Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Анализ характеристик существующих информационно-измерительных систем управления движением морских объектов и постановка научно-технических задач 15
1.1. Общая характеристика и классификация информационно-измерительных систем управления водными и воздушными объектами 15
1.2. Сравнительный анализ характеристик надежности информационно-измерительных систем управления движением объектов 23
1.3. Методы повышения эффективности работы информационно-измерительных систем управления движением 31
Выводы по первой главе
Глава вторая. Алгоритмы повышения точности системы курсо-скоростного счисления и математическая модель работы измерительных каналов автоматизированной информационно-измерительной системы навигации 43
2.1. Анализ надежности элементов информационно-измерительной системы навигационных параметров и методика обработки измеренных показаний курса 43
2.2. Метод уменьшения дисперсии измерений курса при использовании синусно-косинусных датчиков 49
2.3. Алгоритм повышения точности и достоверности измерений скорости.. 57
2.4. Методика учета взаимосвязанных навигационных параметров движения при управлении
2.5. Структура и обобщенная математическая модель автоматизированной информационно-измерительной системы 69
Выводы по второй главе 87
Глава третья. Экспериментальная оценка точности в каналах измерения курса и скорости
3.1. Оценка повышения точности курсовой и скоростной информации 88
3.2. Оценка повышения точности определения географических координат методом навигационного счисления при применении алгоритмов цифровой обработки в каналах курса и скорости 94
3.3. Оценка эффективности применения алгоритмов управления движением 101
3.4. Экспериментальные испытания устройства дистанционной передачи курса и устройства измерения скорости в составе навигационной системы 108
Выводы по третьей главе 112
Глава четвертая. Внедрение результатов и техническая реализация ... 114
4.1. Структурная схема и техническая реализация устройства дистанционной передачи курса компасачКМ-145М 114
4.2. Структурная схема и техническая реализация устройства дистанционной передачи курса и устройства измерения скорости 116
4.3. Программное обеспечение вычислителей компаса КМ-145М и лага ИЭЛ-3 119
Выводы по четвертой главе 124
Заключение 125
Список литературы 126
- Сравнительный анализ характеристик надежности информационно-измерительных систем управления движением объектов
- Метод уменьшения дисперсии измерений курса при использовании синусно-косинусных датчиков
- Оценка повышения точности определения географических координат методом навигационного счисления при применении алгоритмов цифровой обработки в каналах курса и скорости
- Структурная схема и техническая реализация устройства дистанционной передачи курса и устройства измерения скорости
Введение к работе
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 лаги измерители 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, три 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.
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 2005г.
- Международная научно-техническая конференция "Инфор-мационно-вычислительные технологии и их приложения", МНИЦ, г. Пенза, 2005г.
- 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», ПТУ, Пенза, 2007г.
- Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», УГАТУ, Уфа, 2007г.
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.
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту к.т.н., доценту кафедры ВТиЗИ Котенко П.С. за консультации по вопросам навигации.
Сравнительный анализ характеристик надежности информационно-измерительных систем управления движением объектов
Современный уровень развития вычислительной техники и информационных технологий позволяет автоматизировать процесс судовождения [65]. Но существуют проблемы в автоматизации самой сложной, и при этом самой необходимой, части процесса судовождения - проведения судна в бухте или по сложному фарватеру. Эта проблема заключается в недостаточной точности навигационных приборов и подсистем [66]. Кроме того, необходимо повысить общую надежность навигационного комплекса корабля, поскольку цена ошибки в работе такой системы очень велика. Для того, чтобы уменьшить вероятность ошибок экипажа необходимо включить в состав навигационной системы судна подсистему поддержки принятия решений. Такая подсистема должна выполнять функции контроля за работой всех датчиков, системы обработки и фильтрации данных, а также контроль за действиями человека-оператора. Также на нее следует возложить функции выдачи предупреждающих сигналов о потенциально опасной ситуации.
В работе предлагается повысить общую точность навигации-онной системы и ее отказоустойчивость путем повышения точности некоторых датчиков, а также путем разработки и внедрения алгоритмов комплексной обработки и фильтрации навигационных данных, и некоторых алгоритмов, позволяющих автоматизировать управление судном, и путем изменения структуры НС. Современную навигационную систему в наиболее полном объеме можно представить как трехканальную систему с разнородным резервированием и с резервным каналом, замкнутым на штурмана (оператора) (см. рисунок 1.2): - канал навигационного счисления с приемником СНС (и/или РНС), который является основным контуром; - канал курсоскоростного счисления, дополненный внешними дискретными модулями, который может являться резервным контуром счисления при деградации комплексированной системы канала инерциального счисления.
