km/h) resolution from 0 to 102 knots (189 km/h) Positional accuracy: ● ● ● ● – Longitude – to 0.0001 minutes Latitude – to 0.0001 minutes Course over ground – relative to true north to 0.1° True heading – 0 to 359 degrees (for example from a gyro compass) UTC Seconds – The seconds field of the UTC time when these data were generated. Broadcast Information ● In addition, the following data are broadcast every 6 minutes: – IMO ship identification number – a seven digit number that remains unchanged upon transfer of the ship's registration to another country – Radio call sign – international radio call sign, up to seven characters, assigned to the vessel by its country of registry Broadcast Information – Name – 20 characters to represent the name of the vessel – Type of ship/cargo – Dimensions of ship – to nearest meter – Location of positioning system's (e.g., GPS) antenna on board the vessel - in meters aft of bow and meters port of starboard – Type of positioning system – such as GPS, DGPS or LORAN-C. Broadcast Information – Draught of ship – 0.1 meter to 25.5 meters – Destination – max. 20 characters – ETA (estimated time of arrival) at destination – UTC month/date hour:minute Self Organizing TDMA www.marinetraffic.com www.marinetraffic.com About the Marine Traffic project This web site is part of an academic, open, community-based project. It is dedicated in collecting and presenting data which are exploited in research areas, such as: - Study of marine telecommunications in respect of efficiency and propagation parameters - Simulation of vessel movements in order to contribute to the safety of navigation and to cope with critical incidents - Interactive information systems design - Design of databases providing real-time information - Statistical processing of ports traffic with applications in operational research - Design of models for the spotting of the origin of a pollution - Design of efficient algorithms for sea path evaluation and for determining the estimated time of ship arrivals - Correlation of the collected information with weather data - Cooperation with Institutes dedicated in the protection of the environment It provides free real-time information to the public, about ship movements and ports, mainly across the coast-lines of many countries around the world. The project is currently hosted by the Department of Product and Systems Design Engineering, University of the Aegean, Greece. The initial data collection is based on the Automatic Identification System (AIS). We are constantly looking for partners to take part in the community. They will have to install an AIS receiver and share the data of their area with us, in order to cover more areas and ports around the world. www.marinetraffic.com www.marinetraffic.com