Способ текущего контроля остойчивости судна Российский патент 2024 года по МПК B63B39/00 B63B79/00 

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам текущего контроля остойчивости судна в условиях эксплуатации.

Известен способ контроля остойчивости судна, заключающийся в измерении бортовой качки и определении расчетом метацентрической высоты (см. Севастьянов Н.Б. Остойчивость промысловых судов. Л. Судостроение, 1970, с. 187-190 [1]).

Указанный способ не дает достоверной оценки остойчивости судна при сильном расхождении периодов вынужденных и собственных колебаний (см. Антоненко С.В. Практическая оценка остойчивости в открытом море по капитанской формуле. // Мореходство и морские науки - 2009: избранные доклады Второй Сахалинской региональной морской научно-технической конференции (23 сентября 2009 г.) Под ред. В.Н. Храмушина. - Южно-Сахалинск: СахГУ, 2010. - С. 21-28 [2]).

Известны также способы контроля остойчивости судна (патенты RU №2740617 С1, 15.01.202 [3], RU №2455190 С1, 10.07.2012 [4], RU №2405712 C1, 10.12.2010 [5], US №4918628 А, 17.04.1990 [6], DE №10355052 A1, 17.02.2005 [7])

Известный способ контроля остойчивости судна [3] включает измерения периода бортовой качки, осадки судна носом и кормой, кажущегося периода волны, курсового угла, скорости судна на волнении, скорости кажущегося ветра, определение расчетом метацентрической высоты и на основе полученных данных в данном изобретении прогнозируются параметры морского волнения, моделируется качка судна с учетом возможности захвата волной носовой оконечности и рассчитывается нагрузка на палубу при ее обтекании, рассчитывается координата центра величины, определяется положение центра тяжести, на основании которых строят трансформированную диаграмму статической остойчивости, параметры которой сравниваются с нормативными требованиями.

Существенным недостатком данного способа является то, что измерения кажущегося периода волны, курсового угла относительно нерегулярного волнения, скорости кажущегося ветра имеют большую погрешность, что не позволяет определить значение метацентрической высоты с точностью необходимой для оценки запаса остойчивости в текущий момент времени.

Кроме этого, данный способ контроля остойчивости судна имеет прогнозный характер, т.е. он основывается на прогнозах волнения и не отражает остойчивость судна в текущий момент времени.

Задача повышения безопасности мореплавания путем предоставления судоводителю информации о текущем состоянии остойчивости судна в текущий момент времени (в режиме on-line) с точки зрения оценки приближения остойчивости к моменту опрокидывания судна реализуется в также известном способе на основе постоянного (в режиме on-line) замера угла крена и дифферента судна и сравнения работ кренящего и восстанавливающего моментов по диаграмме статической остойчивости судна, рассчитываемойна основе данных о пантокаренах судна, данных о текущей посадке и аппликаты центра тяжести судна (патент RU №2767536 С1, 17.03.3022 [8].

Данные о текущей посадке судна на мидель-шпангоуте и аппликаты центра тяжести судна могут быть получены на основе данных о текущей загрузке судна, т.е. судоводитель задает данные о перевозимом грузе, заполнении танков и цистерн, данные о судовых запасах, наличии обледенения, на основании которых определяется водоизмещение судна (и соответственно осадка на мидель-шпангоуте) и аппликата центра тяжести судна.

Уточненные данные о текущей посадке судна на носовом и кормовом перпендикулярах могут быть получены на основе датчиков осадки, которые могут быть установлены на судне.

Уточненные данные об аппликате центра тяжести судна могут быть получены при проведении опытного кренования во время эксплуатации судна (путем перекачки воды или топлива из цистерн, размещенных на разных бортах судна) или опытной циркуляции, при которой определяется возникший угол крена, зависящий от положения аппликаты центра тяжести судна.

Существенным недостатком известного технического решения является то, что необходимо выполнять опытное кренование и опытную циркуляцию.

Известен также «Способ контроля остойчивости судна» (авторское свидетельство SU №1782863А1, 23.12.1992 [9], основанный на том, что период свободной бортовой качки Тб при слабом волнении связан с начальной метацентрической высотой Нм соотношением

Нм=(С ⋅ В/Тб)₂.

При этом измерение параметров свободной бортовой качки осуществляют электромагнитными волнами, направленными перпендикулярно ДП судна. Далее производят частотное детектирование принятых отраженных сигналов и измеряют частоту модуляции. Начальную метацентрическую высоту Нм вычисляют по

формуле Нм=(С ⋅ В/2π ⋅ Ω)₂,

где С - известный числовой коэффициент, зависящий от типа и водоизмещения судна, В - ширина ватерлинии в районе мидельшпангоута, Ω - частота модуляции отраженного сигнала от судна.

Полученное значение метацентрической высоты сравнивают с пороговым значением. Известны также расчеты остойчивости, приведенные в источниках информации: Методы расчета критериев остойчивости судна (file:///Е: Методы расчета критериев остойчивости судна.htm) [10], Практическая оценка остойчивости в открытом море по капитанской формуле (file:///Е: Практическая оценка остойчивости в открытом море по капитанской формуле.htm) [11], Расчет остойчивости судов и лодок % 20 диаграмма и критерии.(file:///Е:/Расчет остойчивости судов и лодок % 20 диаграмма и критерии.htm) [12], Порядок расчета остойчивости морского судна (file:///Е:/Студопедия - Порядок расчета остойчивости морского судна. htm) [13].

