Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

«Московский технический университет связи и информатики»

МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

На тему

Разработка способа автоматического определения параметров морского подвижного объекта по особенностям его радиоизлучения

Студент: Давыдов Артем Владимирович

Руководитель: Репинский Владимир Николаевич

Москва 2018 г.



АННОТАЦИЯ

Актуальность работы заключается в исследовании движения морских подвижных объектов, с целью обеспечения безопасности движения на море и для дальнейшего принятия решения в построении оптимального курса движения судна.

Целью работы является разработка программы, которая в условиях ограничивающей видимости может определять класс судна, который невозможно определить другими методами.

В работе представлен один из новых методов обнаружения положения судна и контроль его перемещения в пространстве. Основа метода - это измерение доплеровских сдвигов частоты корабельного передатчика при приеме сигнала разнесенными в пространстве антеннами. Доплеровский сдвиг частоты появляется из-за колебаний при качке мачт МПО и, соответственно, расположенных на них антенн. Стабильность частоты задающего генератора судового передатчика и точность измерений теоретически позволяют уверенно решать поставленную задачу.

Объем магистерской диссертации 79 страниц, содержит 37 рисунков, 4 таблиц и одно приложение. Она состоит из следующих разделов: введение, в котором поясняется актуальность темы, поставленные цели, задачи и объект исследования. В первой главе рассматривается различные состояния волнового воздействия и описаны особенности движения судна в этих условиях. Во второй главе описываются математические модели колебаний судна в морском пространстве. В третьей главе исследуется влияние изменения радиосигнала в условиях нестандартной среды и как ионосфера влияет на его распространение. В четвертой главе описаны типы МПО и их характеристики, влияющие на движение на движение судна. В пятой главе описана работа написанной программы по определению класса судна, основные функции и особенности. В заключении приведены выводы по проделанной работе и подведен итог исследования.

Введение

бортовой ветровой волнение морской

В настоящее время проблемы управления морскими подвижными объектами являются особенно актуальными. Главной задачей стоит, обеспечение условий безопасного мореплавания при увеличивающейся интенсивности судоходства, при осуществлении сложных маневров, прогнозирование возможных нестандартных ситуаций. Основой рационального подхода является оптимизация расхода топлива, уменьшение временных потерь хода, а так же снижение себестоимости перевозок грузов. Одной из сложнейших систем в автоматике морского подвижного объекта (МПО) является система управления курсом, именно из-за нее зависят такие показатели как: экономическая эффективность, надежность и безопасность плавания.

Очевидным является то, что при групповом участии объектов требуется разработка специального математического и алгоритмического обеспечения системы управления. При таком подходе необходимо оперативно оценивать поведение объектов в группе, для того чтобы заблаговременно принимать решения, обрабатывать команды управления и координировать объекты.

Основными факторами, влияющими на невозможность определить динамику движения МПО, являются неточность и скудность информации об объекте, условиях его базирования и функционирования, а также погрешность измерений, которые используются для формирования команд управления процессом движения и неполнота знании? о внешних возмущениях. К внешним возмущения относятся перепады различных воздействий на объект МПО, течение, сила ветра, осадка.

Безопасность и эффективность при плавании в море можно обеспечить автоматизацией управления движением МПО. Основным свойством в построении системы управления движением морского объекта является правильная математическая модель управляемого объекта. Обеспечение правильной и наиболее полной математической моделью позволяет анализировать динамику морского объекта, а также совершенствовать систему управления по полученным отчета, дорабатывать разработку и тестировать новые регуляторы.

Судно постоянно находится в состоянии движения на морской поверхности, поэтому передающая антенна, которая находится на мачте судна, так же подвергается колебаниям в пространстве. Движение источника излучения, находящегося под активным воздействием полупроводящей среды, в той или иной степени отражается на параметрах излученного им радиосигнала. Это, в первую очередь, допплеровское изменение частоты, изменение поляризации отраженного сигнала (из-за смещения области отражения), изменения уровня сигнала из-за изменения угла падения луча на ионосферу, а также из-за электризации антенн и элементов их крепления при большой относительной скорости антенна - электризующая среда.

Объектом исследования в данной диссертации является система управления движением морского подвижного объекта и сами органы управления движением.

Предметом исследования в данной работе является разработка алгоритмического обеспечения процессов определения размеров судна, находящегося в акватории, по особенностям доплеровского сдвига.

Основной целью диссертационной работы является повышение качества координированного управления МПО, путем разработки алгоритмического подхода к управлению и координированию объекта.

Для достижения поставленной цели в работе поставлены следующие задачи:

Найти и проанализировать существующие на данный момент математические модели МПО.

Анализировать основные возможные волновые воздействия на судно в море.

Разработать алгоритмы движения МПО в заданных нестационарных условиях.

Разработать алгоритм определения класса судна по особенностям его радиоизлучения.

Основными методами исследования являются теория доплеровского сдвига, теория автоматического управления, теоретические и экспериментальные данные линейных и нелинейных динамических систем, статистическая методология, стандартное программное обеспечение, средства пакета программы Matlab, теория оптимального управления движением, теории исследования судна. Так же важно изучить особенности доплеровского сдвига, для дальнейшего применения его. Для наиболее эффективного моделирования полученных теоретических результатов производится используется среда Matlab и дополнительный пакет настроек MSS.

Научной новизной данного проекта является использование метода доплеровских сдвигов, которые фиксируется по минимум двум точкам приема сигнала.

Практическая ценность представленной работы заключается:

1) в упрощении определения размеров судна в большой акватории при недостаточной видимости.

2) автоматизации этого процесса с помощью программы, разработанной автором.



Глава 1. Исследование свойств среды функционирования МПО

1.1 Стадии развития и виды ветрового волнения

Существует большое разнообразие различных волновых волнений, на данный момент их разделяют на прогрессивные (бегущие) и стоячие. Бегущие морские волны - это волны вызванные ветром, а стоячие наиболее характерны для замкнутых водоёмов и отличаются большим периодом и длинной, поэтому этот тип волн незначительно влияет на динамику судна.

