Розширення можливостей та підвищення точнісних характеристик радіотехнічних систем проводки суден по фарватеру методами радіокерування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

УДК 621.396.9

Розширення можливостей та підвищення точнісних характеристик радіотехнічних систем проводки суден по фарватеру методами радіокерування

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мазуренко Олександр Володимирович

Харків 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 7 ” квітня 2006 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: м. Харків, 61070, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: м. Харків, 61070, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий “ 6 “ березня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 64.062.07 Лукін В.В.

АНОТАЦІЯ

Мазуренко О.В. Розширення можливостей та підвищення точнісних характеристик радіотехнічних систем проводки суден по фарватеру методами радіокерування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Харків, 2006.

Дисертацію присвячено питанням розробки радіотехнічних систем керування рухом суден, які можуть застосовуватися при вирішенні задачі проводки суден по фарватеру в зонах обмеженого маневрування.

Вирішено задачу розробки методів радіокерування та синтезу алгоритмів оптимального керування на основі застосування поверхонь положення з вертикальною твірною, які формуються з використанням вимірювань радіолокаційних засобів.

Для перевірки результатів теоретичних досліджень в роботі проведено імітаційне моделювання роботи радіотехнічної системи керування, яке підтвердило коректність та адекватність розроблених методів та синтезованих алгоритмів.

Ключові слова: радіотехнічна система керування рухом суден, поверхні положення з вертикальною твірною, методи радіокерування, імітаційна модель.

АННОТАЦИЯ

Мазуренко А.В. Расширение возможностей и повышение точностных характеристик радиотехнических систем проводки судов по фарватеру методами радиоуправления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена вопросам разработки современных радиотехнических систем управления движением судов, которые могут применяться при решении задач навигации и обеспечения высокоточной проводки судов по фарватеру в зонах ограниченного маневрирования.

Проведен анализ современного состояния и перспективных путей развития радиотехнических систем управления движением судов. Установлено, что в настоящее время практически не существует радиотехнических систем, способных в любых метеоусловиях осуществлять проводку судов по фарватеру с необходимой точностью.

Обоснована необходимость разработки новых радиотехнических систем управления движением судов на основе использования современных методов обработки радиолокационной информации, для чего предложено использование поверхностей положения с вертикальной образующей. Использование поверхностей положения данного типа позволяет электронным способом формировать траекторию движения судна в виде программных точек, а при обработке координатной информации осуществить переход от пространственных параметров к параметрам местоположения на плоскости. В качестве измерителей радиолокационной информации предложено использование береговых РЛС.

Разработаны и исследованы дискретные детерминированная и стохастическая математические модели радиотехнической системы управления движением судов в пространстве состояний, что позволило решить задачу синтеза и анализа замкнутого контура управления при использовании измерений, полученных при помощи береговых радиолокационных измерителей.

Методом пропорциональных приращений параметров состояний синтезированы алгоритмы управления движением судна в пространстве поверхностей положения с вертикальной образующей при полной информации в отсутствии шумов и случайных воздействий. Использование данных алгоритмов позволяет повысить точность проводки по сравнению с ручной проводкой в 4-6 раз, а по сравнению с классическим прямым методом радиоуправления в 1,5-2 раза.

Для уменьшения количества береговых радиолокационных измерителей, информация которых используется для формирования управляющего воздействия, впервые разработан метод непропорционального сближения с заданной траекторией движения судна, оптимизированный для проводки судов по фиксированным траекториям. Получены выражения для определения управляющего воздействия. Результаты цифрового моделирования на ЭВМ показали, что использование данного метода приводит к повышению точности проводки в 2-3 раза по сравнению с прямым методом радиоуправления.

Синтезированы оптимальные, по совокупному критерию “точность-экономичность”, алгоритмы управления движением судна для всех указанных методов радиоуправления, что позволило обеспечить устойчивое и непрерывное управления движением судна по программной траектории. Показано, что наибольшее влияние на точность проводки оказывают течение и волнение. Оптимальным методом радиоуправления при воздействии на систему внешних возмущающих факторов является разработанный метод непропорционального сближения.

Усовершенствован метод объединения радиолокационной информации, получаемой о местоположении объекта управления от сети береговых РЛС путем учета статистических характеристик ошибок измерений.

Проведена оценка эффективности разработанных методов и алгоритмов путем моделирования роботы системы на ЭВМ. Выявлены ограничения и мешающие факторы, влияющие на применение разработанной системы. Выработаны практические рекомендации по использованию радиотехнической системы управления движением судов в реальных условиях функционирования.

