Введение к работе
Актуальность научной проблемы обусловлена все более широким развитием космических, воздушных, морских, речных, железнодорожных и автомобильных транспортных систем, которые должны осуществлять перевозки эффективно, то есть экономично, регулярно и безопасно. Один из путей повышения эффективности работы транспорта – совершенствование навигационного обеспечения управляемых транспортных средств (ПТС).
Под навигационным обеспечением понимается динамическая система по формированию, передаче, приеме и обработке навигационной информации для решения задач целенаправленной доставки грузов управляемыми ПТС. Навигационное обеспечение в контексте данной работы не включает организационных вопросов и материального оснащения. В то же время является более широким понятием, чем определение текущих координат объекта навигации.
Особенность применения средств навигации в современных условиях – широкий диапазон изменения расстояний в бытовых, хозяйственных, производственных, специальных и научных целях, – от глобальных до ограниченных единицами метров, при постоянно повышающихся требованиях к точности.
В этих условиях актуальными являются решения задач, связанных с анализом количественной стороны навигационной информации. Одна из задач обусловлена тем, что в условиях высокой плотности транспортных потоков существенно проявляется пространственная анизотропия навигационных измерений. Учесть одновременно и точность определения координат, и геометрический фактор позволяет информационный подход, при котором производятся как измерения координат, так и определение формы апостериорной области неопределенности положения транспортного средства.
Важно определить также выигрыш от комплексирования средств навигации при создании и применении комплексной навигационной системы. Отличие формы апостериорной области неопределенности от сферы (или круга) не позволяет в полной мере использовать преимущества комплексирования, так как не отвечает на вопрос об изменениях формы этой области. Между тем количественный показатель эмерджентности навигационной информации, позволяет получить непосредственное представление об эффективности комплексирования.
При синтезе комплексных навигационных систем важная задача – обеспечить инвариантность эффективности навигационного обеспечения к отказам используемых систем и устройств, а также априори установить распределение информационных ресурсов, необходимых для реализации микропроцессорных устройств. Это возможно на основе предварительного системного и информационного анализа.
Таким образом, существует народно-хозяйственная проблема повышения эффективности навигационного обеспечения управляемых ПТС, решение которой позволит обеспечить повышение эффективности процессов перевозок и применения на этой основе современных логистических схем в производстве, торговом и туристическом бизнесе; совершенствовать обороноспособность страны, повысить качество научных исследований, связанных с позиционированием объектов в пространстве или на поверхности.
Научной проблемой, вытекающей из народно-хозяйственных задач, является синтез навигационного обеспечения как сложной динамической системы с показателем эффективности, инвариантным к структурным и информационным изменениям комплекса бортовых средств навигации.
Объект исследования – навигационное обеспечение управляемых ПТС как сложная динамическая система.
Область исследования – информационный анализ и структурный синтез навигационного обеспечения управляемых ПТС.
Цель исследований. Создание методики информационного анализа навигационного обеспечения управляемых ПТС и методологии синтеза навигационного обеспечения, показатель эффективности которого инвариантен к структурным и информационным изменениям комплексной навигационной системы.
Задачи исследований, которые вытекают поставленной цели:
1) выполнить системный и информационный анализ навигационного обеспечения ПТС;
2) разработать критерий эффективности навигационного обеспечения по разомкнутой модели применения управляемых ПТС;
3) произвести синтез и исследование новых алгоритмов повышения количества навигационной информации;
4) разработать методологию синтеза навигационного обеспечения ПТС инвариантного к изменениям структуры и информативности комплексной навигационной системы;
5) выполнить экспериментальные исследования, необходимые для теоретических обобщений, а также подтверждающие теоретические выкладки.
Методы исследований основаны на применении: а) теории системного анализа для декомпозиции и функционально-морфологического анализа навигационного обеспечения как сложной динамической системы для всестороннего рассмотрения его свойств с целью повышения эффективности; б) теории информации для формирования выводов информационного анализа о количестве добываемой навигационной информации в процессе решения основной и вторичной задач навигации; в) теории автоматического управления для оценки влияния навигационного обеспечения на поведение многомерной динамической системы «информационно-управляющая система – объект управления» при детерминированных и стохастических воздействиях; г) математических методов обработки сигналов (теории вероятностей, теории дифференциальных и интегральных уравнений, преобразований Фурье и Лапласа); д) теории множеств для описания областей неопределенности позиционирования подвижных объектов; е) теории комплексных чисел для представления характеристик двумерных множеств, содержащих объекты с ортогональными свойствами; ж) статистической теории радионавигации, при описании информативности радионавигационных сигналов; з) экспериментальных исследований для получения исходных данных для анализа навигационного обеспечения, а также для проверки теоретических выводов.
Научная новизна. В диссертационной работе предмет научной новизны представляют исследования нового объекта – навигационного обеспечения информационно-управляющих систем подвижных объектов транспорта как сложной динамической системы: а) новым методом – методом информационного анализа адаптированного к исследованию указанного объекта; б) известными методами, перечисленными выше.
