Повышение эффективности автоматизированных систем управления движением судов на основе модификации функциональных устройств береговых радиотехнических постов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Минаев, Михаил Иванович

• Минаев, Михаил Иванович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Минаев, Михаил Иванович

Введение

1. Анализ структурного построения автоматизированных систем управления движением судов на внутренних водных путях

1.1. Обзор существующих и перспективных автоматизированных систем управления движением судов

1.2. Структурное построение автоматизированной системы управления движением судов на внутренних водных путях

1.3. Требования к элементам систем управления движением судов

1.3.1. Требования к береговым радиотехническим постам

1.3.2. Требования к средствам обработки и отображения радиолокационной информации

1.4. Выводы

2. Анализ радиолокационных характеристик судов и отраженных от них сигналов

2.1. Радиолокационные характеристики судов

2.1.1. Модели объектов наблюдения на внутренних водных путях и их кластеризация

2.1.2. Радиолокационные модели судов

2.1.3. Отражающие свойства судов

2.2. Аналитические модели сигналов, отраженных от судов, на входе приемника берегового РТП

2.2.1 Мгновенное значение мощности огибающей радиоимпульса

2.2.2. Огибающая радиоимпульса

2.2.3. Огибающая пачки радиоимпульсов

2.3. Анализ особенностей амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от судов

2.3.1. Точечный надводный объект

2.3.2. Сосредоточенный надводный объект

2.4. Выводы

3. Исследование влияния длительности импульса на характеристики береговых РТП при использовании высокочастотных устройств с последовательным питанием

3.1. Теоретические основы пространственно-временного моделирования характеристик высокочастотных устройств с последовательным питанием

3.2. Анализ влияния длительности импульса передатчика и полосы пропускания приемника на диаграмму направленности антенны с последовательным питанием

3.3. Анализ влияния соотношения длительности импульса передатчика и длина антенны с последовательным питанием на интегральные характеристики пространственной избирательности береговых РТП

3.4. Выводы

4. Инженерные методики расчета, моделирования и исследования остронаправленных высокочастотных устройств береговых радиотехнических постов

4.1. Требования к техническим характеристикам высокочастотных устройств береговых РТП

4.2. Инженерная методика расчета волноводно-щелевого излучателя

4.3. Синтез косекансной диаграммы направленности для цилиндрической зеркальной антенны локатора берегового РТП

4.4. Инженерная методика проектирования элементов управления поляризацией

4.5. Конструкторско-технологическая реализация высокочастотных устройств береговых РТП

4.6. Разработка технических средств и инженерных методик настройки высокочастотных устройств береговых РТП

4.6.1. Комплексный измерительный стенд

4.6.2. Инженерная методика настройки высокочастотных устройств

4.7. Выводы 131 Заключение 132 Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности автоматизированных систем управления движением судов на основе модификации функциональных устройств береговых радиотехнических постов»

Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности судоходства и природоохранных мероприятий остается одним из основных приоритетов морского и речного флота. По многолетним данным столкновения, посадки на грунт и навалы составили до 70% всех аварий мирового флота. Такие аварии нередко сопровождались гибелью людей, большими потерями из-за повреждения судов и порчи груза, серьезными экологическими последствиями в морских и речных акваториях.

Основу большинства мероприятий, предпринимаемых с целью уменьшения навигационной аварийности, составляет оборудование районов интенсивного судоходства специализированными навигационными средствами. Практика судовождения показывает, что начатый в 40-х годах процесс широкого внедрения радиолокационной и другой навигационной техники, систем управления движением судов оказал заметное влияние на снижение числа аварий навигационного характера (посадка на мель, касание грунта и тому подобное).

Современное мореплавание характеризуется значительным возрастанием интенсивности судоходства, обусловленным увеличением объемов грузоперевозок, ростом мирового флота и повышением доли ходового времени судов в эксплуатационном периоде. Увеличение размеров судов и скоростей их движения привело к тому, что последствия столкновений судов могут привести к значительным человеческим жертвам, экономическим потерям, а также выливаться в серьезные экологические проблемы.

