автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Моделирование и оценивание точностных параметров информационно-измерительных систем на водном транспорте

На правах рукописи

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОЦЕНИВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ

Специальность 05.22.19 "Эксплуатация водного транспорта, судовождение"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в . Московской государственной академии водного транспорта на кафедрах «Эксплуатации флота и АСУ водным транспортом» и «Информатики и компьютерных технологий»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Миронов Юрий Маркианович Консультант:

кандидат технических наук, доцент Обухов Игорь Васильевич Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Коньков Александр Александрович

кандидат технических наук, доцент Кудачкин Николай Иванович

Ведущая организация: ОАО «Проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт морского транспорта» («Союзморниипроект»)

Защита состоится « 20 » декабря 2006 г. в ] 5 часов.

на заседании •■ диссертационного совета Д 223.006.01 при Московской государственной академии водного транспорта по адресу: 117105, г. Москва, Новоданиловская наб., д. 2, корп. 1, строение 2, ауд. 336.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГА водного транспорта, а с авторефератом - па сайте МГАВТ: www.nisawt.ru

Автореферат разослан «16» ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 223.006.01 кандидат технических наук, доцент ' Е.А.Корчагин

/

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследований. Одним из главных условий успешной эксплуатации транспортных средств морского и речного базирования является обеспечение безопасности судовождения, включая автоматизацию проводки судов по заданным траекториям в прибрежных районах плавания, акваториях морских портов и на внутренних водных путях (ВВП). Для этих целей на самих судах и в окружающем пространстве устанавливаются разнообразные технические средства судовождения, основу которых составляют информационно-измерительные системы (ИИС) (судовые, наземные и спутниковые). Подобные ИИС передают в систему управления движением судов (СУДС) измерительную информацию, необходимую в процессе навигации судна и эффективного управления его движением.

Систематические погрешности ИИС учитываются судоводителями в виде поправок общеизвестными способами и поэтому в диссертационной работе не рассматриваются. Случайные погрешности преобразования ИИС традиционно рассматривались как стационарные случайные процессы: Однако проведенные диссертантом теоретические исследования линейных ИИС и многочисленные измерения показали, что традиционная модель случайной погрешности преобразования линейных ИИС не состоятельна, поскольку по ряду причин, в основном за счет низкочастотного (НЧ) шума типа I//, она является нестационарным случайным процессом.

Неадекватность существующих на сегодня моделей погрешностей ИИС может привести к неверным точностным оценкам поступающей информации, что чревато большой опасностью.

Отсюда возникла актуальная для судовождения задача математического моделирования линейной ИИС, предельно адекватной по случайной погрешности и функции преобразования реальной рабочей ИИС.

Целью диссертационном работы явилось повышение качества оценки точностных характеристик ИИС судовождения путем разработки научно-теоретических основ и усовершенствованной методики анализа статистических свойств погрешностей линейных ИИС произвольного базирования.

Достижение поставленной цели потребовало решения в, диссертации следующих основных научно-технических задач:

- исследования современного состояния теории погрешностей, и моделей внутренних, в основном низкочастотных (НЧ), шумов ИИС судовождения;

- выполнения теоретических и экспериментальных исследований с целью идентификации внутренних процессов в линейных ИИС судовождения;

- разработки математической модели статической погрешности ИИС судовождения на основе принципа локальной однородности функций преобразования линейных систем, базирующейся на теории случайных процессов со стационарными приращениями и методе структурных функций;

- разработки методики экспериментального оценивания статистических характеристик линейных ИИС судовождения без использования дорогосто-

ящих п]юцедур калибровки.

Объектом исследований в диссертации являются линейные ИИС на водном транспорт«;.

Предметом исследований япляются статистические характеристики точностных параметров линейных ИИС судовождения. При этом использовалась теория нестационарных случай ных процессов, а именно: аппарат теории случайных процессов со стационарными приращениями (или локально однородных случайных процессов) и метод структурного анапиза.

Научная новизна работы состоит: в теоретическом и экспериментального исследовании внутренних флуктуаций в линейных ИИС, которые идентисжцированы как процессы, относящиеся к классу случайных процессов ;о стационарными приращениями; в установлении того факта, что функция преобразования линейных ИИС судовождения принадлежат к определенному классу нестационарных случайных процессов, которые являются случайными функциями с однородными приращениями по информативному параметру и стационарными приращениями по времени. Вместо использования таких традиционных характеристик, как корреляционные функции, предложены более адекватные статистические характеристики функций преобразования ИИС судовождения в виде структурных функций и связанных с ними сг ектральных плотностей.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что созданная инженерная методика тгхнических измерений параметров собственных флуктуаций линейных ИИС, используемых в судовождении, позволяет уменьшить трудоемкость, снизить затраты и повысить эффективное! ь текущего контроля состояния измерительной аппаратуры на судне. Разработанная методика значительно упрощает проведение контроля измерительной аппаратуры еще и потому, что позволяет определять текущие шумовые параметры ИИС в режиме мониторинга на борту судна без перемещения аппаратуры в стационарные лаборатории берегового базирования. Предложенная измерительная схема для оценки статистических точностных характеристик погрешностей линейных И'ЛС судовождения не требует наличия эталонной аппаратуры, а потому может быть использована даже в услопиях эксплуатации судна. Разработанная методика была использована на судах ОАО «вечное парюходство-грузовые перевозки», ОАО «Северный порт» и при лабораторных испытаниях в ООО «Интертехсервие-ЛТ».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях и семинарах, в том числе на: 20-й, 22-й — 26-й Научно-практической конференции Московской государственной академии водного тршепорта, Москва, 1998 г., 2000 г.- 2004 г.; 6-м Всероссийском Совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы новой техники», Москва, 200 г.; 13-й и 14-й Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем иэ-мерени;!, контроля и управления», г. (Гудак, 2001 г., 2002 г.; Ш-й Межвузое-