Разработанные методы и алгоритмы управления позволяют обеспечить проводку судов с точностью более высокой за точность ручной проводки с визуальным контролем местоположения.

Ключевые слова: радиотехническая система управления движением судов, поверхности положения с вертикальной образующей, методы радиоуправления, имитационная модель.

THE SUMMARY

Opportunities extension and accuracy increasing of radio-engineering systems of vessels piloting on a waterway by use of radio-control methods. - Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Technical Science in speciality 05.12.17 - Radiotechnical and television systems. - National Aerospace University named after N.Ye. Zhukovsky “KhAI”, Kharkov, 2006.

The thesis is devoted to the development of the radio-engineering vessels traffic control systems that can be applied to solve the problems of vessels positioning on waterway in zones of limited manoeuvring.

The problems of development of radio-control methods and synthesis of optimal control algorithms were solved on the basis of application of the position surfaces with a vertical generating line which are formed by use of the radio-locating measurement.

With the purpose of verification of theoretical results the simulation of the radio-engineering control system was fulfilled. Obtained simulation results confirmed correctness and adequacy of the proposed methods and algorithms.

Keywords: radio-engineering vessels traffic control system, position surfaces with a vertical generating line, radio-control methods, simulation model.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією з складових безпеки судноводіння, особливо в прибережних районах, акваторіях портів, зонах обмеженого маневрування та обмеженої видимості, є забезпечення необхідної точності проводки суден. Надійне забезпечення плавання в таких районах дозволяє уникати аварій, екологічних катастроф, підвищити ефективність роботи портів. Зростання інтенсивності судноплавства в територіальних водах України, збільшення швидкостей суден, їх тоннажу і розмірів ускладнює забезпечення належного рівня безпеки судноводіння. Тому розробка нових та вдосконалення існуючих систем та способів керування рухом суден, з метою підвищення точності проводки суден по заданій траєкторії, є важливою та актуальною задачею.

Комплексне здійснення заходів щодо організації, регулювання та контролю за рухом суден в зонах обмеженого маневрування покладено на системи керування рухом суден (СКРС). Незважаючи на високий рівень технічного обладнання СКРС, проводка суден по фарватеру, у даний час, здійснюється в ручному режимі, з використанням візуальних способів контролю за місцезнаходженням об'єкта. Судноводій, орієнтуючись за плавучими навігаційними знаками або (при радіолокаційній проводці) на підставі інформації, одержуваної від лоцмана-оператора з центру керування рухом суден (ЦКРС), спираючись на власний досвід, здійснює необхідні маневри. Як показує аналіз такі способи проводки не завжди забезпечують необхідну точність, що може приводити до позаштатних ситуацій. Усунення вказаних недоліків може бути здійснено за допомогою системи автоматичного (або напівавтоматичного) керування рухом судна, побудованої на основі радіотехнічних засобів СКРС, методами радіокерування. Відомі на даний час методи радіокерування направлені на вивід об'єкта в задану точку простору і не враховують вимог до траєкторії руху. Тому можливість побудови такої системи за рахунок розширення функціональних можливостей існуючих радіотехнічних засобів СКРС та розробка методів радіокерування, оптимізованих для проводки суден по фіксованих траєкторіях вимагають досліджень, які й складають наукову основу дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладено в роботі виконувались у відповідності з держбюджетною темою “Теоретичні основи та математичний інструментарій просторово-часової обробки вимірювальної інформації в радіоелектронних комплексах аерокосмічного базування” номер державної реєстрації 0100U003431, а також проводились в рамках сумісних робіт з Державним підприємством “Дельта-лоцман” (м. Миколаїв).

Мета і задачі дисертаційного дослідження. Головною метою дослідження є розробка радіотехнічної системи керування, призначеної для проводки суден по фарватеру, на основі використання існуючих радіотехнічних засобів СКРС, а також розробка методів керування, оптимізованих для проводки об'єктів по фіксованих траєкторіях.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються наступні задачі:

аналіз сучасного стану та перспективних напрямків розвитку технічних засобів СКРС;

аналіз існуючих способів проводки суден по фарватеру та методів радіокерування;

розробка узагальненої структури радіотехнічної системи керування рухом судна; обґрунтування можливостей застосування радіотехнічних засобів СКРС для використання в складі такої системи;

розробка детермінованої та стохастичної математичних моделей радіотехнічної системи керування рухом судна;

розробка методу непропорційного зближення об'єкта з траєкторією, оптимізованого для проводки об'єктів, що рухаються по фіксованих траєкторіях;

синтез оптимальних алгоритмів керування за сукупним критерієм максимальної точності керування та економічності використання керуючих органів, в умовах дії випадкових факторів із заданими статистичними характеристиками;

оцінка характеристик точності керування розробленої радіотехнічної системи (з урахуванням можливих впливів зовнішніх та внутрішніх збурюючих факторів) методом комплексного моделювання на ЕОМ процесу проводки судна. Розробка практичних рекомендацій щодо застосування радіотехнічної системи.

