автореферат диссертации по транспорту, 05.22.16, диссертация на тему:Повышение безопасности судовождения путем использования пассивных инфракрасных отражателей

ОДЕССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

МИХАЙЛОВ ВАСИЛИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ СУДОВОЖДЕНИЯ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПАССИВНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ ОТРАЖАТЕЛЕЙ

Специальность 05.22.16 - "Судовождение"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Одесса - 1997

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Одесской государственной морской академии. Научный руководитель -

кандидат технических наук, профессор Козырь Л.А. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Вагущенко Л.Л. кандидат технических наук Репкин Б.Н.

Ведущая организация:

Акционерная судоходная компания "Укрречфлот".

Защита состоится " /У/7Р£г///7 199 г. в 10 часов на заседании специализированного ученого совета Д 05.17.01 в Одесской государственной морской академии по адресу: Одесса, ул. Дидрихсона, 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан "ЭЭр'г.

Ученый секретарь специализированного Совета Д 05.17.01, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На реках Украины Днепр, Южный Буг, Дунай, Днестр и в их эстуариях, в каналах Бугско-Днестровского лимана и в Керченском проливе для обеспечения безопасности интенсивного судоходства требуется непрерывное надежное определение местонахождения судов на всем пути плавания. Существующая система ограждений навигационными буями, береговыми маяками и створными знаками не всегда удовлетворяет таким требованиям, особенно при пониженной видимости и в ночное время.

Ненадежность существующей системы навигационного ограждения подтверждает статистика аварийности в этих районах. Так, по данным капитана Херсонского торгового морского порта на Херсонском морском канале (Днепро-Бугского лимана) и фарватере реки Днепр от устья реки до порта Херсон с 1980 по 1995 год произошло 40 аварийных случаев, из них 20 посадок на мель.

Отсутствие надежного навигационного ограждения вынуждает суда отказываться от плавания на этих участках в ночное время, что приводит к значительным простоям и убыткам, особенно при плавании больших морских судов в порты Николаев, Днепро-Бугский, Херсон, Белгород-Днестровский, Измаил. Поэтому существует необходимость разработки способов судовождения с помощью простых, надежных и недорогих навигационных средств, позволяющих обеспечить безопасность плавания в стесненных районах.

Цель работы. Повышение безопасности судоходства в районах рек, фарватеров и каналов путем разработки системы навигации с использованием инфракрасной аппаратуры.

Научная новизна работы.

Обоснована необходимость применения системы лазерной навигации на основе пассивных инфракрасных отражателей и разработан нетрадиционный метод их идентификации.

Разработана структура системы лазерной навигации на основе пассивных инфракрасных отражателей и алгоритмы функционирования составляющих ее устройств.

Построена математическая модель процесса функционирования системы навигации на основе программного обеспечения современных ЭВМ.

Разработана методика оценки эффективности применения системы лазерной навигации.

Создана экспериментальная установка на которой проведены опыты по прохождению инфракрасного излучения с длиной волны 1,06 мкм в приземных слоях атмосферы, определена среднеквадратическая погрешность измерения направлений и расстояний до обнаруженного объекта.

Новизна разработок подтверждена результатами патентных исследований, приведенными в диссертации.

Методы исследований. В работе обобщены результаты 15-летних исследований автора в области разработки и совершенствования систем лазерной навигации для обеспечения безопасного судоходства в стесненных водах рек, каналов и фарватеров. В процессе выполнения работы использованы как теоретические, так и экспериментальные исследования.

В основу теоретических положений диссертационной работы взята теория распространения инфракрасного излучения в оптических системах и в атмосфере. Использованы численные методы применительно к задачам моделирования процессов на ЭВМ. Значительная часть в исследованиях отведена анализу результатов натурных испытаний, проведенных в Государственном университете водных коммуникаций Санкт-Петербурга и в Киевском филиале Одесской государственной морской академии.

Для сравнения способов судовождения проведен эксперимент по определению среднеквадратической погрешности определения местоположения судна с использованием приемника ХК4-в системы "Навстар".

Выполнен расчет показателей поглощения инфракрасного излучения с длинами волн 1,0-10,5 мкм в тумане и дымке, а также для дождей с различной интенсивностью выпадения осадков.

Проведены расчеты уровней мощности обратного рассеяния ИК -излучения в диапазоне 1,0-10,5 мкм для различных условий состояния атмосферы и осадков различной интенсивности.

Проведены расчеты среднеквадратических отклонений интенсивности излучения квантовых генераторов на различных дальностях и максимальной частоты флуктуации интенсивности оптического сигнала, работающих на длинах волн 1,0-10,5 мкм в условиях слабой, умеренной и сильной турбулентности атмосферы.

