Удосконалення методів визначення глибин на шельфі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська національна морська академія

УДК 656.61.052.484

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ВИЗНАЧЕННЯ ГЛИБИН НА ШЕЛЬФІ

Спеціальність 05.22.13 - Навігація та управління рухом

Голодов Микола Феодосійович

Одеса - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:кандидат технічних наук, доцент Симоненко Сергій Валентинович, Державна установа "Держгідрографія" Міністерства транспорту та зв'язку України, начальник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Вагущенко Леонід Леонідович, Одеська національна морська академія, завідувач кафедри електронних комплексів судноводіння

кандидат технічних наук, доцент П'ятаков Едуард Миколайович, Херсонський інститут післядипломної освіти, «Одеський морський тренажерний центр», Херсонська філія, директор

Захист відбудеться 29 вересня 2010 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Дідріхсона 8, корп. 1, зал засідань вченої ради.

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

Автореферат розісланий 27 серпня 2010 р.

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

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з істотних аспектів проблеми безаварійного судноводіння є забезпечення необхідного рівня точності вимірювання глибин при плаванні судна в стислих умовах.

Останнім часом зросли технологічні можливості сучасної гідрографії, широке використання одержали багатопроменеві ехолоти, гідролокатори бічного огляду, батиметричні ехотрали і гідролокатори.

З другого боку, багато морських портів України користуються для промірів акваторій і на підхідних каналів послугами приватних підприємств, які мають на озброєнні лише однопроменеві ехолоти випуску минулого століття, що по технічним можливостям не дозволяють проводити площинне обстеження акваторій і каналів, як це вимагається нормами безпеки плавання, відсутні критерії якості виконуваних промірних робіт, а точність проміру в найвідповідальніших районах допускається на удвічі нижче прийнятої в міжнародній практиці, в документах не узагальнений досвід експлуатації електронних інформаційних систем гідрографії, які широко використовуються для виконання всіх етапів робіт.

Оскільки заходи, направлені на зниження аварійності судноводіння, є актуальним і перспективним науковим напрямом, то розробка методу вимірювання морських глибин з підвищеною точністю, який враховує залежність похибок вимірювання глибин від позиційних похибок судна і дає змогу уточнити гідрологічні характеристики моря і швидкості звуку, визначає актуальність теми дисертації і обумовлює проведення наукового дослідження з вибраної тематики.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з "Державною програмою удосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки судноплавства на 2002-2006 роки" (Постанова КМ України від 28.01.2002 р., № 296), "Концепцією сталої національної транспортної політики розвитку всіх видів транспорту на 2007-2014 роки", а також з темами НДР робіт "Створення стратегічного навігаційного плану і робочої програми щодо оптимізації навігаційного обладнання морського регіону України", "Розробка концепції і створення "Океанографічного атласу Чорного і Азовського морів" і підготовка баз метаданих для відображення на кліматичних та гідрометеорологічних картах", "Основи безаварійного плавання суден", в яких автором виконано окремі розділи.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в розробці методу підвищення точності вимірювання морських глибин.

Головною задачею дослідження є створення алгоритму вимірювання морських глибин з підвищеною точністю.

У дисертації головна задача представлена трьома складовими задачами:

· розробка способу розрахунку похибок вимірювання глибин залежно від позиційних похибок судна і закону їх розподілу;

· оцінка довірчих інтервалів похибок вимірювання глибин при змішаних законах розподілу похибок вимірювань навігаційних параметрів;

· розробка методу визначення і прогнозу вертикального розподілу гідрологічних параметрів моря і швидкості звуку.

Об'єктом дослідження є процес вимірювання глибин в прибережних районах, а предметом дослідження -похибки вимірювання глибин.

Для вирішення складових задач застосовувалися наступні методи дослідження:

· теорії дослідження операцій - для розділення головної задачі дисертації на складові;

· теорії ймовірності і математичної статистики - для формування математичної моделі залежності похибок вимірювання глибин від позиційних похибок судна і визначення щільності розподілу похибок вимірювання глибин;

· методи інтегрування - для отримання функцій розподілу двох типів змішаних законів, необхідних для оцінок довірчих інтервалів;

· методи визначення і прогнозу температури і солоності морської води - для розробки методу визначення і прогнозу вертикального розподілу гідрологічних параметрів моря і швидкості звуку.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробці методу вимірювання морських глибин з підвищеною точністю, відмінного тим, що враховує залежність похибок вимірювання глибин від позиційних похибок судна і таким чином дає змогу уточнити параметри характеристик моря і швидкості звуку.

При цьому:

· вперше одержано спосіб розрахунку похибок вимірювання глибин і визначення їх законів розподілу залежно від закону розподілу позиційних похибок судна;

· вперше запропонована процедура оцінки довірчих інтервалів похибок вимірювання глибин при змішаних законах розподілу похибок вимірювань навігаційних параметрів;

· одержав подальший розвиток метод оптимальної інтерполяції гідрологічних параметрів моря і швидкості звуку.