Вертикальный канал судовождения осуществляется при помощи эхолота, измеряющего глубину под килем, и гидролокатора, например, бокового обзора, установленного также под килем так, чтобы ось вибратора была направлена под углом 55 вниз от горизонтальной плоскости, широкой диаграммой прямо по курсу судна. При такой установке гидролокатор будет зондировать рельеф дна перед судном с углами ± 27,5 от продольной оси судна.
Обозначения на рисунке 1.2: Vx,Vy- продольная и поперечная линейная скорость судна, у/м- магнитный курс, Wx,Wy- продольная и поперечная путевые скорости судна, (р, Я- долгота и широта, - глубина под корпусом судна,Н2,Н3- глубины слева и справа перед корпусом судна по направлению движения, ПУ- путевой угол. Кроме того, система должна содержать вычислитель, обеспечивающий комплексирование и реализующий функции фильтрации и оптимизации. В качестве средства отображения местоположения судна к НС должна подключаться картографическая система (ЭКНИС).
Состав электронного оборудования на современных судах регламентируется требованиями регистра, которые в свою очередь базируются на правилах судоходства, установленных ІМО.Состав оборудования и его номенклатура зависят от класса судна (река, озеро, море), района плавания (ограниченный, неограниченный), водоизмещения и назначения судна (к оборудованию пассажирских судов предъявляются более жесткие требования). На современных судах может использоваться инерциальная навигационная система (ИНС). Она предназначена для определения текущих координат движущегося объекта, выработки параметров его движения и углового положения. При этом используются только сведения о начальном положении объекта и результаты обработки показаний входящих в состав ИНС чувствительных элементов.
Для судов всех типов [75,76] установлен следующий базовый состав оборудования, обеспечивающий непрерывное счисление координат местоположения судна: магнитный компас - предназначен для определения магнитного и истинного курса судна (с учетом введенного вручную склонения); астросистема — позволяет получить данные о широте и долготе в условиях видимости звезд, а также астрономический или истинный курс; гироскопический компас - предназначен для определения истинного курса корабля (гироскопический или ортодромический курс); относительный лаг - система, позволяющая определить скорость движения корабля относительно воды.
Для коррекции счисленных координат и обеспечения непрерывности отсчета на судах используется приемник глобальной спутниковой навигационной системы (СНС). Он позволяет определить текущие географические долготу, широту точки, в которой находится судно, а также некоторые другие параметры движения (путевой угол, путевую скорость с приемлемой точностью). При определенных условиях СНС может обеспечивать систему разнородного резервирования навигационных параметров и счисления пути. При необходимости могут также использоваться радионавигационные системы ближней, дальней или сверхдальней навигации: приемник радиотехнической глобальной системы сверхдальней навигации Omega выдает судовым потребителям долготу и широту места, а также путевой угол и путевую скорость, если не предъявляются высокие требования к точности их выдерживания; приемник радиотехнической системы дальней навигации Loran-C также позволяет определить долготу и широту места, имеет точность, на порядок превосходящую точность системы Omega, но не является глобальной. Системы Loran покрывают только часто используемые морские и авиационные трассы; приемник радиотехнической системы ближней навигации VOR/DME. Как и другие радиосистемы, определяет долготу и широту места. Точность этой системы превышает на порядок точность систем типа Loran. Зоны покрытия этой и аналогичных радиосистем ближней навигации имеют небольшие размеры и находятся только на наиболее важных участках воздушных и морских трасс. В качестве средств отображения информации используются электронная картографическая навигационная информационная система (визуальное отображение на карте текущего положения судна в акватории, магнитное склонение) и картографический планшет. Одним из важнейших условий для проектирования перспективной навигационной судовой системы является ее минимальная стоимость. Это означает, что следует максимально использовать установленное на судне базовое оборудование.
Метод уменьшения дисперсии измерений курса при использовании синусно-косинусных датчиков
Известен способ обработки сигналов феррозондов, который реализуется в феррозондовом датчике азимута [98]. Способ заключается в том, что сигналы феррозондов усиливают, детектируют и преобразуют в цифровые коды, которые далее используют для вычисления азимута.
Недостатком такого способа является отсутствие контроля значений сигналов феррозондов, по которым вычисляется азимут. В результате при обработке сигналов, которые вследствие воздействия помех превышают по величине диапазоны входных сигналов аналого-цифровых преобразователей, получаемые значения азимута имеют большие погрешности.
