Метод плавания по линиям равных отношений приращений навигационных параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Оловянников, Аркадий Львович

  • Оловянников, Аркадий Львович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2003, Владивосток
  • Специальность ВАК РФ05.22.19
  • Количество страниц 150
Оловянников, Аркадий Львович. Метод плавания по линиям равных отношений приращений навигационных параметров: дис. кандидат технических наук: 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение. Владивосток. 2003. 150 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Оловянников, Аркадий Львович

Введение.

1. Форма и основные элементы линий равных отношений приращений навигационных параметров на плоскости.

1.1. Линии равных отношений приращений двух расстояний.

1.2. Линии равных отношений приращений пеленга и расстояния.

1.3. Линии равных отношений приращений двух пеленгов.

1.4. Линии равных отношений приращений двух разностей расстояний.

1.5. Уравнения и основные элементы ЛРО в параметрической форме.

1.5.1. Линии равных отношений приращений двух расстояний.

1.5.2. Линии равных отношений приращений пеленга и расстояния.

1.5.3. Линии равных отношений приращений двух пеленгов.

1.5.4. Линии равных отношений приращений двух разностей расстояний.

2. Форма и основные элементы линий равных отношений приращений навигационных параметров на сфере и на поверхности Земли.

2.1. Линии равных отношений приращений двух расстояний.

2.2. Линии равных отношений приращений расстояния до ориентира и пеленга с ориентира на судно.

2.3. Линии равных отношений приращений расстояния до ориентира и пеленга с судна на ориентир.

2.4. Линии равных отношений приращений двух пеленгов с ориентиров на судно.

2.5. Линии равных отношений приращений двух пеленгов с судна на ориентиры.

2.6. Линии равных отношений приращений двух разностей расстояний.

2.7. Линии равных отношений приращений навигационных параметров и их основные элементы на поверхности земного сфероида.

3. Практическое использование линий равных отношений приращений навигационных параметров в судовождении.

3.1. Построение линий равных отношений приращений навигационных параметров на карте.

3.2. Использование ЛРО в прибрежном плавании.

3.2.1. Использование гиперболических РНС в прибрежном плавании.

3.3. Использование JIPO при плавании в открытом море.

3.4. Использование JIPO при плавании через океан.

3.5. Влияние погрешностей измерения навигационных параметров на точность плавания по JIPO.

3.6. Управление судном при плавании по

JIPO.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», 05.22.19 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод плавания по линиям равных отношений приращений навигационных параметров»

Основной задачей судовождения является точное и безопасное проведение судна по выбранному маршруту, поэтому задача движения по заданной траектории является, несомненно, актуальной. В настоящее время в связи с непрерывным ростом интенсивности морского судоходства, увеличением скоростей хода и размеров судов (а, как следствие, усугублением последствий от аварий крупнотоннажных судов), повышением требований к эффективности морского судоходства, растут и требования к выбору безопасного и эффективного маршрута и точности удержания судна на этом маршруте.

Традиционно судовождение осуществляется по локсодромии (или отрезкам локсодромий) с использование гироскопического и магнитного компасов [9, 51]. Однако локсодромия, как правило, не является кратчайшей или наивыгоднейшей линией, соединяющей две точки, а используется из соображений удобства управления судном с помощью курсоуказателей [15, 16, 33]. Кроме того, в некоторых случаях (например, при плавании в приполярных районах или при постоянном маневрировании) традиционные кур-соуказатели или неприменимы или дают существенные погрешности [31]. В связи с этим вызывает интерес использование для навигации альтернативных локсодромии кривых. В настоящее время для этих целей используются такие методы, как корреляционно-экстремальная навигация [5, И], пропорциональная [18, 32, 35, 55] и дифференциально-геометрическая навигация [23, 24, 38, 39]. В задачах сближения рассматривается также движение по оптимальным траекториям [28, 38, 39, 62-64, 67].

В настоящей работе предлагается использовать для навигации линии равных отношений приращений навигационных параметров (JIPO). Впервые идея использования JIPO для навигации была предложена В. С. Шеб-шаевичем [4, 65, 66] как альтернативный традиционному способ навигации в заданную точку с использованием навигационных параметров ИФРНС. Суть метода заключается в следующем.

Судну необходимо перейти из точки А в точку В. На протяжении всего маршрута имеется возможность измерить два навигационных параметра РНС (у автора - Лоран-С) Ui и U2. Приращение навигационных параметров между начальной и конечной точками равны АС/", = U\ - U\, AU2 = U\ - С/,2.

