Аналитические методы обработки и точность астронавигационных обсерваций

Известно, что основной задачей судовождения является обеспечение безопасности мореплавания при сокращении времени перехода между портами, что требует надежного определения места судна в море.

К сожалению, уровень навигационной аварийности в настоящее время остается довольно высоким. Так, только аварии в результате посадки на мель судов российского транспортного и промыслового флотов превышают треть от общего числа аварий, а число судов мирового флота, гибнущих по этой причине, составляет (учитываются суда валовой вместимостью 500 per. т и более) 30−35% всех погибающих судов, и эти аварии часто сопровождаются человеческими жертвами. Объем разливов нефтепродуктов при посадке судов на мель примерно в два раза больше, чем при всех других видах аварий вместе взятых, что зачастую наносит непоправимый урон окружающей среде [35], [52], [95]. В связи с увеличением водоизмещения и скоростей судов средние убытки от каждой аварии возрастают, что является особенно ощутимым в условиях мирового финансового кризиса. Учитывая, что одной из главных целей снижения навигационной аварийности является охрана человеческой жизни на море и природной среды от загрязнения, следует отметить, что снижение навигационной аварийности имеет большое экономическое значение.

В судовождении штурманский метод является основнымон состоит в непрерывном ведении счисления и регулярных определениях места судна. Вопрос о методах, которые целесообразно применять для определения местоположения судна, — один из наиболее актуальных на сегодняшний день. Результаты обсерваций содержат информацию о положении судна относительно опасностей, служат для контроля и коррекции счисления. Если определения места выполняются достаточно часто или непрерывно, что возможно при автоматизации этого процесса, то счисление играет вспомогательную роль. В большинстве случаев навигационная безопасность зависит прежде всего от частоты и точности определений места, вследствие чего определение места судна относят к основным оперативным задачам навигации.

Теория определения места судна создавалась усилиями многих поколений ученых и моряков — представителей разных стран. Однако долгое время разные способы навигационных и астрономических определений разрабатывались без учета их взаимной связи. Ситуация существенным образом изменилась благодаря разработанному профессором В. В. Каврайским в 50-х годах XX века обобщенному методу линий положения [38]. Основное достоинство этого метода состоит в его универсальности, заключающейся в том, что он охватывает не только применяемые до настоящего времени способы определений, но и те, которые могут быть разработаны в будущем.

Введение

понятия «градиент навигационного параметра» оказалось исключительно важным не только для расчета элементов линий положения, но и для оценки точности как самих этих линий, так и обсервованного места судна.

Вместе с тем в результате развития навигационной и вычислительной техники, разработки автоматизированных комплексов и изучение свойств навигационной информации был выявлен ряд проблем, касающихся определения места и оценки его точности, которые, как оказалось, не охватываются обобщенным методом линий положения.

Для астронавигационных определений места на практике до сих пор используется метод линий положения в его графоаналитическом варианте. Толкование понятия линии положения только как касательной к изолинии сохранилось и после В. В. Каврайского, который рассматривал касательную лишь как один из вариантов линий положения. Разрабатывая метод линий положения, В. В. Каврайский специально приспосабливал его к меркаторской проекции для работы вручную с использованием таблиц и графических построений. Для этого разности долгот заменяются отшествиями, а уравнения линий положения приводятся к нормальному виду путем деления на модули градиентов, что позволяет строить линии положения единообразно при любом их происхождении. При решении задач с помощью электронных вычислительных машин (ЭВМ) названные преобразования лишь усложняют алгоритмы и оказываются излишними.

Следует отметить, что в практике решения основных задач навигации произошли существенные изменения, которые нуждаются в обобщении. Во-первых, были разработаны практические рекомендации на базе новых теоретических разработок, посвященных методике определения места судна [7], [74], [80]. Во-вторых, в связи с развитием глобальных спутниковых навигационных систем требуется обобщение особенностей практического использования этих систем. В-третьих, широкое распространение на судах получили навигационные комплексы и информационные системы. Анализ ряда навигационных аварий и разработка прикладного программного обеспечения для ЭВМ автоматизированных комплексов свидетельствуют о том, что вопросы выбора безопасного пути судна, оценки точности определений его места и оценки надежности навигации также нуждаются в обобщении.

