Информационно-измерительная система для определения параметров движения объектов с применением алгоритмических способов повышения их точности

Одной из наиболее важных систем управления движением водных, наземных и воздушных объектов является информационно-измерительная система параметров движения. Навигационная система является ее частью, и предназначена для определения параметров местонахождения в каждый момент времени. Современные навигационные системы можно классифицировать на автономные системы навигации, осуществляющие судовождение автономными средствами, установленными на объекте, и неавтономные, которые осуществляют свои функции при помощи внешних средств наземного или космического базирования [14,33,34,35,37,47,48]. К автономным средствам можно отнести:

— инерциальные средства навигации или инерциальные навигационные системы (ИНС);

— системы счисления координат на базе систем измерения курса, систем измерения путевой скорости относительно земли (дна), систем измерения скорости судна относительно водной среды и астрономических систем, позволяющих определить местоположение судна и его курс относительно истинного меридиана в условиях видимости звезд.

Для осуществления непрерывного определения координат местонахождения судна по астрономической системе необходимо комплексирование ее с измерителем путевой скорости относительно морского дна [12,13]. Перечисленные средства автономной навигации имеют недостаточную точность (не точнее 1 морской мили за час пути). С целью повышения точности прибегают к внешним средствам коррекции координат [16,34]. К таким средствам можно отнести:

1) глобальные системы определения координат подвижных объектов. Наиболее распространенными из которых являются:

•спутниковая навигационная система GPS, ГЛОНАСС;

•радиотехническая система сверхдальней навигации Omega;

2) неглобальные системы:

•радиотехническая система дальней навигации Loran-C- •радиотехнические системы ближней навигации, работающие в УКВ диапазоне, типа маяков VOR/DME.

Однако радиотехнические системы ближней навигации для судовождения применяются редко и пригодны при плавании в водах Атлантики на трассах, соединяющих Европу и США, а также при приближении и убытии от морских портов при их наличии. В остальных случаях, за исключением речного судовождения, их применение проблематично.

Автономные навигационные системы (инерциальные, навигационного счисления) позволяют определить основные навигационные параметры подвижных объектов без использования каких-либо дополнительных средств навигации. Однако в этом случае ошибки определения основных навигационных параметров имеют тенденцию накопления и могут неограниченно возрастать, что вынуждает использовать дополнительные измерительные средства — навигационные корректоры [34,37,38,39,40]. Средства внешней коррекции можно организовать в двух вариантах [34,37,38,39,40]:

• непрерывной коррекции координат, например, по спутниковой системе навигации, в случае обеспечения непрерывности отсчета (непрерывного наблюдения не менее четырех спутников при заданной точности);

• дискретной коррекции координат в зоне действия средств коррекции и при выполнении требуемых условий.

К средствам непрерывной коррекции можно отнести радионавигационные и спутниковые средства, относительные лагиизмерители скорости относительно среды, абсолютные лаги — измерители скорости относительно земли и другие средства, которые можно использовать в течение более или менее длительного времени.

К средствам периодической коррекции можно отнести астрономические, визуальные (по наземным ориентирам) и другие, допускающие, как правило, лишь эпизодическое их использование. Деление средств коррекции на эти два подкласса в достаточной мере условно, так как одно и то же средство коррекции для объектов одного типа может быть как средством периодической коррекции, а для другого типа — непрерывной. Например, астрономические средства навигации для космических кораблей могут использоваться в качестве непрерывного корректора, а для судов — в качестве периодического.

В настоящее время основными навигационными приборами на отечественных судах являются [7,75,76]: приемник спутниковой навигационной системы (СНС), инерциальная навигационная система (ИНС), магнитный компас (МК), гирокомпас, лаг, эхолот. Кроме того, для систем управления вооружением судов требуются некоторые дополнительные параметры, к которым относятся: углы качки и рысканья, угловые скорости качки и рысканья, составляющие мгновенных скоростей, перемещений, ускорений, вызванных качкой и прочими эволюциями корабля.

Для обеспечения непрерывности отсчета координат необходимо иметь в зоне видимости приемника СНС не менее пяти спутников, три1 из которых используются для определения местоположения, один для коррекции времени и один для обеспечения непрерывности. В зоне высоких широт существует проблема неуверенного приема сигналов СНС из-за низких высот спутников над видимым морским горизонтом. При этом СНС в большой степени отягощены случайными погрешностями [40,42]. Как и любая радиосистема, СНС сильно подвержена радиопомехам. Поэтому необходимо комплексировать приемники СНС с другими навигационными приборами для обеспечения непрерывности выдачи координат, уменьшения погрешностей определения навигационных параметров и обеспечения целостности данных, т. е. определения отказа или ошибки. Следует отметить, что СНС на воздушных судах является необязательной, и осуществлять самолетовождение по данным.