Известен также способ обработки сигналов феррозондов, реализованный в устройстве для контроля комплекса параметров траектории скважин и угла установки отклонителя [99]. Он заключается в том, что сигналы феррозондов усиливают, трансформируют путём передачи через синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы и преобразуют в цифровые коды, которые далее используют для вычисления азимута. Достоинством этого способа является то, что, за счёт передачи сигналов феррозондов через вращающиеся трансформаторы изменяются функциональные зависимости сигналов и упрощаются алгоритмы вычисления азимута. Однако данный способ имеет тот же существенный недостаток, что и предыдущий аналог, т.к. при его использовании допускается обработка сигналов, значения которых вследствие воздействующих на устройство вибраций и ударов превышают диапазон входных сигналов аналого-цифрового преобразователя, в результате чего возникают большие погрешности при определении азимута.
Наиболее близким по сущности к предлагаемому способу обработки сигналов синусно-косинусных датчиков является способ, который принят в качестве прототипа и реализован в преобразователе азимута инклинометра [100]. Он заключается в том, что сигналы феррозондов, которые имеют ортогональные оси чувствительности и представляют собой синусно-косинусный датчик, усиливают, детектируют и преобразуют в цифровые коды, используемые далее для вычисления азимута, т.е. угла поворота подвижного объекта в горизонтальной плоскости. При этом производят измерения опорных сигналов, соответствующих некоторому действующему значению входного сигнала применяемых аналого-цифровых преобразователей и потенциалу общего провода схемы преобразователя, что позволяет учесть изменения параметров каналов преобразования сигналов феррозондов и тем самым повысить точность измерения азимута.
Предлагаемая методика решает задачу определения режимов работы синусно-косинусных датчиков с целью обеспечения возможности отбраковки сигналов, обработка которых приводит к большим погрешностям при определении измеряемых параметров, а также с целью выявления аварийных ситуаций при работе преобразователей.
Технический результат, получаемый от использования изобретения, состоит в увеличении точности измерений параметров за счёт снижения дисперсии измеренных значений параметров, а также в обеспечении возможности защиты преобразователей с синусно-косинусными датчиками при коротких замыканиях и обрывах в их электрических цепях.
Решение указанной задачи достигается тем, что в способе определения режимов работы синусно-косинусных датчиков, который заключается в усилении, детектировании и аналого-цифровом преобразовании сигналов датчиков, а также в использовании значений опорных сигналов при обработке измерительной информации, в отличие от прототипа определяют абсолютные значения сигналов датчиков и сравнивают их со значениями опорных сигналов, которые соответствуют заданным границам диапазонов изменения сигналов датчиков, при этом режимы, характеризующие изменения в работе датчиков, определяют из условий не превышения абсолютными значениями обоих сигналов синусно-косинусных датчиков значений соответствующих опорных сигналов.
Однако, если сигналы датчика уменьшатся в 10 раз, т.е. примут значения Uc = 0,09U0 и Us = 0,025U0, то при прочих равных условиях значение измеряемого станет равным 4 = 16,768, а соответствующая погрешность составит Тяз - FRI = 1,244. Это значение погрешности не позволяет считать измерения точными и требует либо коррекции, либо исключения соответствующих результатов измерений.
Если абсолютные значения одного или обоих сигнала датчика превышают величину Uo, то условия (2.10) не выполняются, нарушаются синусные и косинусные зависимости сигналов от измеряемого угла и возникают существенные погрешности. Например, если косинусный сигнал датчика Uc принимает положительные значения, превышающие U0, то его цифровое значение будет неизменным и равным 2N. В этом случае при прежнем значении Us = 0,25Uo измеренное значение угла составит = brctg S. = 14,036, (2ЛЗ) а погрешность измерения будет иметь недопустимо большое для точных измерений значение 4 4 - т = -1,488. Таким образом, как режим малых сигналов, так и режим больших сигналов (режим перенапряжений) синусно-косинусных датчиков являются нежелательными, т.к. приводят к большим погрешностям измерений параметров. Поэтому с целью коррекции неточной измерительной информации в процессе работы датчиков эти режимы необходимо определять.
