Разработка и модификация алгоритмов задач мореходной астрономии применительно к ЭВМ индивидуального пользования

Необходимый условней эффективного управления судном является знание навигационных параметров движения судна — обсерво-ванннх координат места, текущих значений курса и скорости. Несмотря на постоянное использование в практике мореплавания радиолокационных систем, приемоиндикаторов наземных и спутниковых радионавигационных систем, входящих в состав навигационных комплексов, во многих районах Мирового океана методы мореходной астрономии при определении места судна остаются основными, а при определении поправок курсоуказателя единственным средством определения навигационных параметров. Кроме того, эти методы не подвержены искусственно создаваемым помехам и не зависят от внезапного изменения режима работы опорных станций радионавигационных систем, т. е. эти методы являются полностью автономными. Поэтому можно сделать вывод, что и в будущем навигационные комплексы как автоматизированные, так и неавтоматизированные будут иметь в своем составе датчики астрономической информации. Помимо того, что они являются в некоторых случаях единственным источником навигационной информации, астрономические методы определения обсервованных координат места судна и поправок курсоуказателя надолго останутся как резервные в связи с автономностью методов мореходной астрономии.

На сегодняшний день в практике судовождения решаются следующие задачи мореходной астрономии:

— рациональный подбор звезд для наблюдений при обсервации места;

— расчет рационального промежутка времени между наблюдениями Солнца при обсервации места;

— определение места по звездам;

— определение места по Солнцу;

— определение поправки компаса;

— расчет времени явления, связанного с суточным движением Солнца;

— опознание светила (звезды).

Естественно, что в настоящее время использование этого набора задач мореходной астрономии не мыслится без такого инструмента повышения производительности труда судоводителя как методы и средства вычислительной техники. Причем, если в 60-е годы ЭВМ применялись в основном либо в радиоастрономических системах, создаваемых на основе радиосекстана, либо в оптических астронавигационных системах, создаваемых на основе фотосекстана или перископического секстана, которые на транспортном флоте практического применения не нашли, да и вряд ли найдут применение в обозримом будущем из-за своей сложности, громоздкости и дороговизны. Поэтому в последнее время все большее применение находит другая технология обработки астрономической информации: определение астрономических параметров (высот, азимутов светил и т. д.) осуществляется судоводителем традиционными «ручными» методами, а для вычислений привлекаются средства и методы вычислительной техники [9, 10, 25, 65, 85, 89]. Это связано с тем, что трудоемкие вычисления при определении места судна астрономическими методами требуют много времени и отвлечение штурмана на длительное время от непрерывного наблюдения за окружающей обстановкой является одной из причин аварий судов, а также с тем, что вычислительная работа штурмана подвержена просчетам и ошибкам в вычислениях. По исследованию, проведенному Английским институтом навигации [43] просчеты в вычислениях, связанных с астрономическими методами определения места судна, составили 63% (из 97 — 38 верно).

В настоящее время прослеживается четыре подхода к автоматизации решения навигационных задач, в том числе и астрономических.

Создание автоматизированных навигационных комплексов, включающих в себя различные датчики навигационной информации (приемоиндикаторы радионавигационных систем как береговых, так и спутниковых, систему счисления и т. д.) с единым координирующим центром — электронной цифровой вычислительной машиной, как правило это ЭЦВМ третьего поколения. К примеру это комплексы типа «Дата-Бридж», «Диджиплот», «Бриз» и т. д. Этот подход имеет свои положительные и отрицательные стороны. Основной его недостаток — это зависимость надежности работы комплекса в первую очередь от надежности работы ЭЦВИ [ю, 51]. В связи с этим такой подход в настоящее время при разработке автоматизированных навигационных комплексов не применяется.

Второй подход связан с тем, что появление микропроцессоров привело к скачкообразному расширению возможностей применения ЭЦВМ, их резкому удешевлению, повышению надежности, простоте в эксплуатации. Появились малые ЭЦВМ высокой производительности, а также мини-ЭВМ массового применения. Все это заставило скорректировать концепции автоматизации решения навигационных задач, сложившиеся в период господства третьего поколения машин. Микропроцессорная техника дает возможность создавать более рациональные вычислительные технологии, в частности позволяет перейти от централизованного автоматического управления к децентрализованному. При таком подходе для решения отдельных задач используются специализированные микропроцессорные системы, связанные интерфейсоы с датчиками навигационной информации, как-то цифровые привмоиндикаторы спутниковых РНС, цифровые приемоиндикато-ры береговых РНС и т. д. Это, разумеется, повышает надежность комплекса в целом, хотя возникает целый ряд вопросов, связанных со структурой комплексов, комплектованием информационных потоков и т. д. [51, 60, 85].

