КУРСОГРАФ Российский патент 2005 года по МПК G01C19/32 

Изобретение относится к средствам навигации, а именно к навигационным приборам для записи текущего курса судна.

Для целей контроля за процессом и качеством управления судном, а также при разборе нештатных (аварийных) ситуаций в состав комплекта гирокомпаса многих стран мира входит курсограф, т.е. прибор, записывающий текущий курс судна, как правило, на бумажный носитель.

Первые курсографы производили запись текущего курса судна в виде курсограммы на протягиваемую механизмом протяжки бумажную ленту с помощью самописца с электромеханическим приводом, перемещающего такой самописец в положение, соответствующее углу поворота стрелки компаса судна [например, патент GB 179575, опубл. 08.05.1922; патент US 2625457, опубл. 13.01.1953]. Такие устройства не позволяли достичь высокой степени точности.

В дальнейшем электромеханическими курсографами оснащалось более точное средство навигации, а именно гирокомпасы, при этом совершенствование таких электромеханических устройств велось в направлении совершенствования механизмов протяжки и привода самописца [патент JP 54-128366, опубл. 04.10.1979], создания удобного пульта управления курсографом, в частности с использованием средств визуализации курса, например в виде стрелочного указателя [патент US 2957742, опубл. 25.10.1960], с использованием средства визуализации в виде электронно-лучевой трубки и иного носителя курсограммы, например фотопленки [патент US 2972741, опубл. 21.02.1961].

Однако известные электромеханические курсографы не позволяют производить запись курса с высокой степенью точности.

Так, Правила Морского Регистра Судоходства Российской Федерации по оборудованию судов в части “Навигационное оборудование” оговаривают основные требования, предъявляемые к курсографу: погрешность записи курса - не хуже 1°; погрешность протяжки курсограммы - не хуже 4% [например, 1. Смирнов Е.Л., Яловенко А.В., Перфильев В.К., Воронов В.В., Сизов В.В. Технические средства судовождения. Том 2. Конструкция и эксплуатация: Учебник для вузов. - СПб.: "Элмор". 2000. - 656 С.; 2. Рекомендации по организации штурманской службы на судах Минморфлота СССР (РШС-89). - М.: В/О "Мортехинформреклама", 1990. - 64 С.]. Известны отечественные гирокомпасы “Курс”, “Амур” и “Вега”, в которых используется три основных типа курсографов 23-ТЗ, 23-Т и 23-КХ с погрешностями протяжки курсограммы не более 4%, 0,17% и 0,02% соответственно. Двигатель протяжки курсограммы курсографа 23-ТЗ запитывается судовой сети напряжением 110 В, частотой 50 Гц. Этим объясняется его достаточно большая погрешность протяжки курсограммы. Для уменьшения погрешности курсограф 23-КХ имеет преобразователь напряжения питания двигателя протяжки курсограммы ДСР-2 с кварцевой стабилизацией частоты, а курсограф 23-Т - часовой механизм для протяжки курсограммы, что усложняет и удорожает эти приборы. Необходимо также отметить такой недостаток вышеперечисленных приборов как большая толщина курсовой линии, что, иногда, не дает однозначно считывать показания с требуемой точностью.

Современное развитие средств микроэлектроники и вычислительной техники позволяет значительно повысить технические характеристики средств навигации судов.

В частности, курсограф 23-Ц, которым на сегодняшний день комплектуются гирокомпасы “Гюйс” и “Меридиан”, выполнен на базе матричного принтера и лишен многих недостатков, присущих вышеуказанным курсографам. Для связи курсографа 23-Ц с гирокомпасом используется прибор согласования курсографа (ПСК). Формат курсограммы аналогичен стандартным курсографам, т.е. содержит четвертные поля с указанием четверти. Курсограмма распечатывается на бумажную ленту со скоростью около 2,5 метров за вахту (4 часа). Недостатки курсографа 23-Ц: относительно сложное электронно-механическое устройство; наличие дополнительного прибора ПСК; необоснованно высокая скорость протяжки бумаги и, как следствие, - ее высокий расход и сложность хранения на судне, а также отсутствие устройства для приема бумаги.

