Методы и средства повышения эффективности вычислительных устройств корреляционных лагов и их испытаний

Одними из важнейших задач судовождения были и остаются задачи автономного определения путевой скорости и угла сноса судна. Эти задачи в настоящее время успешно решаются разнообразными техническими средствами навигации. Согласно требованиям ИМО и Регистра судоходства РФ на судах водоизмещением 500 per. т. и более, должны быть установлены устройства для измерения скорости и пройденного расстояниялаги. Информация о скорости судна, выдаваемая лагом, совместно с данными от приборов курсоуказания, используется для решения традиционных задач счисления пути и обеспечения навигационной безопасности плавания.

Современные лаги используются и самостоятельно, и совместно с инерциальными и космическими навигационными системами, радионавигационными системами, гирокурсоуказателями, радиолокационными станциями навигации, системами автоматической радиолокационной прокладки и расхождения судов, системами позиционирования буровых судов и пр. Информация о скорости судна используется для исключения методических погрешностей других технических средств навигации. Увеличение количества транспортных и промысловых судов, рост их тоннажа и скоростей привели к возрастанию интенсивности судоходства на основных морских путях. В связи с этим возросли требования к технико-экономическим характеристикам лагов и появились специфические требования к их выходной информации.

Специалисты в области технических средств навигации и судовождения уделяют большое внимание вопросам разработки и практического использования лагов (способам измерения абсолютной и относительной скоростей, определению и учету поправок лагов, методам расчета методических и инструментальных погрешностей лагов и их учету во время плавания). Использование абсолютного лага наиболее предпочтительно при плавании судна по счислению. Однако существует большой класс задач, где требуется измерение относительной скорости судна, или относительной и абсолютной скоростей совместно: гирокурсоуказатели, адаптивные авторулевые, радиолокационные станции, системы автоматической радиолокационной прокладки и пр. Специфика мореплавания заключается в отрыве на долгое время от береговых ремонтных баз. Поэтому в случае отказа или сбоя в работе любого навигационного прибора, информация от которого не дублируется другими приборами, увеличивается вероятность аварии судна.

В настоящее время абсолютными гидроакустическими лагами (ГАЛ) оснащаются крупнотоннажные суда (более 50 000 per. тонн), но имеется достаточное количество моделей относительных ГАЛ, которые могут устанавливаться на судах практически любого водоизмещения. В основном это гидроакустические лаги, использующие эффект Доплера. 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 гидроакустических измерителей скорости с линейной базой направленных преобразователей (ЛБНП), к которым относятся два основных типа: корреляционные измерители скорости (КИС) и интерполяционные измерители скорости (ИИС). Принципы работы этих лагов основаны на корреляционных и интерполяционных способах обработки огибающих амплитуд эхо-сигналов (ОАЭС), принятых минимум на два приемных преобразователя. Корреляционные и интерполяционные способы обработки сигналов начали интенсивно исследоваться с середины 1950;х годов. Эти типы лагов имеют хорошие перспективы в производстве и эксплуатации благодаря их полной автономности, простоте технического воплощения, высокой точности и способности работать в сложных гидрометеорологических условиях. Ряд моделей КИС, кроме информации об абсолютной (или относительной) скорости судна, позволяют одновременно получать информацию и о глубине под килем.

Опубликованные с середины 1950;х годов работы отечественных и зарубежных ученых по корреляционно-экстремальным системам (КЭС) [22, 24, 27, 35, 41, 53, 56, 58, 59, 69, 70], корреляционным гидроакустическим лагам (КГАЛ) [2, 5, 16, 29, 32−35, 87, 100, 103−108] и интерполяционным способам измерения скорости (ИСИС) [13, 19, 44] позволяют выделить несколько способов измерения скорости и рассматривать различные технические реализации этих способов. Все больший теоретический и практический интерес вызывают такие системы экстремального регулирования, в которых для построения экстремальной функции используется свойство корреляционной функции одного или нескольких аргументов достигать максимума при определенном значении аргументов. Вычислительные устройства корреляционных лагов представляют собой техническое воплощение корреляционно-экстремальных систем (КЭС). Под корреляционно-экстремальными системами подразумеваются системы обработки информации, представленной в виде реализаций случайных функций, предназначенные для определения координат движения. В таких системах в той или иной степени используется корреляционная связь между реализациями случайных функций, а определение выходных величин (координат местоположения или их производных) осуществляется в результате нахождения экстремума корреляционной функции или какой-либо другой статистической оценки реализаций случайных функций. Возможно другое определение КЭС, а именно: корреляционно-экстремальными называют системы совмещения реализаций случайных функций, служащие для определения координат движения. С помощью подобных систем решаются разнообразные технические проблемы, к примеру, измерение скорости движения кораблей и подводных лодок, прецизионное измерение местоположения космических кораблей, летательных аппаратов, наведение самолетов и ракет на выбранные участки земной поверхности, высокоточная локация Венеры, слежение за объектами в дальнем космосе и пр.

