Метод уменьшения погрешностей корреляционных гидроакустических лагов на основе использования функций средних модулей разностей

Одной из важнейших задач судовождения была и остается задача автономного определения путевой скорости и угла сноса судна. В настоящее время эта задача успешно решается различными техническими средствами судовождения.

Рост тоннажа, скоростей, количества транспортных и промысловых судов привели к увеличению интенсивности судоходства. В связи с этим возросли требования к технико-эксплуатационным характеристикам лагов, информация от которых, совместно с данными от приборов курсо-указания, позволяет вести непрерывное и, притом, автономное счисление, а также используется для исключения методических погрешностей других технических средств навигации (ТСН): гирокурсоуказателей радиолокационных станций навигации и систем автоматической радиолокационной прокладки расхождения судов, спутниковых и радионавигационных систем, инерциальных и перспективных батиметрических навигационных систем.

Специалисты в области судовождения уделяют большое внимание вопросам практического использования лагов (способам измерения абсолютной и относительной скоростей, определению и учету поправок лагов, методам расчета методических и инструментальных погрешностей лагов, а также их компенсации, минимизации и учету во время плавания).

За последнее десятилетие на мировом флоте изменилась ситуация с возможностью определения и коррекции элементов движения судна. Выход на эксплуатационный режим глобальных высокоточных спутниковых навигационных систем (СНС) отодвинул на второй план традиционные приборы определения элементов движения судна: гирокомпас и лаг. Действительно, современные приемоиндикаторы СНС «ГЛОНАСС-НАВСТАР» позволяют измерять малые скорости до нескольких миллиметров в секунду и ускорения порядка 0,1 мм/с2 при точности определе5 ния координат судна Юм. Некоторые отечественные приверженцы радио и спутниковых навигационных систем говорят о том, что в недалеком будущем лаг как техническое средство навигации вообще не будет устанавливаться на судне, и что вполне достаточно индукционного лага, который по классификации относится к лагам средней точности [56].

При плавании судна по счислению наиболее приемлемо использование абсолютного лага. Однако существует большой ряд задач, когда необходимо знание относительной скорости судна или относительной и абсолютной вместе (адаптивные авторулевые, радиолокационные станции, системы автоматической радиолокационной прокладки, гирокурсо-указатели и др.).

Исходя из опыта эксплуатации индукционных лагов на транспортных судах, следует отметить, что их погрешности непостоянны во времени вследствие обрастания корпуса судна, изменения его посадки и, как следствие, изменения толщины и других характеристик пограничного слоя под корпусом судна в районе установки индукционного преобразователя. Через 0,5-г1 год после очередного докования судна уменьшение показаний лаговой скорости может достигать 30% и более. В результате этого скорость судна на большинстве судов в настоящее время вырабатывается, как правило, в основном по данным приемоиндикаторов СНС и РНС, причем только относительно грунта [74].

В настоящее время гидроакустическими лагами (ГАЛ) оснащено достаточно много судов. Имеется достаточно большое количество моделей относительных ГАЛ, которые могут устанавливаться на суда практически любого водоизмещения. В основном это ГАЛ, работающие на эффекте Доплера (ДГАЛ) [3, 27, 43, 47]. Теоретические вопросы принципа работы, погрешностей, способов построения, аппаратурных реализаций и использования ДГАЛ достаточно хорошо изучены, и их развитие идет в основном по пути технического совершенствования по преодолению ряда трудностей методического и технического характера.

Теоретические и экспериментальные исследования, проводимые с целью дальнейшего совершенствования и развития аппаратуры автономной навигации, привели, по мнению отечественных и зарубежных специалистов, к разработке достаточно перспективных измерителей скорости с линейной базой направленных приемников (ЛБНП), к которым относятся корреляционные измерители скорости (КИС). Одним из первых термин «линейная база направленных приемников (вибраторов)» ввел отечественный ученый Блинов И. А. [23]. ГАЛ, построенными на этом способе измерения скорости (СИС), являются корреляционные гидроакустические лаги (KTAJI). Эти лаги имеют хорошие перспективы в эксплуатации благодаря их полной автономности, простоте, высокой точности и способности работать в достаточно сложных гидрометеорологических условиях.

