Розробка способу забезпечення заданої точності плавання суден рекомендованими маршрутами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська національна морська академія (ОНМА)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.22.13 - навігація та управління рухом

Розробка способу забезпечення заданої точності плавання суден рекомендованими маршрутами

Падакін Дмитро Юрійович

Одеса 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Симоненко Сергій Валентинович, Державна установа "Держгідрографія" Міністерства транспорту та зв'язку України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Гладких Ігор Іванович, Одеська національна морська академія, декан факультету судноводіння на морських та внутрішніх водних шляхах, завідувач кафедри гідрографії та морської геодезії,

кандидат технічних наук, доцент Патскаускас Олександр Вітаутасович, Академія ВМС України ім. адм. Нахімова (м. Севастополь), завідувач кафедри судноводіння та морської безпеки.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, професор Тарапата В.В.

Анотація

навігаційний судно маршрут

Падакін Д.Ю. Розробка способу забезпечення заданої точності плавання суден рекомендованими маршрутами. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук. Спеціальність 05.22.13 - Навігація і управління рухом. Одеська національна морська академія, Одеса, 2010 р.

Дисертаційна робота присвячена рішенню задачі подальшого удосконалення методів підвищення точності проводки суден в обмежених водах.

У роботі в якості показника точності при плаванні судна по заданому маршруту запропоновано вибрати дисперсію модуля векторіальної похибки обсервованого місця судна. Описана процедура розрахунку значень поля показника точності у області безпечного плавання суден. Приведена загальна постановка оптимізаційної задачі, сформульовані і охарактеризовані її основні обмеження, і показані переваги використання принципів імітаційного моделювання для її вирішення. У роботі розглянутий спосіб визначення числа компонент і геометричної композиції локальних радіолокаційних систем при можливій втраті точності через відмінність закону розподілу похибок навігаційних вимірювань від закону Гауса.

Показано, що для отримання оцінок з максимально можливою ефективністю за відсутності достовірної інформації про закон розподілу похибок радіолокаційних вимірювань необхідно скористатися комбінованими оцінками. Перевірка коректності одержаних теоретичних результатів була виконана за допомогою імітаційного моделювання.

Ключові слова: безпека судноводіння, точність обсервацій, локальні радіолокаційні системи, змішані розподіли похибок, ефективні оцінки координат судна, імітаційна модель.

Аннотация

Падакин Д.Ю. Разработка способа обеспечения заданной точности плавания судов, рекомендованными маршрутами. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.13 - Навигация и управление движением. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2010 г.

Диссертационная работа посвящена решению задачи дальнейшего усовершенствования методов повышения точности проводки судов в стесненных водах.

В работе рассмотрены системы навигационного оборудования прямого и обращенного типа, которые позволяют получить совокупность линий положения или координаты судна и осуществить контроль его местоположения. В работе произведен выбор показателя точности при плавании судна по заданному маршруту, причем в качестве такого показателя предложено выбрать значение минимальной точности, которое достигается на рассматриваемом участке программной траектории. Показано, что универсальным критерием оценки точности положения судна, который не зависит от типа системы навигационного оборудования, является дисперсия модуля векториальной погрешности обсервованного места судна.

Получены аналитические выражения для показателя точности, когда обсервации производятся с помощью двух и трех линий положения в случае использования систем навигационного оборудования прямого типа. Приведены формулы для расчета показателя точности локальной обращенной радиолокационной системы и локальной системы, использующей корреляционные принципы навигации. Описана процедура расчета значений поля точностного показателя в области безопасного плавания судов. Приведена общая постановка оптимизационной задачи, сформулированы и охарактеризованы ее основные ограничения, и показаны преимущества использования принципов имитационного моделирования для ее решения. В работе рассмотрен способ определения числа компонент и геометрической композиции локальных радиолокационных систем при возможной потере точности из-за отличия закона распределения погрешностей навигационных измерений от закона Гаусса. При этом определены аналитические выражения для расчета эффективности квазиправдоподобных оценок обсервованных координат для случаев, когда действительным законом распределения погрешностей навигационных измерений являются оба типа смешанных законов, а оценка координат производится в предположении того, что погрешности подчинены нормальному закону распределения.

Показано, что для получения оценок с максимально возможной эффективностью при отсутствии достоверной информации о законе распределения погрешностей радиолокационных измерений, необходимо воспользоваться комбинированными оценками. При наличии информации о законе распределения вероятностей погрешностей навигационных измерений для получения эффективных оценок координат судна следует воспользоваться соответствующим алгоритмом расчета, которые приведены в работе. Причем с помощью метода максимального правдоподобия получены алгоритмы расчета эффективных оценок обсервованных координат судна для случаев, когда погрешности навигационных измерений подчинены смешанным законам распределения вероятностей. Оказалось, что алгоритм расчета эффективных координат одинаков для обоих типов смешанных законов распределения. Проверка корректности полученных теоретических результатов была выполнена с помощью имитационного моделирования.