Так же волны классифицируют на гравитационные и ударные. Гравитационным волнам обусловлены гидростатические и гидродинамические реакции на силы веса масс воды, выведенных из состояния равновесия [1]. А ударные волны имеют уже акустическую природу, они характерны сжатием воды и распространяются со скоростью звука, в большинстве случаев, возникают при подводных взрывах или днищевом слеминге корпуса судна [1].

Самое сильное влияние на динамику хода МПО оказывают волны, вызванные действием ветра. Именно ветровые волнения наиболее сложны для изучения и моделирования.

При анализе динамики судна выделяют три основные модели реального морского волнения: регулярные, нерегулярные и групповые. Выделенные модели показывают характеристики волн океана при разных этапах формирования.

На первой стадии воздействия ветра на водную поверхность, в результате сил трения появляется рябь - это небольшие волны [2, 3]. Далее при усилении ветра, образуется аэродинамическое давление на поверхность волны, которое влияет как на скорость волны, так и на высоту (рис.1.1). Как только волна достигнет скорости ветра, тогда прекращается аэродинамическое давление, после чего волновой высотный рост прекращается.

Если растет скорость волны, значит растет и их длина л, потому что параметры связаны между собой формулой дисперсии:

(1.1)

Из-за того, что порывы являются нерегулярными, поэтому направление волнения непостоянно, но случайные отклонения скорости и направления ветра происходят в средних значениях, из-за этого при постоянном воздействии ветра, происходит регулярное хаотичное волнение. В этом случае влияет дисперсия, из чего нерегулярное волновое действие разделяются на несколько движущихся составляющих спектра, которые движутся с разной скоростью. В таком случае короткие волны затухают, а длинные или высокие, отделяются от других гармоник и формируют регулярную структуру[4]. При совпадении длин волн, возникают их группы (рис.1.2), которые называют штормовыми [5].

Рис. 1. 1. -Скорость (а) и аэродинамическое давление (б) ветра на волновую поверхность

Рис. 1. 2. - Групповое волнение



Частицы бегущей волны стремятся круговыми орбитами и, по мере своего удаления, убывают по радиусу (рис.1.3).

Рис. 1. 3. - Траектории частиц жидкости под поверхностью волн

Имея нерегулярную структуру, реальное волнение всё же имеет основное направление и вытянутые гребни, что всё же позволяет решать задачи по моделированию качки судов в виде двухмерных волн (рис.1.4) [6].

Рис. 1. 4. - Двумерное и трёхмерное волнение



1.2 Модели волнового воздействия

Моделирование морской волны можно формировать в виде невязкой и несжимаемой жидкости. Так как это общепринятый факт, поэтому это можно использовать в работе.

Поэтому используется уравнение Лапласа, относительно потенциала скорости, в котором выполняется условие неразрывности в области жидкости Щ (риc.1.5):

в Щ. (1.2)

При решении уравнения относительно момента времени, необходимо найти поле скорости жидкости, после чего ее движение и положение волновой поверхности [7].

По ней Sw задается давление, но это трудно сделать из-за того, что динамика ветра - это случайная величина, которая изменяется неравномерно. А также это связано и с тем, что параметры ветрового воздействия зависят от параметров волн. Поэтому создается общая модель совместно с ветром и водой.

Рис. 1. 5. - Схема волнения

На поверхности свободных волн очевидно, p = 0:



на Sw, (1.3)

где zw - аппликата точек волновой поверхности.

В морском волновом моделировании задаются начальные условия положения: поверхность волны, внешнее давление, а также оказывает влияние возбудитель волны, его положение и оказываемая скорость при [8].

1.3 Основы управления судном

Каждый МПО обладает своими маневренными качествами. В кораблестроении под этим представляют два основных свойства: управляемость и маневренность, когда занимаются проектированием судна, тогда пытаются определить оптимальное сочетание. В данном случае, под маневренность понимается способность сохранять или изменять траекторию и скорость корабля в зависимости от потребности капитана, а под маневренностью представляют теорию и расчёт инерционных характеристик судов.

Управляемость судна определяется двумя качествами: поворотливость и устойчивость на курсе. Поворотливость -- это способность судна менять заданный курс при перекладке штурвала и двигаться по заданной капитаном траектории. Устойчивость -- это способность корабля удерживать заданное направление, не смотря на мешающие факторы, т.к. течение, волнение, ветер.

1.4 Кинематические характеристики криволинейного движения судна

При исследовании теории управляемости судна, изучается нелинейное движение МПО по выделенной ватерлинии, а все элементы движения будут являться отдельными плоскими задачами динамики.

Для описания движения используется система координат: неподвижная и подвижная , которые жестко связаны с судном. В этом случае направление осей координат зависит от начального момента, совпадает ли оно с подвижной осью. Угол , который образуется между диаметральной плоскостью и осью называют углом курса. Угол курса выражается через:

- центральный угол дрейфа, который определяется между мгновенным скоростным вектором ЦТ корабля и диаметральной плоскостью ();

- угол траектории (), который устанавливается между вектором скорости и осью.

Так же траектория движения судна задается проекциями скорости центра тяжести на подвижные оси угловую скорость. Самой востребованной и удобной является система координат с кинетическими параметрами, где есть модуль скорости судна , угол дрейфа () и угловая скорость (). Обе системы изображены на рисунке 1.6 и связаны соотношениями.

Рис. 1. 6 - Соотношения кинематических параметров системы



;

; (1.4)

;

;

Выделенные параметры представляют собой кинематические характеристики, которые способны описать маневры МПО. Для более удобного составления моделей движения судов, используют следующие характеристики:

, (1.5)

где V0-курсовая скорость МПО на прямой;

L- длина морского объекта;

- безразмерное время.

1.5 Уравнения хода морского объекта

На данный момент в основном используют два подхода при составлении уравнений движения судна: геометрический и аналитический.

Основная идея геометрического подхода заключается на том, что помимо действующих сил и моментов учитываются так же и фиктивные инерционные усилия. Поэтому задача из динамической переходит в статическую, где рассматривают уже равновесие тела под действием этих сил.