Принцип работы этих лагов основан на корреляционных способах обработки огибающих эхо-сигналов (ОЭС) и начал интенсивно исследоваться в середине 1970;х годов [3, 7−16, 19, 22, 25−27, 30−33, 37, 38, 48, 73, 76]. В теоретическом и техническом плане эти лаги еще достаточно не изучены, научные публикации имеют разрозненный характер, отсутствуют достаточно полные теоретические и экспериментальные исследования именно гидроакустических относительных лагов.

Гидроакустические лаги с линейной базой направленных приемников имеют ряд преимуществ перед традиционными доплеровскими ГАЛ. Такие как: независимость показаний скорости судна от скорости распространения звука в водной среде и наклонах грунта, большая устойчивость работы при качке судна и наклоне грунта, установка гидроакустических антенн в клинкеты диаметром от 32 мм до 300 мм при различной рабочей глубине, достаточно малая мертвая зона по рабочей глубине [99].

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Опубликованные в 1970;2004 годах работы отечественных и зарубежных ученых [1−3, 7−17, 19, 25−27, 30−33, 38, 48, 76, 78, 81, 82, 87, 88, 94, 99,103,104−121] по корреляционным экстремальным системам (КЭС), корреляционным лагам (КЛ) позволяют сделать вывод о нескольких СИС и конструктивных реализаций этих способов.

Если авиационные КИС достаточно хорошо описаны в литературе: основополагающая монография Боркус М. К. и Черного А. Е. [25] и последующие работы на ее основе [3, 27], то о ГА Л таких типов в научно-технической литературе сведений не достаточно. Несмотря на перспективы упомянутого способа, некоторым теоретическим вопросам, в частности методам уменьшения погрешностей измерения составляющих вектора скорости, на сегодняшний день не уделено должного внимания.

При современном уровне микроэлектроники и схемотехники габаритные размеры блоков лага и стоимость комплекта при одинаковой рабочей глубине под килем и количеством измеряемых составляющих вектора скорости судна будут примерно одинаковы. Таким образом, создание конкурентно-способного корреляционного лага может быть осуществлено в основном только путем уменьшения его погрешностей.

Работа по созданию лагов начинается с разработки информационно-физических моделей процесса измерений, выбора алгоритмов работы, разработки структурных схем, оценки погрешностей измерения и поиск возможных путей их снижения. Этот этап происходит на семантическом, морфологическом и алгоритмическом уровне информационно-физических моделей [96].

Модели корреляционных лагов, опубликованные в работах [25, 27], а также модель эхо-сигналов, приведенная в работе [61], не учитывают специфику области применения вышеупомянутых СИС на морских и речных судах в режиме измерения относительной скорости, которая заключается в том, что сигналы распространяются в гидросреде, где они подвержены существенному влиянию затухания, рассеяния, реверберации и других факторов. Причем эхо-сигналы, в силу влияния рассеяния и реверберации, являются носителями полезной информации.

Использование КСИС ограничено применением оценок только действительных корреляционных функций (КФ) [3, 15, 25, 51, 76, 88]. Опубликованы работы по применению функций средних модулей разностей (СМР) огибающих эхо-сигналов (ОЭС) для оценки корреляционных функций с целью вычисления скорости судна [63]. При такой обработке ОЭС вместо операции умножения используется операция вычитания, что может повысить эффективность ГАЛ с ЛБНП за счет упрощения технической реализации их вычислительных устройств. Однако отсутствуют сведения о структурных схемах вычислительных устройств" лагов, построенных для работы по этому методу, и их погрешностей.

