Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Повышение эффективности автоматизированных систем управления движением судов на основе модификации функциональных устройств береговых радиотехнических постов

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Получены необходимые для процессов идентификации и управления в СУДС аналитические модели амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов. Установлено, что импульсы пачки от сосредоточенного объекта (судна) могут различаться между собой не только амплитудой, как у точечных объектов, но и длительностью, временной задержкой, а также формой огибающей. Изучена зависимость… Читать ещё >

Повышение эффективности автоматизированных систем управления движением судов на основе модификации функциональных устройств береговых радиотехнических постов (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Анализ структурного построения автоматизированных систем управления движением судов на внутренних водных путях
    • 1. 1. Обзор существующих и перспективных автоматизированных систем управления движением судов
    • 1. 2. Структурное построение автоматизированной системы управления движением судов на внутренних водных путях
    • 1. 3. Требования к элементам систем управления движением судов
      • 1. 3. 1. Требования к береговым радиотехническим постам
      • 1. 3. 2. Требования к средствам обработки и отображения радиолокационной информации
    • 1. 4. Выводы
  • 2. Анализ радиолокационных характеристик судов и отраженных от них сигналов
    • 2. 1. Радиолокационные характеристики судов
      • 2. 1. 1. Модели объектов наблюдения на внутренних водных путях и их кластеризация
      • 2. 1. 2. Радиолокационные модели судов
      • 2. 1. 3. Отражающие свойства судов
    • 2. 2. Аналитические модели сигналов, отраженных от судов, на входе приемника берегового РТП
      • 2. 2. 1. Мгновенное значение мощности огибающей радиоимпульса
      • 2. 2. 2. Огибающая радиоимпульса
      • 2. 2. 3. Огибающая пачки радиоимпульсов
    • 2. 3. Анализ особенностей амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от судов
      • 2. 3. 1. Точечный надводный объект
      • 2. 3. 2. Сосредоточенный надводный объект
    • 2. 4. Выводы
  • 3. Исследование влияния длительности импульса на характеристики береговых РТП при использовании высокочастотных устройств с последовательным питанием
    • 3. 1. Теоретические основы пространственно-временного моделирования характеристик высокочастотных устройств с последовательным питанием
    • 3. 2. Анализ влияния длительности импульса передатчика и полосы пропускания приемника на диаграмму направленности антенны с последовательным питанием
    • 3. 3. Анализ влияния соотношения длительности импульса передатчика и длина антенны с последовательным питанием на интегральные характеристики пространственной избирательности береговых РТП
    • 3. 4. Выводы
  • 4. Инженерные методики расчета, моделирования и исследования остронаправленных высокочастотных устройств береговых радиотехнических постов
    • 4. 1. Требования к техническим характеристикам высокочастотных устройств береговых РТП
    • 4. 2. Инженерная методика расчета волноводно-щелевого излучателя
    • 4. 3. Синтез косекансной диаграммы направленности для цилиндрической зеркальной антенны локатора берегового РТП
    • 4. 4. Инженерная методика проектирования элементов управления поляризацией
    • 4. 5. Конструкторско-технологическая реализация высокочастотных устройств береговых РТП
    • 4. 6. Разработка технических средств и инженерных методик настройки высокочастотных устройств береговых РТП
      • 4. 6. 1. Комплексный измерительный стенд
      • 4. 6. 2. Инженерная методика настройки высокочастотных устройств
    • 4. 7. Выводы
  • Заключение
  • Список литературы

Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности судоходства и природоохранных мероприятий остается одним из основных приоритетов морского и речного флота. По многолетним данным столкновения, посадки на грунт и навалы составили до 70% всех аварий мирового флота. Такие аварии нередко сопровождались гибелью людей, большими потерями из-за повреждения судов и порчи груза, серьезными экологическими последствиями в морских и речных акваториях.

Основу большинства мероприятий, предпринимаемых с целью уменьшения навигационной аварийности, составляет оборудование районов интенсивного судоходства специализированными навигационными средствами. Практика судовождения показывает, что начатый в 40-х годах процесс широкого внедрения радиолокационной и другой навигационной техники, систем управления движением судов оказал заметное влияние на снижение числа аварий навигационного характера (посадка на мель, касание грунта и тому подобное).

Современное мореплавание характеризуется значительным возрастанием интенсивности судоходства, обусловленным увеличением объемов грузоперевозок, ростом мирового флота и повышением доли ходового времени судов в эксплуатационном периоде. Увеличение размеров судов и скоростей их движения привело к тому, что последствия столкновений судов могут привести к значительным человеческим жертвам, экономическим потерям, а также выливаться в серьезные экологические проблемы.