Более простым подходом является аналитический метод. В начале работы составляется выражение кинетической энергии системы, где не учитываются фиктивные силы инерции. Так же удобный способ был предложен Густавом Киргофом [10], он предложил сначала рассматривать движение судна в идеальной жидкости, не учитывая деформацию свободной поверхности. В таком случае кинетическую энергию масс жидкости и твердого тела можно выразить квадратичной зависимостью линейных и угловых скоростей. Далее в систему включается суммарная кинетическая энергия, где в качестве внешних сил учитываются только волновые силы и вязкости [11]. Уравнения движения могут быть получены с применением аналитического аппарата механики.

Кинетическая энергия для жидкости выражается:

(1.6)

А кинетическая энергия морского объекта сводится к:

, (1.7)

где л11, л22 - присоединенные массы жидкости;

л66 - момент инерции присоединенных масс;

л26 - статический момент присоединенных масс;

m - масса МПО;

JZ - момент инерции морского объекта по вертикали.

В таком выражении, при любом движении судна, присоединенные массы жидкости являются реактивным сопротивлением жидкости. По факты такие величины считают условными и вводят только для определения кинетической энергии жидкости, при движении судна, характеризующие возмущаемую часть жидкости относительно координат. Присоединенные массы воды можно суммировать с массой морского объекта.

С помощью несложных математических преобразований, можно найти все необходимые уравнения движения морского объекта. Но, так как рассматривается плоское перемещение корабля, поэтому отсутствуют силы, которые могут вызвать крен или деферент, в результате чего три из полученных уравнений обращаются в тождество . Так как у большинства морских кораблей угол дрейфа не превышает и максимальные поворотные скорости составляют , поэтому можно упростить уравнения и использовать в параметрах , в таком случае получаются система уравнений:

(1.8)

С помощью первого уравнения определяется скорость движения судна, с помощью второго - значение угла дрейфа, а с помощью третьего - угловая скорость.

1.6 Особенности колебаний судна

Для описания движения судна введем несколько систем координат (рис.1.7):

Основная. Это система абсолютно неподвижная в пространстве .

Рис. 1. 7. - Судно в выбранной системе координат

- параллельна скорости волны, - параллельна гребням волны, а ось OY направлена вертикально вниз. Плоскость является невозмущенной поверхностью воды [12].

Подвижная система координат , которая жестко связана с судном и при возможной качке движется вместе с ним. Началом координат будем считать центр тяжести судна. Ось направлена в сторону носа, - в сторону правого борта, ось - вниз [13].

В соответствии с выбранными системами координат, сложную систему движения судна можно представить в виде суммы 6 простейших движений: 3х линейных и 3х угловых. Рассмотрим 6 видов качки:

1. Продольно-горизонтальная качка. В данном случае поступательно колебательные движения судна направлены по оси . При такой качке перемещается центр тяжести , поступательная скорость равна , а ускорение (рис.1.8).

Рис. 1. 8 - Движение МПО при продольно-горизонтальной качке

2. Поперечно-горизонтальная качка. При данном виде качки поступательные движения направлены по оси . Данный вид качки характеризуется перемещением центра тяжести , скоростью и ускорением (рис.1.9).

Рис. 1. 9 - Движение судна при поперечно-горизонтальной качке

3. Вертикальная качка. В таком условии поступательные колебательные движения направлены по оси . Характеризуется перемещением центра тяжести , скоростью , ускорением (рис.1.10).

Рис. 1. 10. - Движение судна при вертикальной качке

4. Бортовая качка. В таком случае колебательные движение судна происходят относительно оси Ox. Характеризуется перемещением центра тяжести , скоростью , ускорением (рис.1.11).

Рис. 1. 11 - Движение судна при бортовой качке

5. Килевая качка. В таком случае колебательные движения происходят относительно оси Oy с дифферентным углом , скоростью и ускорением (рис.1.12) [15, 16].

Рис. 1. 12. - Движение судна при килевой качке

6. 

6. Рысканье. В данном случае колебательные движения происходят колебательно относительно оси Gz с углом рысканья (рис.1.13).

Рис. 1. 13. - Движение судна при рысканье

Третья, четвертая и пятая виды качки являются основными видами из-за того, что при данных видах колебания происходят относительно устойчиво [17, 18].

1.6.2 Свободные колебания судна

Свободная качка на тихой воде. Дифференциальное уравнение бортовой качки МПО, соответствующее рисунку 1.14, имеет вид [19]:

, (1.9)

где - момент инерции МПО;

- присоединенный момент инерции (влияние воды);

- угол крена;

- момент демпфирующих сил (сил сопротивления, направленных против угла крена;

- восстанавливающий момент;

- метацентрическая высота МПО;



Рис. 1. 14. - Колебания МПО в условиях волнения

- момент сил инерции, по принципу Даламбера направленный в сторону, обратную угловому ускорению [20].

Решение уравнения (1.9) в предположении малой килеватости МПО, то есть без учета нелинейности сопротивления среды (воды) получается гармоническим с частотой:

(1.10)

и временем периода полного бортового колебания

, (1.11)

где B - ширина корпуса МПО, коэффициент kt, зависящий от параметров МПО и от его загрузки, рассчитывается отдельно для каждого судна. Ориентировочное его значение в зависимости от типа МПО и его загрузки находится в пределах 0.62 - 0.86.

Период гармонической килевой качки рассчитывают по формуле:



, (1.12)

где Т - осадка МПО в метрах,

g, - коэффициенты полноты корпуса судна [21].

1.6.3 Вынужденные колебания морского объекта

Вынужденные колебания судна совершаются под действием сил, обусловленных волнением, ветровым воздействием. Рассмотрим основные механизмы возбуждения вынужденных колебаний МПО.

Бортовая качка при волнении. Решение неоднородного дифференциального уравнения колебаний МПО дает решение в виде:

, (1.13)

где r - относительный безразмерный коэффициент сопротивления, обычно находящийся в пределах от 0.05 до 0.18;

- безразмерный коэффициент, равный 0.15 - 0.20;

- редукционные коэффициенты МПО, определяемые формой смоченной части корпуса.

