На правах рукописи

Авдонькин Дмитрий Сергеевич

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ФОРМИРОВАНИЯ

ВЫСОКОТОЧНЫХ ОБСЕРВАЦИЙ СУДНА НА ОСНОВЕ

НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ DGPS/ДГЛОНАСС

(на примере Керченского пролива)

Специальность:

05.22.19 Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Новороссийск 2012

Работа выполнена в ФБОУ ВПО "Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова" (г. Новороссийск).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Демьянов Виктор Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Адерихин Иван Владимирович кандидат технических наук, доцент Студеникин Альберт Иванович

Ведущая организация: ФБОУ ВПО "Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова" (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится 6 марта 2012 года на заседании диссертационного совета Д 223.007.01 при ФБОУ ВПО "МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова" в 1100 в аудитории Б-1 по адресу 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО "МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова" (г. Новороссийск, пр. Ленина, 93).

Автореферат разослан "_" января 2012 года.

Отзывы на автореферат присылать в двух экземплярах, заверенных печатью организации, и адресовать их учёному секретарю диссертационного совета Д 223.007.01 при ФБОУ ВПО "МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова" по адресу: 353918. г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 223.007. доктор технических наук, доцент Хекерт Е.В.

Перечень принятых сокращений АИС – Автоматическая информационная (идентификационная) система БРЛС – Береговая радиолокационная станция ГМССБ – Глобальная морская система связи при бедствии и для обеспечения безопасности ИМО/IMO – Международная морская организация РЛС – Радиолокационная станция РЛП – Радиолокационный пост СКЦ – Спасательно-координационный центр СНО – Средства навигационного обеспечения МАП – Морская администрация порта СУДС – Система управления движением судов ЦУДС – Центр управления движением судов ГНСС/GNSS – Глобальная навигационная спутниковая система ДГНСС/DGNSS – Дифференциальная подсистема ГНСС МСКЦ/MRCC – Морской спасательно-координационный центр МСЭ/ITU – Международный союз электросвязи МЭК/IEC – Международная электротехническая комиссия САРП/ARPA – Средства автоматической радиолокационной прокладки ССС/SRS – Системы судовых сообщений ЭКС/ECS – Электронная картографическая система ЭКНИС/ECDIS – Электронная картографическая навигационно-информационная система навигационных средств MMSI – Идентификатор морской подвижной радиослужбы КБМ/MSC – Комитет по безопасности на море IMO СОЛАС/SOLAS – Международная конвенция по охране человеческой жизни на море 1974 года (с поправками)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В условиях роста тоннажа морских судов, опасности и стоимости последствий возможных экологических катастроф изза столкновений с препятствиями и посадками на мель точность определения местоположения судна становится важным фактором обеспечения безопасности судовождения. Проблемам обеспечения точности и безопасности судовождения посвящен ряд научных работ, в частности, работы следующих авторов: Астреина В.В., Лушникова Е. М., Тульчинского В.И. и др. Кроме того, на морском флоте осуществляется внедрение новейших достижений науки и техники, в частности, современных информационных технологий. Так, согласно Правилу V/19 СОЛАС'74, все суда, независимо от размера, должны быть оборудованы техническими средствами современных глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и НАВСТАР (GPS). С их помощью каждое судно, имеющее приёмную аппаратуру, может в любое время и в любой точке мирового океана знать свое место с точностью 50–100 м, что соответствует требованиям стандарта точности в большинстве случаев судовождения или судопроводки. При дополнении глобальных систем специальными береговыми дифференциальными подсистемами точность судопроводки может быть повышена до 1–10 м, что позволяет осуществлять безопасную навигацию в узкостях и на акваториях морских портов, где точность, обеспечиваемая судовыми радиолокационными станциями (РЛС), недостаточна (на порядок ниже), а интенсивности потоков судов максимальны.

Кроме упомянутых выше навигационных средств, в соответствии с правилом V/19, все суда свыше 300 тонн, совершающие международные рейсы, и все пассажирские суда независимо от размера должны быть оснащены оборудованием автоматической идентификационной системы (АИС). Эта система осуществляет автоматическую идентификацию судов, приём и передачу навигационной информации (координаты, курс, скорость, скорость поворота и т.д.), маршрутного или рейсового назначения (пункт, ожидаемое время прибытия, тип груза), а так же индивидуальных характеристик судна (название, позывной, габариты, осадка, положение антенны и т.п.) и делает эту информацию доступной всем участникам движения. Важной новацией последнего десятилетия является всё более широкое внедрение отображения этой информации на дисплее АИС или электронных картах ЭКНИС, которые позволяют обеспечивать практическую непрерывность обсервационного счисления данных, поступающих к судоводителю в виде графического отображения местоположения судна и его текущей запланированной траектории движения на экране монитора.

';

Однако в силу ряда недостатков аппаратура АИС, в настоящее время, не заменяет традиционного судового навигационного оборудования, а потому применяется пока только как средство, дополняющее радиолокационную станцию и другие средства наблюдения за навигационной обстановкой, а также как средство обмена информацией с береговыми службами. Эффективное использование АИС возможно только при полномасштабном оснащении АИСтранспондерами всех судов, включая маломерные, военные, прогулочные суда и яхты, а так же при активации (радио-подсветке) мини-транспондерной аппаратурой всех надводных и мелководных препятствий портовых акваторий, фарватеров и самой береговой черты порта (пролива, фиорда, фарватера).

Комплексное использование GPS/ГЛОНАСС, ЭКНИС и АИС, при условии выработки единых стандартов взаимодействия судовых и береговых систем и стандартизации судового оборудования, обеспечит более эффективную работу всех служб, ответственных за безопасность мореплавания и мониторинга движения судов, прежде всего, в комплексе с Системами управления движением судов (СУДС) портов (особенно в проливах, фиордах, на специально выделенных фарватерах).