Практичне значення одержаних результатів проведеного дисертаційного дослідження полягає у тому, що одержаний в дисертації метод дозволяє сформувати загальний підхід як до проведення досліджень однопроменевим ехолотом, так і з використанням сучасних багатопроменевих систем і гідролокаторів, які проводять площинне дослідження морського дна. Результати дисертаційної роботи також мають значну практичну цінність, яка визначається тим, що одержані в дисертації методи підвищення точності вимірювання глибин можуть бути використані підрозділами гідрографічної служби для зйомки рельєфу дна. Використання цих методів дозволяє виконувати зйомку з найбільш високою точністю, що надає можливість після відповідної обробки відображати на морських картах інформацію про стан глибин з надійною точністю. Це дозволяє визначити навігаційні глибини і прохідне осідання суден, особливо в мілководних районах, на підходах до портів і в судноплавних каналах. Результати дисертаційного дослідження впроваджено в установі "Держгідрографія" для забезпечення докладної і загальної зйомок рельєфу морського дна (акт впровадження від 18.03.2010 №3/4/574), НДІ морського флоту "ЧорноморНДІпроект" для підвищення характеристик точності виявлення стану габаритів судноплавних об'єктів морських шляхів (каналів, фарватерів, рейдів, судноплавних ходів, акваторій портів і гаваней), визначення обсягів запланованих і виконаних днопоглиблювальних робіт, а також виявлення величини і інтенсивності замуленості судноплавних об'єктів морських шляхів (акт впровадження від 19.03.2010 № НИЛ 11-9/368), у філії державної установи "Укрморкартографія" для передачі та обробки інформації про вимірювані глибини з об'єкта зйомки безпосередньо в процес картографічного складання, при цьому значно скоротивши час на виконання пост-обробки даних, розрахунок і введення в вимірювані глибин можливих поправок за рахунок впливу на процес вимірювання систематичних і випадкових похибок (акт впровадження від 18.03.2010 № 1/1/120).

Особистий внесок здобувача. Усі результати досліджень, які приведені у авторефераті і дисертації та виносяться на захист, одержані здобувачем самостійно. Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних конференціях:

· "Гіротехнології, навігація, керування рухом і конструювання авіаційно-космічної техніки" 21 -23 квітня 2003 р., м. Київ;

· "Практичні проблеми розвитку радіозв'язку та радіонавігації в ГМЗЛБ, у системах АІС, СУРС і РІС" 20-21 жовтня 2005 р., м. Одеса,

· "Практичні проблеми розвитку радіозв'язку та радіонавігації в ГМЗЛБ, у системах АІС, СУРС і РІС" 6-7 листопада 2007 р., м. Одеса;

· "Ефективна і безпечна експлуатація морських суден і споруд" 23-25 вересня 2009 р., м. Севастополь,

· "Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння" 7-8 жовтня 2009 р., м. Одеса.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 5-ти самостійно виконаних наукових статтях у виданні, що входить в Перелік дозволених ВАК України для публікування результатів дисертаційних досліджень, а також в збірниках матеріалів 5-ти конференцій.

Здобувач має 6 авторських свідоцтв Державного департаменту інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України на реєстрацію авторського права на твори з питань навігації, гідрографії і океанографії.

Структура роботи. Робота складається з вступу, п'яти розділів, додатків та списку використаних літературних джерел 153 найменувань. Загальний обсяг роботи 173 сторінки, у тому числі: 155 сторінок основного тексту, 4 стор. додатків, містить 20 рисунків і 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації і її зв'язок з науковими програмами, визначені мета та задачі дослідження, показані наукова новизна і практичне значення роботи.

У першому розділі дисертації виконано огляд літературних джерел і виявлено основні напрямки актуальних наукових досліджень, до яких відносяться:

· загальні питання забезпечення безпеки судноплавства в районах плавання континентального шельфу, напрямки її підвищення, удосконалення гідрографічних досліджень;

· удосконалення методів визначення глибин моря в залежності від впливу зовнішніх факторів, умов вимірювання, характеристик технічних засобів, якими виконується зйомка рельєфу дна;

· вимоги керівних міжнародних і національних нормативних документів щодо проведення детальної зйомки рельєфу дна, точності виконання вимірювань глибин і визначення місцеположення судна. Аналіз вказує, що питання визначення ряду систематичних похибок вимірювання морських глибин розглянуто в теоретичних працях і одержано за результатами зйомки рельєфу дна. В загальному плані ці похибки враховуються відповідно до діючих інструкцій. Але порядок врахування випадкових похибок визначено в недостатньої мірі або не визначено взагалі.

Оцінка якості промірних робіт виконується за простою схемою, керуючись виключно вимогами інструкцій без якої-будь оцінки імовірності процесу.

Ці обставини вимагають розробки методів підвищення точності вимірювання морських глибин.

Таким чином, обґрунтовано основні напрямки дисертаційного дослідження, яке присвячено проблемі удосконалення методів проведення гідрографічних досліджень з метою підвищення безпеки судноводіння, що складає тематику даної дисертаційної роботи.

Також виконано детальний аналіз теоретичних і практичних досліджень з проблеми точності виконання детальної і загальної зйомки рельєфу морського дна, забезпечення високоточного контролю місцеположення глибин, які мають декілька основних напрямків (Коломійчук Н.Д., Сорокин А.І., Дадашев А.А та ін.). Встановлено, що одним із актуальних питань даної проблеми є визначення впливу систематичних і випадкових похибок координат судна, яке виконує проміри при довільному законі розподілу похибок навігаційних вимірювань.

