KURZUS: Közlekedéstechnika III.

MODUL: A vízi közlekedés irányítása

7. lecke: A hajók irányításának alapjai

|  | Tanulási célok
| A lecke elsajátítása után Ön képes lesz:
| helyesen értelmezni hajózás vonatkozásában az útvonal, és az útirány fogalmát. felsorolni az ütközés elhárítás műveleti sorrendjét térképen azonosítani földrajzi koordináta rendszerben megadott pontok helyzetét meghatározni egy térképen azonosított pont földrajzi koordinátáit. felsorolni a hajózásban alkalmazott helymeghatározási eljárásokat. saját szavaival megfogalmazni a hajózásban a távolság- és a sebességmérésnél alkalmazott mértékegységeket felsorolni a hajózásban alkalmazott navigációs berendezéseket. saját szavaival megfogalmazni a hajózásban alkalmazott automatikus radar-plottoló berendezések főbb szolgáltatásait saját szavaival megfogalmazni a hajózásban alkalmazott aktív és passzív radartranszponder jellemzőit. saját szavaival megfogalmazni a rádió- iránymérés elvét saját szavaival megfogalmazni a hiperbola navigációs rendszerben történő helymeghatározás elvét
| 4.1. A navigáció fogalma
1. | A navigáció egy jármű mozgásának irányítási folyamata két adott pont között. A járművek típusa szerint megkülönböztethetünk szárazföldi-, belvízi-, tengeri-, légi- és kozmikus navigációt. Hajózás vonatkozásában a navigációnak leginkább megfelelő szavunk a hajóvezetés, általános értelemben pedig a járművezetés, járműirányítás.
| A navigáció folyamata egy szabályozási modellel írható le. A szabályozás ellenőrző jelének, a visszacsatolásnak, minősülnek a jármű helyéről menetközben szerzett információk. A tervezettől való eltérés felel meg a szabályozás rendelkező jelének, amely kiváltja a szabályozó működését. A szabályozás, azaz a mozgási folyamatba való beavatkozás, a jármű útirányának és sebességének a megváltoztatását jelenti. Ennek az általános szabályozási modellnek az alapján a hajók irányítási folyamatát részleteiben a 4-1. ábrán tanulmányozhatjuk.
| A hajóvezetéssel szemben támasztott általános követelmény a hatékonyság és a biztonság. A hajóvezetés számára a konkrét helyváltoztatási cél mellett ezek, mint általános működési célok funkcionálnak.
| A helyváltoztatás konkrét és általános céljai alapján meghatározható a hajó tervezett útvonala. Az útvonal az indulási ponttól (kikötőtől) az érkezési pontig (kikötőig) tartóan egy sorozat útvonalszakaszból áll. A partmenti és nyílt tengeri hajózásban az útvonalat berajzolják a tengeri térképekre. A szűk hajózó utakban való hajózáskor ezeket a hajózási kitűzések (bóják, parti jelek) jelölik ki.
| A hajó mozgásának két irányítási paramétere az útirány és a sebesség. A térképen lefektetett útvonal, illetve a hajóút kitűzések alapján, megállapítható a hajó által tartandó útirány az egyes útvonal-szakaszokon. Normál üzemi körülmények között a hajók főgépei tartósan a "teljes erő" üzemállapotban működnek. Az ehhez tartozó sebesség a hajó terhelésétől, továbbá az áramlási-, a szél- és hullámviszonyoktól függ. A hajók tehát ezzel - az adott körülmények közötti - maximális sebességgel haladnak mindaddig, amíg biztonsági szempontok sebességcsökkentésre nem késztetik őket.
| A hajó mozgásállapotának - azaz útirányának és/vagy sebességének - a megváltoztatása a hajómanőverezés, vagy hajóműveletezés. Az erre szolgáló berendezések a kormány és a parancsjelző. A parancsjelző egy elektromechanikus távjelző készülék, amelynek egyes állásaihoz meghatározott előre-, vagy hátrameneti főgép- fordulatszám (tolóerő, illetve sebesség) tartozik. Távvezérelt hajókon a parancsjelzőt a géperő-szabályozó (gázkar) helyettesíti.
| A hajó irányítása két feladatot foglal magába, az útvonaltartást és az összeütközés elhárítást, amelyek a 4-1. ábra szerinti szabályozások megvalósítását jelentik.
Navigáció és összeütközés elhárítás
4-1. ábra
2. | Az útvonal szabályozó körben rendszeres időközönként megállapítjuk a hajó helyét. Erre szolgálnak a különböző helymeghatározó berendezések és eljárások. A kapott helyzetpontokat összevetjük a tervezettel és amennyiben eltérést állapítunk meg az elérendő célnak megfelelően módosítjuk az útvonalat, majd ehhez új útirányt, illetve sebességet állapítunk meg.
| Az útirány és sebesség szabályozó körben a hajó útirányát és sebességét állapítjuk meg, illetve kísérjük figyelemmel. Az erre szolgáló berendezések a tájolók és a sebességmérők (logok). Azokat a számítási eljárásokat, amelyekben a hajó helyét egy ismert pont koordinátái, valamint a ponttól megtett távolság és útirány alapján határozzuk meg előreszámításnak nevezzük. Az előreszámításhoz szükséges adatokat a tájoló és a log szolgáltatja, a számítás eredményeképpen azonban helyzetpontot kapunk, így az útvonal szabályozó kör kiegészül egy újabb hurokkal.
3, | A manőverezési szabályzó körben a kormányt és a parancsjelzőt kezeljük, hogy a hajót a megkívánt útirányba tartsuk illetve, hogy sebességét a környezeti feltételeknek megfelelően módosítsuk. Ennek eredményességét a hajó helyzetének a környezethez viszonyított megváltozása alapján, illetve a tájoló és a sebességmérő, valamint további műszerek (mint pl. a fordulásjelző) alapján állapítjuk meg.
