УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЛНЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/88 G01C21/00 

Изобретение относится к области навигации, а более конкретно к измерению параметров волнения посредством устройств, представляющих собой радиотехническое неконтактные измерители.

Известные устройства (А.А. Загородников. Радиолокационная съемка морского волнения. Л., Гидрометеоиздат, 1978, с.141-158 [1]) содержат приемник и передатчик когерентной РЛС, стробирующее устройство, схему получения доплеровской частоты, частотомер, запоминающее устройство, корректирующий фильтр и спектроанализатор. Принцип работы которых заключается в облучении морской поверхности электромагнитными волнами, приема отраженных сигналов, выделения сигнала с заданной фиксированной дальностью, измерения доплеровской частоты, преобразование доплеровской частоты в напряжение, фиксирование этого напряжения в запоминающем устройстве и далее через корректирующий фильтр подается на спектроанализатор.

Существенным недостатком данных устройств является длительный период измерения порядка 20 мин, что может оказаться недопустимым для оперативного получения данных о волнении, а также необходимость фиксации облучаемой площади моря позволяет реально применять эти устройства только с вертолетов либо других летательных аппаратов, имеющих режим висения. Точность измерения данных устройств невелика, что требует выполнения нескольких серий измерения.

Известно также устройство (Определение параметров волнения совмещенной системой измерения скорости судна и высоты волн / Ванаев А.П., Чернявец В.В. - Судостроение №8-9, 1993 с.6-8 [2]), состоящее из антенны, приемопередатчика, блока измерения высоты, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя, устройства для определения направления прихода волн, схемы определения флюктационной составляющей скорости, вычислителя угла встречи с волной, позволяющее оперативно измерить параметры волнения не только с летательных аппаратов, имеющих режим висения, но и с борта любых подвижных морских объектов.

Однако известное устройство [2] измеряет относительную высоту; определяемую разностью текущей высоты борта и возвышения профиля волны, что существенно препятствует достижению точности измерения параметров волнения. На точность измерения данного устройства оказывают влияние внешние возмущения, вызываемые качкой судна.

Аналогичные недостатки имеют, также известные устройства измерения параметров волнения (авторское свидетельство SU №662888 A1, 15.07.1979 [3], авторское свидетельство SU №1788484 A1, 15.01.1993 [4], патент FR №2275777 A1, 20.02.1976 [5]). Известно также устройство измерения параметров волнения, состоящее из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя, схемы определения флюктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислителя угла встречи с волной, в котором антенна входом и выходом соединена с входом и выходом приемопередатчика, который двумя выходами соединен с двумя входами блока измерения высоты, который двумя выходами соединен с вычислителем и этими же выходами соединен с двумя входами вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн и еще двумя выходами соединен с устройством для определения направления прихода волн, выход которого соединен с входом вычислителя угла встречи с волной, два других входа которого соединены соответственно с выходами вычислителя, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн и еще два входа устройства для определения направления прихода волн соединены с двумя выходами схемы определения флюктуационной составляющей скорости, которая двумя входами соединена с двумя выходами блока измерения скорости и еще двумя входами соединена с двумя выходами измерителя доплеровской частоты, который этими же выходами соединен с двумя входами блока измерения скорости, а измеритель частоты Доплера двумя входами соединен с еще двумя выходами приемопередатчика, измерительного модуля и блока коррекции, который своими входами соответственно соединен с выходами вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя угла встречи с волной, блока измерения скорости и двумя выходами измерительного модуля, который входом соединен с выходом блока измерения скорости, который еще двумя входами соединен с теми же выходами приемопередатчика, что и измеритель частоты Доплера, а выход блока коррекции является выходом устройства (патент RU №2137153 C1, 10.09.1999 [6]. Недостатком известного устройства измерения параметров волнения, что достижение технического результата, заключающегося в повышение точности измерения параметров волнения, в частности высоты волн и курсового угла прихода волн возможно только для морских объектов, практически не имеющих контакта с морской поверхностью (экранопланы, гидросамолеты и т.п.) и не подверженных влиянию качки. Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей устройств измерения параметров волнения с борта подвижных морских объектов, с одновременным уменьшением факторов влияния качки на результаты измерений.

