• No results found

Introduction into the maritime navigation

5. Description of the simulation tool

5.3 Introduction into the maritime navigation

 

Geographic coordinate system – is a coordinate system that enables every location on  the Earth to be specified by a set of numbers or letters. The coordinates are often chosen in  such  a  way  that  one  of  the  numbers  represents  vertical  position,  and  two  or  three  of  the  numbers represent horizontal position. A common choice of coordinates is latitude, longitude  and elevation (Pros-Wellenhof and Bernhard 2007). 

Latitude  –  is  the  angle  between  the  equatorial  plane  and  the  straight  line  that  passes  through that  point  and  is  normal  to  the  surface  of  a  reference  ellipsoid  which  approximates  the shape of the Earth (is defined in range[ 90 , 90 ] ). 

Longitude  –  is  the  angle  east  or  west  from  a  reference  meridian  to  another  meridian  that  passes  through  that  point.  All  meridians  are  halves  of  great  ellipses  (often  improperly  called  great  circles),  which  converge  at  the  north  and  south  poles  (is  defined  in  range [ 180 ,180 ] ). 

 

Figure 29. A graphical representation of a sphere coordinates based system of geographical coordinates

 

Spherical distance (or the great-circle/orthodromic distance) – is  the  shortest  distance  between  two  points  on  the  surface  of  a  sphere,  measured  along  the  surface  of  the  sphere (as opposed to a straight line through the sphere's interior). Spherical distance between 

points ( 1, 1) and ( 2, 2) might be calculated by means of the Haversine formula, which is  represented in (5.3.1). 

 

2 1 2 1

2 2

2 1

,

a = sin ( /2) + cos( )cos( )sin ( /2) c = 2atan2( a ,  (1-a) )

d = R c

         

   

,   (5.3.1) 

where c is the Earth radius equal to 6371 Km. 

Haversine formula is incorporated by means of the VBA function, shown in listing A-4 in the  appendix. 

Bearing – is  the  angle  between  a  line  connecting  us  ( 1, 1)  and  another  object

2 2

( , ), and a north-south line. Bearing is calculated by means of the following formula:  

 

   = atan2( sin().cos(2), cos( )sin(12) - sin( )cos(12)cos() ).   (5.3.2)   

This formula is incorporated into Arena by means of VBA function, shown in listing A-5. 

Calculation of the destination point’s latitude and longitude ( 2, 2) with the initial  coordinates( 1, 1), bearing ( 1, 1) and travelling distance d given is carried out by means  of the corresponding formulas: 

 

  2 = asin( sin( )cos(d/R) + cos( )sin(d/R)cos( ) )11  ,  (5.3.3)    2= 1 + atan2( sin( )sin(d/R)cos( ), cos(d/R)-sin( )sin( 112) ).  (5.3.4)   

These formulas are incorporated by means of VBA functions, represented in listing A-6. 

Intersection of two great circles defined by the arcs is a set of geographical pairs of  coordinates that define the point where two great circles intersect. 

 

  Figure 30. Intersection of two great circles defined by the arcs

A unit vector might be created from the center of the Earth to any point on its surface, say it is  defined by De Cart 3d coordinates, say 

 

  e{ ,ex ey ez, } {cos( ) cos( ), cos( ) sin( ), sin( )}     

.  (5.3.5) 

 

Obviously and  then might be inverted in the following way: 

 

   atan 2( ,ez sqrt ex( 2ey2)),  (5.3.6) 

    atan 2(ey ex, ).  (5.3.7) 

 

The unit perpendicular (written in listing A-8) to the plane of any great  circle is found with  respect to the definition of vector multiplication of a pair of vectors in the following way: 

 

  P(e1,e2) = e1 X e2 ,

||e1 X e2||

 

 

    (5.3.8) 

 

where e1 X e2 

 is a vector cross-product of a pair of vectors: 

   

  e1 X e2 {y z  -y z , z x  -z x , x y  -y x } = {x ,y ,z }  1 2 2 1 1 2 2 1 1 2 1 2 v v v

.   (5.3.9) 

 

VBA vector cross-product of a pair of vectors is shown in listing A-9. This cross-product of a  pair  of  vectors  in  spherical  coordinates  is  done  by  means  of  (5.3.10)-(5.3.12).  Robust  VBA 

function  for  calculation  of  vector  cross  product  of  a  pair  of  vectors,  defined  in  spherical  coordinates is shown in listing A-10 in the appendix of this thesis. 