Конкретно научную новизну составляют впервые полученные:
1) результаты информационного анализа:
а) навигационного обеспечения с учетом условий применения объекта навигации;
б) информативности навигационных сигналов;
в) навигационных измерений в условиях априорной неопределенности;
г) позиционирования в спутниковой радионавигационной системе;
2) представление показателей надежности сложных информационно-управляющих систем в виде комплексных функций времени;
3) методика расчета показателя эффективности навигационного обеспечения с учетом оценки доступности навигационных определений и решения вторичных навигационных задач;
4) алгоритмы повышения количества навигационной информации;
5) методология синтеза навигационного обеспечения с показателем эффективности, инвариантного к структурным и информационным изменениям комплексной навигационной системы.
Научная и практическая значимость работы состоит в том, что для навигационного обеспечения управляемых ПТС:
1) создана методика информационного анализа;
2) создана методология синтеза;
3) предложено представление показателей надежности в виде комплексных функций времени;
3) повышена информативность путем:
а) восстановления траектории движения при одномерных навигационных измерениях;
б) выбора оптимального сочетания конических сечений в качестве линий положения;
в) использования априорных сведений о «жесткой» траектории движения объекта с известным математическим описанием;
г) оценки доступности навигационных определений;
д) учета реальной скорости распространения радионавигационных сигналов в районе позиционирования;
е) использования избыточности радионавигационных сигналов соответственно систем дальней и ближней навигации.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Математические методы:
а) информационного анализа навигационного обеспечения подвижных объектов;
б) расчета показателя эффективности навигационного обеспечения по разомкнутой модели;
в) представления показателей надежности сложных информационно-управляющих систем в виде комплексных функций времени.
2. Методология повышения информативности навигационного обеспечения и методика синтеза навигационного обеспечения с показателем эффективности, инвариантного к структурным и информационным изменениям комплексной навигационной системы.
3. Алгоритмы повышения количества навигационной информации, добываемой в процессе навигационного обеспечения подвижного транспортного средства.
Достоверность результатов подтверждается:
1) соответствием применяемого метода анализа объекта положениям и выводам теории информации, теории множеств, теории вероятностей, теории комплексных чисел и математического анализа;
2) математически корректной методикой вывода формул и разработки алгоритмов с четким выделением ограничений и допущений;
3) практическими результатами, полученными при проведении экспериментов.
Внедрение результатов работы. Разработанные алгоритмы повышения информативности навигационных определений использованы:
-
в практической работе ОАО «ОКБ СУХОГО»;
-
в практической работе службой автоматики и телемеханики Восточно-Сибирской железной дороге ОАО РЖД;
-
в учебном процессе:
а) Иркутского государственного университета путей сообщения (ИрГУПС) и филиалов ИрГУПС – Забайкальском и Красноярском институтах железнодорожного транспорта по специальности «Автоматика и телемеханика»;
б) физико-технического института Иркутского государственного технического университета по специальности «Радиотехника»;
в) военного авиационного инженерного университета (г. Воронеж) по специальности «Эксплуатация авиационного радиоэлектронного оборудования».
Результаты внедрения подтверждаются актами.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались:
1. На трех международных научно-практических конференциях в г. Одесса: "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании" в 2005, 2006 г. и «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» г. Одесса, Украина, в 2007 г.
2. На первом международном симпозиуме «Инновации и техническое обеспечение модернизации железных дорог» г. Нанчанг, Китай, 2008 г.
3. На ХI международной конференции «Информационные и математические технологии в научных исследованиях», Иркутск, 2006 г.
4. На Х международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» , г. Санкт-Петербург, 2006 г.
5. На 3-м евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата «Eurastrencold-2006», г. Якутск, 2006 г.
6. На международной научно-технической конференции посвященной 50-летию УрГУПС, Екатеринбург, 2006 г.
7. На 11–й Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 12-14 апреля 2005 г.
8. На 7–й Всероссийской с Международным участием научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», посвященной 110-й годовщине Дня Радио, Красноярск, 5 - 6 мая 2005 г.
9. На V и VIII Межвузовских научно–технических конференциях молодых ученых и специалистов «Современные проблемы радиоэлектроники», Иркутск, ИрГТУ в 2006 и 2009 г.
10. На заседаниях объединенного семинара кафедр «Управление техническими системами», «Телекоммуникационные системы», «Автоматика и телемеханика» ИрГУПС в 2004–2005 г. и специализированного межвузовского семинара по проблемам применения GPS-технологий в народном хозяйстве в 2006 – 2008 г. в присутствии ведущих ученых научных учреждений г. Иркутска, а также аспирантов и ученых, область научных интересов которых – проблемы связи и позиционирования железнодорожных объектов с использованием спутниковых технологий;
11. На заседании научно-технического совета Института инженерной физики и радиоэлектроники Сибирского федерального университета г.Красноярск.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 42 работах, в том числе: 2 – монографии (без соавторов); 9 – научные статьи в журналах, входящих в «Перечень ВАК …», из них без соавторов – 7 статей; 12 – статьи в региональных научных журналах; 16 – публикации в сборниках научных трудов и в материалах научно-технических конференций; 4 – патенты на полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, содержащих 317 машинописных страницы текста, в числе которых 113 рисунков и 15 таблиц, и восьми приложений с результатами практических исследований, алгоритмом и программой расчетов эффективности и актами внедрения. Библиографический список включает 261 наименование.
