Розробка та дослідження інтегрованої системи визначення координат і курсу судна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.11.03 - “Гіроскопи та навігаційні системи”

Розробка та дослідження інтегрованої системи визначення координат і курсу судна

Прохорчук Олександр Віталійович

Київ 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі приладів і систем керування літальними апаратами Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник Лауреат державних премій СРСР та України, доктор технічних наук, професор Збруцький Олександр Васильович Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри приладів і систем керування літальними апаратами, декан факультету авіаційних та космічних систем

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Бойчук Остап Пилипович Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри математичної фізики

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Захарін Фелікс Михайлович Науковий центр військово-повітряних сил, провідний науковий співробітник

Провідна установа Український державний морський технічний університет, Міністерство освіти і науки України, м. Миколаїв

Захист відбудеться 05.12.2001р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.07 при Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корп.1, ауд. 271a.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 043.11.2001 р.

Виконуючий обов'язки вченого секретаря спеціалізованої вченої ради д.т.н., професор Л.М. Рижков

1. Загальна характеристика роботи

судно гірокомпас навігаційний курс

Актуальність теми. Однією з основних задач судноплавства є забезпечення безпеки плавання суден. Оскільки судноплавство, як і будь-яка область знань, еволюціонує, то постійно змінюється і критерій, за допомогою якого оцінюється рівень його безпеки. Зараз цей критерій встановлюється на міжнародному рівні - міжнародною морською організацією ІМО.

Постійне підвищення вимог по точності та надійності визначення місця судна стимулює пошуки нових методів вимірювання та обробки інформації, розробку високоточних та надійних навігаційних систем.

Аналіз сучасного стану навігаційного обладнання переважної більшості рухомих об'єктів, у тому числі морських та річкових, показав, що розв'язання проблеми достовірного і надійного визначення місцезнаходження плаваючих засобів, їхнього взаємного положення та оптимальної прокладки курсу за будь-яких погодних умов полягає в раціональному використанні всієї сукупності навігаційної інформації, що реалізується інтегруванням окремих навігаційних приладів у єдиний комплекс.

В зв'язку з цим актуальним є розв'язання наступних задач: детальна розробка структурної схеми інтегрованої навігаційної системи, аналіз математичної моделі та похибок інтегрованої навігаційної системи та її функціональних елементів, синтез і дослідження алгоритмів оптимальної обробки навігаційної інформації.

Набір навігаційного обладнання бажано вибирати типовим для переважної більшості морських рухомих об'єктів. Так, згідно правил морського Регістра, гірокомпаси є основними навігаційними приладами, наявність яких обов'язкова на суднах із водотоннажністю більше ніж 500 тонн. Лаг є обов'язковим на борту судна для визначення його швидкості, а приймач сигналів СНС, який вже широко використовується в судноплавстві, найближчим часом теж має стати обов'язковим для використання на морських та річкових суднах. Таким чином, актуальною є розробка інтегрованої системи визначення координат та курсу судна (ІСКК), яка була б побудована на базі коректованого гірокомпаса (КГК), приймача сигналів супутникових навігаційних систем (СНС) і лага.

Актуальною задачею є також використання апаратури та обладнання вітчизняного виробництва, тому при виборі конкретних типів вказаного вище навігаційного обладнання орієнтацію було зроблено на прилади, які серійно виробляються в Україні - малогабаритний коректований гірокомпас “Круїз” та 14-канальний приймач СНС серії СН-3000, інтегрований для використання супутникових систем ГЛОНАСС і GPS. У якості вимірника відносної швидкості руху судна в інтегрованій навігаційній системі забезпечення безпеки судноплавства можуть бути використані лаги низької точності - вертушковий, гідродинамічний або індукційний. При розробці системи вибір було зупинено на індукційному лазі ІЕЛ-2М.

Актуальність розв'язання перелічених проблем дозволила сформулювати мету і задачі дисертаційної роботи.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка та дослідження інтегрованої навігаційної системи для морських та річкових суден, математичних моделей і похибок системи та її складових елементів, алгоритму функціонування, рекомендацій по підвищенню точності та надійності ІСКК.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні задачі:

1. Розробити структурну схему інтегрованої навігаційної системи виходячи з існуючої на борту судна навігаційної апаратури.