Выполнены расчеты вероятностей правильного обнаружения и идентификации системы из 4-х пассивных отражателей за различное количество циклов обзора.

Получены экспериментальные данные прохождения инфракрасного излучения с длиной волны 1,06 мкм в приземных слоях атмосферы и определены в натуральных условиях среднеквадратические погрешности измерений дальности и пеленга на объект.

На защиту выносятся следующие полученные лично соискателем результаты:

метод повышения безопасности судовождения путем применения пассивных отражателей в инфракрасном диапазоне для ориентирования по их местоположению относительно судна;

структура системы лазерной навигации на основе инфракрасных отражателей;

результаты математического моделирования по оценке эффективности разработанного метода и системы лазерной навигации.

Практическая значимость работы. Создан опытный образец экспериментальной установки на базе войсковой части А - 0117, позволяющий проводить исследования точностных характеристик систем лазерной навигации при воздействии атмосферных дестабилизирующих факторов в лабораторных условиях.

Результаты математического моделирования по оценке эффективности разработанного метода и системы лазерной навигации и математическая модель процесса функционирования данной системы на основе программного обеспечения современных ЭВМ могут быть использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах при определении облика и

прогнозировании основных технических характеристик перспективных систем навигации.

На этапе разработки технологии изготовления элементов системы важное значение имеет предложенный комбинированный метод изготовления оптических компонентов пассивных отражателей, синтезирующий известные из технологии производства оптических волокон методы внутреннего и внешнего парофазного осаждения. Производство оптических элементов отражающих устройств может быть организовано в Украине на современной материально-технической базе Киевского завода "Арсенал", где ранее был освоен технологический процесс производства оптических волокон и элементов интегральной оптики.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы при обосновании и построении Концепции развития перспективных систем навигации на судах АСК "Укрречфлот", а именно:

обоснование необходимости оборудования судов системами навигации, решающими задачи навигации в ближней зоне;

сравнительные характеристики точности измерения навигационных параметров используемых радиолокационных станций с лазерными системами.

Основные результаты проведенных исследований использованы при выполнении научно-исследовательской работы в Киевском филиале Одесской государственной морской академии на тему: "Исследование путей повышения безопасности морской и речной навигации путем разработки нетрадиционных методов идентификации трассовых ответчиков" (шифр "31-Б"), в учебном процессе факультета Судовождения и эксплуатации специализированных судов академии:

обоснование возможности использования инфракрасного диапазона длин волн в системах навигации;

нетрадиционный метод идентификации пассивных оптических отражателей;

синтез структуры системы лазерной навигации;

методика оценки эффективности работы системы лазерной навигации на основе пассивных оптических отражателей.

Научные положения и выводы диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры Технических средств судовождения и связи Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в учебных дисциплинах: "Радионавигационные приборы и радиосвязь" и "Автоматизация судовождения", а именно:

расчеты величин среднеквадратических отклонений интенсивности излучения локаторов ИК - диапазона на различных дальностях в условиях слабой, умеренной и сильной турбулентности атмосферы;

расчеты зависимости максимальной частоты флуктуации интенсивности оптического сигнала от дальности в условиях слабой, умеренной и сильной турбулентности атмосферы.

Предприятие "Укрводпуть" Министерства транспорта Украины результаты диссертационной работы использовало при обосновании и построении Концепции развития средств навигационного оборудования на реке Днепр.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты исследований были представлены:

на конференции "Пути повышения безопасности судовождения" на базе АСК "Укрречфлот" в докладе "Перспективные лазерные системы навигации", в январе 1995 г.;

на научно-техническом семинаре "Системы радиосвязи и радионавигации" Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в докладе "Нетрадиционные методы идентификации пассивных оптических ответчиков в системах лазерной навигации", в марте 1995 г.;

на научно-технической конференции факультета Морского судовождения Одесской государственной морской академии в докладе "Повышение безопасности судовождения путем использования пассивных инфракрасных ответчиков", апрель 1996 г.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, 15 подразделов, заключения и списка использованной литературы. Список использованной литературы содержит 64 наименования. Всего в диссертации 197 страниц, из них 42 страницы иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе выполнен сравнительный анализ существующих методов и систем морской и речной навигации с использованием радиотехнических средств основанных на активной радиолокации с активным ответом, пассивной радиолокации и активной радиолокации с пассивным ответом. В ходе анализа рассмотрены достоинства и недостатки фазового разностно-дальномерного, импульсно-фазового, угломерно-дальномерного и обзорно-сравнительного методов на примере существующих систем радионавигации "Декка", "Лоран-с", навигационных РЛС типа "Океан", систем ограждения навигационными буями, береговыми маяками и створными знаками, а также современных лазерных навигационных систем ориентирования по рассеянному атмосферой излучению. Вместе с тем, для сравнения способов судовождения в работе представлены результаты натурных исследований, проведенные соискателем под руководством профессора Козыря Л.А. в 1994 г. в районе Панамского канала, по определению среднеквадратической погрешности (СКП) местоположения судна с использованием приемника ХЯ4-С спутниковой навигационной системы "Навстар".