При работе корреляционного лага в реальных условиях, на входах его вычислительного устройства кроме полезных сигналов всегда будут присутствовать помехи. Отношение сигнал/шум будет непостоянным вследствие изменения расстояния до отражающей поверхности и изменения ее отражательных характеристик. Кроме того, неравномерность амплитудных характеристик приемных каналов может влиять на погрешность измерения скорости. Возникает необходимость оценки влияния этих факторов на погрешность лага и поиска путей их уменьшения.

Классификация и определения, изложенные в работах [51, 57, 58], позволяют синтезировать около 1 ООО моделей КГАЛ, но требует уточнения по вариантам построения измерителей скорости построенных на косвенных методах оценки корреляционных функций. В частности, с использованием функций средних модулей разностей, которые предложены в работах [45, 48, 63, 65], а также применения широтно-импульсной модуляции сигналов [46] для упрощения построения корреляторов и вариантов построения экстремальных регуляторов. Эти недостатки затрудняют более эффективную работу над измерителями скорости с ЛБНП.

При натурном моделировании очень дорогостоящими являются этапы морских испытаний. Сократить их стоимость можно, если создать имитаторы отраженных сигналов, которые в максимальной мере соответствуют реальным сигналам, отраженным от различных поверхностей (морская и земная поверхности, дно различных водоемов). Такие имитаторы могут быть созданы в виде отдельных устройств или прикладных программ для ЭВМ. Современные пакеты прикладных программ позволяют производить машинное моделирование достаточно сложных электронных устройств, входными сигналами которых могут быть смоделированные амплитуды ОЭС. В этой связи, возникают следующие научные задачи: а) необходимо проанализировать характеристики отражающих поверхностей, в частности, степень неровностиб) произвести анализ выражений для корреляционных функций отраженных сигналов при различных характерах отражающих поверхностей, в) обосновать статистические характеристики эхо-сигналов от турбулентного потока воды под днищем судна.

В работе [50] рассматривается проблема влияния характеристик отражающей поверхности на флюктуационную погрешность корреляционного лага. Делаются предположения о необходимости введения в низкочастотную часть приемного тракта управляемых фильтров. Однако отсутствуют сведения о реальных структурных схемах таких приемных трактов и их характеристиках.

В открытой печати не найдено сведений о влиянии неидентичности амплитудных характеристик на погрешности взаимно автокорреляционных способов измерения модуля полной и продольной скоростей судна. В этой связи возникает научная задача исследования этого вопроса.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Совершенствование корреляционных лагов с целью уменьшения погрешностей на основе и использования функций средних модулей разностей амплитуд эхо-сигналов.

ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются методы и средства навигации и судовождения, в частности гидроакустические лаги. ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ — методы уменьшения погрешностей корреляционных гидроакустических лагов на основе использования функций средних модулей разностей амплитуд эхо-сигналов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:

— уточнить информационно-физическую модель лага с учетом условий эксплуатации;

— разработать структурные схемы вычислительных устройств лагов с использованием функций средних модулей разностей для измерений модуля, курсовой и измеренной скорости;

— уточнить классификационную таблицу КГ АЛ с включением в нее других схем построения вычислительных устройств измерителей скорости с ЛБНП.

— получить выражения для флюктуационных погрешностей лагов с использованием функций средних модулей разностей для разработанных схем построения вычислительных устройств;

— произвести оценку влияния помех на входах коррелятора;

— оценить влияние неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов лага на погрешности измерения составляющих вектора скорости судна;

— разработать метод и структурную схему лага с компенсацией влияния изменения характеристик отражающей поверхности на флюк-туационную погрешность;

— провести машинное моделирование работы гидроакустического относительного лага с использованием функций средних модулей разностей амплитуд огибающих эхо-сигналов в различных условиях. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Уточненная информационно-физическая модель лага с учетом специфики его применения.

2. Новые типы вычислительных устройств гидроакустических относительных лагов.

3. Методы уменьшения погрешностей измерения составляющих вектора скорости гидроакустическими корреляционными лагами.

СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА.