Ключевые слова: безопасность судовождения, точность обсерваций, локальные радиолокационные системы, смешанные распределения погрешностей, эффективные оценки координат судна, имитационная модель.

Annotation

Padakin D. Creation of the method of providing of the set exactness of sailing of vessels on the recommended routes. - Manuscript.

The dissertation is on competition of scientific degree of candidate of engineering sciences. The speciality 05.22.13 - Navigation and traffic control. Odessa national maritime academy, Odessa, 2010.

Dissertation work is devoted to the decision of task of further improvement of methods of increase of exactness of sailing in the straitened waters. The choice of index of exactness at sailing of ship on the set route is produced in work, thus as such index it is suggested to choose dispersion of the module of vector error of place of ship. Procedure of calculation of values of the field of index of exactness in area of the safe sailing of vessels is described. The general raising of optimization task is resulted, its basic limitations are formulated and described, and advantages of the use of principles of imitation design for its decision are shown. In work the method of determination of number is considered component and geometry compositions of the in-plant radio-location systems at the possible loss of exactness from the difference of law of distributing of errors of the navigation measurings from the law of Gauss.

It is shown that for the receipt of estimations with maximally possible efficiency in default of reliable information about the law of distributing of errors of the radio-location measuring, it is necessary to take advantage of the combined estimations. Verification of correctness of the got theoretical results was executed by the imitation design.

Keywords: safety of navigation, exactness of observations, in-plant radio-location systems, mixed distributing of errors, effective estimations of coordinates of ship, simulation model.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Плавання морських суден в стислих прибережних районах через інтенсивне судноплавство і наявність навігаційних небезпек зв'язано з підвищеним ризиком виникнення аварійних ситуацій. Коректність і безпека рішень судноводія в таких умовах визначається повнотою урахування істотних чинників поточної навігаційної ситуації, що відображається навігаційною інформаційною системою судна. З урахуванням зазначених обставин особиста роль надається підвищенню точності визначення положення судна відносно траєкторії рекомендованого маршруту. Питання забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам в стислих районах з використанням систем навігаційного обладнання прямого або обернутого типу досліджено поки що недостатньо. Тому ця тематика є актуальною і перспективною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи пов'язана з "Державною програмою вдосконалення функціонування державної системи забезпечення безпеки судноплавства на 2002-2006 роки" (Постанова КМ України від 28.01.2002 р., № 296), "Концепцією сталої національної транспортної політики розвитку всіх видів транспорту на 2007-2014 роки" (наказ Мiнтрансзв'язку вiд 05.05.2007 р. № 360), а також з держбюджетною НДР "Основи безаварійного плавання суден" (№ ДР 0109U001535), в якій автором виконаний окремий розділ.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є подальше вдосконалення методів підвищення точності проводки суден в стислих водах.

Головна задача дослідження полягає в розробці інформаційної системи вибору заданої точності плавання суден по рекомендованим маршрутам на базі імітаційного моделювання. Для досягнення поставленої мети і вирішення головної задачі дисертаційного дослідження необхідно найти рішення наступних допоміжних задач:

розробка способу забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам з використанням імітаційного моделювання;

створення методу компенсації втрати точності в системах, похибки яких можуть мати змішані закони розподілу ймовірності;

розробка методу забезпечення квазіправдоподібних оцінок при невідомих законах розподілу похибок навігаційних вимірювань системи.

Об'єкт дослідження - процес судноводіння в стислих водах, предмет дослідження - характеристики точності процесу судноводіння при плаванні судна по заданому маршруту.

Для вирішення поставлених в дисертації задач застосовувалися наступні методи досліджень:

системного аналізу - для огляду існуючих теоретичних і практичних підходів до рішення проблеми забезпечення безаварійності судноводіння, вибору теми дослідження і його методологічного забезпечення;

дослідження операцій - для декомпозиції головної задачі дисертаційної роботи на декілька незалежних;

теорії ймовірності - в частині випадкових багатовимірних величин для опису математичної моделі показника точності плавання судна по заданому маршруту;

метод максимальної правдоподібності - для розробки способу компенсації втрати точності в локальних системах навігаційного обладнання, похибки яких можуть мати змішані закони розподілу ймовірності;

синтезу моделей - при розробці імітаційної моделі дисертаційного дослідження.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розробці способу забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам шляхом застосування локальних систем навігаційного обладнання як прямого, так і обернутого типу, відмінний тим, що використовує принципи імітаційного моделювання і орієнтований на розробку інформаційної системи.