Результаты сравнительного анализа существующих методов и систем морской и речной навигации с использованием радиотехнических средств показали, что они в должной мере не обеспечивают безопасность судовождения в районах рек, фарватеров и каналов с необходимой точностью.

Исходя из вышеизложенного, с учетом накопленного массива статистических данных по аварийности на трассах интенсивного судоходства, определена цель и направления исследований в рамках данной диссертационной работы.

На основе анализа существующих методов и систем навигации обоснована объективная возможность применения инфракрасного (ИК) диапазона длин волн для повышения безопасности судовождения. Данное направление исследований подтверждено существенным преимуществом систем лазерной навигации над системами радионавигации по достижимой точности и достоверности измерения

навигационных параметров, меньшими массо-габаритными характеристиками инфракрасных приборов, простотой изготовления и технического обслуживания.

Исходя из принципа системного подхода — всестороннего рассмотрения взаимодействия объекта исследования с окружающей средой, исследованы особенности прохождения ИК-излучения в системах лазерной навигации. В результате анализа натурных испытаний, проведенных в Санкт-Петербургском ГУВК и Киевском филиале ОГМА, разработана методика оценки влияния атмосферы и ее возмущающих полей, к которым относятся поля гидрометеообразований и турбулентных вихрей, на процесс распространения электромагнитных волн в морских и речных условиях.

На основе данной методики проведены расчеты на ЭВМ показателей поглощения ИК-излучения в диапазоне длин волн 1,0 — 10,5 мкм для прозрачной атмосферы, туманов и дымок с различной метеорологической видимостью от 50 м до 10 км и дождей с интенсивностью выпадения осадков от 1,1 мм/ч до 100 мм/ч. Кроме того, были проведены оценки относительных уровней мощности обратного рассеяния ИК-излучения в диапазоне 1,0 — 10,5 мкм на входе оптических приемников навигационных локаторов в условиях воздействия гидрометеообразований рассмотренных типов. Показано, что все перечисленные выше факторы оказывают существенное влияние на дальность действия средств навигации ИК-диапазона длин волн, что требует введения в состав их аппаратуры специальных устройств, позволяющих повысить помехоустойчивость.

Наряду с оценкой влияния атмосферы и гидрометеообразований, исследовано влияние ее турбулентностей различных размеров на процесс распространения ИК-излучения в диапазоне 1,0 — 10,5 мкм, которые вызывают флуктуации интенсивности, фазы, углов прихода и расходимости лазерных лучей.

На базе разработанного методического аппарата были оценены среднеквадратические отклонения интенсивности излучения квантовых генераторов функционирующих на длинах волн 1,0 — 10,5 мкм на различных дальностях (до 10 км) и соответствующие им максимальные частоты флукгуаций, а также среднеквадратические отклонения углов прихода и расходимости

лазерных лучей в условиях слабой, умеренной и сильной турбулентности атмосферы.

В результате анализа полученных зависимостей установлено, что с увеличением длины волны флуктуация интенсивности излучения квантовых генераторов в условиях воздействия гидрометеообразований уменьшается, при этом максимальная частота флуктуаций коррелируется с частотой передачи их зондирующих импульсов, что может вызвать при определенных условиях деструктивное действие на процесс обнаружения эхо-сигналов и измерение навигационных параметров. Оценки среднеквадратических отклонений углов прихода и расходимости лазерных лучей показали, что даже в условиях сильной турбулентности для заданного диапазона дальностей (до 10 км) они являются пренебрежимо малыми величинами.

На заключительном этапе исследований, проведенных в первом разделе, осуществлена постановка задачи синтеза системы лазерной навигации на основе пассивных отражателей. В результате патентных исследований на базе ГПНТБ г. Киева определено современное состояние и уровень развития научно-технических разработок в области морской и речной навигации по основным тематическим направлениям в рамках Международной классификации изобретений. Установлено объективное возрастание в основных промышленноразвитых странах мира (США. Японии, ФРГ, Великобритании и Франции) количества разработок связанных с внедрением ИК-диапазона длин волн в радиотехнические системы, решающие навигационные задачи.

Основным направлением исследований определена разработка системы навигации ИК-диапазона основанной на нетрадиционном методе идентификации пассивных отражателей, обозначающих фарватер движения судов на речных и морских трассах. В рамках количественной формулировки задач исследований обоснованы исходные данные и ограничения, накладываемые на структуру системы, и значения ее основных технических характеристик.