Тогда параметр JIPO (отношение этих приращений) имеет вид

0.1)

A Ux К J

Теперь, выдерживая это отношение на всем протяжении перехода, судно пройдет последовательно через маршрутные точки М, навигационные параметры в которых отличаются от параметров начальной точки на величину dUx = U) - U\ и dU2 = U] - U\ соответственно, а отношение этих приращений постоянно dU2 к = —- = const. dUl

В процессе движения судно опишет некоторую кривую (JIPO) через маршрутные точки и в конце перехода неизбежно придет в точку В. И Дальнейшее развитие способ получил в работах В. А. Логиновского

36, 37], в которых автор рассмотрел возможность перехода между двумя точками с использованием JIPO приращений навигационных параметров РНС "Омега" и форму получаемых кривых на участке между этими точками. Как оказалось, некоторые из этих кривых более удобны для навигации, чем традиционная локсодромия.

Для определения возможности более широкого использования JIPO в навигации, распространении метода на различные навигационные парамет-* ры, необходима информация о форме и поведении этих кривых в различных условиях плавания, исследование формы и основных элементов JIPO для различных навигационных параметров, а также реализации плавания по JIPO в современных условиях. В качестве навигационных параметров, на основании современных средств определения места судна [6, 22, 50, 60, 61], в работе были выбраны пеленга, дистанции и разности расстояний. Таким образом, целью работы является разработка метода использования JIPO в навигации и исследование геометрии JIPO в различных условиях плавания для различных навигационных параметров.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие научные задачи:

1) Вывод уравнений JIPO в явной и параметрической форме на плоскости и на сфере для различных навигационных параметров.

2) Выбор метода учета сфероидичности Земли при построении JIPO.

3) Выбор основных элементов для исследования JIPO.

4) Исследование формы и основных элементов JIPO на плоскости, сфере и земном эллипсоиде.

5) Разработка и реализация алгоритма построения JIPO на условном глобусе и на карте в проекции Меркатора.

6) Исследование возможности использования JIPO в различных условиях плавания.

Объектом исследования являются линии равных отношений приращений навигационных параметров, а предметом исследования - их форма и основные элементы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Результаты исследования свойств линий равных отношений приращений навигационных параметров на плоскости и на сфере.

2) Алгоритм построения JIPO на условном глобусе и в проекции Меркатора.

3) Методы использования JIPO в навигации.

Методы исследования: Для решения аналитических задач данной работы использовались методы морской навигации, плоской и сферической тригонометрии, дифференциального и интегрального исчисления, численные методы.

При разработке алгоритма построения JIPO использовались обобщенный метод линий положения и методы теории перехода с эллипсоида на шар.

Исследование возможности использования ЛРО в различных условиях плавания проводилось с помощью имитационного моделирования. Научная новизна:

1. Разработана методика построения кривых ЛРО на плоскости и на сфере для различных навигационных параметров.

2. Разработан и реализован алгоритм построения ЛРО на условном глобусе и на карте в проекции Меркатора.

3. Исследована возможность использования ЛРО в различных условиях плавания.

Достоверность результатов обусловлена совпадением результатов теоретических исследований с данными имитационного моделирования. Практическая ценность: Результаты диссертационной работы могут найти практическое применение при решении различных задач судовождения, связанных с движением по заданной траектории: плавание по наивыгоднейшему пути, плавание с учетом гидрометеорологических факторов, плавание по фарватерам, выход в заданную точку, задача встречи в океане. Кроме того, учитывая, что реализация предлагаемого метода не зависит от географического района плавания, результаты работы могут найти широкое применение при плавании в высоких широтах, где традиционные курсоука-затели не работают или работают с недостаточной точностью. Апробация результатов работы: Основные теоретические положения подтверждены экспериментально при моделировании на ЭВМ линий равных отношений приращений навигационных параметров в различных условиях. Материалы работы были доложены и одобрены на ежегодных НТК ДВВИ-* МУ (ДОГМА, МГУ) им. адм. Г. И. Невельского (1990-2003 гг.), Региональном семинаре по проблемам электронной картографии (МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2001 г.), Международном семинаре по проблемам транспорта на Дальнем Востоке (МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2003 г.) Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 работ [37,4449]. .

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 150 страниц. Основной текст диссертации содержит 31 рисунок и 9 таблиц. Библиографический список включает 67 наименований.