За внешним различием перечисленных систем скрываются одинаковые принципы действия, порождающие общие основные закономерности управления. Корреляционно-экстремальные системы, как особый тип экстремальных систем, обладают весьма характерными особенностями и с точки зрения математического аппарата, необходимого для их исследования, и с точки зрения физических свойств: длительное вычисление экстремальной функции [22, 24], нелинейные эффекты управления, трудности ликвидации больших начальных отклонений [24, 56] и пр. В корреляционно-экстремальных навигационных системах используется рабочая информация о тех или иных полях со случайной, в пространственном смысле, структурой. Теория корреляционно-экстремальных систем базируется на теории систем экстремального регулирования, с одной стороны, и на корреляционной теории стохастических процессов — с другой. Следует отметить существенный вклад отечественных ученых, как в исследование систем экстремального регулирования [19, 22, 24, 27, 35, 53, 56, 58, 70, 93, 97], так и в разработку корреляционной теории стохастических процессов [61- 63, 69, 72].

Корреляционно-экстремальные системы можно классифицировать [22,24] по виду и объему используемой рабочей и априорной (начальной) информации. По виду рабочей информации, воспринимаемой датчиками, КЭС подразделяются на два класса: КЭС I и КЭС И. К классу КЭС I относятся те корреляционно-экстремальные навигационные системы, в которых рабочая информация о навигационном поле снимается в одной, текущей «точке». В них могут использоваться как поверхностные (поля рельефа морского дна и суши, радиолокационного контраста, оптические и радиотепловые, поля естественной радиоактивности), так и пространственные поля (например, магнитное, гидроакустическое). Системы, в которых рабочая информация снимается с некоторого участка площади -«кадра», относят к классу КЭСII.

По объему априорной информации каждый из классов делится на два подкласса: КЭС 1а, КЭС Iia — системы «без памяти" — КЭС 16, КЭС 116 — системы с «памятью». Примерами КЭС «без памяти» служат корреляционные измерители скорости движения кораблей и подводных лодок, самолетов, ракет, корреляционные измерители скорости проката и потока, а также системы, построенные на основе корреляционных измерителей скорости (корреляционные измерители углового положения искусственного спутника Земли, замкнутые инерциально-корреляционные системы).

Системы «без памяти» практически не нуждаются в априорной информации. В этих системах имеется два или более датчика поля, разнесенных в пространстве. Для определения задержек по времени одного сигнала по отношению к другому, и вычисления на этой основе скорости движения объекта, сигналы этих датчиков сопоставляются.

Для работы КЭС данного подкласса, как правило, необходимы поверхностные поля, так как расстояние между датчиками на движущемся объекте обычно недостаточно для улавливания изменения пространственного поля. Однако при этом можно использовать разнообразные, даже нестабильные во времени, поверхностные поля. Это обусловлено тем, что участок поля, воспринятый одним датчиком, тотчас воспринимается другим датчиком, и нестабильность полей во времени не оказывает заметного влияния на точность КЭС, если изменение поля не слишком быстрое. Водная среда — источник реверберационной помехи или облачный покров с их неоднородными (и нестабильными во времени) характеристиками для таких систем в ряде случаев также может служить полем. Это является достоинством КЭС «без памяти». Другим важным достоинством КЭС данного подкласса является отсутствие потребности в априорной информации. Для функционирования систем «с памятью» необходима априорная информация об используемом случайном процессе, очень часто в виде карт местности.

Дальнейшее деление всех подклассов КЭС может быть продолжено по способу хранения и обработки рабочей и априорной информации. С этой точки зрения КЭС делятся на следующие виды: аналоговые (непрерывные), цифровые (дискретные) и аналого-цифровые. Преимуществом аналоговых устройств является параллельная обработка информации, недостатком — ограниченная точность. Цифровые устройства можно реализовать аппаратным или программным способом. При аппаратной реализации используется соединение разнообразных функциональных блоков, обеспечивающих процесс обработки информации в соответствии с разработанным алгоритмом, то есть создается специализированное вычислительное устройство. При программной реализации алгоритм записывается в виде программы на одном из языков программирования для микропроцессора или микроконтроллера. Аналого-цифровые системы позволяют совместить параллельную обработку информации характерную для аналоговых устройств и высокую точность, присущую цифровым устройствам.