Об'єктом дослідження є процес проводки суден по фарватеру за допомогою радіотехнічних засобів судноводіння.

Предмет дослідження - моделі радіотехнічної системи, методи та алгоритми радіокерування рухом суден при проводці по фарватеру з використанням радіотехнічних засобів.

Для вирішення поставлених в роботі задач використовувались методи досліджень:

теоретичний аналіз, на основі якого були намічені шляхи підвищення точності проводки суден по заданій траєкторії та розроблена структура радіотехнічної системи керування;

метод малих збурень та простору станів в частині синтезу детермінованої та стохастичної моделей руху судна;

методи оптимального оцінювання та керування при синтезі алгоритмів керування, оптимізованих для руху об'єктів по фіксованих траєкторіях;

метод максимальної правдоподібності для синтезу алгоритму об'єднання інформації від кількох радіолокаційних вимірювачів місцезнаходження об'єкта;

метод Монте-Карло для оцінки ефективності роботи радіотехнічної системи керування під впливом зовнішніх збурюючих факторів, атестації розроблених методів та синтезованих алгоритмів керування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в розробці структури радіотехнічної системи керування рухом судна на основі існуючих радіотехнічних засобів проводки СКРС та методів радіокерування, оптимізованих для руху об'єктів по фіксованих траєкторіях. При проведенні досліджень автором отримані наступні положення і результати, що містять наукову новизну:

вперше розроблено узагальнену структуру радіотехнічної системи автоматичної (напівавтоматичної) проводки суден по фарватеру та її детерміновану і стохастичну математичні моделі;

вдосконалено та застосовано до керування рухом судна методи радіокерування в просторі поверхонь положення з вертикальною твірною (ППВТ) на основі далекомірних або азимутальних вимірювань, синтезовано алгоритми керування для вказаних методів;

розроблено новий метод радіокерування - метод непропорційного зближення з заданою траєкторією, оптимізований для проводки об'єктів по фіксованій траєкторії та синтезовано алгоритм керування рухом судна для нього;

вдосконалено алгоритм об'єднання даних про місцезнаходження об'єктів керування, одержуваних від кількох радіолокаційних вимірювачів.

Практична значимість отриманих результатів. Отримані в роботі результати можуть бути використані для розширення функціональних можливостей існуючих радіотехнічних систем проводки суден та побудови нових систем керування рухом суден в зонах обмеженого маневрування (акваторіях портів, підхідних каналах) на основі радіотехнічних засобів. Розроблені та вдосконалені методи радіокерування можуть бути застосовані не тільки до керування рухом суден, але й інших об'єктів, що рухаються по фіксованих (програмних) траєкторіях. Програмні моделі радіотехнічної системи керування рухом судна можуть бути використані в складі суднового навігаційного комплексу для автоматичної або напівавтоматичної проводки суден за допомогою радіотехнічних засобів СКРС, а також для навчання та тренування лоцманського складу.

Важливе значення мають, виявлені в роботі, обмеження та несприятливі фактори для застосування, а також ступінь їх впливу на працездатність і ефективність роботи розробленої радіотехнічної системи керування.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є результатом самостійної праці автора. В публікаціях, що написані у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному: в роботі [1] автором проаналізовано похибки властиві апаратурі супутникових радіонавігаційних систем, здійснено математичне моделювання похибок далекомірно-швидкісних вимірювань в апаратурі споживачів супутникових радіонавігаційних систем; в роботі [2] здобувачем синтезовано алгоритм керування об'єктами, які рухаються по фіксованих (програмних) траєкторіях, на основі методу радіокерування в просторі поверхонь положення з вертикальною твірною, що формуються на основі азимутальних вимірювань; в статті [3] синтезовано математичні моделі обертального та поздовжнього поступального руху судна для випадку відсутності зовнішніх збурень; в [4, 7] розроблено детерміновану модель радіотехнічної системи керування рухом суден, призначеної для проводки суден по фарватеру, синтезований алгоритм керування для прямого методу (методу кривої переслідування) на основі далекомірно-азимутальних вимірювань, проведено аналіз точнісних показників роботи системи; в роботі [5] синтезовано модифікацію алгоритму об'єднання інформації від кількох радіолокаційних вимірювачів місцезнаходження об'єкта для випадку відсутності апріорної інформації про статистичні характеристики похибок вимірювань, поставлено статистичний експеримент; в патенті на винахід [6] автору належить розробка способу навігації в просторі поверхонь положення з вертикальною твірною на основі використання азимутальних вимірювань місцезнаходження об'єкта;.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були апробовані на міжнародних форумах та науково-технічних конференціях: конференції молодих вчених ХАІ (м. Харків, 2000 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ'2001” (м. Харків, 2001 р.), третій Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та електронні технології” (м. Одеса, 2002 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ'2002" (м. Харків, 2002 р.), 7-му Міжнародному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”, (м. Харків, 2003 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Інформаційні технології в авіації" (м. Харків, 2003 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи були опубліковані у 5-ти статтях в періодичних фахових журналах і науково-технічних збірниках, що входять до переліку ВАК України [1-5], патенті на винахід [6], тезах доповідей на науково-технічних конференціях [7-9] та звіті про НДР.