ской конференции по научному программному обеспечению «Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследованиях», Санкт-Петербург, 2005 г. Работа в целом доложена на заседании кафедры «Эксплуатации флота и АСУ водным транспортом» (2006 г.).

На защиту выносятся следующие основные положения, разработанные в диссертации и составляющие научную новизну исследования:

1. Метод анализа статистических критериев точности линейных ИИС судовождения, основанный на установленном в диссертации факте нестационарности случайных погрешностей этих систем.

2. Математическая модель погрешности функций преобразования линейных ИИС.

3.. Методика экспериментального оценивания статистических (структурных и спектральных) характеристик статических погрешностей линейных ИИС без использования калибровочных процедур.

4. Методика измерений погрешностей линейных ИИС судовождения, которая позволяет исключить влияние флуктуационной составляющей среды передачи информации.

5. Двухканальная схема измерений погрешностей ИИС судовождения, которая позволяет получать оценки всех необходимых статистических характеристик случайных погрешностей ИИС судовождения.

Публикации. Научные положения диссертационной работы изложены в 21 печатной работе, а основные 10 работ приведены в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 127 наименований. Общий объем составляет 161 страницу, в том числе 39 рисунков, 1 таблица, 6 листов приложения.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и определены основные научно-технические задачи.

В первой главе дан аналитический обзор, а также анализ состояния и специфических особенностей оценивания точностных характеристик ИИС. Особое внимание уделено проблеме собственных шумов в линейных измерительных системах, поскольку среди всего многообразия информационных технических средств водного транспорта линейные ИИС (РЛС, лаги и т.п.) занимают существенную часть. Линейные ИИС, применяемые на водном транспорте, имеют ту отличительную особенность, что некоторые из них продублированы (как, например, РЛС для судов валовой вместимости 104 per. т. и более), либо имеют несколько каналов (как, например, радиопеленгатор).

ИИС является одним из важнейших элементов процесса получения необходимой информации и погрешность ИИС обусловливает существенную часть суммарной погрешности результата измерений - его инструментальную (аппаратурную) составляющую.

И литературе (Грановский В. А,, Сирая Т.Н.) полагают, что в интервапе измерений погрешность ИИС является квазистационарным эргодическим процессом. На практике описание погрешностей ИИС, используемых в ;удо-вожделии, ведется в упрощенном виде в терминах теории вероятностей и ма-темат* ческой статистики.

В главе отмечается, что даже если бы практика использовани ? аппарата стационарных случайных процессов (ССП) при анализе погрешностей ИИС, обусловленных собственными шумами аппаратуры, существовала, то модель ССП очень часто была бы не адекватна шумовым нестационарным процессам, наблюдаемым в ИИС в течение конечного интервала измерений

Существует большой класс нестационарных процессов, охватывающий стационарные процессы в качестве: частного случая. Речь идет о случайных процессах со стационарными приращениями (СПСП). Основным достоинством С11СП является их локальная близость к большому числу реальных процессов. Одним из известных примеров является фликкер-шум в электронных устройствах, который достаточно хорошо описывается моделью СЛСП. Фликк;р-шум принадлежит к классу шумов, которые относятся к так называемым низкочастотным (НЧ) или к I// шумам.

Существование НЧ шума приводит к очень неприятным последствиям для ИИС, используемых в судовожде нии. Так, НЧ флуктуации ограничивают прежде всего точность ИИС судовоасдення, требования к которым в последнее время значительно возросли. Именно НЧ шум вносит существенный вклад з систематическую и случайную составляющую погрешностей ИИС, ограничивая чувствительность многих систем судовождения, работающих в области относительно низких частот.

Выявленная в исследованиях диссертанта специфическая нестационарность измерительного процесса и присущая этому процессу существенная погрешность объясняется наличием пумов типа У/а .

В главе особо подчеркивается, что аппаратурные определения погрешностей ИИС в судовождении достаточно трудоемки, сложны, требуют большого количества дорогостоящего оборудования и связаны с процедурами ка-либроЕки или поверки.

Отсюда становится очевидной необходимость:

1. Решения задачи эксперимента 1ьного определения статистических характеристик погрешности ИИС судовождения с помощью новых, более просты х методов без использования процедур калибровки;

2. Оормирования математической модели погрешности ИИС;

3. Разработки доступной методики экспериментальной оценки статистических характеристик погрешностей преобразования ИИС, используемых в судовождении.

В настоящее время адекватная математическая модель статической погрешности ИИС просто отсутствует. Отсутствие адекватной модели погрешности ИИС ставит под сомнение возможность корректного определения гта -

тических характеристик погрешностей ИИС судовождения.