Поставленная задача решается за счет того, в устройство измерения параметров волнения, состоящее из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя, схемы определения флуктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислителя угла встречи с волной, в котором антенна входом и выходом соединена с входом и выходом приемопередатчика, который двумя выходами соединен с двумя входами блока измерения высоты, который двумя выходами соединен с вычислителем и этими же выходами соединен с двумя входами вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн и еще двумя выходами соединен с устройством для определения направления прихода волн, выход которого соединен с входом вычислителя угла встречи с волной, два других входа которого соединены соответственно с выходами вычислителя, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн и еще два входа устройства для определения направления прихода волн соединены с двумя выходами схемы определения флуктуационной составляющей скорости, которая двумя входами соединена с двумя выходами и блока измерения скорости и еще двумя входами соединена с двумя выходами измерителя доплеровской частоты, который этими же выходами соединен с двумя входами блока измерения скорости, а измеритель частоты Доплера двумя входами соединен с еще двумя выходами приемопередатчика, измерительного модуля и блока коррекции, который своими входами соответственно соединен с выходами вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя угла встречи с волной, блока измерения скорости и двумя выходами измерительного модуля, который входом соединен с выходом блока измерения скорости, который еще двумя входами соединен с теми же выходами приемопередатчика, что и измеритель частоты Доплера, дополнительно введены блок антенн приема спутниковых сигналов, приемник спутниковых сигналов, функционально-логический блок, монитор, при этом блок антенн приема спутниковых сигналов своими выходами соединен с входами приемника спутниковых сигналов, который своим выходом соединен с входом функционально-логического блока, который еще двумя входами соединен с двумя выходами блока коррекции, а своим выходом соединен с входом монитора, при этом монитор выполнен в виде многофункционального дисплея с возможностью формирования 3D-изображения с постоянным трехмерным представлением данных и загрузкой спутниковыми снимками морской поверхности, приемник спутниковых сигналов содержит четыре канала приема спутниковых сигналов для измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, функционально-логический блок содержит навигационный фильтр для моделирования движения судна.

Блок-схема предлагаемого устройства представлена на чертеже (фиг.1): антенна 1, приемопередатчик 2, блок измерения высоты 3, измеритель частоты Доплера 4, блок измерения скорости 5, вычислитель высоты волн и фазовой скорости волн 6, вычислитель 7, устройство для определения направления прихода волн 8, схема определения флюктуационной составляющей скорости 9, вычислитель угла встречи с волной 10, измерительный модуль 11, блок сопряжения 12, блок антенн 13 приема спутниковых сигналов, приемник 14 спутниковых сигналов, функционально-логический блок 15, монитор 16.

На чертеже (фиг.2) показана схема для определения параметров движения точки корпуса 17 судна в месте установки антенн 1. Позиция 13 - антенна приема спутниковых сигналов

Принцип действия и схемные решения блоков 1-12 аналогичны принципу действия и схемным решениям прототипа [6].

Антенна 1 представляет собой волноводно-щелевую антенну с рабочим раскрывом 325×310 мм, образованный 29-ю излучающими алюминиевыми волноводами с наклонными щелями на узкой стенке. Запитка излучающих волноводов осуществляется двумя поперечными волноводами со щелями и обеспечивает получение с одного раскрыва четырех лучей излучения с шириной диаграммы направленности 4°, 5. Антенна также включает волноводный тракт с циркулятором, элементы нагрузки.

Приемопередатчик 2 состоит из генератора сверхвысокой частоты, фильтра-резонатора, диодного смесителя, усилителя, блока автоматической подстройки зоны генератора, модулятора, синхронного детектора.

Блок измерения высоты 3 состоит из схемы установки начальной высоты, интегратора и преобразователя "напряжение-код".

Измеритель частоты Доплера 4 состоит из блока фильтров доплеровских частот, блока формирователей, схемы спорных частот, схемы коммутации, электронного сумматора доплеровских частот, блока выходных делители.

Блок измерения скорости 5 состоит из инвертора, дифференцирующей цепи, формирователя, двух триггеров, сумматора, усилителя.

Вычислитель высоты волн и фазовой скорости волн 6 состоит из схемы выделения флюктуационной составляющей, схемы выпрямления, усилителя-ограничителя, интегратора, преобразователя "напряжение-код".

Вычислитель 7 состоит из интегратора, включающего схему И, интегратора, порогового устройства, схемы выделения знаков, включающую сумматор, пороговое устройство, и преобразователя углов, включающего схему занесения знака в код и схему вычисления знака.

Устройство для определения направления прихода волн 8 состоит из схемы И, сумматора, преобразователя аналог-цифра, делителя, умножителя, функционального вычислителя.

Схема определения флюктуационной составляющей скорости 9 состоит из преобразователя частота-напряжение, схемы выделения флюктуационной составляющей, усилителя-ограничителя.

Вычислитель угла встречи с волной 10 состоит из инвертора знака, схемы коммутации, сумматора, вычитающего устройства.

Измерительный модуль 11 состоит из ньютометра и аналого-цифрового преобразователя. Ньютометр описан в кн. В.Д.Андреев. Теория инерциальной навигации. М., Наука, 1966, 580 с. - с.16-21.

