автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Совершенствование навигационного обеспечения мореплавания на основе контроля и повышения точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации при эксплуатации

Сальников Алексей Игоревич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОРЕПЛАВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ И ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОЙ АППАРАТУРЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность: 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2011

1 2 МАЙ

4845409

Работа выполнена в Московской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Адерихин Иван Владимирович

Официальные оппоненты: доктор военных наук, профессор

Катенин Владимир Александрович

кандидат технических наук Чертов Владимир Владимирович

Ведущая организация:

ОАО «Центральный научно-исследовательский институт экономики и эксплуатации водного транспорта»

Защита состоится «01» июня 2011 года в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 223.006.01 при Московской государственной академии водного транспорта по адресу: 117105, г. Москва, Новоданиловская набережная, д.2, корп.1, аудитория 336.

Отзывы на диссертацию и её автореферат, заверенные печатью организации, присылать в двух экземплярах секретарю диссертационного совета Д 223.006.01 при МГАВТ по адресу:

117105, г. Москва, Новоданиловская набережная, д.2, корп.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАВТ. Объявление о защите и автореферат размещены на сайте: www.msawt.ru

Автореферат разослан «23 » апрел^ 2011 года

Учёный секретарь диссертационного совета Д 223.006.01

кандидат технических наук, доцент Е.А. Корчагин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших современных проблем эксплуатации морского флота является обеспечение безопасности мореплавания, при этом определённое место в решении этих проблем принадлежит навигационному обеспечению. Эта подтверждается весьма высоким уровнем аварийности морского флота. Необходимость повышения безопасности и эффективности транспортного процесса на морских судоходных путях требуют постоянного развития навигационного обеспечения и, прежде всего, его технического содержания.

Навигационное обеспечение безопасности мореплавания (НОБМ) в основном реализуется современной судовой радионавигационной аппаратурой. Как показывает анализ её состава, структуры и особенностей функционирования, техническую структуру составляет судовая аппаратура (СА) спутниковой навигации (СН).

Анализ существующих источников погрешностей, присущих системам СН, влияния различных возмущающих факторов на точность навигационных определений, а также эксплуатационных погрешностей, обусловленных старением (износом) аппаратуры, квалификацией судоводителей, условиями применения и др. показал, что они существенно меняются в процессе реальной эксплуатации. Поэтому возникает необходимость в контроле и повышении точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации. Всё это подтверждает актуальность и своевременность научной задачи диссертационного исследования, входящей в ФЦП «ГЛОНАСС».

В связи с этим научной задачей, решаемой в работе, является: совершенствование навигационного обеспечения безопасности мореплавания на основе контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации.

Актуальность решения научной задачи обусловлена:

1) возросшей ролью навигационного обеспечения как важнейшего вида обеспечения безопасности плавания морских судов;

2) отсутствием научных исследований по разработке способов контроля и повышения точностных характеристик СА СН, возможных путей их

реализации и алгоритмов функционирования при реальной эксплуатации, направленных на совершенствование НОБМ;

3) необходимостью внедрения способов контроля и повышения точностных характеристик СА СН, возможных путей их реализации и алгоритмов функционирования в практику эксплуатации, позволяющих оценивать и прогнозировать её точностные характеристики при реальной эксплуатации, повышая качество НОБМ;

4) необходимостью разработки предложений по обоснованию структуры и алгоритмов функционирования интегрированной контрольно-корректирующей станции (ККС) дифференциальной подсистемы (ДПС) ГЛОНАСС/ОР8, формирующей поправки как к координатам и скорости, так и к направлению для объектов, использующих СА СН, что значительно повысит качество НОБМ.

Объектом исследования в работе является навигационное обеспечение безопасности мореплавания. Предмет исследования - способы контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации, их структурные реализации и алгоритмы функционирования, совершенствующие навигационное обеспечение в интересах повышения безопасности мореплавания.

Целью исследования является совершенствование навигационного обеспечения в интересах повышения безопасности мореплавания на основе разработки способов контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации, их структурной реализации и алгоритмов функционирования.

Достижение цели исследования реализуется путём решения ряда частных научных задач:

1) анализ структуры навигационного обеспечения как важнейшего вида обеспечения безопасности плавания морских судов, состава СА СН, источников её погрешностей и точности;

2) разработка методики, проведение натурного эксперимента по оцениванию точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации и анализ его результатов;

3) разработка способов контроля точностных характеристик С А СН, возможных путей их реализации и алгоритмов функционирования при реальной эксплуатации;

4) разработка способа повышения точностных характеристик СА СН, возможного пути его реализации при обосновании структуры и алгоритмов функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАССЛЗРЙ, формирующей поправки как к координатам и скорости, так и к направлению для объектов, использующих СА СН.

Методы исследования. Теоретической основой исследования послужили методы системного подхода и анализа, теории спутниковых радионавигационных систем, теории построения и эксплуатации сложных систем, теории вероятностей и математической статистики, методы сферической геометрии, методы натурного эксперимента и моделирования.

В результате выполненных исследований получены следующие новые теоретические и практические результаты, выносимые на защиту:

1) способы контроля точностных характеристик С А СН при реальной эксплуатации, возможные структуры реализации и алгоритмы их функционирования, позволяющие совершенствовать НОБМ;

2) способ повышения точностных характеристик СА СН, возможная структура реализации и алгоритм его функционирования, совершенствующие НОБМ;

3) структура построения и алгоритм функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАСС/ОРБ, лежащей в основе совершенствования НОБМ;

4) количественные результаты натурного эксперимента по оцениванию точностных характеристик СА СН и рекомендации по их применению.

Научная новизна диссертации заключается в том, что она содержит теоретическое и практическое решение научно-технической задачи совершенствования НОБМ на основе контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации.

Теоретическая значимость результатов заключаются в следующем:

1) способ повышения точностных характеристик СА СН и его техническая реализация как основа совершенствования НОБМ;

2) способы контроля точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации и пути их реализации как основа поддержания НОБМ;

3) структура построения и алгоритм функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАСС/ОРв, лежащей в основе совершенствования НОБМ и формирующей поправки не только к координатам и скорости, но и к направлению для объектов, использующих САСН.

Практическая значимость результатов заключается в доведении теоретических исследований, до уровня структурно-алгоритмической реализации системы контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации и состоит в разработке:

1) структуры и алгоритмов функционирования системы, реализующей способы контроля точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации;

2) практических рекомендаций по реализации структуры построения и алгоритма функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАСС/ОРЯ и СА СН, которые могут составить основу совершенствования НОБМ;

3) практических рекомендаций по применению результатов натурного эксперимента при реальной эксплуатации СА СН.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается: применением системного подхода и проведением широких обобщений существующих информационных источников; использованием методов апробированного математического аппарата; адекватным учётом особенностей построения и функционирования СА СН при разработке способов контроля и повышения точностных характеристик СА СН и путей их реализации при реальной эксплуатации; строгостью математических выкладок и практической проверкой выдвигаемых основных положений в ходе натурного эксперимента; апробацией основных положений работы на научно-практических конференциях различного уровня и в печатных изданиях.

Публикации и реализация результатов. Основные научные результаты опубликованы в 15 работах: в материалах двух Международных форумов "Навигация и связь на море и реке» (2006, 2008 гг.); в журнале

"Транспортная безопасность и технологии" №2, 2006г., входящем в Перечень ВАК 2008 г.; в учебном пособии "Дипломное проектирование", М.: МГАВТ, 2008 г.; в журнале "Речной транспорт (XXI век)" №1, 2011 г., входящем в Перечень ВАК 2010 г.; в шести тезисах научных докладов на НПК МГАВТ; в двух статьях, входящих в сборник научных трудов МГАВТ "Судовождение и обеспечение безопасности судоходства" за 2008 г.; в двух отчётах о НИР. Результаты реализованы в учебном процессе МГАВТ по специальности "Судовождение" и при подготовке трёх заявок на изобретение.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Международном форуме и НПК "Навигация и связь на море и реке" в 2006 и 2008 гг., на НПК ППС МГАВТ в 2005-2010 гг., на научных семинарах кафедр "Судовождение", "Управление судном и технические средства судовождения"(2005-2011 гг.).