Следует также отметить, что развитие и внедрение в эксплуатацию современных технических средств судовождения требуют внесения корректив в практическую деятельность судоводителя, в частности, в привычные технологические операции, связанные с проводкой судна по узкостям. Так, внедрение спутниковых навигационных систем и ЭКНИС существенно упрощает процедуру обсервации места судна и заменяет "ручной труд" периодического счисления места судна и нанесения его на бумажную карту автоматической прокладкой курса судна на электронной карте. На первый взгляд, кажется, что это позволяет увеличить резерв времени на принятие решения судоводителем при управлении судном в сложных навигационных условиях, и, следовательно, повысить безопасность судовождения. Но при этом неизбежно возникает вопрос о достаточности современного уровня технической и функциональной надежности рассмотренных систем автоматической обсервации положения судна на акватории, т.е. встаёт старый вопрос о пределах доверия к внедрению средств автоматической навигации судов. Рассмотрению вопросов навигационной надежности посвящены работы Зарудного В.И., Дмитриева С.П., Колесова Н.В., Осипова А.В. и др.

В настоящее время обеспечение безаварийного прохождения судна в стесненных условиях (узкости, проливы, каналы, фиорды) в значительной степени определяется действиями судоводителя, контролирующего этот процесс и принимающего управляющие решения. В силу непрерывного слежения за постоянно меняющейся ситуацией, обработки большого количества информации и принятия важных управленческих решений, человек-оператор всегда оказывается ограниченным рамками имеющимся у него резерва времени, что является предпосылкой ошибок, могущих вести к авариям и катастрофам. В связи с этим становится актуальным изучение взаимодействия человека-оператора и технических систем, в частности радионавигационных систем.

Техническая система, содержащая в качестве существенного элемента человека-оператора, образует эргатическую систему, под которой понимают сложную комплекс-систему, состоящую из человека-оператора и интеллектуальных технических радионавигационных систем (АИС, GPS/ГЛОНАСС, ЭКНИС), управляемых человеком в условиях действия факторов внешней среды и внешних воздействий, сопровождающих движение судна.

В этой связи обратим внимание на важную особенность оснащения судов средствами электронной картографии и другими интеллектуальными устройствами в помощь судоводителю. Постепенно на штурманском мостике каждого судна складывается такой судоводительский комплекс аппаратуры, благодаря которому каждая текущая непрерывно меняющаяся оперативная ситуация проводки судна оказывается всегда готовой (живой) электронной картографической моделью курса ближайших минут и часов его движения и маневрирования на акватории. Живость этого плана состоит в том, что он в любое мгновение готов быть скопированным в оперативную память ПЭВМ для превращения в коды и передачи их в эфир специально модернизированными радиосредствами АИС. Все участники движения обслуживаемой данной АИС акватории, имеющие соответствующую аппаратуру, могли бы принять этот электронно-географический план движения и маневрирования интересующего их судна, что, на наш взгляд, может существенно повысить надёжность правильного принятия решений судоводителем, подобным образом, ненавязчиво информированным о планах маневрирования других участвующих в движении судов.

В настоящей работе исследуется надёжность эргатической системы "оператор – ГНСС–ЭКНИС–АИС", которую я описываю, с одной стороны, с помощью традиционных математических моделей теории надежности (по интенсивности отказов, интенсивности восстановления, коэффициентам готовности, временам наработки на отказ и на восстановление работоспособности и т.п.), а с другой, некоторых эмпирических "характеристик надёжности" судоводителя-оператора.

Таким образом, наблюдающийся в последние десятилетия постепенный перенос центра тяжести способов выработки решений судоводителя в сложных условиях судопроводки судна по акваториям портов, проливов, фиордов и т.п. на интеллектуальные кибернетические, навигационные, радиотехнические и информационные системы ставит во главу угла вопросы технической и эксплуатационной надёжности этих средств. Исследование комплекса этих задач, положенное в основу настоящей диссертации, является, безусловно, актуальным.

Объект исследования: автоматическая идентификационная система, глобальная навигационная спутниковая система и система электронного отображения картографической информации ЭКНИС.

Предмет исследования: надежность получения навигационных данных для судна с помощью GPS/ГЛОНАСС и её реализация в эргатической системе "оператор–ГНСС–ЭКНИС–АИС" Целью исследования является построение математической модели обработки навигационных данных, а также оценка технической и эргатической частей надежности системы "оператор–ГНСС–ЭКНИС–АИС" Научная новизна.

1. Разработана математическая модель с применением корреляционной обработки статистических данных, изменяющихся во времени, с её помощью в работе обосновано повышение точности навигационных измерений.

2. Предложена новая методика повышения точности местоположения судна на основе применения теории случайных процессов, в частности теории выбросов случайных процессов.

3. Выполнена количественная оценка эксплуатационной надежности технической части навигационной системы "ГНСС–ЭКНИС–АИС".

4. Разработана математическая модель надежности эргатической системы "оператор–ГНСС–ЭКНИС–АИС".

Научная достоверность и обоснованность результатов, представленных в данной работе, состоит в том, что все теоретические исследования основаны на использовании фундаментальных положений теории случайных процессов, теории вероятностей и математической теории надежности.

Практическая значимость и внедрение результатов. Результаты диссертационной работы имеют практическое применение на морских судах ОАО "Новошип" при решении задач навигации с применением современных средств АИС, ГНСС и ЭКНИС. Внедрение предложенных методов может найти свое применение в системах управления движением судов при осуществлении более надежного и безопасного расхождения судов.

Основные результаты исследования внедрены в учебный процесс ФБОУ ВПО "МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова" по курсам судоводительского цикла.

