автореферат диссертации по транспорту, 05.22.16, диссертация на тему:Математические и алгоритмические основы создания системы отображения электронных карт с использованием цифровых морских карт в международном формате данных Dx-90

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ^ ^ ^ Д МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

-2 Я HB 1995 ™ени адмирала С.0.Макарова

На правах рукописи УДК 629.12.053: 681.7

ЧИН ИНЬ дань

МАТИУ1АТИЧЕСКИЕ И АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ СИСТЕШ ОТОБРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ КАРТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВЫХ МОРСКИХ КАРТ В МЕЖДУНАРОДНОМ ФОРМАТЕ ДАННЫХ ох-эо

Специальность 05.22.16 - судовождение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1994

Работа выполнена в Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова на кафедре "Автоматика и

Член-корреспондент Российской академии наук А.Е.САЗОНОВ

- доктор технических наук, профессор Г.В.Макаров - кандидат технических наук, С.В.Сиоленцев Гидрографическое предприятие Департамента морского флота Министерства транспорта России

Защита состоится " j6 " Лиic\j>Я 1Э9^"г..в JM? часов на заседании Специализированного совета Д 101.02.02 Государственной ордена Октябрьской Революции морской академии имени адмирала С.О.Макарова по адресу: 199026, С.-Петербург, Косая линия, дом 15-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГМА.

Автореферат разослан "/.3 " ^¿K^fjd 1994 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес ученого секретаря Специализированного совета ГМА по адресу: 199026, С.-Петербург, Косая линия, дом 15-а, ГМА.

вычислительная техника' НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Ученый секретарь

специализированного Совета /

к.т.н., доцент В.А.Прокофьев

и

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последние годы с развитием электроники и вычислительной техники появилось новое научно-техническое направление, связанное с созданием электронных картографических дисплейных информационных систем (ЭКДИС), использование которых позволяет повысить безопасность мореплавания и уровень автоматизации морского судовождения.

ЭКДИС представляют собой интегрированную информационную навигационную систему, предназначенную для решения навигационных задач на основе использования электронных карт (ЭК). Функционально ЭКДИС можно разделить на 3 части:

- система отображения ЭК (СОЭК);

- система решения навигационных задач (СРНЗ);

- навигационно-информационная система (НИС).

СОЭК является основной частью ЭКДИС, обеспечивающей формирование (синтез), отображение и корректировку ЭК.

СРНЗ обеспечивает использование ЭК в практике морского судовождения, то есть решает традиционные навигационные задачи, выполняемые на бумажных картах, дает оценку навигационной безопасности плавания и рекомендации по безопасному маневрированию.

НИС является справочной информационной системой, основанной на доступе к базе данных, созданной из навигационных справочников, руководств и других источников информации.

Существенный вклад в решение теоретических и технических вопросов, связанных с созданием ЭКДИС (повышение точности датчиков навигационной иоформации, получение, представление и отображение данных и т.д.), внесли работы известных советских ученых В.П.Кожухова, А.Е.Сазонова, А.В.Жерлакова, Г.В.Макарова, А.И.Родионова, Ю.М.Филиппова, А.М.Жухлина и других.

В 1988 г. были выработаны спецификации 1Н0 для создания ЭКДИС, которые предъявляют новые требования к созданию новых ЭКДИС или к усовершенствованию существующих. В этих спецификациях определены аппаратный состав ЭКДИС,

сформулированы минимальные требования пользователя к ЭЩЩС. Спецификации содержат рекомендации по минимальному и дополнительному содержанию картографических баз данных .(КБД) в ЭКДИС, характеристики цифровых морских карт (ЦМК), рекомендации' по составу минимальной и дополнительной информации, • отображаемой на ЭК, способы корректуры и обновления ЭК, и другие общие принципы создания ЭКДИС. В спецификациях было утверждено, что ' за содержание и правильность ЦМК должны нести ответственность гидрографические службы (ГС), ЦМК будет иметь силу только при формировании ее в общепринятом стандартном формате представления данных и любые ЭКДИС должны обеспечивать воспроизведение таких ЦМК.

