Повышение надежности выработки навигационных параметров за счет объединения информации комплекса "АПИ СРНС - САРП - АИС" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.19, кандидат технических наук Тульчинский, Вадим Игоревич

• Тульчинский, Вадим Игоревич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тульчинский, Вадим Игоревич

Перечень принятых сокращений

Введение.

1. Постановка задачи и цель диссертационной работы.

1.1 Сущность проблемы

1.2 Обзор существующих аналогов

1.3 Постановка задачи

1.4 Цель диссертационной работы

2. Теоретическое исследование комплекса "АПИ - САРП - АИС".

2.1 Общая характеристика комплекса "АПИ-САРП-АИС".

2.2 Анализ характеристик и ограничений АПИ.

2.3 Анализ характеристик и ограничений САРП.

2.4 Анализ характеристик и ограничений АИС.

2.5 Информационная модель комплекса.

3. Математическое моделирование выходных параметров комплекса.

3.1 Постановка задачи, методология.

3.2 Математическое моделирование параметров движения судна.

3.3 Математическое моделирование выходных параметров АПИ.

3.4 Математическое моделирование выходных параметров САРП.

3.5 Математическое моделирование выходных параметров АИС.

3.6 Разработка комплексной модели системы "АПИ — САРП -АИС".

4. Экспериментальное исследование комплекса "АПИ-САРП-АИС".

4.1 Методика организации экспериментов и применяемые технические средства.

4.2 Методика определения адекватности математической модели движения судна.

5. Разработка рекомендаций по использованию комплекса "АПИ — САРП — АИС" в судовождении.

5.1 Моделирование алгоритма перехода к альтернативным источникам данных комплекса.

5.2 Компьютерное моделирование.

5.3 Рекомендации по использованию комплекса "АПИ — САРП — АИС" в судовождении.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение надежности выработки навигационных параметров за счет объединения информации комплекса "АПИ СРНС - САРП - АИС"»

Актуальность темы

За последние годы большинство транспортных судов оборудованы современными электронными средствами навигации и предупреждения столкновений - автоматическими приемоиндикаторами спутниковых радионавигационных систем (АПИ СРНС), средствами автоматической радиолокационной прокладки (САРП), автоматическими идентификационными системами (АИС), которые повысили объем выдаваемой судоводителям цифровой и графической информации, степень контроля за местоположением и движением как своего судна, так и других судов в окружающем пространстве. Однако судоводители сразу же столкнулись с проблемой оптимального объединения информации, получаемой от различных электронных систем, с учетом их точностных характеристик и ограничений (особенно - в процессе маневрирования судов). В заключениях по некоторым аварийным случаям прямо указывалось, что одна из причин аварии — избыточное доверие к единственному электронному средству (например, - к АИС).

Вфеальной ситуации требуется обеспечивать квалифицированное объединение и анализ данных, получаемых от целого комплекса навигационных датчиков (САРП, АИС, АПИ РНС), с учетом их ограничений, особенностей и характеристик информационных потоков.

Диссертация посвящена исследованию»характеристики разработке методологии совместного использования в судовождении информации от современных технических средств - АПИ СРНС, конвенционной САРП и АИС - с учетом их возможностей и ограничений, особенностей обработки и объединения навигационной информации. Результаты работы нацелены на повышение уровня безопасности и точности судовождения, на снижение негативного влияния "человеческого фактора".

Методы исследования

Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются теоретические основы РНС/СРНС, САРП, АИС, теория информации, методы математической статистики, идентификации, моделирования и расчетов на ЭВМ с применением современных программ и приложений, основы автоматизации судовождения и совместной обработки навигационной информации.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Исследование характеристик и ограничений АПИ, САРП и АИС.

2. Математическое моделирование выходных динамических характеристик АПИ, САРП и АИС.

3. Разработка комплексной модели системы "АПИ-САРП-АИС".

4. Экспериментальное исследование комплекса "АПИ-САРП-АИС".