Актуальность работы. Внедрение в современную практику судовождения новейших спутниковых систем и ЭВМ для определения места судна не умаляет значимости традиционных методов навигации, в частности астрономических. Применение методов мореходной астрономии с использованием магнитного компаса и простейшего лага-вертушки обеспечивает автономную ориентировку судна в открытом море, что чрезвычайно важно в наше время, когда аварийные ситуации и террористические акты на море практически непредсказуемы.

Астрономические методики получения обсервованного места судна имеют три существенных преимущества по сравнению с современными навигационными системами.

Во-первых, это отмеченная выше автономность, ибо небесные светила являются природными «датчиками» навигационной информации и этих датчиков достаточно много, что позволяет одновременно выполнять измерения для расчета элементов нескольких изолиний (изостадий, циклических кривых) или их линий положения. Небесные светила позволяют определять координаты судна в любой части Мирового океана. Практически нет препятствий для выполнения астрономических обсерваций при выходе из строя электрооборудования.

Во-вторых, астрономические обсервации весьма дешевы вследствие использования при выполнении наблюдений простейших приборов: секстана, хронометра, секундомера, звездного глобуса и калькулятора (программируемого).

В-третьих, в условиях возрастающих угроз со стороны международного терроризма в открытом море при выходе из строя навигационного оборудования или систем энергообеспечения, в случаях природных катаклизмов, а также при нестабильной работе навигационных систем или отсутствии спутниковых сигналов [4] единственными доступными способами обсервации остаются классические методы мореходной астрономии.

Как и любые виды обсерваций в открытом море, астрономические методы обладают рядом недостатков. Одни недостатки изначально присущи этим методам, другие допускают если не полное устранение, то существенное ослабление их влияния.

К недостаткам, изначально затрудняющим применение астрономических методов, следует отнести ограниченность временного интервала в периоды сумерек, когда достаточно четко видна линия горизонта при допустимой яркости звезднередкое наличие облачностиневысокую точность измерения высот светил, ибо техника таких измерений граничит с искусствомнеобходимость синхронизации момента измерения высоты в вертикале светила с показаниями секундомеравозможные серьезные погрешности в измерении высоты светила вне его вертикала.

Широкое внедрение сверхдорогих стабилизирующих устройств, инфракрасной техники и интегрирующих систем существенно удорожило бы астрономические обсервации, обесценив указанные выше преимущества классического метода мореходной астрономии, заключающиеся главным образом в элементарной технической базе и независимости от исправной работы энергосистем судна. А именно с помощью методов классической астронавигации были сделаны все географические открытия и успешно осуществлялось торговое мореплавание с XVI и вплоть до первой половины XX века.

Метод определения географических координат места судна по высотам двух и более небесных светил, измеренным в произвольных азимутах, является наиболее универсальным. При наблюдении двух светил точность определения места судна (срX) зависит не от величин азимутов, а лишь от их разности [50]. При астрономическом определении места судна в ночное время суток всегда можно почти одновременно измерить высоты двух и более ярких звезд. В светлое время суток астронавигационные обсервации могут быть выполнены по Солнцу и Луне. Выполнение серий наблюдений, состоящих из определения трех и более значений, позволяет существенно ослабить влияние случайных погрешностей и исключить систематическую погрешность. Кроме того точность ночных астрономических обсерваций практически не зависит от погрешностей в определении пройденного расстояния и истинного курса судна, т. е. от погрешностей навигационного счисления.

К недостаткам астрономических методов, которые допускают ослабление или устранение их влияния, относится главным образом традиционная графоаналитическая методика обработки измеренных высот, основанная на методе линий положения.