Личный вклад. Положения, защищаемые в диссертации, получены лично автором.

Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка используемых источников и приложения, изложена на 144 страницах и включает 56 рисунков, 9 таблиц, список используемых источников состоит из 86 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, приведена формулировка научной задачи и цели работы, оценена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, выносимых на защиту, приводятся сведения об их публикации, реализации и апробации.

В первом разделе дан краткий анализ структуры навигационного обеспечения безопасности мореплавания (ОБМ), состава, источников погрешностей судовой аппаратуры спутниковой навигации, обоснована постановка научной задачи исследования и сформулированы направления её решения. Результат проведённого анализа показал, что навигационное обеспечение безопасности мореплавания является наиболее значимым сегментом в системе ОБМ. При этом в качестве основного средства для её решения используются спутниковые радионавигационные системы (СРНС).

Поэтому контроль и повышение точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации являются важнейшими путями совершенствования НОБМ в различных навигационных условиях.

Анализ состава, решаемых задач и особенностей функционирования СА, использующей информацию СН, показал, что вся СА СН базируется на приёмниках СН.

Анализ существующих источников погрешностей, присущих СРНС, позволил выявить ряд эксплуатационных погрешностей, обусловленных старением аппаратуры, квалификацией обслуживающего персонала (судоводителей), условиями эксплуатации аппаратуры и др. Данные виды погрешностей сложно определить и учесть в процессе реальной эксплуатации СА СН. В связи с этим обоснована необходимость решения задачи контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации.

Второй раздел посвящён разработке методики проведения натурного эксперимента и анализу результатов оценивания точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации при реальной эксплуатации, в которой использовались следующие математические зависимости:

п п

где: <ро, До - среднее арифметическое значение широты и долготы, град.; п — число обсерваций, проведённых СПИ в одной серии наблюдений; ц>, - широта места судна согласно СПИ в /-й момент времени, град.; Л/ - долгота места судна согласно СПИ в /-й момент времени, град.

м=±1

ш

п-1 д ( и-1

(2)

где М9 - средняя квадратическая погрешность (СКП) широты, угл. мин.; М). - СКП долготы, угл. мин.; (ц)9=<%-%, (ц)х- уклонения от среднего значения по широте и долготе соответственно, угл. мин.

(МД,=1852.(М^); (МД,=1852.(Мд)созя,; (3)

где Мч,Мх, Мо— СКП широты, долготы и обсервации соответственно, м.

Автором проведён натурный эксперимент в 7 портах Азово-Средиземноморского бассейна с двумя типами СПИ (модели БРЯ-НОО и

NAV-1200). Результаты эксперимента, проведённого в 2005 и 2007 гг., в обобщённом виде представлены в таблице 1.

Так, например, в 2005 г. значения СКП широты в п. Ейск (М,/, Мщрг= =3,379 м; Мгт= 9,008 м), а в 2007г. (A/?sрг= 4,284 м; Mfnav= 18,931 м,); значения СКП долготы для данных 2005 г. (Мхspr= 2,525 м; М^- 5,825 м) и 2007 г. (Л4рг= 3,031 м; A/taav= И,956 м); СКП обсервации СПИ в 2005 г. (A4sP!= 4,219м; Monav= 10,727м) и в 2007 г. (Mospr- 5,247 м; Mow= 22,391м) различны, что подтверждает необходимость контроля точности СПИ при реальной эксплуатации.

На основании данных таблицы 1 получен ряд графических зависимостей СКП определения места судна от различных факторов, учитываемых при эксперименте. Так на рисунке 1 представлено изменение значений СКП обсервации СПИ в 2005-2007 гг. в зависимости от географического местоположения судна.

Таблица 1 - СКП СПИ в различных портах

Порт Год СПИ SPR-1400 СПИ NAV-1200

(М<р),м (МЛ), М М,м (Мф),М (МЛ),М М,м

Ейск 2005 3,379092 2,525459 4,218555 9,007636 5,825112 10,72704

2007 4,283688 3,030961 5,247543 18,93135 11,95634 22,39085

Темрюк 2005 1,685984 0,202857 1,698144 12,48618 2,975708 12,83587

2007 3,508404 0,934488 3,630725 14,54674 4,722466 15,29409

Анкона 2005 4,255319 2,202966 4,791742 11,88251 13,94273 18,31921

2007 5,146721 4,051482 6,S500S7 17,66037 19,56821 26,35913

Чивитавеккья 2005 1,438308 0,734123 1,614827 15,91218 4,484581 16,53205

2007 5,346626 1,353891 5,515381 19,98935 6,113602 20,90336

Дикили 2005 0,710654 0,165406 0,72965 11,15485 1,833443 11,30452

Хайфа 2005 0,816655 0,247574 0,853357 8,625852 1,909634 8,834706

Ашдод 2005 1,506741 0,683205 1,6544 8,573094 8,689466 12,20675

Тепфкж Л икон* Порты

30 ,

2

5 25 '

z

X 20

S I is 4

ш 10 I

« !

С 5 ^

о 1 о -t

Темрюя Аннона Чмммпкмя Порты

а) СПИ SPR-1400 б) СПИ NA V-1200

Рисунок 1 - Изменение значений СКП обсервации СПИ в 2005-2007 гг.

На основе разработанной методики построены плотности распределения вероятностей погрешности определения широты и долготы в СПИ СН для всех 7 портов, которые представлены в диссертации.

Результаты анализа натурного эксперимента привели к следующим выводам:

а) во всех рассматриваемых портах точностные характеристики СА СН носят стохастический характер, зависят от времени, местоположения, навигационных условий и др.;

б) на точность определения местоположения судна оказывает существенное влияние срок эксплуатации СПИ СН. Так СКП у СПИ БРЯ-1400 в 2005 году колебалась в пределах от 0,73м до 4,79м, а в 2007 году - от 3,63м до 6,55м. СКП определения места у СПИ ^У-1200 изменялась от 8,83м до 18,32м в 2005 году и от 15,29м до 26,3бм в 2007 году;

в) плотности распределения вероятностей погрешностей определения широты и долготы места судна СПИ СН отличается от нормального закона распределения и в большей мере соответствует распределениям Релея или Лапласа, что необходимо учитывать при эксплуатации.

Аналогичные результаты натурных исследований точностных характеристик были получены и для судовых спутниковых компасов.

Таким образом, полученные результаты эксперимента свидетельствуют о необходимости разработки способа контроля за точностными характеристиками СА СН при реальной эксплуатации.

В третьем разделе рассмотрено современное состояние контроля точности СА СН ГЛОНАССАЗРЗ, приведены технические возможности современных комплексов, использующих имитаторы навигационных сигналов, выявлены их недостатки, и предложены четыре способа контроля точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации, а также возможные пути их реализации.

Данные способы контроля точностных характеристик СА СН при эксплуатации основаны на использовании лазерного локатора (ЛЛ). Они отличаются друг от друга местом установки ЛЛ - на судне (рисунок 2) или на берегу (рисунок 3), а также алгоритмами функционирования.

В основу разработанных способов положено основное уравнение метрологии, которое для данного случая будет иметь вид:

= - <?э; АА = К ~ = К ~ h3, (4) где А<р, АЛ и А/г - погрешности определения широты, долготы и высоты соответственно; <р„ Á^, hc - координаты судна, рассчитанные по сигналам навигационных спутников, ср-„ Л,, h3 — эталонные координаты судна, рассчитанные по формуле (5).

_ i-cos(ff+e)-(l—í'sin"?,,)1^ . . l-sin(K+a)'(l-e,»iníp,I)1''*.

<¡?= —• Wr. "г---; - ; л» — л, т : : ;

т ™ a(l-a')-arcl' 3 л a-cas <р.,-arel'

/г, = /гл+-г2, (5)

где грт /?л - координаты ЛЛ, установленного на судне, определяемые с помощью формулы (6) (Х„, У„, 7Л) и последующим их переводом в сферическую систему координат; / - проекция вектора Ь2 на плоскость истинного горизонта; К - курс судна; а - угол между диаметральной плоскостью (ДП) и проекцией /; е - эксцентриситет эллипсоида; а - большая полуось эллипсоида; arcV - угловая минута; z2 - проекция вектора L2 на ось о Z (рисунок 4).