Структура та об'єм дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 182 сторінки, у тому числі: список використаних джерел із 102 найменувань на 10 сторінках, додатки на 6 сторінках, 63 рисунки на 18 сторінках та 12 таблиць на 7 сторінках.

керування судно фарватер

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені мета та основні задачі дисертаційного дослідження, сформульовані нові наукові положення, що виносяться на захист, визначена практична значимість отриманих результатів та представлені дані про їх реалізацію, наведені публікації автора і його особистий внесок.

У першому розділі дисертаційної роботи проаналізовано сучасний стан технічних, зокрема радіотехнічних, засобів СКРС, властиві їм обмеження, розглянуто задачі, які вирішуються за їх допомогою; проведено аналіз існуючих способів проводки суден по фарватеру та визначені шляхи їх вдосконалення.

Аналіз показує, що існуючі способи не забезпечують необхідної точності проводки, особливо в поганих метеоумовах при обмеженій видимості, а також значно залежать від досвіду та практичних навичок судноводіїв. Для усунення вказаних недоліків запропонований спосіб проводки суден за допомогою автоматичної (або напівавтоматичної) системи радіокерування з використанням вимірювань параметрів місцезнаходження об'єкта відносно заданої траєкторії радіотехнічними засобами СКРС. Необхідна траєкторія руху об'єкта може бути задана набором контрольних точок, з'єднаних прямими. Параметри місцезнаходження контрольних точок можуть бути визначені за допомогою радіотехнічних засобів СКРС при контрольному (еталонному) проходженні траси. Оскільки об'єкт керування рухається на площині, для формування керуючого впливу немає необхідності визначати параметри місцезнаходження об'єкта та контрольних точок траєкторії у просторі; запропоновано для визначення місцезнаходження об'єкта використання особливого виду поверхонь положення, що формуються на основі вимірювань радіотехнічних засобів СКРС - поверхонь положення з вертикальною твірною. Застосування ППВТ дозволяє:

використовувати для вироблення керуючої дії координати об'єкта на площині, а не в просторі;

забезпечити формування контрольних точок траєкторії руху електронним способом, шляхом задання точок перетину двох або більше ППВТ;

оперативно змінювати необхідні траєкторії руху суден.

В розділі наведені способи формування ППВТ на основі вимірювань відстаней та азимутів. Також розглянуті можливі критерії оцінки ефективності систем керування рухом суден.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений розробці та дослідженню детермінованої дискретної математичної моделі автоматичної радіотехнічної системи керування рухом суден. В ньому запропонована узагальнена структура системи керування, проведено її аналіз з точки зору системи автоматичного регулювання, проведено розділення системи радіокерування на два замкнених контури: внутрішній, на основі гіроскопічних датчиків поточного курсу та кутової швидкості обертання, і зовнішній, який замикається через радіолінію передачі даних і включає радіолокаційні вимірювачі місцезнаходження об'єкта. Визначені основні ланки замкнених контурів та їх передаточні функції.

Виходячи з системи рівнянь, що описують динаміку судна у просторі, шляхом їх лінеаризації в околі деякого стаціонарного режиму, що характеризується малими приростами кінематичних параметрів об'єкта, а також розділення руху на складові та врахування тих складових, які визначають рух на площині, одержані лінійні моделі руху судна, що описуються рівнянням:

- для обертального руху:

(1)

де , - n-вектори станів системи відповідно для моментів часу (tk), (tk+1), n=3;

щ(k), (k), ц(k) - кутова швидкість обертання, кут дрейфу та кут поточного курсу об'єкта керування, відповідно, на момент часу (tk);

д(k) - r-вектор керуючих впливів (кут повороту вертикального руля) в момент часу (tk), r = 1;

ФX(k+1,k) - перехідна матриця станів розміру nЧn;

ШX(k+1,k) - перехідна матриця керувань розміру nЧr;

- для повздовжнього та поперечного поступального руху на площині:

, (2)

, (3)

де V - лінійна швидкість об'єкта керування;

xg(k), zg(k), xg(k+1), zg(k+1) - координати об'єкта керування в декартовій нерухомій системі координат на моменти часу (tk), (tk+1).

