Возможности определения дополнительных составляющих вектора положения судна

37

6. ВОЗМОЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ВЕКТОРА ПОЛОЖЕНИЯ СУДНА

6.1. Замечания о терминологии.

Развивающаяся отрасль техники, какой является РНС, еще не завершила формирование всех терминов, что вызывает  определенные затруднения (как в п. 5.1). На современном уровне развития еще трудно дать конструктивные жесткие формулировки  совокупности всех терминов РНС. Остановимся на констатации особенностей терминов, касающихся содержания пособия.

6.1.1. Наиболее приоритетные в области радио термины изложены в статьях Регламента радиосвязи /18/. Системы и устройства радионавигации должны (в соответствии со статьями S1.9 и  S1.10 из /18/) осуществлять радиоопределение местонахождения, скорости и/или других характеристик объекта, или получение информации относительно этих параметров посредством  свойств распространения радиоволн при условии, что это радиоопределение используется для целей навигации, включая предупреждение о препятствиях. Эти же системы используются и в целях гидрографии, управления и предупреждения столкновений транспортных средств, разведки полезных ископаемых, геодезии, службы единого времени, вооруженных сил и др., причем обычно (следуя смыслу, но нарушая статью S1.11 из /18/) также называются радионавигационными (РНС).

6.1.2. Термины /18/ не подвергались существенной коррекции почти полвека и  базируются не на всех достижениях техники РНС (и смежных отраслей). Поэтому представляется целесообразным  определить  совокупность результатов радиоопределения целесообразно обобщить обобщенным термином вектор положения судна. Подобное обобщение десятилетиями реализуется в системах управления термином вектор состояния (/19/, с.126).

 6.1.3. В предыдущих разделах  рассмотрены алгоритмы, позволяющие определить обычно используемые составляющие вектора положения:

1)  координаты (выбранной в качестве начальной) точки судна,

2)  их производные (т.е. путевая скорость и путевой угол),

3)  поправки к местной шкале времени,

4)  параметры угловой ориентации судна (истинный курс, крен, дифферент).

6.1.4. Перечень всех составляющих вектора положения, очевидно, не может быть ограничен указанными в п.6.1.3. В /11/ и /17/ выявлены принципиальные  возможности определения  следующих составляющих:

5)  параметров положения мгновенной оси вращения судна (ансамбль таких осей может использоваться и для оценки координат центра масс судна),

6) разность между длинам намеченной и истинной траектории движения.  До изложения принципов этих определений необходимо сначала расширить и конкретизировать представления о судовой системе координат.

 6.2. Понятия о судовой «строительной» системе координат.

 6.2.1. В процессе строительства и сдаточных испытаний на каждом судне должна фиксироваться судовая  ортогональная система координат с горизонтальной, продольной и поперечной плоскостями, пересекающимися по поперечной, продольной и вертикальной осям с точным указанием начальной точки отсчета. На верткальной оси фиксируются и точки («метацентрические высоты») ее пересечения с горизонтальными

38

плоскостями ватерлиний, соответствующими разным плотностям забортной воды. В этой «строительной» системе координат максимально точно  фиксируются как местоположения приемных антенн спутниковых РНС, так и излучателей и/или приемных «антенн» эхолотов, РЛС и т.п. 

6.2.2. Если относительные местоположения трех-четырех приемных антенн в «неподвижной» (пусть - горизонтной) системе координат известны (измерены практически точно по СРНС), то легко определяются и горизонтные координаты начальной точки судовой «строительной» системы координат даже без расчета /11,17/ параметров матрицы угловой пространственной ориентации. Достаточно составить систему трех уравнений, которые окажутся нелинейными при трех антеннах и линейными при четырех антеннах. Таким образом, горизонтные координаты начальной точки «строительной» судовой системы координат на любой момент времени при дальнейшем рассмотрении могут полагаться известными.

6.3. Задача местоопределения центра масс судна в движении.

Модель движения судна как твердого тела в пространстве  обычно включает описание поступательного (непрерывно текущего) изменения местоположения центра масс. Причем этот центр масс должен играть роль начальной точкой двух подвижных координатных систем: 1) с базовым репером (ортов трех осей координат), параллельных ортам горизонтной системы и 2) «связанной» системы, орты базового репера которой параллельны ортам репера строительной системы.

6.3.1.  Ясно, что эта модель движения требует возможно более точного знания координат центра масс судна. Однако пока не существует оперативного инструмента для оценки  положения центра масс. В процессе строительства и сдаточных испытаний могут отрабатываться алгоритмы расчета судовых координат центра масс и положения оси вращения судна при некоторых штатных разновидностях груза.          Эти меры не могут быть достаточными в экстремальных ситуациях аварийного судна, когда для оценки  остойчивости судна важно знать положение центра масс относительно точки метацентрической высоты. В общем случае перемещений судна с работающими двигателями решить эту задачу затруднительно.