Результаты аналитического обзора и анализ состояния в области оценивания точностных характеристик ИИС, в частности, используемых в судовождении, привели к постановке задачи диссертации: выполнения теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию математической модели погрешности линейной ИИС, адекватной по точностным характеристикам реальной ИИС, а также по разработке доступной методики экспериментальной оценки статистических характеристик погрешностей преобразования ИИС, используемых в судовождении.

Во второй главе проведено теоретическое и экспериментальное обоснование методики анализа статистических свойств функций преобразования линейных ИИС; представлены основные свойства случайных процессов со стационарными приращениями, которые диссертант использовал при формировании методики анализа свойств функций преобразования линейных ИИС.

Исследования по изучению явления рассеяния опытных данных в процессе построения градуировочных характеристик соответствующих ИИС проводились на примерах простейших моделей каналов линейных систем, одна из которых изображена на рис. 2.1.

X Г Мх, 1) СИ Л*,')

г 1 р

Рис. 2.1. Структурная схема простейшей модели канала ИИС

На рис. 2.1 д: - первичный информативный параметр; ./г(*,'), - процесс на выходе среды (генератора Г); у=Дх, /) - выходная величина средства измерений (СИ), моделирующего ИИС.

Полученную после соответствующей обработки данных некоторую плавную кривую у =/к(х) называют индивидуальной градуировочной характеристикой конкретного экземпляра ИИС. В литературе наряду с термином «градуировочная» применяют также термины «функция преобразования», «статическая характеристика (преобразования)», «характеристика преобразования» и «уравнение преобразования».

Полученное в подобном эксперименте множество точек представляет собой реализацию некоторой случайной функции информативного параметра х и времени I, характеризующей конкретный экземпляр ИИС, которая в диссертации обозначена Ддг,/) и названа мгновенной ГХ ИИС (мгновенной функцией преобразования).

Все сказанное позволяет представить индивидуальную статическую характеристику /и(х) конкретного экземпляра ИИС в виде /ц{х) = {/(*,<))> гДе угловые скобки {} обозначают статистическое усреднение по множеству реализаций конкретного экземпляра ИИС.

Для проведения последующи< инженерных расчетов определенная часть главы отведена основным результатам теории случайных процессов со стационарными приращениями (СПОП) или локально однородным случайным процессам.

Принцип локальной однородности функций преобразования линеДных систем возник из достаточно простого факта, заключающегося в том, что вы-борочь ая (экспериментально полученная) характеристика преобразоЕания ИИС является отрезком реализации случайной функции с однородными (стационарными) первыми приращениями.

Из результатов исследований, проведенных в главе, следует, что статическая погрешность ИИС fn(x, t) в общем случае определяется как_/п(д, /) = fix, /) - (f(x,t)'ji и представляет собой случайный процесс.

В процессе исследований возникла гипотеза о том, что функция преобразования линейной системы fix) янляется локально, однородной случайной функцией своего информативного параметра* . С целью проверки высказанной гипотезы были взяты выборочные характеристики нескольких линейных систем, построены структурные £>(/•) и корреляционные В{г) функции флуктуации их мгновенных функций преобразования fix) и произведен сравнительный анализ построенных структурных и корреляционных функций.

II основу сравнительного анализа структурных D(r) и корреляционных В{г) функций флуктуации характеристики системы был взят простой факт: если пульсации /(*) = /(*)-(/(*)) япляются стационарными, то структурная D(r) и корреляционная В(г) функции пульсаций связаны соотношениями

Жг)-2[Я(0)-Я(г)] (2.2)

S(r)=i[D(oo)-D(r)] . (2.3)

Ei случае стационарности (однородности) пульсаций характеристики fix), методы, основанные на использовании структурных или корреляционных функций, равносильны. Иное л,ело, когда случайная функция fix) является СПСП, но пульсации fix) не япляются стационарными и соотношения

2.2 и 2.3 не выполняются. В этом случае флуктуационную составляющую процес;а fix) нельзя рассматривать в рамках корреляционной теории стационарных процессов. При таком положении более корректными и адекватными методами будут являться метод ы, основанные на использовании структурны* функций ( метод структурных функций).

Эксперименты по определению статистических характеристик мгновенной функции преобразования fix) как случайной функции только информативного параметра х были проведены по схеме рис. 2.1. На рис 2.2,

2.3 и 2.4 показаны результаты экспериментов, проведенных в ИИС-1 о использованием в качестве генератора Г источника постоянного напряжения Б5-49 i в качестве средства измерений (СИ) вольтметра В7-18.

