автореферат диссертации по транспорту, 05.22.16, диссертация на тему:Исследование путей повышения точности определения места судна по фазовой РНС "ДЕККА"

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВМЕСТНАЯ ОБРАБОТКА НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ.

1.1. Методы синтеза цифровых фильтров.II

1.2. Комплектование навигационных систем.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ ПО ФАЗОВОЙ РНС "ДЕККА".

2.1. Использование фазовой РНС "Декка" в судовождении

2.2. Числовые характеристики погрешностей измерений

2.3. Методика сбора и обработки экспериментального материала.

2.4. Результаты обработки.

3. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ НАВИГАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

3.1. Метод наименьших квадратов.

3.2. Последовательный метод.

3.3. Метод дискретной оптимальной фильтрации Калмана.

3.4. Синтез оптимального навигационного фильтра

3.4.1. Формирующий фильтр

3.4.2. Модель сигнала.

3.4.3. Алгоритм комплексной обработки информации.

3.5. Результаты моделирования.ИЗ

3 В В Е Д Е Н И Е Научно-техническая революция вызвала коренные изменения в составе мирового морского флота и расширила его возможности. Для современного морского транспортного флота характерны быстрый рост грузооборота международных перевозок, непрерывное увеличение тоннажа, массовое обновление судов и техники. В "Основных направлениях эконоглического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" /35/морскому транспорту определены следующие задачи: "Улучшить использование флота, портов и судоремонтных заводов, организацию перевозок грузов и пассажиров, повысить эффективность экспорта трашпортных услуг. Пополнить флот специализированными судами контейнеровозами, лихтеровозами, железнодорожнымж паромами, судами арктического плавания и ледоколами. Начать оснащение транспортных судов атомными силовыми установками. Увеличить грузооборот морского транспорта на 8-9 процентов". Непрерывный рост экономических связей между государствами и перевозок внутри государств приводит к увеличению тоннажа, стоимости, количества судов. Растут и скорости судов. В результате растет плотность потоков транспортных судов, все сложнее становится осуществлять безопасное плавание на больших скоростях. Постоянно в плавании по всем морям и океанам находится около 80 судов, перевозящих нефть, газ, нефтехимические продукты; (60...65)/ судов, перевозящих руду и уголь; (30...40) 4 промысловых судов; (20...25) пассажирских и грузопассажирских судов. В этих условиях предъявляются более жесткие требования к точности и надежности навигационных определений, влияющих на эффективность и качество перевозок, на безопасность мореплавания. Межправительственная морская консультативная организация (ЙМКО) при ООН выработала общие требования к средствам навигационного обеспечения, приведенные в табл.1/65/. Морское судно сложная управляемая система, действия которой всегда целенаправлены и заблаговременно программируемы. В реальных условиях на судно действуют различные случайные возмущающие факторы, поэтому приходится решать следующие навигационные задачи: определение параметров движения судна, непрерывное счисление пути, задача коррекции пути, предвычисление положения судна, задача маневрирования. В настоящее время для решения этих задач суда оснащаются разнообразными навигационными приборами. Обилие навигационной информации, содержащей разнородные погрешности, осложняет работу судоводителя. Возникает необходимость в автоматизации обработки инфораации, которая наиболее полно решается на ЭЦВМ, устанавливаемых в настоящее время на транспортных судах и входящих в состав автоматизированных навигационных комплексов. Использование Э Ц Ш в системах автоматизации судовождения позволяет сделать их более эффективными, благодаря: повышению точности и надежности определения координат 6 судна, сокращению времени решения задач по расхождению судов и определению места судна, увеличению вероятности принятия правильного решения при выборе маневра, улучшению эргономических характеристик систшш за счет получения возможности единообразного представления обобщенной информации с индуцированием ее в цифровой и векторной формах на экране индикатора навигационной ситуации. Определение координат места судна является главнейшей задачей, так как без знания места судна невозможно решать другие задачи судовождения. Наиболее эффективным способом определения координат судна является комплексное использование навигационных средств, в результате чего повышаются основные технические и экономические характеристики навигационных систем. Благодаря высокому уровню технического состояния и возможностям современной вычислительной техники, появились и находят широкое применение автоматизированные навигационные комплексы. Примером отечественного навигационного комплекса может служить "Бриз-1", а также иностранные: "DATA B R I D G E "TONAC "DIGIPLOT И др. Различный характер погрешностей навигационных систем позволяет поставить задачу взаимной компенсации их погрешностей, то есть повышения точности и надежности определения навигационного параметра. Наибольший эффект при комплексном использовании получается в результате совместного использования автономной навигационной системы (лаг-гирокомпас), обладающей хорошей кратковременной стабильностью значений навигационного параметра, но плохой долговременной, так как погрешность автономной 7 навигационной системы нарастает со временем, и радионавигационных систем с высокой долговременной стабильностью значений навигационного параметра, подверженных воздействию ШЕгрокополосных помех. Совместная обработка данных таких систем позволяет исключить большие погрешности РНС на малых интервалах времени, используя данные автономной навигационной системы в качестве опорных, а также уменьшить нарастающие погрешности этой системы с помощью сигналов РНС. Таким образом, комплексная система сохраняет достоинства входящих в нее систем и существенно уменьшает их недостатки. Задачи комллексирования необходимо решать в двух направлениях: проектирования и эксплуатации навигационного комплекса. При проектировании методы комплексирования позволяют определить состав комплекса, его оборудование, позволяющее решать поставленные задачи с заданными точностью и надежностью, а также разрабатывается математическое обеспечение комплекса, то есть определить аппаратурную децентрализацию при программной централизации. При эксплуатации комплекса в зависимости от района и условий плавания необходимо использовать возможности всего комплекса либо часть оборудования, позволящ/ю решать поставленную задачу с наибольшей точностью. Повышение точности и надежности определения координат места судна с помощью навигационного комплекса обусловлено возможностью совместной обработки навигационной информации разнородных навигационных систем. При плавании в открытом море при больших удалениях от навигационных опасностей не требуется высокая точность определения места судна. В этих условиях определение координат можно произ