5. Разработка рекомендаций по использованию комплекса "АПИ-САРП-АИС" в судовождении.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

Математическая модель комплекса систем АПИ СРНС, САРП, АИС;

Методика совместного использования компонентов комплекса "АПИ СРНС - САРП - АИС";

- Методика оценки и коррекции поправки компаса.

Научная новизна работы:

- Впервые разработана математическая модель комплекса "АПИ СРНС-САРП - АИС", которая позволяет рассчитывать параметры расхождения судов, используя данные от трех различных навигационных систем с учетом характеристик и особенностей выдаваемой ими информации;

- Впервые предложена методика совместного использования комплекса "АЛИ СРНС - САРП - АИС" для получения параметров расхождения судов и оценки точности их определения. Основным моментом явилось обоснование использования гирокомпасного курса судна при маневрировании для решения задачи расхождения путем передачи данных с помощью АИС и разработка алгоритма перехода к таким расчетам, что позволяет повысить достоверность и оперативность вырабатываемой информации;

Разработана оригинальная методика оценки и коррекции поправки компаса, заложенная в основу решения задач при совместном использовании компонентов комплекса "АПИ СРНС - САРП - АИС".

Практическая ценность

Результаты диссертационной работы имеют практическое применение на морских судах при решении задач навигации с применением современных технических средств, при различных навигационных условиях и режимах плавания. Внедрение предложенного алгоритма в системы управления движения судов также может найти свое практическое применение при определении параметров расхождения маневрирующих судов.

Внедрение результатов исследования

Основные положения диссертационной работы внедрены в учебный процесс для подготовки инженеров-судоводителей ФГОУ ВПО МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова по курсу "Управление судном", "Навигация и лоция", "Технические средства судовождения", при курсовом и дипломном проектировании. Программные модули использованы в учебном процессе для наглядной демонстрации работы компонентов комплекса и отработки задач их совместного использования для получения параметров расхождения.

Результаты исследований по определению характеристик и ограничений комплекса "АПИ-САРП-АИС" внедрены в ОАО "НОВОШИП" для практического использования при решении задач навигации и управления судном. Методы совместного использования данных от разных систем нашли применение в методических указаниях по использованию технических средств судовождения в ОАО "НОВОШИП".

Полученный в диссертационной работе алгоритм перехода к альтернативным источникам информации при расчетах параметров расхождения комплекса «АПИ СРНС - САРП — АИС» использован в научно-исследовательских, опытно-конструкторских разработках по созданию перспективных средств автоматической радиолокационной прокладки в ОАО «Горизонт».

Публикации результатов работы.

По теме диссертационной работы опубликовано семь научных статей из них определенных ВАК Минобрнауки РФ в двух печатных изданиях. Результаты исследования отражены четырьмя свидетельствами на программы.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из двух томов. Общий объем первого тома диссертации (131 страница) включает содержание (1 страница), перечень принятых сокращений (1 страница), введение (3 страницы), пять глав (116 страниц), заключение (2 страницы), список литературы из 101 наименования (6 страниц). Объем второго тома диссертации (32 страницы) включает 6 Приложений. Оба тома диссертации включают 23 таблицы и 61 иллюстрацию.

Заключение диссертации по теме «Эксплуатация водного транспорта, судовождение», Тульчинский, Вадим Игоревич

Выводы по главе.

При анализе данных, полученных при экспериментальных исследованиях движения судов разного водоизмещения, результаты разделены на две основных группы. Первая - прямолинейное равномерное движение с постоянной скоростью. Обработка данных показала, что функции распределения данных схожи, что подтверждено статистической оценкой.

Вторая группа - движение судна с отворотом на значительный угол и с падением скорости на повороте. В данном случае использовалось сравнение рядов экспериментальных и моделированных данных, построенных на основе эксперимента. Критерии сравнения, используемые для анализа, показали высокую вероятность сходимости рядов. На этом основании делаем вывод об адекватности созданной математической модели движения судна с заданным углом отворота и падением скорости на отвороте.

