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
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12 ore
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Slide disponibili in formato pdf
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Testo per consultazione:
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L. Formisani, Apparati e Sistemi Elettronici
per la nautica, Ugo Mursia Editore, 2010
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A. V. Formisano, G. Romano, Maritime
Communications, Edizioni Duemme, 2009
Esame finale:
6 domande, tempo 1 ora.
Fonti
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I libri di testo citati
Articoli scientifici relativi ai protocolli di
comunicazione
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Immagini liberamente disponibili su Internet
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Wikipedia
Argomenti del corso
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Generalità sulle reti cellulari
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Generalità sulle tecniche di accesso multiplo
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●
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
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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
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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
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