В качестве прототипа выбран регистратор данных рейса модели NDR 2002 (далее NDR), выпускаемый фирмой Келвин Хьюгес (Великобритания), содержащий в частности следующие главные блоки: блок сбора данных; модуль интерфейса для связи с датчиками данных, коммутатор, микрофоны, аварийный модуль живучести [Установка, работа и обслуживание Регистратора Данных Рейса NDR 2002: Руководство. 4-е изд. - Келвин Хьюгес Лимитед, Великобритания. - Публикация КН1280. - Февраль 2003. - С.1.3-1.6]. NDR может также включать удаленный модуль тревоги и статуса, плавучую независимую капсулу с запоминающим устройством, удаленный дисплей в режиме реального времени, а также сменный жесткий диск и устройство считывания данных, например входящих в состав персонального компьютера с монитором. NDR собирает данные от датчиков на борту судна, обрабатывает эти данные в цифровом виде и сохраняет в памяти аварийного модуля живучести. В частности, могут быть сохранены следующие текущие данные: время и дата от внешних ресурсов, например от судового приемоиндикатора системы GPS; координаты судна, в частности, также от системы GPS; скорость судна; курс, например по сигналу гирокомпаса; аудиопереговоры; видеокартинка дисплея радара; глубину под килем; команды управления рулем, двигателем; статус водонепроницаемых элементов; скорость и направление ветра и т.п. При записи, например, текущего курса судна, данные в цифровом формате NMEA от гирокомпаса и приемоиндикатора системы GPS через отдельный модуль интерфейса связи поступают на обработку в блок сбора данных для последующей записи в память аварийного модуля живучести, выполненного в защитном корпусе (“черный ящик”). Блок сбора данных включает, в частности, материнскую плату с центральным процессором; оперативную память; 16 серийных портов; встроенный источник бесперебойного питания; дисководы для гибкого, жесткого и компактдисков; сменный жесткий диск; порт для соединения с энергонезависимой памятью отдельного аварийного модуля; адаптер для подключения монитора для отображения видеоданных, в частности радарного контроля, в режиме реального времени. Несмотря на то, что NDR является многофункциональным комплексом, позволяющим осуществлять запись практически всех данных рейса, применение его на части судов ограничено из-за сложности установки и обслуживания, высокой стоимости, относительно больших габаритов. Тем более, что часть судов не имеет большинства датчиков, данные от которых может сохранять NDR, т.о. известный регистратор будет использоваться только частично. Также надежность работы такого регистратора, как комплекса устройств, относительно низка. Кроме этого, наличие большого числа портов, дисководов не исключает вероятность несанкционированной модификации записываемых и записанных данных. Далее, используемый “черный ящик” сохраняет информацию только за последние 24 часа, т.е. не может быть использован для длительного хранения курсограммы.

Решаемая техническая задача - упрощение конструкции устройства для записи текущего курса судна, повышение его надежности, снижение массогабаритов и себестоимости, а также снижение вероятности несанкционированной модификации записываемых и записанных данных.

Предлагаемый курсограф включает центральное процессорное устройство, выполненный с возможностью приема и обработки цифровых данных:

- о текущем курсе судна, полученных через соответствующий вход от гирокомпаса судна,

- о текущих координатах судна, полученных от средства определения координат судна,

- о времени приема названных цифровых данных, полученных от средства определения реального времени,

а также включает память для записи и хранения названных цифровых данных, устройство для подключения к внешнему источнику питания, интерфейс для подключения периферийного устройства (вывода), монитор, устройство управления.

Новым является то, что курсограф выполнен в виде отдельного модуля и содержит в качестве центрального процессорного устройства - микроконтроллер, в качестве монитора - жидкокристаллический дисплей, в качестве памяти - энергонезависимую память в виде встроенной Flash-памяти. Курсограф также содержит клавиатуру управления в качестве устройства управления. Микроконтроллер выполнен с возможностью (в т.ч. запрограммирован) синтезировать и отображать визуальный образ курсограммы на жидкокристаллическом дисплее с точностью вывода курса судна не менее 1°.

Микроконтроллер может быть выполнен с возможностью синтезировать визуальный образ курсограммы в виде разграфленного поля с четвертной разверткой и шкалой времени.

Средство определения реального времени выполнено в виде встроенных в курсограф часов реального времени (например, электронных).

Курсограф может дополнительно содержать встроенный источник бесперебойного питания, например аккумулятор.

Курсограф может содержать вход для приема данных от средства определения реального времени, в качестве которого может использоваться установленный на судне приемник внешней системы определения реального времени.

Курсограф может содержать вход для приема данных от средства определения координат судна, в качестве которого может использоваться установленный на судне приемник внешней системы определения координат судна.

Курсограф может содержать вход для приема данных от средства определения реального времени и средства определения координат судна, в качестве которых лучше использовать установленный на судне приемник системы GPS.

Модуль может быть заключен в брызговодозащитный корпус, на передней панели которого смонтированы жидкокристаллический дисплей и клавиатура.

Курсограф может быть выполнен с возможностью приема, записи и хранения цифровых данных с периодом выборки не менее 15 сек, с точностью цифровых данных: курса судна - до 0,1°; географических координат судна - до 0,01 мин; реального времени - до 1 сек.