В 1990 г, комитетом по обмену цифровыми данными ШО (СИЮ) разработан стандарт для обмена цифровыми гидрографическими данными, включающий в себя классификацию и кодирование объектов и атрибутов, формат БХ-90, а также правила цифрования бумажных карт. В настоящее время БХ-90 является общепринятым форматом для обмена гидрографическими данными между ГС, изготовителями и пользователями ЭКДИС. Для ранее созданных ЭКДИС, естественно, возникает идея по разработке "конвертора", позволяющего переводить 1Щ из формата БХ-90 в формат, который был использован в ЭКДИС. Однако для тех ЭКДИС, в которых формат ЦМК не имеет связи с БХ-90, создать "конвертор" практически невозможно без серьезного обновления программного обеспечения визуализации ЭК. Дело в том, что система классификации и кодирования объектов и атрибутов в "старом" формате является не полной по сравнению с форматом БХ-90. Иными словами, в этих ЭКДИС ЦМК являются упрощенными, не соответствующими требованиям 1Н0. Кроме того, некоторые ЭКДИС не обеспечивают необходимую точность ЭК по причине недостаточной плотности оцифровки бумажной карты.

Важно заметить, что в настоящее время с точки зрения изготовителя ЭКДИС можно считать ЦМК в формате БХ-90 готовыми, они поставляются ГС. Изготовителям ЭКДИС предстоит решать все теоретические и алгоритмические задачи по созданию ЭКДИС (формирование КБД, визуализация и корректировки ЭК, использование ЭК для решения навигационных

задач).

При выполнении диссертационной работы использовались ПМК в формате 0Х-90, изготовленные Гидрографическим предприятием Департамента морского флота Министерства транспорта России.

Цель работы и основные задачи исследования. Целью диссертационной работы являются:

- разработка математических и алгоритмических основ создания СОЭК в соответствии со спецификациями 1Н0 и требованиями 1М0 по созданию ЭКДИС с использованием ПМК в формате БХ-90;

- исследование точности электронных навигационных карт (ЭНК) и анализ точности навигационных измерений на ЭНК.

В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационной работы являются:

1.Разработка теоретических и методологических основ создания КБД для СОЭК:

- создание каталога цифровых карт;

- формулировка системы классификации и кодирования объектов и атрибутов (СККОА);

- разработка пользовательского формата ЦМК;

- исследование методов создания и использования библиотеки картографических знаков:

- исследование методов корректировки ЦМК и создания базы данных корректур.

2.Разработка алгоритмов формирования и отображения ЭНК.

3.разработка алгоритма идентификации КО на ЭНК.

4.Исследование точности ЭНК с учетом основных источников погрешностей их возникновения.

5.Исследование точности измерения дистанций и пеленгов на ЭНК.

Методика проведения исследований. В работе применены теория математического анализа, теория вероятностей, теория и методы машинной графики. Основные теоретические результаты подтверждены их алгоритмической и программной реализацией на персональной ЭВМ,

Научная новизна.

I.Обоснованы состав и метод создания КБД СОЭК;

2.Разработаны структура и метод создания пользовательского формата данных представления ЦМК в СОЭК;

3.Создан каталог цифровых карт, обеспечивающий поиск необходимых ЦМК для конкретного района плавания;

4.Разработан метод упрощения вычислительных процедур представления Меркаторской картографической проекции (МКП) при обеспечении заданной точности;

5.Предложены алгоритмы отсечения КО при визуализации ЭНК;

6.Разработаны алгоритмы произвольного изменения масштаба ЭНК;

7.Разработаны структура и метод идентификации КО на ЭНК по месту графического маркера (ГМ);

8.Произведена оценка точности представления картографической информации (КИ) на ЭНК с учетом основных источников погрешностей их возникновения;

9.Определена точность измерения дистанций и пеленгов по ортодромии и локсодромии на ЭНК и точность преобразования экранных координат в географические.

Практическая ценность. На базе разработанной методологии создания СОЭК реализовано программное обеспечение на персональной ЭВМ, которое может быть использовано при разработке и создании многофункциональных ЭКДИС, удовлетворяющих всем требованиям 1Н0 и 1М0.

Внедрение результатов работы. Результаты

диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе кафедры "Автоматика и вычислительная техника" ГМА имени адмирала С.О.Макарова и фирме ТОО

Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждены и одобрены на:

международной выставке "Нева-93 Судостроение и судоходство", состоявшейся в С.-Петербурге в 1993 г.;

научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ГМА им.адм.С.О.Макарова в 1994 г.