Дальнейшее исследование комплекса проводились, используя полученную математическую модель. Коэффициенты модели оставлены соответствующими движению крупнотоннажного судна дедвейтом 100-115 т.тон.

5. Разработка рекомендаций по использованию комплекса "АПИ - САРП — АИС" в судовождении.

Для исследования комплекса используем созданную математическую модель. Рассматривая комплекс с точки зрения безопасности мореплавания, остановимся на таких критериях безопасного расхождения двух судов, как дистанция и время кратчайшего сближения. Созданная модель позволяет воспроизвести движение судов разного характера. При расхождении судов нас интересует точность этих навигационных параметров. В модели предусмотрен расчет этих данных на основе разных источников информации о курсе и скорости нашего судна и судна-цели. Модель позволяет рассчитать отклонение моделированных данных от эталонных, соответствующих движению судна без действия случайных погрешностей, внешних возмущений и инерционных составляющих расчетов (вследствие осреднения и сглаживания). Следует отметить, что инерционные составляющие имеют большую долю в составляющей конечной погрешности. Для исключения инерционной составляющей в модели комплекса был введен алгоритм перехода к альтернативным источникам данных, свободных от инерционных характеристик. Таким источником был выбран курс от гирокомпаса. Ниже рассмотрим зависимость величины отклонения параметров расхождения от эталонных при различных вариантах ввода данных и алгоритмах расчета этих навигационных параметров.

5.1 Моделирование алгоритма перехода к альтернативным источникам данных комплекса.

За основу моделирования примем формулы и методику, представленную в Главе 3.5.3. Альтернативным источником курса судна примем гирокомпасный курс. Его значение для нашего судна получим от гирокомпаса, а для судна-цели по средствам передачи данных от АИС. Пусть KAUToi - курс судна принимаемый к расчетам параметров расхождения по заданному алгоритму. Критерием выбора служит скорость поворота судна ROTt, получаемая так же, как и гирокомпасный курс непосредственно от гирокомпаса и АИС, либо рассчитываемая по изменению имеющегося гирокомпасного курса. Тогда значения параметров расхождения примут вид:

Kpi г

D. sin arc tg Л sin( KAUTOl.) - SOGHi sin (KAUT0J SOGlfi cos(KAUTOl!l)-SOGHi cos(KAUTOJ J

D, cos V f / arctg

Я. pl

SOG,,, sin(KAUTOiii)-SQG„, sin(K

AUTOHI )

SOG,,, cos(КЛ[1ТОч,) - SOGm соs(KAUTOhi ) л Я, У

5.1.1)

5.1.2)

5.1.3)

J(SOG,„ cos(KAUTO,„)-SOGHi cos(KAUTOJ)2 + (SOG„, sin(KAUTOll,) - SOG,,, sin(KAUT0J)2 kauto, = COG,, если ROT < ROT3ad 1 KAUTOl = ГКК„если ROT > ROT3ad J ' где ROT3ad — заданное значение скорости угла поворота, являющееся критерием при выборе способа ввода курса.

Для точного анализа функций необходимо произвести исследование полной формулы по входящим в нее переменным. Полный дифференциал запишется в виде:

-DkpXKAl/TOJ*dKAUTOm +—-Dyp,{KAlrr(hnr кр1 р-тт AUTOhi' AUTOHI r

АШОп A UTOii

5.1.4) где частные дифференциалы определятся как (5.1.5) и (5.5.6): дк

D.JKAma,„) = A COS f SOG sin(KA[/mill) - SOG„, sin(KAurOHI) 4 Л autOh arctg

KSOG4l cos(KA!m)w) - SOG,,, cos(KA[/roJ

-П.

