Вдосконалення методів проводки судна в обмежених умовах плавання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Одеська національна морська академія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ПРОВОДКИ СУДНА В СТИСЛИХ УМОВАХ ПЛАВАННЯ

Широков Володимир Михайлович

УДК 656.61.052.484

Спеціальність 05.22.16 - Судноводіння

Одеса - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства Освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, професор

Алексейчук Михайло Степанович,

завідувач кафедрою технічних засобів судноводіння Одеської національної морської академії

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Вагущенко Леонід Леонідович,

завідувач кафедри електронних

засобів судноводіння Одеської

національної морської академії.

кандидат технічних наук

Сафін Ігор Вікторович, директор представництва компанії

“Ві-Шипс” в Україні, м. Одеса.

Провідна установа: Національний університет кораблебудування ім.адм. Макарова, Міністерства освіти і науки України, м. Миколаїв.

Захист відбудеться 19 травня 2005р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеської національної морської академії за адресою: м. Одеса, вул. Дідріхсона, 8, корп. 1, зал засідання вченої ради.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеської національної морської академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул.. Дідріхсона, 8, корп. 2

Автореферат розісланий 15 квітня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, д. т. н., професор Голіков В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значна частина експлуатаційного часу річкових суден, суден типу "річка-море" і багатьох морських суден припадає на роботу в стислих умовах, де рух обмежено інтенсивним судноплавством і навігаційними небезпеками. Маневрування в таких районах утруднене, і плавання відбувається по єдино безпечним, нерідко значно обмеженим шляхам. Обмежені води є складними за своїх умов районами плавання, де найбільшою мірою виявляється людський фактор. Так морське судно проводить в обмежених водах в середньому 5-10 % ходового часу, проте на ці райони припадає понад 80 % всіх навігаційних аварій. З одного боку це свідчить про велику складність умов плавання, а з іншого - про недостатню досконалість методів судноводіння і їх велику залежність від особистих і професійних якостей судноводіїв.

Тому будь-яке поліпшення або вдосконалення цих методів є актуальним і перспективним науковим напрямом, оскільки веде до підвищення безпеки мореплавання, а значить і до зменшення вірогідності людських жертв, екологічних катастроф і економічних втрат від аварій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації пов'язана з темою держбюджетної науково-дослідної роботи "Удосконалення методів безпечного судноводіння в складних умовах плавання ", № ДР 0103U006406, в якій автору дисертації належить самостійно виконаний розділ.

Тема дисертаційної роботи також пов'язана з “Тематичним планом науково-дослідницької роботи Одеської національної морської академії”.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є удосконалення методів проводки судна в обмежених водах шляхом розробки кореляційного методу обсервації судна.

У основу дослідження прийнята гіпотеза про те, що при сумісному використані інформації від радіолокаційної станції і електронної карти можливо забезпечити високоточні обсервації судна при плаванні у вузькостях.

Головна задача дослідження полягає в синтезі алгоритму кореляційного методу обсервації судна у вузькості. Головна задача була піддана декомпозиції на ряд допоміжних задач, рішення яких одержане в роботі:

- формалізація кореляційного методу обсервації шляхом поєднання радіолокаційного зображення з електронною картою;

- формування процедури обчислення ефективних координат судна при кореляційному методі обсервації в загальному вигляді;

- пошук способу обчислення ефективних координат при нормальному і змішаних законах розподілу погрішностей;

- розробка алгоритму інтегрального способу уточнення закону розподіли погрішностей навігаційних вимірювань.

Об'єктом дослідження є процес судноводіння в обмежених умовах плавання. Предметом дослідження є способи обсервації судна у вузькості і їх характеристики точності.

Для вирішення поставлених в роботі задач застосовані методи:

- теорії дослідження операцій при декомпозиції головної задачі дослідження на приватні;

- теорії вірогідності при формалізації способу поєднання радіолокаційного і електронного зображень для розробки кореляційного методу обсервацій;

- теорії пошуку ефективних оцінок, зокрема методи максимальної правдоподібності і найменших квадратів;

- теорії математичної статистики для перевірки статистичних гіпотез законів розподілу похибок вимірювань;

- теорії чисельних методів рішення систем нелінійних рівнянь, зокрема метод простих ітерацій і метод Ньютона;

- побудови моделей при розробці імітаційної моделі перевірки коректності запропонованого кореляційного методу обсервацій.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті проведених наукових досліджень підтверджена гіпотеза про те, що при сумісному використовуванні інформації від радіолокаційної станції і електронної карти забезпечуються високоточні обсервації судна при плаванні у вузькостях.

Одержані наступні результати, що містять наукову новизну:

- вперше одержана формалізація кореляційного методу обсервації шляхом поєднання радіолокаційного зображення із зображенням електронної карти;

- вперше розроблений інтегральний спосіб уточнення закону розподілу вірогідності похибок радіолокаційних вимірювань в процесі плавання судна.