Другий розділ роботи присвячено обґрунтуванню вибору теми дисертаційного дослідження та його методологічного забезпечення.

Дослідження статистичних матеріалів щодо похибок вимірювань морських глибин, виконані в останні десятиліття, показали, що випадкові похибки мають закони розподілу, які можуть підпорядкуватися і відрізнятися від закону Гауса. Вплив морського середовища на процес вимірювань глибин спричиняє необхідність розробки алгоритму вимірювання глибин підвищеної точності, який запропоновано для застосування в стислих районах плавання. Сформульована проблема складає тематику даної дисертаційної роботи.

Методологічне забезпечення дисертаційного дослідження, яке обґрунтоване в другому розділі, визначає достовірність отриманих результатів. Для досягнення поставленої мети, у відповідності з теорією дослідження операцій, були сформульовані три складові задачі, відображені в технологічній карті.

Перша складова задача, яка передбачає розробку способу розрахунку похибок вимірювання глибин залежно від позиційних похибок судна і визначення закону їхнього розподілу, потребує створення математичної моделі перетворення випадкових позиційних похибок судна в похибки виміру глибин з урахуванням закону розподілу позиційних похибок.

Рішення другої складової задачі, тобто оцінка довірчих інтервалів похибок виміру глибин при змішаних законах розподілу похибок навігаційних вимірів вимагають детального вивчення і аналізу змішаних розподілів похибок вимірів навігаційних параметрів.

Рішення третьої складової задачі щодо розробки методу визначення і прогнозу вертикального розподілу гідрологічних параметрів моря швидкості звуку потребувало не тільки теоретичних розробок, але і проведення експериментальних робіт.

Для визначення коректності і вірогідності отриманих у роботі результатів був проведений експеримент по прогнозуванню гідрологічних параметрів, розрахунку швидкості звуку у воді запропонованим у роботі методом по фактичному визначенню цих величин.

У третьому розділі здійснена розробка методу визначення залежності точності вимірювання глибин від похибок визначення місцеположення судна і оцінки довірчих інтервалів похибок виміру глибин при змішаних законах розподілу похибок навігаційних вимірів, що являється першою і другою складовими задачами дисертації.

Першим кроком математично обґрунтовано зв'язок похибок вимірювання глибин з позиційними похибками судна. Для обліку впливу рельєфу дна на величину зроблено допущення про те, що в районі можливого перебування судна, що вимірює глибину, спостерігається ухил дна на постійний кут г. Напрямок кута визначає максимальну зміну глибини за нахил дна, причому вимірювана глибина виправлена поправкою за нахил дна (рис.1). Очевидно, величина похибки виміру глибини визначається за допомогою наступного виразу:

,

де кут є кутом між напрямком і напрямком векторіальної похибки.

Положення векторіальної похибки зі її координат x і y показані на рис. 2.

В роботі показано, що у загальному випадку двовимірну щільність можна представити щільністю еквівалентної системи двох ортогональних ліній положення, які збігаються з осями координатної системи OXY. Допускаючи, що похибки ліній положення є незалежними, двовимірна щільність є добутком одномірних щільностей похибок кожної з ліній положення, тобто:

.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Визначення кутів и г

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Положення і координати векторіальної похибки з

навігаційний судно похибка гідрологічний

Якщо врахувати, що характеристики точності позиційних похибок по осям координатної системи OXY, тобто дисперсії і, апріорі відомі з аналізу забезпечення необхідної точності контролю місця судна в заданому районі плавання, то при відомому законі розподілу маргінальних складових щільностей можна знайти параметри закону розподілу векторіальної похибки.

В роботі отримано вираз для щільності похибки виміру глибини :

=.

Звертаємо увагу, що при г=45° складова векторіальної похибки по осі Y-Y дорівнює погрішності виміру глибини , і =.

Якщо маргінальні розподіли й описуються нормальним законом, тобто мають наступний аналітичний вид:

і,

де спільна двовимірна щільність виражається наступним чином:

.

Для розгляду різних законів розподілу векторіальної погрішності визначимо аналітичні вираження для щільності розподілу погрішності виміру глибин .

Якщо врахувати, що щільність розподілу ймовірностей погрішності виміру глибин є унимодальної і симетричної, то можливо записати:

,або

,

де - функція розподілу ймовірностей погрішності виміру глибини.

Так, як , то , а вищевказані вирази приймають наступний вигляд:

, і

,

де -функція, зворотна .

Функція розподілу нормального закону не виражається в явному вигляді, і довірчий інтервал варто оцінювати за допомогою попередньої формули.

При першому змішаному законі щільність розподілу ймовірностей погрішності виміру глибин визначається наступним виразом:

=,

де та .

Знайдемо вираження для функції розподілу, яка позначена :

=.

В дисертаційній роботі після інтегрування одержано такий вираз:

.

Випадок, коли похибки вимірювання глибин підпорядковується другому змішаному закону розподілу, їх щільність виражається:

==

,

де .

Вираз для функції розподілу приймає наступний вигляд:

=,

де .

Остаточно вираз для , як показано в дисертації, має вигляд:

.