При цьому:

вперше одержано спосіб забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам з використанням імітаційного моделювання;

одержала подальший розвиток модель оцінювання точності місця судна розробкою способу забезпечення квазіправдоподібних оцінок при невідомих законах розподілу погрішностей навігаційних вимірювань системи;

вдосконалено метод визначення точності локальних навігаційних систем обсервації місця судна розробкою способу компенсації втрати точності в системах, похибки яких можуть мати змішані закони розподілу ймовірності.

Практичне значення одержаних результатів визначається тим, що розроблені в дисертації алгоритми, програми і імітаційна модель можуть бути впроваджені при розробці інформаційної системи вибору заданої точності плавання суден по рекомендованих маршрутах, при навчанні і підвищенні кваліфікації. Результати дисертаційного дослідження впроваджено в ДП "Держгідрографія" для моделювання і оцінки навігаційно-гідрографічного забезпечення безпеки плавання (акт від 10.02.2010 р.), в ДП "ЧорноморНДІпроект" для проектно-дослідницьких робіт по забезпеченню безпеки плавання при виконанні конкретних завдань (акт від 19.04.2010 р.), а також в навчальних програмах кафедр судноводіння і гідрографії і морської геодезії ОНМА (акт від 12.04.2010 р.).

Особистий внесок здобувача. Всі результати досліджень, які приведені у авторефераті і дисертації та виносяться на захист, одержані здобувачем самостійно.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічних конференціях: "Ефективна і безпечна експлуатація морських суден і споруд" 23-25 вересня 2009 р., м. Севастополь; "Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння" 7-8 жовтня 2009 р., м. Одеса.

Закінчена дисертаційна робота представлялася на науково-технічній раді факультету морського судноводіння ОНМА.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 4-х наукових статтях у виданні, що входить в Перелік дозволених ВАК України для публікування результатів дисертаційних досліджень, а також в збірниках матеріалів двох конференцій. З шести публікацій 5 написані особисто.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, яка вирішується в дисертації. сформульована мета дисертаційної роботи, визначені Ії наукова новизна і практична цінність.

У першому розділі дисертації виконано огляд літературних джерел, зроблено їх аналіз і виявлено основні напрямки актуальних наукових досліджень, до яких відносяться:

розробка методів використання систем управління рухом суден в найбільш небезпечних ділянках вузькостей, задачею яких є організація безпечного судноплавства;

забезпечення безпеки судноводіння застосуванням сучасних інформаційно-управляючих технологій і засобів, розробка суднових навігаційно-інформаційних систем;

загальні питання забезпечення безпеки судноводіння в стислих районах плавання і можливі напрямки її підвищення;

забезпечення необхідної точності визначення місця судна;

вдосконалення методів управління судном в стислих районах, а також розробка методів формування суднової безпечної зони, її формалізація і використання при плаванні;

забезпечення безпеки судноводіння шляхом рішення проблеми попередження зіткнень суден.

Значний вклад в рішення цих проблем внесли своїми роботами Кондрашихін В.Т., Дьомін С.І., Воробйов Ю.Л. , Сорокин А.І., Сизов В.Г., Вагущенко Л.Л., Цимбал М.М., Мальцев А.С., Скворцов М.І., Логиновський В.А., Lisowski J. та ін. Встановлено, що одним із актуальних питань організації безаварійного плавання є забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам шляхом застосування локальних систем навігаційного обладнання, що і визначило тематику дисертаційного дослідження.

У другому розділі роботи обґрунтовано вибір теми дисертаційного дослідження та його методологічного забезпечення. Аналіз, проведений в першому розділі роботи, показав, що майже не вивчено актуальний напрямок досліджень, пов'язаний з забезпеченням нормативної точності плавання суден по завданим маршрутам в стислих районах плавання. Для рішення поставленої задачі, у відповідності з теорією дослідження операцій, були сформульовані три складові задачі, відображені у технологічній карті. Перша задача передбачає розробку способу забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам з використанням імітаційного моделювання, яке спрощує рішення задачі, так як з допомогою комп'ютерної графіки дає змогу оператору сприймати наочно необхідну інформацію і знаходити потрібну структуру локальної системи навігаційного обладнання заданого типу.