1., 3. | Az összeütközés elhárítás feladata annak megakadályozása, hogy a hajó az út megtétele során más hajókkal, vagy egyéb mozgó-, illetve álló céltárgyakkal (pl. jéghegy, olajfúró torony, bóják, stb.) összeütközzön. Az összeütközés elhárítás az alábbi információ gyűjtési - döntési - cselekvési folyamatot foglalja magában:
| összeütközés veszélyének (túl közeli helyzet kialakulásának) megállapítása, annak megállapítása, hogy ki az útjogos, illetve az útadásra kötelezett hajó, útadásra kötelezett hajóként a kitérő manőver (útirány- és sebesség-módosítás)megtervezése, a kitérő manőver végrehajtása, a kitérő manőver hatásosságának ellenőrzése (a másik jármű mozgásának további figyelemmel kisérése) visszatérés az eredeti útirányba, illetve sebességhez.
| 4.2. A navigáció alapjai
4. | 4.2.1. A földrajzi koordináta rendszer
| A hajók (és általában bármely jármű) pályamenti helyét abszolút, vagy relatív módon adhatjuk meg. Az abszolút helyzetmegadás esetén a hajó helyét egy földrajzi koordináta rendszerben definiáljuk. Relatív helyzetmegadáskor a hajó helyét egy ismert ponthoz viszonyítva adjuk meg, vagy egy ismert pálya (pl. egy vízi út) meghatározott pontjaként azonosítjuk.
| A földrajzi koordinátarendszert a 4-2. ábra szemlélteti. A Föld valóságos geofizikai alakját (geoid) - illetve az ezt matematikailag legjobban megközelítő forgási ellipszoidot - gömbbel helyettesítjük.
A földrajzi koordinátarendszer
4-2. ábra
| A Föld forgástengelye a felszínt két pontban, az északi (P N) és a déli pólusban (P S) metszi. A forgástengelyre merőleges és a Föld középpontján átmenő síknak a felszínnel alkotott metszésvonala a földi egyenlítő (Q-Q'). Az Egyenlítő a Földet északi és déli féltekére (félgömbre) osztja. Az Egyenlítővel párhuzamos körök a szélességi körök. Az Egyenlítő síkjára merőleges síkban fekvő és a pólusokon átmenő körök a hosszúsági körök (meridiánok). A meridiánok közül a Greenwich-i csillagvizsgáló kupoláján áthaladót kezdőmeridiánnak nevezzük. A földrajzi koordinátarendszer alapkörei az egyenlítő és a kezdőmeridián. Az egyenlítő és a meridiánok legnagyobb gömbi körök, úgynevezett főkörök. A földrajzi koordináták a földrajzi szélesség ( ϕ) és a földrajzi hosszúság ( λ).
| Egy pont földrajzi szélessége a pont meridiánjának a ponton átmenő párhuzamos kör és az egyenlítő közé eső íve, illetve az ahhoz tartozó középponti szög fokokban kifejezve. A szélességet az egyenlítőtől északra és délre 0°-tól 90°-ig mérjük. Az északi szélesség előjele pozitív (N; North = Észak) a déli szélesség negatív (S; South = Dél). A földrajzi hosszúság az egyenlítőnek a kezdőmeridián és a ponton átmenő meridián közé eső íve, fokokban kifejezve. A hosszúság azonos a kérdéses ívhez tartozó középponti szöggel. A hosszúságot a kezdőmeridiántól keletre és nyugatra 0°-tól 180°-ig mérjük. A keleti hosszúság pozitív (E; East = Kelet), a nyugati hosszúság negatív (W; West = Nyugat).
5. | 4.2.2. Útirány, iránylat
| Egy ponton átmenő meridián kijelöli az adott hely valódi észak - dél vonalát. Az irányokat a hajózásban a valódi északi iránytól kiindulva 0°-tól 360°-ig mérjük órajárás irányával megegyezően.
| Az útirány (TC) a hajó tervezett, tartani kívánt utazási iránya. A 4-3. ábra szerint a horizont síkján az északi irányt az indulási pont (PA) meridiánja, az útirányt pedig az indulási és az érkezési pontot (PB) összekötő egyenes jelöli ki.
Útirány
4-3. ábra
| A hajó a szél és az áramlás hatására sodródik és így, miközben TC útirányát tartja, a tengerfenékhez viszonyítva ténylegesen attól eltérő irányba halad. Ennek megfelelően sodródás esetén megkülönböztetünk vízhez viszonyított útirányt és fenékhez viszonyított útirányt, vagy más szóval fenék feletti útirányt. A fenék feletti útirány jele COG, a TC útirány alatt külön megjelölés nélkül vízhez viszonyított útirányt értünk. A fenék feletti útirányt az indulási pontot egy tényleges érkezési ponttal (PB') összekötő egyenes jelöli ki. A fenék feletti útirány tehát csak PB' ismeretében határozható meg, míg az útirány leolvasható a tájolón.
| A hajó orrvonala, (vagy orrirányvonala) alatt a hajó hossztengelyének irányát értjük. A hajó vízhez viszonyított pillanatnyi haladási irányát a hajó orrirányvonala jelöli ki. Egy adott útirányba haladva az orrirányvonal nem esik minden pillanatban egybe az útiránnyal, az ún. csellengés miatt. A csellengés a hajó váltakozó irányú mozgása az útirány körül. A csellengés következtében leírt út a nyomvonal, amely egy szabálytalan görbe. A hajó orrvonala által kijelölt mindenkori irányt orriránynak nevezzük, és az orrvonalnak az északi iránnyal bezárt szögével (H) fejezzük ki. Az orrirány tehát a csellengés következtében állandóan változik, míg az útirány, amely egy előzetesen meghatározott érték - legalábbis az út egy adott szakaszán - állandó. Az útvonal egyetlen, vagy egy sorozat útirány, amelyekben a hajó egy út megtétele során haladni szándékozik. Ha a hajó a Föld felszínén két pont között egy állandó útirányba halad - vagyis a meridiánokat állandó szögben metszi - akkor útvonala egy loxodróma, amely matematikailag a pólus köré csavarodó spirális görbe. A legrövidebb távolság a két pont között azonban az azokon átmenő főkör mentén, az úgynevezett főköríven (ortodrómán) van.
| Az iránylat (TB) egy felszíni pont iránya a hajóhelytől. A iránylatot a horizonton az északi irány és a hajóhelyet az adott ponttal összekötő egyenes (mint irányvonal) által közrezárt szöggel adjuk meg (4-4. ábra).