Отримані аналітичні вирази функцій розподілу забезпечують складання рівнянь для пошуку довірчих інтервалів погрішностей вимірювання глибин, при цьому вдалося виразити нелінійні рівняння у вигляді, який є зручним для пошуку рішення методом простих ітерацій.

Таким чином, у розділі розроблена математична модель, яка встановлює зв'язок похибок вимірювання глибин з позиційними похибками судна, що дозволяє одержати щільність розподілу погрішності вимірювання глибини залежно від двомірної щільності розподілу похибок визначення місця судна та одержані вирази для розрахунку довірчих інтервалів похибок вимірювання глибин.

В четвертому розділі розглядається вплив істотних факторів на точність вимірювання глибин.

Основними факторами, що впливають на вертикальну складову вимірюваної глибини є:

· швидкість поширення звуку в морській воді;

· значення рівня моря в період вимірювання глибин;

· кут нахилу морського дна.

Практика гідрографічної зйомки показує, що точність визначення виправлень до вимірюваної глибини за швидкість звуку, рівень моря і кут нахилу морського дна в значний мірі впливають на точність виправленої глибини.

Основними параметрами, від яких залежить величина швидкості звуку, є температура і солоність морської води. Для обґрунтування методів визначення гідрологічних параметрів і розрахунку швидкості звуку, запропонованих у роботі, розглянуті фактори, що відповідають акустичним умовам Чорного моря.

Існує ряд актуальних методів прогнозування гідрологічних елементів моря. До них ставляться метод відшукання середньозваженого значення, метод використання схеми ітеративно-кореляційного типу, метод прогнозування вертикального розподілу гідрологічних параметрів з використанням інтегральних моделей діяльного шару моря і інерційний метод прогнозування.

Також розроблені прямі методи прогнозування і розрахунку швидкості звуку в морській воді: розрахунок ефективної швидкості звуку з обліком її вертикального розподілу і використання двовимірного полінома для високоточного розрахунку швидкості звуку. Всі ці методи розглянуто в роботі.

Другим складовим фактором, який впливає на вимірювання глибин є визначення рівня моря і поправок глибин за рівень моря.

У роботі пропонується технологія і структура виконання вимірів рівня моря, що не впроваджена в Україні. Імплементація даної системи багато в чому б спростила і зробила економічними не тільки виконання промірних робіт, але і допомогла б рішенню інших питань, починаючи від призначення оперативного осідання суден на підходах до портів, і закінчуючи прикладними дослідженнями моря.

Проведеними спостереженнями визначено, що найбільш перспективним технічними засобами за спостереженням за рівнем моря тепер є радарні самописці з використанням GPS-технологій. Підвищення точності виміру глибин можливо також за рахунок найбільш точного обліку кута нахилу морського дна при зйомці його рельєфу. Існуючий метод обліку кута нахилу дна при зйомці рельєфу дна в районах підводних гір або западин і використання відповідного виправлення в результатах вимірів не враховує додатковий систематичної похибки, що виникає через заміну істиною поверхні дна дотичною площиною в точці відбиття ехосигналу. Одночасно коефіцієнт співвідношення знаменників горизонтального і вертикального масштабів запису на ехограмі в зазначених районах має графічну помилку. Для підвищення точності результатів вимірів пропонується спосіб визначення виправлення до глибин за кут нахилу дна розглядати як відстань дотичної площини від донної поверхні через кривизну перетину дна по напрямку градієнта глибини. Розглянемо даний спосіб.

Погрішність зйомки рельєфу дна внаслідок відсутності обліку його кута нахилу г приблизно оцінюється формулою:

,

де - обмірювана ехолотом похила відстань до дна.

При значеннях г > 5є величина починає перевищувати 0,4%, а при реальних кутах нахилу порядку 30є величина перевищує 15%. Отже, при промірі в районах з кутами нахилу дна г > 5є, необхідно враховувати цей фактор. Необхідну точність визначення кута нахилу можна оцінити по формулі:

.

Для того, щоб точність визначення виправлення за нахил дна не перевищувала 0,3%, значення для розглянутого діапазону значень г=5-30є повинне бути не більше 2 і 0,25% відповідно.

,

,

де g - градієнт рельєфу дна по напрямку промірного галса;

в - кут між напрямками галса і градієнту глибини.

- різниця глибин, обмірюваних у двох послідовних точках на галсі.

Виправлення до обмірюваних глибин визначаються по формулах:

, ,

де б - кутова півширина конуса випромінювання ехолота.

Перша формула застосовується при г<б, а друга при г>б. При цьому приймаються наступні допущення:

· - реальна поверхня дна заміняється дотичною площиною в точці відбиття ехосигналу, для якої і визначається кут нахилу дна;

· - кут нахилу дна дотичної площини залишиться незмінним на відрізку , на кінцях якого визначаються глибини для обчислення градієнта g . З використанням співвідношень отриманих для типових форм рельєфу дна у вигляді підводних гір і сідловин між ними було виконане моделювання похибки внаслідок заміни поверхні дна дотичною площиною. При цьому підводні гори апроксимувалися поверхнею еліптичного, а сідловини - гіперболічного параболоїдів. Рівняння цих поверхонь мають вигляд:

,,

де - параметри, обумовлені по розмірах обраних об'єктів.

x, y, z- координати крапки відбиття луна сигналу від поверхні;

- глибина відповідно над вершиною підводної гори або сідловиною.