1.7 Эффект Доплера

Эффект Доплера - изменение частоты и, соответственно, длины волны излучения, воспринимаемое наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения и/или движения наблюдателя (приёмника). Эффект назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера [22, 23].

Волны, которые излучает передающая антенна на мачте судна распространяются равномерно. Необходимо учитывать не только движение источника, но и приёмника сигнала относительно среды.

По основному принципу работы системы, мачта судна постоянно отклоняется в пространстве, в таком случае расстояние между гребнями волн (длина волны л) зависит от скорости и направления движения. Если мачта судна отклоняется в сторону приёмника сигнала, тогда длина волны увеличивается, а если отдаляется от приёмника, тогда длина волны уменьшается:

, (1.14)

где - угловая частота, которую испускает антенна передатчика,

- скорость, с которой распространяется волна,

- скорость перемещения генератора передаваемой волны по отношению к среде.

1.8 Влияние доплеровского сдвига

Для определения влияния качки на доплеровский сдвиг частоты, необходимо рассчитывать данные, учитывая два вида качки: бортовую и килевую.

Для этого следует принять во внимание, что перемещение антенны будут гармоническими и мгновенные значения будут вычисляться по формулам [1.15] и [1.16]:

(1.15)

, (1.16)

где Ак - амплитуды бортовой качки,

Гк - амплитуда килевой качки,

Т - период бортовой качки

Т - период килевой качки

А0 - начальная фаза бортовой качки

Г0 - начальная фаза килевой качки

В таком случае можно вычислить величину доплеровского сдвига:

(1.17)

, (1.18)

где - угол между линейной скоростью движения антенны, вызванной бортовой качкой

- угол между линейной скоростью движения антенны, вызванной килевой качкой

h - высота антенны

f - частота передатчика [24]

Выводы

В морских условия на судно оказываются различные факторы, которые влияют на положение мачты судна в пространстве. Этой особенностью можно воспользоваться для определения класса судна по особенностям его передаваемого сигнала, оценивая его доплеровский сдвиг.



Глава 2. Математическая модель колебаний МПО в условиях нестационарной среды

2.1 Модели морского волнения

Расчет вынужденных колебаний морского подвижного объекта предполагает аналитическое моделирование внешних воздействий. Виды морского волнения очень разнообразны и, вообще говоря, должны моделироваться стохастически, однако, отдельные реализации хорошо описываются детерминированными функциями времени, которые можно использовать в расчетах.

Различают поверхностные, приливные и прибойные волны. Колебания МПО на прибойных волнах довольно редки, только во время стоянки. Приливные волны, имеющие очень большую длину (440-14000 км), влияют на колебания МПО только вблизи суши, на небольших глубинах. Основное внешнее воздействие на МПО осуществляют поверхностные волны, которые развиваются на море с глубиной, превышающей глубину, на которой колебания затухают.

Скорость перемещения поверхностных волн прямо пропорциональна корню квадратному из длины волны, чем и объясняется появление в местах моря, отдаленных от возникновения волнения, сначала длинных волн (зыби), а затем более коротких. Поверхностные волны характеризуются следующими параметрами:

h - вертикальное расстояние между гребнем и впадиной волны;

- длина волны (расстояние между соседними гребнями);

Т - период волн, время прохождения одной точки пространства двумя соседними гребнями;

- крутизна волны (угол наибольшей крутизны склона волны).

Причины появления поверхностных волн - это различные возмущения моря, среди которых главным является ветер. В таблице 2.1 приведены характеристики морского волнения, вызванного ветром и оценки того и другого по шкале Бофорта и Циммермана.

Таблица 1.1 - Сопоставление шкалы Бофорта и Циммермана

ВЕТЕР	ВОЛНЕНИЕ В ОТКРЫТОМ МОРЕ
Сила ветра в баллах по Бофорту	Средняя скорость ветра на высоте над Землей	Состояние моря по Циммерману	В баллах	Высота волны в м
	2 м	12 м
0 Штиль	0.2	0.3	Зеркальная поверхность	0	0
1 Легкий ветерок	1.4	1.8	Местами потемневшая	1	1
2 Легкий ветер	2.8	3.6	Спокойная поверхность	2	1
3 Слабый ветер	4.3	5.6	Легкое волнение	3	2.2
4 Средний ветер	6.0	7.9	Усиленное волнение	4	3.2
5 Свежий ветер	7.9	10.4	Ясно выраженное волнение	5	4.2
6 Сильный ветер	10.0	13.1	Крупная волна	6	5.3
7 Очень сильный ветер	12.2	16.0	Сильное волнение	7	от 6.5
8 Штормовой ветер	14.7	19.1	Сильное волнение, высокие волны	7	от 7.5
9 Шторм	17.3	22.4	Очень сильное волнение	8	9.3-10.5
10 Свежий шторм	20.1	26.0	То же	8	10.5
11 Сильный шторм	23.0	29.7	Исключительно сильное волнение	8	13
12 Ураган	>25	>32	Штормовая волна	9	>13

На рисунке 2.1 показаны размеры поверхностных волн в зависимости от силы ветра по шкале Бофорта [25].



Рис.2.1 - Моделирование поверхностных волн

По оси, направленной вверх, отложена высота волны, по левой оси - сила ветра в баллах по Бофорту и по правой оси отложена длина волны. Соотношения величин, приведенных в таблице 2.1 рассчитаны по формулам Боргена [26, 27].

В наибольшей степени приближается к реальному волновому процессу трохоидальная модель морского волнения, в которой основные параметры связаны соотношениями:

для скорости (2.1)

для периода (2.2)

Спектральный состав трохоидальной волны имеет вид, показанный на рисунке 2.2 [28]:



Рис.2.2 -Спектральный состав трохоидной волны

Сплошная линия соответствует гармонической волне (левая часть рисунка 2.9) и ее спектру (правая часть рисунка), а пунктирная линия соответствует трохоидальной волне и ее спектральной функции. Как видно, трохоидальная кривая содержит энергию в некоторой полосе частот вблизи основного резонанса. С точки зрения возникновения резонансных колебаний в корпусе МПО это может иметь значение, но с точки зрения установления вынужденных колебаний на ходу, это отличие несущественно[29].