Результаты исследований по "ГНСС–ЭКНИС–АИС" внедрены в ОАО "Новошип" для практики использования при решении задач навигации и управления судном.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы были доложены и одобрены на двух региональных конференциях "Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на Юге России". По теме диссертационной работы издано 12 публикаций, из них в изданиях списка ВАК Минобразования РФ – 3 публикации.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Математическая модель корреляционной обработки статистических данных, изменяющихся во времени, обосновывающая повышение точности навигационных определений.

2. Методика определения точности измерения координат судна на основе оценок вероятности возникновения отклонений от истинного местоположения.

3. Оценка эксплуатационной надежности технической части навигационной системы "ГНСС–ЭКНИС–АИС".

4. Математическая модель надежности эргатической системы "оператор– ГНСС–ЭКНИС–АИС".

Структура и объем работы. Диссертация объемом 130 листов машинописного текста состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 78 наименований; содержит 24 рисунка; 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются существующие береговые и судовые средства радионавигации, обеспечивающие безопасность мореплавания в узкостях и проливах. Рассмотрены нормативные требования к обеспечению судов средствами навигационного оборудования и к погрешностям основных навигационных параметров, приведенные в "Правилах по оборудованию морских судов" Российского Морского Регистра Судоходства, главе V СОЛАС'74, а также соответствующих Резолюциях, принятых Международной морской организацией.

Для обеспечения безопасной проводки по каналам и фарватерам и управления движением судов, в соответствии с международными правилами, в акваториях портов создаются береговые системы управления движением судов (СУДС), оборудованные современными средствами радиолокации, радиоэлектроники, связи, телевидения, компьютерной техники [1]. СУДС Керченского пролива оборудована пятью автоматизированными радиотехническими постами, автоматическими идентификационными системами (АИС), УКВ-приемопередатчиками и ТВкамерами для визуального наблюдения за акваторией (см. рисунок 1). Вся информация от сенсоров поступает в центр управления (ЦУДС), где происходит обработка данных, их синхронная регистрация и отображение на экранах операторов. Данные по сопровождаемым АИС судам из центра управления РСУДС передаются в Региональную информационную систему наблюдения за судоходством, где происходит централизованный сбор, обработка и визуализация данных по Азово-Черноморскому и Каспийскому бассейнам.

ГНСС ЦУДС

ЦУДС СКЦ

Рисунок 1 – Состав средств контроля местоположения судна при плавании Важным для обеспечения безопасности судовождения является внедрение на флоте современных глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и НАВСТАР (GPS). С их помощью каждое судно, имеющее приемную аппаратуру, может в любое время и в любой точке мирового океана знать свое место с точностью 50–100 м, что соответствует требованиям стандарта точности судовождения. При дополнении этих систем специальными наземными дифференциальными станциями, использующими связные радиоканалы, точность может быть повышена до 1–10 м, что позволит безопасно передвигаться в узкостях и на акваториях морских портов, где точность, обеспечиваемая судовыми РЛС, недостаточна.

Кроме этого, для обеспечения автоматической идентификации судов, приема и передачи навигационной, рейсовой и статической информации в соответствии с правилом V/19 СОЛАС '74 все суда свыше 300 тонн, совершающие международные рейсы, и все пассажирские суда независимо от размера должны быть оснащены оборудованием автоматической идентификационной системы (АИС), использующей УКВ-радиосвязь и ЭКНИС для отображения на электронных картах АИС-информации о других целях, а также использующей внешний источник (ГНСС), в том числе с применением дифференциального режима для получения координат судна и параметров его движения.

Сделан вывод, о том, что несмотря на то, что внедрение современных навигационных и информационных систем на морском транспорте, позволяющих непрерывно позиционировать судно с точностью до 1 м, даёт возможность судоводителю непрерывно контролировать местоположение судна и текущую навигационную обстановку с высокой точностью, реализовать эту возможность на практике он не в состоянии в силу того, что судоводитель кроме непрерывного наблюдения за окружающей навигационной обстановкой осуществляет ряд других функций.

Следовательно, контроль за местоположением судна всегда будет дискретным, что оставляет актуальным вопрос о нормировании частоты обсерваций [2].

Эффективное использование современных навигационных систем возможно в условиях внесения корректив в практическую деятельность судоводителя, в частности в привычные технологические операции, связанные с проводкой судна по узкостям, проливам и фарватерам. Так, внедрение спутниковых навигационных систем и ЭКНИС существенно упрощает процедуру обсервации места судна и заменяет периодическое счисление места судна и нанесение его на бумажную карту автоматической прокладкой на электронной карте. Это позволяет увеличить резерв времени на принятие решения судоводителем по управлению судном в сложных навигационных условиях, а, следовательно, повысить безопасность судовождения в случае высокого уровня функциональной надежности рассмотренных систем. При этом возникает необходимость системного анализа возможности комплексирования традиционных технических средств судовождения с вновь вводимыми в эксплуатацию, определения правильных приоритетов в стратегических целях и задачах безопасности мореплавания и развитии технических средств судовождения.

Во второй главе диссертации рассмотрены современные требования к навигационному обеспечению морских объектов с помощью ГНСС, особенности определения местоположения объекта с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, включая их дифференциальные подсистемы, показаны источники погрешностей навигационных измерений, а также рассчитаны границы зоны ухудшения качества радиоприёма электромагнитного поля дифференциальных поправок (на примере АзовоЧерноморского бассейна), обусловленного интерференционным взаимодействием земного и пространственного лучей радиомаяков контрольно-корректирующих станций.

Международные требования к точности и надежности навигационного обеспечения морских судов в зависимости от районов плавания определяются Резолюциями ИМО. Требования к навигационному обеспечению судоходства при входах в порты, гавани, в узкостях и акваториях портов определяются соответствующими национальными Администрациями. Как видно из анализа Резолюций, среднее квадратическое отклонение в определении местоположения составляет в ряде задач всего несколько десятков сантиметров, что весьма жестко. В этой связи ниже проведён анализ источников погрешностей в навигационных измерениях и сформулированы рекомендации по их учёту и минимизации.