В предлагаемом способе указанные режимы определяются при сравнении абсолютных значений сигналов датчиков с заданными значениями соответствующих опорных сигналов. При этом новизна и неочевидность предлагаемого способа состоит в том, что он пригоден для выявления различных по существу режимов работы синусно-косинусных датчиков, а также в том, что абсолютные значения обоих сигналов датчиков сравнивают только с одним общим для них опорным сигналом.
Оценка повышения точности определения географических координат методом навигационного счисления при применении алгоритмов цифровой обработки в каналах курса и скорости
Метод навигационного счисления пути заключается в вычислении координат местонахождения судна путем интегрирования скорости его движения. В авиации оно имеет две основные разновидности: аэрометрическое счисление и курсо-допплеровское. В последние годы широкое распространение получил метод стохастического анализа процесса навигации [11,12,13]. Рассматривая этот процесс как стохастический, следует подробнее остановиться на классификации навигационных погрешностей.
По характеру их действия на формирование координат на участке счисления (до коррекции) погрешности можно разделить на три группы: - методические — вызванные несовершенством принятого для вычислений навигационного алгоритма, а также конечностью разрядной сетки и частоты дискретизации; - постоянные для данного участка счисления, но изменя-ющиеся для других участков; - случайные - являющиеся случайной функцией времени.
Примером погрешности первого вида может быть погрешность интегрирования. К погрешностям второй группы относится, например, погрешность определения параметров морских течений. Примером третьей группы погрешностей может являться погрешность определения скорости, вызванная стохастическим процессом измерения. Наиболее распространенным в судовождении является первый тип счисления, соответствующий аэрометрическому методу. Произведем оценку погрешности счисления.
Следует заметить, что V=f(t), \/= p(t), a U = g(q ,X ), y/T =s( p ,Z ), где (р ,Л - долгота и широта на предыдущем шаге интегрирования, поскольку параметры течения определяются по навигационным картам. Таким образом, (3.10) является в общем случае итерационным алгоритмом, но учитывая то, что временной промежуток автоматического интегрирования составляет 1 с, считаем, что течение за промежуток счисления значительно не изменится.
Показания лага и компаса мы можем представить в виде сумм истинного значения и погрешности: ц/ = ц/ист+Аі// , V = Vucm + AV . Для компаса и лага погрешность вызывается явлениями неидеальности заводской калибровки Д Рк, L if AVK, качкой ДЧ кач, изменением проводимости воды AVn. Погрешностями, вызванными ограниченностью разрядности АЦП, пренебрегаем, так как при используемом 12-разрядном АЦП погрешность будет не более 1/4096 от IZ максимального значения параметра (для курса это составляет 0,09, для скорости 0,02 узла).
Первые слагаемые уравнений определяются погрешностью корректора. Пятое и шестое слагаемые в уравнениях (3.13) определяют погрешность счисления, которая появляется вследствие ошибки в задании параметров течения. Остальные слагаемые определяют погрешность от неидеальности заводской калибровки, качки и изменения проводимости воды.
Таким образом, погрешность определения на плоскости является суммой окружности (С на рисунке 3.8) или более сложной фигурой рассеяния показаний, определяемая корректором, эллипса (В), оси которого расположены вдоль меридианов и параллелей и соответственно определяются вторым, третьим, четвертым слагаемыми в уравнениях системы, а значит и погрешностью показаний компаса и лага, и эллипса, определяемого погрешностью задания параметров течения (А).
Следует заметить, что хотя и погрешность курса от качки и является периодической синусоидальной функцией времени, тем не менее, погрешность, вносимая ею, значительна, так как при постоянно меняющемся курсе значительно увеличивается ошибка численного интегрирования, что отсутствует при относительно постоянном курсе.
Оценим эффект от первого фактора, сравнивая длины пути при применении РНС Loran-C и курсо-скоростное счисление при помощи математического моделирования. Выигрыш в длине пути будет достигаться за счет того, что при большей точности определения географических координат в каждой точке отклонение от траектории будет меньше и при коррекции координат траектория подхода к ортодромии будет минимальной длины .
Структурная схема и техническая реализация устройства дистанционной передачи курса и устройства измерения скорости
Индукционный электромагнитный лаг ИЭЛ-3 (военная модификация ИЭЛ-2М2) разработан в НИИ ТС «Пилот» и внедрен в производство на ЗАО «Катав-Ивановский приборостроительный завод». Автором проведены научные исследования, предложена структурная схема, принципиальная электрическая схема вычислителя центрального прибора и вычислителя измерительного преобразователя скорости, алгоритмы их функционирования и передачи информации.