Отсутствие современных систем и средств обеспечения безопасного судовождения на внутренних водных путях влечет за собой создание предпосылок навигационных аварий с чрезвычайными последствиями.

Решение этой проблемы возможно с помощью береговых систем управления движением судов, оборудованных современными средствами вычислительной, радиолокационной и связной техники. Подобные системы установлены и успешно работают на ряде крупных рек Западной Европы и Северной Америки.

В Российской Федерации работа по созданию и эксплуатации современных систем управления движением судов (СУДС) на морских акваториях, внутренних водных путях проводится более 40 лет. Первая СУДС была введена в эксплуатацию в 1960 году на базе отечественной БРЛС «Раскат». Подобные же станции затем были установлены в портах Мурманск, Ильичевск, Мариуполь. В дальнейшем СУДС были созданы в портах Новороссийск, Одесса, Клайпеда, Вентспилс, Архангельск, Владивосток, Керчь, заливе Находка и в ряде других портов.

Эффективность внедрения СУДС показала целесообразность их дальнейшего развития за счет расширения зон применения, создания региональных систем, охватывающих подходы к нескольким портам или целые прибрежные районы.

Радиолокационный контроль над движением судов позволяет оценить плотность движения на фарватерах, подходах к портам и в местах схождения путей с целью избежания конфликтных ситуаций. Одновременно создаются условия для выявления случаев нарушения судами режима плавания и принятия соответствующих мер, проводки судов в условиях ограниченной видимости.

Для повышения точности и информативности процессов управления судоходством в СУДС требуется детальное исследование радиолокационных характеристик судов, особенностей и основных информационных параметров отраженных от них эхо сигналов. Известные теоретические и экспериментальные исследования позволяют получить определенные представления о них, которые, однако, недостаточны для разработки практических методов и формализованных процедур извлечения дополнительной информации из сигналов, отраженных от судов.

Постоянное возрастание интенсивности судоходства, развитие и нарастающее использование малотоннажного флота обуславливает непрерывное возрастание требований к повышению разрешающей способности береговых радиотехнических постов (РТП) СУДС, которые входят в противоречие с возможностями практической реализации крупногабаритных антенных устройств и требованиями обеспечения их эксплуатационной стабильности и надежности. Реальной альтернативой этому является перевод береговых РТП в более коротковолновую часть диапазона длин волн, но этот переход сопровождается значительными конструкторскими и технологическими проблемами, решение которых должно основываться на дополнительных научных исследованиях.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности СУДС за счет разработки инженерных методик проектирования функциональных устройств береговых РТП проводки судов.

Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализировать особенности функционирования и требования, предъявляемые к береговым радиотехническим постам СУДС, с учетом определения наиболее эффективных путей их совершенствования, повышения точности и информативности сигналов, отраженных от судов, повышения разрешающей способности береговых РТП.

2. Исследовать радиолокационные характеристики судов и особенности отраженных от них сигналов с целью обеспечения их идентификации и организации проводки судов в условиях ограниченной видимости.

3. Разработать методы повышения точности и информативности радиолокационных сигналов от судов и пути их реализации в СУДС путем использования нетрадиционного диапазона длин волн.

4. Исследовать влияние длительности зондирующего импульса на характеристики береговых РТП при использовании высокочастотных устройств с последовательным питанием.

5. Разработать методическое и информационно-программное обеспечение для расчета, моделирования и исследования высокочастотных функциональных устройств береговых РТП СУДС.

Методы исследования. Радиолокационные характеристики судов определялись с использованием положений. и методов статистической теории радиолокации. Аналитические модели сигналов, отраженных от надводных объектов, были синтезированы в результате применения статистической теории рассеяния электромагнитной энергии телами сложной формы. Инженерные методики проектирования функциональных устройств береговых РТП основаны на базовых постулатах геометрической теории дифракции электромагнитных волн. Исследования характеристик и информативных параметров функциональных устройств береговых РТП базировались на результатах физического моделирования, выполненных на специально созданном комплексном измерительном стенде.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Показано, что одним из наиболее эффективных путей совершенствования СУДС является увеличение точности и информативности обработки сигналов, отраженных от судов. Выявлена и использована принципиальная возможность построения СУДС, отличающихся повышенной точностью измерения координат наблюдаемых судов и вырабатывающих параметры их ориентации.