международной выставке "Река-94", состоявшейся в Нижнем Новгороде в 1994 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 2 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 133 страниц машинописного текста, в том числе 117 страниц основного текста, 22 рисунков и таблиц, 16 страниц приложений. В списке литературы содержатся 93 работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность создания СОЭК с целью повышения безопасности мореплавания с учетом новых требований IH0 к созданию ЭКДИС, формулируются цель и задачи диссертационной работы.

В первом разделе рассматриваются основные требования, предъявляемые к СОЭК.

Для создания СОЭК в первую очередь необходимо разработать КБД и систему управления КБД (СУКБД) (РисЛ). Исходные данные для создания КБД предоставляются ГС. Все виды доступа к КБД (создание КБД, чтение, запись, селекция, поиск и выборка КИ в КБД) реализуются СУКБД.

В данном разделе рассмотрены назначение и принцип создания каждого компонента КБД в СОЭК. Особенно подчеркнуто, что формирование БД ЦМК производится путем преобразования ВДК из формата DX-9Q в пользовательский формат. Необходимость создания пользовательского формата ЦМК обусловлена нецелесообразностью прямого употребления формата DX-90 в СОЭК по причинам:

1.B формате DX-90 все числа (координаты, длины записей, значения глубин и т.д.) представлены в виде строк ASCII, имещих различные длины, поэтому при преобразовании строк в числа необходима проверка разрядности, уменьшающая скорость формирования ЭК;

2. Формат DX-90 не является оперативной структурой для прямого доступа к элементам данных;

3.В файле ЦМК формата DX-9G не производится сортировка данных, поэтому при визуализации ЭК требуется существенная

- в -

Гидрографиче ские службы

Изготовитель СОЭК

• РисЛ. Схема организации КБД в СОЭК

затрата машинного времни, связанная с селекцией и поиском

КИ, что замедляет скорость формирования ЭК;

4.Формат БХ-90 не позволяет проводить произвольный поиск

конкретного КО или группы КО.

В данном разделе установлено, что математическое обеспечение СОЭК можно разделить на 3 группы:

- обеспечение формирования ЭК;

- обеспечение отображения ЭК;

- обеспечение работы картографического редактора (КР).

Для каждой . группы сформирован перечень конкретных задач.

В разделе рассмотрены также требования к точности и

скорости работы СОЭК:

- в СОЭК необходимо использовать подходяще алгоритмы для представления картографической проекции и формирования экранных, координат КО, обеспечивающие точность представления КИ на ЭК, выбрать достаточную разрядность представления цифровых данных. При ведении навигационных измерений на ЭК необходимо исключить погрешности формирования и отображения ЭК за счет прямого получения географических координат КО из КБД.

- скорость работы СОЭК зависит от организации КБД и используемых алгоритмов формирования и отображения ЭК. С точки зрения используемых, алгоритмов в СОЭК скорость формирования и отображения ЭК в основном определяется: методом представления картографической проекции, методами отсечения КО, методом заполнения площадных объектов, методом отображения на экране отрезка линии и др. Реализация этих алгоритмов должна обеспечить необходимое быстродействие при минимальной затрате ОП ЭВМ.

Во втором разделе рассматриваются теоретические и алгоритмические основы создания СОЭК.

Рассмотренные информационные потоки в СОЭК (см. рис. 2) является схемой организации данных (данных из КБД, оперативных управляющих данных и данных от пользавателя) в СОЭК, на основе которой строится программное обеспечение СОЭК.

Каталог цифровых карт является основой поиска необходимых ЦМК конкретного района плавания, поиска ячеек ЦМК для отображения ЭК и получения параметров о самих ЦМК. Разработанные каталог цифровых карт, методы его создания и использования обеспечивают выполнение этих задач. По системе разграфики 1Н0 каждая ячейка цифровой карты сохраняется в отдельном файле, по имени файла можно определить рамки ячейки, то есть диапазоны изменения широты и долготы без просмотра содержимого файла. В каталоге цифровых карт содержатся паспорта карт и информация о ячеистом составе каждой цифровой карты.

