Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших задач судовождения была и остается задача автономного определения места судна (ОМС). Жесткие требования к точности ОМС предъявляются в условиях судоходства в каналах, узкостях, портах и прибрежном плавании. В связи с этим важное значение имеет проблема автоматизации всего процесса судовождения вблизи берегов и её основная часть - автоматизация процесса ОМС.
Неавтономные системы навигации, к которым относятся спутниковые радионавигационные системы (СРНС), не обеспечивают надежности определения места судна в условиях существования сильных электромагнитных помех (магнитные бури, промышленные помехи в диапазоне рабочих частот СРНС) и экранирования сигналов спутников естественными преградами в виде высоких берегов.
Альтернативой является использование резервной автономной навигационной системы. Наибольшее распространение получили системы счисления, состоящие из датчиков курса и скорости. В теории морской навигации описаны также способы определения и уточнения места судна по глубинам. Однако наличие только такой автономной навигационной системы и вышеупомянутых способов использования глубины с применением устаревших технологий не позволяет определить место судна с заданной точностью.
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 корреляционно-экстремальных систем навигации (КЭСН). В последнее время находят применение гидроакустические КЭСН, в которых используется информация о глубине под килем (батиметрические системы навигации (БСН)). Однако в доступной литературе отсутствуют подробные сведения о теоретических и практических разработках систем ОМС по глубинам и по градиентам глубин, работающих в реальном времени и основанных на современных информационных технологиях для
обеспечения безопасности мореплавания. Автономные гидроакустические навигационные системы ОМС отечественной промышленностью не производятся.
Научный базис для решения проблемы. В настоящее время при решении задач навигации по геофизическим полям (ГФП) используются КЭСН. Опубликованные в 1970-2005 годах работы отечественных и зарубежных ученых (В. К. Баклицкого, И. Н. Белоглазова, Г. А. Медведева, А. А. Красовского, Г. П. Чигина, А. Ф. Щербатюка, Р. N. Denbigh, N. Ingemar и др.) позволяют в теории построения КЭСН выделить три основных направления построения алгоритмов работы: поисковые системы, беспоисковые и рекуррентно-поисковые системы, которые обладают как достоинствами, так и недостатками.
Методы построения цифровых моделей рельефа (ЦМР) рассматриваются в работах следующих отечественных и зарубежных авторов: В. С. Икима, Ю. Л. Костюка, А. Л. Фукса, Н. С. Мирзы, А. И. Сорокина, М. F. Hutchinson, N. Ingemar, М. Jansson, М. Garland и др.
Цель диссертационной работы - совершенствование методов определения места судна с использованием судовых гидроакустических навигационных приборов для обеспечения безопасности мореплавания.
Область исследования - разработка методов и систем обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства. Объект исследования - совокупность методов и средств навигации и судовождения, в частности, батиметрические корреляционно-экстремальные системы навигации. Предмет исследования - совершенствование методов определения места судна с использованием судовых гидроакустических навигационных приборов.
Для достижения цели поставлены и решены следующие научные задачи:
1. Уточнение модели батиметрической системы навигации с выделением элементов и задач навигационного комплекса для формирования алгоритмически взаимосвязанного процесса обработки навигационной
информации.
Разработка метода формирования матрицы глубин морского дна с переменной структурой.
Разработка метода определения координат точек касания лучей доплеровского гидроакустического лага (ДГАЛ) с грунтом, градиентов глубин между ними и интерполяции глубин по карте заданных глубин (КЗГ).
4. Разработка метода последовательной оптимизации ОМС с
использованием данных эхолота.
Разработка метода ОМС по градиентам глубин с использованием данных ДГАЛ.
Натурное и машинное моделирование процедуры ОМС на основе имеющейся базы глубин морского дна в заданном районе плавания и информации от датчиков глубин.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Уточненная модель батиметрической системы навигационного
комплекса для формирования алгоритмически взаимосвязанного процесса
обработки навигационной информации с учетом составляющих элементов и
задач.
Метод формирования матрицы глубин морского дна с переменной структурой.
Метод последовательной оптимизации поиска места судна по данным эхолота.
4. Метод определения места судна по градиентам глубин с
использованием ДГАЛ.
Методы исследования. При решении поставленных научных задач использовались методы теории лучевой гидроакустики, корреляционно-экстремальных систем навигации, интерполяции, имитационного моделирования и натурного эксперимента, теории автоматического управления.
Научная новизна. Уточнена модель батиметрической системы навигации на основе судовых датчиков навигационной информации с
определением структуры взаимодействия алгоритмов и основных задач, выполняемых совокупностью распределенных подсистем, взаимосвязанных между собой и управляемых программно. Теоретически обоснованы новые методы определения места судна по глубинам на основе данных эхолота и по градиентам глубин на основе данных ДГАЛ. Разработан алгоритм уточнения исходной базы глубин по результатам текущих измерений, для повышения точности определения места судна. Разработан программный комплекс определения места судна по глубинам морского дна, позволяющий вести обработку и анализ результатов в реальном времени.
Обоснованность и достоверность результатов достигнута базированием на строго доказанных и корректно используемых выводах апробированного математического аппарата и совпадением результатов теоретических исследований с данными машинного моделирования и натурных испытаний при использовании реальной базы данных глубин.
Практическая ценность работы заключается в разработке алгоритмов моделирования КЭСН, формирования ЦМР. Разработанные алгоритмы ОМС по глубинам на основе данных эхолота и ДГАЛ, методика организации вычислительного процесса и программный комплекс определения места судна по глубинам, позволяющий вести обработку и анализ результатов в процессе движения судна в реальном времени, могут найти применение в судовых интегрированных мостиках совместно с электронной картографической навигационно-информационной системой.
Тема связана с НИР и ОКР, проводимыми на кафедре «Технические средства судовождения» в ФГОУ ВПО МГУ им. адм. Г. И. Невельского в соответствии с федеральными целевыми программами «Мировой океан» (1998— 2012 гг.) и «Модернизация транспортной системы России» (2002-2010 гг.), 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 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 экспериментально при натурных испытаниях. При разработке алгоритмов и программ для ЭВМ использованы результаты теоретических исследований, изложенных в диссертационной работе.
Материалы работы были доложены на: пятой международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока», 2003 г.; пятьдесят первой региональной научно-технической конференции творческой молодежи: "Наука делает мир лучшим", 2003; шестой международной научно-практической конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока», 2005 г.; седьмой международной научно-практической конференции "Проблемы транспорта Дальнего востока", 2007 и одобрены.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 работ, из них 3 - в изданиях рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация представлена на 152 листах машинописного текста и состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников и одного приложения. Работа содержит 60 рисунков, 8 таблиц и список использованных источников из 128 наименований.
