Разработка способа управления судном по уклонениям от заданной линии пути с использованием судовой спутниковой навигационной аппаратуры

Актуальность работы.

Успехи основных мировых космических держав второй половины XX века — СССР и США — завершились созданием уникальной системы — спутниковой навигационной системы (СНС) второго поколения ГЛОНАСС и КАУ8ТАЛ, элементом которой является и аппаратура потребителей. В настоящее время наблюдается интенсивный прорыв методов использования СНС в различные области науки, технологии, службы надзора, контроля и эксплуатации, в том числе в различные виды транспорта, включая морской и речной флот.

Созданная для судов аппаратура потребителей — судовая спутниковая навигационная аппаратура (ССНА) — наделена множеством функций, производных от высокоточного ежесекундного определения обсервованного места судна. Возможность появления множества функций ССНА является следствием внедрения во все процессы СНС микрокомпьютерной техники. Эти функции дают полезную вспомогательную информацию судоводителю, которая иногда дублирует информацию, получаемую от других приборов, но на качественно более высоком уровне. Например, информации от компаса соответствует информация ССНА о путевом угле судна, сопоставление которой дает качественно новый результат — вектор сноса судна под действием ветра и течения. Аналогично сопоставление скорости от лага и от ССНА дает вторую составляющую вектора пути судна — путевую скорость судна и скорость сноса судна.

Другой вид полезной вспомогательной информации ССНА — вычисление и индикация уклонения судна от локсодромии, проложенной между предшествующей и последующей путевыми точками. Это новый для судоводителя вид информации, не фиксируемой другими техническими средствами судовождения и прежде получаемой только графоаналитическими методами непосредственно судоводителем.

Информация об уклонении судна от заданной локсодромией линии пути используется судоводителем в настоящее время для коррекции курса судна с целью выхода в последующую путевую точку. Для удобства решения этой навигационной задачи ССНА представляет судоводителю еще одну вспомогательную функцию — пеленг на путевую точку, которому должен быть равен путевой угол судна.

Однако, это, теперь уже традиционное, использование информации об уклонении судна от заданной линии пути (ЗЛП) не исчерпывает всех возможностей этой информации. Достаточно успешно эту информацию можно использовать для непосредственного управления рулем судна с целью удержания судна вблизи ЗЛП, т. е. для ведения судна по заданной линии пути.

По-видимому, впервые это предложение в письменном виде высказано В. И. Сичкаревым в работе [66]. По сути, это предложение расширяет функциональные пользовательские возможности ССНА, что является положительным развитием сферы применения СНС. Дополнительную актуальность управлению судном по уклонениям от заданной линии пути (УС по УЗЛП) придает то обстоятельство, что индицируемое уклонение аккумулирует в себе также и снос судна под действием ветра и течения, что в итоге придает технологии УС по УЗЛП качественно новый характер, достижимый в традиционном судовождении только путем дополнительной интеллектуальной работы судоводителя по учету недостаточно точно известного судоводителю воздействия гидрометеорологических факторов на поведение судна.

Особенность информации об уклонении от ЗЛП, получаемой непосредственно по ССНА, состоит в том, что она не требует оснащения судна дополнительными техническими средствами и легко может быть использована в том числе и на судах внутреннего водного транспорта.

Вклад в развитие спутниковых навигационных систем в нашей стране, в оценку их практической достижимой точности, а также в развитие методов применения СНС в народном хозяйстве и конкретно на морском и речном флоте внесли труды достаточно большого числа авторов. По-видимому, далеко не полный перечень их может быть представлен следующими фамилиями: B.C. Шебшаевич, А. И. Лурье, П. Е. Эльясберг, М. М. Кобрин, Ю. В. Батраков, Е. Д. Голиков, В. П. Заколодяжный, Э. А. Жижемский, A.A. Колосов, Л. И. Кузнецов, В. Ф. Проскурин, А. Н. Радченко, Н. К. Сергеев, Б. А. Смольников, Е. Ф. Суворов, В. А. Фуфаев, Г. И. Черепанов, Е. П. Чуров, В. И. Юницкий, М. Ф. Решетнев, Ю. А. Соловьев, K.M. Антонович, Ю. А. Комаровский.

Информация об уклонении от ЗЛП при наличии на судне дополнительных технических средств судовождения в виде гирокомпаса и лага может быть дополнена показаниями этих приборов, что позволяет сформировать дополнительное качество процессу УС по УЗЛП. Оно может быть реализовано на новом техническом средстве судовождения, активно внедренном в последние десятилетия на морском, а в последние годы и на речном флоте — на электронной картографической навигационной информационной системе (ЭКНИС). На экране монитора ЭКНИС в большем размере и в более удобном, регулируемом масштабе может быть выведена система ближайших путевых точек, заданная линия пути, величина и направление уклонения судна от ЗЛП, а также вектор курса судна и вектор пути судна, разница между которыми дает вектор общего сноса судна. Эта дополнительная информация на экране ЭКНИС создает дополнительные критерии, облегчающие и улучшающие процесс УС по УЗЛП.