I - НКА ГЛОНАСС/бРБ;

2-аппаратуры потребителя;

3-береговая аппаратура;

4-блок синхронизации;

5-процессор;

6-лазерный локатор;

7 • судовой приёмоиндикатор (СПИ) СН;

8 - спутниковый компас (ССК);

9- антенна ССК;

10-антенна СПИ;

II - оптические угловые отражатели (0У0); К - расстояние между 0У0, установленными в тоннах с известными координатами.

Рисунок 2 - Структурная схема системы контроля точности судовой аппаратуры спутниковой навигации (ЛЛ на судне)

А = л/(*о, -Хя)2 + (Го£ - К,)2 + (20; - ¿=1-3 , (6) где Хо„ Го„7о, - высокоточные координаты ОУО,.

I 1 л

I

2 7 5 6

1

1

1 4 — 9

1Ь 15 Т 14

I - НКА ГЛОНАСС/СРБ;

2-аппаратуры потребителя;

3 - береговая аппаратура;

4 - процессор;

5 - судовой приёмоиндикатор (СПИ) СРНС;

6-ССК;

7-АИС;

8 - апертурная волоконно-оптическая

решётка;

9 - преобразователь;

10 - антенна СПИ;

II - антенна ССК;

12 - антенна АИС;

13 - оптические угловые отражатели (ОУО);

14 - лазерный локатор;

15 - процессор;

16 - береговая станция АИС (6АИС);

17 - антенна БАИС.

Рисунок 3 - Структурная схема системы контроля точности судовой аппаратуры спутниковой навигации (ЛЛ на берегу)

1А

и

хер

Рисунок 4 - Взаимное расположение ЛЛ и антенны СПИ При решении задачи контроля точностных характеристик необходимо учесть геометрические расхождения точек расположения антенн ЛЛ и СПИ (рисунок 4) с тем, чтобы получить достоверную разницу координат. Для подобного учёта можно использовать геометрические соотношения,

приведённые в работе, которые учитывают возможные крен и дифферент

а) при крене б) при дифференте

Рисунок 5 - Перемещение антенны СПИ Алгоритмы функционирования систем, позволяющих контролировать точностные характеристики СА СН при реальной эксплуатации, представлены на рисунках 6 и 7 соответственно.

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма функционирования системы контроля

(ЛЛ на судне)

Представленные в работе способы контроля точностных характеристик СА СН на основе установленного на берегу (или на судне) ЛЛ, их структурные реализации и алгоритмы функционирования позволяют с высокой точностью определять погрешности СА СН в различных условиях реальной эксплуатации и информировать судоводителей о действительных, а не о потенциальных точностных характеристиках, что в определённой мере повышает уровень НОБМ.

Рисунок 7 - Блок-схема алгоритма функционирования системы контроля

(ЛЛ на берегу)

В четвёртом разделе представлены результаты анализа структур и алгоритмов функционирования современных ККС ДПС ГЛОНАСС, способ повышения точностных характеристик СА СН и техническая реализация структуры и алгоритма функционирования интегрированной ККС, реализующей указанный выше способ.

В результате анализа выявлено, что существующие ККС реализуют коррекцию только вектора состояния потребителя (координат и скорости) и не корректируют параметры, определяющие угловое положение потребителя (курс, дрейф, крен). В работе на основе способа повышения точности СА СН предложена структура реализации (рисунок 8) и алгоритм функционирования

(рисунок 9) интегрированной ККС ДПС ГЛОНАСС/СРЭ, реализующей коррекцию всех параметров вектора состояний потребителя, т.е. координат, скорости и углового положения. Сущность способа повышения точности и его реализацию в интегрированной ККС заключается в следующем. ККС (опорная станция) 2 антеннами 3, 4 приёмников спутниковых сигналов 5, 6 принимает сигналы НКА 11-1„, определяет навигационные параметры и (4)-Л'„(4> а также их разности (Д'1(4ГД'1(з))+(Л'п(4)-Л'„(з)) для каждого из НКА. С выходов приёмников спутниковых сигналов 5, 6 измеренные значения навигационных параметров Я'цзг-^ п(э) и К'ц^К'ыц и их разности поступают на первый и второй входы вычислительного блока 7, на третий вход которого поступают известные координаты антенны 3 ККС (хэ, Уз, ~3) и направляющие косинусы базовой линии между антеннами 3 и 4 ККС (Х0, У0, 20). Вычислительный блок 7 вырабатывает значения поправок к измеренным значениям навигационных параметров АЯу(з)=Я'о(згЯт> ;'=1,...,п, и направляющим косинусам направлений на НКА Дкф АкУи, Дк,у в соответствии с алгоритмом, приведённым в блок-схеме (рисунок 9).

1.

К'п04)

1зУ х,у , к У и_

Первый Второй Передат-

приемн. приемн. чик

спути. спутн. 9

сигналов 5 сигналов 6 к

-* Вычислительный блок 7 Модулятор 8

О,Уз,гЛ ОПОРНАЯ (КОРРЕКТИРУЮЩАЯ) X0.Y0.Z0 СТАНЦИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ

Рисунок 8 - Структурная схема интегрированной ККС (опорной станции) и аппаратуры потребителя ДПС СН

С выхода вычислительного блока 7 сигналы, в которых содержится информация о номере НКА, времени приёма навигационного сигнала, поправках к направляющим косинусам для всех принимаемых НКА Дкху, ДкУф Дкщ и поправках к измеренным навигационным параметрам ЛЯ, поступают на модулятор 8. С выхода модулятора 8 сигналы поступают в передатчик 9, где преобразуются, усиливаются и излучаются в пространство антенной 10.

Рисунок 9 - Блок-схема алгоритма работы вычислительного блока 7 Аппаратура потребителя 11 антенной 12 принимает сигналы ККС 2, которые поступают на вход приёмника информации 15, где происходит селекция, усиление и преобразование частоты принимаемых сигналов. С выхода приёмника информации 15 сигналы поступают на вход демодулятора 18, выделяющего из сигналов информацию о номере НКА, времени приёма сигнала, поправках АкХ1/, Аку,,, Дкги, сформированных вычислительным блоком 7. С выхода демодулятора 18 полученная информация поступает в вычислительный блок 19. Одновременно сигналы НКА 1|-Чп принимаются антеннами 13 и 14, подключёнными соответственно к входам первого 16 и второго 17 приёмников спутниковых сигналов, производящих определение

навигационных параметров Я'юзу^поз) и Л'цмгЛ'км)- Информация о номерах НКА, времени приёма сигналов и значениях навигационных параметров R'^+R 'П(13) и Ruj^R'mmi поступает в вычислительный блок 19. Вычислительный блок 19 выполняет циклическую обработку вводимой информации в соответствии с алгоритмом, представленным в диссертации.

После ввода информации из блоков 15,16,17 вычислительный блок 19 выполняет коррекцию навигационных параметров, измеренных первым приёмником спутниковых сигналов 16 в точке 13, взятой в качестве опорной Ä'i(nrÄ'n(13); Ri(i3) = R'ifli) - • (7)

В результате коррекции получают точные значения навигационных параметров Rnn)+Rn(]3), которые используются для вычисления точных координат опорной антенны 13.

Аналогичным образом выполняется коррекция навигационных параметров i?'i(i4f"^'n(i4), измеренных вторым приёмником спутниковых сигналов 17 в точке 14. После вычисления точных значений навигационных параметров Лцп^Лцп) и Лцнг^м) осуществляется расчёт разностей Äi(14)-^Ki3r^n(i4)-i?n(i3). Кроме того, вычислительный блок 19 выполняет коррекцию значений направляющих косинусов направлений на НКА для определения угловой ориентации, используя поправки &kxiJ, Аkyij, ALV по формулам:

£ xi)(i3j=kXij(i3j + &kXIJ; к yjj(i3)=kyij(i3) + Дкуц; к ^(13)=кщ(13) + > (8)

где kxij(i3), кущщ, кщ(13) - измеренные значения направляющих косинусов, полученные по известным координатам точки 13 и НКА; к xij(i3), к ^(13), к ziJ(i3) - скорректированные значения направляющих косинусов;

Акф tsky,j, Дknj - поправки к направляющим косинусам, поступающие в вычислительный блок 19 с выхода демодулятора 18.