Iránylat
4-4. ábra
| Az orrirányhoz viszonyított iránylatot relatív iránylatnak vagy orrszögnek (RB) nevezzük.
| Vizuális iránylatok, vagy rádióiránylatok mérésekor a céltárgytól az észlelőhöz érkező fénysugár, ill. rádióhullám irányát mérjük meg. Mivel a fény és a rádióhullámok a Föld felszínén főkörön terjednek, a mért iránylatok szükségszerűen ortodróm iránylatok - vagyis azt adják meg, hogy a megfigyelő helyét a céltárggyal összekötő ortodrómának mi az iránya az észlelési helyen. Vizuális észleléskor - a kis távolság miatt - az észlelési ponton és a céltárgyon átmenő ortodróma, valamint ugyanezen két ponton átmenő loxodróma között nincs észrevehető különbség. Ezért az irányvonalat (az ortodrómát) loxodrómának tekintjük és az iránylatot loxodróm iránylatként kezeljük (vagyis úgy, mintha az a két ponton átmenő loxodrómának a meridiánokkal bezárt szöge lenne).
6. | 4.2.3. Távolság és sebesség
| A navigációban horizontális és vertikális távolságok meghatározására van szükség. Távolságmérésen horizontális távolság meghatározását értjük, amely a hajó által megtett távolság, vagy pedig valamely céltárgynak a hajóhoz viszonyított távolsága lehet. Vertikális távolság a vízmélység és a tereptárgyak vízszint feletti magassága. A vízmélységek meghatározása a mélységmérés. A megtett távolság két pont között attól függően változik, hogy a hajó ortodrómán, vagy loxodrómán halad - e. Ennek megfelelően megkülönböztetünk ortodróm és loxodróm távolságot. A szó szoros értelmében az ortodróm és a loxodróm távolság az ortodróma, ill. a loxodróma két adott pont közötti ívhossza. A hajó által ténylegesen megtett távolság a két adott pont között ettől különbözhet a szél és az áramlások eltérő hatása, valamint a csellengés miatt.
| A tengeri távolságmérés alapegysége a tengeri mérföld. A tengeri mérföld a földi ellipszoid egy közepes meridiánpercéhez (a közepes szélességen 1'-es meridionális szöghöz) tartozó felszíni távolság, amely 1852 m. A megtett távolságot, ill. a céltárgyak távolságát tengeri mérföldben és kábelben (mérföld tized része), a vízmélységet és a céltárgyak magasságát méterben adjuk meg.
| A tengeri hajózásban a sebesség mértékegysége a csomó, amely az egy óra alatt megtett mérföldek számát jelenti (1 csomó = 1 tengeri mérföld / óra). A hajósebesség mellett csomókban adjuk meg az áramlás sebességét és gyakran a szél sebességét is. A hajó sebessége alatt külön megjelölés nélkül általában vízhez viszonyított sebességet értünk. Ez a hajónak a vízhez viszonyított útirányban tartott sebessége, vagy másképp: a hajó sebessége állóvízben, szélmentes időben. Ha a hajó mozgását külső erőhatások (szél, áramlás) befolyásolják, akkor a fenék feletti sebesség - azaz a fenék feletti útirányban mért sebesség - eltér ettől. A távolság és a sebesség meghatározása közvetlen, vagy közvetett módon történhet. Közvetlen módszernél a távolságot, vagy sebességet valamely erre szolgáló műszerrel mérjük, közvetett módszernél pedig valamely más mennyiség mérése alapján kiszámítjuk.
7. | 4.2.4. A helymeghatározás elve
| A hajó helyének a meghatározása ismert helyzetű tájékozódási pontok alapján történik. Ilyen tájékozódási pontok pl. a világítótornyok, az égitestek, a rádióállomások, vagy a hajóútkitűzések.
| A tájékozódási pontok észlelésén egy olyan mennyiségnek a mérését értjük, amelynek értéke ismert módon függ a hajónak a tájékozódási ponthoz viszonyított helyétől. Ezeket a mennyiségeket navigációs paramétereknek tekintjük. Ilyen navigációs paraméter a tájékozódási pontok távolsága, iránylata, távolságkülönbsége, magassági szöge, vagy az egymással bezárt horizontális szögük. A tájékozódási pontok észlelése, tehát ezeknek a mennyiségeknek a megmérését, azaz a pontok távolságának, iránylatának stb. a meghatározását jelenti.
| Valamely navigációs paraméternek a hajó helyétől való függését az U=F( ϕ;λ ) függvény fejezi ki, ahol ϕ és λ a helyzetpont koordinátái. Azt a görbét, amely mentén egy navigációs paraméter értéke állandó (azaz U = U0) izovonalnak nevezzük. A tájékozódási pontok észlelése különféle izovonalak meghatározását jelenti. Távolságmérésnél az izovonal a mért távolságnak megfelelő sugarú kör, amelynek középpontja a céltárgy. Iránymérésnél az izovonal a céltárgy és a mérés helye közötti ortodróma, illetve az ennek megfelelő loxodróma. Egy navigációs paraméter alapján egy izovonalat határozhatunk meg. A hajó helye rajta van az izovonalon, de nem tudjuk, hogy hol, mivel az adott izovonal mentén bárhol ugyanazt az értéket mérhetjük. A hajóhely meghatározásához még egy navigációs paraméter mérése szükséges, amely egy újabb izovonalat határoz meg. Két izovonal metszése a hajó észlelt (obszervált) helyét adja. Ezt tekintjük fixpontnak, azaz biztos hajóhelynek.
