Моделирование и оценивание точностных параметров информационно-измерительных систем на водном транспорте

Актуальность темы

цель и основные задачи работы.

Одним из главных условий успешной эксплуатации транспортных средств морского и речного базирования является обеспечение безопасности судовождения, включая автоматизацию проводки судов по заданным траекториям в прибрежных районах плавания, акваториях морских портов и на внутренних водных путях (ВВП). Для этих целей на самих судах и в окружающем пространстве устанавливаются разнообразные технические средства судовождения, основу которых составляют информационно-измерительные системы (ИИС) (судовые, наземные и спутниковые). Подобные ИИС передают в систему управления движением судов (СУДС) измерительную информацию, необходимую в процессе навигации судна и эффективного управления его движением.

В условиях современных повышенных требований к обеспечению безопасности судовождения в странах с развитой инфраструктурой водного транспорта придается большое значение качеству информации (достоверности, точности, полноте и т. п.), которое обеспечивается не только ее избыточностью, но и точностными характеристиками ИИС судового, берегового и космического базирования.

Систематические погрешности ИИС учитываются судоводителями в виде поправок общеизвестными способами и поэтому в диссертационной работе не рассматриваются.

Случайные или флуктуационные погрешности преобразования самих ИИС обладают наибольшей энтропией и поэтому являются наиболее универсальными с точки зрения нарушений работы средств навигации любого назначения. В многочисленных трудах ученых и их школ [61, 63, 65 -69, 122] случайные погрешности преобразования ИИС традиционно рассматривались как стационарные случайные процессы, но при обработке тем не менее использовались только методы теории вероятностей и математической статистики.

Однако проведенные диссертантом теоретические исследования линейных ИИС, всесторонний анализ первоисточников и многочисленные измерения в условиях, обеспечивающих сходимость результатов, показали, что традиционная модель случайной погрешности преобразования линейных ИИС не состоятельна, поскольку по ряду причин и, в основном за счет низкочастотного (НЧ) шума типа У/ она является нестационарным случайным процессом.

Неадекватность существующих на сегодня моделей погрешностей таких ИИС, как системы транспортной ориентации судов, систем измерения кинематических параметров движения судов и т. п. могут привести в конечном итоге к несоответствующим действительности, неверным точностным оценкам поступающей информации, что чревато большой опасностью. Ведь при наличии высокой плотности движения судов, сложных навигационных условий перевозки вредных и опасных грузов, большой уязвимости окружающей среды, ограниченности габаритов судов по отношению к геометрическим параметрам трассы, воздействия течений и ветра, дефицита времени для принятия решений и т. д. ошибки в оценке достоверности и точности поступающей информации могут привести к негативным последствиям.

Отсюда вполне естественно возникла актуальная для теории и практики судовоиедения задача математического моделирования линейной информационно-измерительной системы, предельно адекватной по случайной погрешности и функции преобразования реальной рабочей ИИС.

Эта задача предопределила цель диссертационной работы.

Цель работы.

Целью диссертационной работы явилось повышение качества оценки точностных характеристик ИИС судовождения путем разработки научно-теоретических основ и усовершенствованной методики анализа статистических свойств погрешностей преобразования линейных ИИС произвольного базирования.

Достижение поставленной цели потребовало решения в диссертации следующих основных научно-технических задач:

— исследования современного состояния теории погрешностей и моделей внутренних, в основном низкочастотных (НЧ), шумов ИИС судовождения;

— выполнения теоретических и экспериментальных исследований с целью идентификации внутренних процессов в линейных ИИС судовождения;

— разработки математической модели статической погрешности ИИС на водном транспорте на основе принципа локальной однородности функций преобразования линейных систем, базирующейся на теории случайных процессов со стационарными приращениями и методе структурных функций;

— разработки методики экспериментального оценивания статистических характеристик линейных ИИС на водном транспорте без использования дорогостоящих процедур калибровки.

Объектом исследований в диссертации являются линейные ИИС на водном транспорте.

Предметом исследований являются статистические характеристики точностных параметров линейных ИИС на водном транспорте. При этом использовалась теория нестационарных случайных процессов, а именно: аппарата теории случайных процессов со стационарными приращениями (или локально однородных случайных процессов) и метод структурного анализа.

Научная новизна работы.

1. Теоретически и экспериментально исследованы внутренние флуктуационные процессы в линейных ИИС, которые идентифицированы как процессы, относящиеся к классу случайных процессов со стационарными приращениями.