Основным содержанием навигационной задачи в ГНСС является определение пространственно-временных координат потребителя, а также составляющих его скорости, поэтому в результате решения навигационной задачи должен быть определен вектор состояния потребителя П, который можно представить в виде:

Элементами этого вектора служат пространственные координаты (х, у, z) потребителя, временная поправка t шкалы времени потребителя относительно шкалы времени навигационной системы, а также составляющие вектора скорости ( x, y, z ).

Местоположение объекта рассчитывают по величине дальности до спутника D при известной скорости распространения радиосигнала и времени его распространения вдоль трассы. На практике шкалы времени сегментов ГНСС рассогласованы, поскольку их опорные генераторы, как источники отсчета времени, работают независимо и автономно. Поэтому измеренная дальность не является истинной, и ее называют псевдодальностью. Измеренная псевдодальность Dизм i до i-го спутника отличается от истинной дальности Di на неизвестную, но постоянную за время определения навигационных параметров величину D', обусловленную ошибкой измерения.

Таким образом, псевдодальность до i-го навигационного спутника можно записать в виде:

где xi, yi, zi – известные на момент измерения координаты i-го навигационого спутника и передаваемые определяющемуся объекту, х, у, z – объекта. В результате измерения псевдодальностей до четырёх спутников приводят к системе четырёх уравнений с четырьмя неизвестными (х, у, z, D').

На точность определения потребителем своих координат, скорости перемещения и времени влияет множество факторов. Они связаны с характеристиками используемых сигналов, средой распространения и многими другими факторами. Показано, что погрешности навигационных расчетов, обусловлены как факторами искусственного происхождения:

погрешности, вносимые спутником и командно-измерительным комплексом, погрешности частотно-временного обеспечения, погрешности эфемеридного обеспечения, погрешности, вносимые приёмоиндикатором пользователя (шумовая и динамическая погрешности), так и факторами естественного происхождения: дополнительные и случайные по характеру задержки сигнала, возникающие вследствие искривления трассы распространения радиоволн (рефракции) сигналов спутника при прохождении атмосферы Земли, погрешности навигационных определений из-за многолучевости.

С учетом погрешностей, вносимых космическим сегментом DКОСМ, приемоиндикатором DПИ и трассой DТР формула расчета псевдодальности примет более развернутый вид:

Анализ источников погрешностей показал, что они являются случайными и взаимно независимыми. Для количественной оценки точности навигационных измерений использована база накопленных данных за время опытной эксплуатации систем ДГЛОНАСС/DGPS, размещённых на м. Дооб (зона обслуживания – Черное море) и на радиоцентре "Темрюкский" (Азовское море), взаимно контролирующих работоспособность друг друга.

Для передачи дифференциальных поправок на акватории Черного и Азовского морей выделен диапазон частот от 283,5 до 325 кГц.

Станцией удаленного контроля за работой оборудования радиомаяка "Темрюкский" в ходе ее опытной эксплуатации за период 2001…2006 гг.

накоплена огромная база статических навигационных параметров (собственных координат), вычисленных с интервалом в одну секунду и составляющих миллионы значений. Для решения поставленной задачи оценки точности измерений из имеющейся генеральной совокупности экспериментальных данных сформирована репрезентативная выборочная совокупность, отражающая все закономерности генеральной совокупности, а также погрешности измерений. С этой целью сформулированы два критерия отбора данных.

1. Электродинамический критерий. Выборка должна отражать влияние навигационных параметров.

2. Статистический критерий. Выборка должна быть репрезентативной, а ее статистические оценки должны быть несмещенными, эффективными и состоятельными.

Наиболее существенными электродинамическими факторами со случайным характером воздействия на радионавигационный сигнал являются ионосферные возмущения при распространении радиосигнала спутника в атмосфере Земли. Как показано в работе, их интенсивность наиболее высока в летние месяцы, поэтому выборочная совокупность данных для анализа погрешностей сформирована из навигационных параметров в самое жаркое время года; в Азово-Черноморском регионе – это июнь…сентябрь. Кроме того, напряженность электромагнитного поля в месте его приема сильно и случайным образом изменяется, если наблюдается интерференция двух сигналов, распространяющихся земной и пространственной волной, и начинающая проявляться при переходе от светлого времени суток к темному и исчезающая с рассветом. Учитывая сказанное, для анализа флуктуаций погрешностей навигационных параметров выборка данных из генеральной совокупности осуществлена так, чтобы охватить переход от темного времени суток к светлому; для рассматриваемого региона в теплое время года принято, что этот период занимает время с трех часов ночи до семи часов утра [3].

Итак, для анализа погрешностей навигационных измерений выбраны ежесекундные значения широты с июня по сентябрь 2001, 2005 и 2006 годов.

Эти выборки (с 03.00 по 07.00 час) формируют ансамбль событий. В итоге получена матрица, столбцами которой являются четырехчасовые реализации рассчитанной широты с июня по сентябрь, а строками – соответствующие посекундные измерения за это время.