СНС не рекомендуется, поскольку в принципе возможно вносить ошибки в показания СНС.

В настоящее время активно используются радионавигационные системы (РНС):

— глобальная РНС Omega, которая характеризуется высокой надежностью при невысокой точности;

— РНС Loran-C, которая, в отличие от Omega, не является глобальной, а используется только на активно используемых транспортных путях, ее точность примерно на порядок превосходит точность РНС Omega.

РНС при автономном ее использовании характеризуется значительным влиянием условий распространения радиоволн на ее точность.

Магнитный компас используется в настоящее время в основном в качестве резервного и вспомогательного прибора. Лаг (относительный и абсолютный) используется в качестве вспомогательного навигационного средства, в качестве источника данных для других навигационных приборов и при тралении на рыболовных судах. С появлением новых требований к безопасности и точности судовождения, исключения влияния «человеческого фактора» [41,44] существующие навигационные системы (НС) не в полной мере обеспечивают удовлетворительную работу в условиях неполноты, недостоверности данных и/или отказов навигационных приборов [13,14]. Известны методы уменьшения вероятности человеческих ошибок путем повышения эффективности операторского интерфейса [51,65]. Также известен подход к определению курса по наземным ориентирам [54].

• К одной из задач следует отнести задачу обеспечения целостности навигационных данных с целью повышения их достоверности и исключения ошибок в определении навигационных параметров [34,35]. Кроме того, тяжелое экономическое положение российского гражданского и военного флотов накладывает дополнительные ограничения на стоимость оборудования.

Таблица 1.

СНС ИНС РНС Системы навигационного счисления Астрономии-ческие.

Уровень случайных ошибок Высокий Низкий Низкий Низкий Низкий.

Уровень систематических ошибок (дрейф нуля) Отсутствует 1,8−3,7 км за час Отсутствует Значительный дрейф вследствие существенного влияя-ния внешних возмущающих факторов на курс и скорость Отсутствует.

Возможность обеспечения непрерывности При видимости не менее 5 спутников Обеспечивается Обеспечива ется Обеспечивается Только дискретное определение.

Зона действия Глобальная Глобальная В зоне покрытия Глобальная Глобальная.

Условия использования При видимости не менее 3 спутников При условиях видимости небесной сферы.

Предпочтительным является использование существующих и действующих навигационных приборов и периферийных устройств. Исследованию поведения параметров навигационных систем, разработке рекомендаций для повышения их надежности, повышения точностных характеристик НС, а также разработке алгоритмов судовождения с учетом возмущающих воздействий посвящена эта работа. Теоретический и практический интерес представляют исследования зависимости показателей точности навигационных данных (курс, счисленные географические координаты) от различных факторов (качка, изменение проводимости забортной воды). Для разработки алгоритмов обеспечения точности, достоверности и надежности данных НС требуются дополнительные исследования их поведения. Кроме того, для обеспечения автоматизации судовождения необходима разработка или адаптация существующих алгоритмов управления подвижными объектами.

Содержанием работы является разработка эффективных алгоритмов повышения точности ИИС, с целью повышения эффективности судовождения за счет комплексирования каналов определения местоположения.

Таким образом, целью диссертационной работы является определение требований к ИИС судовождения и обеспечение функционирования системы курсо-скоростного счисления с погрешностью, которая позволит использовать ее в качестве равноценного канала при комплексировании в многоканальную систему с деградацией с учетом расхода топлива.

Для достижения цели работы поставлены и решены следующие задачи:

• разработка методики уменьшения погрешности канала курсо-скоростного счисления;

• исследование требований по точности к ИИС судовождения на базе методик уменьшения погрешностей канала определения местоположения и разработка новых технических решений;

• разработка методики комплексирования каналов определения местоположения и модели поведения оператора в многоканальной системе.

Полученные автором результаты базируются на теории движении судна, использовании теории измерений, методов физического, имитационного и математического моделирования.