Рішення другої складової задачі передбачає створення методу компенсації втрати точності в системах, похибки яких можуть мати змішані закони розподілу ймовірності. В разі, коли похибки навігаційних вимірювань системи розподілені по змішаним законам, а обробка вимірювань проводиться способом найменших квадратів, то ефективність одержаних оцінок обсервованих координат судна менша одиниці, тобто дисперсії оцінок більші мінімально можливих. Для того, щоб запобігти цьому, потрібно структуру локальної системи навігаційного обладнання вибрати таким чином, щоб точність системи була вищою і компенсувала можливу втрату. Для цього в оптимізаційній задачі необхідно в обмеженні по точності системи вибрати меншу дисперсію, чим потребується, з урахуванням втрати точності. Рішення третьої складової задачі по розробці методу забезпечення квазіправдоподібних оцінок при невідомих законах розподілу похибок навігаційних вимірювань системи потребує обробки навігаційних вимірювань системи різними методами (найменших квадратів і максимальної правдоподібності) з послідуючим осередненням отриманих оцінок. Для підтвердження достовірності отриманих наукових результатів потрібна розробка імітаційної моделі, що визначає необхідність застосування методів синтезу моделей.

У третьому розділі здійснена розробка способу забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам з використанням імітаційного моделювання, що є змістом першої складової задачі. У контексті даної проблеми, засобами навігаційного обладнання є системи, що дозволяють отримати сукупність ліній положення або координати судна і здійснити його контроль місцеположення. Сучасні засоби навігаційного обладнання підрозділяються на системи прямого і обернутого типа. Системи прямого типу - це множина природних і штучних навігаційних орієнтирів, що дозволяють вимірювати навігаційні параметри з судна і судновими засобами визначити його місце. Системами прямого типу є також і спеціально організовані локальні системи, наприклад, кореляційні радіолокаційні системи.

Радіонавігаційні локальні системи обернутого типу автономно визначають високоточні координати судна і передають їх на судно. Багатопозиційна радіолокаційна система обернутого типу забезпечує точність визначення місця судна, яка не гірша точності навігаційних супутникових систем. Дана проблема контролю і забезпечення необхідної точності плавання судна по заданому маршруту повинна враховувати рішення двох наступних задач. По-перше, слід розробити метод оцінки точності плавання судна по заданому маршруту при певному навігаційному обладнанні (перша задача) і, по-друге, сформувати спосіб визначення типа і структури системи навігаційного обладнання, що забезпечує необхідну точність контролю місця судна на заданому маршруті (друга задача). Рішення першої задачі вимагає створення математичної моделі, що описує залежність точності плавання по заданому маршруту від типу і структури засобів навігаційного обладнання. Для формалізації першої задачі необхідно вибрати критерій точності плавання судна по заданому маршрутові. В якості такого критерію можна вибрати значення мінімальної точності, яке досягається на даній ділянці програмної траєкторії.

Як показав попередній аналіз, універсальним критерієм оцінки точності положення судна, який не залежить від типу системи навігаційного обладнання, є дисперсія модуля векторіальної похибки обсервованого місця судна. В даному випадку векторіальна похибка характеризується показником точності . Дисперсія модуля векторіальної похибки обсервованого місця судна є сумою дисперсій його складових і , тобто:

,

де , , причому - напрям градієнта i-й лінії положення; =, = .

У останньому виразі - щільність розподілу вірогідностей похибки i-ї лінії положення.

У роботі показано, що у разі нормального розподілу похибок навігаційних вимірювань:

,

де - дисперсія i-й лінії положення.

При переміщенні судна по заданому маршруту для контролю місця судна може бути використано не більше, ніж три орієнтири. За наявності одного орієнтиру обсервоване місце судна може бути одержане по його пеленгу і дистанції, а за наявності двох і трьох орієнтирів для контролю місця судна може бути використано не більш трьох ліній положення. При використанні двох ліній положення:

=

Таким чином, показник точності, одержаний по двох лініях положення:

Якщо визначення місця судна проводиться по трьох лініях положення, то:

=,

де - кути між градієнтами відповідних ліній положення. В цьому випадку показник точності виражається таким чином:



У разі, якщо маршрут судна знаходиться в районі плавання, обладнаному локальною обернутою радіолокаційною системою, або локальною системою, що використовує кореляційні принципи навігації, то показник точності, як показано в роботі, виражається наступною формулою:

,

де N - число РЛС у разі обернутої радіолокаційної системи, або число вибраних для обсервації реперних знаків, при використанні кореляційних систем;

і - дисперсії похибок линій положення, одержаних від вимірювання відповідно i - ї дистанції та i - го пеленгу.

У роботі також розглянута процедура розрахунку поля точності в безпечному районі плавання. Якщо точність плавання судна по заданому маршруту нижче існуючих нормативних вимог, то виникає необхідність підвищити її шляхом установки системи навігаційного обладнання. Іншими словами, це задача синтезу системи навігаційного обладнання мінімальної вартості, яка повинна забезпечити задану точність контролю місця судна в локальному районі з необхідним рівнем надійності отримання високоточної інформації. Альтернативами є множина можливих структур системи.