Шляхом імітаційного моделювання на ЕОМ підтверджена фізична адекватність одержаних моделей руху судна. Для формування керуючого впливу в роботі вдосконалені і застосовані до керування рухом судна методи радіокерування в просторі поверхонь положення з вертикальною твірною. Для випадку детермінованої моделі системи радіокерування при відсутності збурюючих факторів одержані вихідні рівняння у просторі станів при формуванні керуючої дії методом пропорційного зближення: - на основі використання різниць квадратів відстаней об'єкта керування відносно берегових радіолокаційних вимірювачів (БРЛВ):

, (4)

де , , - n-вектори станів системи відповідно для моментів часу (tk), (tk+1), (tk-1);

, , ; , - відстані відповідно від об'єкта керування до l-го і m-го БРЛВ на момент часу (tk);

UP(k) - r-вектор керуючих впливів в момент часу (tk);

ФP(k+1,k), ФP(k+1,k-1) - перехідні матриці станів розміру nЧn;

ШP(k+1,k) - перехідна матриця керувань розміру nЧr, n = r =2;

- та на основі вимірювань азимутів об'єкта керування відносно БРЛВ:

, (5)

де , , - n-вектори станів системи для моментів часу (tk), (tk+1), (tk-1), відповідно;

б1(k), б2(k) - азимути об'єкта керування відносно 1-го і 2-го БРЛВ на момент часу (tk);

Uб(k) - r-вектор керуючих впливів в момент часу (tk);

Фб(k+1,k), Фб(k+1,k-1) - перехідні матриці станів розміру nЧn;

Шб(k+1,k) - перехідна матриця керувань розміру nЧr, n = r =2.

Синтезовані алгоритми формування керуючої дії для вказаних методів радіокерування, які встановлюють зв'язок між Uб(k), UP(k) та д(k).

Для зменшення кількості БРЛВ, вимірювання яких використовуються при формуванні керуючої дії, вперше розроблено метод непропорційного зближення з заданою траєкторією руху. Суть методу заключається в пропорційній зміні кутового відхилення об'єкта від заданої траєкторії по мірі приближення до поточної контрольної точки. Якщо на кожному кроці дискретності задати відношення приросту проекції, на задану траєкторію, відстані від об'єкта до поточної контрольної точки до приросту величини кутового відхилення від траєкторії рівними абсолютним значенням цих величин:

, (6)

то через певний проміжок часу вони одночасно стануть рівними нулю, тобто буде досягнуто мету керування, об'єкт прийде в задану контрольну точку. Для вказаного методу також синтезовано алгоритм формування керуючої дії.

Показано, що зближення з заданою траєкторією має нелінійний характер; по мірі приближення до траєкторії або до поточної контрольної точки швидкість зближення зменшується, що забезпечує плавне зближення з траєкторією і вищі точнісні показники проводки. При віддаленні від траєкторії, наприклад, під впливом зовнішніх збурюючих факторів, величина керуючої дії збільшується, завдяки чому компенсується їхній вплив.

На підставі виконаних теоретичних досліджень проведена експериментальна апробація розроблених алгоритмів керування методом цифрового моделювання на ЕОМ (рис. 1). При цьому розглянуті можливі варіанти початкового положення об'єкта керування відносно заданої траєкторії, різні варіанти програмних траєкторій. В якості коефіцієнтів лінеаризованих рівнянь обертального, повздовжнього і бокового рухів прийнято коефіцієнти для реальних суден.

Отримано результати, які доводять працездатність детермінованої моделі радіотехнічної системи керування рухом судна. В якості критеріїв оцінки ефективності роботи системи керування були прийняті величина максимального відхилення реальної траєкторії руху судна від заданої та сукупний показник “точність-економічність”, що являє собою дискретний варіант класичного функціонала якості Летова-Калмана:

, (7)

де xy(k) - вектор керованих фазових координат, що включає змінні, які описують поточний стан керованої системи;

xT(k) - вектор необхідних фазових координат, що визначає стан, в який систему потрібно перевести;

Q - матриця штрафів за поточну точність керування;

К - матриця штрафів за величину керуючої дії;

За результатами моделювання визначено, що:

точність проводки суден за допомогою радіотехнічної системи керування для випадку відсутності збурюючих факторів в 4-6 разів вище в порівнянні з ручною проводкою;

похибка керування практично не залежить від початкового положення об'єкта відносно заданої траєкторії і для випадку відсутності збурюючих факторів для усіх розглянутих методів радіокерування не перевищує 21 м;

в порівнянні з класичними методами радіокерування (прямим методом) методи пропорційного зближення на основі вимірювань відстаней або азимутів дають виграш по величині максимального відхилення від заданої траєкторії в 1,3-1,6 рази, по сукупному показнику “точність-економічність” - у 2-2,5 рази, метод непропорційного зближення з траєкторією - відповідно в 1,5-2 рази та 2-3,5 рази.

Результати імітаційного моделювання також показали необхідність введення в замкнений контур автоматичного регулювання системи додаткової демпферної ланки при використанні методів пропорційного зближення на основі вимірювань відстаней та азимутів. Запропонована структура такої ланки та визначені коефіцієнти передачі її складових. Показано, що параметри демпферної ланки практично не залежать від інерційності судна. Використання додаткової демпферної ланки в замкнутому контурі системи радіокерування дозволяє в 1,5-2 рази зменшити величину максимального відхилення від заданої траєкторії при використанні вказаних методів радіокерування.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячено синтезу алгоритмів оптимального керування в умовах дії зовнішніх збурюючих факторів та дослідженню стохастичної моделі радіотехнічної системи керування рухом судна. Зовнішні збурення, що можуть впливати на точність проводки суден, розділені на вітрові, хвильові та течію. При дослідженні впливу зовнішніх збурень на роботу системи радіокерування, для обмежених просторово-часових інтервалів, течія та повільно-змінні складові вітру і хвилювання розглядаються як збурення з постійною величиною, які можуть бути виміряні та враховані в моделі системи як додаткові зовнішні аеро- та гідродинамічні сили і моменти, що діють на корпус об'єкта керування:

, (8)

де оИ(k) - вектор додаткових (вимірюваних) збурювань, що визначаються постійними або повільно-змінними складовими течії, вітру та хвилювання.

Одержані вирази для їх визначення з врахуванням кутів зустрічі, розмірів та коефіцієнтів аерогідродинамічної взаємодії з корпусом об'єкта.

Пориви вітру та змінна складова хвилювання віднесені до випадкових (невимірюваних) збурюючих факторів. Детально розглянуті моделі хвилювання. На основі виразу для спектру нерегулярного хвилювання одержано характеристики формуючого фільтра з врахуванням характеру взаємодії хвиль з корпусом об'єкта.

Показано, що сумарний вплив на об'єкт керування поривів вітру, хвилювання, а також помилок вимірювань при певних умовах, може розглядатися як випадковий вплив з статистичними характеристиками, що наближаються до нормального закону розподілу. Проведений в розділі аналіз вихідних даних вирішення задачі оптимального синтезу керуючого впливу показав доцільність використання, в якості критерію оптимальності, мінімізації квадратичного функціоналу виду (7). Використання критерію Летова-Калмана дозволяє знайти компромісний варіант між похибкою проводки та величиною сигналів керування. Виходячи з цього задача синтезу оптимальних алгоритмів згідно з запропонованими методами радіокерування розглянута в постановці синтезу оптимального лінійного квадратичного гаусівського регулятора (ЛКГ-задача).

Спрощення задачі синтезу функції керування засновано на теоремі статистичної еквівалентності, відповідно до якої для лінійних моделей в умовах дії гаусівських збурювань, при оптимізації систем за квадратичним критерієм виду (7) алгоритми оцінювання й керування можна синтезувати незалежно. При цьому алгоритм функціонування статистичного регулятора буде аналогічний (статистично еквівалентний) алгоритму функціонування детермінованого регулятора (отриманого без врахування збурювань) за умови заміни в ньому фазових координат і параметрів системи їхніми оптимальними оцінками. Запропоновану радіотехнічну систему керування рухом суден також можна розділити на фільтр, що формує оптимальні оцінки й оптимальний регулятор, що виробляє на їхній основі керуючу функцію (рис. 2).

Для знаходження оптимальної функції керування використаний метод динамічного програмування Беллмана. Показано, що для ЛКГ-задачі алгоритм роботи оптимального статистичного регулятора визначається виразом:

, (9)

де ш - перехідна матриця керувань системи;

- вектор необхідних станів системи керування;

- оцінка вектора поточних станів системи.

Для одержання оцінки вектора поточних станів системи керування, на основі якої здійснюється формування оптимального закону керування, використана методика побудови дискретного фільтра Калмана.