Использование известных методов определения остойчивости судна [9-13] отягощено выполнением вычислений, что приводит к уменьшению оперативности получения реальных значений остойчивости.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение оперативности и достоверности текущего контроля судна.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе текущего контроля остойчивости судна, базирующимся на текущем замере угла крена и дифферента судна, в котором для оценки запаса остойчивости судна с точки зрения оценки возможности опрокидывания судна в текущий момент времени, производится сравнение работ кренящего и восстанавливающего моментов, воздействующих на судно, которые определяются на основе данных о текущих крене и дифференте судна, а также текущей диаграммы статической остойчивости судна, которая рассчитывается на основе данных о пантокаренах судна, данных о текущей осадке судна на мидель-шпангоуте и аппликате центра тяжести судна, в отличие от прототипа [8], смещение центра тяжести судна по аппликате и абсциссе определяют по уклонению отвесной линии, измеряемой посредством спутниковой навигационной системы, при этом судовые антенны спутниковой навигационной системы размещают в диаметральной плоскости в носовой, центральной и кормовой частях судна.

Поставленная задача также решается за счет того, что в способе текущего контроля остойчивости судна, на борту судна установлены, по крайней мере, пять антенн приемника спутниковой навигационной системы, одна из которых установлена на мачте судна с образованием верхней диаграммы поляризации, соответственно две антенны установлены по левому и правому бортам с образованием соответственно правой и левой диаграмм направленности, две другие антенны установлены в диаметральной плоскости судна в носовой и кормовой частях судна на фиксированном расстоянии друг от друга с образованием соответственно верхней и нижней диаграмм поляризации, приемник спутниковой навигационной системы содержит 40 каналов слежения за навигационными космическими аппаратами спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО и источниками помех при чувствительности приемника до 180 дБВт и при шумовой компоненте кодовых/фазовых измерений до 5/0,05 см и выполнен с возможностью определения по измеренным результатам значения уклонения отвесной линии судна, прогнозируют параметры морского волнения известным способом, моделируют качку судна с учетом возможности захвата волной носовой оконечности и рассчитывают нагрузку на палубу при ее обтекании, при определении параметров волнения при измерении высоты от антенны спутниковой навигационной системы до водной поверхности вычисляют геодезические координаты судна со смещением, обусловленным наклоном отражающей водной поверхности (океанов) относительно референц-эллипсоида по формуле:

где - широта, долгота и высота антенны, - геодезические координаты соответственно; по вычисленным геодезическим координатам определяют наклон водной поверхности (океанов) по широте и долготе по формулам:

где - наклон водной поверхности (океанов) по широте и долготе, М, N - радиусы кривизны нормального сечения и меридиана референц-эллипсоида; - разности геодезических координат по данным устройств определения параметров волнения, при этом исключают ионосферную погрешность путем обработки спутниковой навигационной информации методом PrecisePointPosition, измерение курса, крена, дифферента, продольного, поперечного и вертикального перемещение корпуса судна выполняют посредством датчика кинематического состояния судна, включающего фиброоптический гирокомпас с тремя фирооптическими гирометрами и тремя акселерометрами, магнитометр, при этом посредством магнитометра, жестко связанного с приемоизлучающей системой и размещенного в одном корпусе с акселерометрами, при определении профиля морских волн определяют среднеквадратические отклонения ординат, скорости и ускорений вертикальных колебаний, средний период первичных колебаний, формирующих основной спектр волнового процесса, средний период максимальных значений ординат, характеризующих верхнюю граничную частоту вертикальных колебаний волнового процесса, коэффициент взаимной корреляции значений ординат вертикальных колебаний волнового процесса и ускорений вертикальных колебаний волнового процесса, относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса, а среднюю высоту волн определяют в зависимости от относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса, вертикальная составляющая качки судна измеряется с помощью цифрового трехкомпонентного акселерометра, объединенного в одном общем корпусе с трехкомпонентным магнитометром, линейные перемещения судна по вертикали получают путем двойного интегрирования по времени вертикальной составляющей ускорения, при обработке данных исключают вклад проекции силы тяжести на вертикальную ось, обусловленной наклонами судна по двум горизонтальным осям X и Y, для конкретного обвода корпуса судна рассчитываются и табулируются все специфические силы и моменты с помощью программного модуля ANSYS AQWA и программных модулей PhysX (имитации физического взаимодействия тел), Hydrax (моделирования водной поверхности) и Skyx (моделирования атмосферных и астрономических явлений) на каждом шаге интегрирования из соответствующих таблиц, рассчитанных в программном модуле ANSYS AQWA, выбираются соответствующие значения сил и моментов и производится вычисление положений и ориентации судна на следующий момент времени.

Суть предлагаемого способа текущего контроля остойчивости судна заключается в следующем.

Как и в прототипе на основе данных о текущей загрузке судна определяется водоизмещение судна (и по судовой документации о гидростатике судна определяется осадка судна на мидель-шпангоуте) и аппликата центра тяжести судна.