Поскольку в КБД сохраняются географические координаты КО, при формировании ЭК необходимо представление картографической проекции, разработанный метод упрощения

каталог цифровых карт

получение параметров карты и формирование таблицы значений функции широты МКП выбор нужных ячеек отображаемой карты

таблица значений функции широты МКП

библиотека картографиче ских знаков

данные от пользователя

массив имен

нужных

ячеек

формирование и отображение ЭК

БД ЦМК пользовательского формата

система классификации и кодирования объектов и атрибутов

структура данных для идентификации КО на ЭК

картографический редактор

БДК цмк

Рис. 2. Информационные потоки в СОЭК

вычислительных процедур представления МКП позволяет повысить скорость преобразования географических координат в прямоугольные при обеспечении заданной точности. Принимая Землю за эллипсоид, рассмотрим нормальную проекцию Меркатора

г * =гоМ(Ф)

.где 1(ф)=1п )

' 1-е.Б1п(ф)

- х и X

4 о "о

Ф0- широта главной параллели карты; а - большая полуось земного эллипсоида; г0- радиус круга главной параллели;

. 1+е.а1п(ф)

е/2

е - эксцентриситет земного эллипсоида; |А0- главный масштаб карты.

Предлагется следующая последовательность вычислительных процедур представления МКП:

-разделение диапазона широты карты [фт1л,фтаз;] на N участков

ф1 = + 1 Лф (1=0'1»2.....N>- А(Р = <Ч\пах ~ <%1п) / N ;

-вычисление значений функции 1(ф1)=Г1(1=0,1,2,...,N); -вычисление значения Y на участке 1ф1,ф1+1] по формуле

fi+1 " h

Y = гоцоЩф), 0(ф) = î± + —^-i- (ф - .

Лф

При этом погрешность О значений Y определяется: |0| Аф* го^о|Г"(Ф1)| , где

Г"(Ф) = з1п(ф)

1 е2(1 + е281п2(ф) - 2е2)

+

. cos2 (ф) (1 - ezsln2 (ф) )2

Обозначим M = МАХ |Г'(Ф)| = | *"(Ф.)|

Ф € %ln'W

тогда |ô| ^ -¿"Лф2 г0Ц0М .

Если по требованию |б| не должно превышать заданного значения е,

ТГё—'

то достаточно, чтобы Дф ^ / гоцоМ

Можно заметить, что |Г"(ф)| имеет максимальное значение, когда |з1п(ф)| достигает своего максимального значения, т.е. Ф£ совпадает со значением широты горизонтальной рамки карты, ближайшей к полюсу:

^ _ ^ «Ъах при > 1^1 .

1 при IW < < W

В данном разделе разработан метод . отображения картографических знаков, удовлетволящий стандарту кодирования картографических знаков в формате ЮХ-90, содержащий механизм получения кода картографического знака любого типа (точечного, линейного и площадного) при

визуализации ЭК.

При формировании ЭК необходимо отсекать КО окном визуализации. Рассмотренные методы отсечения КО учитывают особенности формирования ЭНК с применением обновленных стандартных алгоритмов КГ и обеспечивают корректность и быстродействие отсечения линейных и площадных КО окном визуализации.

В данном разделе рассмотрен метод произвольного изменения масштаба ЭК. Предполагается, что известны:

- прямоугольные координаты (*С.УС) центра исходного окна визуализации С, его географические координаты (ФСЛС) (см. рис. 3);

- масштаб цгна широте срс.

Исходное окно визуализации Новое окно визуализации

F

Н

г н -

Рис. 3. Изменение масштаба выбранной части ЭК

Для изменения масштаба произвольной части ЭК используется "плавующий прямоугольник", размеры которого выбираются пользователем (см. рис. 3 P1Q1P2Q2)- Горизонтальные и вертикальные расстояния на ЭК от Р1 до С и от Р2 до С вычисляются:

IP^I^ |ХГ ХС|ДН, IP^I^ |уг УР|AV, |Р2С|Х= IX,- ХС|ДН, |Р2С|у= |у2- yc|ÄV, АН - горизонтальный размер пикселя; АV - вертикальный размер пикселя. Географические координаты точек Р1, параметрам фс, kQ, ц^^с^, |Р1 С|у. |Р2С|Х, |Р2С|у. Предположим, что географические координаты центра выбранной части ЭК С' - (ф0Д0), Pt - (ф1Д1). Р2 - (ф2Д2);

Р2 вычисляются по

Н' - горизонтальный размер прямоугольника; V' - вертикальный размер прямоугольника.