2.2 Разработка технического задания для построения математической модели колебаний судна

Проектирование основывается на математическом описании объектов проектирования (характеристики волн и разного класса судов) и требует создания его математической модели. При наличии модели построения можно выбирать структуру и параметры объектов проектирования, изменяя их свойства под требования технического задания[30].

В начале проектирования создается математическая модель, далее происходит ее уточнение и выявление несоответствие модели и объекта построения. Такой этап позволяет на этапе разработки, выявить достоверность получаемой модели и позволяет выявить проектные просчеты решений [31].

После проведенного анализа свойств разных факторов, влияющих на состояние МПО, можно выделить основные элементы, необходимые для учета изменение положения передающей антенны:

· Изменение гидродинамических производных;

Замечено, что во время модельных испытаний, МПО изменяет курс и скорость, а также подвергается ускорению. Тогда гидродинамические производные оцениваются от регрессионного анализа (глава 1.6).

· Масса и инерция;

Необходимо учитывать «жидкую кинетическую энергию», которая влияет на инерцию судна

· Вязкостное гидродинамическое демпфирование

В дополнение к потенциальному демпфированию необходимо включить другие диссипативные вязкие термины такие, как трение и дрейф волны [32].

Выводы

Полученные формулы, позволяющие построить математическую модель морских волн, а также воспользоваться таблицей отношения шкал Бофорта и Циммермана для определения доплеровского сдвига для разных морских колебаний.



Глава 3. Особенности изменения радиосигнала МПО в условиях нестационарной среды

3.1 Колебания антенных систем МПО и доплеровские сдвиги частоты излученного сигнала

Антенные системы морского подвижного объекта укреплены на значительной высоте над уровнем моря - на отдельных типах МПО на высоте 50-80 метров. Бортовая качка, даже при небольших углах крена, вызывает перемещение концов антенных мачт (и, естественно, антенн) с большой скоростью. Если бортовая качка происходит по гармоническому закону, то, пренебрегая курсовой скоростью МПО, что можно сделать, если направление излучения перпендикулярно курсу, выражение для расчета скорости перемещения антенной системы имеет вид:

, (3.1)

где h - расстояние от ватерлинии до точки подвеса антенной системы;

b - период колебаний МПО, рассчитываемый по формуле (3.1);

- максимальный угол крена при качке.

МПО различных классов, в зависимости от водоизмещения, испытывают различную бортовую качку и при этом соответствующим образом совершают колебания их антенные системы. Скорость перемещения антенны, как было показано, зависит от амплитуды колебаний МПО, высоты антенных мачт и периода колебаний самого МПО [33].

Быстрое перемещение излучающих антенн то по направлению к источнику, то от него, создают отрицательное и положительное приращение частоты из-за эффекта Доплера. Само по себе это приращение незначительно мало по сравнению со значением несущей частоты и может быть в пределах нестабильности задающего генератора передатчика.

Рассчитаем скорости перемещения антенных систем МПО различных классов при различных видах волнений и соответствующие этим скоростям доплеровские сдвиги частоты излучаемых колебаний [34].

Примем в качестве модели волнения трохоидную модель, производящее уравнение которой имеет вид:

, (3.2)

где - угол поворота катящегося круга,

r - радиус производящего круга.

Максимально возможный угол склона волны будет наблюдаться при R=r и равен примерно 45о [35]. Это значение будет иметь место при большом волнении (ветер примерно 9-12 баллов по Бофорту). Положив радиус катящегося круга постоянным и равным высоте максимальной волны (при урагане или сильном шторме), получим эмпирическое выражение для расчета угла максимального волнового склона в зависимости от силы ветра по шкале Бофорта:

, (3.3)

где N - сила ветра по шкале Бофорта. Число Бофорта соответствует среднему значению образующихся волн, которые приведены в таблице 3.1. Для выявления величины доплеровского смещения частоты нет необходимости рассчитывать временную функцию по формуле (3.1), достаточно найти максимальное значение Va. Подставим в (3.1) выражения (1.11), (1.12) и (3.3). Получим выражение для расчета скорости перемещения антенных систем МПО в зависимости от силы действующего ветра (ветровых волн) и параметров МПО:

. (3.4)

В таблице 3.1 приведены рассчитанные по формуле (3.4) максимальные значения скоростей антенных систем МПО различных классов.

Таблица 3.1 - Таблица доплеровских сдвигов для разных классов МПО

Тип МПО	Va м/с	Va м/с
Баллы по Бофорту	3	4	5	6	7	8	9	10
Круизный лайнер	0.4	0.8	1.0	3	10	14	17	20
Танкер	0.8	1.3	1.7	4	13	17	21	29
Контейнеровоз	3	10	19.3	30	38	44	48	51
Спасательный катер	7.5	18	24	27	29	30	32	33

Как видно из таблицы, максимальная скорость перемещения антенной системы у разных типов МПО различна. Достаточно медленные колебания танкера объясняются его большой осадкой и шириной [36].

3.2 Доплеровские сдвиги частоты из-за движения антенных систем МПО

Как известно, при движении источника колебаний относительно приемника, в точке приема наблюдается изменение частоты, по сравнению с частотой излучаемого колебания. Движение антенных систем при качке и есть такое перемещение источника. Кроме самого движения, имеет значение и его направление, то есть ориентация плоскости, в которой происходят колебания относительно направления на точку приема (рис. 3.1). Частота колебаний в точке приема равна:

, (3.5)



где С - скорость распространения электромагнитной волны,

- угол между прямой, лежащей в плоскости колебаний антенной системы и проходящей параллельно водной поверхности через точку подвеса антенных систем и направлением на приемную антенну в случае связи поверхностной волной [37]. При ионосферном распространении этот угол берется между указанной прямой и в плоскости колебаний антенных систем и направлением на область отражения в ионосфере.

Рис. 3.1 -Судно относительно плоскости

Подставим в (3.5) значение Va из (3.4) и получим формулу для расчета доплеровских сдвигов частоты колебаний, излучаемых передатчиком качающегося МПО:

. (3.6)

В таблице 3.2 приведены значения максимальных сдвигов частоты передатчиков МПО различных типов в зависимости от степени морского волнения, рассчитанные по формуле (3.6) [38, 39].