На основании текущего дифферента (полученного с датчика дифферента), аппликаты центра тяжести судна и осадки (или водоизмещения) по пантокаренам рассчитывается диаграмма статической остойчивости.

Определение площадей диаграммы статической остойчивости (рис. 1 прототипа), соответствующих работам кренящего и восстанавливающего момента производится в соответствии с Правилами классификации и постройки морских судов (часть IV, стр. 20-21).

При этом значение амплитуды бортовой качки Θ_1г определяется на основании текущих данных с датчика крена.

Значение угла заливания Θ_г определяется по судовой документации.

Значение статического угла крена, вызванного постоянным ветром Θ_w1 определяется на основе данных о парусности судна и текущей посадке судна.

Остальные параметры диаграммы определяются в соответствии с указанными Правилами.

Соотношение площадей K=b/a показывает текущий запас остойчивости и позволяет судоводителю оценить остойчивость судна (от опрокидывания) в текущий момент времени.

В случае если на судне установлены датчики осадки, то на основании этих данных можно более точно определить текущую осадку судна на мидель-шпангоуте и дифферент.

В отличие от прототипа, для уточнения данных об аппликате центра тяжести судна определяют смещение центра тяжести судна по аппликате и абсциссе по уклонению отвесной линии, измеряемой посредством спутниковой навигационной системы, при этом судовые антенны спутниковой навигационной системы размещают в диаметральной плоскости в носовой, центральной и кормовой частях судна. При этом одна из антенн установлена на мачте судна с образованием верхней диаграммы поляризации, соответственно две антенны установлены по левому и правому бортам с образованием соответственно правой и левой диаграмм направленности, две другие антенны установлены в диаметральной плоскости судна в носовой и кормовой частях судна на фиксированном расстоянии друг от друга с образованием соответственно верхней и нижней диаграмм поляризации. Приемник спутниковой навигационной системы содержит 40 каналов слежения за навигационными космическими аппаратами спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО и источниками помех при чувствительности приемника до 180 дБВт и при шумовой компоненте кодовых/фазовых измерений до 5/0,05 см и выполнен с возможностью определения по измеренным результатам значения уклонения отвесной линии судна. Прогнозируют параметры морского волнения известным способом, моделируют качку судна с учетом возможности захвата волной носовой оконечности и рассчитывают нагрузку на палубу при ее обтекании. При определении параметров волнения при измерении высоты от антенны спутниковой навигационной системы до водной поверхности вычисляют геодезические координаты судна со смещением, обусловленным наклоном отражающей водной поверхности (океанов) относительно референц-эллипсоида по формуле:

где - широта, долгота и высота антенны, - геодезические координаты соответственно; по вычисленным геодезическим координатам определяют наклон водной поверхности (океанов) по широте и долготе по формулам:

где ΔЦϕ, ΔЦλ. - наклон водной поверхности (океанов) по широте и долготе, М, N - адиусы кривизны нормального сечения и меридиана референц-эллипсоида; - разности геодезических координат по данным устройств определения параметров волнения. При этом исключают ионосферную погрешность путем обработки спутниковой навигационной информации методом PrecisePointPosition, измерение курса, крена, дифферента, продольного, поперечного и вертикального перемещение корпуса судна выполняют посредством датчика кинематического состояния судна, включающего фиброоптический гирокомпас с тремя фирооптическими гирометрами и тремя акселерометрами, магнитометр. При этом посредством магнитометра, жестко связанного с приемоизлучающей системой и размещенного в одном корпусе с акселерометрами. При определении профиля морских волн определяют среднеквадратические отклонения ординат, скорости и ускорений вертикальных колебаний, средний период первичных колебаний, формирующих основной спектр волнового процесса, средний период максимальных значений ординат, характеризующих верхнюю граничную частоту вертикальных колебаний волнового процесса, коэффициент взаимной корреляции значений ординат вертикальных колебаний волнового процесса и ускорений вертикальных колебаний волнового процесса, относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса, а среднюю высоту волн определяют в зависимости от относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса. Вертикальная составляющая качки судна измеряется с помощью цифрового трехкомпонентного акселерометра, объединенного в одном общем корпусе с трехкомпонентным магнитометром, линейные перемещения судна по вертикали получают путем двойного интегрирования по времени вертикальной составляющей ускорения, при обработке данных исключают вклад проекции силы тяжести на вертикальную ось, обусловленной наклонами судна по двум горизонтальным осям X и Y. Для конкретного обвода корпуса судна рассчитываются и табулируются все специфические силы и моменты с помощью программного модуля ANSYS AQWA и программных модулей PhysX (имитации физического взаимодействия тел), Hydrax (моделирования водной поверхности) и Skyx (моделирования атмосферных и астрономических явлений) на каждом шаге интегрирования из соответствующих таблиц, рассчитанных в программном модуле ANSYS AQWA, выбираются соответствующие значения сил и моментов и производится вычисление положений и ориентации судна на следующий момент времени. Датчики измерения параметров движения судна могут быть объединены в единый блок, представляющий собой бесплатформенную инерциальную систему, которая включает корпус, устройство измерения линейного ускорения с тремя чувствительными элементами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным осям, устройство измерения угловой скорости с тремя волоконно-оптическими каналами, расположенными по трем взаимно перпендикулярным осям, блок электроники, состоящий из блока сбора данных и блока вычислителя, жесткое несущее основание, выполненное в виде диска, на одной стороне которого закреплено устройство измерения угловой скорости, а на обратной стороне - устройство измерения линейного ускорения с блоком сбора данных, которые объединены в блок датчиков с условием обеспечения параллельности измерительных осей устройства измерения линейного ускорения, устройства измерения угловой скорости и блока датчиков. Блок датчиков закреплен в корпусе, являющемся частью объекта управления, с обеспечением параллельности измерительных осей блока датчиков и осей корпуса. Данный блок может также содержать модуль спутниковой навигации. Аналогом такого блока является устройство, приведенное в источнике информации (патент RU №2771790 С1, 12.05.2022). Такое выполнение датчиков измерения параметров движения судна позволяет повысить точность измерения параметров движения при обеспечении стойкости к внешним воздействующим факторам, а размещение модуля спутниковой навигации, расположенного внутри данного блока, позволяет получить дополнительные данные о параметрах движения судна и скорректировать полученные блоком датчиков данные движения судна.