Похожие диссертационные работы по специальности «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», 05.22.19 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Оловянников, Аркадий Львович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований получены следующие новые данные:

1) Получены уравнения ЛРО в явной и параметрической форме на плоскости и на сфере для различных навигационных параметров.

2) Получены формулы для определения основных элементов ЛРО для различных навигационных параметров.

3) Построены и исследованы кривые ЛРО для различных навигационных параметров на плоскости и на сфере.

4) Разработан и реализован алгоритм построения ЛРО на условном глобусе и на карте в проекции Меркатора.

5) Исследована возможность использования ЛРО в различных условиях плавания.

Для решения аналитических задач данной работы использовались методы морской навигации, плоской и сферической тригонометрии, дифференциального и интегрального исчисления, численные методы.

При разработке алгоритма построения ЛРО использовался обобщенный метод линий положения и теория перехода с эллипсоида на шар (методы Андуайе-Каврайского и Ламберта-Морозова)

Реализация алгоритма построения ЛРО выполнена в виде программы для ЭВМ. Исследование возможности использования ЛРО в различных условиях плавания проводилось с помощью этой программы.

Исследования показали практическую возможность использования ЛРО в навигации. Полученные кривые для основных навигационных параметров являются гладкими и непрерывными и некоторые из этих кривых более удобны для навигации, чем традиционная локсодромия.

Результаты диссертационной работы могут найти практическое применение при решении различных задач судовождения, связанных с движением по заданной траектории:

1) Плавание по наивыгоднейшему пути.

2) Плавание с учетом гидрометеорологических факторов,

3) Плавание по фарватерам.

4) Обеспечение безопасности плавания в узкостях и портовых водах,

5) Выход в заданную точку.

6) Задача встречи в океане.

Кроме того, учитывая, что реализация предлагаемого метода не зависит от географического района плавания, результаты работы могут найти широкое применение при плавании в высоких широтах, где традиционные курсоуказатели не работают или работают с недостаточной точностью.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Оловянников, Аркадий Львович, 2003 год

1. Адамченко В. Н. Обработка радионавигационных измерений. М.: Транспорт, 1983. - 56 с. (Б-чка судоводителя).

2. Адамченко В. Н., Ивашкевич В. Ф. Определение статистических характеристик измерений по импульсно-фазовой радионавигационной системе. Сб. Теоретические основы автоматизации процессов управления. М.: Рекламбюро ММФ, 1975, С. 74-88.

3. Аксютин Л. Р., Бондарь В. М., Ермолаев Г. Г. Справочник капитана дальнего плавания. М., Транспорт, 1988. — 248 с.

4. Астафьев Г. П., Шебшаевич В. С, Юрков Ю. А. Радиотехнические средства навигации летательных аппаратов. М.: Сов. радио, 1962. - 806 с.

5. Баклицкий В. К., Юрьев А. И. Корреляционно-экстремальные методы навигации М.: Радио и связь, 1982. - 256 с.

6. Баранов Ю. К. Использование радиотехнических средств в морской навигации. 3-е изд. -М.: Транспорт, 1989. 208 с.

7. Баранов Ю. К. Определение места судна с помощью навигационных спутников: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1984. -112 с.

8. Баранов Ю. К. Современные методы радионавигации. М.: ЦРИА Морфлот, 1981.-53 с.

9. Баранов Ю. К., Гаврюк М. И., Логиновский В. А., Песков Ю. А. Навигация. 3-е изд. СПб., Лань, 1997. - 512 с.

10. Белавин О. В. Основы радионавигации. 2-е изд. М.: Сов. Радио, 1977.-320 с.

11. Белоглазов Ю. И., Тарасенко В. П. Корреляционно экстремальные системы. -М.: Сов. Радио, 1974. 392 с.

12. Бронштейн И. H., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. 13-е изд., исправленное. - M.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

13. Бугаевский JI. М. Математическая картография. Справ, пособие -М., Златоуст, 1998. 234 с.

14. Быков В. И., Никитенко Ю. И. Фазовая радионавигационная система "Декка-навигатор". -М.: Транспорт, 1969. 176 с.

15. Вагущенко JI. JI. Обработка навигационных данных на ЭВМ. М.: Транспорт, 1985. - 144 с.

16. Вагущенко JI. Л., Стафеев А. М. Судовые автоматизированные системы навигации. М.: Транспорт, 1989. - 157 с.