2. Получены необходимые для процессов идентификации и управления в СУДС аналитические модели амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов. Установлено, что импульсы пачки от сосредоточенного объекта (судна) могут различаться между собой не только амплитудой, как у точечных объектов, но и длительностью, временной задержкой, а также формой огибающей. Изучена зависимость амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных надводными объектами от их геометрических характеристик и процесса флуктуаций эффективной поверхности рассеяния наблюдаемого объекта под воздействием ветра и волнения в условиях ограниченной акватории.

3. Сформулированы конкретные рекомендации по применению в береговых РТП высокочастотных устройств с последовательным питанием. 7.

Доказано, что степень подавления приемником спектральных компонент импульса передатчика должна соответствовать требованиям к уровню ближних боковых лепестков диаграммы направленности высокочастотных устройств береговых РТП, что повышает помехоустойчивость при принятии решений в СУДС.

4. Уточнено содержание информационного обеспечения СУДС, включающее оценивание зависимости минимального импульсного объема от несущей частоты передатчика, что позволило повысить в 4 раза угловое разрешение береговых РТП при сохранении длительности зондирующего импульса.

5. Разработаны инженерные методики и информационно-программное обеспечение расчета высокочастотных устройств с последовательным питанием и их элементов, включая управление поляризацией и формирование квазикосекансной диаграммы направленности.

6. Обоснованы конструкторско-технологические рекомендации, позволившие сократить трудовые и финансовые затраты на производство и настройку функциональных устройств береговых радиотехнических постов СУДС.

Основные новые результаты, выносимые на защиту.

• аналитический обзор методов построения и структурирование комплекса технических требований, предъявляемых к автоматизированным системам управления движением судов;

• аналитические модели пространственно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов, позволившие повысить точность и информативность их обработки в СУДС;

• инженерные методики расчета, программное обеспечение и конструкторско-технологические рекомендации по проектированию функциональных устройств береговых РТП СУДС;

• методики компенсации погрешностей функциональных устройств береговых РТП с использованием специализированного комплексного измерительного стенда;

• результаты практического использования семейства береговых РТП «Балтика» СУДС в портах Мурманск, Владивосток, Кавказ и ГБУ «Волго-Балт»;

Реализация результатов работы.

Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы реализованы в радиотехнических системах 8-ми миллиметрового диапазона длин волн (семейства «Балтика»), которые в период с 1999 по 2005 гг. внедрены в:

• ФГУП «Росморпорт» Морской администрации порта «Мурманск» на РТП Абрам-мыс и АРТП мыс Мишуков;

• Главном бассейновом управлении «Волго-Балт» при оснащении радиотехнических постов «Лодейное поле» и «Отрадное»;

• ЗАО «Норфес» (Владивосток);

• ФГУП «Звезда» (Владивосток, пос. Большой камень);

• ФГУП «Росморпорт» в портах «Кавказ», «Темрюк», «Железный рог». Апробация работы. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2004 г.) и Научно-практической конференции «Радиоэлектронные системы. XXI век» (Санкт-Петербург, 2004 г.).

Публикации. По результатам научных исследований автором с 2000 по 2005 г. опубликовано 8 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и включает 145 страниц основного текста, 38 рисунков, 7 таблиц. Библиографический список включает 95 наименований.

4.7. Выводы.

При выполнении конструкторско-технологических разработок, описанных в четвертом разделе диссертации, получены следующие основные результаты:

1. Разработана серия высоконаправленных антенн 8 мм диапазона длин волн, обеспечивающая требования к береговым PJIC, входящим в состав автоматизированных систем управления движением судов.

2. Разработаны инженерные методики расчета антенн и их функциональных элементов, включая формирование квазикосекансной диаграммы направленности.

3. Сформулированы конструктивно-технологические рекомендации, позволяющие реализовать успешное изготовление и настройку высоконаправленных антенн 8 мм диапазона с низким уровнем бокового излучения.

4. Разработан, изготовлен и апробирован специальный комплексный стенд для настройки и измерения характеристик остронаправленных антенн по полю в раскрыве.

5. Разработана инженерная методика и процедура настройки антенных устройств береговых PJIC.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с целью работы в диссертации представлены возможности повышения эффективности СУДС за счет разработки инженерных методик и информационно-программного обеспечения проектирования функциональных устройств береговых РТП миллиметрового диапазона длин волн.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что эффективность СУДС, требуемая точность определения местонахождения судна при любых навигационных и метеорологических условиях обусловлены разрешающей способностью береговых РТП по дальности и направлению.