Последующий анализ матрицы данных направлен на проверку ее соответствия статистическому критерию, по которому ограниченная по объему выборка должна быть репрезентативной, а ее статистические оценки должны быть несмещенными, эффективными и состоятельными. Перевод динамической составляющей географических координат в линейную и центрирование относительно выборочного среднего подтвердил случайный характер флуктуаций погрешностей измерений (рисунок 2) Рисунок 2 – Флуктуации центрированной широты В "Российском радионавигационном плане" сформулированы требования к точности определения места морских и речных судов, удовлетворяющих требованиям безопасности судовождения по основным Резолюциям ИМО. В качестве допустимой решено считать наивысшую точность, обеспечивающую среднее квадратическое отклонение (СКО) процесса измерения координат, равное 3 м. В технике же измерений принято, что образцовая мера должна иметь, как минимум, на порядок меньшие погрешности, чем допустимые погрешности измерения. Поэтому критерием объёма выборочной совокупности считаются линейные погрешности статистических оценок не хуже (3/10)=0,3 м. Необходимо напомнить, что искомый период накопления навигационных параметров должен охватывать, как минимум, четыре часа перехода от темного времени суток к светлому, чтобы обеспечить выполнение электродинамического критерия.

Сходимость выборочного среднего до значения в 0,3 м обеспечивается при накоплении результатов уже примерно через 30 минут ежесекундных измерений. В таком случае объем выборки за четыре часа переходного времени суток тем более можно считать удовлетворяющем требованию несмещенности, а асимптотическое стремление выборочного среднего центрированных данных к нулю свидетельствует о том, что статистическая оценка стремится по вероятности к оцениваемому параметру, т.е. выборка является состоятельной.

В ходе исследования проведен анализ изменения среднего квадратического отклонения навигационных измерений широты по мере накопления базы данных. Особенностью расчета является то, что объем выборки N в ходе расчета непрерывно увеличивался и всякий раз производился пересчет выборочного среднего Lср. Результаты изменения СКО по мере накопления данных представлены на рисунке 3.

Оценивая сходимость среднего квадратического отклонения с выбранной погрешностью в 0,3 м (как и при анализе несмещенности данных), можно видеть, что этот результат достигается при накоплении результатов измерений менее чем за четверть суток. Кроме того, абсолютная величина усредненного значения СКО равна примерно 35 см, что с 10кратным запасом удовлетворяет самым высоким требованиям ИМО по точности судовождения. Таким образом, экспериментальная база параметров широты за четыре 0 часа наблюдения отвечает требованию эффективности статистической оценки выборочной совокупности. Итак, для дальнейшего исследования вопросов, связанных с процессом обсервации, сформирована репрезентативная выборочная база навигационных измерений с помощью дифференциальной составляющей навигационных систем ГЛОНАСС и GPS Азово-Черноморского района за время с трех часов ночи до семи часов утра с июня по сентябрь 2001, 2005 и 2006 годов.

В заключительной части второй главы рассчитаны границы зоны интерференции полей радиомаяков диффпоправок. Так, напряженность поля пространственной волны, появляющейся при переходе от светлого времени суток к темному и исчезающая с рассветом, определяется выражением:

где hд – действующая высота антенны радиомаяка; Iд – величина действующего тока в антенне; – длина волны электромагнитного поля диффпоправок.

Результаты расчета напряженности поля пространственной волны в точке приема по мере удаления от радиомаяка и разных высот слоя Е ионосферы приведены на рисунке 4.

Горизонтальной линией, соответствующей напряженности поля мкВ/м, отмечено пороговое (минимальное) значение напряженности, ниже которой радиоприем невозможен, поскольку напряжение на входе приемоиндикатора "TRIMBLE" оказывается ниже его чувствительности.

На рисунке 5 показаны зоны потенциального ухудшения радиоприема сигнала диффпоправок от радиомаяков "Темрюкский" и "Дообский" за счет появления интерференции пространственного и земного лучей дифференциальной навигационной подсистемы.

Рисунок 5 – Зоны потенциального ухудшения качества радиоприема Зона интерференции поля диффпоправок от радиомаяка "Темрюкский" находится за окружностями с радиусами 85 и 125 км (в зависимости от высоты слоя Е) и центром в точке дислокации этого радиомаяка, а зона интерференции поля радиомаяка "Дообский" – за соответствующими окружностями этого радиомаяка. Анализ зависимостей на рисунке 4 и зон интерференции на рисунке 5 позволяет сформулировать рекомендации при использовании спутниковых систем навигации Азово-Черноморского бассейна, особенно, в темное время суток и при смене дня и ночи и наоборот:

– при входе в Керченский пролив из Черного моря целесообразно перестроить частоты судового приемоиндикатора на прием диффпоправок "Темрюкского" радиомаяка, поскольку удаление от радиомаяка "Дообский" составляет на момент входа примерно 120 км; на этом удалении существует возможность интерференции земного и пространственных лучей и, как следствие, ухудшение качества радиоприема;

– существуют зоны возможной интерференции, показанные на рисунке 6 в виде окружностей с центром в точках радиомаяков "Темрюкский" и "Дообский"; судну, находящемуся в этих зонах, следует уделить повышенное внимание на точность определения своего места (например, средствами, иными, чем ДГЛОНАСС и DGPS, повышенной частотой обсерваций и другими способами, имеющимися в распоряжении судоводителя).

В третьей главе диссертации рассмотрены точностные и надежностные параметры определения местоположения судна в системах высокоточной навигации: требования к точности судовождения и периодичности обсерваций; стохастизм навигационных измерений как фактор выбора периода обсервации; точность и надежность измерений местоположения судна по математической модели пересечений случайным процессом заданного уровня.

ИМО определила требования, касающиеся точности судовождения, отраженные в Резолюции ИМО А.529 (13) "Стандарты точности судовождения". В соответствии с этим документом, задаются требования к точности определения местоположения с помощью радионавигационных систем, включая ГНСС, зависящие от скорости судна и расстояния до ближайшей навигационной опасности. Значения же допустимого промежутка между двумя последовательными обсервациями носят общий характер и в малой степени учитывают текущие особенности конкретного района плавания. Существует аналитический подход к расчету временного периода навигационных средств, а также допустимые погрешности в различных районах плавания. Однако ни первый, ни второй подход не учитывают текущие, случайным образом складывающиеся из многих составляющих реальные условия получения навигационного параметра в разных географических районах, в разное время года, суток, метеообстановки, изменяющие параметры точности определения места даже одного и того же навигационного оборудования. В этой связи представляет интерес получить рекомендуемое время повторения обсервации с учетом случайно складывающихся внешних факторов [4].