2. Проаналізувати математичні моделі функціональних елементів інтегрованої навігаційної системи, дослідити їх основні похибки і на цій основі розробити модель похибок інтегрованої навігаційної системи.

3. Розробити алгоритм функціонування інтегрованої навігаційної системи.

4. Провести дослідження алгоритму функціонування інтегрованої навігаційної системи. Проаналізувати вплив неточності інформації про параметри руху судна на точність курсовизначення інтегрованої навігаційної системи. Оцінити похибки курсовизначення інтегрованої навігаційної системи, обумовлені використанням цифрового контуру управління. Дослідити чутливість алгоритму функціонування інтегрованої навігаційної системи до неточності задання параметрів математичної моделі.

5. Розробити програми моделювання роботи інтегрованої навігаційної системи.

6. Виробити рекомендації щодо зниження похибок інтегрованої навігаційної системи, підвищенню надійності та достовірності надання навігаційної інформації в залежності від наявної на борту судна апаратури.

Об'єктом досліджень є навігаційні системи нового покоління, які б надійно забезпечували користувача всією сукупністю навігаційної інформації при складних умовах руху.

Предметом досліджень є інтегрована система визначення координат і курсу судна, побудована на базі коректованого гірокомпаса, приймача сигналів СНС та лага.

Методи досліджень, які використовувалися для вирішення поставлених у роботі задач, - це методи теоретичної механіки, теорії гіроскопів, систем автоматичного керування, випадкових процесів, методи чисельного інтегрування диференційних рівнянь, цифрового моделювання на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті проведених досліджень були одержані наступні нові результати, отримані здобувачем:

1. Запропонована та досліджена структурна схема інтегрованої системи визначення координат і курсу судна на базі коректованого гірокомпаса, приймача сигналів СНС та лага, розроблена її математична модель, яка поєднує модель похибок коректованого гірокомпаса, приймача сигналів СНС, лага, моделі зовнішніх збурень та дозволяє досліджувати динаміку і похибки системи при довільному русі судна.

2. Розроблено алгоритм функціонування інтегрованої системи визначення координат і курсу судна на базі оптимального фільтра Калмана з врахуванням корельованості шумів вимірювачів та шумів зовнішніх збурень, наявності в векторі вимірювання детермінованої функції часу та надлишковості вимірювачів навігаційної інформації. Розглянуто режим функціонування інтегрованої системи визначення координат і курсу судна у випадку зриву сигналу з приймача СНС.

3. Отримано вирази для похибок курсовизначення інтегрованої системи визначення координат і курсу судна через неточність інформації про широту, швидкість та прискорення рухомого об'єкта, а також похибок, обумовлених використанням цифрового контуру керування.

4. Отримано узагальнені формули для аналізу чутливості алгоритму функціонування інтегрованих навігаційних систем до неточності задання параметрів математичної моделі.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Визначені основні особливості ІСКК в порівнянні з іншими інтегрованими навігаційними системами.

2. Отримані формули для розрахунку основних похибок ІСКК.

3. Розроблено рекомендації по використанню функціональних елементів ІСКК в залежності від їх точності.

4. Отримано рекурентні формули та побудовано графіки для оптимального вибору параметрів фільтра Калмана ІСКК.

5. Розроблено пакет прикладних програм для напівнатурного моделювання роботи ІСКК при довільному русі судна, з використанням дійсних даних з приймача СНС та КГК.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася як складова частина досліджень, що проводяться кафедрою приладів та систем керування літальними апаратами НТУУ "КПІ" та Науково-аналітичним центром критичних технологій навігаційного приладобудування (НАЦ КТНП) при НТУУ "КПІ" відповідно до державних та галузевих науково-технічних програм. Наукові та практичні результати дисертаційної роботи використовувалися:

1. Міжнародним науково-навчальним центром інформаційних технологій та систем НАН України та Міністерства освіти та науки України при виконанні робіт за договором №1/97 від 17 листопада 1997 р. "Розробка інтегрованої навігаційної системи на базі автономної та супутникової навігаційної системи для керування наземним та морським транспортом". Здобувач приймав участь в розробці математичної моделі автономного блоку на базі коректованого гірокомпаса та навігаційної системи в цілому.