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

I. Исследованы статистические характеристики погрешностей измерений, выполненных по фазовой РНС "Декка". При этом:

- исследовано суточное изменение дисперсии, значения которой колеблятся в пределах = 0,63.4,75, достигая максимальных значений в переходное время суток,

- полученные экспериментальные кривые автокорреляционных функций погрешностей измерений были аппроксимированы выражением вида (2.13). При этом значения погрешностей аппроксимации не превышали 10$,

- показано, что спектральная плотность погрешностей измерений изменяется в течение суток; так в ночное и переходное время суток спектр более узкополосный, чем днем,

- исследована взаимная корреляция между измерениями, выполненными по различным парам систем. При этом показано, что коэффициенты взаимной корреляции достигают наибольших значений в ночное и переходное время суток,

- выявлен характер изменения параметров автокорреляционных функций погрешностей измерений: так, величина параметра затухания имеет значительные колебания в течение суток, тогда как величина параметра периодичности р> изменяется несущественно. Пределы изменений: od= (0,005.0,050) 1/с, уЗ = (0,004.0,009) рад/с,

- исследованию было подвергнуто более 52 ООО измерений.

2. В диссертационной работе показано, что одним из методов повышения точности и надежности определения координат места судна является совместная обработка навигационной информации, поступающей от фазовой РНС "Декка" и автономной навигационной системы "лаг-гирокомпас".

3. В качестве основной схемы комплексирования выбрана схема компенсации, так как она позволяет тлеть сравнительно простой алгоритм и не вносит динамических погрешностей, что имеет большое значение для фазовой РНС "Декка", так как скорость изменения погрешности у данной системы более значительна, чем у других РНС.

4. Для синтеза оптимального навигационного фильтра предложено использовать метод дискретной фильтрации Калмана, так как данный метод:

- применим как для стационарных, так и для нестационарных процессов,

- не требует хранения в памяти измеряемых реализаций,

- позволяет сравнительно легко определить структуру фильтра.

5. В качестве критерия оптимальности предложено использовать наименьшую среддаеквадратическую погрешность выделения полезной составляющей сигнала. При этом:

- оценка не зависит от закона распределения, а при нормальном распределении совпадает с принципом максимального правдоподобия,

- совпадает с принятой в судовождении оценкой точности измерений.

6. Предложена методика синтеза оптимального навигационного фильтра для фазовой РНС "Декка" и автономной навигационной системы "лаг-гирокомпас".

