Введение к работе
Актуальность темы. На реках Украины Днепр, Южный Буг, Дунай, Днестр и в их эстуариях, в каналах Бугско-Днестровского лимана и в Керченском проливе для обеспечения безопасности интенсивного судоходства требуется непрерывное надежное определение местонахождения судов на всем пути плавания. Существующая система ограждений навигационными буями, береговыми маяками и створными знаками не всегда удовлетворяет таким требованиям, особенно при пониженной видимости и в ночное время.
Ненадежность существующей системы навигационного ограждения подтверждает статистика аварийности в этих районах. Так, по данным капитана Херсонского торгового морского порта на Херсонском морском канале (Днепро-Бугского лимана) и фарватере реки Днепр от устья реки до порта Херсон с 1980 по 1995 год произошло 40 аварийных случаев, из них 20 посадок на мель.
Отсутствие надежного навигационного ограждения вынуждает суда отказываться от плавания на этих участках в ночное время, что приводит к значительным простоям и убыткам, особенно при плавании больших морских судов в порты Николаев, Днепро-Бугский, Херсон, Белгород-Днестровский, Измаил. Поэтому существует необходимость разработки способов судовождения с помощью простых, надежных и недорогих навигационных средств, позволяющих обеспечить безопасность плавания в стесненных районах.
Цель работы. Повышение безопасности судоходства в районах рек, фарватеров и каналов путем разработки системы навигации с использованием инфракрасной аппаратуры.
Научная новизна работы.
Обоснована необходимость применения системы лазерной навигации на основе пассивных инфракрасных отражателей и разработан нетрадиционный метод их идентификации.
Разработана структура системы лазерной навигации на основе пассивных инфракрасных отражателей и алгоритмы функционирования составляющих ее устройств.
Построена математическая модель процесса функционирования системы навигации на основе программного обеспечения современных ЭВМ.
Разработана методика оценки эффективности применения системы лазерной навигации.
Создана экспериментальная установка на которой проведены опыты по прохождению инфракрасного излучения с длиной волны 1,06 мкм в приземных слоях атмосферы, определена среднеквадратическая погрешность измерения направлений и расстояний до обнаруженного объекта.
Новизна разработок подтверждена результатами патентных исследований, приведенными в диссертации.
Методы исследований. В работе обобщены результаты 15-летних исследований автора в области разработки и совершенствования систем лазерной навигации для обеспечения безопасного судоходства в стесненных водах рек, каналов и фарватеров. В процессе выполнения работы использованы как теоретические, так и экспериментальные исследования.
В основу теоретических положений диссертационной работы взята теория распространения инфракрасного излучения в оптических системах и в атмосфере. Использованы численные методы применительно к задачам моделирования процессов на ЭВМ. Значительная часть в исследованиях отведена анализу результатов натурных испытаний, проведенных в Государственном университете водных коммуникаций Санкт-Петербурга и в Киевском филиале Одесской государственной морской академии.
Для сравнения способов судовождения проведен эксперимент по определению среднеквадратическои погрешности определения местоположения судна с использованием приемника XR4-G системы "Навстар".
Выполнен расчет показателей поглощения инфракрасного излучения с длинами волн 1,0-10,5 мкм в тумане и дымке, а также для дождей с различной интенсивностью выпадения осадков.
Проведены расчеты уровней мощности обратного рассеяния ИК -излучения в диапазоне 1,0-10,5 мкм для различных условий состояния атмосферы и осадков различной интенсивности.
Проведены расчеты среднеквадратических отклонений интенсивности излучения квантовых генераторов на различных дальностях и максимальной частоты флуктуации интенсивности оптического сигнала, работающих на длинах волн 1,0-10,5 мкм в условиях слабой, умеренной и сильной турбулентности атмосферы.
Выполнены расчеты вероятностей правильного обнаружения и идентификации системы из 4-х пассивных отражателей за различное количество циклов обзора.