Во втором разделе осуществлен выбор и обоснование метода обеспечения безопасности судовождения, выполнено математическое описание процесса идентификации пассивных отражателей, разработан метод лазерной

навигации основанный на идентификации пассивных отражателей по их местоположению относительно судна.

На основе анализа направлений развития систем навигации ИК-диапазона длин волн определено, что одним из перспективных путей повышения безопасности судовождения является разработка систем построенных по принципу активной радиолокации с пассивным ответом на основе угломерно-дальномерного метода радионавигации. Это обусловлено рядом преимуществ данного метода к которым относятся: полная энергонезависимость пассивных отражателей от автономных источников питания; отсутствие необходимости размещения на навигационных знаках приемно-передающих модулей и сложных систем автоматического слежения за направлением прихода зондирующего излучения; низкие материально-технические затраты на ремонт и техническое обслуживание средств навигации. Вместе с тем, существенным недостатком данного метода является низкая достоверность идентификации навигационных знаков оборудованных пассивными отражателями, что снижает безопасность судовождения.

Для решения поставленной задачи повышения безопасности судовождения разработан метод лазерной навигации, основанный на идентификации пассивных отражателей по их местоположению относительно судна. Сущность данного метода состоит в том, что на навигационных знаках А,В,С,Д (рис.1),обозначающих трассу безопасного судоходства, устанавливается отражающее устройство, состоящее из множества парциальных оптических линз с рефлекторами и без рефлекторов, эффективная поверхность обратного рассеяния (ЭПР) которого существенно зависит от обратного азимута на точку О дислокации судового навигационного локатора ИК-диапазона (запросного устройства), функционирующего в импульсном режиме при обзоре пространства а угловом секторе 360°. Характеристики обратного рассеяния отражающего устройства формируются относительно направления "север — юг" по часовой стрелке, причем структура диаграмм обратного рассеяния и дискретные значения ЭПР подмножества парциальных оптических линз повторяются через 90° в

каждом из четырех квадрантов, на которые разбивается пространство вокруг навигационного знака.

Если оборудовать запросное устройство датчиком характеристик обратного рассеяния и угловых координат, сопряженного с ГК судна и позволяющим формировать ожидаемые (эталонные) значения характеристик обратного рассеяния в зависимости от пеленга на обнаруженный объект, то сравнивая полученные характеристики обратного рассеяния по уровням мощности отраженных сигналов на выходе оптического приемника для каждой дискреты дальности можно однозначно идентифицировать пассивный отражатель в единичном цикле "запрос" — "ответ".

Для достоверной идентификации пассивных отражателей А,В,С,Д необходимо чтобы решение об обнаружении системы из Ы-отражающих устройств принималось в результате многократного их пеленгования на маршруте движения судна в соответствии с заданным правилом обнаружения "к" обнаруженных навигационных знаков за "т" циклов обзора запросного устройства. В качестве критерия обнаружения (идентификации) системы из М-пассивных отражателей предложен критерий Неймана-Пирсона, который предписывает получение максимума вероятности обнаружения системы пассивных отражателей при ограничении сверху на вероятность ложного обнаружения.

Геометрия системы лазерной навигации на основе инфракрасных отражателей

ю

ю

Рис.1

В качестве оптического устройства, предназначенного для отражения зондирующего сигнала в его же направлении,предложена оптическая линза-рефлектор, у которой закон изменения показателя преломления п (/?/) вдоль ее радиуса Р? имеет вид:

п (А) = , („

где р -, —радиальная координата произвольной точки внутри линзы. Известно применение линз-рефлекторов подобного рода в радиолокации для увеличения эффективности обратного рассеяния объектов и в метрологии, в качестве эталонов для точного измерения ЭПР объектов со сложной геометрической конфигурацией. Новое применение линзы-рефлектора заключается в использовании ее в качестве составной части пассивного отражающего устройства в системах морской и речной лазерной навигации.

Математическое описание процесса идентификации пассивных отражателей выполнено с учетом физических, принципов положенных в основу разработанного метода, и представлено в общем виде блок-схемой алгоритма идентификации. Разработанная блок-схема и изложенный алгоритм в своей структуре учитывают этап поиска, обнаружения и непосредственной идентификации навигационных знаков с отражателями в зоне навигации и обеспечивает переход к синтезу структуры системы лазерной навигации.

В третьем разделе осуществлен синтез структуры системы лазерной навигации на основе инфракрасных отражателей, разработана конструкция и алгоритмы функционирования составляющих ее устройств и определены их технические характеристики, предложен метод и описана технология производства пассивных отражателей ИК-диапазона длин волн на основе комбинации существующих методов производства оптических волокон.