7. Отличительной чертой предлагаемого метода синтеза оптимального навигационного фильтра является проверка его сходимости непосредственно по точности определения координат места судна, что является более приемлемым для судоводителя.

8. Результаты моделирования показали работоспособность принятых алгоритмов совместной обработки навигационной информации, поступающей от РНС "Декка" и системы счисления.

9. В работе показано, что характер изменения погрешностей РНС "Декка" требует создания адаптивного фильтра, в основу которого может быть положена методика, предложенная в данной работе. В связи с этим следует продолжить дальнейшие исследования по изучению характердизменения параметров J* и у2> автокорреляционных функций погрешностей измерений для различных рабочих зон фазовой РНС "Декка".

1. Адамченко В.Н. Обработка радионавигационных измерений. - М.: Транспорт, 1983. - 56 с.

2. Адамченко В.Н. Один алгоритм комплексирования по импульсно-фазовой РНС и автономной навигационной системе. -В кн.: Теоретические основы автоматизации процессов управления судном. М., 1974, с.21-24.

3. Адамченко В.Н., Ивашкевич В.Ф. Определение статистических характеристик измерений по импулъснофазовой радионавигационной системе. В кн.: Теоретические основы автоматизации процессов управления судном. М., 1975, с.74-88.

4. Байрашевский A.M., Быков В.И., Никитенко Ю.И. Радионавигационные приборы. М.: Транспорт, 1966. - 448 с.

5. Баранов Ю.К. Об оценке точности счисления по эмпирическим формулам. Судовождение, 1973, В 13, с.9-17.

6. Баранов Ю.К. Использование радиотехнических средств в морской навигации. М.: Транспорт, 1978. - 224 с.

7. Баранов Ю.К. Определение места судна с помощью навигационных спутников. М.: Транспорт, 1976. - 87 с.

8. Баскаков В.Ф. Вопросы оптимальной обработки радионавигационных измерений. Канд.дис., Л., 1972.

9. Бендат Дж. Основы теории случайных шуглов и ее применения. М.: Наука, 1965. - 464 с.

10. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайныхпроцессов. М.: Мир, 1974. - 464 с.

11. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. М.: Мир, 1974, вып.1. - 250 с.

12. Браммер К., Зиффлинг Г. Фильтр Калмана-Быоси. М.: Наука, 1982. - 199 с.

13. Быков Б.И., Никитенко Ю.И. Фазовая радионавигационная система "Декка-Навигатор". М.: Транспорт, 1969. - 157 с

14. Венгеров А.А., Щаренский В.А. Прикладные вопросы оптимальной линейной фильтрации. -М.: Энергоиздат, 1982. -192 с.

15. Вентцель E.G. Теория вероятностей. -М.: Наука, 1964. 576 с.

16. Волосов П.С., Дубинко Ю.С., Мордвинов Б.Г., Шинков В.Д. Судовые комплексы спутниковой навигации. 1.: Судостроение, 1983. - 272 с.

17. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. М.: Наука, 1967.

18. Генфольд А.О. Исчисление конечных разностей. М.: Физматгиз, 1959. - 400 с.

19. Деруссо Л., Рой Р., Клоиз Ч. Пространство состояний в теории управления. М.: Наука, 1974. - 620 с.

20. Земнухов Л.А. Исследование точности счисления пути морских транспортных судов. Канд.дис., Л., 1976.

21. Зурабов Ю.Г. Статистические характеристики радионавигационной информации приемоиндикатора "Пирс-I"- Труды / ЦНИИ морского флота, 1968, вып.97, с.24-35.

22. Ицхак И. Бар-Ицхак, Адриан Биранеску-Биран. Оптимизация судовождения. В кн.: Компьютер - верфь - корабль.-Л.: Судостроение, 1981, с.311-326.

23. Кинкулькин И.Е., Рубцов Б.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. М.: Сов.радио, 1979. - 280 с.

24. Клименко Г.В. К вопросу построения адаптивного оптимального фильтра для РНС "Декка". Б кн.: Материалы XI научно-технической секции радиосвязи и радионавигации, М., 1983, с.126-129.