| A fixpontokat térképre rajzoljuk be, amely tartalmazza a hajó tervezett útvonalát is. A helymeghatározási eljárások többségénél a mért izovonalakat is a térképen szerkesztjük meg. A szerkesztési eljárástól függően az izovonalnak csak egy szakaszát, vagy annak érintőjét határozzuk meg. Ezeket - a hajóhely környezetében az izovonalakat helyettesítő - vonalakat nevezzük helyzetvonalnak.
| Az indulási pont ismeretében, ismerve a hajó útirányát és sebességét, előreszámítással, vagy a térképen szerkesztéssel, meghatározható, hogy az útvonalon hajónak egy adott pillanatban hol kellene lennie (előreszámított helyzetpont). A fixpont berajzolása után megállapítható, hogy a tényleges helyzet mennyiben tér el a tervezettől.
8. | 4.2.5. Helymeghatározási eljárások
| A helymeghatározási eljárásokat (a szűkebb értelemben vett navigációs eljárásokat) a fixpont-meghatározás módszere szerint csoportosítjuk és ennek megfelelően
| parti navigációt, csillagászati navigációt és elektronikus navigációt különítünk el.
| Parti navigáció esetén a hajó a parttól látótávolságon belül halad és a helymeghatározás parti céltárgyak észlelése, és a helyzetpontoknak a térképen való megszerkesztése alapján történik. Ennek egy speciális esete a szűk hajózó útban való hajózás, amelyet pilotingnak nevezünk. A csillagászati navigációban a hajó helyzetpontját égitestek észlelése (magasságuk és irányuk mérése) alapján állapítjuk meg.
| Az elektronikus navigációban a helymeghatározás a rádióhullámok terjedési tulajdonságainak felhasználásával, közvetlenül elektronikus eszközökkel történik. Meteorológiai navigáció alatt nem elsősorban helymeghatározási eljárásokat, hanem a hajó optimális útvonalának meghatározását értjük különböző időjárási és tengerállapot feltételek között.
| Az elektronikus navigáció egyik lehetséges felosztási módja az egyes méréseket, helymeghatározási eljárásokat megvalósító rendszerek térbeli elhelyezkedése szerinti csoportosítás. Ennek megfelelően hajófedélzeti, földbázisú és műholdbázisú rendszereket különböztetünk meg az alábbiak szerint:
| Hajófedélzeti rendszerek: Tájoló Sebességmérő Mélységmérő Radar Inercia navigációs rendszer Földbázisú rendszerek: Rádióiránymérés Hiperbolikus navigációs rendszerek Műholdbázisú rendszerek
| A fenti három csoportba tartozó berendezéseknek a hajón, számítógép segítségével egyetlen rendszerré való összekapcsolása vezet az úgynevezett integrált navigációs rendszerek kialakításához és a hajóvezetés automatizálásához.
| 4.3. A hajók vezetésének navigációs berendezései
9. | 4.3.1. A tájoló
| A hajó iránymérésre szolgáló műszere a tájoló. A tájolók működési elve alapján mágneses tájolót és pörgettyűs tájolót különböztetünk meg. A tájolók alapvető feladata az északi irány - mint referencia irány - kijelölése, mivel minden más irányt ehhez viszonyítva adunk meg. A mágneses tájoló működési elve az, hogy a mágnestű - a tájoló rózsája - a Föld mágneses terének hatására a mágneses észak - déli irányba áll be. A valódi északi iránynak a mágnesestől való eltérése a variáció, amelynek értéke a Föld különböző pontjain a földmágnesességi mérések alapján ismert és a térképeken rögzített. A hajón felszerelt mágneses tájolóra a hajótest saját mágnessége is hat, így a kijelzett északi irány, az úgynevezett tájoló észak, a deviáció szögével tér el a mágneses északtól. A variáció és a deviáció algebrai összege a tájoló hiba, amellyel a tájoló irányokat javítani kell.
| A pörgettyűs tájoló működése a pörgettyű fizikai tulajdonságain alapul. A szabadon felfüggesztett pörgettyű három szabadságfokú, forgástengelye körül forog és másik két tengelye körül is képes elfordulni. A forgásba hozott (felpörgetett) pörgettyű forgástengelye a térben megtartja eredeti irányát, abban az esetben is, ha maga a pörgettyű (a Föld forgása, vagy a hajó helyváltoztatása következtében) helyzetét változtatja. Ha eközben a pörgettyű forgástengelyére erő hat, a forgástengely nem az erő irányába, hanem arra merőlegesen tér ki és precessziós mozgásba kezd. A tájoló pörgettyűjének forgástengelyére egy, a gravitációs erőt felhasználó szabályozó hat, amely a nehézség erő mindenkori irányába állítaná be a tengelyt. A tengely erre merőlegesen kitér és a Föld forgástengelyével párhuzamos irány körül precessziós mozgásba kezd. Ez az irány az adott hely valódi meridiánjának a síkjába esik. A precessziós mozgást csillapítva a tengely a valódi északi irányba áll be. A pörgettyűs tájolónak is vannak hibái (az úgynevezett szélességi hiba, vagy a hajó mozgásából származó sebességi hiba) amelyek azonban megfelelő szabályozó berendezésekkel kompenzálhatók.
| A pörgettyűs tájoló és a kormánylapát kitérítését végző kormánygép egy szabályozó berendezésen keresztül összeköthető. Ez a berendezés az automata kormány, vagy más néven robotkormány. A pörgettyűs tájolótól kapott információ alapján a szabályozó berendezés érzékeli a hajó elfordulását a beállított útirány körül és az eltérés kiküszöbölésére működésbe hozza a kormánygépet a kormánylapát megfelelő irányú kitérítésére.