Таблица 3.2 - Таблица доплеровских сдвигов при разных баллах по шкале Бофорта

Тип МПО	Баллы по Бофорту
	3	5	6	7	8	10
Круизный лайнер	0.16	1.47	1.68	4.14	5.86	14
Танкер	1.0	3.77	9.63	13.40	16.3	22
Контейнеровоз	1.26	8.1	12.56	15.92	18.43	28
Спасательный катер	3.14	10.05	11.31	12.15	12.57	13.82

На рисунке 3.2 показаны величины доплеровских частотных приращений для МПО различных классов при различных ветровых волнах (от 2 до 6 баллов по шкале Бофорта) [40].

Рис. 3.2 - Величины доплеровских приращений для различных классов МПО

Отдельные классы МПО, как видно из рис. 3.2, различимы по доплеровским сдвигам в некоторых диапазонах морского волнения. Максимальное различение достигается при волнении моря, вызываемом ветром интенсивностью 6 баллов по Бофорту. Наиболее выделяющийся класс кораблей - контейнеровозы с водоизмещением около 10 000 т. и близкие к ним по классам МПО.

Сами по себе максимальные сдвиги частоты, приведенные в таблице 2.2 дают лишь примерное представление о параметрах. Скорость перемещения мачт МПО переменна (изменяется по синусоидальному закону), поэтому при максимальных углах крена () она равна нулю. В течение одной трети периода качки, то есть за время от 1,5 до 8 секунд скорость не ниже 85% от максимальной. Заметим, что средние значения доплеровских сдвигов частоты за период получаются на порядок меньше максимальных, что на определенном этапе послужило основанием для ошибочного вывода о невозможности идентификации МПО по доплеровским сдвигам излучаемого колебания. Однако это не так. Даже при скорости телеграфирования 50 бод за время равное 0.85 периода бортовой качки объекта морского базирования передается достаточное для обработки количество двоичных единиц.

Так как в течение периода колебаний антенные системы то удаляются от точки приема, то приближаются, размах изменений частоты равен удвоенному значению амплитуды, то есть, согласно таблице 1.8 в наибольшем случае равен 51.94 р/с или 8.27 Гц. Эта величина значительно превышает уход частоты задающего генератора передатчика (с цифровым синтезатором частоты), поэтому может быть обнаружена и оценена [41].

С другой стороны, колебания антенных систем МПО одного класса, например, круизного лайнера и танкера (водоизмещения 10 и 5 тысяч тонн соответственно) отличаются незначительно (на 0.54 Гц) и вряд ли могут служить критерием отнесения объекта к определенному классу.

Как видно, различить по доплеровскому сдвигу частоты излучаемых колебаний МПО одного класса очень трудно, почти невозможно, однако различие между классами просматривается довольно ясно: во всяком случае отличить корабли малого класса от больших кораблей вполне реально.

Обращает на себя внимание малые частотные сдвиги передатчика танкера. Это связано с его большим водоизмещением, большой шириной и осадкой - такой корабль меньше подвержен качке, чем меньшие.

Представляет интерес не только абсолютный доплеровский сдвиг частоты, но и ход зависимости этого сдвига от степени волнения. Так при больших длинах волн малые МПО начинают колебаться практически в режиме свободных колебаний, и их амплитуда практически не меняется при увеличении ветра более 5-6 баллов по шкале Бофорта. У больших кораблей такое "насыщение" кривой ((N)) наступает значительно позже, если наступает вообще.

Наибольшее расхождение в параметрах излучаемых колебаний наблюдается при волнении моря, вызванном ветрами от свежего до ураганного (от 6 до 12 баллов по шкале Бофорта). Поэтому идентификация МПО наиболее достоверна в штормовую погоду.

3.3 Обнаружение и идентификация судов по периодическим изменениям поляризации волны из-за бортовой и килевой качки

При больших амплитудах бортовой и килевой качки имеет место не только доплеровское смещение частоты излучаемого сигнала, но и колебания уровня сигнала на входе радиоприемного устройства. Это колебание может быть вызвано замыканиями антенны и тем, что на разных трассах распространения радиоволн (при смещении области отражения сигнала в ионосфере), возникающих при противоположных наклонах МПО, ослабляются по-разному. Естественные замирания коротких волн маскируют колебания уровня из-за качки судно далеко не всегда и затрудняют идентификацию источника излучения как МПО лишь отчасти. Отдельный прием по ортогональным поляризационным составляющим можно использовать как один из дополнительных возможных каналов классификации сигнала, как излучения судна [42].

Радиоволна отражается о плоскость поляризации, это расстояние изменяется. Когда волновой передатчик излучает в некоторой плоскости поляризации, тогда условия интерференционных замираний приводят к приемнику и волна получается неполяризованной или частично [43]. Из-за чего поляризованные замирания принимаемой волны слабо коррелированы друг с другом [44]. Если излучаемая волна не является поляризованной, в таком случае и принимаемая волна будет неполяризованной. Если разделить ее на ортогональные составляющие, тогда можно заметить очень слабо коррелированное замирание. Такое является называется поляризационным замиранием [45]. Это явление можно использовать при решении задачи классификации сигналов в процессе идентификации МПО. Если замирания вызваны изменением азимута передающей антенны (под действием качки), то корреляция между ортогональными поляризационными замираниями будет значительно сильнее, чем при обычных интерференционных замираниях.

Сильно ионизированные ионосферные слои, от которых происходит отражение декаметровых радиоволн, нельзя представить идеально проводящие поверхностью [46]. Ионизированный слой F характеризуется некоторой "шероховатостью", из-за которой при расчете трассы распространения отраженной волны нельзя пользоваться правилами геометрической оптики, а только волновой оптики [47].