На защиту выносятся:

• методика обработки измерений магнитного курса на основе фильтрации с привлечением информации о крене;

• методика обработки сигналов синусно-косинусных датчиков при измерении магнитного курса для увеличения точности измерений за счёт снижения дисперсии измеренных значений параметров путем фиксации предельных режимов функционирования и блокирования соответствующих им значений курса;

• методика обработки измерений скорости и коррекции показаний лага по СНС;

• методика комплексирования потоков информации при совмещении каналов счисления координат, основанных на разных физических принципах.

Научная новизна решения поставленных задач заключается в следующем.

1. Разработана методика уменьшения погрешности измерения магнитного курса на основе применения адаптивного фильтра, отличающаяся от других решений привлечением информации о крене;

2. Разработана методика снижения дисперсии измеренных значений параметров, а также обеспечения возможности защиты преобразователей с синусно-косинусными датчиками при коротких замыканиях и обрывах в их электрических цепях, отличающаяся от других решений применением сравнения сигналов с опорными значениями;

3. Разработана методика уменьшения погрешности измерения относительной скорости, отличающаяся от других решений введением контроля, учета проводимости забортной воды и коррекции показаний скорости на основе вычисления поправочных коэффициентов по СНС;

4. Разработана методика комплексирования каналов определения ¦ местоположения в многоканальной системе, отличающаяся наличием модели деградации сигналов с учетом использования резервного канала курсо-скоростного счисления.

ПРАКТИЧЕСКУЮ ЦЕННОСТЬ работы составляют:

1) алгоритмы автоматизированного управления движением судна по траектории с оптимизацией по требуемому времени достижения цели и экономии топлива;

2) алгоритмы комплексирования навигационной информации и деградации навигационной системы;

3) разработанные аппаратные и программные средства для магнитного компаса КМ-145М и индукционного лага ИЭЛ-3, позволяющие их использование в качестве основного канала судовождения.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ внедрены на ЗАО «Катав-Ивановский приборостроительный завод». На их основе разработаны, реализованы и внедрены в эксплуатацию устройство дистанционной передачи курса для магнитного компаса КМ-145М и электромагнитный индукционный лаг ИЭЛ-3 (военная модификация ИЭЛ -2М2).

Основные результаты работ докладывались и обсуждались на конференциях:

— Первая всероссийская научная конференция студентов и аспирантов с международным участием «Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы». ТРТУ г. Таганрог 2005 г.

— Международная научно-техническая конференция «Инфор-мационно-вычислительные технологии и их приложения», МНИЦ, г. Пенза, 2005 г.

— X Международной научной конференции «Решетневские чтения», СибГАУ, Красноярск, 2006 г.

— 2-ой региональной зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальные системы обработки информации и управления», УГАТУ, Уфа, 2007 г.

Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах — 2007», ПГУ, Пенза, 2007 г.

— Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», УГАТУ, Уфа, 2007 г.

По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе получено 2 патента РФ, 11 статей и тезисов докладов (из них 2 на английском языке, 3 в издании, реферируемом ВАК), 2 свидетельства о регистрации программ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы общим объемом 135 страниц, 68 рисунков и таблиц.

Основные результаты, полученные в данной работе заключаются в следующем:

— разработана методика уточнения показаний магнитного компаса на основе адаптивного алгоритма Уидроу-Хоффа, отличающаяся тем, что в качестве опорного сигнала используются показания креномера. Установлено, что ее применение позволяет уменьшить погрешность курса от качки в 20 раз;

— разработана методика обработки сигналов синусно-косинусных ^ датчиков при измерении магнитного курса для увеличения точности измерений jза счёт снижения дисперсии измеренных значений параметров путем фиксации ^ rV**1 предельных режимов функционирования и блокирования соответствующих им brsi значений курса. В рассчитанном примере уменьшение погрешности измерения курса после обработки составило 1,103°, что при погрешности дистанционной передачи курса, установленной нормативами суммарной погрешности в 2° составляет 55%.

— предложена методика получения дополнительной информации по возмущающим факторам для повышения точности канала измерения скорости, повышена точность измерения путевой скорости за счет комплексного, а <4 использования элементов конструкции первичного преобразователя лага и «Z установлен метод коррекции его показаний по показаниям СНС- ^.

— предложена методика комплексирования каналов местоопределения, ^ основанных на различных физических принципах с учетом корректной «П деградации системы при отказах ее элементов, позволяющий повысить надежность и отказоустойчивость системы определения местоположения судна;

— разработаны новые технические решения, реализованные в судовом магнитном компасе КМ-145М и индукционном электромагнитном лаге ИЭЛ-3. Ц l its, t tl< trtfi i tit.

Заключение

.