2. Установлен факт того, что функции преобразования линейных ИИС судовождения принадлежат к определенному классу нестационарных случайных процессов, которые являются случайными функциями с однородными приращениями по информативному параметру и стационарными приращениями по времени.

3. Вместо использования таких традиционных характеристик, как корреляционные функции, предложены более адекватные статистические характеристики функций преобразования ИИС судовождения в виде структурных функций и связанных с ними спектральных плотностей.

Практическая значимость диссертационной работы.

1. Создана инженерная методика технических измерений параметров собственных флуктуаций линейных ИИС, используемых на водном транспорте, позволяющая уменьшить трудоемкость, снизить затраты и повысить эффективность текущего контроля состояния измерительной аппаратуры на судне.

2. Разработана методика, которая значительно упрощает проведение контроля измерительной аппаратуры, позволяет определять текущие шумовые параметры ИИС в режиме мониторинга на борту судна без перемещения аппаратуры в стационарные лаборатории берегового базирования.

3. Предложена измерительная схема для оценки статистических точностных характеристик погрешностей линейных ИИС водного транспорта, которая не требует наличия эталонной аппаратуры, а потому может быть использована даже в условиях эксплуатации судна.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях и семинарах, в том числе на:

• 20-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 1998 г.;

• 22-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2000 г.;

• 23-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2001 г.;

• 6-ом Всероссийском Совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы новой техники», Москва, 2001 г.;

• 13-ой Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», г. Судак, 2001 г.;

• 24-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2002 г.;

• 14-ой Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», г. Судак, 2002 г.;

• 25-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2003 г.;

• 26-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2004 г.;

• Ш-й Межвузовской конференция по научному программному обеспечению «Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследованиях», Санкт-Петербург, 2005 г.

Работа в целом доложена на заседании кафедры «Эксплуатации флота и АСУ водным транспортом» (2006 г.) и в других транспортных организациях (2006 г.).

Публикации.

Основные научные положения диссертационной работы изложены в научных статьях и материалах конференций в количестве 21 публикации.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 127 наименований. Общий объем составляет 161 страницу печатного текста, в том числе 39 рисунков, 1 таблица, 6 листов приложений.

4.4. Выводы.

1. В главе предложена конкретная методика аппаратурной оценки статистических характеристик флуктуаций линейных ИИС и их погрешностей, которая была реализована при проведении экспериментов.

2. Предложенная методика измерений шумовых характеристик ИИС и их погрешностей инвариантна относительно шумовых свойств генератора сигнала и не нуждается в использовании процедуры калибровки, что существенно повышает качество измерений.

3. Синтезированная схема измерений позволяет получать оценки всех необходимых характеристик шумов линейных ИИС и их погрешностей, используемых на водном транспорте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Предложен подход к анализу функций преобразования линейных систем как к нестационарным (неоднородным) случайным процессам, который позволил повысить уровень формализации задачи, поставленной в рамках проблем водного транспорта.

2. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по идентификации функций преобразования линейных ИИС судовождения как случайных функций со стационарными приращениями (СПСП), что позволило осуществить моделирование этих систем.

3. Теоретически и экспериментально показана идентичность статистических характеристик флуктуаций функций преобразования линейных ИИС и их случайных погрешностей, что обеспечило возможность получения численных оценок точностных характеристик ИИС судовождения.

4. На основании проведенных исследований в качестве более общих и более адекватных характеристик случайных погрешностей ИИС предложено ввести в соответствующую нормативно-техническую документацию структурные функции и связанные с ними спектральные плотности.

5. Разработана методика оценки статистических характеристик погрешностей ИИС, не требующая использования процедуры калибровки, проводимой в лабораторных условиях береговой зоны.

6. Предложена двухканальная схема, которая позволяет получать оценки всех необходимых статистических характеристик случайных погрешностей линейных ИИС судовождения.

7. Предложена методика экспериментальной оценки шумов ИИС, которая является необходимой для систем судовождения, так как позволяет проводить эксплуатационный контроль работы судовых систем на самом судне без использования стандартной измерительной аппаратуры, находящейся в береговой зоне.

Таким образом, в итоге выполнения диссертации решена важная научно-техническая задача совершенствования качества обслуживания и функционирования ИИС судовождения путем разработки теоретических и экспериментальных основ методики их точностного безэталонного контроля.