Аналого-цифровой преобразователь представляет собой интегрирующий преобразователь, в котором такты интегрирования регулирует схема синхронизации и управления, связанная с выходом второго компаратора. В первом такте входной сигнал (верхнее положение переключателя) интегрируется в течение фиксированного интервала времени, определяемого схемой синхронизации и управления. Во втором такте (нижнее положение переключателя) на вход интегратора подается сигнал спорного напряжения. Время интегрирования во втором такте переменно и определяется моментом равенства нулю выходного напряжения интегратора. Аналоги описаны в кн. Ю.М. Смирнов, Г.И. Воробьев. Специализированные ЭВМ. М., Высшая школа, 1989. - 144 с., с.72-87.

Блок коррекции 12 состоит из коммутатора, электронного сумматора, микропроцессора, преобразователя "частота-код", преобразователя "напряжение-код", схемы сравнения, выходного блока.

Микропроцессор собран на базе комплекта БИС К1804 (Комплект БИС К1804 в процессорах и контроллерах) В.М. Мещеряков, И.Е. Лобов, С.С. Глебов и др. - Под ред. В.Б. Смолова / М.: Радио и связь, 1990. - 256 с.).

Блок антенн 13 приема спутниковых сигналов включает, по крайней мере, пять антенн, две из которых установлены в местах размещения антенн 1, еще одна антенна установлена в центре тяжести судна, две другие антенны установлены в носовой и кормовой частях судна, соответственно.

Приемник 14 спутниковых сигналов представляет собой мультисистемный многоканального программного приемника реального времени сигналов электромагнитных волн состоит из антенно-фидерного устройства, аналогового радиоприемного тракта со средством преобразования частоты спутниковых сигналов, вычислительной платформы в виде системы на кристалле SoC, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), блока предварительной обработки сигналов, специализированного сигнального процессора с векторно-матричным сопроцессором для быстрой свертки сигнала при поиске, специализированного сигнального процессора с векторно-матричным сопроцессором, который подготавливает исходные данные для быстрой свертки сигнала, блока оперативной памяти и памяти программ, процессора общего назначения, интерфейсного блок, шины внутрисистемного обмена информацией.

Вычислительная платформа в виде системы на кристалле System on Chip (SoC), включает процессор общего назначения, функции которого заключаются в решении навигационных уравнений и обслуживанием интерфейсов, два специализированных сигнальных процессора с векторно-матричными сопроцессорами предназначены для полной программной обработки в реальном времени вышеперечисленных сигналов, причем первый осуществляет быструю свертку сигнала при поиске, а второй подготавливает исходные данные для быстрой свертки сигнала.

Специализированные сигнальные процессоры с векторно-матричным сопроцессором (например типа NM6403, NM6404 московского НТЦ «Модуль») отличаются от процессоров общего назначения (в том числе и сигнальных) тем, что имеют дополнительный векторно-матричный сопроцессор с размером матрицы не менее 64×64, где аппаратно реализованы операции умножения с накоплением. Эти специализированные сигнальные процессоры с векторно-матричным сопроцессором идеально подходят для цифровой фильтрации сигналов - умножения их отсчетов на весовые коэффициенты и накопление результатов. В частности, очень быстро - несколько умножений с накоплением за один машинный такт - решается задача вычисления корреляции входного сигнала с ожидаемым - отсчетов взаимнокорреляционной функции для поиска сигналов и их сопровождения по задержке.

Кроме того, на этом же кристалле (в составе вычислительной платформы) дополнительно реализуют блок предварительной обработки сигналов (БПОС), который выполняет функции аппаратной поддержки программной обработки радиосигналов. В БПОС реализованы цифровые режекторные фильтры узкополосных помех с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры). Здесь же реализованы буферизация и когерентное накопление оцифрованных выборок сигналов на интервалах времени, задаваемых программно, схемы предварительной сортировки цифровых отсчетов сигнала и квадратор для построения частотной панорамы с использованием спектральных методов на основе алгоритма быстрого преобразования Фурье.

Кроме того, в вычислительной платформе, выполненной в виде SoC, размещают также аналого-цифровые преобразователи АЦП входных сигналов, необходимые для работы блоки памяти оперативной и программ, интерфейсный блок, шины внутрисистемного обмена информацией. Приемник 14 спутниковых сигналов может использовать сигналы навигационных систем и систем их поддержек GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, SBAS и GBAS.

Функционально-логический блок 15 содержит модуль сопряжения с судовой системой управления движением и судовым комплексом гидрометеорологической информации, модуль программного обеспечения, вычислительный блок, навигационный фильтр.