Полученные значения угловой ориентации объекта (X, Y, Z) и точных координат точки 13 (.v13, >'п, гп) выдаются из вычислительного блока 19 в блок управления и индикации 20 для отображения.

Предложенная структура (рисунок 8) и блок-схема алгоритма (рисунок 9) функционирования основного элемента ККС (приёмо-вычислителя опорной станции, станции интегрального контроля, удалённой контрольной станции), реализующие рассмотренный выше способ,

позволяют создать интегрированную ККС ДПС ГЛОНАССЛЗРБ для формирования более точных дифференциальных поправок СА СН при реальной эксплуатации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. На основе проведённого анализа информационных источников и личного опыта судовождения сформулирована научная задача совершенствования навигационного обеспечения безопасности мореплавания на основе контроля и повышения точностных характеристик судовой аппаратуры (СА) спутниковой навигации (СН) при реальной эксплуатации, что позволило определить необходимость и приоритетные направления исследований по её решению.

2. Разработана методика проведения и выполнен натурный эксперимент по оцениванию точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации. Результаты анализа натурного эксперимента позволили сделать вывод о необходимости контроля и повышения точности СА СН в процессе реальной эксплуатации, а также сформулировать рекомендации по их применению.

3. Впервые разработаны способы контроля точностных характеристик СА СН на основе установленного на берегу (или на судне) лазерного локатора, их структурные реализации и алгоритмы функционирования, позволяющие с высокой точностью определять погрешности СА СН в различных условиях реальной эксплуатации и информировать судоводителей о действительных, а не о потенциальных точностных характеристиках, что в определённой мере повышает уровень навигационного обеспечения безопасности мореплавания.

4. Исходя из результатов анализа особенностей построения и функционирования контрольно-корректирующей станции (ККС) дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС/ОРБ, следует, что все они реализуют коррекцию только вектора состояния потребителя (координаты и скорость), но не корректируют параметры, определяющие угловое положение потребителя (курс, дрейф, крен). В работе предложены способ

повышения точности СА СН, структурная реализация и алгоритм функционирования интегрированной ККС, которая формирует полный корректирующий вектор состояния потребителя (координаты, скорость, курс, дрейф, крен), что значительно повысит качество навигационного обеспечения безопасности мореплавания.

5. Внедрение полученных основных теоретических и практических результатов работы, в первую очередь, способов контроля и повышения точностных характеристик СА СН, их структурных реализаций и алгоритмов функционирования, а также интегрированной ККС, формирующей полный вектор дифференциальных поправок для потребителя (координаты, скорость, курс, дрейф, крен), позволит значительно повысить качество навигационного обеспечения безопасности мореплавания и выполнения отдельных задач Федеральной целевой программы «ГЛОНАСС».

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Адерихин И.В., Сальников А.И. Методика проведения эксперимента по оцениванию точности судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации при эксплуатации // Речной транспорт (XXI век). 2011. №1. С. 75-80.

2. Адерихин И.В., Кищенко С.С., Сальников А.И. Способ контроля точностных характеристик судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации при эксплуатации // Транспортная безопасность и технологии. 2006. №2. С. 61-62.

3. Адерихин И.В., Сальников А.И. Анализ возможностей использования АИС для высокоточных определений между судами. Тезисы доклада на Международном форуме "Навигация и связь на море и реке - 2008". М.: Материалы форума, 2008.2 с.

4. Адерихин И.В., Федоров С.Е., Сальников А.И. Дипломное проектирование. Учебное пособие. М.: Альтаир-МГАВТ, 2008.218 с.

5. Адерихин И.В., Сальников А.И. Методика контроля точностных характеристик судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации при эксплуатации. Тезисы доклада. Материалы XXVIII НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2006. С. 5-6.

6. Адерихин И.В., Сальников А.И. Способ контроля точности судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации при реальной эксплуатации. Сборник научных трудов "Повышение эффективности судопропуска, судовых технических и радионавигационных систем и безопасности плавания". М.: Альтаир-МГАВТ, 2008. С. 3-5.

7. Адерихин И.В., Сальников А.И. Способ контроля точностных характеристик судовых спутниковых компасов и пути его реализации при эксплуатации. Тезисы доклада. Материалы XXXI НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2009. С. 23-24.

8. Адерихин И.В., Сальников А.И. Способ повышения точностных характеристик судовой радиоэлектронной аппаратуры спутниковой навигации. Тезисы доклада. Материалы XXXII НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2010. С. 20-21.

9. Отчёт о НИР "Способы повышения и контроля точностных характеристик судовой аппаратуры радионавигационной системы при эксплуатации". Рук. темы д.т.н., проф. Адерихин И.В., ответств. исполн. Сальников А.И. Госрегистрация № 01201061485. М.: МГАВТ, 2010.118 с.

10. Сальников А.И. Способ повышения точности определения местоположения объектов морского и речного транспорта по радиосигналам спутниковой навигации. Тезисы доклада на Международном форуме "Навигация и связь на море и реке - 2006". М.: Материалы форума, 2006.2 с.

11. Сальников А.И. Методика проведения и анализ результатов натурных испытаний судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации при эксплуатации. Тезисы доклада. Материалы XXVIII НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2006. С. 7-8.

12. Сальников А.И. Способ повышения точностных характеристик судовых спутниковых компасов и пути его реализации при эксплуатации. Тезисы доклада. Материалы XXXI НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2009. С. 21-22.

13. Сальников А.И. Сравнительный анализ результатов определения курса судна гирокомпасом и судовым спутниковым компасом в различных навигационных условиях. Сборник научных трудов. М.: Альтаир-МГАВТ, 2008. С. 37-45.

ДЛЯ ЗАМЕТОК

САЛЬНИКОВ АЛЕКСЕЙ ИГОРЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОРЕПЛАВАНИЯ НА ОСНОВЕ КОНТРОЛЯ И ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОЙ АППАРАТУРЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать" М- Ч 2011 г. Формат 60x90/16 Объём С,

Заказ Тираж ^кз.

Издательство "Альтаир" Московская государственная академия водного транспорта 117105, г. Москва, Новоданиловская набережная, д.2, корп.1

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ МОРЕПЛАВАШЩ СОСТАВА, ИСТОЧНИКОВ ПОГРЕШНОСТЕЙ СУДОВОЙ,АППАРАТУРЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ И ПОСТАНОВКА НАУЧНОЙЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Навигационное обеспечение как важнейший вид обеспечения безопасности плавания морских судов.

1.2 Краткая характеристика судовой аппаратуры спутниковой навигации.

1.2.1 Судовой приёмоиндикатор спутниковой навигации.

1.2.2 Судовой спутниковый компас.

1.2.3 Автоматическая идентификационная система.

1.2.4 Глобальная морская система связи при бедствии и для обеспечения безопасности.

1.2.5 Судовая система охранного оповещения.

1.3 Анализ источников погрешностей и точности навигационных определений в спутниковых радионавигационных системах.

1.4 Постановка научной задачи и основные направления исследования.

1.5 Выводы по разделу 1.

2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ НАТУРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ОЦЕНИВАНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОЙ АППАРАТУРЫ СПУТНИКОВОЙ

НАВИГАЦИИ.

2.1 Основные положения методики проведения натурного эксперимента по оцениванию точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации.

2.2 Анализ результатов натурных исследований точностных характеристик судовых спутниковых приёмоиндикаторов.

2.3 Анализ результатов натурных исследований точностных характеристик судовых спутниковых компасов.

2.4 Выводьгпо разделу 2.

3 СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

СУДОВОЙ АППАРАТУРЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ПРИ РЕАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ИХ

РЕАЛИЗАЦИИ.

3.1 Состояние контроля точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации при реальной эксплуатации.

3.2 Способ, структура и алгоритм функционирования контроля точностных характеристик судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации с использованием установленного на судне лазерного локатора.

3.3 Способ, структура и алгоритм функционирования контроля точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации с использованием установленного на берегу лазерного локатора.