- вдосконалена процедура розрахунку ефективних координат судна з урахуванням специфіки кореляційного методу обсервацій;

- вдосконалено спосіб обчислення ефективних координат методом максимальної правдоподібності для нормального і змішаних законів розподілу вірогідності погрішностей вимірювань радіолокацій;

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі результат-ти мають практичну значущість, яка полягає у тому, що запропонований в роботі кореляційний метод обсервації місця судна може бути використаний для навігаційного устаткування в вузькостях, річках, фарватерах та інших обмежених районах плавання.

Практична цінність роботи визначається тим, що практичні результати, одержані в роботі (алгоритми і програмне забезпечення) можуть бути використані і упроваджені при розробці високоточних систем контролю місця судна, при створенні автоматизованих суднових комплексів та при вдосконаленні методів проводки в обмежених водах, виробленню рекомендацій та в навчальному процесі.

Особистий внесок претендента. Всі одержані в роботі розробки і результати одержані претендентом самостійно без співавторів. На розроблений в дисертації кореляційний метод обсервації судна, претендентом одержано два Патенти України №33174 А від 30.12.98 р. і №33364 А від 16.02.99 р.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи, одержані в процесі дослідження, були докладені і схвалені на науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу Одеської Національної Морської Академії в 2003 році, а також представлені на науково-технічній раді факультету морського судноводіння ОНМА.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в трьох статтях у виданнях, пойменованих ВАК України, а також містяться в двох патентах України на винахід.

Структура роботи. Робота складається з введення, 4 глав, додатків немає, повний об'єм роботи 163 с., містить 14 малюнків і 14 таблиць, список літератури 81 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

обсервація радіолокаційний навігаційний

У вступі представлені актуальність теми; зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мета і задачі дослідження; об'єкт, предмет і методи дослідження; наукова новизна і практичне значення отриманих результатів; особистий внесок здобувача; інформація про впровадження, апробацію і публікацію результатів.

В першому розділі на основі аналізу літературних джерел показано, що в обмежених районах плавання для зменшення залежності процесу судноводіння від людського фактора і полегшення роботи судноводіїв в будь-яких умовах плавання намітилась тенденція на застосування радіотехнічних засобів навігації. Виявлено, що сучасні супутникові системи в диференціальному режимі роботи забезпечують необхідну точність обсервації судна в обмежених водах, проте саме в обмежених водах виникають умови, що ведуть до втрати сигналу від супутників, унаслідок чого обсервації стають ненадійними або взагалі неможливими, це веде до зниження надійності і точності контролю місця судна. Показано, що для усунення виявлених недоліків необхідне

поєднання засобів автоматизації судноводіння на основі електронних навігаційних карт і РЛС, яке дозволяє вдосконалити існуючі методи судноводіння в обмежених водах на основі кореляційного методу обсервацій судна, котрий дозволяє автоматично визначати з високою точністю позицію судна, забезпечує миттєвий контроль його параметрів руху, прогнозування розвитку навігаційної ситуації, оперативне планування і контроль маневрів, безпомилковість впізнання спостережуваних навігаційних і радіолокаційних орієнтирів з наданням інформації судноводію в наглядній формі.

У другому розділі розглянуто і, після аналізу існуючих підходів, обґрунтовано і вибрано напрям дисертаційного дослідження по проблемі підвищення точності судноводіння в обмежених водах. Проведено обґрунтування вибору напряму дисертаційного дослідження при створені математичної моделі кореляційного методу обсервації судна. Далі приведена методологія рішення задач дисертації, яка представлена технологічною картою. Технологічна карта дисертації являє собою структуру методологічного забезпечення досліджень по темі дисертації, яка базується на системному підході до досліджуваної теми. Сформульована наукова гіпотеза і головна задача дослідження, при декомпозиції якої одержані чотири складові задачі. У результаті рішення складових задач було отримано чотири наукові результати, коректність яких була підтверджена імітаційним моделюванням. Були визначені практична значущість і цінність роботи, а також сформульоване наукове положення роботи.

На завершення розділу запропонована загальна методика проведення дослідження по темі дисертації, яка визначає його основні етапи і відповідні їм методи наукового дослідження.

У третьому розділі виконана формалізація кореляційного методу зіставлення опорних радіолокаційних орієнтирів з відповідними опорними орієнтирами електронної карти, для чого використовуються координати опорних орієнтирів електронної карти і , а координати відповідних їм опорних орієнтирів і радіолокаційного зображення розраховуються з допомогою зміряних величин пеленгів і дистанцій . Задача аналітичного опису способу зіставлення зводиться до еквівалентної задачі визначення місця судна по декількох одночасно одержаних з допомогою РЛС обсервованих позицій, причому кожна з них визначена по пеленгу і дистанції відповідного опорного орієнтиру. Положення опорних орієнтирів прочитується з електронної карти, а пеленги і дистанції до них отримують із радіолокаційного зображення, при цьому виникає нев'язка між ліченими і одержаними обсервованими позиціями. Розкид обсервованих позицій, викликаний випадковими і систематичними похибками, є початковою інформацією для отримання високоточної обсервованої позиції. Кожна нев'язка є двомірним вектором і рівна векторній сумі вектора істинного значення шуканої нев'язки і векторіальної похибки , тобто =+, а векторіальна похибка є геометричною сумою похибок по дистанції і по пеленгу, до того ж ці похибки взаємно перпендикулярні, оскільки вимірюються пеленг і дистанція одного і того ж орієнтиру. Кожна нев'язка є результатом обсервації по двох лініях положення, які характеризуються перенесеннями і , що визначають напрями випадкових похибок і , які, як показано в дисертації, аналітично виражаються:

= X sin + У cos - , = X sin + У cos - ,

де кути орієнтації перенесень і :

= + /2, при > 0, = - /2, при < 0.