120 -,(/(* + Г) -/(*)), В 100-

ИИС-1

г/0,5 В

0 20 40 60

Рис. 2.2. Среднее значение приращений процесса на выходе ИИС-1

1>(г) , В

г/0,5 В

Рис. 2.3. Оценки структурной функции процесса на выходе ИИС-1

4,50Е-04 4.00Е-04 3.50Е-04 3.0ОЕ-О4 2.50Е-04 . 2.00Е-04 1.50Е-04 1.00Е-04 5.00Е-05 • О.ООЕ+ОО

В(г), В

ИИС-

г/0,5 В

Рис. 2.4. Оценки корреляционной функции пульсаций процесса на выходе ИИС-1

Представленный на рис. 2.2, 2.3 и 2.4 экспериментальный материал позволяет сделать следующие выводы. Во-первых, мгновенная статическая характеристика Дх) ИИС-1 как случайная функция информативного параметра х вполне адекватна модели локально однородного случайного процесса. Во-вторых, соотношение (2.2) для рассматриваемого случайного процесса Дх) , как легко видеть, не выполняется. Последнее означает, что статистические характеристики флуктуационной составляющей функции преобразования

Лх) ШС-1 нельзя рассматривать в рамках корреляционной теории стационарных процессов. Таким образом, уже простейшие эксперименты по оценке статистических характеристик функции преобразования ИИС-1 позволяют сделать заключение о том, что внутренние флуктуации в ИИС-1 не допускают описания своих свойств с использованием аппарата стационарных (однородных) случайных процессов.

(Ц1 + т)-Щ , м

1'ис. 2.5. Среднее значение прирашений процесса на выходе ИИС-!!

эыла рассмотрена ИИС-2, в качестве которой выступает линейный канал измерения дальности Ц/) спутникового радионавигационного комплекса «Навстар» (США). На рис. 2.5 показана построенная диссертантом зависимость оценки среднего значения разности (Цг+ т)-1-{0) от временного сдвигг. т, которая имеет вид прямой пропорциональности.

о 10 20 30 40 50 60 то

Рис. 2.6. Структурная функция процесса на выходе ИИС-2

На рис. 2.6 и 2.7 по экспериментальным данным построены оценки соответственно структурной Di(t) и корреляционной Bl(ti функций флуктуации дальности ДО . Характер зависимостей {/.(t + г)— /„(/)} и 1\{т), представленных на рис. 2.5 и 2.6, свидетельствует в пользу адекватности процесса L(l) модели СПСП.

Гаким образом продемонстрировано, что наиболее адекватной моделью мгновенной функции преобразования реальной линейной системы является модель СПСП.

0,6 0.5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

BL(T), М

10

20

30

40

50

Рис. 2.7. Корреляционная функция пульсаций процесса на выходе ИИС-2

В третьей главе рассматривается содержание принципа локальной однородности функций преобразования линейных ИИС и его приложение к разработке методики экспериментальной оценки точностных характеристик линейных ИИС.

Результаты проведенных экспериментов и связанные с ними интерпретации говорят о том, что принцип локальной однородности статических характеристик линейных систем допускает более расширенную формулировку : мгновенная статическая характеристика преобразования линейной системы /\х,() является локально однородной случайной функцией информативного параметра х и обладает стационарными приращениями по времени I.

В силу локальной однородности по информативному параметру .г и наличия стационарных приращений по времени С характеристика линейной системы /(*,') описывается параметрически-временной структурной

функцией 0(У, г)[/(* + '", 1 + т)-/(х,1)]-(/(х + г, / + г)-/(.т,/)}}^ и допускает представление в виде стохастического интеграла Фурье-Стильтьеса

f(x,t) = f(0,0) + K].x+K1.t+ J J

i]fiX + C0t'\_ j'

z(dn,diу);

(3.1]

где к!, к^ = С'опм.; случайные комплексные амплитуды z(dQ.,do)) удовлетворяют соотношениям » = 0;

(=(dQ, da) ■z*(dti,da>^s{n-tiys{tü-ü)y lV(Q,(o)dü dCl do dio \

5(и) - дельта-функция; w(n,a>) - двумерная спеюральная плотность случайной фу нкции /(х, f).

у шал из ситуации, проведенный в главе, показал, что решение поставленное выше задачи лежит в области анализа свойств разностных процессов, в некоторых из которых отсутствует функция преобразования генератора /г(г,t) С учетом проведенного англеза за основу была взята схема с одним генератором и двумя средствами измерений, имитирующими две ИИС, подключенными к генератору параллел ьно (рис. 4.1). На схеме рис. 4.1 величины 7/, Ti означают интервалы измерений; О. 'г - текущее (местное) время внутри соответствующего интервала измерений; Пи Пг средства измерений. Задачей ан;шиза математической модели эксперимента является выделение ненаблюдаемых величин в виде структуэных функций погрешностей DIIK(г,т) К-го средства измерений Пк . При анализе математической модели рассматривались разностные процессы |/K(x..t, j Tt)-f„\x,tj j Tj)\, соответствующие не только различны!»« каналам, но и различным интервалам измерений, а также соответствующие им структурные функции DKm[r,T\Ti,7'j), (к, т =1, 2;

и= 1,2).

.....В результате исследования схемы рис. 4.1 было показано, что ош может бьть описана, двумя типами ургив аений

•^(r,r|ri,7'f)=DTO(r,r|ri)+.[)/;m(r,r|rf); (дляК*т); (3.2)

Vr.T I Т„Т})= DnK{г,г \ Tt)+Dnm{г,г \Tj)+ Dr(г,г | Г,)+

+ Dr{r,7\Tj)-2Br(r,T\Ti,Ti); (для i*j 'и любых К, от). (3.3)

В урахнениях (3.2) и (3.3) величина иг{г,т\1\) - струггуршш функция мена-блюда ;мого сигнала генератора на интертале измерений Тх и Вг (г, г 17), 7}) -момен г второго порядка приращений пульсаций генератора

Вг(г,т Т„ 7})= {lfr(x + r- t,+r\ T)-fr(x, t, | T])-{fr{x + r, t, + r 1Я-/г(*. )]• \fr{x-r,lj +z\Tl)-/r{x,ij | T)-{fr{x-r,t1 + T\T1)-fr{x,tJ\r,)) ]}

Ii четвертой главе рассматривается методика, результаты экспериментального определения структурных и спектральных характеристик погрешностей ЙИС (без использования процедуры калибровки), а также вытекающие и: ¡ проведенных исследований практические рекомендации по упрощению процедуры оценки точностных характеристик ИИС судовождения и повышению эффективности анализа статистических свойств погрешностей линейны i ИИС судовождения.