Структурная схема лага ИЭЛ-3 представлена на рисунке 4.5. Для реализации выбрана модульная схема с целью унификации с компасом КМ-145 и удобного размещения приборов в рубке штурмана. Кроме того, существенным ограничением было то, что расстояние от центрального вычислителя до датчика лага может быть значительным (несколько десятков метров), в связи с чем передавать аналоговый сигнал на такое расстояние нецелесообразно. Поэтому функционально вычислитель был разделен на два прибора: - измерительный преобразователь, выполняющий функции аналого-цифрового преобразования скорости, первичной обработки, измерения проводимости воды и передачи в цифровом виде для дальнейшей обработки;
- центральный прибор, в котором производится управление измерительным преобразователем, расчет и индикация текущих значений скорости, выдача данных скорости в другие корабельные системы по стандарту NMEA-0183.
Центральный прибор содержит в себе вычислитель на базе RISC микроконтроллера ATmega32, интерфейс RS-422. Блок питания и сопряжения аналогичен компасу КМ-145. Измерительный преобразователь скорости содержит в себе вычислитель на базе RISC микроконтроллера ATmega32, работающего на частоте 8Мгц, АЦП и интерфейс для связи с центральным прибором.
В качестве вычислителя используется микроЭВМ ATmega32 фирмы Atmel с RISK архитектурой. К ее основным характеристикам относятся: разрядность - 8 бит; число команд -131; производительность до 16 миллионов операций в секунду (при выполнении операций умножения — до 8); 32 кб флеш-памяти программ; 2 кб статического ОЗУ; 1 кб EEPROM для хранения коэффициентов и настроек с 100000 циклов перезаписи; предусмотрена аппаратная защита программы от копирования; 32 линии ввода-вывода со стоком до 20 мА; 2x8 разрядных, 1x16 разрядный таймер-счетчик; 4 ШИМ канала; универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик (UART); 8 канальный, 16-разрядный АЦП с максимальной частотой преобразования 5 кГц; " рабочая температура -40.. .+85С.
Архитектура микроЭВМ - гарвардская, с раздельными шинами команд и данных. Это исключает несанкционированное самоперепрограммирование. Цена на 2007 год составляет около 4 евро.
Из вышеприведенных характеристик очевидно, что данная микроЭВМ обладает характеристиками, удовлетворяющими основным требованиям по jt производительности, температуре. Наличие большого числа периферийных устройств позволяет до минимума сократить обвязку вычислителя и сократить, »« таким образом, объем, стоимость и энергопотребление приборов. На рисунке 4.10 представлена блок-схема алгоритма программы вычислителя компаса КМ-145М, состоящая из 4 основных подпрограмм: - основной модуль; - подпрограмма прерывания от АЦП; - подпрограмма прерывания от таймера 0; - подпрограмма прерывания от таймера 1. На рисунке 4.11 представлена блок-схема алгоритма программы вычислителя центрального прибора лага ИЭЛ-3. Она состоит из следующих подпрограмм: - основной модуль ЦП; 124 - подпрограмма прерывания от таймера 0; - подпрограмма прерывания от таймера 1; - подпрограмма прерывания от UART. На рисунке 4.12 представлена блок-схема алгоритма программы вычислителя ИПС лага ИЭЛ-3. Она состоит из следующих подпрограмм: - основной модуль ИПС; - подпрограмма прерывания от UART; - подпрограмма прерывания от АЦП. Программы были написаны на языке С, с использованием компилятора ICCAVR фирмы Imagecraft. Объемы программ: вычислитель КМ-145М- 8523 команды, центральный прибор ИЭЛ-3 - 8010 команд, вычислитель ИПС лага - 933 команды. м - Выводы по четвертой главе. 1. Рассмотрены структурные схемы приборов системы курсо-скоростного счисления. Приведены алгоритмы работы управляющих программ лага и компаса, разработанных на основе предлагаемых методов повышения точности. Приведено их краткое описание. , 2. На основе научных исследований разработаны навигационные " А ЇМ? приборы лаг ИЭЛ-3 и компас КМ-145М, успешно прошедшие государственные ; испытания. Ї Заключение. : 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; tiS - разработана 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. 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 использования элементов конструкции первичного преобразователя лага и установлен метод коррекции его показаний по показаниям СНС; - предложена методика комплексирования каналов местоопределения, основанных на различных физических принципах с учетом корректной деградации системы при отказах ее элементов, позволяющий повысить надежность и отказоустойчивость системы определения местоположения судна.