Несмотря на этот недостаток и ряд менее существенных, а также снижение интереса к мореходной астрономии, методы астронавигации не утратили своей актуальности. Согласно Международной конвенции ПДМНВ-78 «Правила дипломирования моряков и несения вахты», разработанной и утвержденной Международной морской организацией (ИМО) (глава И, разделы A-II/1, A-II/2), в состав обязательных минимальных требований для дипломирования капитанов, старпомов и вахтенных помощников капитана судов валовой вместимостью 500 per. т и более входит умение использовать небесные тела для определения местоположения судна. Критерием оценки этого умения является определение местоположения судна с помощью астрономических методов с вероятностной обеспеченностью 95% [66].

В ряде ведущих морских держав (США, Великобритания, Франция) совершенствованию методов измерения высот и обработки астрономических обсерваций уделяется большое внимание. Например, в США на курс мореходной астрономии в морских академиях отводится 133 ч (модельный курс ИМО предусматривает 128 ч). В Морской академии ФГБОУ ВПО «Мурманский государственный технический университет» (МГТУ) объем такого курса увеличен с 73 до 112 ч [114].

Очевидно, что высокотехнологичные страны осознают важность совершенствования классических методов мореходной астрономии, учитывая их преимущества, перечисленные выше.

Дешевизна, а также независимость методов мореходной астрономии от исправной работы энергетических систем судна обеспечивается, как было отмечено выше, простотой инструментальной базы, а также необходимостью использования лишь двух-трех пособий. Исходная процедура астрономической обсервации — измерение высот светил секстаном остается неизменной в течение сотен лет. Как было отмечено выше, процедура снятия высот светил граничит с искусством и практическое владение навыками ее выполнения является предметом профессиональной гордости моряков.

Учитывая современные реалии, следует отметить, что особенно актуальным является развитие методов обработки измеренных высот. Применяемая до настоящего времени графоаналитическая методика обработки остается фактически единственной изучаемой в морских академиях мира, что странным образом сочетается с признанием важности самой дисциплины. Безусловно, это не должно препятствовать пересмотру классических методов обработки информации.

В основе предлагаемой работы лежит известная идея отказа от использования для определения места судна общепринятого метода линий положения (касательных) и последующей графической прокладки этих линий на бумаге. Вместо линий положения (касательных) рассматриваются исходные изолинии-изостадии — малые круги на небесной сфере со сферическими радиусами z0l = 90° - h0l.

При таком подходе, во-первых, отпадает необходимость в выполнении трудоемкого расчета счислимых значений высот, во-вторых, устраняется принципиальная погрешность от замены изолиний (дуг кривых) их линиями положения (касательными к этим дугам), на которую накладывается погрешность графического построения. В итоге обсервованное место судна М0 как точка пересечения изолиний будет находиться гораздо ближе к истинному месту, чем точка пересечения касательных к изолиниям (линиям положения). Общая погрешность при этом может достигать нескольких миль при плохом знании счислимого места в упомянутых выше критических ситуациях.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ графоаналитического и аналитических методов обработки астронавигационных обсерваций.

2. Разработать оптимальный алгоритм автоматизированной обработки астронавигационных обсерваций, основанный на одном из аналитических методов обработки — итерационном.

3. Провести сравнительный анализ результатов обработки материалов натурного эксперимента по традиционной графоаналитической методике и по разработанному в рамках проведенного исследования методу итераций.

4. Выполнить анализ реальной точности астронавигационных обсерваций на основе GPS (Global Position System) координат судна.

5. Разработать методику обработки серии измерений навигационного параметра с малым числом наблюдений с учетом критерия внутренней сходимости.

6. Разработать тренажерную систему и методику обучения измерению высот светил в лабораторных условиях.

Названные и примыкающие к ним проблемы нечасто, но все же привлекают внимание специалистов. Они обсуждаются в научных статьях и на конференциях, но в повседневной практике судовождения решаются нечасто и не нашли отражения в учебной и технической литературе, предназначенной для обучения судоводителей. Предлагаемую работу следует рассматривать как одну из попыток реализовать указанные выше цели.

Описание механизмов решения поставленных выше задач последовательно представлено в главах диссертационной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исходя из результатов выполненной работы, можно сделать вывод о том, что основная роль методов мореходной астрономии в настоящее время заключается в том, что они остаются общедоступными и позволяют обеспечить автономное резервное определение места судна с достаточной точностью для осуществления безопасного мореплавания в условиях открытого моря при чрезвычайных обстоятельствах.