Т> То

т2

¡4- 7' -и

Рис. 4.1. Двухканальная схема измерений

В диссертации была реализована двухканапьную модель эксперимента по оценке характеристик случайных погрешностей ИИС (рис. 4.1), в которой эксперимент представляет собой совокупность двух процедур измерений выходных величин одного и того же генератора Г(Т\) и Г(1\), но проводимых в разные отрезки времени 7) и 7}. Отрезки измерений разнесены на оси времени г друг от друга на интервал 7', заметно превышающий характерный временной масштаб т0, связанный с интервалом корреляции технических флук-туаций. Индексы Ту и Т2, присутствующие в обозначениях, указывают на принадлежность к соответствующим интервалам времени. Символами П\ и Пг (Пк; к=1, 2), естественно, обозначены различные ИИС, подключенные параллельно и проводящие одновременную регистрацию выходной величины генератора Г. Через /Л*.', I и/ПА.(х,17;) обозначены соответственно ненаблюдаемая выходная величина генератора, наблюдаемые показания К-й измерительной системы Пк(Т,'¡) и его ненаблюдаемая погрешность в интервале измерений Т(', к=1,2). Все три указанных величины связаны соотношениями

/,(х. I, | Г,) =//(*. 1,<Т,)+/т(х, Щ 7-,); Мх,и\Т,)=Мх,и\Тд+Ых,и\Ъ).

В двухканальной схеме рассматриваются наблюдаемые процессы, образованные разностями 1,\Т,) -/т(х, 7})], а также соответствующие этим разностям структурные функции 0Кт(г,т\7),}; (7,у, К, т = 1,2).

Если ввести средние арифметические величины двух процедур измерений г I , У2) = 0,5[0„, (г, г I 7;) + (/-, г I 7;)] и /?„,(/-,г17;,Г,)=0.5[/>п,(г,г|7;)+/>„г(г,г|7'г)], то из уравнений (3.2) и (3.3) получаются следующие выражения для дисперсий погрешностей:

аА.(г,г|>1,Г2)=^(г,г|7;>Гг)= . .

= (УТ^р^г.т\1\,Тг) + Оп{г,т \ г | Тг,Тг)-Олх(г,т\ Т„Т2)}.

которые и являются решением поставленной в диссертационной раооте задачи.

Приведем результаты эксперимгнтов с использованием двухканальной схемы (рис. 4.1). Из представленных материалов ясно, что суть методики эксперимента по оценке погрешностей ИИС в случае двухкаиального метода состоит в снятии выборочной функции преобразования каждого из рассматриваемых каналов ИИС в течение двух интервалов измерений Т1 л Т;>. После несложных расчетов по формулам (4.1) нетрудно получить средние квадраил случайных составляющие погрешностей средств измерений, участв)к>щих в эксперименте.

Рассмотрим данные экспериментов с двухканальной измерительной системой, состоящей из генератора и двух ИИС: ИИС-1 и ИИС-2.

Рис. 4.2. Структурные функции погрешностей ИИС-1 и ИИС-2

Ка рис. 4.2 показаны полученные экспериментально структурные функщ и погрешностей двух ИИС: ИИС-1 и РШС-2. Представленные на рис. 4.2 и 4.3 структурные функции £>(г) и спектры fV(v) этих ИИС характерны тем, чго они хорошо описываются чисто степенными зависимостями

10

10

10й

Щ(и); 10"2 В2 с

ИИС-1

г>; Гц

10

10"

Ю"2

10 ■

Рис. 4.3. Спектральные плотности погрешностей ИИС-1 и ИИС-2

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты :

1. Предложен подход к анализу функций преобразования линейных систем как к нестационарным (неоднородным) случайным процессам, который позволил повысить уровень формализации задачи, поставленной в рамках проблем водного транспорта.

2. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по идентификации функций преобразования линейных информационно-измерительных систем судовождения , как случайных функций со стационарными приращениями, что позволило осуществить моделирование этих систем.

3. Теоретически и экспериментально показана идентичность статистических характеристик флуктуаций функций преобразования линейных информационно-измерительных систем и их случайных погрешностей, что обеспечило возможность получения численных оценок точностных характеристик информационно-измерительных систем судовождения.

4. Разработана методика оценки статистических характеристик погрешностей информационно-измерительных систем, не требующая использования процедуры калибровки, проводимой в лабораторных условиях береговой зоны.

5. Предложена двухканальная схема, которая позволяет получать оценки всех необходимых статистических характеристик случайных погрешностей линейных информационно-измерительных систем судовождения.