Задача изменения масштаба ЭК решается следующим образом:

X (фд) = [Г(ф1) + Г(ф2)1 / 2, ф0 вычисляется по известному методу в картографии, Х0 = + А^) /2. Новое окно

визуализации выбирается (см. рис. 3): н< «

Если —— 2 ——, то размер нового окна визуализации по V' V

горизонтали АБ = Н, по вертикали V'

АВ = ^ . Н; знаменатель масштаба на широте ф0 2 Гд а соа(ф0)

-Р5" = "Г' Г0= [1 -е'зИ^фд)]1^ '

(Хд - масштаб на широте фд. Н' и

Если —=— < —2— , то размер нового окна визуализации по V V

вертикали АЕ = V, по горизонтали

АО = . V; знаменатель масштаба на широте фд

«0= = - Г(ф1)1.

Важно заметить, что во время плавания масштаб отображения ЭК не должен быть крупнее исходного масштаба при цифровании любой ячейки ЦМК, захватываемой данной ЭК. Только в этом случае ЭК будет по степени полноты информации и точности эквивалентна бумажной карте. При нарушении этого условия СОЭК выдает предупреждение судоводителю.

Разработанный в данном разделе пользовательский формат ИМК имеет следующие особенности:

1.Формат имеет цепочно-узловую структуру, позволяющую представлять КИ без избыточности.

2.СОЭК как основная часть ЭКДИС должна быть способна в первую очередь представить всю необходимую КИ согласно

T J

- 14t -

требованиям 1Н0 и 1М0 для обеспечения безопасности мореплавания. Способы группировки КИ и сортировки КО в наборах данных ЦДОК пользовательского формата удовлетворяют этим требованиям.

3.При преобразовании ЦМК из формата БХ-90 в пользовательский формат не происходит потери информации (в том числе и точности метрического описания КИ).

4.Формат максимально использует элементы структуры данных формата БХ-90 и сохраняет его систему клссификации и кодирования объектов и атрибутов.

5.Формат содержит записи переменной длины, которые проектируются в виде оперативной структуры данных, что обеспечивает непосредственный доступ к их элементам.

6.Формат позволяет быстро проводить доступ к БД 1Щ (селекцию КИ, поиск и выборку КО) произвольным способом.

7.Формат позволяет разместить набор данных ДОК в не смежные участки ОП ЭВМ.

8.В наборах данных ШК пользовательского формате сохранены географические координаты КО и определена разрядность представления числовых данных, что позволяет свободно выбрать картографические проекции и повысить точность решения навигационных задач.

Одной из важнейших задач СОЭК является получение справочной информации о КО на ЭК, которая встречается как при редактировании и корректуре ЭК, так и при ведении навигационных измерений на ЭК. Для решения этой задачи создана структура данных представления КО на ЭК в векторной форме, позволяющая получить идентификатор КО без доступа к КБД, на базе которой разработан следующий алгоритм идентификации КО на ЭК по экранным координатам ГМ:

определим расстояние от точки М до ломанной линии 0001...0Д

с1(М, 0П01...0П)= _

и 1 п 1= 11,п-1

ü(M,0i0i+1) — расстояние от М до отрезка 0^01+1 _min

_ d(M,X)

d(M.0101+1 )

d(M,X) ---- растояние от точки М до точки X.

1.Поиск ячейки ЭК U, в которой находится ГМ. Эту процедуру легко осуществим потому, что в структуре данных для идентификации КО на ЭК были записаны рамки окон всех ячеек ЦМК, захватываемых ЭК.

2.Вычисление расстояния от ГМ до каждого точечного КО (главной точки) и линейного КО (осевой линии) в. ячейке U. Найти наименьшее расстояние р и записать идентификатор КО, соответствующего этому расстоянию. Если р = О, то переходим к 6. Из-за того, что ближайший точечный или линейный КО к ГМ может находиться в U-ой соседней ячейке, поэтому проводим 3.