В настоящее время все более широкое применение находят ЭВМ индивидуального пользования, позволяющие использовать их для работы в диалоговом режиме (третий подход). ЭВМ такого типа в принципе могут послужить основой при создании автоматизированного рабочего места судоводителя (АРМ). АРМ может функционировать как в режиме ручного ввода информации, так и при наличии соответствующего интерфейса, с автоматическим вводом информации. С совершенствованием ЭВМ индивидуального пользования и разработке соответствующего математического обеспечения, функциональные возможности АРМ могут постоянно расширяться [9, 65].

Наконец, при решении задач судовождения в практике используются микрокалькуляторы с набором специализированных программ (четвертый подход). Разработка математического обеспечения для таких микрокалькуляторов предъявляет жесткие ограничения к используемому объему памяти [25, 86, 89].

Конечной целью любого из этих подходов является автоматизация управления судном. В силу своей специфики астрономические задачи, являясь составной частью задачи управления судном, могут решаться при любом из вышеперечисленных подходов.

Во всех случаях создание автоматизированной системы управления судном начинается с подготовки математического обеспечения. В полной мере это относится и к подсистеме автоматизации решения задач мореходной астрономии, независимо от того, используется ли для этого универсальная ЭЦВМ, специализированная микропроцессорная система или мини-ЭВМ индивидуального пользования.

Основная часть математического обеспечения — это программное обеспечение, представляющее собой комплекс рабочих программ, предназначенных для решения навигационных задач, в том числе и астрономических. С учетом последствий, к которым может привести ошибка в выработке управляющего воздействия, одной из самых серьезных проблем в области обработки навигационных измерений, в частности астрономических, является проблема исключения ошибок при разработке программного обеспечения. Программы не изнашиваются, поломка программы невозможна. Более того, производственные дефекты не имеют существенного значения, поскольку они относительно редки и быстро обнаруживаются. Таким образом ошибки программного обеспечения — это следствие исключительно ошибок в выборе используемого метода, накладываемых на процедуру ограничений и т. д., то есть ошибок вносимых в период разработки программного обеспечения.

Ошибки программного обеспечения решения задач мореходной астрономиии в первом приближении можно подразделить на четыре группы:

— ошибки из-за несовершенства используемых математических моделей;

— ошибки из-за использования приближенных методов расчета;

— ошибки округления;

— ошибки в алгоритмах, которые в этих задачах могут быть превалирующими.

Ошибки из-за несовершенства математических моделей, как правило, обусловлены тем, что традиционные методы были прежде всего ориентированы на ручные методы счета и на использование вычислительные средств с ограниченными возможностями производить большой объем вычислений. Ошибки из-за использования приближенных методов расчета зависят от используемого численного метода решения задачи. Ошибки в алгоритмах связаны, как правило, с низкой квалификацией разработчика.

Кроме исключения ошибок в программном обеспечении представляется желательным получить унифицированные процедуры вычислений, применяемых при любом из трех подходов к автоматизации решения основных задач судовождения, так как это позволит сократить затраты на создание математического обеспечения, что в свою очередь, наряду с мероприятиями по уменьшению влияния вышеприведенных ошибок, повысит надежность программного обеспечения [96, 97].

Таким образом, для исключения ошибок в программном обеспечении необходимо разработать унифицированные методики повышения точности определения места методами мореходной астрономии, путем разработки новых, уточнения и модификации существующих алгоритмов.

Вся процедура разработки программного обеспечения должна, с одной стороны, быть направлена на удовлетворение точностных критериев, предъявляемых к результатам решения задач мореходной астрономии (расчет эфемерид светил с точностью до 0,1 [бз], определение обсервованных координат места с точностью 1−3 мили [85]). С другой стороны, при разработке алгоритмов, удовлетворяющих точностным критериям, необходимо определить требования, которые эти црограммы предъявляют к техническим средствам их реализации (ЭВМ), как с точки зрения требований разрядности, быстродействия, системе команд, объему памяти, так и с точки зрения обеспечения простоты и удобства работы с ЭВМ судоводителя в диалоговом режиме.