Оптимізаційна задача має наступний аналітичний вираз:

,

,

min ,

(X,Y) і ,

(,,,,…,,…,, ),

max . (i = 1…N)

де і - відповідно вартість і мінімальна вартість даної системи;

- оптимальна структура системи;

- показник точності довільної точки (X,Y) району ;

- задане значення показника точності;

і - відповідно вірогідність отримання високоточної інформації і її необхідне значення.

У оптимізаційній задачі основним є обмеження по значенню показника точності в безпечному районі .Чергове обмеження по ймовірності отримання високоточної інформації відноситься до обернутих радіолокаційних систем і передбачає, що координати супроводжуваного судна з необхідною точністю будуть одержані їм з вірогідністю , не нижчою заданої .Передостанній рядок в аналітичному описі оптимізаційної задачі характеризує вимогу приналежності координат орієнтирів (радіолокаційних станцій) допустимому району їх розміщення.

Останнім в оптимізаційній задачі приведене обмеження по дальності дії станцій, яка вимагає, щоб дальності дії станцій покривали безпечний район плавання. Крім специфічних технічних обмежень (таких, наприклад, як дальність дії, надійність і т.п.) для всіх трьох типів систем навігаційного обладнання існують, як показано в оптимізаційній задачі, обмеження по розміщенню засобів системи, тобто обов'язково повинен бути врахований район, в якому доступна їх установка. Це відноситься як до штучних засобів навігаційного обладнання, орієнтирів-реперів радіолокаційних кореляційних систем, так і станцій багатопозиційних радіолокаційних систем обернутого типу. Формалізація згаданого обмеження зв'язана із значними труднощами, оскільки для кожного локального розміщення засобів систем навігаційного обладнання необхідно формувати базу даних по опису області, в якій розміщення засобів є допустимим.

У зв'язку з цим формалізація обмеження по розміщенню засобів системи навігаційного обладнання є достатньо громіздкою і трудомісткою. Вказана обставина зумовила інший підхід до врахування обговорюваного обмеження, який полягає в розробці імітаційної моделі вибору оптимальної структури системи навігаційного обладнання, яка використовує електронні карти даного району розміщення засобів системи. Даний підхід зручний і тим, що знімає необхідність формалізації безпечної області судноплавного локального району, яка також відображена на електронній карті. В цьому випадку оптимальна структура системи навігаційного обладнання генерується розробником за допомогою комп'ютерної імітаційної моделі. Частина функцій по вибору структури системи, яка враховує кількість засобів обладнання системи і їх геометричний фактор, а також оцінку допустимої області плавання з аналізом розподілу в ній значень критерію точності плавання по заданому маршрутові, покладається на розробника.

Окремо для кожного з трьох варіантів систем навігаційного устаткування слід виконати наступні дії. Приймається мінімальне число компонент даної системи навігаційного устаткування (наприклад, мінімальне число станцій радіолокаційної обернутої системи рівне двом). Базовим обмеженням є задане значення показника точності . Враховуючи допустимі області розміщення компонент системи навігаційного устаткування, за допомогою комп'ютерної імітаційної моделі визначається геометрична композиція мінімального числа компонент, можливо включаючого природні компоненти, яка дає найвищу точність по всіх точках обладнаного району (поля точності), що містить заданий маршрут плавання судна. Після цього визначається мінімальне значення показника точності на заданому маршруті, яке порівнюється із заданим значенням показника точності . Якщо обмеження по точності не виконується, то необхідно збільшувати число компонент системи N на одиницю. При цьому визначаються вартісні витрати для реалізації системи по кожному варіанту. Очевидно, найкращим є варіант, вартість реалізації якого є якнайменшою. В цьому випадку критерій оптимальності досягає екстремального значення при виконанні обмеження по точності проводки судна заданим маршрутом і обмеження по розміщенню компонент системи навігаційного обладнання в допустимих областях.

Для вирішення задач по проблемі навігаційного обладнання прибережних районів плавання суден необхідна розробка інформаційної системи з електронними картами, яка дозволяла б зробити вибір карти необхідного району плавання з каталогу карт і по заданому типу і структурі системи навігаційного обладнання визначила б позиційні характеристики точності необхідного маршруту плавання. Таким чином, в розділі дано визначення засобів навігаційного обладнання, вибраний показник точності плавання судна по заданому маршруту та описана процедура формування оптимальної локальної системи навігаційного обладнання з допомогою імітаційного моделювання.