При натурном и математическом моделировании измерителей скорости различных движущихся объектов основанных на обработке радиолокационных и гидроакустических эхо-сигналов и с учетом расстояний от них до отражающей поверхности, возникает несколько проблем, требующих решения. Одной из важнейших проблем является определение спектральных и корреляционных характеристик принимаемых сигналов, на основе которых вырабатываются требования к технико-эксплуатационным характеристикам приемно-излучающих трактов и блокам обработки ОАЭС в корреляционных измерителях скорости, интерполяционных измерителях скорости или других ГАЛ с ЛБНП. Вопросам описания моделей неровностей отражающих поверхностей и характеристикам отраженных от них сигналов посвящено достаточно много литературы. Модели эхо-сигналов, приведенные в работе [51], не учитывают специфику области применения упомянутых СИС на морских и речных судах, которая заключается в том, что сигналы распространяются в гидросфере, где они подвержены существе! гному влиянию реверберации, затухания, рассеяния и других факторов.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

Опубликованные в 1958;2006 годах работы отечественных и зарубежных ученых [8−13,15,19, 22−27,29, 32−35, 41, 44−47, 49, 56−63, 69, 81−83, 87−88, 93, 94, 99−110] по корреляционным экстремальным системам (КЭС), корреляционным лагам (KJI) и ИСИС позволяют выделить несколько СИС и аппаратных реализаций этих способов.

Если авиационные КИС достаточно хорошо описаны в литературе: основополагающая монография Боркус М. К. и Черного А. Е. [27] и последующие работы на ее основе [16, 29], то о ГАЛ различных типов в научно-технической литературе сведений мало.

Особенностью КГАЛ является широкий диапазон измерения скоростей: практически от 0,1 узла до 40 узлов. Но для КЭС, как вычислительного устройства корреляционного лага, не решена задача ликвидации больших начальных отклонений [24, 56], а предложенные методы [24] противоречат требованию обеспечения работоспособности [22] в квазистатическом режиме. Для аналоговых [24] и цифровых [53] КЭС приведен анализ их поведения в квазистатическом режиме. В то же время отсутствуют сведения о методике проектирования вычислительных устройств лагов при дискретном представлении информации, методах повышения их точности и быстродействия, учете дополнительных погрешностей обусловленных дискретным представлением информации.

Предложенные новые корреляционные методы определения скорости движения судов [8, 9, 32−34] требуют комбинированных способов обработки измерительной информации — аналого-цифровых.

Классификация и определения, изложенные в работе [44], позволяют синтезировать около 1000 моделей КГАЛ, но не охватывают ГАЛ с ЛБНП построенных на новых СИС и новых способах обеспечения работоспособности широкодиапазонных лагов.

Натурное и математическое моделирование корреляционных измерителей скорости различных движущихся объектов и расстояний от них до отражающей поверхности, основанных на обработке гидроакустических и радиолокационных эхо-сигналов, требует решения нескольких проблем. Одной из важнейших проблем является знание спектральных и корреляционных характеристик отраженных сигналов, на основе которых определяются технико-эксплуатационные характеристики приемно-излучающих трактов и блоков обработки ОАЭС, будь то корреляционные измерители скорости (КИС), интерполяционные измерители скорости (ИИС) или другие ГАЛ с ЛБНП.

При натурном эксперименте очень дорогостоящими являются этапы морских и полетных испытаний. Сократить их стоимость можно, если разработать и создать имитаторы принимаемых сигналов, которые в максимальной мере соответствуют реальным сигналам, формируемых при отражении от поверхностей с различными свойствами. Такие имитаторы могут быть созданы в виде отдельных устройств или прикладных программ для ЭВМ. В связи с выше изложенным, возникают следующие научные задачи: а) необходимо проанализировать характеристики отражающих поверхностей, в частности, степень неровностейб) необходимо систематизировать выражения для корреляционных характеристик отраженных сигналовв) произвести анализ выражений для корреляционных и спектральных функций отраженных сигналов при различных отражающих поверхностяхг) необходимо проанализировать весовые функции усредняющих фильтров для моделирования ОАЭСд) разработать алгоритм работы имитатора ОАЭС.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Разработка гидроакустических лагов с линейной базой направленных приемников и различными типами вычислительных устройств и методов их проектированияповышение эффективности стендовых испытаний ГАЛ с ЛБНП.

ПРЕДМЕТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ являются новые системы обеспечения безопасности плавания и методы повышения эффективности их стендовых испытаний, а объектом исследования — гидроакустические лаги с линейной базой направленных приемников.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:

1. Разработать методы обеспечения работоспособности вычислительных устройств широкодиапазонных корреляционных лагов с линейной базой направленных преобразователей при больших начальных отклонениях, возникающих при включении электропитания или из-за резких изменений скорости объекта.