В настоящее время ведутся интенсивные работы, направленные на создание новых измерителей скорости, обладающих повышенной эксплуатационной надежностью, точностью показаний, ремонтнопригодно-стью и достаточной эффективностью применения [3, 99, 121]. На современном этапе ГАЛ с ЛБНП с хорошими технико-эксплуатационными характеристиками производит только шведская фирма «Consilium Marine» (ряд унифицированных лагов SAL).

Фирмой «Дженерал Электрик» (США) создан лаг «Quo Vadis», и этой же фирмой совместно с фирмой «Магнавокс» (США) создан новый гидроакустический корреляционный лаг «МХ-810», не требующий управления оператором [3], фирмой «EDO Carporation» разработан корреляционный лаг, совмещенный с доплеровским лагом с единым модулем антенной системы [122]. Таким образом, ведущие зарубежные фирмы, производящие современные приемоиндикаторы радио и спутниковых навигационных систем, продолжают разработки и производство автономных датчиков навигационной информации. В Российской Федерации подобные лаги не производились и не производятся.

Одновременно обозначилась тенденция к разработке автономных измерителей скорости с ЛБНП специализированных типов для решения задач другими видами транспорта (авиационного, железнодорожного, автомобильного) [3, 30−33].

Наметившееся отставание в области разработки и производства автономных технических средств навигации (лагов, эхолотов) может привести к зависимости страны от зарубежных фирм разработчиков и производителей такой аппаратуры [56].

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных научных задач использовались методы теории гидроакустики, корреляционного и спектрального анализа случайных процессов, имитационного моделирования и натурного эксперимента, положений теории автоматического управления.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Новизна работы заключается в применении нетрадиционных методов обработки эхо-сигналов для разработки высокоэффективного гидроакустического лага с уменьшенными погрешностями и его стендовых испытаний, в том числе:

— уточнена информационно-физическая модель лага с учетом специфики его применения;

— разработаны новые типы вычислительных устройств лагов с.

ЛБНП;

— уточнена классификация лагов с ЛБНП;

— получены сравнительные выражения для флюктуационных погрешностей лагов построенных с использованием функций средних модулей эхо-сигналов;

— получены выражения для оценки влияния неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов на погрешности измерения.

1 скорости корреляционными способами;

— разработан метод и структурная схема устройства для стабилизации флюктуационных погрешностей лага при изменяющихся характеристиках отражающей поверхности.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ обусловлена совпадением результатов теоретических исследований с данными машинного моделирования, стендовых и натурных испытаний гидроакустических лагов с ЛБНП в реальных условиях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по выбору алгоритмов работы, характеристикам приемно-излучающего тракта, построению вычислительных устройств лагов с ЛБНП с уменьшенными погрешностями. Важным практическим результатом являются, разработка новых типов лагов с ЛБНП.

Полученные результаты позволят повысить эффективность технических средств навигации судов по сравнению с существующими системами за счет повышения точности и надежности измерения скорости, ремонтопригодности всей системы в 1,5−2 раза.

Тема связана с НИР и ОКР, проводимых на кафедре «Технические средства судовождения» в ФГОУ ВПО МГУ им. адм. Г. И. Невельского в i соответствии с федеральными целевыми программами: «Мировой океан».

1998;2012 гг.) в рамках задачи создания технологий для освоения ресурсов и пространств Мирового океана, транспортные коммуникации России в Мировом океане- «Модернизация транспортной системы России» (2002;2010 гг.) в рамках задачи «Комплексная информатизация транспорта на основе использования современных телекомммуникационных и навигационных систем», планами НИР ВУЗа в рамках темы «Повышение эффективности технических средств навигации и разработка методов их комплексного использования» .

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты работы непосредственно использованы при выполнении госбюджетных НИР, которые велись на кафедре «Технические средства судовождения» ФГОУ ВПО МГУ имени адмирала Г. И. Невельского.

Выводы и рекомендации, полученные при разработке диссертации, внедрены в процесс обучения курсантов и студентов ФГОУ ВПО МГУ имени адмирала Г. И. Невельского (лекции, курсовое и дипломное проектирование).