Четвертий розділ присвячений створенню методу компенсації втрати точності в системах, похибки яких можуть мати змішані закони розподілу ймовірності та розробці методу забезпечення квазіправдоподібних оцінок при невідомих законах розподілу похибок навігаційних вимірювань системи , що відповідає другій та третій складовим задачам дослідження. Якщо перевірка точності плавання судна по заданому маршруту показала, що точність нижче існуючих нормативних вимог, то виникає необхідність підвищити її шляхом установки локальної системи навігаційного обладнання, причому слід визначити її тип і структуру, яка забезпечує необхідну точність плавання. При розрахунку структури як стандартних систем, доповнених штучними навігаційними орієнтирами, так і кореляційних радіолокаційних систем і багатопозиційних радіолокаційних систем обернутого типу, приймається, що похибки навігаційних вимірювань мають нормальний закон розподілу. Тому показник точності розраховується також, виходячи з цієї передумови, вважаючи, що обробка навігаційної інформації при обосервациях виконується методом найменших квадратів. Ця обставина є особливо важливою для кореляційних радіолокаційних систем і багатопозиційних радіолокаційних систем обернутого типу, оскільки в цих системах висока точність досягається за рахунок використання надмірних вимірювань.

Проте останнім часом на численному статистичному матеріалі доведено, що похибки вимірювання навігаційних параметрів можуть мати закони розподілу, відмінні від нормального. Якщо істинний розподіл похибок навігаційних вимірювань відрізняється від передбачуваного, то відбувається втрата точності ліній положення і, отже, точність обсервованого місця судна. Так, як передбачуваним приймається нормальний розподіл похибок, а дійсним може виявитися, найчастіше, перший або другий тип змішаного розподілу, то при обробці навігаційних параметрів, виміряних для контролю місця судна, ефективність оцінок обсервованих координат буде менше одиниці, тобто дисперсія обсервованих координат буде більше, чим мінімально можлива.

На етапі проектування локальної системи обсервації місця судна не відомо про вид закону розподілу похибок вимірювання навігаційних параметрів. Тому стандартне використання методу найменших квадратів для розрахунку обсервованих координат може повести до втрати їх точності, проте цей недолік можна компенсувати додатковими надмірними вимірюваннями, виходячи з мінімаксного принципу. Іншими словами, при розрахунку структури обернутої або радіолокаційної кореляційної системи число компонент (станцій в першому випадку або реперних знаків для обсервації в другому) систем належить збільшити з тим, щоб приріст точності через збільшення надмірних ліній положення компенсував її можливу втрату внаслідок відмінності дійсного розподілу похибок вимірювання навігаційних параметрів від закону Гауса. В цьому випадку на стадії проектування локальної навігаційної системи при постановці і рішенні оптимізаційної задачі, що мінімізує вартість системи, обмеження по необхідній її точності, аналітично виражається таким чином:

,

де і - відповідно показник точності довільної точки обслуговуючого системою району і задане значення показника точності.

У розгорненому вигляді нерівність приймає вигляд:

, (1)

де - втрата в точності через можливу відмінність реального розподілу погрішностей навігаційних вимірювань від закону Гауса;

- збільшене число компонент локальної системи, яке компенсує можливі втрати точності.

В цьому випадку формування структури локальної навігаційної системи визначення місця судна виконується за допомогою імітаційної моделі вибору оптимальної структури системи навігаційного обладнання, яка використовує електронні карти району, в якому планується розміщення компонент системи. У роботі показано, що в загальному випадку, якщо дійсний розподіл похибок вимірювання навігаційного параметра описується щільністю f( ), а оцінка по методу максимальної правдоподібності виконується по передбачуваній щільності розподілу ( ), то ефективність оцінки e обсервованних координат судна визначається виразом:

e =,

де невласні інтеграли q, p і s обчислюються по формулах:

q ={},

p = { []},

s = .

Якщо передбачуваною щільністю розподілу погрішностей () є нормальна, тобто:

( ) = ,

а дійсна щільність f() описується першим змішаним законом і має наступний аналітичний вигляд:

f() = ,

де = - нормуючий множник,

m - істотний параметр, що приймає цілочисельні значення,

- масштабний параметр,

то невласні інтеграли q, p і s визначаються формулами:

q =, p = і s =

Отже, вираз для ефективності e в даному випадку має вигляд:

e =1 -

Якщо дійсна щільність f() описується другим змішаним законом і має наступний аналітичний вигляд:

f() = ,

то інтеграли q, p і s визначаються формулами:

q =, p = і s =,

а вираз для ефективності e має вигляд:

e = 1

Розглянуті випадки показують, що застосування методу найменших квадратів у випадку, якщо дійсні розподіли не співпадають з нормальним, збільшує коваріаційну матрицю погрішностей вимірювання, а отже, і показник точності, в порівнянні з мінімально можливою. У обох випадках ефективність зростає із зростанням m, оскільки із зростанням m щільність f() асимптотично наближається до нормальної. У формулі (1) величина =1- e. Оптимальна структура системи навігаційного обладнання створюється розробником, який враховує уточнене обмеження по точності і забезпечує необхідне значення показника точності, який компенсує можливе зростання дисперсії обсервованих координат судна.