Однако, понятие "ровной" или "неровной" поверхности может быть уточнено. В оптике для отражающей поверхности зеркала допускаются отклонения шероховатостей по высоте от идеальной плоскости порядка10 или даже 8. Эти значения относятся к нормальному падению лучей. Если падение лучей происходит под углом 2- (рис.3.3), то влияние неровностей уменьшается пропорционально величине 1/sin(2-), то есть допускаются неровности порядка:

Z (10sin(2-) . (3.7)



Рис. 3.3 - Влияние неровностей поверхности

Из выражения (3.7) следует, что по мере увеличения расстояния, когда угол 2- становится малым, влияние шереховатости ионосферы на рассеяние отраженной волны снижается, что позволяет считать, что на односкачковой трассе влияние шероховатости линейно уменьшается с увеличением расстояния.

При отражении от ионизированного слоя, шероховатость которого непрерывно хаотически изменяется вследствие ячейковой циркуляции и дрейфа слоя, наблюдается разброс углового отклонения прихода волны. По данным измерений [48] на односкачковой трассе на расстоянии 90 км поворот плоскости поляризации волны составил 8 градусов, на расстоянии 260 км - 3 и на расстояниях 500-5000 км 0.9-1.3 градуса. Временные изменения углового отклонения представляют собой стационарный случайный процесс (на некотором, достаточно продолжительном интервале), хорошо описываемый Гауссовой моделью.

Величина углового отклонения изменяется (систематическая составляющая) в течение суток и от месяца к месяцу. На рисунке 3.4 приведены кривые, описывающие характер изменения суточного отклонения плоскости поляризации волны в средних широтах северного полушария для различных месяцев при отражении волны от слоя F2. Суточное отклонение угла поворота плоскости поляризации, как видно из рисунка 3.4, не явится помехой для процесса идентификации МПО по модуляции поляризационных составляющих волн [49].

Рис. 3.4 - Суточное отклонение угла поворота плоскости поляризации

Флуктуации уровня сигнала на входе приемника идентификатора при сильной бортовой качке. Антенная система, представляющая собой простой диполь, из-за влияния подстилающей поверхности (морская вода) изменяет свою диаграмму направленности, в вертикальной плоскости появляется главный и боковые лепестки, наклон МПО (бортовой) приводит к смещению главного луча и, соответственно, изменению местоположения области ионосферы, отражающей главную часть энергии излученного колебания (рис. 3.5) [50, 51].



Рис. 3.5 - Смещение главного луча

При высотах подвеса антенн диаграммы направленности горизонтальных и вертикальных диполей становятся многолепестковыми (рис. 3.6а и 3.6б для вертикального и горизонтального диполей). В пределах угла диаграммы изменение уровня сигнала, отражающегося от одного и того же участка ионосферы, составляет 1.5 - 2 дБ.

Рис. 3.6 - Диаграмма направленности диполей

Отражение от ионосферы волн разной интенсивности приводит к флуктуациям уровня сигнала в точки приема по закону сильно коррелированному с законом бортовых колебаний МПО.

Глубина флуктуаций определяется амплитудой качки и высотой подвеса антенны, а также расстоянием между МПО и приемником идентификатора. Помехами при идентификации в этом случае являются замирания сигналов из-за многолучевости и медленных изменений конфигурации ионизированных слоев в ионосфере [54].

На односкачковой трассе распространения волн глубину модуляции уровня сигнала из-за бортового качки судна, можно оценить по эмпирической формуле:

для горизонтального диполя и по эмпирической формуле

(3.8)

для вертикального диполя.

Здесь - угол крена МПО [55].

Глубина модуляции уровня принимаемого сигнала от колеблющейся вертикальной антенны будет несколько больше, чем от антенны, подвешенной горизонтально. Это объясняется особенностью влияний на диаграммы направленности диполей подстилающей проводящей поверхности [56].

Выводы

Результатом математического моделирования является рабочая таблица доплеровских сдвигов для разных классов МПО при разных морских состояниях. Далее эта таблица будет основным элементом для идентификации судна по особенностям его радиоизлучения использоваться в программе. Показано, что ионосфера незначительно влияет на доплеровский сдвиг передаваемого сигнала с судна, поэтому сигнал с судна будет получен с минимальными потерями.



Глава 4. Способ автоматического определения типа МПО

4.1 Типы МПО и их отличия

На данный момент самыми распространенными типами судов на море считается несколько: круизные лайнеры, танкеры, контейнеровозы, спасательные суда.

4.2 Круизный лайнер

Это суда, которые являются одними из самых больших на море. Круизный лайнер представляют собой многопалубное судно для перевозки большого количества пассажиров на дальние расстояния, их примерная длина составляет 300 метров, средняя скорость движения 15 узлов [57].

Для построения его движения используем модель данного судна из пакета MSS mariner.m.

Создаем функцию и симулируем его движение. Для этого задаем начальные параметры:

u - возмущенная скорость пульсации

v - возмущенная скорость качания

r - возмущенная скорость рысканья около 0

x - положение судна по x

y - положение судна по y

psi - возмущенный угол рысканья около 0

delta - угол поворота руля

[xdot,U] - задаем функцию модели судна

U - скорость движения

Далее с помощью функции интегрирования Эйлера моделируем перемещение судна.

Симуляцию его движения можно увидеть на рисунке 4.1.

Рис. 4.1 - Движение круизного судна

На рисунке 4.1 А показаны следующие графики:

А) график изменения скорости рыскания - возмущенная скорость рысканья около 0 от времени

Б) угол рысканья - возмущенный угол рысканья около 0 от времени

В) скорость судна - скорость от времени

Г) изменение угла руля - угол поворота руля от времени

Из графиков можно сказать, когда эти показатели стабилизируются, тогда судно начнет плавно набирать скорость движения и пойдет в заданном направлении (рис. 4.1 б), но от капитана потребуется небольшая корректировка руля, из-за сильной бортовой качки.

4.3 Танкеры

Представляет собой торговое судно предназначен для транспортировки жидкостей или газов в объеме. К основным типам танкеров относятся нефтяной танкер, танкер - химик и газовый перевозчик. В Военно-морском флоте Соединенных Штатов и Военно- морском приказе, любой тип танкера, используемый для дозаправки других судов, называется нефтяником [58].Примерная длина составляет около 300 метров. Средняя скорость движения 17 узлов.