Використовуючи отримані вираження для рівнянь поверхонь морського дна були отримані формули, що дозволяють обчислити їх середні, гаусові і головні кривизни, а також кути нахилу нормалей до поверхні за значеннями координат точок регулярної мережі, що покриває частину досліджуваного підводного об'єкта. Для еліптичного параболоїда вони мають вигляд:

,

.

Для гіперболічного параболоїда:

,

.

Кут нахилу дотичної площини для обох поверхонь обчислюється по формулі:

.

У вищевказаних формулах x,y - координати точок поверхонь.

Для перевірки ефективності розглянутого підходу виконане моделювання зйомки рельєфу дна з введенням поправки за нахил дна запропонованим і традиційним методами.

Істинна глибина, як відстань точки сферичної поверхні від точки зйомки по стрімкій лінії, обчислювалися по формулі:

.

Вимірювана глибина, як відстань точки зйомки до поверхні по нормалі до неї (для випадку б>г) і по утворюючого конуса випромінювання ехолота ( при б<г), обчислювалася відповідно по формулах:

,

.

Таким чином, у цьому розділу показано, що за рахунок більше точного визначення виправлення за швидкість звуку точність вимірювання глибин збільшується на 10 - 20 %, а визначення поправки за рівень моря з використанням технологій оперативної передачі даних дозволяє збільшити точність вимірів на 10-15%. Отримані результати дослідження впливу кута нахилу морського дна дозволяють зробити висновок про можливість підвищення точності зйомки рельєфу дна в районах зі значними кутами нахилу дна. Матеріали розділу опубліковано у роботах [1, 2]. В п'ятому розділі представлено метод оптимальної інтерполяції гідрологічних параметрів моря з наступною екстраполяцією, який був розроблено у рамках дисертаційного дослідження і являється третьою складовою задачею дисертаційної роботи.

Суть методу полягає в оптимальній інтерполяції гідрологічних параметрів моря і розрахунку швидкості звуку для визначення поправок до вимірюваних глибин. Перевірка результатів прогнозування здійснюється безпосереднім розрахунком кліматичних полів по ряду раніше відомих гідрологічних параметрів, отриманих у результаті сезонних систематичних досліджень.

Основні формули оптимальної інтерполяції:

,

де - кліматичне значення температури води у вузлі сітки;

n - число точок, що впливають, навколо вузла сітки,

- ваги точок, що впливають;

- відхилення температури води від кліматичних значень у точках, що впливають.

Ваги точок, що впливають, знаходять із рішення лінійних рівнянь:

,

де - значення нормованої автокореляційної функції між вузлом сітки і точками, що впливають;

- значення автокореляційної функції між точками, що впливають;

- міра помилки спостережень, тобто відношення середнього квадрата помилки спостережених значень до дисперсії елемента.

У даному методі необхідно мати у своєму розпорядженні середнє значення елемента за певний строк, його просторову або тимчасову кореляційну функцію, що описує мінливість елемента, а також один або декілька вимірів з інтервалом в 2-3 години, у моменти, що передують прогнозованому строку. Середнє значення можливо обчислювати шляхом усереднення вимірюваних значень або взяти останнє значення. Беремо значення, отримані шляхом попередньої інтерполяції. Погрішність такого середнього не буде перевищувати величини, обумовленою наступною формулою:

,

де Дф - інтервал між вимірами;

ф= - радіус кореляції;

б - параметр загасання кореляційної функції;

- дисперсія прогнозованого елемента.

Для проведення вертикальної інтерполяції був прийнятий метод, що являє собою комбінацію вагових парабол і лінійної інтерполяції. Він являє собою ітераційну схему послідовних наближень, з використанням вагової функції, запропонованої Барнесом. Обрана схема адаптована до умов Чорного моря. Загальний алгоритм розрахунку полягає в наступному:

1. Визначення початкового наближення, інтерполяція на регулярну сітку значень:



с ваговою функцією

де g - інтерпольоване значення,

f - початкові значення,

l - номер ітерації,

i, j - координати поточного вузла інтерполяції,

M, N - розмірність по x і y,

t - час,

r - відстань, до вузла інтерполяції,

К - радіус впливу,

V - часовий радіус,

m,n - координати вихідних значень, що задовольняють умові r? R.

2. Згладжування просторових шумів проводилося за допомогою 9-точкового нелінійного медіанного фільтра з наступним подвійним застосуванням 5-точкового лінійного фільтра. Сполучення цих двох фільтрів дозволяє фільтрувати шуми з просторовими масштабами сітки, зберігаючи великомасштабні неоднорідності. У медіанному фільтрі згладжується значення, що, являє собою медіану з матриці 3х3 з центром у вузлі сітки. Лінійний фільтр застосовувався два рази підряд для відновлення при другому проході амплітуд великомасштабних неоднорідностей:

S(i,j)=g(i,j)+б/4(g(i-1,j)+g(i,j-1)+g(i,j+1)-4g(i,j),

де S - значення, що згладжується;

g - інтерпольоване значення, б - параметр згладжування, б=0,5 для першого застосування, б= -0,5 для другого застосування.