= , при > 0, = + , при < 0,

а шукані вирази для перенесень ліній положення і мають вигляд:

, .

Ці аналітичні вирази для перенесень ліній положення є початковою інформацією для отримання ефективної обсервованої позиції при використовуванні 2n ліній положення, які містять похибки вимірювання пеленгів і дистанцій опорних орієнтирів електронної карти.

Оцінювання приростів координат і до лічених координат з тим, щоб одержана оцінка була ефективною, тобто володіла мінімально можливою дисперсією і була незміщеною, виконується методом максимальної правдоподібності. Для його застосування слід використовувати двовимірну густину розподілу обсервованої позиції одержаної по пеленгу і дистанції з урахуванням того, що число таких позицій рівне n.

Двовимірна густина розподілу i-й обсервованої позиції визначається одновимірною густиною і похибок ліній положення по дистанції і пеленгу i-й опорної позиції електронної карти, причому похибки є незалежними, оскільки лінії положення різнорідні, тобто :

= , або :

= (X sin+ У cos- ) (X sin+ У cos- )

Враховуючи, що лінійні похибки і , як зміщення ліній положення, залежать від похибок вимірювання дистанції і пеленга радіолокаційної станції і =, =, то позначаючи густину розподілу похибок вимірювання дистанції і вимірювання пеленгу і враховуючи, що градієнт дистанції рівний 1, а градієнт пеленга - дистанції D, то одержуємо: = і = . Підставляючи значення і і враховуючи, що функція правдоподібності для отримання ефективної оцінки приросту координат і представляє добуток двомірної густини розподілу вірогідностей всіх n обсервованих позицій одержуємо:

L(X,Y,,,,) = , або

L(X,Y,,,,) = {(X sin+Y cos-)

[( X sin+Y cos-)/]}.

Оскільки для пошуку ефективних оцінок використовують не саму функцію правдоподібності L(X,Y,,,,), а її логарифм і враховують, що густина розподілу відрізняється масштабом змінної, а також з урахуванням елементарних співвідношень одержуємо:

ln L(X,Y,,,,) = ln [(X sin+Y cos-)] +

ln {[( X sin+Y cos-)/]}.

Далі знаходять такі значення X= і Y=, при яких ln L(X,Y,,,,) досягає максимуму і припустивши, що перша похідна функції правдоподібності існує і безперервна, вирішують систему рівнянь правдоподібності, яка має наступний вигляд:

[ln L(X,Y,,,,)] = ln [(X sin+Y cos-)] +

ln {[( X sin+Y cos-)/]} = 0,

[ln L(X,Y,,,,)] = ln [(X sin+Y cos-)] +

ln {[( X sin+Y cos-)/]} = 0.

Рішенням даної системи рівнянь X= і Y= є ефективні значення шуканих приростів координат. Для зручності рішення системи рівнянь правдоподібності після ряду перетворень знаходимо:

sin[()]/()+sin[(/)]/(/)=0,

cos[()]/()+cos[(/)]/(/)=0,

= X sin+ Y cos- , = X sin+ Y cos- .

При рішенні даної системи необхідно спочатку зробити діференцировання по змінних і , а потім одержані рівняння підставити в вирази для і , і одержану після підстановки систему двох рівнянь необхідно вирішувати щодо невідомих X і У. Одержане рішення і буде шуканими ефективними оцінками приростів координат і .

Далі розглядається випадок, коли похибки і або і (ij) можуть мати або загальну складову невідомої систематичної похибки, або формуватися під впливом одних і тих же факторів, тобто можуть виявитися залежними. Розглядається система n залежних випадкових величин , сумісну густину яких g(,,…,…) не можна представити у вигляді добутку приватної густини кожної з випадкових величин. В цьому випадку вимагається вирішити задачу пошуку ефективних оцінок обсервованого місця за допомогою способу якій дозволяє за певних умов представити систему залежних випадкових величин =(,…,…) системою незалежних випадкових величин =(,…,…), що мають таку ж сумісну густину розподілу.

Спочатку розглядається система залежних похибок вимірювання дистанції з приватною густиною розподілу вірогідності (). Сукупність випадкових похибок складає n-мірний випадковий вектор у n-мірному просторі . Необхідно знайти вираз для густини сумісного розподілу вірогідності (,...,...). Матриця других моментів вектора =(,...,...) позначається . З урахуванням цього шукається новий n-мірний випадковий вектор =(,…,…), який пов'язаний з вектором лінійним перетворенням = C , тобто:

= (j = 1,…n)

де C - квадратна матриця з елементами .