2. НАЦ КТНП при НТУУ “КПІ” при виконанні робіт за договором №2330 від 21 квітня 1998 р. "Розробка структури та дослідження навігаційного блоку апаратури забезпечення безпеки судноплавства в акваторії порту". Здобувачем розроблено алгоритм функціонування інтегрованої навігаційної системи з використанням оптимальної фільтрації Калманівського типу та програми напівнатурного моделювання роботи інтегрованої навігаційної системи.

3. Кафедрою приладів та систем керування літальними апаратами НТУУ “КПІ” в навчальному процесі у вигляді:

Методичних вказівок до вивчення курсу “Комплексовані навігаційні системи” для студентів спеціальності “Системи керування літальними апаратами та комплексами” денної форми навчання;

Методичних вказівок до виконання лабораторної роботи “Дослідження коректованого гірокомпаса “Круїз” з курсу “Гіроскопічні системи стабілізації та орієнтації” для студентів спеціальності “Системи керування літальними апаратами та комплексами” денної форми навчання.

Апробація результатів дисертації. Наукові результати дисертаційної роботи докладались і обговорювались на наступних науково-технічних конференціях: І-ій Національній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація та управління рухом”, 1995 р., Київ, Україна; симпозіумі “Гіротехнології - 1997”, Штутгард, Німеччина; ІІ-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація та управління рухом”, 1997 р., Київ, Україна; Ювілейній науково-технічній конференції “Прилади і системи орієнтації, стабілізації і навігації”, 1998 р., Москва, Росія; V-ому Китайсько-Російсько-Українському симпозіумі з космічної науки та техніки, 2000 р., Харбін, Китай; IІІ-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Гіротехнології, навігація, управління рухом і конструювання рухомих об'єктів”, 2001 р., Київ, Україна.

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 7 науково-технічних статтях та 8 доповідях і тезах доповідей на конференціях.

Структура та об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків та додатку. Обсяг основної частини роботи становить 151 стор. В роботі приведено 48 рисунків та 16 таблиць. Список використаних джерел містить 103 назви на 10 сторінках. Обсяг роботи разом з додатком - 179 стор.

2. Основний зміст роботи

У вступі коротко охарактеризована проблема, обґрунтована актуальність роботи, сформульована її мета, наведені основні наукові та практичні результати, які отримані в дисертації і виносяться на захист, показана структура та об'єм дисертації.

Перший розділ присвячено огляду сучасного стану та перспектив розвитку інерціальних, супутникових та інтегрованих навігаційних систем, а також аналізу алгоритмів їх функціонування. На основі аналізу поданого в даному розділі дисертації матеріалу сформульовано задачі, що потребують вирішення.

В другому розділі розроблено структурну схему та приводиться принцип дії інтегрованої системи визначення координат і курсу судна, побудованої на базі коректованого гірокомпаса, приймача сигналів супутникових навігаційних систем і лага, зовнішній вигляд якої показано.

ІСКК має два режими функціонування - основний та аварійний.

Основним режимом функціонування ІСКК називається такий режим, коли в прямій видимості приймача СНС знаходиться не менше чотирьох навігаційних супутників Землі і він передає на обчислювач ІСКК інформацію про координати (широту і довготу) та швидкість судна V, а також точний час t. В цьому випадку значення показника якості обсервації приймача СНС дорівнює 1 (обсервація отримана), або 2 (обсервація отримана в диференціальному режимі), ключ К1 замкнено, а ключі К2 та К3 розімкнено. КГК "Круїз" передає на обчислювач ІСКК інформацію про приладовий курс судна КП, а також сигнали з акселерометра

та підсилювача акселерометра d. Інформація з приймача СНС та КГК "Круїз" використовується в обчислювачі для оцінки похибок ІСКК та для формування корекції КГК "Круїз".