В качестве устройства измерения угловой скорости может быть использован трехосный блок волоконно-оптических гироскопов марки ТИУС500, а в качестве устройства измерения линейного ускорения - блок акселерометров марки БА-30С.

В одном из вариантов технической реализации применены оптические кольцевые лазерные гирометры (RLG - RingLaserGiroscope), называемые также фиброоптическими (волоконнооптическими) гиродатчиками - ФОГ (FOG - FiberOpticGiroscope). Система с тремя ФО-гирометрами, дополненная тремя акселерометрами может служить датчиком кинематического состояния судна, который измеряет: курс, крен, дифферент, продольное, поперечное и вертикальное перемещение корпуса.

Средства для определением уклонения отвесной линии, содержат антенну с диаграммой направленности вверх на борту платформы для приема прямых сигналов, имеющих по меньшей мере две несущие частоты от рассматриваемых спутников ГНСС, антенну диаграммой направленности вниз на борту указанной платформы для приема сигналов, имеющих по меньшей мере две несущие частоты, причем указанные принятые сигналы передаются каждым из указанных спутников ГНСС и отражаются от водной поверхности Земли, приемник ГНСС, соединенный с указанной направленной вверх антенной для подачи прямых сигналов, имеющих по меньшей мере две несущие частоты, частотный демультиплексор, подключенный к указанной нисходящей антенне, для разделения принятых отраженных сигналов на отраженные сигналы, имеющие соответственно указанные по меньшей мере две несущие частоты, средства сравнения фаз несущих фаз указанных прямых сигналов, выводимых указанным приемником ГНСС, и отраженных сигналов, выводимых указанным частотным демультиплексором на указанных по меньшей мере двух несущих частотах, и средства определения высоты поверхности из фазовых сравнений, выполняемых указанным средством сравнения фаз, персональный компьютер и блок для измерения эфемеридных погрешностей и погрешностей расхождения шкал времени, который своим входом информационно связан с опорными станциями для измерения эфемеридных погрешностей и погрешностей расхождения шкал времени, а своим выходом соединен с входом персонального компьютера.

Бортовой приемоиндикатор спутниковой навигационной системы представляет собой программную реализацию согласованного фильтра (в отличии от традиционных приемников корреляционного типа) с использованием в качестве центрального процессора нейроматрицы NM6403 или NM 6404.

Согласованный фильтр позволяет резко сократить цикл поиска сигналов по задержке до миллисекундного уровня (для сравнения в корреляционных приемниках цикл поиска составляет 20с) и за счет этого повысить вероятность правильного обнаружения сигнала с помехами в заданном интервале времени, а также поднять порог помехоустойчивости (до 6-10 дБ).

Бортовой приемоиндикатор спутниковой навигационной системы (БПИСНС) позволяет обеспечить:

- совместную обработку кодовых и фазовых измерений для решения навигационной задачи по малому числу наблюдаемых навигационных космических аппаратов (НКА), вплоть до одного, в двумерной навигации;

- непосредственное измерение неизвестного числа фазовых циклов в процессе захвата несущей на сопровождение;

- исключение ионосферной ошибки в одночастотном приемнике с использованием интегрального навигационного параметра;

- подавление ошибок, вызванных многолучевостью распространения радиосигналов, в кодовых и фазовых измерениях до сантиметрового уровня;

использование адаптивного робастного фильтра для улучшения целостности навигационного поля в условиях помех;

- использование программного сверхузкостробового коррелятора и теоретически оптимального аппаратного дискриминатора задержек;

- измерение проекции вектора линейного ускорения антенны БПИСНС;

- количество каналов слежения за HKA(GPS, ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО) и за источниками помех до 40, при чувствительности приемника до 180 дБВт и при шумовой компоненте кодовых/фазовых измерений до 5/0,05 см;

- частоту выдачи информации до 50 Гц, время перезахвата сигнала после его кратковременного пропадания до 3 миллисекунд при времени возобновления обсервации при полном нарушении радиовидимости до 20с не более 1 с;

- применение процессора типа нейроматрицы обеспечивает избыток вычислительных мощностей до 3-5 млрд. операций/с, которые можно использовать для обработки информации систем, входящих в состав бортового оборудования судна.