3.4 Способы контроля точностных характеристик судовых спутниковых компасов.

3.5 Выводы по разделу 3.

4 РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУДОВОЙ АППАРАТУРЫ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ.

4.1 Анализ структур и алгоритмов функционирования современных контрольно-корректирующих станций дифференциальной подсистемы ГЛОНАССАЗР8.

4.2 Способ повышения точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации.

4.3 Техническая реализация структуры и алгоритм функционирования интегрированной контрольно-корректирующей станции дифференциальной подсистемы ГЛОНАССЛлРБ.

4.4 Выводы по разделу 4.

Одной из важнейших современных проблем морского и речного флота является обеспечение безопасности судоходства как на морских, так и на внутренних водных путях (ВВП), при этом определённое место в решении этих проблем принадлежит навигационному обеспечению. Это подтверждается высоким уровнем аварийности морского и речного флота. Действительно, навигационная аварийность судов на море и ВВП составляет в настоящее время значительную величину, и тенденция её снижения за последние 10 лет незначительна. Такие виды аварийности, как столкновения, составляют на море 10-15% (на ВВП - 6-15%), посадки на мель на море - 20-50% (на ВВП - 4060%), навалы составляют на море 20-40% (на ВВП — 15-25%) от общего числа характерных происшествий на море (ВВП) [36, 59].

Необходимость повышения безопасности и эффективности транспортного процесса на морских и ВВП требуют постоянного развития навигационного обеспечения и, прежде всего, его технического содержания, т.е. технических средств и систем, занятых в данном процессе.

В последние 5-7 лет значительный интерес у всех специалистов водного транспорта для повышения безопасности на морских и ВВП вызывают возможности информационной технологии рубежа ХХ-ХХ1 веков, получившей название "Автоматизированная идентификационная система (АИС)" и ставшей уже неотъемлемой частью автоматизированных систем управления движением судов и систем дальней идентификации и контроля местоположения судов [10]. Возникновение технологии АИС стало возможным благодаря созданию цифровых систем радиосвязи и систем спутниковой навигации. Большинство специалистов считают, что технологии АИС можно поставить в один ряд с появлением на морском и речном транспорте радиолокационных систем и систем спутниковой навигации (СН).

Как показывает анализ состава, структуры и особенностей функционирования современной судовой радионавигационной аппаратуры, реализующей в основном навигационное обеспечение безопасности мореплавания (НОБМ), её техническую структуру составляет судовая аппаратура (С А) СН [35]. В настоящее время к С А СН, использующей информацию1 спутниковых радионавигационных систем, следует отнести: судовой- приёмоиндикатор (СПИ) СН, судовой спутниковый компас (ССК), судовую АИС, судовую систему охранного оповещения, аварийный радиобуй-406, картографическую информационно-навигационную- систему, судовые терминалы спутниковых систем связи, а также перспективные авторулевые. При этом вся перечисленная выше СА базируется на приёмниках спутниковых навигационных систем.

Анализ существующих источников погрешностей, присущих спутниковым навигационным системам [60], влияния различных возмущающих факторов на точность навигационных определений [63], а также эксплуатационных погрешностей, обусловленных старением (износом) аппаратуры, квалификацией судоводителей, условиями эксплуатации и др. [27] показал, что эти погрешности существенно меняются с течением времени реальной эксплуатации. Поэтому возникает необходимость в периодическом контроле и повышении точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации. Всё это подтверждает актуальность и своевременность научной задачи диссертационного исследования.

В связи с изложенным целью исследования является совершенствование навигационного обеспечения в интересах повышения безопасности мореплавания на основе разработки способов контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации, их структурной реализации и алгоритмов функционирования.

Объектом исследования в работе является навигационное обеспечение безопасности мореплавания. Предмет исследования — способы контроля и ^ повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации, их структурные реализации и алгоритмы функционирования, совершенствующие навигационное обеспечение в интересах повышения безопасности, мореплавания.

С учётом вышеизложенного сформулирована научная задача, решаемая^ работе: совершенствование навигационного обеспечения безопасности мореплавания на основе контроля и повышения точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации при реальной эксплуатации.

Решение подобной задачи в наше время стало возможным лишь благодаря научному фундаменту, заложенному трудами и исследованиями отечественных и зарубежных учёных и специалистов, таких как Берг А.И., Котельников В.А., Н. Винер, К. Шеннон, Тихонов В.И., Финк Л.М., Шебшаевич B.C., Дулевич В.Е., Лурье А.И., Эльясберг П.Е., Суворов Е.Ф., Решетнев М.Ф., Колосов А.А., Борисенко М.И., Богомолов А.Ф., Гусев Л.И. и многих других.

В данной постановке научная задача формулируется впервые, и её решение достигается разработкой следующих научных положений, выносимых на защиту:

1) способы контроля точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации, возможные структуры реализации и алгоритмы их функционирования, позволяющие совершенствовать НОБМ;

2) способ повышения точностных характеристик СА СН, возможные структура реализации и алгоритм его функционирования, совершенствующие НОБМ;

3) структура построения и алгоритм функционирования интегрированной контрольно-корректирующей станции (ККС) дифференциальной подсистемы (ДПС) ГЛОНАСС/GPS, лежащей в основе совершенствования НОБМ;

4) количественные результаты натурного эксперимента по оцениванию точностных характеристик СА СН и рекомендации по их применению.

Необходимость разработки данных научных положений обусловлена:

1) возросшей ролью навигационного обеспечения как важнейшего вида обеспечения безопасности плавания морских судов;

2) отсутствием научных исследований по разработке способов контроля и повышения точностных характеристик СА СН, возможных путей их реализации и алгоритмов функционирования при реальной эксплуатации, направленных на совершенствование НОБМ;

3) необходимостью, внедрения, способов» контроля и повышения точностных характеристик СА СН, возможных путей их реализации и алгоритмов функционирования в практику эксплуатации, позволяющих оценивать и прогнозировать её точностные характеристики при реальной« эксплуатации, повышая качество НОБМ;

4) необходимостью разработки предложений по обоснованию структуры и алгоритмов функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАССЛЗР8, формирующей поправки как к координатам и скорости, так и к направлению для объектов, использующих СА СН, что значительно повысит качество НОБМ.

Достижение целей исследования реализуется путём решения следующих научно-технических задач:

1) анализ структуры навигационного обеспечения как важнейшего вида обеспечения безопасности плавания морских судов, состава СА СН, источников её погрешностей и точности;

2) разработка методики, проведение натурного эксперимента по оцениванию точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации и анализ его результатов;

3) разработка способов контроля точностных характеристик СА СН, возможных путей их реализации и алгоритмов функционирования при реальной эксплуатации;

4) разработка способа повышения точностных характеристик СА СН, возможного пути его реализации и алгоритма функционирования;

5) разработка предложений по обоснованию структуры и алгоритмов функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАССЛлРЗ, формирующей поправки как к координатам и скорости, так и к направлению для объектов, использующих СА СН.

Решение указанных выше задач предоставит возможность создать надёжную систему контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации, что приведёт к значительному повышению^ качества НОБМ. Это расширит возможности судоводителей для наблюдения'за окружающей обстановкой, позволит с • большей точностью определять местоположение и параметры движения своего судна и других судов, оперативно решать задачи предупреждения столкновения и расхождения судов, т.е. качественно повысить навигационное обеспечение безопасности мореплавания.

Теоретической основой исследования послужили методы системного подхода и анализа, теории спутниковых радионавигационных систем, теории построения и эксплуатации сложных систем, теории вероятностей и математической статистики, методы сферической геометрии, теории алгоритмов, методы натурного эксперимента и моделирования на ЭВМ.

Научная новизна диссертации заключается в том, что она содержит теоретическое и практическое решение научно-технической задачи совершенствования НОБМ на основе контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации.

Теоретическая значимость результатов, полученных в диссертации, заключаются в следующем:

1) способ повышения точностных характеристик СА СН и его техническая реализация как основа совершенствования НОБМ;

2) способы контроля точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации и пути их реализации как основа поддержания НОБМ;

3) структура построения и алгоритм функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАССЛЗРБ, лежащей в основе совершенствования НОБМ и формирующей поправки не только к координатам и скорости, но и к направлению для объектов, использующих СА СН.