10. | 4.3.2. A log
| A hajósebesség mérésére szolgáló berendezéseket - működési elvüktől függetlenül - lognak nevezzük. A hajó sebességét közvetett, vagy közvetlen módon mérhetjük. A közvetett sebességmérésnél a hajó által megtett távolságot és a hozzá tartozó időt mérjük, a sebességet pedig a távolság és az idő hányadosaként számítjuk. Működési elvük szerint mechanikus, hidrodinamikus, elektromágneses és Doppler-elven működő logokat különböztetünk meg.
| A mechanikus sebességmérők (a propelleres logok) a megtett távolságot mérik. A hajófenékre szerelt propeller forgási sebessége arányos a hajó sebességével, azaz a hajó vízhez viszonyított sebessége mérhető meg.
| A hidrodinamikus sebességmérő két, egymástól rugalmas membránnal elválasztott nyomáskamrából áll. A hidrodinamikus sebességmérő a hajó vízhez viszonyított sebességét méri.
| Az elektromágneses log működési elve a Faraday-Maxvell-indukció törvényen alapul, a hajó vízhez viszonyított sebességét méri.
| Mivel a műszer feszültség jelet állít elő, ezért könnyen csatlakoztatható további elektronikus adatfeldolgozókhoz.
| A Doppler-sebességmérők működése a Doppler-hatáson alapul. A hajófenéken elhelyezett adó - vevő fej (rezgéskeltő) ultrahang impulzust bocsát ki. A gyakorlatban két rezgéskeltőt alkalmaznak, amelyek közül az egyik előre, a másik pedig hátrafelé sugároz. Mivel a mérőjel a tengerfenékről verődik vissza, a Doppler-logok a fenékhez viszonyított sebességet, illetve a fenékhez viszonyítva megtett távolságot mérik. A Doppler-logok hátránya, hogy kb. csak 400 m-es vízmélységig használhatók.
11. | 4.3.3. A visszhangos mélységmérő
| A hajóüzemi mélységmérés korszerű berendezései a hang terjedési sebességének mérésén alapuló visszhangos mélységmérők.
Visszhangos mélységmérő
4-5. ábra
| A visszhangos mélységmérők általában két - egy kisebb és egy nagyobb vízmélységek mérésére szolgáló - méréshatárral (pl. 20 m és 200 m) rendelkeznek, amelyek közül egy méréshatár kapcsolóval lehet választani.
| 4.4. Helymeghatározási és összeütközés-elhárítási rendszerek
| 4.4.1. A radar
| 4.4.1.1. A radar működési elve, használata
12. | A radar szó a radio detection and ranging kifejezés kezdőbetűinek összevonásából ered és ilyen értelemben céltárgyak rádióhullámok segítségével történő felderítésére, irányuk és távolságuk meghatározására szolgáló eljárást jelent. Egyben radarnak nevezzük azt az elektronikus berendezést is, amely ennek az eljárásnak a megvalósítására alkalmas. A radarnak - mint eljárásnak és mint berendezésnek - analóg kifejezései a rádiólokáció és a rádiólokátor.
| A radar közép-hatósugarú navigációs rendszer. A radarral való helymeghatározás elve azonos a parthajózásban alkalmazott, a parti céltárgyak segítségével történő helymeghatározáséval. A radar által jelzett és a térképen is azonosítható parti céltárgyak iránylatát és távolságát a képernyőn leolvasva a helyzetpont a térképen az ismert helymeghatározási módszerek szerint megállapítható. A parthajózás egy speciális esete a szűk hajózó utakban való hajózás. Az ilyen körülmények közötti radarhasználat jellemző a folyami hajózásra is.
13. | A radar alkalmazásának alapvető előnye az összeütközés elhárításában van, mert erre a célra - rossz láthatósági viszonyok között - más berendezés, illetve eljárás nem áll a hajózás rendelkezésére. A radarképernyőn a környező hajók mozgása figyelemmel kísérhető és megfelelő módszerekkel útirányuk, sebességük meghatározható, az összeütközés veszély megállapítható és a szükséges elkerülő manőver megtervezhető. Az erre szolgáló grafikus eljárást, szerkesztést nevezzük plottolásnak.
12. | A radar visszhang elven működik. Elsődleges vagy passzív radar esetében a visszaérkező jel visszavert jel, vagyis a kibocsátott jelnek valamely céltárgyról való visszaverődéséből származik. Másodlagos vagy aktív radar esetében a visszaérkező jel válaszadó (transponder) által visszaadott jel, amelyet az eredeti kibocsátott jel old ki.
| A hajózásban alkalmazott radarberendezések a centiméteres, úgynevezett mikrohullám sávban (10 cm - 1 cm, 3 GHz - 30 GHz) impulzus rendszerben üzemelnek. A radar funkcionális tömbvázlatát a 4-6. ábra szemlélteti.
A radar funkcionális tömbvázlata
4-6. ábra
| A berendezés fő funkcionális részei: a tápegység, a vezérlő egység, az adó, az antenna rendszer, a vevő és az indikátor egység (képegység).
| A céltárgyakról visszaverődő jeleket, úgynevezett visszhangokat, az antenna felfogja, majd továbbítja a vevőbe. A berendezés közös adó - vevő antennát használ, a vevő felerősíti a gyenge visszhang - jeleket, majd kijelzésre alkalmas átalakítás után továbbítja azokat az indikátor egységhez. Az indikátor egység legáltalánosságban egy katódsugárcső, amely a céltárgyakról visszaverődött jelek vizuális megjelenítését és az igényelt információk - a céltárgyak távolsága és iránya - alkalmas formában történő kijelzését végzi.