Модуль сопряжения содержит приемное устройство, множитель, блок формирования восстановленного сигнала перекладки руля, блок формирования сигнала скорости перекладки руля, блок формирования модели рулевого привода, сумматоры, интеграторы, вычислитель, который собран на основе микропроцессора DSP-процессора, работающего под управлением встраиваемой операционной системы «UCLinux», устройство приема сигналов от судового комплекса гидрометеорологической информации (скорость и направление ветра и течения, снимки подстилающей поверхности). Модуль программного обеспечения содержит математическую модель судна, учитывающую управляющее воздействие руля, действующие на судно возмущения, а также факторы, изменяющие динамику судна - загрузку, изменение мощности, скорость судна.

Вычислительный блок построен на основе процессора Intel Core2Duo.

При плавании в сложных гидрометеорологических условиях, на основе полученных спутниковых данных высокого разрешения типа ASTER или SRTM данного района плавания от судового комплекса гидрометеорологической информации, посредством программ моделирования водной поверхности типа Hydrax, атмосферных и астрономических явлений типа Skyx производится рендеринг окружающей обстановки, посредством программы PhysX восстанавливают топологию корпуса судна, путем построения цифровой модели корпуса судна по сечениям корпуса судна по шпангоутам, моделируют динамику судна с учетом волнового и ветрового воздействия.

Монитор 15 представляет собой, многофункциональный дисплей морского исполнения с диапазонами входов RGB, цифровые видеоинтерфейсы DVI-D, 3NTSC/PAL и т.п.

Устройство работает следующим образом. Аналогично, как и в прототипе [6] осуществляется формирование и обработка сигналов (блоки 1-12), в результате которой на выходе блока сопряжения получают значения высоты волны и угла прихода волны, которые далее поступают на функционально-логический блок 15, одновременно на функционально-логический блок поступают сигналы с приемника 14 спутниковых сигналов.

Для повышения достоверности и уменьшения погрешности при определении высоты волн и угла прихода волн, поскольку в измерительном модуле 11 обеспечивается измерение собственных усредненных вертикальных перемещений судна, привязанных к центру тяжести судна, на функционально-логический блок 15 поступают сигналы с приемника 14 спутниковых сигналов, что позволяет определить координаты точки корпуса судна в месте установки антенн 1 и позволяет с высокой точностью определять элементы движения корпуса судна в месте установки антенн 1.

Сигналы спутниковых навигационных систем (СНС), могут быть получены с точностью как обычных, так и специальных спутниковых навигационных приемников (СНП) для решения различных прикладных задач. В зависимости от требуемой точности навигационного обеспечения их можно разделить на три группы:

- задачи, обеспечиваемые штатным навигационным режимом СНС;

- задачи, обеспечиваемые дифференциальным режимом СНС;

- задачи, требующие относительного позиционирования.

Штатный навигационный режим предполагает использование измерительной информации только от СНС. Из кодовых измерений (псевдодальностей) обычно формируют опенки координат объекта с автоматическим исключением систематической ошибки измерений (расхождение системной шкалы времени и шкалы СНП). Данная ошибка является проявлением специфики бззапросного метода спутниковой навигации (псевдодальномерный метод) и исключается оцениванием ее в расширенном векторе координат. Одним из простейших алгоритмов решения задачи абсолютного позиционирования является способ наименьших квадратов (Волосов П.С., Дубинко Ю.С. и др. Судовые комплексы спутниковой навигации. - Л.: Судостроение, 1983. - 272 с.):

$$\Delta X={(H^{T}H)}^{-1}{H}^{T}L,\text{ (1)}$$

где ΔX - вектор поправок к счислимым координатам, т.е. к координатам точки, относительно которой произведена линеаризация уравнений измерений;

L - вектор разностей измеряемых и счислимых значений навигационных параметров;

H - матрица частных производных псевдодальностей по оцениваемым параметрам $$H=\Vert h_{ji}\Vert$$ (здесь индекс i соотносит переменные с оцениваемыми параметрами, j - с номерами спутников).

Элементы матрицы h_ji (i=1, 2, 3) представляют собой направляющие косинусы линии визирования спутников, а при i=4 h_ij=1.

Решение навигационной задачи по формуле (1) реализует декомпозицию полного вектора состояния (координаты и скорости) на координатный и скоростной подвекторы и полного вектора измерений (псевдодальности и псевдоскорости) также на два подвектора: кодовый и фазовый.

Следовательно, из псевдодоплеровских измерений получают оценки проекций вектора скорости. Систематической ошибкой здесь выступает скорость изменения расхождения шкал времени, вызванная главным образом нестабильностью опорного генератора спутникового навигационного приемника (СНП). Матрица $$\Vert h_{ji}\Vert$$ при этом изменений не претерпевает.