3. Повторення вищевказаних кроків (1, 2) з різними радіусами впливу R. Вся схема розрахунку виконувалася у дві ітерації з радіусами впливу 64 і 32 милі відповідно. Перше значення радіуса дорівнює потроєній внутрісітковій відстані і відповідає максимальним оцінкам просторового радіуса кореляції, друге значення відповідає мінімальним оцінкам радіуса кореляції.

Схема об'єктивного аналізу повторювалася двічі з радіусами впливу 64 і 32 миль.

Швидкість звуку при цьому розраховується по формулі Fofonoff, N.P. and R.C.Millard.

Для вертикальної інтерполяції на стандартні горизонті застосовується чотирехточкова схема Рейнигера-Росса, що представляє собою комбінацію методу зважених парабол і лінійної інтерполяції:

,

де

Як метод об'єктивного аналізу (горизонтальної інтерполяції) використовувався знову метод послідовних наближень Барнеса c двома ітераціями з ефективними радіусами впливу 64 і 32 милі, відповідно. Експеримент по прогнозуванню гідрологічних параметрів, розрахунку швидкості звуку у воді запропонованим у роботі методом, а також фактичному визначенню цих величин був виконаний у Чорному морі в травні-липні 2007 року в районі острова Зміїний.

Первісне прогнозування температури і солоності здійснювалося з використанням бази океанографічних даних (спостереження, виконані в 1938-2000 роках). Наступна детальна гідрологічна зйомка району підтвердила результати прогнозування.

За результатами досліджень для застосування в стислих районах плавання, рекомендовано наступний алгоритм вимірювання глибин підвищеної точності.

Згаданий алгоритм у загальному випадку містить три складові частині. Дві з них ураховують наявність позиційних погрішностей, що з'являються при контролі місця судна,у випадку відмінного від нуля нахилу дна в місці виміру глибини.

Третя складова алгоритму пов'язана з реалізацією методу оптимальної інтерполяції гідрологічних параметрів моря і розрахунку швидкості звуку.

Перша складова алгоритму дозволяє розрахувати систематичну погрішність вимірюваної глибини при відомому модулі систематичної векторіальної похибки по отриманій формулі:

,

де кут є кутом між напрямком максимальної зміни глибини за нахил дна і напрямком модуля систематичної векторіальної похибки .

У випадку нормального розподілу позиційних похибок місця судна для оцінки довірчого інтервалу використовуємо формулу:

.

Якщо позиційні похибки судна підкоряються першому змішаному закону розподілу, то розрахунок довірчого інтервалу виконується за формулою:

,

де .

При позиційних похибках судна, розподілених по другому змішаному закону, оцінка довірчого інтервалу розраховується за формулою:

,

де .

За допомогою третьої складової алгоритму виконується оптимальна інтерполяція гідрологічних параметрів моря і розрахунок швидкості звуку.

Таким чином, в розділі докладно розглянуто метод оптимальної інтерполяції гідрологічних параметрів моря з наступною екстраполяцією та алгоритм вимірювання глибин підвищеної точності.

Матеріали розділу опубліковано у роботі [3].

ВИСНОВКИ

У дисертаційної роботі одержано теоретичне узагальнення і нове рішення задачі підвищення точності вимірювання глибин на шельфі, котре полягає у тому, що розроблено метод підвищення точності вимірювання морських глибин. Це досягається тим, що метод враховує залежність похибок глибин від позиційних похибок судна і дає змогу уточнити гідрологічні параметри моря і швидкості звуку.

Підвищення точності вимірювання глибин на континентальному шельфі залишається одним з істотних аспектів проблеми забезпечення необхідного рівня безпеки судноводіння, особливо в стислих умовах плавання, сприяючи охороні людського життя на морі та захисту навколишнього середовища від забруднення.

У результаті проведеного дисертаційного дослідження:

· вперше одержано спосіб розрахунку похибок вимірювання глибин в залежності від закону розподілу позиційних похибок судна.

· вперше розроблено процедуру оцінки довірчих інтервалів похибок вимірювання глибин при змішаних законах розподілу;

· одержав подальший розвиток метод оптимальної інтерполяції гідрологічних параметрів моря і швидкості звуку;

· одержані методи підвищення точності вимірювання глибин можуть бути використані підрозділами гідрографічної служби для зйомки рельєфу дна, що надає можливість після відповідної обробки відображати на морських картах інформацію про стан глибин з точністю, яка дозволяє визначити навігаційні глибини і прохідне осідання суден, особливо в мілководних районах, на підходах до портів і в судноплавних каналах;

· результати дисертаційного дослідження впроваджено:

-- в установі "Держгідрографія" для забезпечення докладної і загальної зйомок рельєфу морського дна; -- у науково-дослідному інституті морського флоту "ЧорноморНДІпроект" для підвищення характеристик точності виявлення стану габаритів судноплавних об'єктів морських шляхів (каналів, фарватерів, рейдів, судноплавних ходів, акваторій портів і гаваней), визначення обсягів запланованих і виконаних днопоглиблювальних робіт, а також виявлення величини і інтенсивності замуленості судноплавних об'єктів морських шляхів;

-- у філії державної установи "Укрморкартографія" для передачі та обробки інформації про вимірювані глибини з об'єкта зйомки безпосередньо в процес картографічного складання, при цьому значно скоротивши час на виконання пост-обробки даних, розрахунок і введення в вимірювані глибин можливих поправок за рахунок впливу на процес вимірювання систематичних і випадкових погрішностей;

— у навчальних програмах кафедри гідрографії і геодезії ОНМА.