| Azt az ábrázolást, amelyben a saját hajó a képernyő középpontjában helyezkedik el relatív ábrázolásnak (RM) nevezzük. Ha ebben az ábrázolásban az iránymérő skála 0° -os osztása - fentiek szerint - a hajó orrirányába mutat, akkor az ábrázolás relatív orrirány - állandósított (RM1). Haa z iránymérő skálát a hajó valódi útirányának megfelelő szöggel elfordítjuk, akkor valódi irányok olvashatók le. Ezt az ábrázolást nevezzük relatív északállandósított (RM2) ábrázolási módnak. Ha radart összekötjük a pörgettyűs tájolóval és a loggal, akkor a kitérülési középpont a képernyőn a saját hajó sebességének és útirányának megfelelően fog mozogni. Ezt az ábrázolást valódi ábrázolásnak (TM) nevezzük, mivel ilyenkor a képernyőn a céltárgyaknak is a valódi mozgását látjuk. A korszerű radarberendezések mindhárom (RM1, RM2, TM) ábrázolási móddal rendelkeznek.
13. | 4.4.1.2. Automatikus radar - plottoló berendezések (ARPA)
| Ezeket a rendszereket a legkorszerűbb plottolási segédberendezésektől elsősorban az különbözteti meg, hogy szélesebb körben, magasabb színvonalon és automatikusan dolgozzák fel a radar információkat. Az automatikus radar - plottoló berendezések (a továbbiakban ARPA-k) főbb jellemzőit nemzetközi előírások szabályozzák.
| Az ARPA - k általános feladata, hogy megszabadítsák a radarkezelőt a manuális plottolási munkától és nagyszámú céltárgy esetén kielégítő mennyiségű információt szolgáltassanak a gyors és pontos helyzetkiértékeléshez.
| Az ARPA meghatározott számú céltárgyat automatikusan követ, az ezekre vonatkozó információt (céltárgy helyzete, útiránya, sebessége) tárolja és képes az információk képernyőn való kijelzésére. Minden berendezésnek biztosítania kell a manuális célkijelölés lehetőségét. A céltárgy kijelölés automatikusan is megvalósítható. A berendezésnek automatikus célkijelölés esetén legalább 20 céltárgyat, manuális célkijelölésnél legalább 10 céltárgyat kell automatikusan követniük. Számos ARPA 40, vagy annál is több céltárgy követésére képes és sok berendezés szelektív automatikus céltárgybefogó képességgel is rendelkezik, tekintettel az egyes veszélyes szektorokra. Esetenként lehetőség van a szektor - határvonalak és a szektorok sugarának (annak a távolságának, amelyen belül a céltárgyak követése megkezdődik) a beállítására is.
| Az ARPA - k a radarmegfigyelő számára a célkijelöléstől az aktuális információk képernyőn való bemutatásáig terjedő folyamatra kiegészítő ellenőrzési lehetőséget biztosítanak a múltbeli helyzetek bemutatásával. Az előírások szerint a berendezéseknek képesnek kell lenniük a kijelölt céltárgyak mozgását legalább az utolsó nyolc percre visszamenően négy egymást követő pozícióban bemutatni.
| Az ARPA - k képernyőjének előírt effektív átmérője minimálisan 340 mm (ez felel meg a 16''- es képcsőnek). A képernyő nagy fényerejű, ami szükségtelenné teszi az elsötétítő ernyő használatát. A képernyőn az információk (a céltárgy útiránya és sebessége) ábrázolása vektorok formájában, vagy un. grafikus ábrázolással történhet. Vektoros ábrázolásnál biztosítani kell mind a relatív, mind pedig a valódi mozgásvektorok kijelezhetőségét. Grafikus ábrázolásnál a találkozás szempontjából veszélyes területek kerülnek kijelzésre a képernyőn. A grafikus ábrázolásnak is párosulnia kell, azonban minden esetben relatív, vagy valódi mozgásvektorok kijelezhetőségével.
| Az ARPA-nak a céltárgyakra vonatkozó információkat legalább két távolságkörzeten (pl. 3 és 12 tmf) kell tudnia kijelezni és előírt az északállandósított ábrázolási mód biztosítása is. A radarkép kiegészítő ARPA - információkkal való lehetséges túlterhelésének elkerülése érdekében a vektorok fényerejének szabályozhatónak kell lenni egészen a teljes kioltásig. A berendezéseknek a célkijelöléstől számított egy percen belül jelzést kell adniuk a céltárgy előrelátható mozgásáról, három perc után pedig ugyanarról maximális pontosságú kijelzést kell adni.
| Az ARPA-nak a radarmegfigyelőt vizuális, vagy hangjelekkel figyelmeztetnie kell:
| ha egy meghatározott céltárgy a megfigyelő által kiválasztott távolságkörzetű zónába belép, vagy ha egy céltárgy legszorosabb megközelítési távolsága egy meghatározott időn belül a megfigyelő által meghatározott távolságnál kisebb lesz, vagy ha egy követett céltárgyat a berendezés szem elől téveszt.
| A radarmegfigyelő kívánságára az ARPA - nak alfanumerikusan ki kell tudni jelezni bármelyik követett céltárgyra vonatkozóan az alábbi információkat:
| a céltárgy pillanatnyi távolsága és iránylata, a legszorosabb megközelítés távolsága és a legszorosabb megközelítésig hátra lévő idő, a céltárgy valódi útiránya és sebessége.
| Egyes ARPA - k ezeknek az adatoknak a kijelzésére külön alfanumerikus képernyővel rendelkeznek.
| Minden ARPA-nak szimulálnia kell tudni a saját hajóval végzett manőver kihatását (próba - manőver lehetőség), anélkül, hogy ez az előírt információk folyamatos számítását megzavarná. Ezzel lehetővé válik annak megállapítása, hogy egy tervezett manőver összeütközés elhárítás szempontjából sikeres lesz- e, vagy sem.