В аварійному режимі функціонування ІСКК значення показника якості обсервації приймача СНС дорівнює 0 (високий рівень радіоперешкод, затінення супутників, вихід з ладу НСЗ та інш.), ключ К1 розімкнено, а ключі К2 та К3 замкнено.

Структурна схема ІСКК побудована таким чином, щоб мати можливість, використовуючи останнє значення корекції з обчислювача, усувати в сигналі з лага як постійну складову похибки лага, так і наявність в вимірюваннях лага швидкості течії. Приймаючи до уваги те, що час поновлення роботи приймача СНС після зриву сигналу не перевищує кількох десятків секунд, приймається, що похибка лага, обумовлена наявністю течії, залишається постійною на протязі аварійного режиму роботи ІСКК.

Слід зазначити, що при переході від основного режиму функціонування до аварійного структура фільтра Калмана залишається незмінною, змінюються лише значення коваріаційних матриць випадкових процесів.

Таким чином, обчислювач буде продовжувати одержувати інформацію про швидкість судна. Інформація про швидкість судна використовується в обчислювачі для визначення координат судна та передачі на приймач СНС для прискорення процесу відновлення його працездатності. При цьому споживач буде отримувати весь необхідний набір навігаційної інформації.

В третьому розділі розроблено математичні моделі похибок функціональних елементів ІСКК та проведено їх дослідження. Проаналізовано основні похибки КГК “Круїз” для типових умов плавання: рух судна прямим курсом з постійною швидкістю без хитавиці; рух судна прямим курсом з постійною швидкістю за хитавиці; маневрування судна. Показано, що похибки чутливих елементів КГК “Круїз” - випадковий дрейф ДНГ, зсув нуля та зона нечутливості акселерометра - мало впливають на точність гірокомпаса, тобто системи в цілому, що дозволило спростити математичну модель ІСКК, виключивши з неї члени, які описують названі вище похибки чутливих елементів. Проведено дослідження інтеркардинальної та балістичної девіацій, які мають найбільший вплив на точність курсовизначення КГК, та вироблено рекомендації щодо їх зменшення. Проаналізовано основні похибки приймача СНС та лага. Показано, що випадкові похибки визначення координат та швидкості приймачем СНС можуть бути апроксимовані за допомогою білих шумів з нульовим математичним очікуванням. На підставі проведеного аналізу похибок функціональних складових ІСКК розроблено математичну модель ІСКК, яка побудована на основі математичної моделі КГК “Круїз” та доповнена моделями зовнішніх збурень - моделлю хитавиці та лінійного прискорення судна.

Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню алгоритму функціонування, моделюванню роботи та аналізу властивостей ІСКК.

Представимо математичну модель ІСКК в векторно-матричному вигляді:

, (1)

де - вектор стану системи, до якого входять такі змінні: похибка курсовизначення КГК a, кут відхилення платформи КГК від площини горизонту, вихідний сигнал підсилювача акселерометра , кут і кутова швидкість хитавиці, лінійне прискорення об'єкта W; U(t) - вектор відомих вхідних впливів (в тому числі сигналів керування);

W(t) =[W1 W2]T

вектор випадкових вхідних впливів, де W1 W2 - гаусівські білі шуми з нульовими математичними очікуваннями; A(t), B(t), G(t),- матриці, які називаються відповідно матрицею стану, матрицею керування і матрицею вхідних впливів, і утворені з відповідних коефіцієнтів диференціальних рівнянь першого порядку, що описують динаміку системи

;

де - проекції абсолютної кутової швидкості географічної системи координат на її осі; - кут відхилення платформи КГК від площини горизонту навколо головної осі гіроскопа; kx, kz - крутизна маятникового та демпфуючого моментів керування КГК;

;;,

Tп - постійна часу підсилювача акселерометра; - дисперсія, переважна частота та коефіцієнт нерегулярності хитавиці.

Вектор вимірювання ІСКК має вигляд:

, (2)

де:

- матриця вимірювання;

- матриця зовнішніх збурень, що діють на виході системи;

Вектор вимірювання (2) містить не тільки шуми вимірів , а також вектор вхідних шумів , тобто сумарна адитивна похибка вимірів корельована з вхідним шумом системи.