Во второй главе диссертации показано, что на процесс навигационных измерений накладывается большое количество независимых факторов, изменяющихся случайным образом. В реальных условиях измерений на каждую навигационную величину воздействуют как частные, случайные факторы, имеющие место только в конкретном измерении, так и общие, систематические, повторяющиеся от измерения к измерению и определяемые многими причинами.

Количественной оценкой корреляционной зависимости i-го и j-го корреляционного момента этих измерений к произведению их полных средних квадратических погрешностей Пi = i 2 + 0 2 и Пj = j 2 + 0 2, где первые слагаемые – случайные, а вторые – систематические слагаемые погрешностей. Для равноточных навигационных измерений, характерных для рассматриваемой задачи и проводимых с интервалом времени t, коэффициент корреляции будет иметь вид:

Решая уравнение (5), можно определить случайную и общую составляющие погрешности как функции, так и коэффициента корреляции:

Известно, что для стационарного случайного процесса дисперсия оценки погрешности наивероятнейшего значения измеряемого параметра U оценивается по формуле:

Анализ выражения (7) позволяет сделать выводы относительно погрешности измерения, которая:

– складывается из случайной (первое слагаемое в числителе) и систематической (второе слагаемое) погрешностей;

– определяется интервалом времени t между измерениями;

– определяется коэффициентом корреляции R( ). t Для формирования оценки полученной зависимости рассмотрены два предельных значения коэффициента корреляции – единица и нуль.

1. Интервал времени t=0, коэффициент корреляции R ( t = 0) =1.

Погрешность оценки наивероятнейшего значения измеряемого параметра равна полной погрешности измерений:

2. Интервал времени t достаточно велик, так что R( t ) = 0. В этом случае погрешность оценки измеряемого параметра определяется иначе:

Сравнивая две последних формулы, можно сделать вывод, что при достаточно большом промежутке времени между измерениями (второй случай) дисперсия оценки при проведении n измерений оказывается в n раз меньше, чем при частых измерениях (первый случай), обеспечивая тем самым повышенную точность определения навигационного параметра.

Следовательно, для уменьшения погрешности измерений, обсервации необходимо проводить через такой интервал времени, когда отсутствует корреляционная связь между измерениями, а коэффициент корреляции близок к нулевому значению. Факт отсутствия в полной погрешности её общей составляющей является позитивным, поскольку в повседневной практике затруднительно отслеживать и компенсировать медленно появляющиеся источники подобных погрешностей.

Таким образом, если период проведения обсервации меньше интервала корреляции навигационных измерений, то компенсация случайных флуктуаций погрешностей производится с низкой эффективностью.

В этой связи, необходимо определить такое время обсервации, при котором коэффициент корреляции совокупности измерений был близок к нулевому значению. По-прежнему, для анализа используется статистическая база параметров определения местоположения систем DGPS/ДГЛОНАСС Азово-Черноморского бассейна. Прежде всего, выполнена проверка на стационарность путем расчета коэффициента корреляции для разных интервалов времени корреляции t и построения функции его изменения в зависимости от положения этого интервала на оси времени накопления навигационной базы [4]. Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы.

1. Коэффициент корреляции по мере увеличения промежутка измерений уменьшается от 0,97 (10 сек) до 0,05 и менее (более 10 мин).

2. По мере увеличения интервала корреляции степень связи двух множеств сравниваемых параметров уменьшается, и все более увеличиваются колебания коэффициента корреляции, подтверждая случайный характер информационной базы.

3. Линейность и неизменность тренда за время накопления данных усредненного значения коэффициента корреляции свидетельствует о том, что до величины t=10 мин база экспериментальных данных обладает свойством стационарности.

4. При величине промежутка измерений в 10 мин и более корреляционная связь настолько мала, что ощутимо проявляются флуктуационные явления, линия тренда приобретает нелинейность и процесс перестает быть стационарным.

Далее в работе рассчитано допустимое время обсервации с учетом минимизации коэффициента корреляции за время обработки, равное четырем часам [5, 6]. Предшествующий расчет коэффициента корреляции показал, что целесообразно исследовать периодичность измерений до 10 мин с шагом в 1 мин. Для уменьшения влияния случайных флуктуаций проведено усреднение временных выборок по одинаковым промежуткам между измерениями. Итог операции усреднения показан на рисунке 6.

Анализируя поведение усредненного по временным выборкам коэффициента корреляции, можно определить, что он уменьшается до нулевого значения при измерениях через промежуток времени в 5…6 мин.

Таким образом, при n измерениях координат судна с помощью дифференциальных подсистем ГЛОНАСС и GPS Азово-Черноморского бассейна с периодичностью не менее 5…6 мин статистическая оценка результата измерения будет реализована со средним квадратическим отклонением, в n раз меньшим, чем без учёта корреляционных зависимостей [6]. Однако не следует полагать, что увеличением числа измерений можно уменьшить погрешность измерений до сколь угодно малой величины. Вместе с увеличением количества измерений меняется текущие время и условия. Тем не менее, учет явления корреляции в измерениях способен принести ощутимую пользу для медленно движущихся морских объектов, а также там, где требуется фиксация на определенном месте: геологоразведка, подводные работы, работы по углублению дна, спасательные работы и т.п. Необходимо отметить, что расчет текущего периода обсервации целесообразно производить на оборудовании контрольнокорректирующей станции, имеющей требуемую базу статистических навигационных параметров, а трансляцию рекомендуемого периода обсервации судоводителю осуществлять либо по запросу, либо периодически через установленный интервал времени намного меньший интервала корреляции, например, средствами АИС [5, 7].