Практическая значимость полученных результатов заключается в доведении теоретических исследований до уровня структурно-алгоритмической реализации системы контроля и повышения точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации при реальной эксплуатации И' состоит в разработке:

1) структуры и алгоритмов функционирования системы, реализующей способы контроля точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации;

2) практических рекомендаций по реализации структуры построения и алгоритма функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАССЛЗРБ и СА СН, которые могут составить основу совершенствования НОБМ;

3) практических рекомендаций по применению результатов натурного эксперимента при реальной эксплуатации СА СН.

Предложенные в работе структуры и алгоритмы системы контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации и их реализации позволяют сформулировать рациональные решения по топологической структуре этой системы на региональном и локальном уровнях, потенциальные положения, о её штатном использовании, обосновать решения по эффективному оперативному управлению и оценке её информационно-технического состояния.

Варианты технической* реализации структур и алгоритмов функционирования системы контроля и повышения точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации обладают высокой надёжностью, мобильностью и дешевизной.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается: применением системного подхода и проведением широких обобщений существующих информационных источников; использованием методов апробированного математического аппарата; адекватным учётом особенностей построения и функционирования СА СН при разработке способов контроля и повышения точностных характеристик СА СН и путей их

12 реализации при реальной эксплуатации; строгостью математических выкладок и практической проверкой выдвигаемых основных положений в ходе натурного эксперимента; апробацией основных положений работы, на научно-практических конференциях различного уровня-и в печатных изданиях.

Личный вклад: Все. результаты, составляющие основное содержание работы, получены, автором самостоятельно. Научные результаты, полученные автором в соавторстве, отражены в источниках информации, на заимствованный материал даны ссылки. Научные результаты, реализованные в двух отчётах о НИР, получены с научным руководителем, в которых автор является ответственным исполнителем.

Публикации и реализация результатов. Основные научные результаты опубликованы в 15 работах: в материалах двух Международных форумов "Навигация и связь на море и реке» (2006, 2008 гг.); в журнале "Транспортная* безопасность и технологии" №2, 2006 г., входящем в Перечень ВАК 2008 г.; в учебном пособии "Дипломное проектирование", М.: МГАВТ, 2008 г.; в журнале "Речной транспорт (XXI век)" №1, 2011 г., входящем в Перечень ВАК 2010 г.; в шести тезисах научных докладов на НПК МГАВТ; в двух статьях, входящих в сборник научных трудов МГАВТ "Судовождение и обеспечение безопасности судоходства" за 2008 г.; в двух отчётах о НИР. Результаты реализованы в учебном процессе МГАВТ по специальности "Судовождение" и при подготовке трёх заявок на изобретение.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Международном форуме и НПК "Навигация и связь на море и реке" в 2006 и 2008 гг., на НПК ППС и научных сотрудников МГАВТ в 2005-2010 гг., на научных семинарах кафедр "Судовождение" (2005-2010 гг.), "Управление судном и технические средства судовождения"(2009-2011 гг.). Работа апробирована на расширенном заседании кафедр "Судовождение" и "Управление судном и ТСС" МГАВТ (28.03.2011) с привлечением специалистов из внешних организаций.

Структура и объём диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка используемых источников и приложений, изложена на 144 страницах машинописного текста и включает 56 рисунков, 9 таблиц, список используемых информационных источников состоит из 86 наименований, из них 7 зарубежных.

4.5 Выводы по разделу 4

1. Анализ сущности дифференциальных методов, используемых в существующих ДПС, в основе которых лежат ККС. показал, что все* они реализуют коррекцию» только вектора состояния потребителя (координат и скорости) и не корректируют параметры^ определяющие: угловое положение потребителя (курс, дрейф, крен). Поэтому возникает необходимость в разработке предложений, по выбору структуры; и алгоритма функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАССЛЗР8, реализующей; коррекцию всех параметров вектора состояний потребителя, т.е. координат, скорости: и углового положения, которая позволит обеспечить высокоточной навигационно-временной информацией морских потребителей; что внесёт существенный вклад в дальнейшее совершенствование навигационного обеспечения безопасности мореплавания.

2. Анализ особенностей построения и функционирования ККС ДПС ГЛОНАССЮРЗ для формирования- ДФП СА СН показал; что существующие: способы повышения точности определения местоположения объектов, (судов)-направлены только на совершенствование аппаратуры- потребителей по определению координат и не формируют ДФП к направляющим косинусам, т.е. не корректируют направление объекта.

В работе предложен способ повышения точности ССК, базирующийся; на формировании ДФП к направляющим косинусам с помощью' интегрированной ККС и реализуемый на основе радиомаяков или береговых станций АИС.

3; Сущность разработанных предложений по выбору структуры и алгоритмов« функционирования интегрированной ККС ДПС ГЛОНАСС/СРБ с целью формирования ДФП для СА СН представляет собой: а) построение структурной схемы опорной станции интегрированной ККС и АП (рисунок 4.6); б) разработку алгоритмов функционирования её вычислительного блока (рисунок 4.7) и вычислительного блока АП (рисунок 4.8); в) обоснование в отличие от известного способа определения угловой ориентации более быстродействующего и точного способа, обеспечивающего выдачу оценки вектора состояний АП (координаты, скорость и угловое положение) по результатам одномоментных измерений фаз сигналов НКА, которые могут выполняться с дискретностью 1 раз в секунду и чаще.

4. Предложенная структура (рисунок 4.9) и блок-схема алгоритма (рисунок 4.10) функционирования основного элемента ККС (приёмо-вычислителя опорной станции, станции интегрального контроля, удалённой контрольной станции), реализующие рассмотренный способ, позволяют создать интегрированную ККС ДПС ГЛОНАСС/ОР8 для формирования более точных (полного вектора поправок) ДФП СА СН при реальной эксплуатации, тем самым существенно повысить навигационное обеспечение безопасности мореплавания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных автором исследований в рамках диссертационной работы сформулирована1 и решена научная задача — совершенствование навигационного» обеспечения* мореплавания на основе контроля и повышения точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации при реальной эксплуатации.

При этом были получены следующие научные и практические результаты:

1. На основе проведённого анализа информационных источников и личного опыта эксплуатации СА СН сформулирована научная задача совершенствования навигационного обеспечения мореплавания на основе контроля и повышения точностных характеристик судовой аппаратуры спутниковой навигации при реальной эксплуатации, что позволило определить необходимость и приоритетные направления исследований по её решению.

2. Разработана методика проведения и выполнен натурный эксперимент по оцениванию точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации, позволяющие проводить их количественную оценку в различных навигационных условиях, включающую следующие элементы: привязку антенны СПИ к местной системе координат порта, учёт навигационных, гидрометеорологических и иных внешних условий и воздействий, регистрацию данных СПИ, нанесение обсервованного места на план порта, определение системной погрешности, расчёт СКП, обработку полученного массива данных.

3. В результате натурного эксперимента по оцениванию точностных характеристик СА СН при реальной эксплуатации получен массив статистических данных, анализ которых позволил сделать вывод о необходимости контроля и повышения точности СА СН в процессе реальной эксплуатации, а также даны практические рекомендации по их применению.

Сравнительный анализ экспериментальных данных показал: а) с увеличением срока эксплуатации СА СН её погрешности существенно возрастают, т.е. проявляется эффект "старения" аппаратуры; б)- характер плотности распределения1 вероятностей погрешностей-определения широты и долготы места судна (антенны СПИ), как, правило; значительно1 отличается-от нормального-закона распределениям и в большей мере соответствует распределению Релея или Лапласа, что необходимо учитывать при реальной эксплуатации; в) точностные характеристики СА СН носят стохастический характер, зависят от времени суток, условий плавания, географического положения и т.д.