 

  1 2 1 2 1 2

1 2 1 2 2 1

x -sin( - ) sin(( + )/2) cos(( - )/2) -  - sin( + ) cos(( + )/2)sin(( - )/2)

v       

      ,  (5.3.10) 

  1 2 1 2 1 2

1 2 1 2 1 2

y sin( - ) cos(( + )/2) cos(( - )/2) + + sin( + ) sin(( + )/2) sin(( - )/2) 

v       

      ,  (5.3.11) 

  zv cos( )cos(12)sin( 2- )1 .  (5.3.12) 

 

And ||e1 X e2|| 

 is the length of the vector cross product of the corresponding pair of vectors,  which has the beginning at the zero point of the coordinate system (listing A-11): 

 

  ||e1 X e2||=||{x ,y ,z }||= x +y +zv v v v2 v2 v2

 

.  (5.3.13) 

 

In  order  to  find  the  coordinates  of  intersections  of  great  circles  one  should  find  the  coordinates  of  the  perpendicular  to  the  plane  surface,  defined  by  the  perpendiculars  to  the  corresponding pair of great circles. In other words: 

 

  { 1,1,1,1},{1,2,1,2} {2,1,2,1},{2,2,2,2}  P P e( ( 1,1,e1,2), (P e 2,1,e2,2))

 .  (5.3.14) 

 

Which then are inverted to the spherical coordinates   

 

Figure 31. Algorithm for finding the intersection point illustration  

So, the formal algorithm corresponding to (5.3.14) is simply as follows (listing A-12): 

 

 Find a perpendicular to the first circle’s plane 

 Find a perpendicular to the second circle’s plane 

 Find  both  perpendiculars  to  the  plane  formed  by  the  perpendiculars  to  the  circles’ 

planes 

 Make an inverse transformation of the coordinates of the perpendiculars so as to find  coordinates of points of intersection of circles. 

 

Sailing Speed Reduction takes place during sailing of a vessel as a result of exogenous  factors  such  as  significant  wave  height  and/or  wave  directions  influence.  Gruzinskiy  and  Khokhlov  (1977)  suggested  a  continuous  function  (5.3.15)  for  vessel  speed  loss  estimation  depending on such parameters as deadweight, initial speed, wave angle and finally significant  wave height.  

  vv0h(0.745 0.245 qw)(1 1.35 10  6Dv0),  (5.3.15) 

  0 (0.745 0.2456 )

(1 1.35 10 (0.745 0.245 ))

w w

v h q

v Dh q

 

    ,  (5.3.15*) 

where v – is a reduced speed of a vessel in knots, v  – is a speed of a vessel in calm sea in 0 knots, h – is a significant wave height in meters, q - is a wave angle in radians, isw D- is a  deadweight of a vessel.  

According  to  Gruzinskiy  and  Khokhlov  (1977)  this  formula  is  applicable  for  vessels  with deadweight changing in range from 4 to 20 kilotons and the speed in range from 9 to 20  knots, the standard error of this formula is said not to exceed 0.5 knots. (5.3.15*) is used to  find the initial speed given the reduced one. 

The reduced speed is calculated by means of VBA function in the ARENA, represented  in listing A-16. 

Fuel consumption is  usually  given  for  the  design  speed  of  a  vessel  and  thus  whilst  sailing  it  might  well  slightly  vary  as  a  result  of  changes  of  the  engine  speed  of  vessels. 

Formula (5.3.16) described in Norlund and Gribkovskaia (2013) provides the way to calculate  real fuel consumption of a vessel during sailing. 

 

3

( ) ( )0 v FC v FC v

v

 

  

 

,   (5.3.16) 

where v  – is the design speed of a vessel, 0 v – is the engine seed of a vessel measured in the  same units as the design speed,  FC v  – is the fuel consumption corresponding to the ( )0 design speed of a vessel.