Дифференциальный режим в СНП предполагает формирование в наземной контрольно-корректирующей станции (ККС), координаты которой геодезически с высокой точностью привязаны к местности, поправок к измеренным значениям дальностей, вызванных ошибками прогноза эфемеридной информации (ЭИ), задержками в тропосфере и ионосфере(для одночастотного СНП), передачу их потребителям, находящимся в зоне функционирования ККС в радиусе до нескольких десятков - сотен километров, и учет этих поправок в СНП при решении навигационной задачи.

Тем не менее, оба этих режима ни функционально, ни по уровню точности непригодны для решения определения параметров движения элементов корпуса судна с требуемой точностью, а также для решения задач определения наклонов морской поверхности.

Определение текущей скорости корпуса судна по сигналам СНС представляет собой довольно сложную задачу, особенность которой заключается в том, что по сигналам СНС удается измерить координаты точки корпуса, совмещенной с фазовым центром антенны (ФЦА) спутниковой навигационной аппаратуры. Эта точка участвует в сложном поступательном и вращательном движении.

Задача определения параметров движения корпуса судна может быть представлена следующим образом. Пусть корпус 17 (фиг.2) с центром качаний M, произвольно заданной точкой N и фиксированной точкой A, совмещенной с ФЦА, участвует в поступательном движении с линейной скоростью $$\overline{V}$$ и вращается вокруг мгновенного центра качаний с угловой скоростью $$\overline{{\omega }_k}$$ Линейная скорость точек A и N в условиях сложного движения обозначена векторами $${\overline{V}}_A$$ и $${\overline{V}}_N$$ . Положение точек А, N и M относительно центра Земли обозначено векторами $${\overline{R}}_A$$ , $${\overline{R}}_M$$ и $${\overline{R}}_N$$ . Точки А и N фиксированы относительно корпуса 17, а положение точки M в процессе динамического движения непрерывно меняется. Векторы $${\overline{R}}_A$$ и $${\overline{V}}_A$$ определяются координатами и составляющими скорости точки A, вырабатываемыми СНП. Пренебрегая в данном случае нежесткостью несущих конструкций антенного устройства СНП и корпуса 1, на основании известного выражения для вектора скорости твердого тела при сложном движении (Ривкин С.С. Определение линейных скоростей и ускорений качки корабля инерциальным методом. - Л.: ЦНИИ «Рубин», 1980. - 180 с.) следует, что:

$${\overline{V}}_A={\overline{V}}_M+{\overline{r}}_k{\overline{\omega }}_k{\overline{V}}_N={\overline{V}}_M+{\overline{\omega }}_k{\overline{r}}_N.\left(2\right)$$

Скорость точки M, положение которой неопределенно меняется, выразиться в виде разностей:

$${\overline{V}}_M={\overline{V}}_A-{\overline{\omega }}_k{\overline{R}}_A;{\overline{V}}_M={\overline{V}}_N-{\overline{\omega }}_k{\overline{r}}_N.\left(3\right)$$

Из данного выражения получим значение для вектора скорости заданной точки корпуса 17:

$${\overline{V}}_N={\overline{V}}_A+{\overline{\omega }}_k\left({\overline{r}}_N-{\overline{r}}_A\right)={\overline{V}}_A+{\overline{\omega }}_k{\overline{r}}_N\left(4\right)$$ .

Поскольку выражении (3) и (4) свободны от параметров движения и положения мгновенного центра качаний M, они могут быть использованы для пересчета измеренной по сигналам СНС информации в заданную точку.

Из выражения (2) следует, что для определения вектора скорости заданной точки корпуса 1 по данным СНС дополнительно к $${\overline{V}}_A$$ необходимо знать относительное положение заданной точки и антенны $$\left({\overline{r}}_k\right)$$ 13, а также угловую скорость вращения корпуса 17 судна $$\left({\overline{\omega }}_k\right)$$ . Решение данного вопроса возможно посредством описания положения точки M через A и N:

$${\overline{R}}_M={\overline{R}}_A-{\overline{r}}_A;{\overline{R}}_M={\overline{R}}_N-{\overline{r}}_N\left(5\right)$$ .

Из формулы (5) получим выражение, определяющее положение заданной точки корпуса судна:

$${\overline{R}}_N={\overline{R}}_A-{\overline{r}}_A+{\overline{r}}_N={\overline{R}}_A-{\overline{r}}_A.\left(6\right)$$ .

Поскольку выражения (2) и (3) свободны от параметров движения и положения мгновенного центра качаний М, они могут быть использованы для пересчета измеренной по сигналам СНС информации в заданную точку.

