Die USCG RDC & Elektronische Hilfsmittel zur Navigation

Der Autor: Dr. Charles Judice, IEEE Fellow und USCG Hilfs FSO-NS. (Anmerkung: USCG-Mitglieder Irene Gonin und Lee Luft haben zu diesem Artikel beigetragen.

© Rob Bouwman / Adobe Stock

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Für Freizeitkapitäne sind Navigationshilfen (ATON) die bekannten roten und grünen Bojen (und Tagesmarkierungen), die unsere Binnenwasserstraßen säumen. Was ihnen vielleicht nicht bewusst ist, ist, dass Bojen seit den Tagen der römischen und ägyptischen Imperien existieren. In den Jahrzehnten nach der Entstehung unseres Landes tauchten Bojen in allen Formen und Farben in unseren Wasserstraßen auf. Es war nicht bis 1850, dass der Kongress ihren Einsatz harmonisierte und dadurch das bekannte "Rote, Rechte, Rückkehrende" Mantra förderte. Als Reaktion auf den Terroranschlag im Jahr 2001 befahl der Kongress der USCG, ein landesweites automatisiertes Identifikationssystem (NAIS) zu entwickeln, das heute in 69 großen US-Häfen und Wasserstraßen in Betrieb ist. NAIS ermöglichte ein ausgeklügeltes, mobiles digitales Netzwerk für die Kommunikation zwischen Schiffen, Schiffen und zwischen Schiffen und ATON. Dieses Netzwerk erwies sich nach den Hurrikanen Harvey, Mathew und Irma als sehr wertvoll, als virtuelle ATON lange bevor die physische ATON strategisch positioniert werden konnte, aktiviert wurden.

Die Rolle der USCG bei diesen Fortschritten wäre ohne die engagierten Fachleute in ihrem Forschungs- und Entwicklungszentrum (RDC) in New London nicht möglich gewesen. In meinen 40 Jahren im nicht-staatlichen F & E-Bereich war ich noch nie so beeindruckt von der Breite der Technologien und dem Fokus auf den Kunden, da ich mehr und mehr über das USCG RDC erfahren habe. Das RDC der USCG wurde 1972 gegründet und hat eine umfassende Mission zur Verbesserung der Sicherheit unserer Wasserstraßen. Von der Erforschung ökologisch empfindlicher Kabel für die Verankerung von Bojen über den Meeresboden bis hin zur Entwicklung von Kommunikationsprotokollen für die obere Schicht für das bestehende Automated Identification System (AIS) Application Specific Message (ASM) setzt RDC seine kleinen Mitarbeiter durch die Zusammenarbeit mit Partnern und die Einhaltung relevanter internationaler Standards ein Verbände.

Seit den Anfängen von RDC wurden Projekte ausgewählt, um der Küstenwache zu helfen, ihre Mission in Bezug auf die Platzierung von Bojen zu erfüllen. Neben der Software "Aids to Navigation Information System" (ATONIS) wurde das Differential Loran-C als Positionierungshilfe für das Setzen von Bojen entwickelt und demonstriert. Schließlich wurden diese Techniken durch digitales GPS ersetzt. Im Laufe der Jahre hat auch RDC wichtige Arbeiten in Bezug auf die Stromversorgung und Beleuchtung durchgeführt, die für die Navigation in der Nacht so wichtig sind. Schon bevor es AIS gab, arbeitete RDC hart daran, die Genauigkeit zu verbessern und die Kosten für die Einstellung, Wartung und Verwaltung der riesigen Sammlung von Bojen in US-Wasserstraßen zu reduzieren. Diese Bemühungen dienten als Grundlage für das Engagement des Zentrums in der E-Navigation.