2. Синтезированы аналитические модели амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов, позволившие повысить точность и информативность их обработки в СУДС. Выявлена зависимость структуры эхо-сигналов судов от их геометрических характеристик и ракурса, существенно отличающая эти объекты наблюдения от точечных, свойства которых положены в основу принципов обработки информации в существующих СУДС.

3. 3. Получены аналитические выражения, позволяющие анализировать и моделировать пространственно-временные характеристики излучения береговых РТП. Проведено моделирование влияния длительности импульса передатчика и полосы пропускания приемника на диаграмму направленности, определены зависимости коэффициентов расширения луча, импульса от соотношения длины антенны и длительности импульса, получено выражение для минимально достижимого импульсного объема.

4. Разработаны инженерные методики и программное обеспечение проектирования функциональных устройств береговых РТП, включая формирование квазикосекансной диаграммы направленности.

5. Сформулированы конструктивно-технологические рекомендации, позволяющие реализовать успешное изготовление и настройку остронаправленных высокочастотных устройств 8 мм диапазона с низким УБЛ.

6. Разработан комплексный стенд для настройки и измерения характеристик остронаправленных антенн по полю в раскрыве, разработана инженерная методика и процедура настройки высокочастотных устройств береговых РТП.

Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы реализованы в радиотехнических системах 8-ми миллиметрового диапазона длин волн (семейства «Балтика»), которые в период с 1999 по 2005 гг. внедрены в:

• ФГУП «Росморпорт» Морской администрации порта «Мурманск» на РТП Абрам-мыс и АРТП мыс Мишуков;

• Главном бассейновом управлении «Волго-Балт» при оснащении радиотехнических постов «Лодейное поле» и «Отрадное»;

• ЗАО «Норфес» (Владивосток);

• ФГУП «Звезда» (Владивосток, пос. Большой камень);

• ФГУП «Росморпорт» в портах «Кавказ», «Темрюк», «Железный рог».