На базе разработанного метода осуществлен синтез структуры системы лазерной навигации на основе пассивных отражателей ИК-диапазона при этом разработана ее структурная схема (рис. 2), выполнено обоснование и расчет основных технических характеристик.

Исходя из принципов системного подхода декомпозиции и иерархичности разработанная система подразделена на две подсистемы, к которым относится запросное устройство функционально сопряженное с гирокомпасом (ГК) судна и отражающее устройство, размещаемое на навигационных знаках, обозначающих трассу безопасного судоходства.

Структурная схема системы лазерной навигации на основе пассивных отражателей

ИК-диапазсна

от ГК

Ч

V/ 7 10

8 11

т

15

14 л-

13

12

Рис. 2

В состав запросного устройства системы лазерной навигации входят : оптический квантовый генератор (ОКГ) 1, работающий в импульсном режиме на длине волны 1,06 мкм; приемно-передающая оптическая система (ППОС) 2; оптический

приемник сигнального канала 3; оптический приемник опорного канала 4; устройство сканирования луча ОКГ в горизонтальной и вертикальной плоскостях 5; датчик характеристик обратного рассеяния и угловых координат 6, сопряженный с гирокомпасом (ГК) судна; устройство обнаружения и стробирования по дальности 7; блок формирования пороговых напряжений 8; измеритель дальности 9; измеритель пеленга 10; анализатор соответствия критерию "к" из "т" 11; дешифратор 12; запоминающее устройство 13; цифровой индикатор 14. Для обеспечения процесса измерений навигационных параметров и сравнения характеристик обратного рассеяния целей с эталонными характеристиками обратного рассеяния пассивных отражателей в единой системе координат "север" — "юг", "запад" — "восток" предложено функциональное сопряжение запросного устройства с ГК судна.

Отражающее устройство 15, размещаемое на навигационных знаках 16, состоит из множества оптических линз с рефлекторами и без рефлекторов с помощью которых обеспечивается формирование его диаграммы обратного рассеяния в четырех квадрантах единой системы координат принятой за основу всех измерений в запросном устройстве.

Система лазерной навигации обеспечивает получение достоверной информации о местонахождении судна в результате измерения дальностей и пеленгов на навигационные знаки, оборудованные отражающими устройствами с известными координатами и, кроме того, о текущем курсовом параметре судна.

В ходе синтеза структуры системы лазерной навигации разработана конструкция и алгоритмы функционирования составляющих ее устройств, которые описаны в основном тексте диссертации.

На заключительном этапе исследований предложен комбинированный метод и описан технологический процесс изготовления оптических линз с заданным законом (1) изменения показателя преломления вдоль их радиусов, сочетающий известные из технологии производства оптических световодов методы внутреннего и внешнего парофазного осаждения. Данные методы основаны на принципиальной возможности изменения показателя преломления кварца с включением в его состав соответствующих легирующих добавок (Се02 , Р205 , В203 , , В203 ). Показана объективная возможность производства в Украине оптических элементов отражающих устройств на современной производственной базе Киевского завода "Арсенал", где

ранее был внедрен технологический процесс производства оптических волокон и элементов интегральной оптики.

В четвертом разделе на основе разработанной структурной схемы системы лазерной навигации, функциональных схем запросного и отражающих устройств и алгоритмов их функционирования разработана математическая модель процесса функционирования системы, которая адекватно отражает свойства и отношения оригинала и обеспечивает переход к аппаратурному синтезу элементов системы. Математическая модель процесса функционирования системы лазерной навигации создана на базе библиотек типовых схем и программного обеспечения современных вычислительных комплексов АЦВК-3. В обобщенном виде разработанная математическая модель представлена блок-схемой, описание которой выполнено с учетом блочной структуры, функционального назначения отдельных блоков и связей между ними, сущности физических процессов протекающих в системе.

Исследования точностных характеристик системы лазерной навигации на основе пассивных отражателей при воздействии атмосферных дестабилизирующих факторов проводились на созданном на базе войсковой части А - 0117 опытном образце экспериментальной установки в составе:

Л Г- 44 — квантовый генератор на неодиновом стекле;

ППОС -2 — приемно-передающая оптическая система;

ФПО — оптический приемник опорный;

ФПС — оптический приемник сигнальный;

ОСИСМ-А — комплект аппаратуры для измерения мощности лазерного излучения;

ЦИВЗ — цифровой измеритель времени задержки сигнального импульса

отраженного от ОЛР;

МС — микропроцессорная система на основе процессора КР580ИК80;

дисплей ЕС 1842;

ИК -1 — испытательная камера;

АИИП -1 —диспергирующее устройство;

10 ГД-36 — головка динамическая;

генераторы электромагнитного (ВЭП-1) и акустического (ГЗ-106) полей;

Л1, Л2 — положительные линзы;

ВОЛЗ -10 — волоконно-оптическая линия задержки;

ОЛР — оптическая линза-рефлектор;

ЛПЧ -12 — лазерный пеленгатор.