25. Клименко Г.В. Характер изменения параметров автокорреляционных погрешностей измерений РНС "Декка". В кн.: Математическое обеспечение современных навигационных комплексов. Л., 1984 (в печати).

26. Кожухов В.П., Григорьев В.В., Лукин С.М. Математические основы судовождения. -М.: Транспорт, 1980. 231 с.

27. Колмогоров А.Н. Интерполирование и экстраполирование стационарных случайных последовательностей. Известия АН СССР. Математика, 1941, т.5, $ I, с.3-14.

28. Кондрашихин В.Т. Статистические характеристики информации, поступающей от фазовой РНС. Инф.сб. / ЦНИИ морского флота, 1963, вып.102, с.23-28.

29. Кондрашихин В.Т. Теория ошибок и ее применение к задачам судовождения. М.: Транспорт, 1969. - 254 с.

30. Кононенко Г.А. Состояние и перспективы развития морских космических систем радионавигации. ЦБНТИ ММФ, 1980, вып.З (8). - 60 с.

31. Котельников В.А., Николаев Н.М. Основы радиотехники.- М.: Связьизда.Тэ 1967.

32. Лесков М.М., Баранов Ю.К., Гаврюк М.И. Навигация. -М.: Транспорт, 1980. 344 с.

33. Ли Р. Оптимальные оценки, определение характеристики управление. М.: Наука, 1966. - 176 с.

34. Лившиц Н.А., Пугачев B.C. Вероятностный анализ систем автоматического управления, т.1. -М.: Сов .радио, 1963.- 896 с.

35. Материалы ХХУТ съезда КПСС. М.: Политиздат, 1981.- 223 с.

36. Матюшенко А.Д. Пересчет навигационных параметров разностно-далъномерных РНС в прямоугольные или географические координаты. Судовождение, 1968, Гг 9, с.33-39.

37. Медич Дж. Статистически оптимальные линейные оценки и управление. М.: Энергия, 1973. - 440 с.

38. Новые технические средства судовождения / под ред. А.А.Якушенкова. М.: Транспорт, 1973. - 264 с.

39. Отнес Р., Эконсон Л. Прикладной анализ временных рядов. М.: Мир, 1982. - 428 с.

40. Пантев Н.Д. Применение методов оптимальной многомерной фильтрации для разработки и исследования моделей комплексных навигационных систем. Канд.дис., Л., 1974.

41. Пестряков В.Е. Фазовые радиотехнические системы. -М.: Сов .радио, 1968. 98 с.

42. Питерсон И.Л. Статистический анализ и оптимизация систем автоматического управления. М.: Сов.радио, 1964.

43. Применение радионавигационной системы "Декка". Руководство по штурманской службе (РШС-I). -М.: Рекламинформ-бюро ММФ, 1976. 57 с.

44. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применен ние к задачам автоматического управления. М.: Физматгиз, 1962. - 783 с.

45. Радиотехнические средства навигационного оборудова- 126 ния Северного Ледовитого и Атлантического океанов. МО, ГУНиО, 1979. - 350 с.

46. Ривкин С.С., Ивановский Р.И., Костров А.В. Статистическая оптимизация навигационных систем. Л.: Судостроение, 1976. - 280 с.

47. Ривкин С.С. Метод оптимальной фильтрации Калмана и его применение в ннерциальных навигационных системах. Л.: Судостроение, 1973. 4.1. - 145 с; 1974; Ч.П. - 214 с.

48. Родионов А.И., Сазонов А.Е. Автоматизация судовождения. М.: Транспорт, 1983. - 216 с.

49. Сазонов А.Е. Вычислительная техника в судовождении. М.: Транспорт, 1982. - 176 с.

50. Сазонов А.Е., Родионов А.И. Автоматизация судовождения. -М.: Транспорт, 1977. 207 с.

51. Сазонов А.Е., Филиппов 10.М. Математические основы автоматизации судовождения. М.: Транспорт, 1964. - 176 с.

52. Сазонов А.Е., Пантев Н.Д. Синтез оптимального навигационного фильтра. В кн.: Вычислительная техника на морском флоте. М., 1975, с.37-42.

53. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций. Л.: Судпромгиз, 1961. - 252 с.

54. Сейдж Э.П., Уайт Ч.С., Ш. Оптимальное управление системами. М.: Радио и связь, 1982. - 392 с.