б. Предложена методика экспериментальной оценки шумов информационно-измерительных систем, которая является необходимой для систем судовождения, так как позволяет проводить эксплуатационный контре ль работы судовых систем на самом судне без использования стандартной измерительной аппаратуры, находящейся в береговой зоне.

4. Список основных публикаций п<э теме диссертации

1. Обухов И.В., Обухова О.В. Результаты экспериментов по аппаратурной оценке случайных погрешностей средств измерений. // Новые технологии. -М.: МГОУ, 2000, № 4. с. 7 - 9.

2. Обухов И.В., Обухова О.В. О новом подходе к проблеме погрешностей информационно-измерительных и диагностических систем // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления "ДАТЧИК^ООГ'. Под редакцией профессора В.Н.Азарова. Сборник матер» алов Х11Г научно-технической конференции с участием зарубежных специглистов. - М.: МГИЭМ, 2001. с. 245.

3. Об)хов И.В., Обухова О.В. К вопросу о трактовке статической характеристики линейной системы как ло]сально однородной случайной фун]щии. // Актуальные проблемы водного транспорта в условиях рыночной экономики. Сборник научных трудов МГАВТ. - М.: МГАВТ, 2001. - с. 63 - <">8.

4. 06jxob И.В., Обухова О.В. Фунщия преобразования линейных икфор-мациоино-измеркггельных и диагностических систем как случайная функция с одне родными приращениями. // Инженерно-физические проблемы ювой технш и (с участием представителей стран СНГ). Сборник материалов 6-го Всероссийского Совещания-семинара. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. с. 172-173. . . - ■ .

5. Обухов И.В., Обухова О.В. Диагностика собственных шумов линейных измерительных систем на основе анализа выборочных характеристик. // Инжгнерно-физические проблемы новой техники (с участием представителей стран СНГ). Сборник материалов 6-го Всероссийского Совещания-семинара. - М.: МГТУ им. Н.Э.Еаумгла, 2001. с. !74 - 176.

6; Обухов И.В., Обухова О.В. Сравнительный анализ методов корреляционных и структурных функций в задаче аппаратурной оценки случайных погрешностей средств измерений. // Инженерно-физические проблемы ювой техники (с участием представителей стран СНГ). Сборник материалов 6-го Всероссийского Совещания-семинара. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2001. с.13 -15.

7. Об>хова О.В., Обухов И.В. Экспериментальное определение случайных погрешностей измерительных систем на основе концепции локальной однородности их харгистеристик. // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления "ДАТЧИК-2002". Под редакцией профессора В.Н.Азарова. Сборник материалов XIV научно-технической

конференции с участием зарубежных специалистов" - М.: МГИЭМ, 2002, с. 65 - 67.

8. Обухова О.В. Системы навигационного обеспечения как системы с локально однородными функциями преобразования. // Сборник материалов XXV научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов московской государственной академии водного транспорта. - М.: УМО МГАВТ, 2003. с. 156 - 158.

9. Обухова О.В. Сравнительный корреляционный и структурный анализ навигационных систем. // Сборник материалов XXV научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов московской государственной академии водного транспорта. - М.: УМО МГАВТ, 2003. с. 158 - 160.

Ю.Обухова О.В. Моделирование и оценка статистических характеристик информационной системы поставок мирового флота. П Речной транспорт (XXI век). - М.: 2006, № 5. с. 65 - 66.

ОБУХОВА Ольга Васильевна

МОД1ШИРОВАИИЕ И'ОЦЕНИВАНИЕ ТОЧНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ

Подписано в печать 10.11.2006 г. Формат 60х90'16. Объем 1 п.л. Заказ № /&93 Тираж 100 экз.

Издатель'л во «Альтаир» Московская государственна! академия водного транспорта 117105, г. Москва, Новоданиловская набережная, д. 2, корпус 1

ВВЕДЕНИЕ.

1. Проблемы технических измерений и методы оценки погрешностей информационно-измерительных систем судовождения.

1.1. Информационно-измерительные системы судовождения.

1.2. Математический аппарат исследования погрешностей измерений.

1.3. Шумы в информационно-измерительных системах.

1.4. Случайные погрешности информационно-измерительных, систем и методы их оценивания.

1.5. Проблемы технических измерений.

1.6. Выводы и постановка задачи диссертации.

2. Стохастические свойства уравнений преобразования линейных информационно-измерительных систем.

2.1. Предварительные исследования флуктуаций в линейных информационно-измерительных системах судовождения.

2.2. Краткие сведения об основных свойствах случайных процессов со стационарными приращениями (СПСП).

2.3. Характер флуктуаций функций преобразования реальных линейных электронных информационно-измерительных систем.

2.4. Вопросы интерпретации экспериментальных данных, полученных методом структурных функций.

2.5. Выводы.

3. Теоретические основы методики экспериментальной оценки статистических характеристик погрешностей линейных информационно-измерительных систем.

3.1. Вероятностная модель погрешности информационноизмерительных систем.

3.2. Основы методики экспериментального структурного анализа погрешностей средств измерений без проведения процедуры поверки.

3.3. Методика экспериментальной оценки спектров погрешностей средств измерений.

3.4. Выводы.

4. Схема и результаты экспериментов по определению статистических характеристик погрешностей информационно-измерительных систем без использования процедуры поверки.