У четвертому розділі також розглянуто розрахунок оцінок з максимально можливою ефективністю за ситуації, коли немає достовірної інформації про закон розподілу похибок радіолокаційних вимірювань, причому слід скористатися комбінованими оцінками. Для цього необхідно використовувати декілька методів обробки одної і тієї ж інформації, коректно усереднюючи одержані оцінки кожним із способів. У разі наявності інформації про закон розподілу ймовірності похибок навігаційних вимірювань для отримання ефективних координат судна слід скористатися відповідним алгоритмом розрахунку, який розглянемо нижче.

Для отримання ефективних оцінок застосовується метод максимальної правдоподібності, причому, якщо погрішності вимірювань розподілені за законом Гауса, то він трансформується в метод найменших квадратів або в метод найменшої квадратичної форми (для випадків незалежних і залежних вимірювань відповідно). Якщо випадкові погрішності вимірювання дистанції і пеленга мають змішані розподіли ймовірності першого або другого типу, то використовуємо в загальному вигляді систему рівнянь правдоподібності:

sin [()]/() +

sin[(/)]/(/) = 0,

cos [()]/() +

cos[(/)]/(/)= 0,

= X sin+ Y cos- ,

= X sin+ Y cos- .

У даних рівняннях () і (/) - щільність розподілу ймовірності відповідно похибок вимірювання дистанцій та пеленгів. У роботі показано, що обидва змішані типи розподілу похибок навігаційних вимірювань для пошуку ефективних обсервованних координат дають одну і ту ж систему рівнянь, і при різних змішаних типах розподілу обчислення ефективних координат судна проводиться загальним способом:

sin[] + sin[] = 0,

cos[] + cos[] = 0.

= X sin+ Y cos- ,

= X sin+ Y cos- ,

Дана система рівнянь перетвориться до вигляду, який зручно використовувати при обчисленні методом простих ітерацій:

X = {sin[] + sin[]}

{sin[]( - Y cos)+

sin[](- Ycos)};

Y={cos[]+cos[]}

{cos[](-X sin) +

cos[](- X sin)}.

Для обчислення необхідно задатися початковим наближенням значень шуканих змінних. Як початкові значення приросту координат при обчисленні ітераційними методами слід вибрати їх значення, одержані при обсервації по двох дистанціях найзручніше розташованих опорних знаків (з кутом між ними близьким до 90). При використанні методу простих ітерацій можливі випадки, коли ітераційний процес може не зійтися. Тому в роботі детально розглянутий метод Ньютона, який володіє кращою збіжністю. Таким чином, в розділі викладено метод компенсації втрати точності в системах, похибки яких можуть мати змішані закони розподілу ймовірності та метод забезпечення квазіправдоподібних оцінок при невідомих законах розподілу похибок навігаційних вимірювань системи.

У п'ятому розділі здійснена перевірка коректності одержаних теоретичних результатів, для чого проведено імітаційне моделювання способу забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам та проведено опис імітаційної моделі. В розділі приведений загальний опис інформаційної системи, яка реалізує вибір точності систем навігаційного обладнання на заданому маршруті, включаючи локальні системи прямого і обернутого типу. Показана основна перевага пропонованої інформаційної системи: за допомогою імітаційного моделювання ефективно і доступно розв'язується багатофакторна задача забезпечення необхідної точності проводки судна по заданому маршруту. В розділі приведений докладний опис імітаційної моделі, за допомогою якої показані переваги пропонованої інформаційної системи. Описані два основні модулі імітаційної моделі і показано, яким чином проводиться вибір потрібної електронної карти, а потім з неї - і необхідний район плавання (рис. 1).

Рис. 1. Вибір електронної карти

Приведена докладна інформація про другий модуль імітаційної моделі, який розраховує значення поля точності в безпечній області плавання і дозволяє оператору виявити значення показника точності плавання судна на заданому маршруті залежно від структури локальної системи навігаційного обладнання, що синтезується. При цьому забезпечується розміщення компонент локальної системи (орієнтирів або РЛС) в допустимій області. Показані два приклади забезпечення підхідних маршрутів до порту Севастополь локальними системами навігаційного обладнання. Спочатку був розглянутий варіант вибору необхідної структури локальної системи навігаційного обладнання прямого типу, що складається з трьох орієнтирів (рис. 2), причому геометрична композиція системи забезпечила необхідну точність проводки по заданому маршруту.