Для оценки точностных характеристик системы лазерной навигации проведено 500 измерений, по результатам которых были оценены математические ожидания

измеренной запросным устройством дальности ГПя до навигационного знака с отражающим устройством и пеленга на данный объект ГПр, а также соответствующие

средние квадратические отклонения ^"я и ^"р. В процессе исследований

применен метод равноточных измерений пеленга и расстояний до пассивного отражателя, при котором исследуемые физические величины регистрировались одним оператором в одинаковых условиях, одними и теми же средствами измерений. При этом обработка полученных результатов проводилась на основе статистических методов.

В результате анализа полученного статистического материала были построены функции плотности вероятности погрешностей измерения дальности и пеленга для трех вариантов распространения ИК-излучения в приземном слое в условиях прозрачной атмосферы и при воздействии как аэрозольных образований, так и турбулентностей.

На основе математического описания процесса идентификации пассивных отражателей, изложенном во втором разделе, и математической модели процесса функционирования системы лазерной навигации разработана методика оценки ее эффективности. В качестве основного информационного показателя эффективности разработанной системы, исходя из ее функционального назначения, предложена вероятность правильного обнаружения и идентификации системы из Ын навигационных знаков за N0 циклов обзора, выражение для которой имеет вид:

А^о

'Де С, — число размещений из N0 по ш;

Ы0-т

I

(2)

П — минимальное количество обнаруженных отражателей, необходимое и достаточное для принятия решения о идентификации системы из (\1н отражателей за N0 - циклов обзора запросного устройства;

Рс — вероятность обнаружения системы из Г\1н - навигационных знаков.

Оценка вероятности Рс выполнена на основе одного из методов математического

моделирования — статистического моделирования, заключающегося в накоплении и последующей обработке результатов статистических опытов в соответствии с выражением:

Р с~ ^ ^ I ^4/ ( (3)

1 = 1

где , , Рз\ I — соответственно вероятности обнаружения 1,2,3,4 отражателя в ьм статистическом опыте;

I]— результат ¡-го статистического опыта, принимает значения 0 или 1. В каждом статистическом опыте разыгрывалась случайная реализация дальности и угловых координат между навигационными знаками с отражателями и судном с запросным устройством, а также случайная реализация дальности и угловых координат между судном и местными объектами, находящимися в зоне навигации,

ограниченной дальностью действия системы Р^о (см. рис. 1). Кроме того,

разыгрывалась ориентация диаграммы направленности запросного устройства относительно истинного меридиана, при этом оценивалась вероятность обнаружения объектов в зоне навигации.

В соответствии с разработанной методикой оценки эффективности системы лазерной навигации, исходными данными по техническим характеристикам составляющих ее устройств и с учетом условий функционирования на ЭВМ проведены

расчеты вероятностей Рс и Р0, полученные для нормальной атмосферы , дымки и

тумана. Они выполнены для заданного критерия обнаружения "4" обнаруженных отражателя за "16" циклов обзора и представлены в виде семейства функциональных зависимостей.

Наряду с оценкой вероятности правильного обнаружения и идентификации системы навигационных знаков, проведен сравнительный анализ основных технических характеристик разработанной системы с аналогичными системами СВЧ -диапазона, к которым относятся: максимальная и минимальная дальности действия; разрешающие способности по расстоянию и направлению; точности измерения дальности и направления на обнаруженный объект.

Дополнительно была оценена степень безопасности личного состава при работе с устройствами лазерной навигации, при этом показано, что выбранная полоса спектра электромагнитных волн (0,75 - 1,5 мкм) для работы системы лазерной навигации на основе пассивных отражателей является безопасной для здоровья личного состава.

На заключительном этапе исследований изложены основные результаты работы и выводы, отработаны рекомендации по их дальнейшему использованию в перспективных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Выполненные в диссертационной работе исследования обосновывают следующие научные положения и выводы:

1. В процессе развития систем радионавигации, построенных на основе угломерного, импульсно-фазового, фазового разностно-дальномерного, угломерно-дальномерного и обзорно-сравнительного методов определения местоположения объектов, на современном этапе обозначилось объективно-существующее противоречие между современными требованиями к безопасности судовождения и достигнутым уровнем развития средств и систем радионавигации, функционирующих преимущественно в СВЧ-диапазоне длин волн.

2. Настоящий этап развития систем радионавигации характеризуется поиском путей модернизации существующих систем и новых принципов их построения с целью исключения морального и физического старения, повышения пропускной способности, точностных характеристик, помехоустойчивости, расширения функциональных возможностей и эксплуатационной надежности.