3.Если круг, центром и радиусом которого являются место ГМ и р соответственно, пересекается с другими окнами ячеек, то записать все эти пересекающиеся окна ячеек, вычислить-расстояния от места ГМ до каждого точечного и линейного КО в каждом таком окне ячейки. В процессе вычисления если встречается расстояние меньше р, то корректируем идентификатор КО и р новыми значениями.

В результате I, 2, 3 будет найден ближайщий точечный или линейный КО к месту ГО на всем экране.

4.Если р ^ е (например, для дисплея VGA задаем е=1.0 мм), то переходим к 6, в противном случае к 5.

5.ГМ может находиться внутри площадных КО. Рассмотрев площадные КО на ЭК как произвольные многоугольники (возможно с отверсиями), проверяется принадлежность точки ГМ произвольным многоугольникам, используя метод "прослеживания контура". Если одновременно найдено несколько площадных КО,-, внутри которых находится ГМ, то вычисляется ближайщий к ГМ контур и считается, что пользователь желает получить справочную информацию о КО, ограниченном этим контуром.

6.По идентификатору КО проводится доступ к КБД для получения справочной информации о данном КО.

Сложность алгоритма в основном определяется количеством вычисления расстояний между точкой и отрезками (включая и проверки позиций точки относительно отрезков) и сложностью теста принадлежности точки произвольным многоугольникам.

В третей разделе рассматриваются оценка погрешности представления ЭНК с учетом основных источников их возникновения и анализ точности навигационных измерений на

энк.

Основными факторами, влияющими на точность представления КИ на ЭНК, являются следующие:

1.Погрешности, возникающие при цифровании бумажной карты;

2.Погрешности упрощенного метода вычисления значений функции широты МКП;

3.Погрешности представления вещественных чисел и погрешности, возникающие в процессе вычисления при визуализации ЭК;

4.Линейные размеры пикселея и погрешности округления вещественных чисел при формировании экранных координат.

КИ метрически представляется в виде геометрических примитивов: точек, линий и площадей. Площади определяются их границами, то есть замкнутыми линиями, [фи оценке точности представления КИ предполагается, что линейная КИ (включая границы площадных КО) метрически описывается с помощью линейной интерполяции между опорными точками. При отображении карты две смежные опорные точки соединяется прямой линией (Используется стандартный алгоритм генерации отрезка. Например, алгоритм Брезенхэма). Таким образом, определение точности отображаемой карты сводится к оценке погрешности прдставления опорных точек. Обычно координаты опорной точки (Х.,У.) имеют некоторые погрешности

где Д.= шах(|Ех М^. |>. \ являются

случайными величинами, подчиняющимися закону нормального распределения. Математические ожидания ^ , Еу

М(ЕХ) = М(Еу ) = О, средние квадратичные отклонения =0(ЕУ) =°ц •

V "V

При использовании метода упрощения вычислительных процедур представления МКП предельная погрешность ограничивается: |е| < е, е—заданное маленькое значение (см. выше). Точное значение б на опорной точке зависит от широты Ф этой точки и параметров отображаемой карты, поэтому трудно получить точное значение б в общем случае. Однако, если заданное значение е достаточно мелко 8 « оц, то фактически можно игнорировать погрешность 0 (например, если е=0.01 мм,

0Ц=О.15 мм, то е меньше оц в 15 раз). Конечно, в этом случае придется увеличить число элементов таблицы значений функции широты МКП.

При формировании экранных координат опорных точек КО для округления вещественного числа используется способ "поиск ближайшего целого числа к вещественному числу". При этом погрешности округления по горизонтали и вертикали дэХ, дэУ удовлетворяют неравенствам: |дэХ| ^ 0.5 дН , |дэУ| <0.5 av, то есть максимальная погрешность равна половине линейного размера пикселя. дэХ, дэУ являются случайными величинами, подчиняющимися закону равномерного распределения на сегментах [-0.5ДН.0.5ЛН] и C-0.5AV,0.5AV] 'соответственно. Математические ожидания М(лэХ) = M(AgY) = 0, средние квадратичные отклонения

О (АД) = -Ж , ОМ) =

В КБД географические координаты сохраняются в градусах. Для обеспечения точности представления КИ географические координаты должны иметь достаточную разрядность. По стандарту DX-90 широта <р и долгота к представляются в наборах данных ЦМК в диапазонах -90 Ч ф $90°, -1804 к < 180°. Если Ф и Л записываются в виде а1аг...ak.bib2...bt, то при использовании. 8 байтов по стандарту тккк для представления вещественного числа i ^ 13, то есть число цифр после десятичной точки будет больше 13, что обеспечивает точность представления широты и долготы . Избыточные разряды вещественного числа используются для компенсации погрешностей, возникавдих (распространенных) в процессе вычислений.