Отдельный модуль может быть встроен в состав гирокомпаса.

Курсограф может дополнительно содержать встроенное термопечатающее устройство, выполненное с возможностью отображать визуальный образ курсограммы на соответствующем бумажном носителе.

Интерфейс для подключения периферийного устройства может быть выполнен в виде:

- порта для подключения принтера для печати визуального образа курсограммы на соответствующем бумажном носителе;

- интерфейса для соединения с внешним персональным компьютером;

- интерфейса для соединения с внешним передающим устройством, способным получать и передавать на цифровые данные, записанные во Flash-памяти, при этом в качестве внешнего передающего устройства используется радиопередающее устройство.

Курсограф может быть выполнен с возможностью перезаписи цифровых данных во встроенной Flash-памяти через установленный период, например через каждые 3 года.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлена функциональная схема курсографа, а на фиг.2 представлена фотография внешнего вида основных элементов курсографа в сборе. Тонкими стрелками на фиг.1 показано направления потока необработанных цифровых данных, широкими стрелками - направления потоков обработанных цифровых данных.

Изобретение поясняется на примере курсографа с графическим жидкокристаллическим дисплеем.

Предлагаемый курсограф содержит в своем функциональном ядре однокристальный микроконтроллер 1 модели AT89C55WD, обеспечивающий прием цифровых данных (далее - данные) в формате NMEA-0183 с помощью входа в виде порта 2 (RS422) от гирокомпаса и приемоиндикатора (ПИ) системы GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования в виде спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара), формирование графического образа курсограммы и вывод его на жидкокристаллический дисплей 3, запись данных в энергонезависимую память 4, а также интерфейс 5 с печатающим устройством 6 (принтером).

Алгоритм работы прибора позволяет обеспечить прием, запись и долговременное хранение следующих данных с периодом выборки 15 сек:

- курс судна с точностью до 0,1°;

- географические координаты судна с точностью до 0,01 мин;

- время UTC с точностью до 1 сек.

Данные о курсе формируются гирокомпасом (не показан). Координаты судна и время транслируются гирокомпасом от ПИ GPS (также не показано), при отсутствии данных о времени с GPS курсограф использует встроенные электронные часы реального времени. При обработке данные упаковываются в пакеты размером 16 байт.

В качестве энергонезависимой памяти 4 использована Flash-память фирмы Samsung емкостью 128 Мбайт, что позволяет накапливать и хранить вышеперечисленные данные более трех лет. Запись информации организована в виде бесконечного “рулона” с периодом перезаписи три года. Сохранность данных обеспечивается до десяти лет. Количество циклов перезаписи практически не ограничено и составляет 105. Интеграция энергонезависимой памяти 4 в конструкцию прибора делает невозможным любую модификацию данных извне.

Использование графического жидкокристаллического дисплея 3 с расширенным диапазоном рабочих температур позволило отказаться от непрерывной печати курсо-граммы и ограничиться выводом ее графического образа на экран. За основу формата был взят бланк, применяемый в приборе 23Т комплектов гирокомпасов “Курс”, “Вега”, “Амур”. При разрешении экрана дисплея 240×128 точек и размере видимой области 114×64 мм оказалось возможным синтезировать образ стандартного бланка курсограммы с точностью вывода курса 0.5 градуса и временем 1 час. Курсограмма выполнена в виде разграфленного поля с четвертной разверткой и шкалой времени в 10 минут, погрешность “скорости протяжки” в этом случае обеспечивается кварцевой стабилизацией и составляет 0,001%. Метки времени, текущее время, а также текущий курс выведены в дополнительных полях экрана, что облегчает визуальное восприятие курсограммы. Дисплей 3 имеет возможность регулировки яркости встроенной светодиодной подсветки высокой интенсивности и контрастности изображения.

Вывод необходимой части курсограммы на принтер 6, а также выполнение функций сервисных настроек прибора производится в интерактивном режиме с помощью всплывающего меню на экране. Управление курсографом осуществляется с клавиатуры 7 на передней панели.

Стандартный формат бумаги А4 позволяет вывести на печать документ 8 с предельными значениями разрешения, а также дополнительную информацию о географических координатах судна и времени. Разрешение по точности курса при выводе на принтер 6 достигает 0,1 градуса, по шкале времени - 15 секунд. Подключение принтера 6 к курсографу производится через стандартный порт параллельного интерфейса 5 Centronics, либо через последовательный порт, что дает возможность использовать широкую номенклатуру принтеров, разрешенных к использованию в составе морского оборудования, а также передавать информацию на другие внешние устройства.