3. Разработан нетрадиционный метод повышения безопасности судовождения путем применения пассивных отражателей в инфракрасном диапазоне длин волн для ориентирования по их местоположению относительно судна.

4. Разработанная система лазерной навигации на основе инфракрасных отражателей по сравнению с системами радионавигации обеспечивает повышение точности измерения дальности - в 3,3 - 5,6 раз, точности измерения направления - в 8,7 раз, разрешающей способности по расстоянию - в 5 раз, разрешающей способности по направлению - в 9,1 раз и уменьшение величины "мертвой зоны", присущей навигационным РЛС судов с 60м до 15м.

5. Существенным преимуществом разработанной системы над известными системами аналогичного назначения является полная энергонезависимость отражающего устройства (пассивного маяка), что фактически определяет существенное снижение материально-технических и финансовых затрат на ремонт и техническое обслуживание навигационной сети.

6. Разработанные математическая модель процесса функционирования системы лазерной навигации и методика оценки ее эффективности представляют собой методический аппарат, который позволяет проводить оптимизацию показателей качества системы лазерной навигации на этапе проектирования и формирования научно обоснованных технических требований на ее разработку в перспективных опытно-конструкторских работах.

7. В процессе синтеза системы лазерной навигации предложен новый комбинированный метод изготовления оптических элементов пассивных отражающих устройств, синтезирующий известные из теории изготовления оптических волокон методы внутреннего и внешнего парофазного осаждения. Производство оптических элементов отражающих устройств может быть организовано в Украине на современной производственной базе Киевского завода "Арсенал", где ранее был внедрен технологический процесс производства оптических волокон и элементов интегральной оптики.

8. Результаты экспериментальных исследований на специализированной моделирующей установке войсковой части А-0117 в 1995 году показали, что система лазерной навигации на основе пассивных отражателей позволит

обеспечить высокую точность измерения расстояния и пеленга со среднеквадратическими погрешностями 8м и 5 ';

9. В условиях воздействия аэрозольных образований и турбулентной атмосферы точность измерения расстояния и пеленга запросным устройством ИК-диапазона длин волн может ухудшаться соответственно до 11м, 15м и 9' , 18* , что однако является достаточным для решения навигационных задач в ближней зоне.

10. Результаты оценки эффективности системы лазерной навигации на основе пассивных отражателей показывают, что для заданного критерия обнаружения "4" из "16", даже при 40% вероятности обнаружения системы из 4-х пассивных отражателей за один цикл обзора, вероятность правильного обнаружения (идентификации) системы из 4-х отражателей за 16 циклов обзора составили не менее 90% в условиях дымки и слабого тумана, когда количество объектов в зоне навигации превышает 100 целей.

11. Разработанная система лазерной навигации на основе инфракрасных отражателей соответствует современным требованиям по научной новизне и достижимому технико-экономическому эффекту ее внедрения для повышения безопасности судовождения в стесненных районах плавания.

12. Результаты латентных исследований, проведенных на базе ГПНТБ Украины, показывают, что разработанная система не имеет аналогов в мировой практике.

13. Достоверность диссертационных исследований подтверждена использованием их в научно-исследовательских работах и совпадением результатов теоретических исследований и математического моделирования.

14. Результаты диссертационной работы использованы при обосновании и построении Концепции развития перспективных систем навигации на судах АСК "Укрречфлот".

Основные результаты исследований использованы при выполнении научно-исследовательской работы в Киевском филиале Одесской государственной морской академии и в учебном процессе факультета Судовождения и эксплуатации специализированных судов ОГМА в учебных дисциплинах "Радионавигационные приборы и радиосвязь" и "Автоматизация судовождения" Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Предприятие "Укрводпуть" Министерства транспорта Украины результаты диссертационной работы использовало при обосновании и построении Концепции развития средств навигационного оборудования на реке Днепр.

Основные научные положения и результаты исследований были представлены: на конференции "Пути повышения безопасности судовождения" на базе АСК "Укрречфлот" в докладе "Перспективные лазерные системы навигации" в январе 1995 г.;

на научно-техническом семинаре "Системы радиосвязи и радионавигации" Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в докладе "Нетрадиционные методы идентификации оптических ответчиков в системах лазерной навигации" в марте 1995 г.;

на научно-технической конференции факультета Морского судовождения ОГМА в докладе "Повышение безопасности судовождения путем использования инфракрасных ответчиков" в апреле 1996 г. По результатам исследований опубликовано 2 статьи, результаты включены в научно-исследовательскую работу.