Здобувач має 6 авторських свідоцтв Державного департаменту інтелектуальної власності Міністерства освіти і науки України на реєстрацію авторського права на твори з питань навігації, гідрографії і океанографії

СПИСОК ОПУБЛIКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Голодов Н.Ф. Влияние качки, рыскания и скорости судна на точность измерения глубин / Н.Ф. Голодов // Cудовождение: Cб. научн трудов / ОНМА. - Вып. 13. - Одесса, 2007. - С. 79 - 87.

2. Голодов Н.Ф. Определение погрешностей измерения глубин за скорость распространения звука в воде в пресных и опресненных водоемах / Н.Ф. Голодов // Cудовождение: Cб. научн трудов / ОНМА. - Вып. 14. - Одесса, 2007. -С. 24 - 30.

3. Голодов Н.Ф. Методы прогнозирования температуры и солености моря для определения скорости звука в воде / Н.Ф. Голодов // Cудовождение: Cб. научн трудов / ОНМА. - Вып. 15. - Одесса, 2008. - С. 44 - 52.

4. Голодов Н.Ф. Влияние позиционных погрешностей на точность измерения глубин/ Н.Ф. Голодов // Cудовождение: Cб. научн трудов / ОНМА. - Вып. 16. - Одесса, 2009. - С. 45 - 49.

5. Голодов Н.Ф. Оценки доверительных интервалов погрешностей измерения глубин при различных законах распределения / Н.Ф. Голодов // Cудовождение: Cб. научн трудов / ОНМА. - Вып. 17. -Одесса, 2010. -С. 43 -47.

6. Голодов Н.Ф. Зависимость погрешностей измерения глубин от точности определения места / Эффективная и безопасная эксплуатация морских судов и сооружений: Матер. научно-практ. конф. АВМС им. П.С. Нахимова 23-25 сентября 2009 г.- Севастополь: АВМС им. П.С. Нахимова, 2009.- С..33-34.

7. Голодов Н.Ф. Закон распределения вероятностей погрешности измерения глубин при нормальном законе распределения позиционных погрешностей судна / Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння: Матер. научно-метод. конф. ОНМА 7-8 жовтня 2009 р.- Одесса: ОНМА, 2009.- С.48-49.

АНОТАЦІЇ

Голодов М.Ф. Удосконалення методів визначення глибинна шельфі. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.13 - Навігація та управління рухом. Одеська національна морська академія, Одеса, 2010 р.

Дисертаційна робота присвячена зниженню навігаційної аварійності суден шляхом розробки методу підвищеної точності вимірювання морських глибин.

В роботі здійснено розробку методу визначення залежності точності вимірювання глибин від похибок визначення місцеположення судна в випадках розподілу позиційних похибок судна за законом Гауса, а також у випадку змішаних законів розподілу ймовірностей позиційних похибок.

Одержані аналітичні вирази для щільності розподілу похибок вимірювання глибин, зроблено аналіз і визначена актуальність прогнозування і визначення гідрологічних параметрів моря для розрахунку поправки за швидкість звуку в воді методами визначення середньозваженого значення, використання схеми ітеративно-кореляційного типу, прогнозування вертикального розподілу гідрологічних параметрів з використанням інтегральних моделей діяльного шару моря і інерційним методом прогнозування.

Запропоновано прямі методи прогнозування швидкості звуку і отримано формули впливу кута нахилу дна для типових форм рельєфу.

Розроблено метод оптимальної інтерполяції гідрологічних параметрів з використанням просторової і часової автокореляційної функції середнього значення прогнозованого елементу. Вертикальна інтерполяція здійснюється комбінацією вагових парабол і лінійної інтерполяції, яка представляє собою ітераційну схему послідовних приближень.

Перевірка коректності отриманих теоретичних результатів була виконана за допомогою фактичного експерименту з прогнозуванням гідрологічних параметрів, розрахунку швидкості звуку в воді з використанням запропонованого у роботі методу в Чорному морі, у районі острову Зміїний.

Ключові слова: безпека судноводіння, точність вимірювання глибин, змішані розподіли похибок, двомірна щільність векторіальної похибки, розподіл Гауса, оптимальна інтерполяція, комбінація вагових парабол, алгоритм вимірювання глибин.

Голодов Н.Ф. Совершенствование методов определения глубин на шельфе. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.13 - Навигация и управление движением. Одесская национальная морская академия, 2010 г.

Диссертационная работа посвящена снижению навигационной аварийности судов путем разработки метода повышенной точности измерения морских глубин.

В работе осуществлена разработка метода определения зависимости точности измерения глубин от погрешностей определения местоположения судна в случаях распределения позиционных погрешностей судна по закону Гаусса, а также в случае смешанных законов распределения вероятностей позиционных погрешностей.