4.1. Схема эксперимента и ее математическое описание.

4.2. Результаты экспериментов по оценке структурных функций и связанных с ними спектральных плотностей погрешностей СИ.

4.3. Пример схемы технической реализации предложенной методики экспериментальной оценки статистических характеристик погрешностей ИИС судовождения.

4.4. Выводы.

Актуальность темы, цель и основные задачи работы

Одним из главных условий успешной эксплуатации транспортных средств морского и речного базирования является обеспечение безопасности судовождения, включая автоматизацию проводки судов по заданным траекториям в прибрежных районах плавания, акваториях морских портов и на внутренних водных путях (ВВП). Для этих целей на самих судах и в окружающем пространстве устанавливаются разнообразные технические средства судовождения, основу которых составляют информационно-измерительные системы (ИИС) (судовые, наземные и спутниковые). Подобные ИИС передают в систему управления движением судов (СУДС) измерительную информацию, необходимую в процессе навигации судна и эффективного управления его движением.

В условиях современных повышенных требований к обеспечению безопасности судовождения в странах с развитой инфраструктурой водного транспорта придается большое значение качеству информации (достоверности, точности, полноте и т.п.), которое обеспечивается не только ее избыточностью, но и точностными характеристиками ИИС судового, берегового и космического базирования.

Систематические погрешности ИИС учитываются судоводителями в виде поправок общеизвестными способами и поэтому в диссертационной работе не рассматриваются.

Случайные или флуктуационные погрешности преобразования самих ИИС обладают наибольшей энтропией и поэтому являются наиболее универсальными с точки зрения нарушений работы средств навигации любого назначения. В многочисленных трудах ученых и их школ [61, 63, 65 -69, 122] случайные погрешности преобразования ИИС традиционно рассматривались как стационарные случайные процессы, но при обработке тем не менее использовались только методы теории вероятностей и математической статистики.

Однако проведенные диссертантом теоретические исследования линейных ИИС, всесторонний анализ первоисточников и многочисленные измерения в условиях, обеспечивающих сходимость результатов, показали, что традиционная модель случайной погрешности преобразования линейных ИИС не состоятельна, поскольку по ряду причин и, в основном за счет низкочастотного (НЧ) шума типа У/ она является нестационарным случайным процессом.

Неадекватность существующих на сегодня моделей погрешностей таких ИИС, как системы транспортной ориентации судов, систем измерения кинематических параметров движения судов и т.п. могут привести в конечном итоге к несоответствующим действительности, неверным точностным оценкам поступающей информации, что чревато большой опасностью. Ведь при наличии высокой плотности движения судов, сложных навигационных условий перевозки вредных и опасных грузов, большой уязвимости окружающей среды, ограниченности габаритов судов по отношению к геометрическим параметрам трассы, воздействия течений и ветра, дефицита времени для принятия решений и т.д. ошибки в оценке достоверности и точности поступающей информации могут привести к негативным последствиям.

Отсюда вполне естественно возникла актуальная для теории и практики судовоиедения задача математического моделирования линейной информационно-измерительной системы, предельно адекватной по случайной погрешности и функции преобразования реальной рабочей ИИС.

Эта задача предопределила цель диссертационной работы.

Цель работы

Целью диссертационной работы явилось повышение качества оценки точностных характеристик ИИС судовождения путем разработки научно-теоретических основ и усовершенствованной методики анализа статистических свойств погрешностей преобразования линейных ИИС произвольного базирования.

Достижение поставленной цели потребовало решения в диссертации следующих основных научно-технических задач:

- исследования современного состояния теории погрешностей и моделей внутренних, в основном низкочастотных (НЧ), шумов ИИС судовождения;

- выполнения теоретических и экспериментальных исследований с целью идентификации внутренних процессов в линейных ИИС судовождения;

- разработки математической модели статической погрешности ИИС на водном транспорте на основе принципа локальной однородности функций преобразования линейных систем, базирующейся на теории случайных процессов со стационарными приращениями и методе структурных функций;

- разработки методики экспериментального оценивания статистических характеристик линейных ИИС на водном транспорте без использования дорогостоящих процедур калибровки.

Объектом исследований в диссертации являются линейные ИИС на водном транспорте.

Предметом исследований являются статистические характеристики точностных параметров линейных ИИС на водном транспорте. При этом использовалась теория нестационарных случайных процессов, а именно: аппарата теории случайных процессов со стационарными приращениями (или локально однородных случайных процессов) и метод структурного анализа.

Научная новизна работы

1. Теоретически и экспериментально исследованы внутренние флуктуационные процессы в линейных ИИС, которые идентифицированы как процессы, относящиеся к классу случайных процессов со стационарными приращениями.

2. Установлен факт того, что функции преобразования линейных ИИС судовождения принадлежат к определенному классу нестационарных случайных процессов, которые являются случайными функциями с однородными приращениями по информативному параметру и стационарными приращениями по времени.

3. Вместо использования таких традиционных характеристик, как корреляционные функции, предложены более адекватные статистические характеристики функций преобразования ИИС судовождения в виде структурных функций и связанных с ними спектральных плотностей.

Практическая значимость диссертационной работы

1. Создана инженерная методика технических измерений параметров собственных флуктуаций линейных ИИС, используемых на водном транспорте, позволяющая уменьшить трудоемкость, снизить затраты и повысить эффективность текущего контроля состояния измерительной аппаратуры на судне.