Внедрение в практику судовождения новейших спутниковых систем и ЭВМ для определения места судна не умаляет роли традиционных методов навигации, в частности астрономических, ввиду их полной автономности и использования простейших технических средств, что чрезвычайно важно в настоящее время, когда аварийные ситуации, сбои и нестабильная работа спутниковых навигационных систем, природные катаклизмы, а также террористические акты на море практически непредсказуемы.

Учитывая современные реалии, основной вектор дальнейшего развития астронавигации заключается в совершенствовании методов обработки результатов измерения высот светил. Применяемая до настоящего времени графоаналитическая методика остается фактически единственной изучаемой в морских учебных заведениях мира. В основе выполненной работы лежит идея отказа от использования для определения места судна общепринятого метода линий положения (касательных) и последующей графической прокладки этих линий на бумаге. Вместо линий положения (касательных) рассматриваются исходные изолинии-изостадии — малые круги на небесной сфере со сферическими радиусами z0, = 90° — /z0/.

В соответствии с поставленными целями в диссертации получены следующие результаты:

1. Выполнен подробный и всесторонний анализ графоаналитического и аналитических методов обработки астронавигационных обсерваций. Выявлены значительные погрешности аналитического и геометрического характера, присущие графоаналитической методике при больших переносахтак, средняя результирующая погрешность положения одной высотной линии составляет порядка 4,4'. При этом время обработки данных достигает 45−50 мин. Показана нецелесообразность применения любого из двух аналитических методов обработки: как алгебраического, так и метода Гаусса. К наиболее значительным их недостаткам следует отнести: весьма сложные логические и схемы прикладных вычислительных систем, высокие технические требования к аппаратным средствам, отсутствие промежуточного контроля и автоматической корректировки вычислительного процесса.

2. Обоснована целесообразность обработки астронавигационных обсерваций с помощью итерационного методаразработан его алгоритм и программа обработки для стандартного программируемого калькулятора, что занимает не более 35−40 с. В чрезвычайных ситуациях, при выходе из строя навигационного оборудования или систем энергообеспечения этот метод позволяет максимально быстро и точно получить обсервованное место судна. При этом критерий сходимости в |0,2'| обеспечивается несколькими итерационными циклами в районе счислимого места. При использовании специальной математической программы на ЭВМ время итеративной обработки сокращается до 5−6 с.

3. Представлены итоги детального сравнительного анализа результатов обработки материалов натурного эксперимента по традиционной графоаналитической методике и по разработанному методу итераций. Доказано, что при этом радиальная погрешность уменьшается с 3,4 до 2,9' (при вероятности Р = 95%) для астрономических обсерваций по двум звездам и с 3,0 до 2,2' (при вероятности Р = 95%) для астрономических обсерваций по трем звездам.

4. Экспериментально определены апостериорные реальные точности астронавигационных обсерваций по двум звездам и трем звездам, вычисленные с использованием координат GPS в качестве счислимых координат судна, что подтверждает истинность величин радиальной погрешности 2,9 и 2,2 м. мили соответственно.

5. Предложена к внедрению разработанная методика нахождения вероятнейшего значения результата из серии малого числа измерений навигационного параметра, основанная на критерии внутренней сходимостис использованием весов отдельных измерений, обратно пропорциональных сумме квадратов их отклонений друг от друга.

6. Разработана уникальная программная система, специальная тренажерная установка, а также методика обучения измерению высот светил в аудиторных условиях, что позволяет повысить качество учебного процесса на судоводительских факультетах морских учебных заведений мира.

Результаты выполненных исследований прежде всего необходимо внедрять в учебный процесс морских учебных заведений мира. Это позволит их выпускникам при несении штурманской вахты использовать аналитические методы во время выполнения астронавигационных определений места судна. Полученные результаты в доступной форме должны найти отражение в учебниках, учебных пособиях по мореходной астрономии, а затем и в официальных инструкциях и пособиях для судоводителей как в Российской Федерации, так и за ее пределами.