Матриця других моментів введеної випадкової , яка позначена M, пов'язана з матрицею співвідношенням M = З, де - транспонірована матриця C.

Далі розробляється спосіб перетворення векторів, заснований на тому, що у якості матриці перетворення C вибирають ортогональну матрицю, яка дозволяє перетворити матрицю других моментів випадкового вектора у діагональну матрицю других моментів М вектора з незалежними компонентами , при цьому розглядається декілька способів формування ортогональної матриці C:

- Перший спосіб складання системи рівнянь для пошуку елементів матриці , заснований на тому, що число невідомих елементів матриці рівне , то необхідно, щоб система рівнянь містила незалежних рівнянь щодо змінних . Ця система рівнянь при рішенні дозволить знайти невідомі значення елементів матриці і саму матрицю C.

- Другий спосіб пошуку матриці C, який заснований на методі обертань: довільна ортогональна матриця C може бути одержана в результаті послідовних обертань в n - мірному просторі, причому її елементи залежать тільки від функцій кутів обертання, тобто є функцією sin і cos n(n - 1)/2 кутів обертання. Визначають матрицю C, знаходячи значення кутів обертання , перетворюючих матрицю М в діагональну. Потім по знайденим кутам розраховують шукані значення елементів матриці . Для цього по числу шуканих кутів обертання пошуку кутів обертання вибирають n(n - 1)/2 рівнянь, що забезпечують діагональність матриці М. Це забезпечується за умови рівності нулю недіагональних елементів матриці М:

= = 0. (ik i,k=1,…n), або

()() = 0. (ik i,k=1,…n)

Рішення такої системи рівнянь дозволяє знайти значення кутів обертання , а, отже, і елементів матриці .

- Третій спосіб пошуку елементів ортогональної матриці C полягає в одночасному формуванні матриць C і М, маючи в своєму розпорядженні матрицю других моментів початкової системи залежних випадкових величин . У цьому способі також використаний метод обертань і виконується n(n-1) /2 послідовних обертань, в результаті кожного з яких визначається проміжна матриця , що виключає один з недіагональних елементів матриці . Так, для виключення першого недіагонального елементу з матриці виконується обертання на кут , який знаходиться із наступного аналітичного виразу:

.

По набутому значенню обчислюється проміжна матриця , елементи якої знаходять по формулі :

= [1+(cos-1)(-)] + sin(-),

де , , , , - символи Кронекера рангу 2, визначувані наступними умовами: = 0, при (ik), = 1, при (i=k).

При цьому одержуємо матрицю , яка замість елементу містить нуль, причому ==. Потім аналогічним чином за допомогою матриці матриця других моментів перетвориться до матриці , в якій виключається наступний недіагональний елемент. Після виключення всіх недіагональних елементів (проведеного n(n-1)/2 раз), формується шукана матриця М, причому М = , ортогональна ж матриця C знаходиться шляхом множення проміжних матриць :

С==…….

Далі виробляється аналіз трьох способів формування ортогональної матриці C для виявлення найдоцільнішого. Показано, що останній спосіб формування ортогональної матриці C найбільш зручний, оскільки при n >2 при використовуванні двох попередніх способів виникають значні обчислювальні труднощі.

У завершальній частині глави розглядається застосування методу максимального правдоподібія при різних законах розподілу похибок вимірювань з урахуванням специфіки кореляційного методу обсервацій, коли враховуються дві групи похибок, що виникають при вимірюванні дистанції і пеленга, розглянуто декілька найпоширеніших законів розподілу: нормального закону розподілу похибок радіолокаційних вимірювань і два змішаних закони. Одержані аналітичні вирази і знайдена обчислювальна процедура по розрахунку ефективних обсервованих координат судна, яка показує що при різних змішаних типах розподілу обчислення ефективних координат судна виробляється загальним способом. У зв'язку з цим запропоновано два способи розрахунку ефективних координат судна для нормально розподілених похибок і похибок, розподіл яких підлеглий змішаним законам.

У четвертому розділі на основі раніше одержаних теоретичних результатів за визначенням ефективних обсервованих координат судна способом зіставлення опорних позицій радіолокації з відповідними опорними позиціями електронної карти приступають до розробки практичних додатків. В результаті проведеної роботи одержані алгоритми визначення ефективних обсервованих координат судна кореляційним методом для випадків, коли похибки навігаційних вимірювань незалежні і підлеглі нормальному або змішаним законам розподілу. Для випадку залежних похибок одержали алгоритми формування ортогональної матриці перетворення вектора залежних похибок у вектор незалежних.

Спочатку розглядається алгоритм отримання обсервованих координат з урахуванням закону розподілу похибок вимірювання дистанції і пеленга для випадку, коли випадкові похибки вимірювання дистанцій до радіолокаційних опорних орієнтирів взаємно незалежні, як і похибки вимірювання пеленгів , похибки і розподілені по нормальному закону з нульовими математичними очікуваннями і дисперсіями відповідно і .