В целом совместное применение ССНА и ЭКНИС создает достаточный комфорт работе рулевого, что сказывается на качестве УС по УЗЛП и приводит к улучшению статистических показаний уклонения судна при достаточно длительном процессе ведения судна по этой технологии, что позволяет ставить вопрос о ее применении для управления судном по внутренним водным путям.

Вклад в развитие ЭКНИС и их модификацию для ВВП России — систему отображения электронных карт и информации (СОЭНКИ) — с трудом поддается персонификации, поскольку картографические стандарты ЭКНИС, СОЭНКИэто программные продукты, разрабатываемые ИМО, государственными предприятиями и крупными компаниями с участием больших коллективов программистов, персональный состав которых в силу целого ряда причин текущей острой актуальности не разглашается. С достаточной уверенностью могут быть названы компании, внесшие ведущий вклад в развитие электронной картографии — это отечественная компания ТРАНЗАС МАРИН и иностранная С-МАР.

Таким образом, как отдельное применение СНС, так и совместное применение СНС и ЭКНИС в технологии УС по УЗЛП является актуальной задачей современного судовождения, в том числе судовождения на ВВП.

Объект исследования.

Объектом исследования является технология управления судном по индицируемым с помощью СНС уклонениям обсервованного места судна от заданной линии пути судна.

Предмет исследования.

Предметом исследования является величина уклонений обсервованного места судна в различных условиях плавания, при различных состояниях загрузки судна и персоналиях судоводителей, при различных гидрометеорологических условиях, при ручном управлении судном по индицируемым уклонениям (при использовании только ССНА) или по индицируемым уклонениям и векторам курса и пути судна (при использовании ССНА и ЭКС).

Работа выполнялась в соответствии с госбюджетной НИР кафедры судовождения НГАВТ «Проблемы повышения безопасности плавания судов», номер государственной регистрации 0120.806 449.

Научная гипотеза.

Высокоточные обсервации с частотой 1с" 1 по спутниковой навигационной системе с учетом функциональных возможностей судовой спутниковой навигационной аппаратуры индицировать величину уклонения обсервованного места судна от заданной линии пути позволяет использовать величину уклонения в качестве критерия для принятия решения о величине и законе перекладки руля для минимизации уклонения судна от заданной линии пути.

Цели и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка метода повышения безопасности плавания судов за счет управления судном по контролируемому параметру — уклонению от заданной линии пути, учитывающему общий снос судна при ежесекундных обсервациях по спутниковой навигационной’системе.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих научных задач: изучение достижимой точности обсерваций по спутниковым навигационным системам ОР8-ЫАУ8ТАК, ГЛОНАСС, ГЛОНАСС^АУБТАК и путей повышения точности;

— проверка на математической модели возможности и результативности ручного ведения судна по заданной линии пути при управлении рулем на основе информации о величине и направлении уклонения судна от заданной линии пути;

— отыскание факторов-предшественников изменению уклонения от ЗЛП и поиск возможности их учета при управлении рулем;

— проверка процесса управления реальным судном по технологии управления рулем на основе информации о величине и знаке уклонения судна от ЗЛП и привлечении дополнительных факторов, облегчающих реализацию указанной технологии;

— накопление статистики точности управления реальным судном по уклонениям от ЗЛП при различных состояниях загрузки судна, гидрометеорологических условиях, при различных персоналиях судоводителей;

— проверка возможности и результативности подготовки судоводителей к управлению судном по ЗЛП на судоводительском тренажере;

— разработка методики и программы подготовки судоводителей ВВП к УС по УЗЛП на тренажере;

— опытная подготовка судоводителей ВВП на тренажере.

Методы исследования.

Для достижения поставленной цели при решении научных задач использовались методы математического моделирования движения судна с изменяемым углом перекладки руля, методы натурного и тренажерного эксперимента, методы математической статистики и теории вероятностей, методы аналитической геометрии.

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в исследовании возможности и результативности управления судном по уклонениям от ЗЛП на математической модели, на натурном судне, на судоводительском тренажере. При этом впервые поставлены и решены следующие научные задачи:

— численно исследован процесс ручного управления судном путем задания различных углов перекладки руля по критерию минимизации уклонения судна от ЗЛП. При этом обнаружены факторы — предшествующие изменению уклонения от ЗЛП способствующие повышению точности ведения судна по ЗЛП;

— выполнены натурные процессы управления судном по уклонениям от ЗЛП с использованием ЭКС. При этом накоплен статистический материал, позволивший получить обобщенные гистограммы уклонений судна от ЗЛП и некоторые удобные для использования точечные статистические оценки;

— разработана методология подготовки судоводителей к управлению судном по уклонениям от ЗЛП на судоводительском тренажере с использованием ЭКС.

Практическая ценность работы Исследованный в работе метод управления судном по уклонениям от ЗЛП положен в основу разработанной технологии ручного управления судном по уклонениям от ЗЛП. Этой технологии обучены судоводители судна, использовавшегося для проведения натурных экспериментов.

Разработанная технология применена в методике обучения судоводителей на судоводительском тренажере и использована в составленной программе подготовки судоводителей к управлению судном по уклонениям от ЗЛП с оценкой результативности процесса обучения.