Представив выражения (2) и (3) в проекциях на оси топоцентрической системы координат с началом в точке A, получим:

$$\begin{array}{l}{V}_{NX}=V_{AX}+{\omega }_{ky}{r}_x-{\omega }_{kx}{r}_y;R_{NX}=R_{AX}-r_x=-r_x;\\ V_{Ny}=V_{Ay}+{\omega }_{kx}{r}_x-{\omega }_{kx}{r}_x;R_{Ny}=R_{Ay}-r_y=-r_y;\\ V_{NX}=V_{AX}+{\omega }_{ky}{r}_y-{\omega }_{ky}{r}_x;R_{NX}=R_{AX}-r_x;\end{array}\}\left(7\right)$$

Методика расчета параметров движения морского объекта в условиях нерегулярной качки детально разработана в работах (Ривкин С.С. Определение линейных скоростей и ускорений качки корабля инерциальным методом. - Л..: ЦНИИ «Рубин», 1980. - 180 с. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C. Шибшевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др. - М.: Радио и связь, 1982 - 272 с.) и позволяет вычислить статистические характеристики погрешностей навигационных определений по сигналам СНС.

Учитывая малые размерения и равные соотношения величины антенны, определение координат места точки корпуса 17 и составляющих скорости его движения целесообразно проводить по квазидальномерным или квазидоплеровским измерениям. Использование одновременных измерений дальности и радиальной скорости позволяет по такой выборке определить не только координаты, но и составляющие скорости движения точки корпуса 17 судна. Для нахождения всех неизвестных параметров нет необходимости решать систему уравнений, так как используя метод декомпозиции при определенных условиях, можно упростить задачу и перейти к независимому решению двух уравнений, дающих, соответственно, координаты и составляющие вектора скорости корпуса 17. Условием применения декомпозиции является отсутствие откликов измеряемых величин на изменения некоторых из определяемых параметров. Известно, что при одномоментных измерениях составляющие скорости определяются только по доплеровским измерениям. В тоже время для орбит навигационных спутников системы ГЛОНАСС можно считать, что доплеровские измерения слабо откликаются на изменения координат, вследствие чего координаты определяются практически только по квазидальномерным измерениям. Следовательно, без потери точности обработку дальномерно-доплеровских измерений можно производить в два этапа. На первом этапе по результатам квазидоплеровских (разностно-доплеровских) измерений оценивают составляющие скорости его движения. На первом этапе могут быть использованы дальномерный, разностно-дальномерный и квазидальномерный алгоритмы (Бортовые устройства спутниковой радионавигации / Н.В. Кудрявцев, И.И. Мищенко, А.И. Волынкин и др. - М.: Транспорт, 1988 - 201 с.) На втором этапе оценка составляющих скорости корпуса 17 судна сводится к решению следующих уравнений:

- при доплеровских измерениях $$R_i=\stackrel{-1}{r_i}\left[\left(x_{ci}-x\right)\left({\dot{x}}_{ci}-\dot{x}\right)+\left(y_{ci}-y\right)\left({\dot{y}}_{ci}-\dot{y}\right)+\left(z_{ci}-z\right)\left({\dot{z}}_{ci}-\dot{z}\right)\right],i=1,2,3\left(8\right)$$

- при разностно-доплеровских измерениях $$\Delta {\dot{r}}_{j1}={\dot{r}}_j-{\dot{r}}_1,i=1,2,3\left(9\right)$$

при квазидоплеровских измерениях $${\dot{r}}_i={\dot{r}}_i+\delta {\dot{r}}_f\left(10\right)$$

где $$\delta {\dot{r}}_f$$ - поправка радиальной скорости за счет расхождения частот генераторов приемника 14 и спутника.

Системы уравнений (8-10) относительно составляющих скоростей $$\dot{x}$$ , $$\dot{y}$$ , $$\dot{z}$$ линейные, и способы их решения очевидны.

В конкретной реализации заявляемого технического решения, ввиду того, что измерения псевдодальностей до четырех спутников выполняются, четырехканальным приемником, то применен следующий алгоритм:

$${\displaystyle \sum _{J=1}\stackrel{3}{\left(x_{cy}-x_j\right)}=\stackrel{2}{\left(r_i-\tau \right)}}\stackrel{2}{}\left(11\right)$$