Потім виконується розгляд випадку, коли випадкові похибки вимірювання дистанції і пеленга мають розподіл вірогідності першого і другого типів. Формується система нелінійних рівнянь правдоподібія, яка перетворена для отримання рішення методом простих ітерацій. Запропоновані оптимальні варіанти по вибору початкових значень приростів координат і гранично допустимого значення зачислюваних величин. Розглянуто випадок, коли ітераційний процес може не зійтися, і для такого випадку запропоновано метод Ньютона, для якого розроблено алгоритм обчислення ефективних оцінок і . Таким чином, розглянута процедура пошуку ефективних обсервованих координат судна способом зіставлення радіолокаційних і картографічних опорних позицій для випадку, коли похибки вимірювань відстаней і пеленгів не є взаємозалежними. Розглянуто три закони розподілу вірогідностей, яким можуть підкорятися випадкові похибки.

Надалі розглядається випадок, коли похибки є залежними між собою, як і похибки . Вироблено перетворення системи залежних випадкових величин в систему незалежних випадкових величин тієї ж розмірності способом підбору ортогональної матриці перетворень, яка забезпечує діагональну матрицю других моментів перетворених незалежних випадкових величин. На основі теоретичних висновків, одержаних в третій главі розроблено алгоритм формування ортогональної матриці перетворення третім способом, коли є система n випадкових залежних величин. В цьому випадку визначили максимальний недіагональний елемент початкової матриці других моментів , який позначено = і розраховані елементи проміжної ортогональної матриці , яка дозволяє виключити . Елементи матриці розраховуються по формулі:

= [1+(cos-1)(-)] + sin(-),

причому = 0, при (s p), = 1, при (s = p).

при цьому для розрахунків елементів матриці використовується співвідношення:

tg 2= 2/(-)

Виключення елементу виробляється за допомогою виразу:

==,

причому матриця замість елементу містить нуль.

Потім з одержаної матриці аналогічно виключаємо черговий максимальний недіагональний елемент, для чого формується друга проміжна матриця . Процедура циклічно повторюється до тих пір, поки не будуть виключені всі недіагональні елементи, і буде одержана діагональна матриця М других моментів системи некорельованих випадкових величин. У роботі приведено алгоритм обчислення ортогональної матриці і матриці других моментів М.

Далі розглядається спосіб розрахунку елементів ортогональної матриці

перетворення способом послідовних обертань, який показує, що маючи в своєму розпорядженні ортогональні матриці рангу 2, кожна з яких залежить лише від одного кута (що розраховується по відомих раніше виразам), одержують ортогональну матрицю рангу n, що є функцією синусів і косинусів n(n-1) /2 кутів обертання. Розроблено алгоритм даного способу.

Потім описується процедура отримання ефективних оцінок обсервованих координат судна в загальному випадку. Визначається необхідність обґрунтовування закону розподілу. Висунуті пропозиції по накопиченню і використовуванню результатів раніше виконаних експериментальних спостережень, по яким можуть бути одержані закони розподілу похибок і їх чисельні параметри, а також запропоновано замість апріорних оцінок уточнювати тип закону розподілу і його параметри по вимірюваних дистанціях і пеленгах на опорні позиції. Запропоновано також при з'ясуванні законів розподілу за інших рівних умов віддавати перевагу стійким або безмежноділимим законам розподілу похибок. А потім виявити чи залежні між собою похибки вимірювання дистанцій і визначити наявність взаємозалежності похибок вимірювання пеленга . Якщо похибки в одній або в обох групах залежні між собою, то систему залежних випадкових величин необхідно за допомогою ортогональної матриці перетворити в систему незалежних. На підставі цього запропоновано інтегральний спосіб уточнення типу розподілу похибок навігаційних вимірювань і обчислення його параметрів в процесі використовування кореляційного методу обсервацій. Одержано аналітичні вирази для перевірки гіпотез закону розподілу вірогідностей похибок, включаючи нормальний і змішані закони. Розроблено алгоритм уточнення закону розподілу похибок.

У закінчені розділу приведено опис імітаційної моделі і надаються результати імітаційного моделювання. Комп'ютером імітувався процес руху судна, починаючи з деякої початкової позиції. У районі руху судна знаходилися 10 опорних позицій, по яких виконувалось визначення місця судна. Циклічно, через невеликий інтервал часу виконувалось визначення місця судна по вибраному (від 1 до 10) числу обсервацій, одержаних щодо опорних позицій. Причому значення вимірюваних дистанцій і пеленгів “зашумлялися” погрішностями, які генерувалися комп'ютером по заданому закону розподілу з конкретними параметрами. Початкова інформація оброблялася по запропонованому в роботі алгоритму (з уточненням і без уточнення закону розподілу похибок) і розраховувалися обсервовані координати. Потім обсервовані координати порівнювалися з істинними координатами судна, які постійно обчислював комп'ютер, і розраховувалася точність визначення місця судна, характеризуючи ефективність запропонованого способу.