Конструктивно БПИСНС представляет собой приемник, состоящий из семи микросхем и модульного унифицированного программного обеспечения. БПИСНСснабженприемной антенной, с диаграммой направленности с правой поляризацией и установленной на мачте судна, приемными антеннами с левой поляризацией, с диаграммами направленными вниз и установленные по бортам судна, что позволяет в режиме «online» определять уклонение отвесной линии (УОЛ), путем вычисления геодезических координат.

Для вычисления геодезических координат судна со смещением, обусловленным наклоном отражающей водной поверхности (океанов) относительно референц-эллипсоида используются как прямые, так и отраженные от морской поверхности радиосигналы. А далее вычисляют геодезические координаты судна со смещением, обусловленным наклоном отражающей водной поверхности (океанов) относительно референц-эллипсоида по формуле:

где

F(УОЛ) - функция от УОЛ;

- широта, долгота и высота судна в географических координатах по прямым радиосигналам,

- широта, долгота и высота судна в географических координатах по отраженным сигналам; по вычисленным геодезическим координатам определяют наклон водной поверхности обусловленный УОЛ по широте и долготе по формулам:

где - наклон водной поверхности (океанов) по широте и долготе;

- линейные величины разностей координат;

М,N - радиусы кривизны нормального сечения меридиана и долготы референц-эллипсоида;

- разности геодезических координат по прямым и отраженным сигналам.

Для приема радиосигналов на судне используется три антенны. Одна антенна установлена на мачте судна с диаграммой направленности в верхней полусфере с правой поляризацией для приема прямых радиосигналов ГЛОНАСС и GPS, две другие антенны установлены по бортам судна с диаграммой направленности вниз и выполнены с левой поляризацией для приема отраженных от морской поверхности радиосигналов ГЛОНАСС и GPS, две другие антенны с диаграммой направленности вниз установлены в носовой и кормовой частях судна. При этом на приемоиндикатор подается сумма радиосигналов от двух приемных антенн с левой поляризацией разнесенными на 180 град в азимуте, установленных по бортам судна и двух антенн, установленных в носовой и кормовой частях судна. При этом в приемоиндикатор подается обновленные значения эфемерид.

Использование двух антенн приемоиндикатора СНС с левой поляризацией с диаграммами направленности в нижней полусфере и разнесенными на 180 град в азимуте, на который подается сумма радиосигналов от двух приемных антенн с левой поляризацией с диаграммами направленности в нижней полусфере и разнесенными на 180 град в азимуте, а также еще двух антенн, установленных в носовой и кормолвой частях скудна позволяет повысить достоверность получения конечных результатов, так как учитываются эволюции морского судна с левого и правого бортов, в носовой и кормовой оконечностях судна.

В процессе плавания на борту судна проверяются условия, что текущие значения УОЛ не превышает допустимого значения УОЛ для данных условий плавания. При переходе через допустимое значение УОЛ для данных условий плавания и продолжении увеличения отклонения УОЛ от допустимого значения в течении более чем заданный период изменения УОЛ непрерывно фиксируются параметры основных блоков бортовых систем судна для выявления причин изменения УОЛ.

В предлагаемом техническом решении могут также использоваться программные модули SINTEZ.EXE, ll.REZ, MODEL.TPU, TST.MOD, метеорологической информации от метеорологических искусственных спутников (МИСЗ) типа «Метеор», «NOAA» в виде снимков подстилающей поверхности и облачного покрова Земли, факсимильная и телеграфная информации от радиометеорологических центров.

При плавании судна в арктических морях в предлагаемой системе предусмотрена возможность использования геоинформационной системы ArcView, системы трансформирования изображения AVHRRNOAA, системы построения карт по спутниковым изображениям ERS, RADAST, комплекса ледовой разведки «Дозор».

Измерение параметров волнения непосредственно с борта судна может быть реализовано посредством неконтактных устройств измерения параметров волнения. Аналогами таких устройств являются устройства, приведенные в источниках (патент RU №2384861 С1, 20.03.2010, патент RU №2467914 С1, 27.11.2012, патент RU №2563314 С1, 20.09.2015). При этом могут быть определены такие параметры волнения, как скорость и высоты волн, фазовые скорости волн, угол встречи с волной. При использовании таких устройств обеспечивается полный набор спектральных составляющих измеряемых параметров в наиболее очищенном от помех виде, что обеспечивает высокую точность и безынерционность измерений не только непосредственно у борта судна, но и на удалении от судна на расстояние порядка нескольких десятков километров, что позволит предпринять заранее необходимые меры безопасности при неблагоприятных гидрометеорологических условиях.

Выполненная оценка точности измерения посредством таких устройств показала, что при h_3%=4 м (неполное шестибальное волнение), ϕ=45°, Δf=0,01 Гц, среднеквадратичное значение ошибки измерения составит непосредственно у борта судна 0,031 м, на удалении от судна на 25-50 км соответственно 0,06-0,11 м.

Сочетание двух каналов измерения параметров морского волнения позволяет обеспечить не только осуществление адаптации контура управления судном к характеристикам морского волнения, но и позволяет осуществлять прогноз возможных нежелательных возмущений, могущих привести к аварийной ситуации.