55. Солодовников В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления. -М.: Физматгиз, I960. -470 с.

56. Стратонович Р.Х. Условные марковские процессы и их применение к теории оптимального управления. М.: МГУ, 1966. - 209 с.

57. Тарасов А.Н. Анализ точности счисления. Труды / ЦНИИ Морского Флота, 1967, вып.83, с.26-32.

58. Фельдбаум А.А. Основы теории оптимальных автоматических систем. М.: Наука, 1966. - 623 с.

59. Филиппов Ю.М., Сазонов А.Е. Теоретические основы автоматизации судовождения. Л.: Судостроение, 1970. - 312с.

60. Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах / под ред.К.Т.Леондеса. М.: Мир, 1980. - 407с.

61. Холостов Д.й. Средства кораблевождения подводных атомоходов. -М.: Воениздат, 1967. 211 с.

62. Хуторовсккй З.Н. Эффективная память дискретного фильтра Калмана. Автоматика и телемеханика. 1972, JS 2.

63. Ципкин Я.З. Основы теории обучающихся систем. М.: Наука, 1970.

64. Ципкин Я.З., Каплинский А.Н., Ларионов К.А. Алгоритм адаптации и обучения в нестационарных условиях. Известия АН СССР. Техническая кибернетика, 1970, Ш 5, с.9-21.

65. Чуров Е.П., Суворов Е.Ф. Космические средства судовождения . М.: Транспорт, 1979. - 287 с.

66. Чуров Е.П. Спутниковые системы радионавигации. М.: Сов.радио, 1977. - 392 с.

67. Ющенко А.П. Способ наименьших квадратов. Л.:

68. Морской транспорт, 1956. 164 с.

69. Admiralty List of radio signals. Published by the

70. Hydrographer of the Navy.- Taunton, Somerset, 1981, vol.5, 32Ip.

71. Kalman R.E., Busy R.S. Few results in linear filtering and prediction theory.- Journal of basic engineering.

72. Transactions of the American Society of mechanical engineers, vol.83, March 1961, p. 95-I08.

73. Kalman R.E. A new approach to linear filteringлand prediction problems. Journal of basic engineers.

74. Transactions of the American Society of mechanical engineers, * *vol. 83, N I, March I960, p. 35 4-5.

75. Pail J.P. Application du filtre de Kalman a la Navigation. Geophysical Prospecting, vol. 20, Sept.1972, p. 665-699** >

76. Yola D.C. On the factorization of rational matrices. IEE Transactions on information theory, vol. IT-7, N 3»1. July 1961.*73* Winer N. Extrapolation, interpolation and smoothingл * * *time series. J. Wiley, 194-9, N 7, p. 11-23.1. УТВЕРЖДАЮ

77. Директор иссле, ческ ,Го те:цщнградского Научно" ого Радаотехни-лауреат вши, кандидаау Гужва Ю.Г. г.1. АКТ

78. О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ В ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ Т. КЛИМЕНКО Г.В. НА ТЕМУ "ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА СУДНА ПО ФАЗОВОЙ РНС "ДЕККА"".

79. Выявлены и реализованы возможности, которые значительно расширяют область использования уже известных алгоритмов получения оптимальных оценок навигационного параметра.

80. Результаты диссертационной работы т. Клименко Г.В. внедрены в ранках договора о творческом содружестве от 02.04.82 г., заключенного между ЛВИМУ им. адмирала Макарова С.О. и Ленинградским научно-исследовательским Радиотехническим Институтом.

81. Начальник отделения С.Н.С., к.т.н.1. Балов А.В.1. Начальник отделас.н.с., к.т.н.1. Матюшенко А.Д.1. СССР

82. Министерство морсквго флота

83. ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ВЫСШЕЕ ИНЖЕНЕРНОЕ МОРСКОЕ УЧИЛИЩЕ имени адмирала С. О. МАКАРОВА199026, Ленинград. Косая линия, 15-а. Телеграф, адрес: Ленинград, 199026. ЛВИМУ

84. Телефон: 217-19-34, 217-50-02. Р/счет 11051110246 в В. О. отд. Госбанка.

85. Тип. ЛВИМУ. Зак. 87. Тир. 10000. 03.02.84 г.