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные теоретические положения подтверждены экспериментально при машинном моделировании ГАЛ с ЛБНП. При разработке программ для ЭВМ ГАЛ с ЛБНП использованы результаты теоретических исследований, изложенных в диссертационной работе.

Материалы работы были доложены и одобрены на: международной научно-технической конференции «Безопасность на море. Научно-технические проблемы и человеческий фактор» — 2002 г.- пятой международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» — 2003 г.- шестой международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» -2005 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 9 работ, в том числе 1 без соавторства.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация представлена на 152 листах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения. Работа содержит 56 рисунков, 1 таблицу и список использованных источников из 122 наименований.

3.5 Выводы по главе 3.

По результатам исследований проведенных в главе три можно сделать следующие выводы:

1. Обоснованы статистические характеристики случайных процессов необходимых для имитационного моделирования. Сходимость статистических характеристик реальных эхо-сигналов и сформированных достаточно хорошая, и сформированные процессы можно использовать для машинного моделирования работы вычислительных устройств лагов.

2. Подтверждено путем имитационного моделирования, что флюктуационные погрешности измерения скорости существенно ниже (до 5 раз) у лагов, построенных на основе использования функций средних модулей разностей амплитуд эхо-сигналов, по сравнению с лагами, использующими алгоритмы прямых оценок корреляционных функций.

3. Предложенные методика постановки эксперимента и схема стабилизации уровня взаимной корреляционной функции при нулевом временном сдвиге, а, следовательно, и флюктуационных погрешностей измерения скорости лагами с линейной базой направленных приемников, работоспособны и могут найти применение в новых разработках.

4. Погрешности при измерении корреляционных задержек и рассчитанных по выражениям, полученным теоретическим путем, для прямых и косвенных оценок корреляционных функций имеют достаточно хорошую сходимость (не более 30%).

6. Результаты имитационного моделирования работы вычислительных устройств лагов при неидентичных амплитудных характеристиках имеют достаточно хорошую сходимость с результатами теоретических исследований.

Основные научные результаты, изложенные в главе, опубликованы в. работах [5, 41, 42, 75].

Заключение

.

В настоящей диссертационной работе, на основании выполненных исследований, получены следующие основные научные результаты и выводы:

1. В результате уточнения информационно-физической модели лага на основе составленной семантической схемы корреляционного лага и описанной с помощью уравнений можно выделить основные процессы, которые происходят при работе корреляционного лага с учетом условий эксплуатации.

2. Разработаны структурные схемы новых вычислительных устройств лагов на основе использования функций средних модулей разностей для измерений модуля, курсовой и измеренной скоростей.

3. Уточнена классификационная таблица лагов с включением в нее других схем построения вычислительных устройств измерителей скорости с линейной базой направленных приемников, которая приводит в единую систему терминологию в этой области научных исследований и позволяет синтезировать более 10 000 типов лагов, для различных условий эксплуатации.

4. Получены новые математические выражения для качественной и количественной оценки величин флюктуационных погрешностей при использовании прямых и косвенных оценок корреляционных функций для измерения скорости методом сравнения крутизны корреляционных функций в точках слежения для заданной амплитуды функций.

5. Получены новые математические зависимости для оценки влияния помех на входах коррелятора и неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов лага на погрешности измерения составляющих вектора скорости судна.

6. Теоретически получено и подтверждено экспериментальным путем, что флюктуационные погрешности и влияние неидентичности амплитудных характеристик приемных каналов на погрешности измерения скорости существенно меньше (от 1,5 до 5 раз) у лагов построенных на основе использования функций средних модулей разностей амплитуд эхо-сигналов.

7. Разработана структурная схема лага с компенсацией влияния изменения характеристик отражающей поверхности на флюктуационную погрешность измерения скорости судна.

8. Имитационное моделирование работы гидроакустического относительного лага на основе использования функций средних модулей разностей амплитуд огибающих эхо-сигналов в различных условиях подтвердили правильность выводов и рекомендаций, полученных теоретическим путем.