Кроме того, при контроле мореходности судна одним из важных аспектов является процесс определения и оценки потери скорости судна на волнении. Так, например, при равенстве длины попутной волны и судна может возникнуть угроза значительной потери его остойчивости (см., например, Управление судном и его техническая эксплуатация. Под ред. Щетининой А.И. М.: Транспорт, 1983, с). Большинство современных транспортных судов имеет прямостенные борта в средней своей части и острые обводы в носовой и кормовой оконечностях, поэтому при плавании на волнении происходит непрерывное изменение действующей ватерлинии, а следовательно, и остойчивости судна. Если при встречном волнении эти изменения происходят достаточно быстро, то при попутной волне, особенно если ее скорость близка к скорости судна, изменение площади действующей ватерлинии может наблюдаться в течение длительного времени. Снижение остойчивости может в таких случаях достигнуть опасных значений и явиться причиной опрокидывания и гибели судна.

В предлагаемом способе по данным измерений устанавливают водоизмещение, фактическую метацентрическую высоту и соответствующую аппликату центра тяжести, производят оценку остойчивости, для чего вычисляют спектральную плотность и параметры морского волнения, дисперсии и среднюю частоту относительных колебаний волнового уровня относительно корпуса судна, дисперсию и среднюю частоту колебаний минимального погружения гребного винта, дисперсию рыскания, дисперсии проекций полного вектора ускорений при колебательном движении судна на волнении и производят оценку показателей, характеризующих мореходные качества судна:

1. Вероятности заливания и среднего числа погружений палубы под поверхность волны за единицу времени.

2. Вероятности слеминга и среднего числа ударов за время с учетом расчетной осадки в зоне удара, ускорения свободного падения и длины судна.

3. Вероятности оголения лопастей гребного винта и среднего числа оголении за время с учетом глубины погружения оси винта и радиуса винта.

4. Амплитуды рыскания.

5. Суммарных ускорений, действующих при качке судна на волнении.

6. Потери скорости судна от ветра и волнения с учетом ветровой и волновой составляющих потерь скорости судна, скорости ветра, курсового угла ветра, параметров волны, курсового угла волнения, основных размерений надводной и подводной частей судна.

Описание процедуры обработки данных измерений может выполняться с помощью спецпроцессоров и быстродействующей персональной ЭВМ и может быть реализована на вновь строящихся судах посредством экспертной системы, позволяющей осуществлять оценку мореходных качеств судна на основе действующих критериев и принимать обоснованные решения по обеспечению безопасности эксплуатации судна.

При этом аппаратно-программный модуль моделирования динамики движения судна в стесненных навигационных обстоятельствах может состоять из процессора, графических ускорителей, объектно-графического движка типа OGRE, программных модулей типа PhysX, Hydrax, Skyx и ANSYS AQWA. В качестве графического движка возможно также применение коммерческих движков типа CRY ENGINE, VALVE или аналогичных, но они имеют сравнительно высокую стоимость (порядка 0.5-1.0 млн долларов). Выбор объектно-графического движка типа OGRE для конкретной промышленной реализации обусловлен тем, что объектно-ориентированная структура OGRE позволяет достаточно просто внедрить в него современную разработку фирмы NVIDIA - систему имитации физического взаимодействия тел - PhysX.

При имитации физического взаимодействия тел в PhysX при расчетах уравнений движения можно вводить любые объективные силы и моменты, действующие на это тело (судно). При этом для конкретного обвода корпуса судна рассчитываются и табулируются все специфические силы и моменты с помощью программного модуля ANSYS AQWA и программных модулей PhysX (имитации физического взаимодействия тел), Hydrax (моделирования водной поверхности) и Skyx (моделирования атмосферных и астрономических явлений) на каждом шаге интегрирования из соответствующих таблиц, рассчитанных в программном модуле ANSYS AQWA, выбираются соответствующие значения сил и моментов и производится вычисление положений и ориентации судна на следующий момент времени.

По данным оцифровки соответствующие программные средства восстанавливают топологию корпуса судна, разбивая его на некоторое количество элементов (вполне определенное).

Программные средства позволяют представлять распределение давления, как во времени, так и в пространстве при различных углах видимости.

По величине волнения моря (в виде как одиночной волны определенной частоты и амплитуды, так и спектра (Пирсон-Мошковиц, Jonswap) и направлению распространения волн (обычно задается ряд направлений с заданным шагом по углу) можно рассчитать также силы Фруда-Крылова, дифракционные (корректировка гипотезы Фруда-Крылова), гидродинамические (качка на тихой воде), гидростатические, радиационные (при движении судна с ненулевой скоростью) для любого момента времени и для любого направления распространения волн.

В соответствующих учебных пособиях по навигации приведены методы и приемы маневрирования вблизи берега, в узкостях или шхерах, где требуются повышенные точности счисления. Во время динамических операций при изменении курса судна вводится понятие циркуляции и рекомендуются некоторые методы по счислению траектории корабля (в частности, например, метод Домогарова).

Следует отметить, как это отмечают и сами авторы пособия, метод применим при полном отсутствии волнения, ветра, не учета изменении скорости судна при маневре.