14. | 4.4.2. A rádióiránymérés
| A rádióiránymérés olyan elektronikus navigációs (illetve rádiónavigációs) eljárás amikor két, vagy több ismert helyzetű rádióállomás egyidejűleg mért rádióiránylata alapján határozzuk meg a hajó helyét. Ez az úgynevezett saját iránymérés. Amennyiben két vagy több rádióállomást kérünk fel arra, hogy a hajó által kisugárzott jel vétele után mérjék meg és rádión közöljék a hajó iránylatát idegen iránymérésről beszélünk. A mért vagy kapott rádióiránylatokat - mint helyzetvonalakat - a rádióállomástól kiindulva berajzoljuk a navigációs térképre, ahol az iránylatok metszéspontja kijelöli a hajó helyét. A rádióiránymérés - mint navigációs rendszer - elemei tehát a következők:
| a parti rádióállomások (rádióiránymérő állomások), a hajófedélzeti vevőberendezés (rádióiránymérő vagy goniométer), a helymeghatározáshoz szükséges eszközök, úgymint: térképek, szögfelrakó vonalzó, rádióiránymérő állomások jegyzéke, javítási táblázatok.
| A rádióiránymérés elve az indukció törvényén alapul, miszerint váltakozó mágneses térben elhelyezett vezetőben feszültség indukálódik. Ennek megfelelően egy rádióállomás jele által keltett váltakozó elektromágneses tér az ott elhelyezett vezetőkeretben (keretantennában) feszültséget hoz létre. Az adóállomás sugárzása vertikálisan polarizált, azaz a váltakozó mágneses hullámfront a vízszintes síkban terjed és halad át a vertikális keretantennán. A feszültség arányos a kereten áthaladó mágneses erővonalak számával, vagyis maximális akkor, ha a keret síkja merőleges az erővonalakra és zérus, ha párhuzamos azokkal (4-7. ábra)
Rádióiránymérés elve
4-7. ábra
| Ha az ábra szerint (a felülnézetben látott) keretantennát a BC állásba forgatjuk, akkor az így áthaladó erővonalak száma cos α szerint aránylik a DE helyzetben áthaladó maximális erővonalszámhoz. Ebből következik, hogy a BC helyzetben mérhető feszültség is cos α - szorosa a DE helyzetben mérhető maximális feszültségnek. A keretantennán mérhető feszültség függ tehát az antennának az adóállomáshoz viszonyított irányától.
| Ha a keretantennát körbeforgatjuk, akkor a 4-8. ábrán bemutatott polárdiagramhoz (nyolcas - diagramm) jutunk.
Nyolcas diagram
4-8. ábra
| A rádióiránymérő berendezés a keretantennán mért feszültséget hangfrekvenciás jellé alakítja át. A rádióállomás irányát meghatározhatjuk úgy is, hogy az antennát addig fordítjuk el, amíg a jel teljesen elhalkul. Ekkor az adóállomás a keret síkjára merőlegesen helyezkedik el. A gyakorlatban ez utóbbi módszert alkalmazzuk, mivel az emberi fül számára könnyebb egy jel elhalkulását (a hang megszűnését) érzékelni, mint annak maximális erősségét.
| Ha az iránymérő skála 0° osztását a hajó hossztengelyének irányába állítjuk be. Akkor a mért irányok, mint egészkörös orrszögek olvashatók le. Az iránymérő skála lehet egy tájoló rózsája is (pl. kézi rádióiránymérőnél), ekkor valódi irányok határozhatók meg. A rádióállomás hozzánk viszonyított helyzetére két egymástól 180°-kal eltérő irányt kapunk. Ez a tulajdonság a rádióiránymérés kétértelműsége, amelynek megszüntetését oldalhelyzetmérésnek nevezzük. Ennek elvét a 4-9. ábra szemlélteti.
| A keretantenna mellett (elvileg annak forgástengelyében) segédantennaként egy ostorantennát helyeznek el. Az ostorantenna jelerőssége független a rádióállomás irányától, azaz polárdiagrammja egy kör. A segédantenna jelerősségét úgy állítják be, hogy az azonos legyen a keretantenna maximális jelerősségével (vagyis a kördiagram sugara, azonos a nyolcas - diagram egy-egy körének az átmérőjével).
Oldalhelyzet meghatározása
4-9. ábra
| A rádióiránymérő készülék a segédantenna és a keretantenna feszültségét összegzi. A keretantenna körbeforgatásakor az egyes irányokban mérhető eredő feszültség az ábra szerint alakul, azaz polárdiagramként egy úgynevezett szívgörbét (kardioid) kapunk.
| A mai hajókon telepített rádióiránymérők kizárólag a Bellini-Tossi-elven működnek.
15. | 4.5. Hiperbola navigációs rendszerek
| A hiperbolát azon pontok összessége alkotja, amelyeknek két ponttól - a hiperbola fókuszaitól - való távolságkülönbsége állandó. Ha két rádióállomás egyidejűleg (szinkronban) bocsát ki jeleket, akkor azok egy olyan vevőhöz, amely a két állomástól nem egyenlő távolságra helyezkedik el, bizonyos időkülönbséggel érkeznek be. Ez az időkülönbség arányos a vevőnek az állomásoktól való távolságkülönbségével, mivel a rádióhullámok terjedési sebessége állandó. Ebből következik, hogy azok a helyek ahol a két rádióállomás jelei adott időkülönbséggel vehetők, egy hiperbola mentén helyezkednek el (4-11. ábra)
Hiperbola hálózat
4-11. ábra
| Az ábra szerint a P1, P2, P3 egy hiperbolán helyezkednek, amelynek állandója 450 km, azaz 1500 μs. A különböző állandójú hiperbolák a két állomás között egy hiperbola helyzetvonal hálózatot alkotnak.