- вектор шумів вимірів (Db, Dd, DW - шуми акселерометра, підсилювача акселерометра і приймача СНС);

- детермінована функція часу, що діє на виході системи.

Тому для оцінки вектора стану системи (1) в обчислювачі реалізується алгоритм узагальненого дискретного фільтра Калмана, який враховує корельованність шумів вимірив і випадкових вхідних впливів, а також наявність детермінованої функції часу у векторі вимірювання . Рух платформи КГК “Круїз” навколо головної осі визначається в обчислювачі ІСКК за допомогою оцінених в ФК компонентів вектора стану.

Показано, що похибка інформації про широту, швидкість та прискорення судна, отримана в ІСКК, не має суттєвого впливу на загальну похибку курсовизначення ІСКК, що робить можливим використання в ІСКК більш грубих вимірювачів швидкості судна.

Проаналізовані похибки ІСКК через використання в контурі управління аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) та цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП). Встановлена можливість використання в цифровому контурі управління ІСКК восьмирозрядних АЦП та ЦАП без втрати точності курсовизначення ІСКК.

Розроблено універсальний алгоритм, призначений для оцінки чутливості ФК до неточності задання параметрів математичної моделі з урахуванням наявності в вихідному сигналі системи детермінованої в часі функції та корельованості шумів вимірювання та шумів зовнішніх збурень.

Проведений аналіз чутливості алгоритму функціонування показав значну стійкість алгоритму до неточності задання параметрів математичної моделі ІСКК.

Розроблена програма напівнатурного моделювання роботи ІСКК, вихідний текст якої написаний на мові Паскаль, а виконавчий модуль побудовано за допомогою компілятора Borland Delphi IV. Програма дозволяє досліджувати роботу ІСКК при довільному русі судна.

Під час проведення напівнатурного моделювання використовувалися чисельні значення параметрів КГК "Круїз" і задавалися наступні параметри збурень:

моделі швидкості V(t) і прискорення W(t) об'єкта задавалися як відомі функції часу:

, ; (3)

нерегулярна хитавиця рухомого об'єкта апроксимувалася випадковим процесом із кореляційною функцією виду

, (4)

при моделюванні використовувалися наступні значення параметрів нерегулярної хитавиці:, та ;

моделювалася повна циркуляція судна з 15 хв по 19 хв, тобто ;

задавалася відстань від центру мас судна до місця кріплення КГК:.

Результати напівнатурного моделювання ІСКК приводяться.

Середньоквадратичне відхилення (СКВ) похибок визначення широти, довготи та швидкості склали =3,16 м, =4,73 м та=0,05 м/c відповідно.

В розробленій ІСКК похибка курсовизначення зменшилася до розміру помилки оцінки похибки КГК фільтром Калмана і склала = 0,05° (СКВ).

Приводяться результати моделювання руху КГК “Круїз”, які показують, що при заданих умовах хитавиці і маневрування об'єкта похибка визначення кута курсу гірокомпасом може перевищувати 14 град (без відключення корекції).

СКВ похибки визначення прискорення, отримане при диференціюванні даних з приймача СНС, склало =0,019 м/c2. Завдяки згладжуючим властивостям фільтра Калмана в ІСКК СКВ похибки визначення прискорення знизилося з =0,019 м/c2 до =8,538Ч10-5 м/c2 ().

Проведено моделювання аварійного режиму роботи ІСКК. При моделюванні аварійного режиму використовувалися залежності (3) та (4), а також приведені вище параметри математичної моделі ІСКК та зовнішніх збурень. Імітувався зрив сигналу з приймача СНС з 15 хв по 17 хв під час циркуляції судна. Похибка визначення кута курсу судна в аварійному режимі роботи ІСКК на протязі 2 хв не перевищила 0,1 град, похибки визначення координат судна не перевищили 6 м, СКВ похибки визначення прискорення судна =4,472Ч10-3 м/c2, систематична складова похибки визначення швидкості судна дорівнює 0,1 м/c, а СКВ випадкової складової цієї похибки дорівнює 0,04 м/с, що в декілька разів менше похибки вимірювання швидкості лагом ІЕЛ-2М.