4. Разработаны способы контроля точностных характеристик СПИ СН на основе установленного на судне лазерного локатора, его структурная реализация и алгоритм функционирования, сущность которого заключается в вводе в вычислительный блок данных о взаимном положении ЛЛ и антенны СПИ (а, Ъ, И), о координатах ОУО (Хо\, Гоь Zob Хо2, Yo2, Zo2, Хо3, 7о3, Zo3), установленных на берегу, о вычисленных координатах судна (Хс, 7С, Zc), о измеренных ЛЛ расстояниям до ОУО (D\, D3) с последующим вычислением координат точки размещения ЛЛ (АГЛ, 7Л, Z¡i) с их преобразованием в географические координаты (<рл, Хл, /гл) и расчётом эталонных координат судна (<Рэ, Аэ, Иэ), которые сравниваются с координатами СПИ (<рс, Ас, hc). Полученные поправки (А(р = 9?с — АЯ = Яс — Х3; А/г = /?с — /г3 ) позволят контролировать точностные характеристики СПИ СН при реальной эксплуатации, что значительно повысит качество навигационного обеспечения безопасности мореплавания.

5. Разработаны способы контроля точностных характеристик СПИ СН на основе установленного на берегу лазерного локатора, его структурная реализация и алгоритм функционирования, сущность которого заключается в вводе в вычислительный блок данных о расположении ОУО и антенны. СПИ (аь Ьь hb а2, b2, h2, а3, b3, h3), координат и курса судна (Хс, Yc, Zc, К), углов крена и дифферента (в, у/), а также расстояний (Du Di, D3), измеренных лазерным локатором до ОУО, и его координат (Хп, Гл, Zл), и последующим расчётом эталонных координат антенны СПИ' Лэ, /?э), которые сравниваются с вычисленными координатами СПИ ((рс, Лс, кс) с использованием информационных сигналов от НКА. Полученные поправки (А<р = рс- <р3; АЛ = =ЛС - Л3 ; АЛ = /гс - /г3) позволят контролировать точностные характеристики СПИ' СН при реальной» эксплуатации, что значительно повысит качество навигационного обеспечения безопасности мореплавания.

6. Разработаны способы, контроля точностных характеристик ССК при реальной эксплуатации на основе установленного на берегу ЛЛ, его структурная реализация и алгоритм функционирования. Сущность способа заключается в измерении ЛЛ расстояний (£)ь £>2, Дз) и курсовых углов Дь Дз) до ОУО, размещённых на судне, расчёте координат ЛЛ (<рл, Ял) и волоконно-оптической решётки Л0{), вычислении пеленга с ЛЛ на ОУО (Пг) и эталонного значения курса судна (Кэ) с последующим его сравнением с курсом, выработанным ССК Рассчитанная погрешность (АК - Кс — Кэ) используется в процессоре для оценки точности ССК при реальной эксплуатации, что значительно повысит качество навигационного обеспечения^ безопасности мореплавания.

7. В работе представлен способ повышения точности судовой аппаратуры спутниковой навигации, базирующийся на формировании ДФП к направляющим косинусам с помощью интегрированной ККС и реализуемый на основе радиомаяков или береговых станций АИС.

8. Исходя из результатов анализа особенностей построения и функционирования ККС ДПС ГЛОНАСС/ОР8, следует, что все они реализуют коррекцию только вектора состояния потребителя (координаты и скорость) и не корректируют параметры, определяющие угловое положение потребителя (курс, дрейф, крен). Поэтому в работе предложена структурная реализация и алгоритм функционирования интегрированной ККС, которая формирует полный корректирующий вектор поправок состояния потребителя (координаты, скорость, курс, дрейф, крен), что значительно повысит качество навигационного обеспечения безопасности мореплавания.

1. Адерихин И.В., Сальников А.И. Методика проведения эксперимента по оцениванию точности судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации при эксплуатации // Речной,транспорт (XXI век). 2011. №1. С. 75-80.

2. Адерихин' И.В., Кищенко С.С., Сальников А.И. Способ контроля точностных характеристик судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации при эксплуатации // Транспортная безопасность и технологии. 2006. №2. С. 61-62.

3. Адерихин И.В., Сальников А.И. Анализ возможностей использования АИС для высокоточных определений между судами. Тезисы доклада на Международном форуме "Навигация и связь на море и реке 2008". М.: Материалы форума, 2008. 2 с.

4. Адерихин И.В., Сальников А.И. Использование спутниковой связи и навигации в системах дальней идентификации и контроля местоположения судов. Тезисы доклада. Материалы XXIX НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2007. С. 4-5.

5. Адерихин И.В., Сальников А.И. Методика контроля точностных характеристик судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации при эксплуатации. Тезисы доклада. Материалы XXVIII НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2006. С. 5-6.

6. Адерихин И.В., Сальников А.И. Способ контроля точностных характеристик судовых спутниковых компасов и пути его реализации при эксплуатации. Тезисы доклада. Материалы XXXI НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2009. С. 23-24.

7. Адерихин И.В., Сальников А.И. Способ повышения точностных характеристик судовой радиоэлектронной аппаратуры спутниковой навигации. Тезисы доклада. Материалы XXXII НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2010. С. 20-21.

8. Адерихин И.В., Федоров С.Е., Сальников А.И. Дипломное проектирование. Учебное пособие. М.: Альтаир-МГАВТ, 2008. 218 с.

9. Сальников А.И. Методика проведения и анализ результатов натурных испытаний судовых приёмоиндикаторов спутниковой навигации при эксплуатации. Тезисы доклада. Материалы XXVIII НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2006. С. 7-8.

10. Сальников А.И. Способ повышения точностных характеристик судовых спутниковых компасов и пути его реализации при эксплуатации. Тезисы доклада. Материалы XXXI НПК ППС МГАВТ. М.: МГАВТ, 2009. С. 21-22.

11. Сальников А.И. Сравнительный анализ результатов определения курса судна гирокомпасом и судовым спутниковым компасом в различныхнавигационных условиях. Сборник научных трудов. М.: Альтаир-МГАВТ, 2008. С. 37-45.

12. Абросимов В.Н., Алексеева В.И:, Гребенко Ю.А. Использование системы NAVSTAR для определения угловой ориентации объектов // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. №1. С. 46-54.

13. Аппаратура контрольно-корректирующей станции дифференциальной станции ГЛОНАСС/GPS. Руководство по эксплуатации. ТДУК. У61513.030РЭ. 2001. 150 с.

14. Аппаратура радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Система координат. Методы перевычисления координат определяемых точек. Государственный стандарт РФ. М. Госстандарт России, 1997.

15. Аснис Л.Н., Васильев В.П., Волконский В.Б. Лазерная дальнометрия. М.: Радио и связь, 1995. 256 с.

16. Афраймович Э.Л., Демьянов В.В., Кондакова Т.Н. Исследование качества функционирования двухчастотных GPS приёмников во время геомагнитных бурь // Исследовано в России. 2004. №16. С. 164-173.

17. Бурханов М.В. Справочник штурмана. М.: Моркнига, 2008. 560 с.

18. Вагущенко Л.Л. Интегрированные системы ходового мостика. Одесса: Латстар, 2003. 170 с.

19. Всемирная радионавигационная система. Резолюция А.953(23). ИМО, 2003.

20. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике. М.: Астрель, 2006. 991 с.

21. Выгодский М. Я. Справочник по элементарной* математике. М.: Астрель, 2006. 509 с.

22. Гаврилов Ю.А. Исследование пространственной ориентации погрешностей спутниковых определений. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. СПб., 2003. 166 с.

23. Герман-Шахлы Ю.Г., Демьянов В.В. Точностные характеристики спутниковой навигационной системы в зонах швартовочного маневрирования судов // Транспортное дело России. 2003. Специальный вып. С. 18-22.

24. Глобальная навигационная спутниковая радионавигационная* система ГЛОНАСС / под ред. Харисова В.Н., Перова А.И., Болдина В.А. Изд. 4-е, исправ. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.

25. ГМССБ за три недели. Учебное пособие. СПб.: МУТЦ ГМА им. С.О. Макарова, 2000. 235 с.

26. ГОСТ РВ 8.560-95. Государственная система обеспечения единства измерений. Средства измерений военного назначения. Испытания и утверждение типа. М.: Госстандарт России, 1994. 28 с.

27. Дмитриев В.И., Григорян В.Л., Катенин В.А. Навигация и лоция. М.: Моркнига, 2009. 472 с.

28. Доборин М.А., Ратьков И.В., Солощев А.Н. Обзор состояния дифференциального сервиса ДГЛОНАСС/DGPS // Информост. 2004. №2. С. 25-27.