Как известно 63], при обычном ручном методе обработки астрономических наблюдений около 40% времени уходит на вычисление с помощью Морского Астрономического Ежегодника (МАЕ) местных часовых углов и склонений светил. Поэтому при автоматизации решения основных задач мореходной астрономии основное внимание следует обратить на разработку методов определения видимых экваториальных координат светил с помощью ЭВМ без использования МАЕ.

В связи с номенклатурой требующих решения задач мореходной астрономиии, а также наличием, как минимум, трех технологий обработки астрономической информации, трудно выбрать единый критерий качества при оптимизации вычислительных процедур решения задач. В каждом конкретном случае 1фитерий качества определяется как типом задачи, так и технологией обработки навигационной информации.

Целью диссертационного исследования является создание такого набора алгоритмов и программ, который позволял бы, в зависимости от используемой технологии обработки астрономической информации, либо реализовывать потенциально возможную точность в определении навигационных параметров (I и 2 варианты технологии обработки), либо только обеспечение заданных точностных критериев с учетом ограниченных возможностей ЭВМ, при 3 и 4 вариантах технологии обработки. Разрабатываемые алгоритмы должны сравнительно легко адаптироваться к эволюции ЭВМ, используемых для обработки навигационной информации.

I. ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ РАСЧЕТА ЭФЕМЕРИД СОЛНЦА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам теоретических и практических исследований, проведенных в диссертационной работе, можно сделать следующие выводы:

1. Разработан алгоритм расчета времени в юлианских днях от начала эпохи до заданной даты, позволяющий сократить число вычислительных операций в два раза, а набор констант — в три раза по сравнению с ранее применявшимися алгоритмами.

2. Получен оптимальный в смысле точности алгоритм вычисления видимых координат Солнца. В ранее используемых алгоритмах I максимальная погрешность достигала 0,5. В предлагаемом алгорит ме максимальная погрешность вычислений не хуже 0,1 .

3. Проведенная по критерию минимума объема памяти оптимизация точных формул алгоритма расчета видимых эфемерид Солнца позволила получить процедуру вычислений, которая полностью удовлетворяет требованиям по точности, предъявляемым к задачам мореходной астрономии. Этот алгоритм предназначен для реализации на микрокалькуляторе.

4. Предложена методика расчета констант алгоритма для вычисления эфемерид Солнца без обращений к АЕ СССР.

5. Впервые показана возможность включения Полярной звезды в общий список звезд для определения места судна и поправки компаса по общепринятой методике.

6. Определен промежуток времени, при котором допустим расчет видимых координат звезд без учета их собственного движения. Это позволило предложить алгоритм расчета, в котором число необходимых констант сокращено с 640 до 320.

7. Впервые предложен алгоритм определения места по звездам, позволяющий сократить время вычислений в два раза, который может быть рекомендован для реализации на микрокалькуляторе.

8. Предложена методика расчета констант для алгоритма вычисления средних мест звезд на заданную эпоху, позволяющая производить расчеты без обращений к Астрономическому Ежегоднику СССР.

9. Впервые предложено формализованное решение задачи подбора звезд для наблюдений при определении места судна.

10. Определены критерии, с помощью которых появилась возможность решения задачи подбора звезд при определении места.

11. Предложен алгоритм расчета рационального промежутка времени между наблюдениями Солнца при определении места, повышающий точность определения.

12. Алгоритмы задач мореходной астрономии синтезированы в виде общего программного модуля.

13. Предъявлены требования к параметрам ЭВМ, реализующих алгоритмы задач мореходной астрономии.

14. Определены общие требования к системе, работающей в диалоговом режиме, и разработан словарь языка диалога применительно к решенйю задач мореходной астрономии.

15. Разработаны и отлажены программы алгоритмов решения 7-ми задач мореходной астрономии на входном языке КВ «Искра-1256» .

16. Разработаны и реализованы подпрограммы, обеспечивающие решение задач в диалоговом режиме.