Приведені вище результати напівнатурного моделювання показують високі точностні характеристики розробленої ІСКК при складних умовах руху судна. Зазначені похибки досить низькі навіть для спокійних умов плавання. Так, по вимогах морського Регістра похибка курсовизначення при плаванні прямим курсом без хитавиці не повинна перевищувати ±0,75°Чsec(широти), а при хитавиці і маневруванні - 2°ј3°. Похибка визначення прискорення об'єкта за допомогою ІСКК взагалі близька до порога чутливості навігаційних акселерометрів середньої точності.

П'ятий розділ містить експериментальні дослідження ІСКК, які дозволили проаналізувати властивості інтегрованої навігаційної системи та її компонентів.

Підтверджено основні теоретичні результати дисертації. Показано, що математична модель похибок КГК "Круїз" добре співпадає з результатами стендових випробувань.

Перевірено основні технічні характеристики приймача СНС СН-3002 "Бриз". Проведено дослідження впливу зовнішніх факторів на точність і достовірність навігаційної інформації та показано, що повне відновлення видачі навігаційної інформації приймачем СНС після зриву сигналу в результаті затінення супутників Землі складає близько 25 с, та виявлена неможливість визначення кута курсу рухомого об'єкта за допомогою одноантенного приймача СНС через залежність точності визначення кута курсу від швидкості руху судна та наявності кута зносу.

Середній час готовності ІСКК до роботи склав 8 хв. Слід зазначити, що починаючи з 10 хв, СКО оцінки похибки курсовизначення в ІСКК не перевищувало 0,08 град. Час готовності ІСКК набагато менший в порівнянні з часом готовності КГК "Круїз" (47 хв), а також з рекомендованим для гіроскопічних компасів часом готовності (6 год), згідно з вимогами Правил Регістра і міжнародного стандарту ІСО 8728-1987 (Е).

Загальні висновки

В результаті проведених в дисертаційній роботі досліджень показана можливість підвищення точності та надійності отримання навігаційної інформації для морських та річкових рухомих об'єктів використанням інтегрованої системи курсовизначення.

Необхідна для цього інтегрована система визначення координат і курсу судна може бути побудована на базі типового навігаційного обладнання, яке знаходиться на борту судна, - коректованого гірокомпаса, приймача сигналів СНС та лага.

Розроблено математичну модель ІСКК, яка поєднує модель похибок коректованого гірокомпаса та моделі зовнішніх збурень та дозволяє дослідити динаміку та похибки системи при довільному русі судна.

Розроблено алгоритм функціонування ІСКК на базі оптимального фільтра Калмана з врахуванням корельованості шумів вимірювачів та шумів зовнішніх збурень, наявності в векторі вимірювання детермінованої функції часу та надлишковості вимірювачів навігаційної інформації. Розглянуто режим функціонування ІСКК у випадку зриву сигналу з приймача СНС.

Отримано узагальнені формули для аналізу чутливості алгоритмів функціонування інтегрованих навігаційних систем до неточності задання параметрів математичної моделі та показано стійкість алгоритму ІСКК.

Отримано вирази для похибок курсовизначення ІСКК через неточність інформації про широту, швидкість та прискорення рухомого об'єкта, а також похибок, обумовлених використанням цифрового контуру управління. Вироблено рекомендації по зменшенню похибок та підвищенні надійності системи.

Проведене напівнатурне моделювання роботи та експериментальне дослідження ІСКК підтвердили високу точність, надійність та достовірність надання навігаційної інформації споживачу.

Основні публікації

1. Збруцький О.В., Нестеренко О.І., Прохорчук О.В. Розробка структури та алгоритму функціонування інтегрованої навігаційної системи визначення координат і курсу рухомого об'єкта // Вісник ТАУ, УТУ. - 1999. - №3. - С. 233-236.

2. Збруцький О.В., Нестеренко О.І., Прохорчук О.В., Лук'яненко М.В. Малогабаритна інтегрована система орієнтації та навігації морських рухомих об'єктів // Механіка гіроскопічних систем. - Вип.15-16. - 1999-2000. - С. 64-73.