Рис.4.2. - Движение круизного судна

Для построения модели данного судна используютсяпохожий метод, описанный в главе 4.2, только заменяются характеристики судна наtanker.m. После чего проводится симуляция движения (рис.4.2).

4.4 Контейнеровозы

Контейнерные суда представляют собой грузовые суда, которые несут всю свою нагрузку в интермодальных контейнерах грузовых автомобилей, в технике, называемой контейнерной перевозкой. Они являются обычным средством коммерческого интермодального грузового транспорта и теперь несут большинство морских сыпучих грузов.

Емкость контейнерного судна измеряется в эквивалентных единицах в двадцать футов (TEU). Типичные нагрузки представляют собой смесь 20-футовых и 40-футовых (2-TEU) контейнеров стандарта ISO, причем последний является преобладающим.

Сегодня около 90% непрофессиональных грузов во всем мире перевозится контейнером, а крупнейшие современные контейнерные суда могут перевозить более 21000 TEU. Контейнерные суда теперь конкурируют с нефтеналивными танкерами и балкерами как крупнейшие коммерческие суда в океане [59].

На рисунке 4.3 а продемонстрирован график, на котором уровень рысканья стабилизируется, из-за чего стабилизируется скорость движения. На рисунке 4.3 б судно свободно достигает заданного курса. Модель этого типа судна имеет большую длину и самую большую осадку, из-за чего оно устойчиво к самым большим штормовым волнам.

Рис. 4.3 - Движение контейнеровоза

4.5 Глубоководные спасательные аппараты (DSRV)

DSRV были специально разработаны для удовлетворения потребностей в улучшенных средствах спасения экипажа подводной лодки, обездвиженной на дне океана. Мистик и Авалон являются первыми подводными аппаратами, которые могут перевозиться по суше, морю и под или под морем. Они могут работать независимо от поверхностных условий или под льдом для быстрого реагирования на несчастный случай в любой точке мира [60, 61].

Основная задача DSRV - обеспечить быструю реакцию во всем мире, всепогодную возможность спасать персонал от подводных лодок с ограниченными возможностями (DISSUB) на глубинах менее 610 метров. Максимальная рабочая глубина DSRV составляет приблизительно 1524 метра. После того, как DSRV правильно подключен к подводной лодке, откроются люки доступа DISSUB, и персонал подводных лодок может напрямую войти в DSRV. Затем DSRV отрывается от подводной лодки и передает спасенного персонала на вспомогательное судно, которое может быть специально модифицированной подводной лодкой или надводным кораблем [62].

Рис4.4- Движение спасательного аппарата

На рисунке 4.4 б видно, что по аналогии с предыдущими судами, здесь так же стабилизируется угол рысканья и скорость движения, судно следует заданного курса. Такого типа суда имеют малые размеры и не предназначены для движения в более 3 бальный шторм [63].



4.6 Построение основы для автоматического определения типа МПО

Для автоматического определения типа судна воспользуемся таблицей 3.2 доплеровских частотных приращений. Для каждого судна ранее уже были определены доплеровские сдвиги приемного сигнала, заданные коэффициенты прописываются для каждого типа судна. Далее полученный сигнал обрабатывается на приемном устройстве, в этот момент программа сообщает название типа судна, которому соответствует данный частотный сдвиг.

Выводы

Классы судов, обладающие уникальными характеристиками, можно структурировать с приемлемой вероятностью ошибки, которая зависит от балльности морского волнения или силы крена.



Глава 5. Описание работы программы определения типа МПО

5.1 Демонстрация волнового спектра

Программа состоит из трех частей, первая ее часть -- это демонстрация волнового спектра JONSWAP по шкале Циммермана. Изменяя пиковый коэффициент усиления происходит изменение волнового спектра, что наглядно позволяет продемонстрировать изменения волн при различных значения шкалы(рис. 5.1) [64, 65].

Рис. 5.1. - Интерфейс программы демонстрации волнового спектра

Когда пользователь изменяет значения шкалы Циммермана, в этот момент происходит изменение пикового коэффициента усиления , благодаря которому можно проводить исследования спектра волны [66]. (рис.5.2)



Рис.5.2 - Спектр JONSWAP при

5.2 Демонстрация движения известного судна

Вторая часть программы состоит из демонстрации движения одного из выбранных пользователей класса судна. Можно выбрать один из четырех видов, описанных ранее в главе 4 - это круизное судно, контейнеровоз, танкер или спасательное судно (рис 5.3).

Рис. 5.3 - Интерфейс программы демонстрация движения известного судна



Каждый класс судна имеет свои параметры: длина, ширина, скорость и т.д., поэтому их движение в открытом море несколько отличаются. В программе демонстрация происходит при спокойных морских условиях.

Для того, чтобы выбрать необходимый класс судна, пользователю необходимо нажать на стрелку рядом с названием судна и из выпадающего списка выбрать тот класс, который его интересует и далее нажать на кнопку Демонстрация движения (рис.5.4).

Рис.5.4. - Демонстрация движения круизного лайнера



Рис.5.5 - Демонстрация движения круизного лайнера

По окончанию модуляции пользователю будет продемонстрировано перемещение судна с востока на север (рис.5.5). Из-за особенностей волнового воздействия график перемещения будет немного смещен, из этого следует вывод, что капитану данного судна, следующему на север необходимо подруливать влево для коррекции движения [67].

5.3 Вычисление класса неизвестного судна

Третья часть программы состоит из определения класса судна в положении невидимом для спутников по изменению движения антенны судна в пространстве, а точнее по доплеровскому сдвигу передаваемого сигнала (рис.5.7). Класс судна определяется по алгоритму, изображенному на рисунке 5.6.



Рис.5.6 - Алгоритм вычисления класса судна

Для начала программа ожидает запрос от пользователя на уровень волны, для этого в интерфейсе есть специальная шкала (рис.5.8) и угол волны по отношению к судну (рис.5.9). Далее с помощью полученных коэффициентов рассчитывает полученный синусоидальный сигнал [68]. После чего программа начинает сравнивать его со всеми известными ей синусоидальными сигналами разных классов судна, выбирает наиболее вероятный среди них и выводит название наиболее вероятного класса судна и процент вероятности.