Получены аналитические выражения для плотности распределения погрешностей измерения глубин.

Сделан анализ и определена актуальность прогнозирования и определения гидрологических параметров моря для расчета поправки за скорость звука в воде методами определения средневзвешенного значения, использования схемы итеративно-корреляционного типа, прогнозирования вертикального распределения гидрологических параметров с использованием интегральных моделей деятельного слоя моря и инерционным методом прогнозирования.

Предложены прямые методы прогнозирования скорости звука: расчет эффективной скорости звука с учетом ее вертикального распределения и метод с использованием двумерного полинома для высокоточного расчета скорости звука. Определена характеристика влияния уровня моря и состава донного грунта на конечные значения глубин.

Получены формулы влияния наклона дна для типовых форм рельефа, выполнено моделирование погрешностей вследствие замены поверхности морского дна касательной плоскостью. Это позволило рассчитать средние, гауссовы и главные кривизны, а также угол наклона нормалей к поверхности морского дна со значениями координат точек регулярной сети в районе исследуемого подводного объекта или участка рельефа дна.

Разработан метод оптимальной интерполяции гидрологических параметров с использованием пространственной и временной автокорреляционной функции среднего значения прогнозируемого элемента, что позволяет выполнить экстраполяцию и оценить погрешность прогноза. Вертикальная интерполяция производится комбинацией весовых парабол и линейной интерполяции, которая представляет собой итерационную схему последовательных приближений.

В целом, разработанный в работе алгоритм, позволяющий измерять глубины с повышенной точностью, учитывает систематические погрешности в определении места судна, позволяет произвести оценку доверительных интервалов случайной погрешности измерения глубин для различных законов распределения вероятностей, а также осуществляет оптимальную интерполяцию ранее полученных гидрологических параметров моря, обеспечивая высокоточный прогноз скорости звука на момент времени и в районе измерения глубин.

Проверка корректности полученных теоретических результатов была выполнена с помощью фактического эксперимента по прогнозированию гидрологических параметров, расчету скорости звука в воде предложенным в работе методом в Черном море, в районе острова Змеиный.

Ключевые слова: безопасность судовождения, точность измерения глубин, смешанные распределения погрешности, двумерная плотность векториальной погрешности, распределение Гаусса, оптимальная интерполяция, комбинация весовых парабол, алгоритм измерения глубин.

Golodov M.F. Improvement of methods of measurement depths at the sea shelf. The dissertation is the manuscript. The dissertation is on competition of scientific degree of candidate of engineering sciences. Speciality 05.22.13 - Navigation and traffic control. Odessa national maritime academy, Odessa, 2010.

Dissertation work is focused on reduction of navigational vessel accidents by developing of effective methods for sea depths measurement in case of mixed distributions of navigational parameters measurement errors and factors affecting the process of depth measurement.

The work covers the development of methods for determination of depth measurement accuracy dependence on vessel positioning determination errors in cases of positional errors distribution according to the Gaussian law, as well as in case of mixed laws for probability distribution of positional errors.

Analytic expressions for distribution density of depth measurement errors have been formulated, that allows depth measurement errors of distribution density to be collected depending on two-dimensional distribution density of vessel positioning errors.

An analysis has been performed and actuality of forecasting and determining of hydrological sea parameters have been defined in order to calculate the correction for sound velocity in water by using methods for determination of weighted average value, scheme of iterated-correlation type, vertical distribution forecasting of hydrological parameters together with integral models of active sea layer and inertial forecasting method.

Direct methods for sound velocity forecasting have been suggested: an effective sound velocity calculation with regard to its vertical distribution and a method using two-dimensional polynomial for high precise calculation of sound velocity. The characteristics of influence of sea level and bottom soil structure on finite depth values have been determined. Formulas for generic bottom relief forms in the shape of undersea mounts and saddles were derived and errors modeling due to replacement of sea bottom surface by an osculating plane were performed. This has allowed calculating mean, Gaussian and principal curvatures, as well as normals tilting angle to sea bottom surface with positions values of regular network in the area of investigated underwater object or bottom relief section.

It was developed a method for optimal interpolation of hydrological parameters using spatial and temporary autocorrelation mean-value function of predicted element allowing it to make extrapolation and estimate forecasting error. Vertical interpolation is performed by combination of weight parabolas and linear interpolation that is represented as an iterative scheme of successive approximations with weighting function.

Generally, an algorithm developed in the work allowing improved accuracy in measuring depths, takes into account systematic errors in vessel positioning determination, makes it possible to estimate confidence intervals of particular depth measurement error for various probability distribution laws, as well as carries out an optimal interpolation of previously obtained hydrological sea parameters providing high-accuracy forecast of real-time sound velocity and in the area of depth measurement.

Validation of theoretical results obtained was performed using the actual experiment on hydrological parameters forecasting, calculation of sound velocity in the water together with method offered in this work for the Black Sea in the vicinity of the Zmiinyi Island.

Key words: safety of navigation, accuracy of depth measurement, mixed distributions of errors, two-dimensional density of vectorial error, Gaussian distribution, optimal interpolation, combination of weight parabolas, depth measurement algorithm.

Размещено на Allbest.ru

...