2. Разработать метод повышения точности и быстродействия корреляционных измерителей скорости с линейной базой направленных преобразователей в широком диапазоне скоростей.

3. Разработать методику проектирования вычислительного устройства измерителя скорости с линейной базой направленных преобразователей.

4. Разработать новые алгоритмы работы и типы вычислительных устройств лагов с линейной базой направленных преобразователей.

5. Расширить и уточнить классификационную таблицу КГАЛ с включением в нее новых типов измерителей скорости с линейной базой направленных преобразователей.

6. Решить задачу инвариантности применимости выражений для корреляционных функций АОЭС.

7. Решить задачу аппаратного моделирования ОАЭС, принятых антенной системой измерителя скорости с линейной базой направленных преобразователей, с учетом характеристик приемно-излучающего тракта, отражающей поверхности и движения носителя с углом сноса.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Методы обеспечения работоспособности вычислительных устройств измерителей скорости с линейной базой направленных преобразователей в широком диапазоне измерения скоростей.

2. Метод повышения точности и быстродействия измерителя скорости с линейной базой направленных преобразователей в широком диапазоне измерения скоростей.

3. Методика проектирования вычислительного устройства измерителя скорости с линейной базой направленных преобразователей.

4. Классификация ГАЛ с линейной базой направленных преобразователей с учетом новых типов лагов.

5. Метод аппаратного моделирования огибающих амплитуд эхо-сигналов, принятых антенной системой измерителя скорости с линейной базой направленных преобразователей, с учетом характеристик приемно-излучающего тракта, отражающей поверхности и движения носителя с углом сноса.

СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА. В настоящее время продолжаются интенсивные исследовательские работы, направленные на создание новых образцов измерителей скорости, обладающих повышенной эксплуатационной надежностью, точностью показаний, достаточной эффективностью применения и ремонтопригодностью.

Одновременно обозначилась тенденция к разработке измерителей скорости с ЛБНП специализированных типов для решения задач на других видах транспорта (железнодорожном, автомобильном) и в отраслях транспортировки жидкостей (вода, нефть).

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

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная новизна заключается в применении нетрадиционных методов обработки огибающих амплитуд эхо-сигналов для разработки высокоэффективных гидроакустических лагов с повышенным быстродействием и уменьшенными погрешностями, в том числе:

— разработаны методы обеспечения работоспособности вычислительных устройств корреляционных измерителей скорости с линейной базой направленных преобразователей в широком диапазоне измерения скоростей;

— разработан метод повышения точности и быстродействия измерителя скорости с ЛБНП в широком диапазоне измерения скоростей;

— разработана методика проектирования вычислительного устройства измерителя скорости с ЛБНП;

— разработаны новые типы вычислительных устройств ГАЛ с ЛБНП;

— уточнена классификация лагов с ЛБНП с учетом вновь полученных результатов;

— разработан метод моделирования ОАЭС, принятых антенной системой измерителя скорости с ЛБНП, с учетом характеристик приемно-излучающего тракта, отражающей поверхности и движения носителя с углом сноса, позволяющий повысить эффективность стендовых испытаний и существенно сократить этап морских испытаний.

Научная новизна исследований подтверждена десятью Авторскими свидетельствами СССР, полученными в соавторстве по данной тематике и тремя Патентами РФ на полезную модель полученными лично.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Доказывается корректным применением апробированного математического аппарата, совпадением результатов теоретических исследований с данными машинного имитационного моделирования, стендовых и натурных испытаний образцов гидроакустических лагов с ЛБНП в лабораторных и реальных условиях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по выбору и построению ГАЛ с ЛБНП с учетом условий эксплуатации и разработке методики проектирования этих ГАЛ. Важным практическим результатом являются разработка новых типов ГАЛ с ЛБНП и сокращения времени их проектирования при применении полученного метода аппаратного формирования ОАЭС, принятых антенной системой лага при движении судна с углом сноса. Основные выводы анализа, который приведен в диссертационной работе, подтверждены при машинном моделировании, стендовых и морских экспериментах с отдельными блоками и макетными образцами ГАЛ с ЛБНП.

Тема диссертационной работы связана с НИР и ОКР, проводимых на кафедре «Технические средства судовождения» в ФГОУ ВПО МГУ (ДВВИМУ, ДВГМА) им. адм. Г. И. Невельского в соответствии с общесоюзной программой «Океан» — планами НИР МТ (ММФ) на 1977;2001 гг.- программой «Урал-АС» 1982 г.- планами НИР вуза в рамках следующих общих тем: «Датчики навигационной информации для судового измерительного комплекса», «Исследование и разработка датчиков навигационной информации для обеспечения безопасности судовождения», «Повышение эффективности технических средств навигации и разработка методов их комплексного использования».