При оценке суммарных погрешностей нанесения опорной точки различают предельную и среднеквадратичную погрешности. Предельная погрешность Лд нанесения опорной точки

Ац= i АЭХ)2+ 0 + A3Y)Z $

* Л<|\| +1 АэХ|)2+(|\| +|б| +|AgY| )2 $

$ Л (А + 0.5 АН)2+ (А. + 8 + 0.5 AV)2

Если Д.= 0.15 мм, 6 = 0.1 мм, ЛН = дУ=0.3 мм, то Лд < 0.5 мм.

Принебрегая погрешностью упрощенного метода вычисления значений функции широты МКП 5 (е « оц), получим оценку среднеквадратичной погрешности нанесения опорной точки о(Ав): лв=ГаГх7~^Г' ^в1' ^ — погрешности нанесения опорной точки по горизонтали и вертикали соответственно,

0(ЛвХ) = \о2п + о*( АЭХ) = |о* + -¿-А2Н р о(ДвУ) = +а*<ДэУ> = ]оц + -¿ДгУ , о(Аз) « ]20ц + -1Гл2н+ тг"4*7

При Оц =0.15 мм, АН = АУ = 0.3 ММ, о(АвХ) = о(ДвУ) = 0.1732 мм, о^) < 0.25 мм.

По требованиям 1Н0 ЭКДИО должна обеспечивать пользователям вычисление дистанций мевду любыми двумя точками на ЭНК и пеленгов с одной точки на другую по ортодромии и локсодромии. Если точки являются точечными КО (навигационные ориентиры и т.д.), то их географические координаты вызываются из КБД. При этом нельзя переводить экранные координаты КО в географические по причинам:

- экранные координаты, кроме погрешностей цифрования, содержат погрешности их формирования (округления);

- точечные объекты представляются на ЭК в виде условных знаков, поэтому неизвестны экранные координаты их главных точек.

Географические координаты в КБД содержат погрешности, возникающие при цифровании бумажной карты.

Если две точки (или одна из них), по которым производится измерение дистанции и пеленга, не являются точечными КО, то переводим экранные координаты в географические. В этом случае представим погрешности экранных координат как ЛВХ и АВУ (см. выше).

Предположим, что географические координаты двух точек содержат погрешности:

- Точка I (ф,,^),погрешности Лф4, ЛА^, |Аф1|^ е1, |Д\ | < О,;

- 1У -

- Точка 2 (Ф2Д2),погрешности Дф2, |Лф2К е2, |ДЛ2|$ б2.

Точности навигационных измерений по этим двум точкам оцениваются:

- погрешности измерения дистанции и пеленга по ортодромии |Ед| < 40* + бI ,

^ (1/|з1п + \аг3+ б* ),

й- дистанция между двумя точками по ортодромии.

- погрешности измерения дистанции и пеленга по локсодромии

|ЕД| « ЯГ. «

2 2 2 2 61+ s2+ о, + з2

1 I 2 2 2 2~ — &\ а1+ а2+ б, + б2

1- дистанция между двумя точками по локсодромии.

Принимая Землю за эллипсоид Красовского, погрешности преобразования экранных координат в географические по приближенной обратной функции МКП оцениваются: 1 1

|Еф| $ 1.0001732- l^l ^ |ЕЛ| « -jgj- l^xl

Этот

результат справедлив также для оценки точностей географических координат в КБД, преобразованные из прямоугольных координат при цифровании, которые содержат погрешности.

В четвертой разделе излагается программное обеспечение СОЭК, разработанное в диссертационной работе, и формулируются дополнительные рекомендации по созданию ЭКДИС на основе использования ЦМК в формате DX-90.