Для всіх запропонованих у роботі, а також для одного з класичних методів радіокерування були отримані оптимальні, за критерієм якості “точність-економічність”, алгоритми керування при роботі системи в умовах дії зовнішніх збурюючих факторів і наявності помилок вимірювання параметрів станів системи.

Проведені дослідження розробленої стохастичної моделі радіотехнічної системи керування рухом суден показали, що:

1) при формуванні керуючого впливу за допомогою синтезованих оптимальних алгоритмів керування й наявності зовнішніх вітро-хвильових збурюючих факторів найбільш ефективним є метод непропорційного зближення із заданою траєкторією; його використання дозволяє покращити точність проводки в 3-5 разів в порівнянні з ручною проводкою, та в 1,5-2 рази в порівнянні з прямим методом радіокерування;

2) підвищення інтенсивності зовнішніх збурювань приводить до збільшення дисперсій помилок фільтрації й зменшення точності проводки;

3) найбільшою мірою точність проводки суден за допомогою запропонованої системи керування залежить від інтенсивності хвилювання й швидкості течії.

Для розглянутого класичного методу радіокерування (прямого методу або методу кривої переслідування) і, в меншій мірі, для методів радіокерування синтезованих у просторі ППВТ з використанням азимутальних або далекомірних вимірювань бічний знос за рахунок течії може приводити до виходу судна за межі траси руху (каналу).

При використанні методу непропорційного зближення система радіокерування компенсує бічний знос шляхом пропорційного збільшення керуючого впливу.

Залежність показників якості роботи системи керування для вказаних методів радіокерування від інтенсивності течії наведена на рис. 3.

Слід зазначити, що при моделюванні використовувався гіпотетичний варіант конфігурації течії на ділянці траси.

Результати даного розділу свідчать про адекватність та працездатність синтезованих оптимальних алгоритмів керування.

У четвертому розділі розглянуті питання об'єднання радіолокаційної інформації, коли в зоні дії суміжних РЛВ одночасно знаходяться кілька суден (рис. 4), а також надані рекомендації щодо практичного застосування розробленої системи керування рухом суден, та методів і синтезованих алгоритмів керування.

Інформація що надходить від кожного з РЛВ до ЦКРС представлена вектором вимірювання:

(10)

где - номер джерела інформації (номер РЛВ);

- номер об'єкта виявленого та супроводжуваного -м РЛВ;

ti.j - моменти часу, в які інформація поступає в центр керування рухом суден;

- оцінка вектора поточних координат -м РЛВ -го об'єкта.

Показано, що для найпростішого випадку коли в зону дії двох РЛВ попадає кілька об'єктів, при відсутності апріорної інформації про статистичні характеристики похибок вимірювань, критерієм розрізнення відміток об'єктів керування є мінімум суми перехресних відстаней між відмітками. Зокрема для випадку двох об'єктів керування в зоні дії двох РЛВ:

, (11)

де , ;

Ri,j - відстані між відмітками об'єктів керування в єдиній системі координат, .

Для випадку статистично незалежних вимірювань з нормальним законом розподілу похибок вимірювань розглянуті можливі статистичні гіпотези, записано вираз для функції правдоподібності багатомірного вектора вимірювань і показано, що критерієм надійного розрізнення служить її максимум.

Згідно з методом максимуму правдоподібності синтезовано алгоритм розрізнення відміток двох об'єктів керування, на основі якого здійснюється об'єднання інформації від двох РЛВ. Також запропонована методика синтезу алгоритму для випадку більшої кількості вимірювачів.

Результати статистичного експерименту проведеного на ЕОМ, показали, що ймовірність розрізнення об'єктів для випадку врахування статистичних характеристик вимірювань вища, ніж у випадку коли вони невідомі (або не враховуються), й складає відповідно Р = 0,8-0,95 та Р = 0,75-0,85.

Наприкінці розділу розглянуті питання та надані практичні рекомендації щодо застосування розробленої радіотехнічної системи, методів радіокерування та синтезованих в роботі алгоритмів.

ВИСНОВКИ

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача розробки радіотехнічної системи керування рухом суден, розробки методів радіокерування, оптимізованих для руху об'єктів по фіксованих траєкторіях та синтезу нових алгоритмів оптимального керування на підставі вимірювань, отриманих від берегових РЛВ в умовах дії випадкових факторів.