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты работы непосредственно использованы при выполнении госбюджетных и хоздоговорных НИР на кафедре «Технические средства судовождения» ФГОУ ВПО МГУ им. адм. Г. И. Невельского.

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

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные теоретические положения подтверждены при машинном имитационном моделировании и экспериментальных испытаниях макетных образцов ГАЛ с ЛБНП в морских условиях на исследовательских судах и лабораторных стендовых испытаниях с использованием имитатора ОАЭС. При разработке программ для ЭВМ, макетных образцов ГАЛ с ЛБНП и имитатора ОАЭС использованы результаты теоретических исследований, изложенных в диссертационной работе.

Материалы работы были доложены и одобрены на: четвёртой Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана» — 1983 г., международной научно-технической конференции «Наука — морскому образованию на рубеже веков» — 2000 г., региональной научно-практической конференции «Техническая эксплуатация флота. Пути совершенствования» — 2005 г., шестой международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» — 2005 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано 27 работ, в том числе 9 без соавторства, получено 10 авторских свидетельств СССР на изобретения и 3 патента РФ на полезную модель.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация представлена на 163 листах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения. Основной текст диссертации изложен на 133 страницах, включая 39 рисунков и 5 таблиц.

Список использованных источников

содержит 110 наименований.

3.5 Выводы по третьей главе.

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

1. Обоснованы статистические характеристики случайных процессов необходимых для схемотехнического моделирования и создания имитатора псевдослучайных аналоговых сигналов. Степень совпадения статистических характеристик реальных эхо-сигналов и сформированных достаточно хорошая, и сформированные процессы можно использовать для машинного моделирования работы вычислительных устройств лагов.

2. Разработана функциональная схема имитатора псевдослучайных аналоговых сигналов для настройки и испытаний вычислительных устройств гидроакустических лагов с ЛБНП и путем схемотехнического моделирования подтвержден предложенный метод формирования псевдослучайных процессов.

3. Подтверждено путем схемотехнического моделирования, что предложенный метод повышения быстродействия полярного дискретного коррелятора увеличивает быстродействие в два раза с одновременным увеличением точности измерения скорости.

4. Машинное моделирование функционального узла аналого-дискретного коррелятора с использованием амплитудно-широтного импульсного модулятора подтверждают работоспособность предложенных новых структур корреляторов с использованием широтно-импульсной модуляции и могут найти применение в новых разработках лагов.

5. Результаты стендовых и морских испытаний опытных образцов лагов с полярными дискретными и релейными корреляторами имеют достаточно хорошее совпадение с результатами теоретических исследований.

Основные научные результаты, изложенные в главе, опубликованы в работах [39, 40, 45, 46, 64, 65, 66, 67]. Публикации в изданиях перечня ВАК РФ [48].

Заключение

.

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

1. Синтезированы алгоритмы формирования статических характеристик корреляторов и разработаны методы устранения «больших» начальных отклонений в полярных дискретных корреляторах, позволяющие решить проблему обеспечения работоспособности широкодиапазонных корреляционных лагов.

2. Получены новые математические выражения для качественной и количественной оценки величин погрешностей в полярном дискретном корреляторе, позволившие синтезировать алгоритм формирования статической характеристики полярного дискретного коррелятора с повышенным быстродействием и разработать функциональную схему корреляционного лага с большей точностью измерения скорости.

3. Разработаны структурные схемы новых вычислительных устройств лагов с использованием широтно-импульсной модуляции, позволяющей сохранить информацию об огибающих амплитуд эхо-сигналов и разработаны функциональные схемы лагов с аналого-дискретными корреляторами для измерения продольной и модуля скорости.

4. Уточнена классификационная таблица лагов с включением в неё новых 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 структурные схемы новых типов лагов для различных условий эксплуатации.

5. Разработана методика инженерного проектирования полярного дискретного коррелятора взаимно-корреляционного измерителя скорости.

6. Систематизированы сведения о корреляционных функциях эхо-сигналов и на этой основе разработана функциональная схема имитатора аналоговых псевдослучайных сигналов, позволяющего проводить стендовые испытания вычислительных устройств гидроакустических лагов с линейной базой направленных приемников.

7. Машинное моделирование функциональных узлов имитатора аналоговых псевдослучайных сигналов и вычислительных устройств лагов подтвердили правильность выводов и рекомендаций, полученных теоретическим путем.