Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования мурманский государственный технический университет на кафедре су

На правах рукописи

Калитёнков Николай Васильевич

РАДИОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОГО МОРЕПЛАВАНИЯ
И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СУДНА В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ МОРСКОГО РАЙОНА А4

Специальность 05.22.19 – Эксплуатация водного транспорта,

судовождение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Мурманск - 2006

УДК [621.396 + 621.371] : 656.61.052 (043)

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" на кафедре "Судовождение".

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Меньшиков Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Клементьев Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент Брандт Роман Борисович

Ведущая организация: ОАО "Мурманский траловый флот"

Защита диссертации состоится "_29__" ноября 2006 г. в_14___ часов
на заседании диссертационного совета КМ. 307.009.02 в Мурманском
государственном техническом университете по адресу: 183010, г. Мурманск, ул. Спортивная, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского
государственного технического университета.

Автореферат разослан "_26__" октября 2006 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой
печатью учреждения, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор химических наук, профессор Деркач C.Р.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Важнейшей частью инфраструктуры экономического комплекса Крайнего Севера и связующим звеном между российским Дальним Востоком и западными районами страны является
Северный морской путь (СМП). Для некоторых районов арктической зоны России морские суда, используемые на СМП в установленных Международными морскими конвенциями рамках безопасной эксплуатации, – единственный способ решения проблемы жизнеобеспечения населения этой зоны.

Промышленная добыча и транспортировка углеводородного сырья
с шельфовой зоны северной части морского района А4 невозможны
без постоянно проводимой разведки с целью поиска перспективных морских акваторий, в которых имеются запасы этого сырья. Доминирующую роль в процессе освоения акваторий играет навигационная информация, получаемая от спутниковых навигационных систем. Однако при геомагнитных возмущениях, характерных для района А4, точность навигационной информации значительно уменьшается и, как следствие этого, растет вероятность срыва процесса позиционирования и выхода бурового судна за пределы установленного сфероида навигационной безопасности.

Таким образом, радиотехническое обеспечение безопасности мореплавания и позиционирования судна в северной части морского района А4 является актуальной проблемой.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка программно-аппаратного обеспечения, включаемого в состав интеллектуальной эргатической системы для поддержания безопасности мореплавания морских и специализированных судов в северной части морского района А4 и минимизирующего или учитывающего искажения навигационной информации в условиях действия авроральных суббурь.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие теоретико-экспериментальные задачи:

– составить общее описание квазибезопасного производственного процесса, основанного на множественности рисков, сопутствующих плаванию и позиционированию судна, а также на иерархичности признаков, отражающих свойства системы управления состоянием безопасности мореплавания;

– разработать оптимальный механизм выбора, преобразующий текущую навигационную информацию, в том числе полученную по каналам радиосвязи, надежно действующим в северной части морского района А4, в управления состоянием безопасности мореплавания;

– оценить изменения времени группового распространения радиоволн на трассах в северной части морского района А4 и разработать рекомендации по организации радиосвязи с целью обеспечения безопасности мореплавания;

– разработать модель взаимодействия коротких радиоволн с неоднородностями высокоширотной ионосферы в северной части морского
района А4 и оценить величину замедления радиоволны в зависимости
от отстройки рабочей частоты относительно критической частоты;

– исследовать дисперсионное уравнение для радиоволны в системе "неоднородности высокоширотной ионосферы – пучок авроральных элект-ронов" и разработать рекомендации по учету максимального разброса скоростей электронов во время авроральных суббурь;

– оценить величину дополнительного временного набега при распространении радиоволны в системе "неоднородности высокоширотной ионосферы – пучок авроральных электронов" и разработать рекомендации
по учету этого набега в судовых программно-аппаратных средствах, принимающих информацию по безопасности мореплавания;

– синтезировать модель безопасности навигации для районов плавания судна с повышенным числом навигационных рисков и разработать
алгоритм оценки состояния обсервационного рассеивания, позволяющего конкретизировать закон позиционирования судна в заданной точке;

– разработать программно-аппаратное обеспечение комплекса, позволяющего осуществлять прием, обработку и представление навигационной информации по радиоканалу для повышения безопасности мореплавания
и точности позиционирования судна в северной части морского района А4.

Объектом исследований является интеллектуальная эргатическая система, информационно открытая по радиотехническому каналу и ориентированная на обеспечение безопасности мореплавания и точности позиционирования судов в северной части морского района А4.