Показать весь текст

Список литературы

  1. А. СУДС — это безопасность мореплавания. Морской флот, 1999, № 1, с. 27.
  2. Концепция COJIAC. Глава 5. Правило 12 «Службы управления движением судов».
  3. Резолюция ИМО А.857 (20) «Руководство по СУДС» от 27.11.1997.
  4. Системы управления движением судов. Технико-эксплуатационные требования № МФ 02−22/848−70. М.: 2002. -30с.
  5. Технико-эксплуатационные требования к СУДС № МФ-29/53−48.
  6. Ю.П. Система управления движением судов на Невско-Ладожском участке внутренних водных путей ГБУ «Волго-Балт». Информост, 2003, № 1 (25), с. 16−17.
  7. Е.Л. Пять лет в ГБУ «Волго-Балт»: первые итоги, проблемы, перспективы. Информост — радиоэлектроника и телекоммуникации, 2003, № 1 (25), с. 8−11.
  8. М.И. Безопасность плавания в Кольском заливе — новое качество. Морская биржа, 2003.
  9. Е.Л. Концептуальная модель построения автоматизированной системы управления движением судов в Невско-Ладожском районе водных путей и судоходства Волго-Балтийского водного пути: Автореф.дис.канд.техн.наук. СПб., 2002. -24с.
  10. М.И. Новые технологии в обеспечении безопасности особо важных объектов морского и речного флота. Информост, 2004, № 2 (32).
  11. М.И. Безопасность судоходства по внутренним водным путям на качественно новый уровень. Деловой Петербург, 2003.
  12. А.И., Зимин Н. С., Минаев М. И. Состояние и тенденции развития радиотехнических систем управления движением. Наука и технологии в промышленности, 2001, № 3 (6).
  13. К.А. и др. Автоматизированная связь с судами. JI.: Судостроение, 1989.-224с.
  14. А.Г., Глущенко В. В. Системы управления. Исследование и компьютерное проектирование. М.: Вузовская книга, 2000.
  15. А.С., Гаскаров Д. В. Транспортные системы: моделирование и управление. СПб: Судостроение, 2001. — 552с.
  16. Ю.М. Основы создания сложных информационных систем. СПб.: ГУВК, 1998.-71с.
  17. В.Н., Денисов А. А. Основы теории систем и системного анализа. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. — 325с.
  18. А.А., Колесников Д. Н. Теория больших систем управления. — JL: Энергоиздат, 1982. 288с.
  19. О.В., Копанев А. А., Попов С. С. Системология и информационные системы. СПб.: ГУВК, 1999. — 332с.
  20. .Я., Яковлев С. А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1998.-319с.
  21. Математическое моделирование: методы описания и исследования сложных систем / Под ред. А. А. Самарского. М.: Наука, 1989. — 271с.
  22. В.Ф., Ракитин В. Д., Сикарев А. А. Автоматизация судовождения и связи. СПб.: ГУВК, 1997.
  23. Д.В., Францев Р. Э. Автоматизированные системы управления. СПб.: Судостроение, 2003. — 135с.
  24. А.В., Сикарев А. А. Сети связи с подвижными объектами. — Киев: Техника, 1999. 160с.
  25. А.А. Интеграционные процессы на рубеже XX и XXI веков в глобальных и региональных информационных сетях связи и местоопределения подвижных объектов. Труды Международной академии связи, 2001, № 1 (17). с. 27−29.
  26. А. Система управления движением судов в Финском заливе. «Информост Радиоэлектроника и коммуникации», 2002, № 2 (20). -с. 19−21.
  27. И.Л. Радиолокационные методы судовождения. — М.: Транспорт, 1970. — 247с.
  28. М.И. Радиолокаторы высокого разрешения. Морской сборник, 2202, № 6.
  29. Г. И. Развитие береговых радиолокационных систем управления движением судов. Экспресс-информация ЦБНТИ ММФ. «Судовождение и связь», 1980, вып. 4 (129). 29с.
  30. Г. К. Экспериментальное определение корреляционных зависимостей эхо-сигналов от надводных объектов и поверхности моря. Сб. «Методы и проблемы морской навигации». М.: ЦРИА Морфлот, 1981.-с. 102−104.
  31. В.И., Яловенко В. Я. Натурные исследования помехозащищенности радиолокационно-вычислительных систем. Сб. «Технические средства и методы судовождения», вып. 279. — Л.: Транспорт, 1983. с. 27−32.
  32. Д.Б., Потехин В. А., Шишкин И. Ф. Морская поляриметрия. — Л.: Судостроение, 1968. — 328с.
  33. Н.С. Средство автоматической радиолокационной прокладки повышенной точности и информативности: Автореф. диссертации канд.техн.наук. Л., 1988. -24с.
  34. В.Т., Караськов Г. А., Щеголев В. И., Якшевич Е. В. и др. Автоматизированные комплексы навигации и управления на морских транспортных судах. Сб. «Методы и средства управления на морском флоте», № 3 (226). М.: ЦБНТИ ММФ, 1970. 137с.
  35. Ю.Г., Черняев Р. Н., Якшевич Е. В., Яловенко В. Я. Судовые средства автоматизации предупреждения столкновений судов. М.: Транспорт, 1985. — 264с.
  36. А.В., Зимин Н. С., Кононов О. В. Радиолокационные системы предупреждения столкновений судов. JL: Судостроение, 1984. 200с.
  37. В.Ф., Гальперин В. Я. Устройства отображения информации в радиолокационных системах предупреждения столкновений судов. Судостроение за рубежом, 1977, № 9. с.39−48.
  38. A.M., Ничипоренко Н. Т. Судовые радиолокационные системы. М.: Транспорт, 1982. — 317с.
  39. В.И., Тарасов А. Н. Основные направления в развитии методов и технических средств для предотвращения столкновений судов. Обз.инф. «Судовождение и связь», М.: ЦБНТИ ММФ, 1974.
  40. Е.В., Кошевой Ю. Ф. Экспериментальное исследование точности определения параметров движения целей с помощью САРП «Бриз-Е». Труды ЦНИИМФ, 1983, вып. 279. с. 32−39.
  41. А.А., Антоненко В. А., Кошевой А. А. и др. Результаты разработки и судовых испытаний комплексной системы автоматизации судовождения «Бирюза». Сб. «Навигация и управление судном» — Л.: Транспорт, 1986. с. 3−18.
  42. Р.Н. Состояние и перспективы развития радиолокационной техники на судах морского флота. Сб. «Судовождение и связь», вып. 1 (11).-М.: ЦБНТИ ММФ, 1979.-80с.
  43. Н.С. Классификация радиолокационных объектов. В сб. Судовождение, вып. 24. -М.: ЦРИА Морфлот, 1979, с. 119−123.
  44. Р.Н. Принципы классификации навигационных систем вторичной радиолокации и влияние интерференционных замираний на их работу. Труды ЦНИИМФ, 1978, вып. 234. М. ЦНИИМФ. с. 3−11.46
Заполнить форму текущей работой