-SOG,,, соs(KAU7VJ

SOG„ sin(KAUmJ-SOG,„ sin(KAU70J

SOGnt cos(KAUmii,)-SOGm соs(KAUroJ cos<jKAUTOv)-SQGHI cos{KAUmJj | (SOG4, sin(Km,) - SOGHI sin(KAUJVh, )f (SOG„, cos(KAUTa<l) - SOGHl cos(KAUTOn ))'

5.1.5)

- * SOGHl sm(KAuro ) dK Dt cos лигаi arctg

Г SOG,,, sin(KA[mhi,)-SOGHI sin(КАигш) N N ySOG„, cos(KAU70ll,)-SOGHi cos(KAl/roJ

-n,

SOG, cos(KAUTOll,)

SOG, sin(KA[/ro,„)-SOGHl sin(KAUIOm)

SOG,,, cos(KAumil)-SOGHl cos(KAuroJ (SQGW cos{КАШОч1)~ SOGm со$(КА!ЛШ)) t | [SOG,,, sin(KAUTOlll) -SOGm sin(KAUT0M ))2 (SOG„, cos(KAumill)-SOGH, cos(KAum,u)f

5.1.6)

Hi \ AUTOhi / * QrM- „'„tV \

-77 S0Gm ™{KAirro,n )

Жф — 1крАК-Аиго„,)* dKAirr0lll+ tKpl ( КA т0щ ) * dKA ШОц) ■>

-А1ГГОн АЦГОц где частные дифференциалы определятся как (5.1.8) и (5.1.9): иг л » ■■•■Г.( SOG^siniK^-SOG^siniK^j) V sin arctg - —П. *

Р SOG„,cos(A („TOJ-SOG,cos(A„™J С/и ( ^ mo,) * uro^j ■■

8K,

5.1.7)

SOGHt sin(A,r/7№,) - SOG„ sin(A

AUTOm)

SOG4l cos(KAUTOlll)-SOGnl cos(A',„,TO„f)

SOG,, cos(A„TOJSOG„ sin( A, 6TO J-SOG^, sin(A,„,70J „

77"-;— -77; г—;-гт ,3ULrKi ьш<-Лл

SOGvl cos(KJUT04l)-SOG, cos(KAlmM) (sOGv cos(A16TOl,,)-.VOG„, cos(A1(/70„,))

1+ cos (Kiun)4i) x/(S0G„ sin( A ) - SOG„, sin( A,OTO„,))' + (sOG4, cas(KMmv) - SOG, cos(KAW„jf D cos 2 arc tg tUTOnl) y SOG4l cos(A.16TO„ ) - SOG„ cos(A

-Я,

J((S0Gv sin(KAumJ-SOG„ sm(KILmj)2 +(SOG4, cos{KAunv)-SOG^ cos(KAmoj)l]j (2 SOG„ sin( A^, )(S0G„ cos(A,(TO„) - SOG, cos(A,LTO„,)) - 2SOGH, cos (KAmoj{SOG, sin (A^,) - SOG„ sin(Ail(;TOj))

5.1.8) за:, si" arc tg

SOG„; sin(A.ILTO4,)-SOG„, sin(A,(mJ

•/ /

VSOG4) cos(A,„TO„)-SOGM. cos(A SOG„cos(/rionw) SOG4l sin(KA!m)J-SOGm sin(A,,fcTOJ

SOG^os(KALTU4l) - SOGB( cosCA^^,.) ^yOG^, cos(KAW„4,)-SOG„,cos( AJ(/TOj)

SOG„sin(A,„0„) sin(ATlt/ro4/> (S0G„ cos(A„,TO,f )-50Gw cos(KAL40j) yj(SOG4, sin(KAhTOl/l) - SOG, sin(KAfmj)2 +(SOG4! cos(Kalt^) - SOG:i: cos(A„,tow))2

-/J cos arc tg

SOG„, sin(A„jTO4,)-SOGm sin(A1L70Bl) SOG„ cos(KAlfr0ql)-SOGul cos(KAVTOul)

-n,

J((S0G„ s\n(K„n04,)-SOGui sm{KAVTtJf +(SGG„ cos(KAura<l)-SOGu, cos{KAumj)*") *{-2SOG4, sm{KAUI0j{sOGt Cos(Klur04l)-SOG„ cos(^OTO„,))-250GI(, sin(*'ylimv)-SOGM sin^.,„«,,)))

5.1.9)

Численные значения зависят от переменных, входящих в состав формулы, которые определяют характер движения судов и их взаимное расположение.