3. Збруцький О.В., Нестеренко О.І., Прохорчук О.В. Оцінка динамічних похибок інтегрованої навігаційної системи визначення координат і курсу рухомого об'єкта // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: Зб. Наук. пр. - Київ, УТУ, ТАУ - Вип. 8. - 1999. - С. 23 - 27.

4. Збруцький О.В., Нестеренко О.І., Прохорчук О.В. Визначення координат і курсу рухомого об'єкта інтегрованою навігаційною системою // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2000. - №2. - С. 79-83.

5. Збруцький О.В., Нестеренко О.І., Прохорчук О.В. Оцінка впливу неточності інформації про широту, швидкість та прискорення рухомого об'єкта на похибку визначення курсу інтегрованою навігаційною системою // Системні методи керування, технологія та організація виробництва, ремонту і експлуатації автомобілів: Зб. Наук. пр.-Київ, УТУ, ТАУ - Вип. 10. - 2000. - С. 36 - 39.

6. Збруцький О.В., Нестеренко О.І., Прохорчук О.В., Гунько В.В. Аналіз чутливості алгоритму функціонування інтегрованої системи визначення координат і курсу судна до точності задання параметрів математичної моделі // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2001. - №.2 - С.88-93.

7. Збруцький О.В., Нестеренко О.І., Прохорчук О.В. Інтегрована система визначення координат і курсу судна для підвищення безпеки судноплавства // Космічна наука і технологія. - 2001. - Т. 7. - №4. - С. 38-44.

8. Прохорчук О.В., Гогун Ю.В. Алгоритм підвищення точності курсовизначення коректованого гірокомпаса з використанням хвильового представлення випадкових збурень // І-а Національна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація та управління рухом”. - Тези доповідей. - 1995. - С. 17.

9. Гогун Ю.В., Прохорчук А.В. Решение задачи ориентации объекта с использованием приемника сигналов спутниковой навигационной системы // І-а Національна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація та управління рухом”. - Тези доповідей. - 1995. - С. 6.

10. Прохорчук А.В., Гогун Ю.В. Интегрированная навигационная система - корректируемый гирокомпас / приемник сигналов спутниковых навигационных систем // І-а Національна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація та управління рухом”. - Тези доповідей. - 1995. - С. 18.

11. Zbrutsky A.V., Nesterenko O.I., Prokhorchuk A.V., Lukjanenko N.V. Small-sized integrated system for the sea mobile objects attitude and navigation // Symposium Gyro Technology 1997. - Stuttgart, Germany. - 1997. - Pp. 14.1-14.13.

12. Нестеренко О.И., Прохорчук А.В., Лукьяненко Н.В. Оценка точностных характеристик малогабаритной интегрированной навигационной системы // ІІ-а Міжнародна науково-технічна конференція “Гіротехнології, навігація та управління рухом”. - Тези доповідей. - 1997. - С. 46-48.

13. Збруцкий А.В., Нестеренко О.И., Прохорчук А.В., Рахмуни М. Разработка алгоритма функционирования малогабаритной интегрированной системы ориентации и навигации // Юбилейная научно-техническая конференция “Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации”. - М.: МГТУ. - 1998. - С. 43-51.

14. Zbrutsky O.V., Nesterenko O.I., Prokhorchuk O.V., Ren Sicong. Usage of the satellite navigation systems in the integrated system of marine navigation // Proc. of The Fifth Sino-Russian-Ukrainian Symposium on Space Science and Technology. - Harbin Institute of Technology, Harbin, P.R.China. - 2000. - Pp. 361-366.

15. Збруцький О.В., Нестеренко О.І., Прохорчук О.В. Розробка та дослідження інтегрованої навігаційної системи визначення координат і курсу судна // В сб. докладов ІII Международной науч.-техн. конф. “Гиротехнологии, навигация, управление движением и конструирование подвижных объектов” -Киев, НТУУ "КПИ", 2001.- C. 174-182.