Рассмотренная выше задача уточняется с помощью теории выбросов рассматриваемого случайного процесса. В задаче определяется среднее время и вероятность того, что в течение этого времени навигационное радиооборудование DGPS/ДГЛОНАСС будет в состоянии обеспечить требуемую точность определения местоположения судна с заданной вероятностью (надежностью) при воздействии неблагоприятных случайных факторов. Иными словами в течение заданного времени не произойдет ни одного выхода (выброса) измеряемого параметра за допустимые границы погрешностей измерения с заданной вероятностью. Практический интерес представляет случай, когда появление последовательных выбросов можно считать независимыми "редкими" событиями и принять, что число выбросов в течение времени подчиняется закону Пуассона [8, 9].

Поскольку в рассматриваемой задаче корреляционная функция процесса может быть аппроксимирована в виде [10]:

то для нормального стационарного процесса вероятность непревышения уровня a имеет вид [9]:

В результате анализа полученных данных по определению местоположения морских объектов с помощью приведенных соотношений, получены следующие результаты:

– произведена аппроксимация корреляционной функции случайных ошибок DGPS/ДГЛОНАСС с использованием выражения k ( ) = e cos – определены параметры корреляционной функции = 4,807 10 3 сек-1, = 8,375 10 3 сек-1;

– определено время корреляции случайных ошибок, которое составило 300 сек;

вычислена вероятность Р=0,96 того, что ошибка не превысит а =1 м в течение времени t=8.3 мин, а в течение t=1 мин вероятность составила P=0.995.

Приведенная методика теоретической оценки вероятности случайных ошибок DGPS/ДГЛОНАСС по регистрируемым эмпирическим данным, позволяет вычислять надежность (вероятность) нахождения измеряемого параметра в течение времени t в заданных пределах точности.

В четвертой главе с помощью выбранной марковской модели выполнена оценка надежности эргатической системы приема и обработки навигационной информации, приведены структурная схема надежности, графы состояний дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена, позволяющие вычислить вероятности возможных состояний системы и выбрать такие параметры, при которых обеспечивалась бы максимальная надежность анализируемой системы.

радионавигационного оборудования, согласно Резолюции ИМО на судах реализовано его дублирование. Так, основным источником информации о местоположении судна является дублированный внешний судовой приемник ГНСС (GPS/ГЛОНАСС), используемый в навигационных целях и сопрягаемый с АИС. Встроенный в АИС приемник ГНСС обеспечивает временню синхронизацию аппаратуры АИС и является резервным источником информации о местоположении судна. Кроме того, обеспечено дублирование ЭКНИС, для чего могут быть использованы либо откорректированный комплект бумажных карт, либо еще одна дублирующая станция ЭКНИС, которая должна иметь сопряжение с основной станцией для обеспечения сохранности данных, прокладок и корректировок, выполненных на основной станции. При этом одной из основных проблем рассматриваемых технических средств является проблема надежности, поскольку она связана не только с экономико-техническим аспектом, но и обеспечением безопасности жизни людей.

В связи с тем, что новые сложные технические средства трудно воспринимаются человеком, привыкшим к стандартным, классическим процедурам, то в качестве достоверной доказательности применения новых технических средств необходима количественная оценка надежности как технических средств приема и обработки навигационной информации, так и эргатической системы "оператор–ГНСС–ЭКНИС–АИС".

На надежность радиоэлектронных систем, при длительности их эксплуатации, превышающей наработку системы до отказа, существенное влияние оказывают процессы старения и износа, т.е. постепенное ухудшение параметров системы (27% отказов) Избавиться от последействия отказов при этом, что противоречит условиям применимости марковской модели оценки надежности, можно путем изменения интенсивности отказов на каждом рассматриваемом интервале времени. При этом интенсивность отказов при постепенных отказах будет изменяться во времени по линейному закону (t ) = a + bt, где a – начальное изменение параметра, b – скорость изменения параметра [11, 12].

С учетом сказанного выше рассмотрена надежность технической части эргатической системы непрерывной обработки навигационной информации при движении судна. Надежностная схема рассматриваемой системы "ГНСС– ЭКНИС–АИС" с учетом применения нагруженного резервирования и восстановления приведена на рисунке 7.

АИС ГНСС

Рисунок 7 – Надежностная схема системы "ГНСС–ЭКНИС–АИС" В соответствии с надежностной схемой, приведенной на рисунке 7 и выбранной математической моделью марковских процессов, составлены граф состояний для рассматриваемой системы (рисунок 8) и система дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена (12):

Функция готовности рассматриваемой системы, надежностная схема которой приведена на рисунке 9., определяется выражением:

где P (t ), P (t ), P (t ), P (t ), P (t ), P (t ), P0 (t ), P3 (t ), P5 (t ), P7 (t ), P9 (t ), P 1 (t ), P 3 (t ) – вероятности нахождения системы в работоспособных состояниях.

Рисунок 9 – Функция готовности системы "ГНСС–ЭКНИС–АИС":

а) без восстановления; б) при времени восстановления отказавших элементов: 1 – время восстановления 24 час; 2 – время восстановления 100 час На рисунке 9 приведены функции готовности системы "ГНСС–ЭКНИС– АИС" без восстановления и для различных времен восстановления отказавших элементов системы.

Кроме этого, в главе была проведена оценка надежности эргатической системы "оператор – ГНСС–ЭКНИС–АИС", надежностная схема которой приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Надежностная схема эргатической системы "оператор – ГНСС–ЭКНИС– В соответствии с надежностной схемой, приведенной на рисунке составлены граф состояний (рисунок 11) и система дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена.