Der Begriff der E-Navigation, wie er von der Internationalen Seeschiffahrtsorganisation (IMO) definiert wird, ist nur etwa ein Jahrzehnt alt, und dennoch werden große Fortschritte erzielt. Der Ausschuss für das marine Verkehrssystem (CMTS) verwendet die eNAV-Definition, um seine Strategie für eNAV-Fortschritte in den USA zu entwickeln. Ihr Ziel ist: "die harmonisierte Sammlung, Integration, Austausch, Präsentation und Analyse von maritimen Informationen an Bord und an Land mit elektronischen Mitteln Verbesserung der Liegeplatz- und Liegeplatznavigation und der damit verbundenen Dienstleistungen, für die Sicherheit auf See und den Schutz der Meeresumwelt ". RDC entwickelte AIS-Architekturen, die diesen internationalen Standards entsprechen. Um genauer auf einen Aspekt des Designs einzugehen, folgte die RDC der Empfehlung der International Telecommunications Union (ITU):

a) dass der Einsatz eines universellen AIS auf Schiffen ermöglicht einen effizienten Austausch von Navigationsdaten zwischen Schiffen und zwischen Schiffen und Küstenstationen, wodurch die Sicherheit der Schifffahrt verbessert wird;

b) dass dieses System zwar hauptsächlich für die Überwachung und Sicherheit von Navigationszwecken in Anwendungen von Schiff zu Schiff, Schiffsmeldewesen und Schiffsverkehrsdiensten (VTS) eingesetzt werden soll, jedoch auch für andere maritime sicherheitsrelevante Kommunikation, sofern die primären Funktionen sind nicht beeinträchtigt;

c) dass dieses System erweiterungsfähig ist, um künftige Erweiterungen der Anzahl der Nutzer und eine Diversifizierung der Anwendungen zu ermöglichen, einschließlich Schiffen, die nicht den Beförderungsanforderungen der IMO AIS, Navigationshilfen sowie Such- und Rettungsdiensten unterliegen;

[Für diejenigen, die mit AIS nicht vertraut sind, hier ist eine einfache Grundierung. AIS ist ein Datenübertragungssystem, das VHF-Kanäle 87 und 88 zum Senden und Empfangen von Daten verwendet. Diese beiden Kanäle sind in 2.250 Zeitfenster unterteilt, in denen Daten entweder vom Schiff oder von einer Küstenstation aus gespeichert werden. Zeitfenster werden lokal mit der GPS-Zeitfunktion synchronisiert. Ein Schiff reserviert ein Zeitfenster unter Verwendung eines Protokolls, das als selbstorganisierend bezeichnet wird (Zeitmultiplex-VielfachzugriffTDMA, das sehr effizient und zuverlässig ist. Ursprünglich war AIS dazu vorgesehen, nur 22 Nachrichten bezüglich der Identität, Geschwindigkeit, Richtung und anderer Faktoren des Schiffs zu senden oder zu empfangen. Mit der Entwicklung von ASM ist der Himmel (oder die Erdoberfläche) die Grenze.In den USA wurden zahlreiche ASM getestet.Eine solche Nachricht ist eine Umweltnachricht, die Informationen über Wind, Gezeiten, Wasserstand, Strömung, Seegang, und andere meteorologische und hydrologische Daten.Eine weitere ist eine Wasserstraßenmanagementnachricht, die Informationen enthält, die für Zugbrücken- und Schleusenoperationen verwendet werden könnten.Eine dritte ASM ist eine geografische Mitteilung, die einen Bereich definieren kannund Informationen über Vorsichtsmaßnahmen, die in diesem Bereich auszuüben sind, bietet ASM sind in Entwurf oder werden gerade getestet.]

Die Arbeit von RDC in diesem Bereich war sehr weit gefächert. Zum Beispiel arbeitete das RDC vor einigen Jahren mit dem amerikanischen Armeekorps (USACE) zusammen, um den NAIS-Nachrichtensatz, Router und Server zu verwenden, um USACE zu ermöglichen, verbesserte Systeme zu entwickeln, die mit NAIS kompatibel sind, um die Sicherheit zu erhöhen Effizienz des Betriebs Binnenschlösser. Mehrere Standard-ASMs wurden definiert und es wurden Methoden für die Nachrichtenerzeugung, das Routing, die Warteschlangenbildung, die Übertragung und die Überwachung entwickelt. Heute wurde eine AIS-Übertragungsarchitektur, die mit internationalen Standards ausgerichtet ist, entwickelt, um die effiziente und robuste Übertragung dieser spezifischen ASMs zu implementieren.