Предметом исследований является процесс функционирования системы управления состоянием навигации и позиционирования судна
в заданной точке, в рамках которого необходимо повысить надежность функционирования этой системы за счет приема и учета дополнительной информации, поступающей на судно по радиоканалам в северной части морского района А4.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

– предложено математическое описание квазибезопасного производственного процесса, включающего как плавание судна по заданному маршруту, так и его позиционирование в заданной точке и основанного
на множественности навигационных рисков и иерархичности признаков безопасности;

– дано математическое описание механизма выбора, преобразующего текущую навигационную информацию в управления состоянием навигационного процесса и позиционирования судна в заданной точке;

– впервые описано взаимодействие радиоволн КВ диапазона с неоднородностями высокоширотной ионосферы и выполнено исследование дисперсионного уравнения для радиоволн в системе "неоднородности высокоширотной ионосферы – пучок авроральных электронов";

– даны рекомендации по обеспечению безопасности плавания и безопасному позиционированию судна при изменениях состояния обсервационного рассеивания, полученного с помощью судовой бортовой аппаратуры спутниковой навигационной системы "NAVSTAR – GPS";

– предложены программно-аппаратные средства для оптимизации приема навигационной информации в КВ диапазоне применительно
к условиям плавания в северной части морского района А4;

– для прогнозирования целостности системы GPS и оценки точности обсервационного счисления предложены синоптические карты проекции положения овальной зоны полярных сияний на земную поверхность.

Практическая значимость работы. Составлены рекомендации по приему и обработке навигационной информации, которые используются в работе системы управления безопасной эксплуатацией судов компаний Северного бассейна. Эти рекомендации включены в руководства по планированию безопасного навигационного перехода и позиционированию судна при ведении разведочных работ на шельфе в северной части морского района А4.

Внедрение результатов. Результаты исследований внедрены в системы управления безопасной эксплуатацией судов на Северном бассейне,
а также используются в учебном процессе при подготовке курсантов по специальности "Судовождение на морских путях" и на курсах переподготовки морских специалистов на факультете повышения квалификации Мурманского государственного технического университета. Внедрение результатов исследования подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и результаты, полученные в диссертационной работе, были представлены в виде докладов на VII между-народной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, радиосвязь" (Воронеж, 2001), международной конференции "Перспективы развития систем связи и навигации на морском и речном транспорте"
(Москва, 2002), всероссийской научно-технической конференции "Наука
и образование – 2002" (Мурманск), всероссийской научно-технической конференции "Наука и образование – 2003" (Мурманск), международных научно-технических конференциях "Наука и образование", проходивших
в 2005 и 2006 гг. в Мурманском государственном техническом университете.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы были опубликованы в одиннадцати статьях.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 120 страницах основного текста и состоит из введения, четырех глав теоретических
и экспериментальных исследований, заключения, списка использованной литературы, включающего 93 наименования, и приложения.

Содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, а также отмечено, что
в силу особенностей исследования литературный обзор выполняется
в каждой главе работы по мере изложения материала.

В первой главе представлено математическое описание безопасной
эксплуатации как объекта управления, предложена методика бинарной декомпозиции структуры этого объекта, разработаны математическая модель квазибезопасного производственного процесса и механизм выбора оптимальных управлений, который, преобразуя текущую информацию, обеспечивает поддержание квазибезопасного состояния безопасности мореплавания.

Деятельность на международных морских рынках по предоставлению как транспортных, так и специальных услуг предполагает в качестве обязательного условия ведение производственной деятельности в рамках управления. Такая деятельность может быть описана с помощью процедуры, замкнутой относительно объединения вида

, (1)

где TQM – общее управление качеством; ISM – управление безопасной эксплуатацией судна и загрязнением окружающей морской среды, определенное девятой главой Международной Конвенции СОЛАС-74 и Кодексом к ней; ISO – управление качеством продукции или услуг, предоставляемых потребителю и осуществляемых в рамках стандартов ISO.

Исходя из представления (1) в качестве математической модели "безопасности эксплуатации морского судна" как объекта исследования и управления, можно предложить систему с фиксированной структурой, записанную
в виде

T = (P, S, Q), (2)

где множество P следует рассматривать как элементное множество объекта Т, множество S – как правила эксплуатации судна, множество Q – как производственные процессы.

Предпосылкой к реализации декомпозиции объекта (2) с целью выделения его составляющих является предположение о "слоистости" состояния этого объекта. Каждый слой состояния объекта может быть составлен из возможных состояний элементов и их связей. Для этого необходимо лишь применить систему отношений вида , где А – фиксированные качественно-количественные свойства выделяемых элементов и их связей, R – структура
порядка, использующая только соотношение эквивалентности.

При выполнении декомпозиции безопасной эксплуатации судна как объекта используются положения международно-признанных конвенций, таких как СОЛАС-74, МАРПОЛ-78, ПДМНВ-78/95. Решение задачи по декомпозиции графа G, описывающего элементы и связи множества P, следует начинать с преобразования этого графа в симметричную бинарную матрицу М, элементы которой определяются так:

. (3)

Если в полученной матрице по главной диагонали располагаются квадратные подматрицы M1, М2,..., Ms порядка , то такое
разбиение будет соответствовать декомпозиции графа G на непересека-
ющиеся множества без учета информационных связей. При составлении матрицы М с порядком число единиц, не принадлежащих диагональным квадратным подматрицам M1, М2,..., Ms, должно быть минимальным
и отвечать только информационным связям между отдельными слоями декомпозированного множества Р. Тогда без учета информационных связей правильно подобранное преобразование

(4)

позволяет оперировать элементной базой объекта Т так, что при этом будет выполняться декомпозиция вида

.