Анотація

Прохорчук О.В. Розробка та дослідження інтегрованої системи визначення координат і курсу судна.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.03 - гіроскопи та навігаційні системи, НТУУ "КПІ", Київ, 2001.

Розроблено інтегровану систему визначення координат і курсу судна, до складу якої входить коректований гірокомпас, приймач сигналів супутникових навігаційних систем і лаг. Вивчено особливості конструкції та досліджено основні похибки інтегрованої системи визначення координат і курсу судна. Розроблено алгоритм функціонування інтегрованої навігаційної системи з використанням оптимального фільтра Калмана, що дозволяє значно підвищити точність і надійність видачі навігаційної інформації при довільному русі судна. Проведено напівнатурне моделювання та експериментальне дослідження системи, які підтвердили отримані теоретичні результати. Ключові слова: інтегрована навігаційна система, коректований гірокомпас, приймач сигналів супутникових навігаційних систем, лаг, фільтр Калмана.

Аннотация

Прохорчук А.В. Розработка и исследование интегрированной системы определения координат и курса судна.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.03 - гироскопы и навигационные системы, НТУУ "КПИ", Киев, 2001.

Анализ современного состояния навигационного оснащения подавляющего большинства подвижных объектов, в том числе морских и речных, показал, что решение проблемы достоверного и надежного определения местонахождение плавающих средств, их взаимного положения и оптимальной прокладки курса при любых погодных условиях состоит в рациональном использовании всей совокупности навигационной информации, что может быть реализовано только интегрированием отдельных навигационных приборов в единый комплекс с использованием современных алгоритмов оптимальной обработки информации.

В диссертационной работе показана возможность повышения точности и надежности получения навигационной информации для морских и речных подвижных объектов с использованием интегрированной системы курсоопределения.

Необходимая для этого интегрированная система определения координат и курса судна (ИСКК) может быть построена на базе типичного навигационного оборудования, которое находится на борту судна, - корректированного гирокомпаса, приемника сигналов СНС и лага.

Разработана математическая модель ИСКК, которая объединяет модель погрешностей корректированного гирокомпаса и модели внешних возмущений и позволяет исследовать динамику и погрешности системы при произвольном движении судна.

Разработан алгоритм функционирования ИСКК на базе оптимального фильтра Калмана с учетом коррелированности шумов измерителей и шумов внешних возмущений, наличия в векторе измерения детерминированной функции времени и избыточности измерителей навигационной информации.

Рассмотрен режим функционирования ИСКК в случае срыва сигнала с приемника СНС.

Получены обобщенные формулы для анализа чувствительности алгоритма функционирования интегрированной навигационных системы к неточности задания параметров математической модели и показана устойчивость алгоритма функционирования ИСКК.

Получены выражения для погрешностей курсоуказания ИСКК, вызванные неточностью информации о широте, скорости и ускорении подвижного объекта, а также погрешностей, обусловленных использованием цифрового контура управление. Выработаны рекомендации по уменьшению погрешностей и повышении надежности системы.

Проведено полунатурное моделирование работы и экспериментальное исследование ИСКК, которые подтвердили высокую точность, надежность и достоверность выдачи навигационной информации потребителю.

Ключевые слова: интегрированная навигационная система, корректированный гирокомпас, приемник сигналов спутниковых навигационных систем, лаг, фильтр Калмана.

Summary

Prokhorchuk O.V. Development and research of an integrated system of vessel coordinates and heading determination.

Thesis for obtaining of a philosophy doctor in engineering degree on speciality 05.11.03 -gyroscopes and navigation systems, NTUU "KPI", Kyiv, 2001.

The integrated system of vessel coordinates and heading determination, consisting of corrected gyrocompass, satellite navigation systems receiver and log, is developed and researched. The design features and main errors of the integrated system of vessel coordinates and heading determination are studied and investigated. The operating algorithm on the base of Kalman filter is developed, that allows to increase accuracy and reliability of the navigation data providing at any vessel movement mode. The half-natural simulation and experimental research of the system are carried out, that proved theoretical results. Key wards: integrated navigation system, corrected gyrocompass, receiver of satellite navigation systems, log, Kalman filter.

Размещено на Allbest.ru