| Hiperbola helyzetvonalat nemcsak időkülönbség-, hanem fáziskülönbség méréssel is előállíthatunk, mivel adott frekvencia esetén a távolságkülönbségekhez megfelelő fáziskülönbség is tartozik. Ebben az esetben a hálózatot a 0°-os fáziskülönbségű hiperbolák alkotják. A két 0° fázisú hiperbola közötti területet sávnak nevezzük. Egy-egy sávon belül 0°-tól 360°-ig terjedő fáziskülönbség mérhető. A mérés egysége a maximális fáziskülönbség század része (3,6°), amelyet centisávnak neveznek. A fáziskülönbség mérés a hajónak egy sávon belüli helyzetét adja meg, de a sáv helyét sávazonosításként az előbbiekben ismertetett módon határozzuk meg.
| A hiperbola navigációban egyidejűleg kettő vagy több adópár (főadó-segédadó) által létrehozott hiperbola helyzetvonalat határozunk meg, amelyek metszéspontja a hajó helyét adja. A helymeghatározáshoz olyan térképeket használunk, amelyek felül vannak nyomva az egyes adópárok által létrehozott hiperbola hálózattal.
| Egy hiperbola navigációs rendszer alkotóelemei tehát:
| a szárazföldi adóállomások (adópárok illetve láncok) a hajón elhelyezett vevőkészülék és a segédletek (hiperbola navigációs térképek, táblázatok stb.).
| Jelenleg a LORAN - C, a DECCA és az OMEGA hiperbola navigációs rendszerek működnek:
| A LORAN - C rendszerben a durva helymeghatározásra alkalmas időkülönbség mérésen túlmenően a nagypontosságú helymeghatározáshoz fáziskülönbség mérésre is sor kerül. A viszonylag kis frekvencia (100KHz) lehetővé teszi, hogy az impulzusok a Föld felszínét követve nagy távolságra (kb. 1200 tmf) jussanak el, mint földhullámok. A földhullámok lefedési területén belül a maximálisan elérhető pontosság mintegy 60 m.
| Az angol DECCA rendszer fáziskülönbség - mérésen alapul, egy láncban a főadó rendszerint három (esetenként kettő) segédadót vezérel. A segédadóknak a főadótól való távolsága (alapvonal - hossz) 60-120 tmf. A rendszer nagy pontosságú, folyamatos helymeghatározást tesz lehetővé a lánc lefedési területén, a főadótól max. 400 tmf távolságig. Az egymás mellett elhelyezkedő - egymást átfedő - láncok nagykiterjedésű lefedési területet hoznak létre az Északi- és a Balti-tengeren, valamint elszórtan a kanadai vizeken, Afrikában és a Távol-Keleten.
| A hiperbola navigációs rendszereknek a '70-es években utolsóként kifejlesztett változata az amerikai OMEGA rendszer. Az OMEGA rendszer nyolc adóállomásból áll, amelyek globális lefedést biztosítanak. A Föld bármely pontján egyidejűleg legalább három adóállomás fogható, melyek tetszőlegesen párosíthatók (tehát nincsenek főadók és segédadók). A rendszer a fáziskülönbség mérés elvén alapul, de mivel minden adó azonos frekvencián (10,2 kHz) ad, az adók időmegosztással üzemelnek. Az OMEGA rendszer az óceáni navigációban még éppen elfogadható pontosságú (3-5 tmf) helymeghatározást tesz lehetővé.
| Összefoglaló kérdések
| 1. Mi a navigáció és az összeütközés elhárítás?
| 2. Hogyan valósul meg a navigáció, mint szabályozási folyamat?
| 3. Milyen szabályozási körökből áll a navigációs és az összeütközés elhárítás?
| 4. Hogyan adjuk meg a hajók helyzetét a földrajzi koordináta rendszerben?
| 5. Mit értünk útirány, fenék feletti útirány, orrirány, nyomvonal és iránylat alatt?
| 6. Hogyan adjuk meg a távolságokat és a sebességeket a hajózásban?
| 7. Mi a hajók helymeghatározásának az elve?
| 8. Hogyan csoportosítjuk a helymeghatározási eljárásokat és berendezéseket?
| 9. Mi a tájolók működési elve?
| 10. Hogyan működnek a logok?
| 11. Hogyan működik a visszhangos mélységmérő?
| 12. Mi a radar működési elve?
| 13. Melyek a radarplottoló berendezések fő jellemzői?
| 14. Mi a rádióiránymérés elve?
| 15. Hogyan működnek a hiperbola navigációs rendszerek?
| Ellenőrző feladatok

|  | 1. A földrajzi koordináta rendszerben hol helyezkedik el a kezdő meridian?
| a) az amerikai szabadságszobor fején áthaladó kelet-nyugati főkör
| b) a párizsi Eiffel-tornyon áthaladó észak-déli főkör
| c) a Greenwich-i csillagvizsgáló kupoláján áthaladó észak-déli főkör
| 2. Mit nevezünk útiránynak TC (True Course)?
| a) a tájoló északi nulla és az órirány által bezárt szög
| b) a hajó adott Pa helyén átmenő NS meridián és a tervezett érkezési pont Pb, Pb-Pa egyenes által bezárt szög
| c) a hajó adott helyén átmenő NS meridián és a fenék feletti útirány fokokban kifejezett különbsége az északi nullától az óramutató járásával megegyező irányban mérve
| 3. Méterben kifejezve mekkora hosszúságot jelent az egy kábel?
| a) 185,2 méter
| b) 250 méter
| c) 163 méter
| 4. Ha a hajó sebessége 10 csomó/óra, akkor mennyi az km/h-ban kifejezve?
| a) 60,8 km/h
| b) 18,51 km/h
| c) 36 km/h
| 5. Hogyan azonosíthatók a rádió-irányméréshez bemért adók helyzete?
| a) a térkép és a hajó becsült helyzetéből megszerkeszthető
| b) a rádióiránymérő állomások jegyzékéből
| c) a rádióállomás közli a saját földrajzi koordinátáit