Если же волнение и ветер присутствуют, то, как следует из результатов расчета при больших значениях угла альфа, действие сил Крылова-Фруда может изменяться в десятки раз в процессе изменения курса, и результирующая траектория его движения будет существенно отличаться от траектории, полученной методом Домогарова.

При некоторых значениях курсовых углов возможна полная потеря управляемости судна (фазовая скорость волн близка к скорости корабля и сила взаимодействия среды с рулевым устройством резко уменьшается).

При этом помощью соответствующей программы это положение и ориентация судна синхронизируются в графическом движке OGRE и производится рендеринг окружающей обстановки, после завершения отрисовки цикл повторяется.

Обычно при моделировании динамики судна в навигационных системах используют простые модели движения (траектория судна вычисляется как траектория материальной точки, курс судна изменяется мгновенно и скорость судна на постоянном курсе является константой). Такие упрощения неплохо применимы для моделирования движения судна в открытом море и обусловлены ограниченностью вычислительных ресурсов моделирующего компьютера, занятого, как правило, другими задачами (расчет моделей различных подсистем гидроакустических комплексов, моделированием систем оружия, моделированием систем отображения информации (СОРД, БИУС и т.д.). Лишь с появлением мощных вычислительных систем появилась возможность учета дополнительных и зачастую определяющих параметров движения судна (влияние волнения моря, ветровое воздействие, течения, динамические характеристики судна как пространственного тела сложной формы). В последнее время появились мощные программные пакеты (сертифицированные соответствующими мировыми центрами), позволяющие достаточно точно рассчитать основные силы, воздействующие на судно (с конкретными обводами корпуса) в условиях волнового воздействия (с различными типами волнового спектра Пирсона-Мошковица, JONSWAP, Филипса). Расчет возможен как в линейном приближении (как, например, программа AQWA LINE пакета ANSYS), так и с учетом нелинейности.

Для расчета сил вначале необходимо получить цифровую модель обводов корпуса судна (используя либо информацию о сечениях корпуса по шпангоутам, либо осуществляя импорт цифровых моделей корпуса из систем автоматического проектирования (типа CATIE, ProEngineerig или подобных).

В вычислителе блока сопряжения на основании и полученного вектора измерений Z, скорости (W_в) и направления ветра и течения (V_т, K_vт), высоты (h_в) и скорости (V_в) волн (по доплеровскому сдвигу между двумя лучами антенны) определяют длину волны:

- время между регистрацией высот двух волн скорость); дрейфого течения: где ϕ - широта места; период волны: скорость поверхностного течения:

По полученным значениям на мониторе, 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.

Источники информации.

1. Севастьянов Н.Б. Остойчивость промысловых судов. Л. Судостроение, 1970, с. 187-190.

2. Антоненко С.В. Практическая оценка остойчивости в открытом море по капитанской формуле. // Мореходство и морские науки - 2009: избранные доклады Второй Сахалинской региональной морской научно-технической конференции (23 сентября 2009 г. ) Под ред. В.Н. Храмушина. - Южно-Сахалинск: СахГУ, 2010. - С. 21-28.

3. Патент RU №2740617 С1, 15.01.2021.

4. Патент RU №2455190 С1, 10.07.2012.

5. Патент RU №2405712 С1, 10.12.2010.

6. Патент US №4918628 А, 17.04.1990.

7. Патент DE №10355052 А1, 17.02.2005.

8. Патент RU №2767536 С1, 17.03.3022.

9. Авторское свидетельство SU №1782863 А1, 23.12.1992.

10. Методы расчета критериев остойчивости судна (file:///E: Методы расчета критериев остойчивости судна.htm).

11. Практическая оценка остойчивости в открытом море по капитанской формуле (file://E:Практическая оценка остойчивости в открытом море по капитанской формуле.htm) [11].

12. Расчет остойчивости судов и лодок % 20 диаграмма и критерии.(file:///Е:/Расчет остойчивости судов и лодок % 20 диаграмма и критерии.htm) [12].

13. Порядок расчета остойчивости морского судна (file:///Е:/Студопедия - Порядок расчета остойчивости морского судна..htm).

Изобретение относится к способу текущего контроля остойчивости судна. Для контроля остойчивости судна производят текущий замер углов крена и дифферента судна, производят сравнение работ крепящего и восстанавливающего моментов, воздействующих на судно, которые определяются на основе данных о текущих крене и дифференте судна, а также текущей диаграммы статической остойчивости судна, которая рассчитывается на основе данных о пантокаренах судна, данных о текущей осадке судна на мидель-шпангоуте и аппликате центра тяжести судна, при этом судовые антенны спутниковой навигационной системы размещают в диаметральной плоскости в носовой, центральной и кормовой частях судна, а смещение центра тяжести судна по аппликате и абсциссе определяют по уклонению отвесной линии, измеряемой посредством спутниковой навигационной системы. Обеспечивается повышение оперативности и достоверности текущего контроля остойчивости судна. 8 з.п. ф-лы.