Схематично алгоритм обработки информации комплекса можно представить в следующем виде рис. (5.1). Поясним схему алгоритма. Пусть судно-цель сопровождается по данным АИС и САРП. В случае обнаружения маневра по заданному критерию (5.1.3) происходит проверка данных от гирокомпаса и датчика угла поворота на достоверность. Причиной недостоверности данных может быть:

- рассогласование гирокомпасного курса при передаче от гирокомпаса к

АИС;

- большой угол суммарного сноса;

- отсутствие или прерывание сигнала от датчика угла поворота;

- увеличение дискретности передачи данных АИС до заданного уровня.

Если проверка на достоверность пройдена успешно, то для расчета параметров расхождения маневрирующего судна используется гирокомпасный курс. Следует отметить, что современные суда оснащаются системой передачи данных от магнитного компаса ко всем потребителям гирокомпасного курса (авторулевой, РЛС/САРП, спутниковые станции и т.д.). Это значение компасного курса уже исправлено поправками за девиацию и магнитное склонение, что позволяет использовать курс от магнитного компаса наравне с гирокомпас-ным в случае выхода из строя гирокомпаса.

В случае недостоверности данных расчет параметров расхождения выполняется, как и при равномерном движении, по информации АИС.

Далее происходит сопоставление параметров расхождения и ЭДЦ, полученных САРП и полученных по данным АИС или данным АИС и ГКК. Этот вопрос рассмотрен в Главе 2.5. В случае совпадения всех критериев происходит отображение в графическом и цифровом виде данных только по АИС цели.

Величина суммарного сноса, как для нашего судна, так и для судна-цели, может оказать влияние на проверку достоверности данных. Это связано прежде всего с ракурсом расположения судов к вектору сноса, причем в процессе маневрирования этот ракурс может меняться в значительной мере.

В следующем параграфе проведем исследование точностных характеристик комплекса при использовании предложенного алгоритма. Исследования проведем на созданной модели комплекса.

Рис. 5.1 Алгоритм обработки информации комплекса.

5.2 Компьютерное моделирование.

Рассмотрим два варианта компьютерного моделирования ситуации расхождения:

1. Прямолинейное движение одного судна с маневром другого;

2. Маневрирование обоих судов.

Пусть имеется множество данных, полученных моделированием дистанций и времени кратчайшего сближения. Для нашего судна и судна-цели соответственно каждое г-е значение обозначим как:

DKp True i и 1кр гше i— эталонные значения;

DKp сарп i и tKp сарп ~ значения для САРП;

DKpAMCi и tKp аис i значения для АИС;

DKp auto i и tKp auto i~ значения для комплекса с использованием ввода ГКК как альтернативы.

Тогда ошибки для каждого из случаев примут вид:

АДф САРП i = Аср True i ~ DKp САРП i ADKpAMCi = DKp True i ~ DxpAHCi ; ADKp Л иго i — DKp True i ~ DKp a UTO i >

A tKp САРП i ~ tKp True i ~ tKp САРП i >' (5.2.1)

A?Kp АИС i ^кр True i ~ tкр АИС i у A?Kp A UTO i ~ tKp True i ~ tKp A UTO i ■

В табл. 5.2.1 приведены начальные данные для моделирования.

Заключение

В результате проведенных исследований достигнута основная цель работы — произведен анализ характеристик судового бортового комплекса "АПИ СРНС-САРП-АИС" с точки зрения безопасности мореплавания и разработаны основные методы и рекомендации по совместному использованию данных от систем с разными информационными характеристиками.

Достигнута и практическая цель работы: разработанная реальная компьютерная модель комплекса представляет средство по определению вариантов совместного использования данных от разных систем.