Для реалізації описаної задачі було сформовано три модулі, які мають послідовний зв'язок. Перший модуль призначений для моделювання істинного руху судна із заданими параметрами руху відносно 10 заданих опорних позицій, генерації похибок вимірювання дистанцій і пеленгів на опорні позиції. Внаслідок чого формувались вимірювані значення дистанцій і пеленгів по всіх 10 опорних позиціях, а також розраховувалося істинне місце судна з урахуванням його параметрів руху. Отже, виходом першого модуля є істині координати судна і зміряні дистанції і пеленга . Другий модуль призначений для обробки початкової інформації і розрахунку ефективних оцінок обсервованих координат. Виходом модуля є ефективні оцінки приросту обсервованих координат і . Призначенням третього модуля є аналіз результатів обсервації, тобто порівняння незв'язності обсервованої позиції щодо істинного місця судна і рахування дисперсії і середнього квадратичного відхилення ефективних оцінок. Похибки вимірювань пеленга і дистанції формувалися незалежно в окремі вибірки, проте по однаковому закону розподілу. Після формування похибок вимірювань для імітаційного моделювання розраховувалися істинні значення дистанції і пеленга кожної з опорних позицій, до яких додавалися величини сформованих похибок і знаходилися значення зміряних пеленга і дистанції . З їх допомогою одержували обсервовану позицію щодо i-й опорної позиції. Виробивши окремі обсервації по вибраній кількості опорних позицій, за допомогою другого модуля знаходили ефективні координати місця судна, використовуючи метод максимальної правдоподібності. Маючи в розпорядженні істинне місце судна, розраховувалася величина нев'язки, яка накопичувалось для визначення її дисперсії і середнього квадратичного відхилення (с.к.в.).

Розглядалося вимірювання пеленгів і дистанцій на двох шкалах, при цьому на першій шкалі приймалися значення с.к.в. дистанції рівне 18,5 м і с.к.в. пеленга - 0,8, а на другій шкалі - с.к.в. дистанції приймалося 10 м, а пеленга - 0,5. Такі значення були вибрані, виходячи із статистичних даних по точності радіолокаційної станції, одержаних на кафедрі ТСС ОНМА з натурних спостережень.

Для імітаційного моделювання використовувалося три варіанти розташування опорних позицій, причому геометричний фактор залишався незмінним, зменшувалася тільки дистанція до опорних позицій при незмінних пеленгах. При моделюванні досліджувалася точність обсервацій в залежності від числа опорних позицій, по яких визначається місце судно. Розглядались варіанти однієї, трьох, п'яти, семи і 10 позицій, які вибирались з наперед заданих 10 опорних позицій, причому вибиралися позиції з якнайкращим геометричним розташуванням. Спочатку моделювання виконувалось для нерухомого судна з постійним геометричним фактором для першої шкали вимірювання з розташуванням опорних позицій на максимальної дистанції (перший варіант). Потім моделювання виконувалось для другого варіанту розташування опорних позицій на середніх дистанціях на першій менш точній шкалі. Моделювання точності запропонованого способу для другої шкали вимірювань (точнішої) вироблялося тільки для третього варіанту розташування опорних позицій, оскільки тільки він доступний для вимірювання на цій шкалі. Оцінка точності визначалася по 500 обсервованим позиціям.

Також оцінювалася точність обсервацій пропонованим способом шляхом моделювання переміщення судна по прямолінійній траєкторії, коли його місце визначалося за другою шкалою вимірювань в третьому варіанті розташування опорних позицій. Оцінка точності визначалася по 100 послідовним обсервованим позиціям. В цьому випадку закон розподілу похибок вимірювань мало позначається на результатах моделювання, тому у цій таблиці можна привести результати тільки для нормального розподілу похибок вимірювань:

Значення с.к.в. при нормальному розподілі похибок

3 вар.	Число опорних позицій
2 шкала	1	3	5	7	10
С.к.в. (м)	18	16	10	8	5

Аналіз одержаних результатів моделювання точності обсервацій способом автоматичного зіставлення опорних позицій радіолокації з опорними позиціями електронної карти, що відповідають одні одним, дозволив зробити висновки.

При розрахунку обсервованих координат методом максимальної правдо-подібності точність визначення місця судна (с.к.в. нев'язки) не залежить від закону розподілу випадкових похибок вимірювань дистанції і пеленга, а тільки від значень їх с.к.в., числа опорних позицій, використаних для обсер-вації, середньої відстані до них і геометричного розташування щодо судна.

Для середнього значення 2,64 милі (4,89 км.) до опорних позицій (перший варіант) і середньо квадратичних відхилень похибок 18 м по дистанції і 0,8 по пеленгу с.к.в. обсервованої позиції складає від 74 м до 24 м залежно від числа використаних опорних позицій від 1 до 10.

У другому варіанті розташування опорних позицій з середньою дистанцією 1,32 милі (2,45 км) точність підвищилась і складала від 37 м до 13 м для числа опорних позицій від 1 до 10 при використовуванні першої шкали вимірювань. Третій варіант розташування опорних позицій (з середньою дистанцією 0,88 милі або 1,63 км) забезпечив с.к.в. від 25 м до 8 м.