1. Способ текущего контроля остойчивости судна, базирующийся на текущем замере угла крена и дифферента судна, в котором для оценки запаса остойчивости судна с точки зрения оценки возможности опрокидывания судна в текущий момент времени, производится сравнение работ крепящего и восстанавливающего моментов, воздействующих на судно, которые определяются на основе данных о текущих крене и дифференте судна, а также текущей диаграммы статической остойчивости судна, которая рассчитывается на основе данных о пантокаренах судна, данных о текущей осадке судна на мидель-шпангоуте и аппликате центра тяжести судна, отличающийся тем, что смещение центра тяжести судна по аппликате и абсциссе определяют по уклонению отвесной линии, измеряемой посредством спутниковой навигационной системы, при этом судовые антенны спутниковой навигационной системы размещают в диаметральной плоскости в носовой, центральной и кормовой частях судна.

2. Способ текущего контроля остойчивости судна, отличающийся по п. 1, тем, что на борту судна установлены, по крайней мере, пять антенн приемника спутниковой навигационной системы, одна из которых установлена на мачте судна с образованием верхней диаграммы поляризации, соответственно две антенны установлены по левому и правому бортам с образованием соответственно правой и левой диаграмм направленности, две другие антенны установлены в диаметральной плоскости судна в носовой и кормовой частях судна на фиксированном расстоянии друг от друга с образованием соответственно верхней и нижней диаграмм поляризации.

3. Способ текущего контроля остойчивости судна, отличающийся по п. 1, тем, что приемник спутниковой навигационной системы содержит 40 каналов слежения за навигационными космическими аппаратами спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНЛСС, ГАЛИЛЕО и источниками помех при чувствительности приемника до 180 дБВт и при шумовой компоненте кодовых/фазовых измерений до 5/0,05 см и выполнен с возможностью определения по измеренным результатам значения уклонения отвесной линии судна.

4. Способ текущего контроля остойчивости судна, отличающийся по п. 1, тем, что прогнозируют параметры морского волнения известным способом, моделируют качку судна с учетом возможности захвата волной носовой оконечности и рассчитывают нагрузку на палубу при ее обтекании.

5. Способ текущего контроля остойчивости судна, отличающийся по п. 1, тем, что, для определения параметров волнения при измерении высоты от летательного аппарата до водной поверхности и вычисляют геодезические координаты летательного аппарата (ϕ_о, Z_o, H_o) со смешением, обусловленным наклоном отражающей водной поверхности (океанов) относительно референц-эллипсоида по формуле

где - широта, долгота и высота летательного аппарата, - геодезические координаты соответственно; по вычисленным геодезическим координатам определяют наклон водной поверхности (океанов) по широте и долготе по формулам:

где - наклон водной поверхности (океанов) но широте и долготе, М, N - радиусы кривизны нормального сечения и меридиана референц-эллипсоида; Δϕ, Δλ - разности геодезических координат по данным устройств определения параметров волнения, при этом исключают ионосферную погрешность путем обработки спутниковой навигационной информации методом PrecisePointPosition

6. Способ текущего контроля остойчивости судна, отличающийся по п. 1, тем, что измерение курса, крена, дифферента, продольного, поперечного и вертикального перемещение корпуса судна выполняют посредством датчика кинематического состояния судна, включающего фиброоптический гирокомпас с тремя фирооптическими гирометрами и тремя акселерометрами, магнитометр.

7. Способ текущего контроля остойчивости судна, отличающийся по п. 1, тем, что посредством магнитометра, жестко связанного с приемоизлучающей системой и размещенного в одном корпусе с акселерометрами, при определении профиля морских волн определяют среднеквадратические отклонения ординат, скорости и ускорений вертикальных колебаний, средний период первичных колебаний, формирующих основной спектр волнового процесса, средний период максимальных значений ординат, характеризующих верхнюю граничную частоту вертикальных колебаний волнового процесса, коэффициент взаимной корреляции значений ординат вертикальных колебаний волнового процесса и ускорений вертикальных колебаний волнового процесса, относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса, а среднюю высоту волн определяют в зависимости от относительной среднеквадратической ширины спектра волнового процесса.

8. Способ текущего контроля остойчивости судна, отличающийся по п. 1, тем, что вертикальная составляющая качки суша измеряется с помощью цифрового трехкомпонентного акселерометра, объединенного в одном общем корпусе с трехкомпонентным магнитометром, линейные перемещения судна по вертикали получают нулем двойного интегрирования по времени вертикальной составляющей ускорения, при обработке данных исключают вклад проекции силы тяжести на вертикальную ось, обусловленной наклонами судна по двум горизонтальным осям X и Y.

9. Способ текущего контроля остойчивости судна, отличающийся по п. 1, тем, что выполняют имитацию физического взаимодействия тел в PhysX при расчетах уравнений движения можно вводить, любые объективные силы и моменты, действующие на это тело (судно), при этом для конкретного обвода корпуса судна рассчитываются и табулируются все специфические силы и моменты с помощью программного модуля ANSYS AQWA и программных модулей PhysX (имитации физического взаимодействия тел). Hydrax (моделирования водной поверхности) и Skyx (моделирования атмосферных и астономических явлений) на каждом шаге интегрирования из соответствующих таблиц, рассчитанных в программном модуле ANSYS AQWА, выбираются соответствующие значения сил и моментов и производили вычисление положений и ориентации судна на следующий момент времени.