17. Вульфович Б. А. Методы расчета основных элементов навигационных изолиний. — М.: «Пищевая промышленность», 1974. — 212 с.

18. Galdos, J. I., Upadhyay, T. N., "A GPS Relative Navigation Filter for Automatic Rendezvous and Capture." Mayflower Communication Final Report, Contract No. NAS 8-37852, March 9, 1993

19. Герасименко M. Д., Карабцова 3. M. Основы геодезии и картографии: Уч. пособие. — Владивосток: Изд-во Дальневост. ун-та, 2002. -80 с.

20. ГОСТ 23634 — 83. Морская навигация и морская гидрография. Термины и определения. М.: Госстандарт, 1984. - 12 с.

21. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. — М.:Наука, 1971. 1100 с.

22. Гаврюк М. И. Улькин Ю. М. Навигационное использование гиперболических импульсных и фазовых систем: Учеб. пособие. 2-е изд. М. В/О «Мортехинформреклама», 1986. - 64 с.

23. Громов Г. Н. Дифференциально-геометрический метод навигации. -М.: Радио и связь, 1986. 384 с.

24. Громов Г. H. Полет по заданной линии пути при использовании информации о скорости изменения дальности относительно наземных радиомаяков. Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ, 1980, вып. 10.

25. Груздев H. М. Навигационная безопасность плавания. ГУНиО МО РФ, СПб., 2002 г. - 221 с.

26. Груздев H. М. Оценка точности морского судовождения. М.: Транспорт, 1989. - 192 с.

27. Груздев H. М., Гладков Г. Е. Математическая обработка и анализ навигационной информации. М.: Военное издательство, 1992. -155 с.

28. Ермилов Ю. А., Иванова Е. Е., Пантюшин С. В. Управление сближением космических аппаратов/Под ред. Е. П. Попова. М.: Наука, 1977.

29. Ильин В. А., Позняк Э. Г. Аналитическая геометрия // Курс высшей математики и математической физики. Вып. 3. М. Физмат-лит, 2003.-240 с.

30. Инженерная геодезия. Учеб. для вузов/ Е. Б. Колюшин, М. И. Киселев, Д. Ш. Михелев, В. Д. Фельдман; Под ред. Д. Ш. Михелева. -2-е изд. испр. — М.: Высш. шк., 2001. 464 е.: ил.

31. Ишлинский А. Ю. Ориентацтя, гироскопы и инерциальная навигация.-М.: Наука, 1976.

32. Канн В. JL, Кельзон А. С. Теория пропорциональной навигации. -М.-Л: Судостроение, 1965.

33. Кондрашихин В. Т. Определение места судна, 2-е изд. М.: Транспорт, 1989.-230 с.

34. Копченова Н.В., Марон И.А. Вычислительная математика в примерах и задачах. М.: Наука, 1972. - 368 с.

35. D. Langer, J. K. Rosenblatt, and M. Hebert, "A Behavior-Based System for Off-Road Navigation," IEEE Trans. Robotics and Automation, Vol. 10, No. 6, Dec. 1994, pp. 776-782

36. Логиновский В. А. Плавание по линиям равных отношений// Судовождение на морском флоте. М.: ЦРИА «Морфлот», 1982. С. 9 -13.

37. Логиновский В. А., Оловянников А.Л. Теоретические аспекты использования линий равных отношений в навигации // Навигация и управление судном. -М.: В/О «Мортехинформреклама», 1989. С. 20-26.

38. М. Mehrandezh, М. N. Sela, R. G. Fenton, В. Benhabib, "Proportional Navigation Guidance for Robotic Interception of Moving Objects," J. of Robotic Systems, Vol. 17, No. 6, pp. 321-340, June 2000.

39. Murtaugh S. A., Criel H. E. "Fundamentals of Proportional Navigation." IEEE Spectrum, 1966, December.

40. Молоденский M. С., Еремеев В. Ф., Юркина М. И. Методы изучения внешнего гравитационного поля Земли. М., Геодезиздат, 1960 г.

41. Мориц Г. "Современная физическая геодезия". : Пер. с англ./ Мо-риц Г.; Ред. Нейман Ю.М. М.: Недра, 1983. - 392 с.

42. Оборудование судов навигационное. Термины и определения. ГОСТ 21063-81. М: Изд-во стандартов, 1982.

43. Океанские пути мира (адм. № 9015) ГУНиО МО РФ, СПб., 1980 г.

