Введение к работе
Актуальность темы. Автономное определение путевой скорости и угла сноса судна всегда являются одними из важнейших задач в судовождении. Это определяет повышенные требования к технико-экономическим характеристикам лагов, поскольку информация от них совместно с данными от приборов курсоуказания позволяет осуществить непрерывное и автономное счисление и используется для исключения методических погрешностей других технических средств навигации.
Специалистами в области судовождения и приборостроения уделяется большое внимание вопросам совершенствования лагов, в том числе их работоспособности на высокоманевренных судах, методам высокотехнологичного проектирования, а также расчетам инструментальных и методических погрешностей.
Теоретические и экспериментальные исследования, проводимые с целью развития и совершенствования аппаратуры автономной навигации, привели к разработке корреляционных гидроакустических лагов, достаточно перспективных, по мнению отечественных и зарубежных ученых. В теоретическом и техническом аспектах эти лаги достаточно полно не изучены, мало исследований по обеспечению работоспособности лагов при больших начальных отклонениях в широком диапазоне измеряемых скоростей, методам увеличения их быстродействия и точности, проектированию вычислительных устройств.
С учётом сказанного можно утверждать, что разработка методов обеспечения работоспособности лагов при больших начальных отклонениях в широком диапазоне измеряемых скоростей и методов увеличения их быстродействия и точности является актуальной задачей.
Научный базис для решения проблемы. Опубликованные в 1970-2005 годах работы отечественных и зарубежных ученых (Боркус М. К., Воловов В. И., Завьялов В. В., Козубовский С. Ф., Красовский А. А., Тарасенко В. П., Ап-dermo I., Denbigh P. N., Dickey F. R. и др.) по корреляционно-экстремальным системам, корреляционным лагам позволяют сделать выводы о возможности
практического использования нескольких способов измерения скорости перспективных для технической реализации. Задачи статистического анализа стохастических процессов, разработки методов и технических средств анализа спектральных и корреляционных характеристик случайных процессов, формирования отрезков реализаций случайных процессов с заданными корреляционными и спектральными характеристиками на основе цифровой фильтрации описаны в литературе (Быков В.В., Грибанов Ю. И., Мирский Г. Я., Бендат Дж., Марпл-мл. С. Л., и др) и служат базой для специальных исследований навигационной аппаратуры, в том числе лагов.
Цель работы. Совершенствование корреляционных лагов с целью обеспечения работоспособности при больших начальных отклонениях в широком диапазоне скоростей, увеличения быстродействия на основе использования дополнительного канала управления и разработка методов проектирования вычислительных устройств.
Предметом исследования является разработка новых систем обеспечения безопасности плавания, а объектом исследования - методы обеспечения работоспособности корреляционных гидроакустических лагов при больших начальных отклонениях в широком диапазоне скоростей и увеличения быстродействия на основе использования дополнительного канала управления.
Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие научные задачи:
Разработка методов устранения больших начальных отклонений в вычислительных устройствах лагов обеспечивающих работоспособность в широких диапазонах измеряемых скоростей, синтез алгоритмов формирования статических характеристик и функциональных схем лагов.
Разработка метода оценки быстродействия полярного дискретного коррелятора, синтез алгоритма формирования статической характеристики вычислительного устройства и функциональной схемы лага с повышенным быстродействием и точностью.
Разработка методики проектирования вычислительных устройств ши-
рокодиапазонных лагов с повышенным быстродействием и точностью.
Синтез структурных и функциональных схем вычислительных устройств лагов для измерения модуля скорости и продольной скорости судна с использованием широтно-импульсной модуляции для сохранения информации об амплитудах сигналов.
Уточнение классификационной таблицы лагов с включением в нее вновь разработанных схем построения вычислительных устройств измерителей скорости.
Разработка имитатора псевдослучайных аналоговых сигналов с возможностью изменения транспортного запаздывания при одновременном изменении спектральных и корреляционных характеристик сигналов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методы устранения больших начальных отклонений в вычислительных устройствах корреляционных лагов с повышенным быстродействием и точностью.
Новые типы вычислительных устройств гидроакустических лагов
Имитатор аналоговых псевдослучайных сигналов с заданными корреляционными и спектральными характеристиками.
Методы исследования. При решении поставленных научных задач использовались методы теории автоматического управления, корреляционного и спектрального анализа стохастических процессов, теории фильтрации, натурного эксперимента и схемотехнического моделирования.
Научная новизна работы заключается в: разработке методов обеспечения работоспособности, повышения точности и быстродействия, проектирования вычислительных устройств корреляционных лагов в широком диапазоне измерения скоростей; разработке новых типов вычислительных устройств лагов для измерения модуля полной скорости и продольной скорости; уточнении классификации лагов с линейной базой направленных приемников (ЛБНП); разработке метода аппаратного моделирования огибающих амплитуд эхосигна-лов, принятых антенной системой измерителя скорости с ЛБНП, с учетом ха-
рактеристик приемно-излучающего тракта, отражающей поверхности и движения носителя с углом сноса, позволяющего повысить эффективность стендовых испытаний и существенно сократить этап морских испытаний.
Достоверность результатов доказывается использованием апробированного математического аппарата и совпадением результатов теоретических исследований с данными машинного моделирования, стендовых и натурных испытаний образцов гидроакустических лагов с ЛБНП в лабораторных и реальных условиях.
Практическая ценность работы заключается в разработке рекомендаций по выбору алгоритмов и построению вычислительных устройств лагов с ЛБНП с учетом условий эксплуатации и разработке методики их проектирования. Важными практическими результатами являются разработка новых типов лагов с ЛБНП и сокращение времени их проектирования при применении полученного метода аппаратного формирования огибающих амплитуд эхосигна-лов, принятых антенной системой лага при движении судна с углом сноса.
Тема связана с НИР и ОКР, проводимыми 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.; федеральными целевыми программами "Мировой океан" (1998-2012 гг.) и "Модернизация транспортной системы России" (2002-2010 гг.), планами НИР вуза в рамках 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 научно-исследовательских работ на кафедре "Технические средства судовождения" ФГОУ ВПО МГУ им. адм. Г. И. Невельского.
Выводы и рекомендации, полученные при разработке диссертации, вне-
дрены 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 моделировании и экспериментальных испытаниях макетных образцов гидроакустических лагов с ЛБНП на исследовательских судах и лабораторных стендовых испытаниях с использованием имитатора огибающих амплитуд эхосигналов. При разработке программ для ЭВМ, макетных образцов лагов с ЛБНП и имитатора сигналов использованы результаты теоретических исследований, изложенные в диссертационной работе.
Материалы работы были доложены и одобрены на: ежегодных НТК ДВВИМУ (ДВГМА, МГУ) им. адм. Г. И. Невельского (1978-2006 гг.), 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 объём диссертации. Диссертация представлена на 164 листах машинописного текста и состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения. Работа содержит 39 рисунков, 5 таблиц и список использованных источников из 110 наименований.