15. Основные результаты диссертационных исследований могут быть использованы научно-исследовательскими институтами и предприятиями промышленности при обосновании технико-экономических требований к модернизации существующих и разработке перспективных систем навигации в интересах судоходных компаний Украины.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Михайлов B.C. Применение лазерного излучения для судовождения в узкостях И Технические средства судовождения и связи на внутренних судоходных и морских путях: Сб. науч. тр. Санкт-Петербургского ГУВК. —Санкт-Петербург, 1996. —с. 3335.

2. Михайлов B.C., Кудряшов С.А. Пора менять курс: Новые технологии // Судоходство. —1995. N 4-6. — с. 35-37 (B.C. Михайлову принадлежит 75%).

3. Михайлов B.C. Средства навигационного оборудования и безопасность судовождения // Материалы научно-технической конференции государственного

предприятия "Укрводпуть". "Состояние и перспективы развития средств навигационного оборудования". — Киев, 1995. — с. 5-7.

Михайлов B.C. Нетрадиционный метод идентификации пассивных оптических ответчиков в системах лазерной навигации // Материалы научно-технического семинара Санкт-Петербургского ГУВК. "Системы радиосвязи и радионавигации". — Санкт-Петербург, 1995. — с. 15-17.

Михайлов B.C. Перспективные лазерные системы навигации // Материалы научно-технической конференции АСК "Укрречфлот". "Пути повышения безопасности судовождения". — Киев, 1995. — с. 8-10. |. Исследование путей повышения безопасности морской и речной навигации путем разработки нетрадиционных методов идентификации трассовых ответчиков. Отчет о НИР (итоговый), шифр "31-Б" // Киевский филиал Одес. гос. мор. академии (КФ ОГМА): Руководитель И.Ф. Бинько — Киев, 1995. — с. 10-53 (B.C. Михайлову принадлежит 50%).

I.C. Михайлов. ГПдвшцсння безпеки судновода'ння шляхом викорнсташм пасивних тфрачервоних вщб!гвач1в. Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата ехшчних наук за спещалыпстго 05.22.16 - Судноводання, Одеська державна морська кадемш, Одеса, 1996.

1иконана дисертацшна робота мктить результата теоретичшпе i екснерименталышх ос.пджсиь спрямованих на удосконалення систем навдаци з застосуванням гфрачервоно! апаратури для забезпечення безпеки судоплавства у стиснутих водах ¡к, канал1в та фар патер! п. Проведен! нор1внялъш випробування щодо ощнки о'шостних характеристик систем радю i лазерно! HaBirauii в реальних умовах лавання суден та в лабораторних умовах на створешй експериментальнш устаповщ. (бгрунтована необхщшеть застосувашш систем лазертн навигацп в ближнш 30ni та озроблено метод шдвищення безпеки судноводишя шляхом використанга пасивних 1цбивач1в у шфрачервоному ддапазош. Розроблена структура системи на осшш [фрачервоних в!дбивачш i математична модель процесу и функцюнування. Проведен) 1цнки показшшв ефективносп системи еЫповщно до розроблено! методики, яи

показали biicokí експлуатацшно-техтчш характеристики. Здшснено впроваджсшгя результате в Акщонершй судноплавнш компаш! "Укрр1чфлот", державному шдприсмств1 "Укрводшлях", в учбовому npoijeci Одесько! державно! морсько! академи i ii Кш'вського фшалу, Санкт-Петербургського державного ушверситету водних комуткацш.

KraoMOBi слова: безпека судноводоння, системи iiaBirauá'í, пасивш вщбиващ, шфрачервоний д1апазон.

V.S. Mikhaylov. STRENGTHENING THE NAVIGATION SECURITY BY MEANS OF USING THE PASSIVE INFRA - RED REFLECTION. The thesis written to be awarded a degree of candidate of technical sciences by speciality 05.22.16 of Navigation, Odessa State Maritime Academy, Odessa, 1996.

The paper contains the result of the theoretical and experimental research conducted to perfect navigation systems by using infra-red equipment to make the navigation safe in hindered waters of rivers, channels, canals and fairways. There have been made up tests to estimate exactness characteristics of radio and laser navigation systems in real condition of the navigation and on a laboratorial experimental plant created. There has been substantiated a necessity to use the laser navigation systems in a near zone, and there has been worked out the method to strengthen navigation security by means of using passive reflectors in infra-red range. The system's structure has been worked out on the basis of infra-red reflectors. The mathematical simulator of the process of its functioning has been done, too. The efficiency factors of the system have been estimated under the worked out methods, which indicate high operating characteristics and specifications. The results were applied in UKRRECHFLOT Joint Stock Navigation Company, UKRVODPUT State Enterprise, curricula of Odessa State Maritime Academy, its Kiev subsidiary, Saint Petersburg State University of Water Supply Lines.

Key Words: navigation security, navigation systems, passive reflectors, infra-red range.