Залежно від числа вибраних позицій для обсервації точність визначення місця судна збільшувалася із зростанням числа опорних позицій, і для 10 опорних позицій дисперсія обсервованого місця майже на порядок менше дисперсії при обсервації по одній опорній позиції (с.к.в. в три рази менше). При використовуванні другої шкали вимірювання пеленгів і дистанцій, що можливе тільки в третьому варіанті розташування опорних позицій, точність обсервацій зростає, - дисперсія зменшується в 2,5 рази незалежно від закону розподілу похибок вимірювань.

У реальних умовах плавання по внутрішніх водних шляхах найчастіше реалізуються третій і другий варіант розташування опорних позицій по дальності щодо судна (0,9 1,4 милі). Отже, запропонований спосіб обсервацій місця судна забезпечує точність визначень з середнім квадратичним відхиленням 5 - 8 м при використовуванні в середньому 10 опорних позицій, при цьому максимальна нев'язка щодо істинного місця судна не перевищить 15 - 24 м.

Одержані висновки за наслідками імітаційного моделювання підтверджують високу точність і доцільність застосування пропонованого способу визначення місця судна.

ВИСНОВОК

У дисертації приведене теоретичне узагальнення і нове рішення задачі, яка виражається у вдосконаленні методів проводки судна в стислих умовах плавання. Це рішення задачі полягає у тому, що був розроблений кореляційний метод обсервації місця судна при плаванні в стислих районах, заснований на автоматичному зіставленні радіолокаційного зображення з електронною картою, який відрізняється тим, що дозволяє одержати ефективні координати при різних законах розподілу похибок і уточнювати закон їх розподілу в процесі обсервацій судна. В результаті рішення головної задачі дисертаційного дослідження були одержані рішення чотирьох приватних задач у вигляді чотирьох наукових результатів, що мають наукову новизну. До них відноситься: формалізація кореляційного методу обсервації місця судна при зіставленні радіолокаційного зображення з електронною картою; процедура розрахунку ефективних координат судна в загальному вигляді при кореляційному методі обсервації; спосіб обчислення ефективних координат при нормальному і змішаних законах розподілу похибок; алгоритм інтегрального способу уточнення закону розподілу похибок навігаційних вимірювань.

Практична значущість роботи полягає у тому, що запропонований в роботі кореляційний метод обсервації місця судна може використовуватись для навігаційного устаткування вузькостей, річок, фарватерів і інших стислих районів плавання. Запропонований метод може також використовуватись для контролю місця інших об'єктів. Математичну модель визначення ефективних координат судна кореляційним методом зіставлення радіолокаційного зображення з зображенням електронної карти, одержану в дисертаційній роботі можна рекомендувати для вирішення аналогічних задач безперервного контролю положення будь-яких рухомих об'єктів, не тільки на площині, але і в тривимірному просторі.

Практичне використовування результатів, одержаних в роботі (алгоритмів і програмного забезпечення кореляційного методу обсервації), можливе при розробці високоточних систем контролю місця судна, створюванні автоматизованих суднових комплексів і при навчанні.

З'явилася можливість здійснювати надійний і високоточний контроль положення судна в стислих умовах плавання, де можливі недопустимо високі рівні перешкод для роботи супутникових навігаційних систем.

У реальних умовах плавання по внутрішніх водних шляхах запропонований кореляційний метод обсервацій місця судна, як показує імітаційне моделювання, забезпечує точність визначень з середнім квадратичним відхиленням 5-8 м, якщо використовуються в середньому 10 опорних позицій, при цьому максимальна незв'язність щодо істинного місця судна не перевищить 15 - 24 м.

Одержані висновки за наслідками імітаційного моделювання підтверджують високу точність і доцільність застосування пропонованого способу визначення місця судна.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в наступних статтях:

1. Широков В.М. Определение места судна в стесненных условиях//Судовождение. - 2002. - Вып.5.- С. 119 - 125.

2. Широков В.М. Распределение погрешностей обсервации при использовании методов корреляционной навигации //Судовождение. - 2003. - Вып.6. - С. 154-158.

3. Широков В.М. Результаты имитационного моделирования обсерваций судна в стесненных условиях//Судовождение. - 2004. - № 8. - С. 103 - 107.

4. Способ измерения и контроля местонахождения судов: Пат.№ 33174 А Украина/ Широков В.М.: Заявл. 30.12.98;Опубл.30.07.01;Укринтеи,-3с.

5. Способ измерения и контроля местонахождения судов: Пат. № 33364 А Украина/ Широков В.М.: Заявл. 16.02.99;Опубл.25.06.01;Укринтеи,-5 с.

АННОТАЦИЯ

Широков В.М. Совершенствование методов проводки судна в стесненных условиях плавания. - Рукопись. Специальность 05.22.16. - Судовождение. Одесская национальная морская академия. Одесса. 2005 г.