При этом, измеренные псевдодальности можно отнести к единому моменту времени, поэтому однократная засечка четырех псевдодальностей позволяет зафиксировать мгновенное пространственное положение корпуса 17 судна. Точность определения мгновенных координат не зависит от динамики корпуса 17 судна, тем не менее уточнение этих координат за счет сглаживания быстро флуктуирующих погрешностей измерений может быть осуществлено только при наличии информации о характере траектории судна, позволяющей осуществить счисление его координат в промежутках между измерениями псевдодальностей. Знание траектории движения судна (его динамики) необходимо для выработки текущих значений таких важных навигационных параметров, как составляющие вектора его скорости, в конкретной реализации предлагаемого технического решения, такая информация может быть получена с помощью математической модели, описывающей динамику судна. Для этого, в блоке сопряжения 15 применен навигационный фильтр для моделирования движения судна. В качестве такого фильтра использован дискретный фильтр Калмана (Зайцев А.В., Резниченко В.И. Определение путевой скорости корабля по сигналам среднеорбитной космической навигационной системы // 3аписки по гидрографии. - 1982 - №208а. - с.62-64), который построен на основе следующих моделей динамики судна и измерений:

$$X_k={Ф}_{k-1}{X}_{k-1}+A_{k-}1W_{k-1}\left(12\right)$$

$$Z_k=H_k{X}_k+U_{k-1}\left(13\right)$$

где X_k - вектор состояния;

Ф_k - матрица перехода;

H_k - матрица частных производных измерений;

Z_k - вектор измерений;

W_k - вектор возмущений (шумов) динамики судна;

U_k - вектор шумов измерений.

Движение судна моделируется динамической системой, возбуждаемой шумами. Переменные дифференциальных уравнений, описывающих эту систему, образуют вектор состояния X_k. Кроме этих переменных, в фильтре моделируются некоторые «мешающие» параметры - систематические погрешности измерений псевдодальности и псевдоскорости, которые также включаются в вектор состояния.

Для судна в вектор измерений Z, помимо псевдодальностей, включается дельтапсевдодальности, которые по существу представляют собой результаты интегрирования доплеровского смещения частоты на конечном интервале Δt=t_i+1-t_i. Если просуммировать на интервале t_n-t_o дельтапсевдодальности, полученные интегрированием доплеровской частоты с погрешностью ε_i в последовательные моменты времени t_i получим приращение дальности на интервале с погрешностью $${\displaystyle \sum _{i=o}^n{\epsilon }_i}$$ . Дисперсия этой суммы: $$\stackrel{2}{{\delta }_{\Sigma }}={\displaystyle \sum _{1=0}^n{\displaystyle \sum _{j=0}^{n}E\left[{\epsilon }_i-{\epsilon }_j\right]\left(14\right)}}$$ .

Погрешности соседних измерений доплеровских интегралов коррелированны с коэффициентом - 0,5:

$$E\left[{\epsilon }_i-{\epsilon }_j\right]=\left\{\begin{array}{l}\stackrel{2}{{\delta }_{\epsilon }}\dots \dots i=j\\ -0,5\stackrel{2}{{\delta }_{\epsilon }}\dots \dots \left|I-j\right|=1\\ 0\dots \dots \dots \dots \left|I-j\right|>1\end{array}\right\}\left(15\right)$$ .

Тогда $$\stackrel{2}{{\delta }_{\Sigma }}=\left(n-1\right)\stackrel{2}{{\delta }_{\epsilon }}-2\cdot 0,5n\stackrel{2}{{\delta }_{\epsilon }}=\stackrel{2}{{\delta }_{\epsilon }}\left(16\right)$$ .

Таким образом, среднеквадратическая погрешность приращения дальности доплеровским методом не зависит от длительности интервала интегрирования и от разбиения этого интервала на части. Последнее обстоятельство позволяет при непрерывных измерениях дельтапсевдодальностей до четырех спутников, исключив систематическую погрешность 1 эталона частоты приемного устройства (антенны 13), построить траекторию его движения независимо от его динамики.

В вычислителе блока сопряжения 15 на основании и полученного вектора измерений Z, скорости (W_в) и направления ветра (K_wв) и течения (V_т, К_vт), высоты (h_в) и скорости (V_в) волн (по доплеровскому сдвигу между двумя лучами антенны 1) определяют длину волны: λ=V_вt (где t=t₂-t₁ - время между регистрацией высот двух волн скорость); дрейфого течения: V_д=(0,0127 √sinφ)·W_в, где φ - широта места; период волны: τ=0,8√λ; скорость поверхностного течения: V_пт=0,0254W_в√sinφ.

По полученным значениям на мониторе 16, выполненным в виде многофункционального дисплея с возможностью формирования 3D-изображения с постоянным трехмерным представлением данных и загрузкой спутниковыми снимками водной поверхности, модели корпуса судна и положения рулей.

Морское волнение является наиболее существенным возмущающим фактором для судов как объектов управления. Его влияние приводит к возникновению нежелательных колебательных движений, ухудшающих функциональную эффективность, безопасность по сравнению со случаем штилевого моря. Использование предлагаемого устройства позволит осуществлять адаптацию контура управления к характеристикам морского волнения.

Источники информации

1. А.А. Загородников. Радиолокационная съемка морского волнения. Л., Гидрометеоиздат, 1978, с.141-158.