Рис. 2. Композиція трьох орієнтирів системи навігаційного обладнання прямого типу

Як другий приклад була розглянута локальна радіолокаційна система обернутого типу, яка спочатку складалася з чотирьох РЛС. Спроби пошуку геометричної композиції такої системи, яка забезпечила б необхідну точність проводки судна по вибраному маршруту не вдалися. Подальше збільшення числа станцій системи обернутого типу до п'яти також не дозволило забезпечити необхідну точність проводки, - не вдалося знайти необхідну геометричну композицію системи обернутого типу з числом станцій, рівним п'яти. І лише для радіолокаційної системи обернутого типу з числом станцій, рівним шести, вдалося підібрати геометричну композицію, яка забезпечила необхідне значення точності проводки судна по заданому маршруту (рис. 3).



Рис. 3. Геометрична композиція шести РЛС локальної радіолокаційної системи обернутого типу

Таким чином, в розділі приведені результати імітаційного моделювання і загальний опис інформаційної системи для коректного рішення задачі дослідження.

Висновки

У дисертації одержане теоретичне узагальнення і нове рішення задачі забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам, котре полягає у тому, що розроблено спосіб застосування локальних систем навігаційного обладнання як прямого, так і обернутого типу. Це досягається тим, що спосіб використовує принципи імітаційного моделювання і орієнтований на розробку інформаційної системи.

У результаті проведеного дисертаційного дослідження:

вперше одержано спосіб забезпечення необхідної точності плавання суден по заданим маршрутам з використанням імітаційного моделювання структури локальних систем навігаційного обладнання, що дає можливість знаходження ефективного рішення погано формалізованих задач;

одержала подальший розвиток модель оцінювання точності місця судна розробкою способу забезпечення квазіправдоподібних оцінок при невідомих законах розподілу похибок навігаційних вимірювань системи, при якому необхідно використовувати декілька методів обробки одної і тієї ж інформації, коректно усереднюючи одержані оцінки кожним із способів;

вдосконалено метод визначення точності локальних навігаційних систем обсервації місця судна розробкою способу компенсації втрати точності в системах, похибки яких можуть мати змішані закони розподілу ймовірності за рахунок зміни її структури, найчастіше збільшенням в локальній системі кількості компонент, що веде до більшого числа надмірних ліній положення і, отже, підвищення точності обсервації місця судна;

практична цінність роботи визначається тим, що розроблені алгоритми, програми і імітаційна модель можуть бути впроваджені при розробці інформаційної системи вибору заданої точності плавання суден по рекомендованих маршрутах;

результати дисертаційного дослідження впроваджено в ДП "Держгідрографія" для моделювання і оцінки навігаційно-гідрографічного забезпечення безпеки плавання, в Державному проектно-вишукувальному та науково-дослідному інституту морського транспорту "ЧорноморНДІпроект" для проектно-дослідницьких робіт по забезпеченню безпеки плавання при виконанні конкретних завдань,

при навчанні та підвищенні кваліфікації судноводіїв у навчальних програмах кафедр судноводіння і гідрографії та морської геодезії ОНМА (акт від 12.04.2010 р.).

Список опублiкованих праць за темою дисертації

1. Падакин Д.Ю. Разработка метода контроля точности плавания по рекомендованным маршрутам и оптимизация средств берегового оборудования / Д.Ю Падакин., С.В. Симоненко // Cудовождение: Cб. научн трудов / ОНМА. - Вып. 16. - Одесса, 2009. - С.137-141 (здобувачу належить розробка метода контроля точности плавания суден по рекомендованным маршрутам).

2. Падакин Д.Ю. Контроль точности плавания судна по заданному маршруту с учетом имеющегося берегового навигационного оборудования / Д.Ю. Падакин // Автоматизация судовых технических средств. - 2009. - № 15. - С. 52-58.

3. Падакин Д.Ю. Учет альтернативных законов распределения погрешностей навигационных измерений при оборудовании стесненных вод локальными радионавигационными системами / Д.Ю. Падакин // Cудовождение: Cб. научн. трудов / ОНМА. - Вып. 17. - Одесса, 2010. - С. 133-137.

4. Падакін Д.Ю. Оптимізація систем берегового навігаційного обладнання/ Д.Ю. Падакін // Інформаційні системи, механіка та керування: наук-техн. зб. - Вип. 3.- К., 2009.- С. 97-102.

5. Падакин Д.Ю. Выбор показателя точности плавання судна по заданному маршруту / Д.Ю. Падакин // Мат. Региональной науч.-практ. конф. "Эффективная и безопасная эксплуатация морских судов и сооружений". - Севастополь: СНТУ, 2009.- С. 35-36.

6. Падакин Д.Ю. Способ выбора участка электронной карты в информационной системе при оценке точности плавания по маршруту/ Д.Ю. Падакин // Мат. наук. тех. конф. "Сучасні проблеми підвищення безпеки судноводіння". - Одеса: ОНМА, 2009.- С. 80-81.

Размещено на Allbest.ru