Получены экспериментальные данные прохождения инфракрасного излучения с длиной волны 1,06 мкм в приземных слоях атмосферы и определены в натуральных условиях среднеквадратические погрешности измерений дальности и пеленга на объект.
На защиту выносятся следующие полученные лично соискателем результаты:
метод повышения безопасности судовождения путем применения пассивных отражателей в инфракрасном диапазоне для ориентирования по их местоположению относительно судна;
структура системы лазерной навигации на основе инфракрасных отражателей;
результаты математического моделирования по оценке эффективности разработанного метода и системы лазерной навигации.
Практическая значимость работы. Создан опытный образец экспериментальной установки на базе войсковой части А - 0117, позволяющий проводить исследования точностных характеристик систем лазерной навигации при воздействии атмосферных дестабилизирующих факторов в лабораторных условиях.
Результаты математического моделирования по оценке эффективности разработанного метода и системы лазерной навигации и математическая модель процесса функционирования данной системы на основе программного обеспечения современных ЭВМ могут быть использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах при определении облика и
прогнозировании основных технических характеристик перспективных систем навигации.
На этапе разработки технологии изготовления элементов системы важное значение имеет предложенный комбинированный метод изготовления оптических компонентов пассивных отражателей, синтезирующий известные из технологии производства оптических волокон методы внутреннего и внешнего парофазного осаждения. Производство оптических элементов отражающих устройств может быть организовано в Украине на современной материально-технической базе Киевского завода "Арсенал", где ранее был освоен технологический процесс производства оптических волокон и элементов интегральной оптики.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы при обосновании и построении Концепции развития перспективных систем навигации на судах АСК "Укрречфлот", а именно:
обоснование необходимости оборудования судов системами навигации, решающими задачи навигации в ближней зоне;
сравнительные характеристики точности измерения навигационных параметров используемых радиолокационных станций с лазерными системами.
Основные результаты проведенных исследований использованы при выполнении научно-исследовательской работы в Киевском филиале Одесской государственной морской академии на тему: "Исследование путей повышения безопасности морской и речной навигации путем разработки нетрадиционных методов идентификации трассовых ответчиков" (шифр "31-Б"), в учебном процессе факультета Судовождения и эксплуатации специализированных судов академии:
обоснование возможности использования инфракрасного диапазона длин волн в системах навигации;
нетрадиционный метод идентификации пассивных оптических отражателей;
синтез структуры системы лазерной навигации;
методика оценки эффективности работы системы лазерной навигации на основе пассивных оптических отражателей.
Научные положения и выводы диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры Технических средств судовождения и связи Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в учебных дисциплинах: "Радионавигационные приборы и радиосвязь" и "Автоматизация судовождения", а именно:
расчеты величин среднеквадратических отклонений интенсивности излучения локаторов ИК - диапазона на различных дальностях в условиях слабой, умеренной и сильной турбулентности атмосферы;
расчеты зависимости максимальной частоты флуктуации интенсивности оптического сигнала от дальности в условиях слабой, умеренной и сильной турбулентности атмосферы.
Предприятие "Укрводпуть" Министерства транспорта Украины результаты диссертационной работы использовало при обосновании и построении Концепции развития средств навигационного оборудования на реке Днепр.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований были представлены:
на конференции "Пути повышения безопасности судовождения" на базе АСК "Укрречфлот" в докладе "Перспективные лазерные системы навигации", в январе 1995 г.;
на научно-техническом семинаре "Системы радиосвязи и радионавигации" Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в докладе "Нетрадиционные методы идентификации пассивных оптических ответчиков в системах лазерной навигации", в марте 1995 г.;
на научно-технической конференции факультета Морского судовождения Одесской государственной морской академии в докладе "Повышение безопасности судовождения путем использования пассивных инфракрасных ответчиков", апрель 1996 г.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, 15 подразделов, заключения и списка использованной литературы. Список использованной литературы содержит 64 наименования. Всего в диссертации 197 страниц, из них 42 страницы иллюстраций.