 6.3.2. Возможность создания высокоточного оперативного инструмента  для местоопределения ценра масс рассмотрим сначала на примере идеализированных условий эксперимента (который можно воспроизвести при сдаточных испытаниях) с выключенными двигателями, когда центр масс и ось вращения корпуса совпадают. Лишь после решения подобных задач можно пытаться ставить задачу учета влияния работающего двигателя. 

      Пусть в условиях эксперимента судно имеет лишь бортовую качку. Такую ситуацию можно воссоздать на невзволнованной поверхности моря (путем резкого сброса первоначально натянутого причального конца и т.п.) Проведем за полупериод качки сверхточные определения текущих координат точек траекторий движения трех-четырех закрепленных на судне приемных антенн (зондов). Найдем аналитическое выражение для этих отрезков траекторий. По известным формулам определим положение центров  кривизны отрезков траекторий на фиксированный момент времени. Прямая, проходящая через  эти центры кривизны и будет являться продольной осью вращения на данный момент времени. Изменив  условия эксперимента и добившись лишь килевой качки можно найти положение поперечной оси вращения. Точка пересечения найденных продольной и поперечной осей дадут положение центра масс корпуса судна.

39

6.3.3. При одновременно существующих бортовой и килевой качках необходимо базироваться на  /11,17/, где весь процесс определения параметров оси вращения судна разбивается на четыре этапа. Сначала реализуется алгоритм определения текущих параметров угловой пространственной (направляющих косинусов) осей судовой системы координат относительно горизонтной системы. На втором этапе находится ориентация мгновенной оси вращения судна в горизонтной системе координат с использованием выявленной функциональной связи орта этой оси с происшедшими за небольшой интервал времени изменениям текущих элементов найденной на первом этапе матрицы. Затем находятся центры кривизны траекторий перемещения приемных антенн, а наиболее правдоподобное положение оси вращения судна определяется так, чтобы сумма квадратов кратчайших расстояний всех центров до этой оси было минимальной. На четвертом этапе определяются параметры ориентации оси вращения судна в судовой системе координат.

Статьи /11,17/ доказывают реальность решения проблемы в теоретическом плане,  содержат  лишь подступы к созданию реальных алгоритмов. Необходимо cравнить показатели использования различных возможных вариантов отдельных блоков алгоритмов. Следует детально сравнить  варианты размещения и расположения приемных антенн и методы обеспечения однозначности фазовых измерений как в обычно используемых интерферометрах так и в «квазиинтерферометрах», рассмотренных в упомянутых статьях.  Необходимо разработать программы для ПЭВМ и выполнить численное моделирование. Необходимо количественно оценить достижимые точности.

Необходимо серьезное исследование  возможностей определения центра масс судна при различных режимах работы двигателя и рулевого устройства. Дело в том, что даже в простом случае перемещения судна при работающих двигателях и при отсутствии качки ось вращения может находиться    вне корпуса. Например, когда судно переходит с одного линейного участка на другой линейный участок по аппроксимируемому окружностью отрезку циркуляции. В этом случае вертикальная ось вращения находится в центре окружности, т.е. в центре кривизны отрезка циркуляции. Только на базе теории реальных процессов движения судна можно пытаться  разработать рекомендации (по выбору подходящих режимов работы двигателей и ориентации корпуса судна относительно волнения моря) для достижения результатов, подобных получаемым в п.6.3.2.

Эти темы  могут разрабатываться  в исследовательских дипломных и аспирантских работах.

 6.4. Оценка разности длин намеченной и фактической траекторий судна.

Под длиной участка намеченной траектории можно понимать результат измерения протяженности линейного отрезка между достаточно разнесенными двумя точками маршрута, преодолеваемого судном за длительные интервалы времени (включающие несколько периодов  рыскания). При отсутствии рыскания фактическая линейная траектория совпадает с намеченной траекторией. При рыскании длина фактической траектории  находится как сумма секундных «дельта» отрезков между определяемыми каждую секунду местоположениями. 

Для количественных оценок в /11/ фактическкая траектория аппроксимировалась подходящими периодическими  функциями. Использовались  параметры рыскания для судов среднего тоннажа при волнении 4–5 баллов. Показано, что на 1 км пути разность фактической и намеченной траекторий (около 1,5 м) на два порядка превышает среднеквадратическую погрешность измерения этой разности. Таким образом есть веские основания полагать, что алгоритм измерения разности истинной и намеченной тра-

40

екторий  движения  судна дает достаточно высокую  (для возможных приложений)  точность. Однако необходима подтверждение  этого вывода на более реальных (чем в /11/) моделях движения.

Подобные исследования также можно проводить в дипломных и аспирантских работах.