Конструктивно курсограф выполнен в брызговодозащищенном корпусе размерами 171×121×55 мм и имеет массу не более 0.7 кг. Потребляемая прибором мощность от судовой сети 24 В постоянного тока составляет не более 7 Вт. Внешний вид основных элементов курсографа показан на фиг.2.

Приведенный пример использован только для целей иллюстрации возможности осуществления изобретения и ни в коей мере не ограничивает объем правовой охраны, представленный в формуле изобретения, при этом специалист в данной области техники относительно просто способен осуществить и другие пути осуществления изобретения.

Например, может быть предусмотрена модификация прибора со встроенным термопечатающим устройством (не показан). При этом отпадает необходимость внешнего принтера. Курсограф может быть оборудуется интерфейсом связи с персональным компьютером для передачи данных для последующей обработки в системах электронной картографии (например, в случае разбора нештатных ситуаций). Также курсограф может быть оборудован интерфейсом связи с радиопередатчиком для передачи записанных данных на расстояние, например судовладельцу. Курсограф может быть дополнен встроенным блоком приемника GPS и тогда нет необходимости использовать внешний судовой приемник.

Изобретение относится к технике приборостроения, а именно к навигационным приборам для записи текущего курса судна. Технический результат - повышение надежности за счет упрощения конструкции устройства. Для достижения данного результата курсограф выполнен в виде отдельного модуля, содержащего в качестве центрального процессорного устройства микроконтроллер, в качестве монитора жидкокристаллический дисплей, в качестве памяти энергонезависимую память в виде встроенной Flash-памяти, также содержащего клавиатуру управления в качестве устройства управления. При этом микроконтроллер выполнен с возможностью синтезировать и отображать визуальный образ курсограммы на жидкокристаллическом дисплее. 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Курсограф, включающий центральное процессорное устройство, выполненное с возможностью приема и обработки цифровых данных о текущем курсе судна, полученных через соответствующий вход от гирокомпаса судна, о текущих координатах судна, полученных от средства определения координат судна, о времени приема названных цифровых данных, полученных от средства определения реального времени, также включающий память для записи и хранения названных цифровых данных, устройство для подключения к внешнему источнику питания, интерфейс для подключения периферийного устройства, монитор, устройство управления, отличающийся тем, что курсограф выполнен в виде отдельного модуля, содержащего в качестве центрального процессорного устройства - микроконтроллер, в качестве монитора - жидкокристаллический дисплей, в качестве памяти - энергонезависимую память в виде встроенной Flash-памяти, также содержащего клавиатуру управления в качестве устройства управления, при этом микроконтроллер выполнен с возможностью синтезировать и отображать визуальный образ курсограммы на жидкокристаллическом дисплее с точностью вывода курса судна не менее 1°.2. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что микроконтроллер выполнен с возможностью синтезировать визуальный образ курсограммы в виде разграфленного поля с четвертной разверткой и шкалой времени.3. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что средство определения реального времени выполнено в виде встроенных в курсограф часов реального времени.4. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит встроенный источник бесперебойного питания.5. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что содержит вход для приема данных от средства определения реального времени, в качестве которого используется установленный на судне приемник внешней системы определения реального времени.6. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что содержит вход для приема данных от средства определения координат судна, в качестве которого используется установленный на судне приемник внешней системы определения координат судна.7. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что содержит вход для приема данных от средства определения реального времени и средства определения координат судна, в качестве которых используется установленный на судне приемник системы GPS.8. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что модуль заключен в брызговодозащитный корпус, на передней панели которого смонтированы жидкокристаллический дисплей и клавиатура.9. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью приема, записи и хранения цифровых данных с периодом выборки не менее 15 с, с точностью цифровых данных курса судна до 0,1°, географических координат судна до 0,01 мин, реального времени до 1 с.10. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что отдельный модуль встроен в состав гирокомпаса.11. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит встроенное термопечатающее устройство, выполненное с возможностью отображать визуальный образ курсограммы на соответствующем бумажном носителе.12. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что в качестве интерфейса для подключения периферийного устройства содержит порт для подключения принтера для печати визуального образа курсограммы на соответствующем бумажном носителе.13. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что в качестве интерфейса для подключения периферийного устройства содержит интерфейс для соединения с внешним персональным компьютером.14. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что в качестве интерфейса для подключения периферийного устройства содержит интерфейс для соединения с внешним передающим устройством, способным получать и передавать цифровые данные, записанные во Flash-памяти.15. Курсограф по п.14, отличающийся тем, что в качестве внешнего передающего устройства используется радиопередающее устройство.16. Курсограф по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью перезаписи цифровых данных во встроенной Flash-памяти через установленный период.17. Курсограф по п.16, отличающийся тем, что в качестве установленного периода используют срок 3 года.