2. Разработана методика, которая значительно упрощает проведение контроля измерительной аппаратуры, позволяет определять текущие шумовые параметры ИИС в режиме мониторинга на борту судна без перемещения аппаратуры в стационарные лаборатории берегового базирования.

3. Предложена измерительная схема для оценки статистических точностных характеристик погрешностей линейных ИИС водного транспорта, которая не требует наличия эталонной аппаратуры, а потому может быть использована даже в условиях эксплуатации судна.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях и семинарах, в том числе на:

• 20-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 1998 г.;

• 22-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2000 г.;

• 23-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2001 г.;

• 6-ом Всероссийском Совещании-семинаре «Инженерно-физические проблемы новой техники», Москва, 2001 г.;

• 13-ой Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», г. Судак, 2001 г.;

• 24-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2002 г.;

• 14-ой Научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», г. Судак, 2002 г.;

• 25-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2003 г.;

• 26-ой Научно-практической конференции Московской государственной академии водного транспорта, Москва, 2004 г.;

• Ш-й Межвузовской конференция по научному программному обеспечению «Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследованиях», Санкт-Петербург, 2005 г.

Работа в целом доложена на заседании кафедры «Эксплуатации флота и АСУ водным транспортом» (2006 г.) и в других транспортных организациях (2006 г.).

Публикации

Основные научные положения диссертационной работы изложены в научных статьях и материалах конференций в количестве 21 публикации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 127 наименований. Общий объем составляет 161 страницу печатного текста, в том числе 39 рисунков, 1 таблица, 6 листов приложений.

4.4. Выводы

1. В главе предложена конкретная методика аппаратурной оценки статистических характеристик флуктуаций линейных ИИС и их погрешностей, которая была реализована при проведении экспериментов.

2. Предложенная методика измерений шумовых характеристик ИИС и их погрешностей инвариантна относительно шумовых свойств генератора сигнала и не нуждается в использовании процедуры калибровки, что существенно повышает качество измерений.

3. Синтезированная схема измерений позволяет получать оценки всех необходимых характеристик шумов линейных ИИС и их погрешностей, используемых на водном транспорте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Предложен подход к анализу функций преобразования линейных систем как к нестационарным (неоднородным) случайным процессам, который позволил повысить уровень формализации задачи, поставленной в рамках проблем водного транспорта.

2. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования по идентификации функций преобразования линейных ИИС судовождения как случайных функций со стационарными приращениями (СПСП), что позволило осуществить моделирование этих систем.

3. Теоретически и экспериментально показана идентичность статистических характеристик флуктуаций функций преобразования линейных ИИС и их случайных погрешностей, что обеспечило возможность получения численных оценок точностных характеристик ИИС судовождения.

4. На основании проведенных исследований в качестве более общих и более адекватных характеристик случайных погрешностей ИИС предложено ввести в соответствующую нормативно-техническую документацию структурные функции и связанные с ними спектральные плотности.

5. Разработана методика оценки статистических характеристик погрешностей ИИС, не требующая использования процедуры калибровки, проводимой в лабораторных условиях береговой зоны.

6. Предложена двухканальная схема, которая позволяет получать оценки всех необходимых статистических характеристик случайных погрешностей линейных ИИС судовождения.

7. Предложена методика экспериментальной оценки шумов ИИС, которая является необходимой для систем судовождения, так как позволяет проводить эксплуатационный контроль работы судовых систем на самом судне без использования стандартной измерительной аппаратуры, находящейся в береговой зоне.

Таким образом, в итоге выполнения диссертации решена важная научно-техническая задача совершенствования качества обслуживания и функционирования ИИС судовождения путем разработки теоретических и экспериментальных основ методики их точностного безэталонного контроля.

1. Никитенко Ю.И., Быков В.И., Устинов Ю.М. Судовые радионавигационные системы. -М.: Транспорт, 1992.

2. Быков В.И., Никитенко Ю.И. Судовые радионавигационные устройства. М.: Транспорт, 1976.

3. Хинчин А.Я. Math. Annal en v. 109, 604, 1934; (Русский перевод: УМН, том 5,1938).

4. Крамер Г., Литбеттер М. Стационарные случайные процессы.-М.: Мир, 1969.

5. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Выпуск 1.-М.: Мир, 1974.

6. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Анализ данных на компьютере, 3-е изд.-М.: ИНФА-М, 2003.

7. Ван дер Варден Б.Л. Математическая статистика.-М.: ИЛ, 1960.

8. Кокс Д. Льюис П. Статистический анализ последовательностей событий.-М.: Мир, 1969.

9. Леван Б.Р. Теория случайных процессов и их применение в радиотехнике, изд. 2-е.-М.: Сов. радио, 1960.

10. Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов.-М.: Мир, 1976.

11. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.-М.: Наука, 1964.

12. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика.-М.: Высшая школа, 1977.

13. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей.-М.: Наука, 1969.

14. Гольцман Ф.М. Физический эксперимент и статистические выводы.-Л.: ЛГУ, 1982.

15. Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента.-М.: МГУ, 1977.

16. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений.-Л.: Наука,17,1821,22,23,24,25,26,27.28,29.