2. Определение параметров волнения совмещенной системой измерения скорости судна и высоты волн / Ванаев А.П., Чернявец В.В. - Судостроение №8-9, 1993, с.6-8.

3. Авторское свидетельство SU №662888 A1, 15.07.1979.

4. Авторское свидетельство SU №1788484 A1, 15.01.1993.

5. Патент FR №2275777 A1, 20.02.1976.

6. Патент RU №2137153 C1, 10.09.1999.

Использование: изобретение относится к области навигации, а точнее к измерению параметров волнения с помощью неконтактных измерителей. Сущность: устройство измерения параметров волнения состоит из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волны, вычислителя, схемы определения флуктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислителя угла встречи с волной, измерительного модуля и блока коррекции, а также из введенных блока антенн приема спутниковых сигналов, приемника спутниковых сигналов, функционально-логического блока, монитора, при этом блок антенн приема спутниковых сигналов своими выходами соединен с входами приемника спутниковых сигналов, который своим выходом соединен с входом функционально-логического блока, который еще двумя входами соединен с двумя выходами блока коррекции, а своим выходом соединен с входом монитора. При этом функционально-логический блок содержит модуль сопряжения с судовой системой управления движением и судовым комплексом гидрометеорологической информации, модуль программного обеспечения, вычислительный блок, навигационный фильтр для моделирования движения судна. Технический результат: повышение точности измерений параметров волнения с борта подвижных морских объектов за счет уменьшения факторов влияния качки на результаты измерений. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство измерения параметров волнения, состоящее из антенны, приемопередатчика, измерителя частоты Доплера, блока измерения скорости, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя, схемы определения флуктуационной составляющей скорости, устройства для определения направления прихода волн, вычислителя угла встречи с волной, в котором антенна входом и выходом соединена с входом и выходом приемопередатчика, который двумя выходами соединен с двумя входами блока измерения высоты, который двумя выходами соединен с вычислителем и этими же выходами соединен с двумя входами вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн и еще двумя выходами соединен с устройством для определения направления прихода волн, выход которого соединен с входом вычислителя угла встречи с волной, два других входа которого соединены соответственно с выходами вычислителя, вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, и еще два входа устройства для определения направления прихода волн соединены с двумя выходами схемы определения флуктуационной составляющей скорости, которая двумя входами соединена с двумя выходами блока измерения скорости и еще двумя входами соединена с двумя выходами измерителя доплеровской частоты, который этими же выходами соединен с двумя входами блока измерения скорости, а измеритель частоты Доплера двумя входами соединен с еще двумя выходами приемопередатчика, измерительного модуля и блока коррекции, который своими входами соответственно соединен с выходами вычислителя высоты волн и фазовой скорости волн, вычислителя угла встречи с волной, блока измерения скорости и двумя выходами измерительного модуля, который входом соединен с выходом блока измерения скорости, который еще двумя входами соединен с теми же выходами приемопередатчика, что и измеритель частоты Доплера, блока антенн приема спутниковых сигналов, приемника спутниковых сигналов, функционально-логического блока, монитора, при этом блок антенн приема спутниковых сигналов своими выходами соединен с входами приемника спутниковых сигналов, который своим выходом соединен с входом функционально-логического блока, который еще двумя входами соединен с двумя выходами блока коррекции, а своим выходом соединен с входом монитора, при этом монитор выполнен в виде многофункционального дисплея с возможностью формирования 3D-изображения с постоянным трехмерным представлением данных и загрузкой спутниковыми снимками морской поверхности, а приемник спутниковых сигналов содержит четыре канала приема спутниковых сигналов для измерения дельтапсевдодальностей до четырех искусственных спутников Земли, отличающееся тем, что функционально-логический блок содержит модуль сопряжения с судовой системой управления движением и судовым комплексом гидрометеорологической информации, модуль программного обеспечения, вычислительный блок, навигационный фильтр для моделирования движения судна.

2. Устройство измерения параметров волнения по п.1, отличающееся тем, что модуль сопряжения содержит приемное устройство, множитель, блок формирования восстановленного сигнала перекладки руля, блок формирования сигнала скорости перекладки руля, блок формирования модели рулевого привода, сумматоры, интеграторы, вычислитель, на основе микропроцессора DSP-процессора, работающего под управлением встраиваемой операционной системы «UCLinux», устройство приема сигналов от судового комплекса гидрометеорологической информации (скорость и направление ветра и течения, снимки подстилающей поверхности).

3. Устройство измерения параметров волнения по п.1, отличающееся тем, что модуль программного обеспечения содержит математическую модель судна, учитывающую управляющее воздействие руля, действующие на судно возмущения, а также факторы, изменяющие динамику судна - загрузку, изменение мощности, скорость судна.