Диссертационная работа посвящена совершенствованию методов проводки судна в стесненных условиях плавания путем разработки корреляционного метода обсервации судна. Стесненные воды являются сложнейшими по своим условиям районами плавания, и проблема обеспечения безопасности судовождения в этих районах стоит особенно остро. Широко распространенные в настоящее время высокоточные определения места судна с помощью спутниковых РНС в стесненных районах могут оказаться неприменимыми, так как именно в этих районах возможна потеря сигнала от спутников. Это обстоятельство определило необходимость разработки корреляционного метода обсервации судна, основанного на автоматическом совместном использовании информации от радиолокационной станции и электронной карты. Для решения поставленной в работе задачи применены методы: теории исследования операций, теории вероятностей, теории поиска эффективных оценок, в частности методы максимального правдоподобия и наименьших квадратов, математической статистики, теории численных методов решения систем нелинейных уравнений, в частности метод простых итераций и метод Ньютона.

Для проверки корректности и эффективности полученных результатов было проведено имитационное моделирование на компьютере, которое подтвердило высокую точность предлагаемого корреляционного метода обсерваций и эффективность его использования при плавании судов в стесненных водах.

В результате проведенной работы получены научные результаты: - впервые получен метод обсервации судна с целью высокоточных определений в стесненных условиях плавания (5-10 м) путем совмещения радиолокационного изображения с изображением электронной карты; - усовершенствована процедура вычисления эффективных координат судна, позволяющая повысить информативность и быстродействие не менее чем на один порядок за счет особенностей корреляционного метода; - получил дальнейшее развитие способ вычисления эффективных координат методом максимального правдоподобия для нормального и смешанных законов распределения вероятностей погрешностей радиолокационных измерений, позволяющий существенно повысить точность обсерваций из-за избыточных измерений навигационных параметров; - впервые разработан способ уточнение закона распределения вероятностей погрешностей радиолокационных измерений в процессе плавания судна, позволяющий минимизировать дисперсии случайных погрешностей за счет накопления текущих данных об их распределении.

Полученные в работе результаты могут использоваться для навигационного оборудования и совершенствования методов проводки в стесненных районах плавания, алгоритмы и программное обеспечение могут быть использованы и внедрены в разработке высокоточных систем контроля места судна, создании автоматизированных навигационных комплексов, выработке рекомендаций, наставлений и при обучении.

Ключевые слова: стесненные воды, безопасность судовождения, корреляционный метод, обсервация, радиолокационная станция, электронная карта, имитационное моделирование.

АНОТАЦІЯ

Широков В.М. Вдосконалення методів проводки судна в обмежених умовах плавання. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.16 - Судноводіння. Одеська національна морська академія, Одеса, 2005 рік.

Стислі води є складними за своїх умов районами плавання, і проблема забезпечення безпеки судноводіння в цих районах стоїть особливо гостро. Широко поширені в даний час високоточні визначення місця судна за допомогою супутникових РНС в стислих районах можуть опинитися непридатними, оскільки саме в цих районах можлива втрата сигналу від супутників. Ця обставина визначила необхідність розробки кореляційного методу обсервації судна, заснованого на сумісному використовуванні інформації від станції радіолокації і електронної карти.

Для вирішення поставлених в роботі задач застосовані методи: теорії дослідження операцій, теорії вірогідності, теорії пошуку ефективних оцінок, зокрема методи максимальної правдоподібності і якнайменших квадратів, математичної статистики, теорії чисельних методів рішення систем нелінійних рівнянь, зокрема метод простих ітерацій і метод Ньютона.

Для перевірки коректності і ефективності одержаних результатів було проведене імітаційне моделювання на комп'ютері, яке підтвердило високу точність пропонованого кореляційного методу обсервацій і ефективності його використовування при плаванні судів в вузькості.

Ключові слова: обмежені води, безпека судноводіння, кореляційний метод, обсервація, радіолокаційна станція , електронна карта, імітаційне моделюван-ня.

THE SUMMARY

Shyrokov V.M. Perfection of methods of conducting a vessel in strained conditions of navigation. The thesis is the manuscript. The dissertation for a scientific degree of Cand.Tech.Sci. A speciality 05.22.16. - Navigation. Odessa national maritime academy. Odessa. 2005.

Straitened water are the districts of swimming most difficult on the terms, and the problem of providing of safety of navigator in these districts stands especially sharply. Wide-spread presently high-fidelity locations ship by satellites RNS in the straitened districts can appear inapplicable, because exactly the loss of signal from satellites is possible in these districts. This circumstance defined the necessity of development of correlation method of observation of the ship based on sharing of information from the radiolocation station and electronic card.

For the decision the problems set in work methods are applied: theories of operations, theory of chances, theory of search of effective estimations analysis, in particular maximum likelihood and the least squares, mathematical statistics, theory of numeral methods of decision of the systems of nonlinear equalizations methods, in particular method of simple iteration and method of Newton.

For verification of correctness and efficiency of the got results the imitation design on a computer was conducted, which confirmed high exactness of the offered correlation method of observations and efficiency of his use at swimming of courts in narrow waters.

Keywords: straitened water, safety of navigator, correlation method, observation, radiolocation station, electronic card, simulation model.

Размещено на Allbest.ru

...