44. Оловянников А. Л. Исследование формы и поведения линий равных отношений приращений навигационных параметров на плоскости// Методы и средства современной навигации. Сб. мат-лов регион, науч.-техн. семинара. — Владивосток, 2002. С. 45-49.

45. Оловянников А. Л. Определение формы и основных элементов линий равных отношений приращений навигационных параметров на сфере// Методы и средства современной навигации. Сб. мат-лов регион, науч.-техн. семинара. Владивосток, 2002. С. 50-51.

46. Оловянников А. Л. Построение линий равных отношений приращений навигационных параметров на карте// Проблемы транспорта Дальнего Востока. Материалы пятой междунар. науч.-практ. конф- Владивосток: ДВО Российской Академии Транспорта, 2003. С. 97-103.

47. Песков Ю. А. Использование РЛС в судовождении. М.: Транспорт, 1986. - 144 с.

48. Практическое кораблевождение / под ред. А. П. Михайловского. № 9035.1 Кн.1. Л.: ГУНиО, МО 1988. - 896 с.

49. Пулькин С. П. Вычислительная математика. М.: Просвещение, 1972.-242 с.

50. Радионавигационные системы (адм. № ЗОЮ). ГУНиО МО РФ, СПб., 1997 г.-176 с.

51. СавеловА.А. Плоские кривые. М.: Физматгиз, 1960.-263 с.

52. С. Samson, "Control of Chained Systems Application to Path Following and Time-Varying Point-Stabilization of Mobile Robots", IEEE Trans, on Aut. Control, vol. 40, no. 1, pp. 64-77, Jan. 1997.

53. Скворцов M. И. Систематические погрешности в судовождении. -М.: Транспорт, 1980. 168 с.

54. Смирнов Е. JL, Яловенко А. В., Якушенков А. А. Технические средства судовождения: Теория: Учебник для вузов / Под ред. Е. JI. Смирнова. М.: Транспорт, 1988. - 376 с.

55. Смирнов Н. В., Белугин Д. А. Теория вероятностей и математическая статистика в приложении к геодезии. М.: Наука, 1969 г. — 382 с.

56. Сперанский А. Д. Исследование точности определения места судна при совместном использовании средств счисления и РНС «Лоран — С»// Судовождение. 1978. Вып. 23. С. 47 54.

57. Теоретические основы радиолокации.: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. ШирманаЯ. Д. М.: Советское радио, 1970. - 560 с.

58. Ткаченко А. Н. Судовые системы автоматического управления и регулирования. Л .: Судостроение, 1985 - 288 с.

59. G. Walsh, D. Tilbury, S. Sastry, J. P. Laumond, "Stabilization of trajectories for systems with nonholonomic constraints". — IEEE Transactions on Automatic Control, 39(1): pp. 216 222, Jan. 1994.

60. M. Fliess, J. L'evine, P. Martin and P. Rouchon, "Design of trajectory stabilizing feedback for driftless flat systems". — In Proceedings Int. Conf. ECC'95, pp. 1882-1887, Rome, Italy, Sep. 1995

61. D. Hujic, E. A. Croft, G. Zak, R. G. Fenton, J.K. Mills, B. Benhabib, "Time-Optimal Interception of Moving Objects An Active Prediction, Planning and Execution System," - IEEE/ASME Trans, on Mechatron-ics, Vol. 3,No.3, pp. 225-239, September 1998.

62. Шебшаевич В. С. Введение в теорию космической навигации. -М.: Сов. Радио, 1971. 511 с.

63. Шебшаевич В. С., Дмитриев П. П., Иванцевич Н. В. и др. "Сетевые спутниковые радионавигационные системы"; Под ред. В. С. Шеб-шаевича.- 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1993. - 408 е.: ил.

64. Эльясберг П. Е. Определение движения по результатам измерений. М., Наука, 1976-201 с.1. АКТ О ВНЕДРЕНИИг. Владивосток «10» октября 2003 г.

65. Наименование организации ФГОУ "Морской государственный университет имени адмирала Г. И. Невельского"

66. Научный руководительк.т.н., доцент Лобастов В.М.

67. Ответственный исполнитель Оловянников А.Л.

68. Дата внедрения 10 октября 2003г.

69. Участвовали во внедрении от производства (должность, фамилия, имя, отчество)директор института "Морская академия" Гаманов Владимир Федорович, начальник Судоводительского факультета Лобастов Владимир Михайлович

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.