Реализация работы Отдельные этапы работы по разработке технологии управления судном по уклонениям от ЗЛП внедрены на судах ООО «Палмали», а также в ОАО «Западносибирское речное пароходство», с группой судоводителей которого проведено опытное обучение на судоводительском тренажере НГАВТ.

Личный вклад автора Автор численно реализовал математическую модель управления судном по УЗЛП, организовал и провел натурные эксперименты на судах ООО «Палмали», выполнил их обработку и получил статистические характеристики процесса, выдвинул и реализовал идею использования ЭКС в технологии управления судном по уклонениям от ЗЛП и по векторам курса и пути судна, осуществил обучение судоводителей на судах ООО «Палмали» и опытное обучение судоводителей ОАО «ЗСРП».

Основные положения, выносимые на защиту: — обобщенные гистограммы и точечные статистические оценки процесса управления реальным судном смешанного река-море плавания в речных условиях при различных состояниях загрузки судна;

— технология управления судном по уклонениям от ЗЛП с использованием возможностей ЭКС;

— методика тренажерной подготовки судоводителей ВВП к управлению судном по уклонениям от ЗЛП с оценкой результативности обучения. i.

Достоверность результатов.

Включенные в работу результаты получены из натурных экспериментов на грузовом судне смешанного река-море плавания путем регистрации на ЭВМ показаний действующих судовых навигационных приборов, а также по аналогичной технологии на сертифицированном судоводительском тренажере радиолокационной прокладки с ЭКС.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава и инженерно-технических работников речного транспорта и других отраслей, НГАВТ, 16−19 апреля 2007 года, с публикацией тезисов докладов:

— Практика управления движением судна по уклонениям от заданной линии пути;

— Статистика уклонений судна от заданной линии пути по различным параметрам, влияющим на управление судномна Межвузовской научной конференции: Философия науки и техники, НГАВТ, апрель 2008 года, с публикацией тезиса доклада:

— Актуальное направление развития технических средств и методов судовождения на ВВПна Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава «Водный транспорт России вчера, сегодня, завтра», с публикацией тезисов докладов:

— Методика подготовки судоводителей к проводке судна по заданной линии пути с управлением по уклонениям, индицируемым судовой' спутниковой навигационной аппаратурой;

— Исследование процесса управления судном по уклонениям от заданной линии пути на математической моделина Международном научном конгрессе «ГЕО-Сибирь-2009» «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия», СГГА, 20−24 апреля 2009 года, с публикацией тезиса доклада:

— Использование спутниковой навигации на водном транспорте.

Публикации по теме диссертации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, в том числе в 2 статьях периодических изданий по перечню ВАК. Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, составляет не менее 50%.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы, состоящий из 95 наименований и 3 приложения. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 15 таблиц.

Основные выводы и заключение.

В итоге выполненного исследования получены следующие основные результаты и выводы:

— проанализировано современное состояние действующих спутниковых навигационных системдостижимая точность обсервованных плановых координат, достаточная для судовождения на магистральных ВВПперспективы повышения точности обсервацийпроанализировано современное состояние электронных картографических систем для моря и для ВВПреализован пошаговый численный метод решения системы дифференциальных уравнений движения судна с возможностью задания угла перекладки руля на каждом шаге решения;

— на созданной математической модели управляемого движения судна получено подтверждение выдвинутой научной гипотезы о возможности использования информации о величине и знаке уклонения судна от заданной линии пути для ведения судна вблизи заданной линии путивыявлена возможность и целесообразность привлечения дополнительной сопутствующей информации для облегчения управления судном и повышения точности удержания судна на ЗЛП;

— предложено использовать судовую ЭКС, способную индицировать уклонения в удобном масштабе и давать дополнительную информацию в виде векторов курса и пути судна;

— выполнены обширные натурные эксперименты по управлению судном на основе информации об уклонении судна от заданной линии пути по обсервациям с помощью СНС с использованием функций ЭКСэксперименты проведены для различных состояний загрузки судна, персоналий судоводителей, гидрометеорологических условийполучены обобщенные гистограммы и точечные статистические оценкисделан вывод о целесообразности обучения судоводителей технологии управления судном по уклонениям от ЗЛПопробована возможность обучения судоводителей технологии управления судном по УЗЛП на судоводительском тренажере МАРЛОТ-М и получены статистические характеристики обучаемости по дням обучения и за весь период обучения;

— разработаны методика и программа обучения судоводителей технологии управления судном по УЗЛПвыполнено опытное обучение группы действующих судоводителей ОАО «ЗСРП" — получены положительные результаты и положительная оценка обучения со стороны руководства ЗСРП.

Полученные результаты позволяют сделать следующее заключение: технология управления судном по уклонениям от заданной линии пути, получаемым по обсервациям с помощью СНС, может быть рекомендована для судоводителей на ВВП в качестве резервного метода повышения безопасности плавания при наличии штатной навигационной обстановки и в качестве основного метода в период отсутствия штатной навигационной обстановки.