29. Елисеева И.И., Юзбашев М.М. Общая теория статистики. Изд. 5-е, перераб. и доп. М.: Финансы и статистика, 2004. 656 с.

30. Жерлаков A.B., Ильин A.A., Румянцев Г.Е. Радиотехнические средства обеспечения безопасности морского судоходства. М.: Транспорт, 1992. 216 с.

31. Завьялов В.В., Клюева С.Ф., Комаровский Ю.А. Анализ синхронности определения обсервованных широт GPS-приёмниками GP-270ML и GP-37 // Транспортное дело России. 2004. Специальный вып. С. 14-15.

32. Катенин В.А., Дмитриев В.И. Навигационное обеспечение судовождения. М.: ИКЦ Академкнига, 2006. 372 с.

33. Кацман Ф.М., Ершов A.A. Аварийность морского флота и проблемы безопасности судоходства // Транспорт Российской Федерации. 2006. №5. С. 82-84.

34. Кожухов В.П., Жухлин А.М:, Кондрашихин В.Т. и др. Математические основы судовождения. М.: Транспорт, 1993. 200 с.

35. Кондрашихин В.Т. Определение места судна. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Транспорт, 1989. 230 с.

36. Контрольная станция. Руководство по эксплуатации. ТДУК. У61513.030РЭ. 2001. 120 с.

37. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973. 832 с.

38. Кочкин Д. Е. Модели и алгоритмы повышения* точности оценки относительного положения и ориентации наземных объектов по измерениям систем типа FJIOHACC. Диссертация на соискание учёной степени к.ф-м.н. Воронеж, 2010. 139 с.

39. Кривов A.C., Донченко С.И., Денисенко О.В. Комплекс эталонов и средств измерений для испытаний аппаратуры потребителей космических навигационных систем ГЛОНАСС/GPS // Информост. 2004. №1 (31). С. 46-47.

40. Куршин В. В. Математическое и программное обеспечение навигации с использованием систем ГЛОНАСC/GPS/WAAS. Диссертация на соискание учёной степени д.т.н. М., 2003. 339 с.

41. Лентарёв A.A. Морские районы систем обеспечения безопасности мореплавания. Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2004. 114 с.

42. Лесков М.М., Баранов Ю.К., Гаврюк М.И. Навигация. Изд. 2-е., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1986. 360 с.

43. Международная конвенция по охране человеческой'жизни на море-1974 года (СОЛАС-74). (Консолидированный текст, изменённый Протоколом 1988 года к ней, с поправками). СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2010. 992 с.

44. Методы и приборы высокоточных геодезических измерений в* строительстве / Под ред. Большакова В.Д. М.: Недра, 1976. 336 с.

45. Опорная станция СН-3501. Руководство: по эксплуатации; ТДУК. У61513.030РЭ. 2001. 134 с.

46. Панафидина В: А^.Определение и анализ координат и скоростей станций: по наблюдениям европейской ОР8-сети. Диссертации на соискание учёной степени к.ф-м.н. СПб. 2006. 101 с.

47. Патент 2215299 Рос. Федерация. № 2001114485/09; заявл. 25.05.01; опубл. 10.06.03, Бюл.№ 30. 11 с.

48. Патент 2379700 Рос. Федерация. № 2008131246/09; заявл. 28.07.08; опубл. 20.01.10, Бюл. № 2. 17 с.

49. Пересмотренные требования мореплавания в отношении будущей глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС). Резолюция А.915(22). ИМО- 2001.

50. Песков Ю.А. Морская навигация с ГЛОНАСС/ОРБ / Учебное пособие для вузов+СБ. М.: МОРКНИГА, 2010. 148 с.

51. Поваляев Е. А. Система определения ориентации по« одномоментным измерениям в СРНС вРЗ/ГЛОНАСС. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. М., 2002. 154 с.

52. Правила погоборудованию морских судов, правила по грузоподъёмным; устройствам морских судов, правила о грузовой марке морских судов. Изд. 13-е. М.: Морской Регистр, 2010. 416 с.

53. Радиомаяк "Янтарь-2М-200". Руководство по эксплуатации. Р205-000-000.РЭ. 2006. 155 с.

54. Радионавигационный план Российской Федерации. М.: НТЦ Интернавигация, 2008. 84 с.

55. Сборник характерных аварийных случаев на морском транспорте в; период 2004-2006 годов. СПб.: ЗАО ЦНИИМФ, 2007. 124 с.

56. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / Под ред. Шебшаевича В.С. Изд. 2-е, исправ. М.: Радио и связь, 1993. 408 с.

57. Сикарев И.А. Функционально устойчивые автоматизированные идентификационные системы. для мониторинга и управления движением судов» на речном* транспорте. Диссертации; на соискание: учёной^ степени д.т.ш. (Щбг, 2010.234с. ■

58. Соловьёв Ю.А. Спутниковая навигациям и. её приложения! М.: ЭКО -ТРЕНД312003» 325 с.

59. Справочник; капитана / Под. ред. Дмитриева В .И. СПб;: Элмор, 2009. 816 с.

60. Спутниковая базовая станция СБС 161. - СПб.: РИРВ, 2008.

61. Стандартььточности судовождения. Резолюция А.529(13). ИМО, 1983.6 8. Станция интегрального контроля СН-3 502. Руководство • по эксплуатации. ТДУК. У61513.030РЭ. 2001.148 с.

62. Судовая приёмная аппаратура спутниковой навигационной системы GPS. Технико-эксплуатационные требования. Методы и требуемые результаты испытаний: МФ 29/53-41.1. М-: Министерство Транспорта РФ, 2003.

63. Технико — эксплуатационные требования на лазерную систему швартовки крупнотоннажных судов. МФ - 02 —22/848 - 64, 2002.

64. Ткаченко А.С., Алексишин B:F. Применение обобщённых пуассоновских распределений для- описания навигационных погрешностей: Сборник научных трудов "Судовождение" №15. Одесса: ИздатИнформ, 2008. С. 185-189:

65. Толстиков А.С. Методы и алгоритмы координатно-временных определений на основе применения спутниковых навигационных технологий. Автореферат диссертации на соискание учёной^ степени д.т.н. Новосибирск, 2011,38 с.

66. Фарватер РК -2306 (проспект). Радио Комплекс, 2009: 4 с.

67. Федеральный радионавигационный план США 2008. МТ и МО США, 2009. 192 с.

68. Шебшаевич B.C., Григорьев М.Н., Кокина Э.Г. и др. Дифференциальный режим сетевой спутниковой радионавигационной системы // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. №1. С. 5-33.

69. Эксплуатационные требования к морским устройствам передачи курса. Резолюция MSC.116 (73). ИМО, 2000.

70. Эксплуатационные требования к судовому приёмному оборудованию глобальной системы определения местоположения (GPS), пересмотренные в 2000 году. Резолюция MSC.112 (73). ИМО, 2000.

71. GPS COMPASS JLR-10 (проспект). JRC, 2007.

72. GPS Navigator SPR-1400 (проспект). Samyung Enc Co., Ltd., 2004.

73. Gyrocompass Yokogawa CMZ700S (проспект). Yokogawa, 2007.

74. Magellan GPS Satellite Navigation NAV-1200 (проспект). MSC, 1995.

75. Precision Positioning and Tracking System "Fanbeam 4" (проспект). Kongsberg, 2009.

76. Radio aids to navigation, satellite navigation systems, legal time, radio time signals and electronic position fixing systems. NP282 Vol.2. UKHO, 2009. 184 p.

77. The Mariner's Handbook. NP100. Ninth Edition. UKHO, 2009. 102 p.rjPUÄO&EHUB А

78. Радионавигационные приборы и системы.

79. Технические средства судовождения.

80. Перспективные технические средства судовождения.4. Навигация и лоция.

81. Основы эксплуатации судовых радиоэлектронных средств.

82. Декан факультета "Судовождение и эксплуатации флота" /

83. Заведующий кафедрой "Судовождение" 1———А-к.т.н., доцент Бойков A.B.

84. Заведующий кафедрой "Управление судном и технические средства судовождения"доцент1. Дубовицкий В.А.