Далее будем считать, что в результате преобразования (4) получена бинарная подматрица Mnav, элементы которой связаны признаком принадлежности к навигационной деятельности судна, а навигационный процесс Q0  Q, реализуемый на судне, представляет собой множество Y, состоящее из N промежуточных образований. Тогда множество Y можно поделить на классы

, (5)

где; .

В выделенных классах (5), включающих в себя промежуточные образования множества Y, существуют как номинальные признаки безопасности X, если L > 1, так и универсальный признак безопасности Х0, если L = 1.

В соответствии с выражением (5) квазибезопасность производственного процесса Y в целом будет достигаться лишь в том случае, когда выполняется соотношение

Z = T(X, Vk, V) = X0(Vp); p = 1, …, L, (6)

или когда признак X можно считать универсальным X0 для всего множества Y.

Любой эргодический производственный процесс, обладающий признаком квазибезопасности (6), будет отвечать условию

, (7)

которое отражает состояние безопасности навигации при минимуме навигационных рисков.

Внешней функцией любой системы управления безопасностью мореплавания является минимизация навигационных рисков

, (8)

где f() – функция рисков.

Если связать функцию рисков f() с оперативной информацией

, (9)

которая поступает на судно как от технических средств самого судна, так и извне, то задачу выбора управления безопасностью мореплавания можно свести к разработке механизма выбора, который преобразует поступающую информацию I(t) в оптимальное управление .

Судоводитель всегда оценивает будущее состояние безопасности навигации, используя для этого оператор прогнозирования , преобразующий имеющиеся данные (9) в переменную вида

.

Реализовать такую оценку можно, если использовать операцию

,

которая результативна лишь при наличии оперативной информации I(t)
и правомочности гипотез

для . (10)

При разработке механизма выбора управлений состоянием безопас-ности мореплавания было принято, что обновление оперативной информации (9) производится в заданные моменты t = tn, n = 0, k – 1. Такое
допущение означает, что в моменты tn с помощью функции выбора (10) определяется управление uоп(|tn), которое в качестве оптимального можно использовать в промежутке времени . Если затем применить принцип оптимальности по Беллману, то оптимальное управление на момент времени tn можно выбирать так:

, (11)

где ,

В выражении (11) первым слагаемым является прогноз риска
R(tn, tn + 1) на момент tn при условии существования управления u(), вторым слагаемым – имеющийся в момент tn прогноз риска R(tn + 1, tk) при данном u(), ; при этом предполагается, что дальнейший выбор управлений в дискретные моменты будет также оптимальным.

Во второй главе диссертационной работы рассмотрено влияние
неоднородных и неравновесных свойств высокоширотной ионосферы на эффективность функционирования судового связного и навигационного оборудования при работе в северной части морского района А4. Показано, что в результате взаимодействия с магнитоориентированными неоднород-ностями электронной плотности поперечная радиоволна трансформи-руется в продольно-поперечную с отличной от нуля компонентой электрического поля вдоль направления распространения (вдоль неоднородности) Ez. Получено дисперсионное уравнение для радиоволн, распространяющихся вдоль неоднородности высокоширотной ионосферы

kz = {2(1 – н)(1 – ф) / с2[2 – (ф + н)]}, (12)

где ф 1; |1 – н| > |1 – ф|.

Из выражения (12) следует, что фазовая скорость таких радиоволн

Vz = {с2 [2 – (ф + н)] / (1 – н) (1 – ф)} (13)

может изменяться в широких пределах, определяемых частотой радиоволны и концентрациями фоновой плазмы и плазмы неоднородности. При этом если выполнено условие (ф + н) 2, то фазовая скорость Vz стремится к нулю.

Радиоволна с продольной компонентой электрического поля и фазовой скоростью, меньшей скорости света, может взаимодействовать с пучками электронов, вторгающимися в ионосферу во время авроральных суббурь.

Когда моноэнергетический и коллимированный вдоль направления геомагнитного поля (вдоль неоднородности высокоширотной ионосферы как замедляющей структуры) электронный пучок движется со скоростью V0
и попадает в поле бегущей замедленной радиоволны Ez,то в результате группировки электронов в пучке появляется переменная составляющая тока i1, удовлетворяющая уравнению

2i1/z2 + 2ike i1 / z – i1 = –ike e0 Ez / mV0. (14)

Эта переменная создает свое поле, которое подчиняется уравнению

2U / z2 + U = iX0 i1/ z, (15)

и взаимодействует с полем радиоволны, усиливая или ослабляя его.

Таким образом, распространение радиоволн КВ диапазона в условиях авроральных суббурь, т. е. в неоднородной, неравновесной ионосфере,
в первом приближении может быть описано следующей системой дифференциальных уравнений:

(16)