Внаслідок проведення теоретичних і експериментальних досліджень одержані наступні основні наукові та практичні результати роботи:

аналіз стану та перспектив розвитку технічних засобів СКРС свідчить про принципову можливість створення на їх базі радіотехнічної системи керування рухом суден на основі використання сучасних методів обробки координатної інформації, одержуваної від радіолокаційних вимірювачів;

у роботі вирішені завдання розробки дискретних детермінованої й стохастичної математичних моделей радіотехнічної системи керування рухом суден у просторі станів. Об'єкт керування представлений у вигляді просторово-протяжного об'єкта;

удосконалені й застосовані до керування рухом суден методи радіокерування в просторі поверхонь положення з вертикальної твірною при вимірюванні відстаней або азимутів об'єкта відносно РЛВ. Їхнє використання дозволяє підвищити точність проводки суден у порівнянні з ручною проводкою в 4-6 разів, у порівнянні із класичними методами радіокерування в 1,5-2 рази;

вперше розроблено метод непропорційного зближення з траєкторією для випадку одночасного вимірювання азимута й відстані від об'єкта до РЛВ. Метод оптимізований для проводки об'єктів по фіксованих траєкторіях, що дозволяє підвищити точність проводки суден в порівнянні із класичними методами радіокерування в 2-3 рази.

розроблено оптимальні по сукупному показнику "точність-економічність" алгоритми керування судном при роботі системи в умовах дії зовнішніх збурюючих факторів.

для надійного функціонування розробленої системи на протяжних трасах руху при використанні мережі РЛВ й покращення якості навігаційної інформації розроблені алгоритми об'єднання радіолокаційної інформації, які дозволяють підвищити ймовірність розрізнення об'єктів керування з Р = 0,75-0,85 до Р = 0,8-0,95 шляхом врахування інформації про статистичні характеристики вимірювань;

розроблені програмні моделі радіотехнічної системи керування рухом суден, які дозволяють програвати можливі варіанти проходження судном траси з врахуванням її конфігурації, характеристик судна, можливих збурюючих факторів, а отже можуть бути застосовані в складі суднового навігаційного комплексу.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Хомяков Э. Н., Наумова Е. Э., Шаповалов С. Г., Трикоз Д. В., Мазуренко А. В. Анализ медленноменяющихся погрешностей дальномерно-скоростных измерений в аппаратуре потребителей спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС, GPS. // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Гос. аэрокосм. ун-т “ХАИ”, 1999. - Вып. 12. - С.22-25.

2. Барышев И. В., Мазуренко А. В. Управление объектами, при движении по программным траекториям, по данным азимутальных измерений. // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Гос. аэрокосмический ун-т “Харьк. авиац. институт”, 2000. - Вып.20. - С. 50-54.

3. Мазуренко А. В., Барышев В. И. Математическая модель движения морского подвижного объекта. // Технология приборостроения. - Харьков: ГП НИТИП, 2001. - Вып. 1-2. - С.103-109.

4. Барышев И. В., Мазуренко А. В. Детерминированная модель системы управления морским подвижным объектом в пространстве поверхностей положения с вертикальной образующей. // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Нац. аэрокосмический ун-т “Харьк. авиац. институт”, 2002. - Вып.35. - С.46-50.

5. Барышев И. В., Мазуренко А. В. Алгоритм идентификации целей по данным измерений нескольких РЛС. // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. Науково-технічний журнал., 2003. - Вип.2. - С.15-21.

6. Пат. 47667 А, МКІ В 63 В 51/00. Спосіб навігації з використанням електронних маяків: Деклараційний пат. 47667 А, МКІ В 63 В 51/00 // Баришев І.В., Мазуренко О.В., Висоцький О.В. Заявл. 13.07.2001; Опубл. 15.07.2002. Промислова власність. Винаходи, користні моделі, топографії інтегральних мікросхем. Офіційний бюлетень № 7. Кн. 1. - 2002. - С. 4.49 - 4.50.

7. Барышев И. В., Мазуренко А. В. Детерминированная модель системы управления морским подвижным объектом. // Міжнародна науково-технічна конференція “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні - ІКТМ'2002”: Тези доповідей. - Харків: Нац. аерокосмічний ун-т “Харк. авіац. ін-т”, 2002. - С.124.

8. Мазуренко А. В. Система автоматического управления судном в пространстве поверхностей положения с вертикальной образующей. // 7-й Международный молодежный форум “Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке”: Сб. материалов форума. - Харьков: ХНУРЭ, 2003. - С. 54.

9. Мазуренко А. В. Математическая модель системы управления морским подвижным объектом в пространстве цилиндрических поверхностей положения. // Современные информационные и электронные технологии: Труды четвертой международной научно-практической конференции. - Одесса: ОНПУ, 2003. - С. 25.

Размещено на Allbest.ru