Es wird geschätzt, dass die Wasserstraßen unserer Nation eine Wirtschaftstätigkeit von über 4,6 Billionen US-Dollar bei 360 plus Häfen ermöglichen. Die Küstenwache ist gesetzlich verpflichtet, ein System von Seefahrtshilfen zu betreiben und aufrechtzuerhalten, um die Navigation zu erleichtern und Katastrophen, Kollisionen und Wracks zu verhindern. Um diese Mission zu erfüllen, betreibt die Küstenwache über 53.000 Hilfsgüter in den Vereinigten Staaten, Hawaii, Alaska und anderen US-Standorten wie Guam und Puerto Rico. Aber hier endet die Geschichte nicht. Heute können Freizeitkapitäne ein paar Smartphone-Apps herunterladen, um: in der Nähe befindliche Schiffe zu identifizieren und zu kontaktieren; Alarmierung der USCG von mangelhaftem ATON, Navigationsgefahren und Umweltverschmutzung; und, am wichtigsten, navigieren Sie sicherer und mit mehr Sicherheit. Da die Softwaretools der E-Navigation weit verbreitet sind und Entwickler von Drittanbietern in der Lage sind, auf der Konnektivität von NAIS-Assets aufzubauen, werden wir bedeutende Fortschritte in der Rolle digitaler Technologien innerhalb des Seeverkehrssystems sehen
Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Sie segeln aus dem Mayport, FL, Inlet und haben nicht bemerkt, dass ein 30.000 Tonnen schwerer Autotransporter bei 7 Knoten auf Ihr Heck schleicht. Ihr Radar hat das aufgefangen, aber Sie waren zu sehr damit beschäftigt, sich auf das Meer vorzubereiten. Glücklicherweise war dein Sohn unten auf seinem iPhone und spielte Fortnight, als er auf das bevorstehende Desaster aufmerksam wurde. Er sagt Papa und eine Katastrophe ist abgewendet. Dies ist heute aufgrund der Flexibilität und Standardisierung der NAIS High-Level Data Link Control (HDLC) ASM-Nachrichtenpakete und der Zuverlässigkeit und Universalität seiner Netzwerkinfrastruktur möglich. Ein solcher Vorfall passierte tatsächlich einem Freund von mir (ohne die Hilfe von fortgeschrittenem AIS).

Die Sammlung von e-ATON, virtuellem ATON, automatischem Identifikationssystem / anwendungsspezifischen Nachrichten (AIS-ASM), Such- und Rettungstransponder (SART), Satelliten-AIS (S-AIS) und mehr bietet Regierungs-, kommerziellen und privaten Entwicklern die Werkzeuge neue und aufregende Wege zur Verbesserung der Sicherheit, der Effizienz, des Komforts und des Genusses von Schiffstransporten zu schaffen. Die heutige Situation ist nicht unähnlich der Macht, die in der Computerindustrie freigesetzt wurde, als Open Source und Interoperabilität mehr als ein Ziel, sondern eine Realität war. In diesem Semester werde ich meine STEM-Klasse in der Mittelschule dazu ermutigen, nach Möglichkeiten zu suchen, wie es Paddelintern erlaubt wird, das AIS-Netzwerk vorteilhaft zu nutzen. Das USCG RDC ist weiterhin Vorreiter bei der Vorhersage der Zukunft, aber auch bei deren Verwirklichung.

[Autor Anmerkung: Der Autor möchte den vielen Mitgliedern der RDC-Mitarbeiter der USCG mit ihrer Hilfe bei der Erstellung dieses Berichts danken. Ich möchte besonders auf die Beiträge von Irene Gonin und Lee Luft eingehen.]