Методология формирования и отображения ЭК, рассматриваемая в диссертационной работе, легла в основу создания прикладных программ СОЭК. При создании этих программ большое внимание уделялось их быстродействию и уменьшению объема используемой оперативной памяти. Все программы работают на ЭВМ типа IBM PC/XT и их совместимых. Разработанные модули программных процедур и описания данных представляют собой библиотеку обработки данных ЦМК (формата DX-90 и пользовательского формата) и отображения ЭК. Эта

- ¿и -

библиотека может быть использована для создания новых программ (проверка правильности формирования ЦМК формата БХ-90, просмотр содержимого ЦМК пользовательского формата и др.)- Библиотека имеет возможность дополнения. На рис. 4 показан результат исполнения программы визуализации ЭК.

В дополнительных рекомендациях по созданию ЭКДИС рассмотрены взаимосвязи между функциональными компонентами ЭКДИС, предложены структура и метод создания БДК ЦМК, метод поиска нужных ЦМК для конкретного рейса плавания судна, метод представления результата предварительной прокладки, метод представления системы классификации и кодирования объектов и атрибутов в третьей нормальной форме и т.д. Особенно подчеркнуто, что при создании БДК ЦМК целостность описания корректирующего объекта и максимальная подобность структур БДК ЦМК и БД ЦМК обеспечивают простоту операции корректировки объекта при визуализации ЭК.

В заключении изложены основные результаты, выносимые на защиту, определены их практическая и теоретическая значимости, приводятся перспективные направления дальнейших исследований рассматриваемой в диссертационной работе тематики.

В приложении содержатся список сокращенных слов, используемых в диссертации, список основных КО на ЭНК, обеспечивающих безопасность мореплавания, результаты классификации дополнительных КО, отображаемых на ЭНК по запросу судоводителя, а также иллюстрируются результаты исполнения программного обеспечения СОЭК, разработанной в диссертационной работе: ЭНК северной Атлантики и южной Атлантики, ЭНК района Гамбурга и района Петербурга, процессы изменения масштаба ЭНК.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Предложен состав КБД и их назначения для создания СОЭК.

2.Проанализированы особенности международного стандарта по обмену цифровыми гидрографическими данными 1Н0 ЗР-57. Особое внимание уделено оценке формата данных ЦМК и доказательству необходимости создания пользовательского формата ЦМК для организации БД ЦМК в СОЭК.

3.Разработаны пользовательский формат 1Щ, обеспечивающий быстродействие работы СОЭК и эффективно поддерживающий

Рис. 4. Фрагмент ЭНК района Санкт-Петербурга

селекцию КИ для ее отображения, и метод преобразования ШК из формата БХ-90 в него.

4.Разработан каталог цифровых карт, обеспечивающий поиск нужных ВДК для конкретного района плавания и формирование ячеистого состава ЦМК по разграфке 1Н0 при синтезе ЭК.

5.Рассмотрены информационные потоки в СОЭК и процессы формирования и отображения ЭК.

6.Разработан метод упрощения вычислительных процедур представления МКП, позволяющий повысить скорость формирования ЭК при обеспечении заданной точности.

7.Разработаны алгоритмы отсечения линейных и площадных КО при формировании ЭК и алгоритмы произвольного изменения масштаба ЭК.

8.Разработаны структура данных и алгоритм идентификации КО на ЭК.

9.Определена точность представления ЭНК на дисплее персональной ЭВМ с учетом основных источников погрешностей их возникновения. Оценены предельная и среднеквадратичная погрешности представления опорной точки КО на ЭНК. 10.Определены погрешности навигационных измерений на ЭНК и погрешность преобразования экранных координат в географические.

11.Реализация рассмотренных методик создания КБД СОЭК, формирования и отображения ЭК, идентификации КО на ЭК и отображения точечных картографических знаков осуществлена в 7 программах. В приложения сведены результаты исполнения этих программ.

12.Разработаны дополнительные рекомендации по созданию ЭВДИС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I.Отчет прогрммы по теме "Отображение ЭК на ПЭВМ", Фирма ТОО 1993 Г.

2.Чжан Инь Динь, Организация данных в системе отображения электронных навигационных карт // Материалы научно-течническай конференции секции радиосвязи и радионавигации ленинградского бассейнового правления научно-технического общества водного транспорта. -М.:В/0 "Меретехинформреклама", 1994 г.