Рисунок 11 – Граф состояний эргатической системы "оператор – ГНСС–ЭКНИС–АИС" Функция готовности эргатической системы "оператор–ГНСС–ЭКНИС– АИС", надежностная схема которой приведена на рисунке 12 определяется выражением:

Рисунок 12 – Функция готовности эргатической системы "оператор – ГНСС– ЭКНИС–АИС" (для операторов различной квалификации 1 – чел = 7.2 10 1/час;

2 – чел = 5 10 1/час; 3 – чел = 9.4 10 1/час): а) без восстановления, б) с восстановлением (при времени восстановления 100 час) Таким образом, в четвертой главе, на основании выбранной модели оценки надежности разработаны надежностные схемы и графы состояний эргатической системы "оператор – ГНСС–ЭКНИС–АИС". Получены зависимости вероятностей безотказной работы системы "ГНСС–ЭКНИС– АИС" от времени для различных времен восстановления и без восстановления. Получены зависимости вероятностей безотказной работы эргатической системы "оператор – ГНСС–ЭКНИС–АИС" от времени для различных времен восстановления и операторов различной квалификации.

Из полученных вычислений следует, что система GPS по своим надежностным характеристикам, с учетом надежности "человека-оператора" не уступает и даже превышает существующие навигационные приборы, в частности РЛС.

В процессе выполнения диссертационной работы произведено накопление численных данных, полученных с помощью DGPS, выдающей поправки в Азово-черноморском регионе (Новороссийск, Темрюк, Керченский пролив). С целью увеличения надежности определения местоположения судов, проходящих по узкостям и проливам разработаны количественные методы обработки данных от DGPS в функции времени.

В частности, по полученным данным:

определена корреляционная функция для стационарного объекта;

введено понятие надежности определения координат судна и дана оценка вероятности возникновения больших отклонений от истинного местоположения.

Исходя из того, что новые сложные технические средства трудно воспринимаются людьми, привыкшими к стандартным, классическим процедурам, то в диссертации в качестве достоверной доказательности применения новых технических средств выполнены:

количественная оценка эксплуатационной надежности технической части навигационной системы "ГНСС–ЭКНИС–АИС" и получены соответствующие вероятности безотказной работы;

проведен математический анализ и оценка надежности эргатической системы "оператор–ГНСС–ЭКНИС–АИС" и получены соответствующие вероятности безотказной работы.

В целом сформулированные цели диссертации выполнены в полном объеме и полученные результаты доказывают справедливость исходной задачи.

Публикации по теме диссертации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Перечнем ВАК Минобрнауки России 1. Авдонькин Д.С., Юсупов Л.Н. Стохастизм навигационных измерений в системах ДГЛОНАСС и DGPS как фактор выбора периода обсервации // Транспортное дело России. – 2010.– №2. – С. 93 –96. (По перечню ВАК 1859, ред. 22.07.11) 2. Авдонькин Д.С., Лицкевич А.П., Демьянов В.В. Теоретическая модель обработки морской навигационной информации с целью определения пределов ухудшения ее точности // Транспортное дело России. – 2010. – №2.

С. 96 – 99. (По перечню ВАК 1859, ред. 22.07.11) 3. Лицкевич А.П., Авдонькин Д.С. Точность и надежность измерений местоположения судна с помощью дифференциальной подсистемы GPS с использованием теории пересечений случайным процессом заданного уровня // Эксплуатация морского транспорта. – 2011. – № 66. (По перечню ВАК 2091, ред. 22.07.11) 4. Лицкевич А.П., Авдонькин Д.С., Демьянов В.В. Марковские аппроксимации изменения качества навигационных приборов при фиксированных интенсивностях изменений параметров // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России:

материалы седьмой региональной научно-технической конференции. Ч.2.– Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2008.

5. Чернова А.И., Авдонькин Д.С. Средства контроля навигационной безопасности плавания на акватории Керченского пролива // Сборник научных трудов. Выпуск №13. – Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2009.

6. Юсупов Л.Н., Авдонькин Д.С. Особенности обсервационных измерений с использованием дифференциальной подсистемы навигационных систем ГЛОНАСС и GPS // Сборник научных трудов. Выпуск №13. – Новороссийск:

МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2009.

7. Юсупов Л.Н., Авдонькин Д.С. Обсервации с минимизацией погрешностей измерения навигационных параметров в системах ДГЛОНАСС и DGPS // Сборник научных трудов. Выпуск №13. – Новороссийск: МГА им.

адм. Ф.Ф. Ушакова, 2009.

8. Старжинская Н.В., Авдонькин Д.С., Демьянов В.В. Роль резерва времени на принятие решения судоводителем при прохождении узкостей и проливов // Сборник научных трудов. Выпуск №13. – Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2009.

9. Чернова А.И., Авдонькин Д.С. Развитие судовых радиоэлектронных средств обеспечения безопасности мореплавания // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: материалы IX региональной научно-технической конференции 17-18 декабря 2010 года.– Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010.

10. Юсупов Л.Н., Авдонькин Д.С. Корреляционные параметры навигационных данных DGPS/ДГЛОНАСС (для определения частоты обсерваций судна) // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: материалы IX региональной научнотехнической конференции 17-18 декабря 2010 года.– Новороссийск: МГА им.

адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010.

11. Авдонькин Д.С. Определение периодов контроля форматов АИС с целью обеспечения заданной надежности определения навигационных параметров движения судна в непрерывном режиме // Сборник научных трудов. Выпуск №15. – Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010.

12. Старжинская Н.В., Авдонькин Д.С. Анализ надежности по постепенным отказам системы непрерывной обработки навигационной информации при движении судна // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: материалы региональной научно-технической конференции 17-18 декабря 2010 года. – Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.

Ушакова, 2010.

Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФБОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»