В ходе выполнения работы, в результате теоретических и экспериментальных исследований решены следующие задачи:

1. Произведено теоретическое исследование и анализ характеристик и ограничений составляющих комплекса.

2. Разработаны математические модели компонентов системы.

3. На основе компьютерного моделирования созданы компьютерные модули частей и комплекса в целом.

4. Доказана состоятельность и адекватность разработанной математической модели движения судна и выходных рассчитываемых данных комплекса на основе статистического анализа экспериментальных данных, полученных в реальных условиях на крупнотоннажных судах.

5. На основе компьютерного моделирования совместного использования выходных данных систем с разными характеристиками разработаны рекомендации по использованию комплекса "АПИ - САРП - АИС" в судовождении.

Исследования, проведенные в работе, доказали, что совместное использование выходных параметров комплекса по определенным алгоритмам может значительно повысить точность определения параметров расхождения судов при маневрировании.

Включение этого метода в алгоритмы расчета параметров расхождения в современных СПС позволит без существенных дополнительных затрат уменьшить погрешность таких расчетов. Однако следует отметить, что ограничения, накладываемые АИС, на данном этапе внедрения ее в систему международного судоходства и правовые аспекты этого вопроса составляют слабое звено в вопросах безопасности мореплавания с точки зрения автономности и достоверности передачи данных, используемых при расчетах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тульчинский, Вадим Игоревич, 2009 год

1. Айзинов С.Д. Белавинский А.Ю. Солодовниченко М.Б. Комплексная оценка надежности судовых радиоэлектронных средств. Эксплуатация морского транспорта. Выпуск 44. - СПб.: Наука, 2005. - с. 242.

2. Андреев Л.И., Курысь В.А., Белов С.В. Опыт эксплуатации средств автоматической радиолокационной прокладки "RACAL-DECCA" на т/х «Ильич». М: Судовождение, связь и безопасность мореплавания. «Морте-хинформреклама», 1985, Вып 8(183). с 1-14.

3. Белый О. В., Сазонов А. Е. Информационные системы технических средств. СПб.: Элмор, 2001.

4. Болдырев B.C. Методы математической статистики в гидрографии и кораблевождении. Л.: ВМОЛУА, 1974. - 208 с.

5. Вагущенко Л.Л. Интегрированные системы ходового мостика. — Одесса: Латстар, 2003. 170 с.

6. Вагущенко Л.Л. Судовые навигационно-информационные системы. Оде-са: Феникс, 2004. - 302 с.

7. Вагущенко Л.Л., Вагущенко А.Л. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности Одеса: Феникс, 2005. - 274 с.

8. Ван дер Варден Б.А. Математическая статистика. М.: ИЛ 1960.

9. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. - 576 с.

10. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. Учеб. пособие для втузов. — 2-е изд. стер. М.: Высш. шк., 2000. - 480 с.

11. Виленкин С .Я. Статистическая обработка результатов исследования случайных функций. М.: Энергия, 1979. - 320 с.

12. Виноградова И.А., Олехник С.Н., Садовничий В.А. Задачи и упражнения по математическому анализу. Учебное пособие для университетов, пед. вузов. В 2-х кн. М.: Высшая школа. 2000.

13. Владимиров В.В. Алгоритм кватернионного преобразования и его вычислительные возможности. /Многопроцессорные вычислительные структуры. Вып. 9. Таганрог: ТРТИ, 1987.

14. Владимиров В. В. Расчет текущих параметров движения судна по траек-торным данным СНС: Учебное пособие. Новороссийск: НГМА, 2002.

15. Владимиров В.В. Звягинцев Н. С. Решение задач автопрокладки по данным СНС аппаратом линейной алгебры./Сборник научных трудов НГМА. Выпуск 8. Новороссийск: НГМА, 2003.

16. Владимиров В.В. Звягинцев Н. С. Решение задач автосопровождения по спутниковым обсервациям./Сборник научных трудов НГМА. Выпуск З. Новороссийск: НГМА, 2003.17