Отсутствие современных систем и средств обеспечения безопасного судовождения на внутренних водных путях влечет за собой создание предпосылок навигационных аварий с чрезвычайными последствиями.

Решение этой проблемы возможно с помощью береговых систем управления движением судов, оборудованных современными средствами вычислительной, радиолокационной и связной техники. Подобные системы установлены и успешно работают на ряде крупных рек Западной Европы и Северной Америки.

В Российской Федерации работа по созданию и эксплуатации современных систем управления движением судов (СУДС) на морских акваториях, внутренних водных путях проводится более 40 лет. Первая СУДС была введена в эксплуатацию в 1960 году на базе отечественной БРЛС «Раскат». Подобные же станции затем были установлены в портах Мурманск, Ильичевск, Мариуполь. В дальнейшем СУДС были созданы в портах Новороссийск, Одесса, Клайпеда, Вентспилс, Архангельск, Владивосток, Керчь, заливе Находка и в ряде других портов.

Эффективность внедрения СУДС показала целесообразность их дальнейшего развития за счет расширения зон применения, создания региональных систем, охватывающих подходы к нескольким портам или целые прибрежные районы.

Радиолокационный контроль над движением судов позволяет оценить плотность движения на фарватерах, подходах к портам и в местах схождения путей с целью избежания конфликтных ситуаций. Одновременно создаются условия для выявления случаев нарушения судами режима плавания и принятия соответствующих мер, проводки судов в условиях ограниченной видимости.

Для повышения точности и информативности процессов управления судоходством в СУДС требуется детальное исследование радиолокационных характеристик судов, особенностей и основных информационных параметров отраженных от них эхо сигналов. Известные теоретические и экспериментальные исследования позволяют получить определенные представления о них, которые, однако, недостаточны для разработки практических методов и формализованных процедур извлечения дополнительной информации из сигналов, отраженных от судов.

Постоянное возрастание интенсивности судоходства, развитие и нарастающее использование малотоннажного флота обуславливает непрерывное возрастание требований к повышению разрешающей способности береговых радиотехнических постов (РТП) СУДС, которые входят в противоречие с возможностями практической реализации крупногабаритных антенных устройств и требованиями обеспечения их эксплуатационной стабильности и надежности. Реальной альтернативой этому является перевод береговых РТП в более коротковолновую часть диапазона длин волн, но этот переход сопровождается значительными конструкторскими и технологическими проблемами, решение которых должно основываться на дополнительных научных исследованиях.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности СУДС за счет разработки инженерных методик проектирования функциональных устройств береговых РТП проводки судов.

Для достижения поставленной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:

1. Проанализировать особенности функционирования и требования, предъявляемые к береговым радиотехническим постам СУДС, с учетом определения наиболее эффективных путей их совершенствования, повышения точности и информативности сигналов, отраженных от судов, повышения разрешающей способности береговых РТП.

2. Исследовать радиолокационные характеристики судов и особенности отраженных от них сигналов с целью обеспечения их идентификации и организации проводки судов в условиях ограниченной видимости.

3. Разработать методы повышения точности и информативности радиолокационных сигналов от судов и пути их реализации в СУДС путем использования нетрадиционного диапазона длин волн.

4. Исследовать влияние длительности зондирующего импульса на характеристики береговых РТП при использовании высокочастотных устройств с последовательным питанием.

5. Разработать методическое и информационно-программное обеспечение для расчета, моделирования и исследования высокочастотных функциональных устройств береговых РТП СУДС.

Методы исследования. Радиолокационные характеристики судов определялись с использованием положений.и методов статистической теории радиолокации. Аналитические модели сигналов, отраженных от надводных объектов, были синтезированы в результате применения статистической теории рассеяния электромагнитной энергии телами сложной формы. Инженерные методики проектирования функциональных устройств береговых РТП основаны на базовых постулатах геометрической теории дифракции электромагнитных волн. Исследования характеристик и информативных параметров функциональных устройств береговых РТП базировались на результатах физического моделирования, выполненных на специально созданном комплексном измерительном стенде.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:

1. Показано, что одним из наиболее эффективных путей совершенствования СУДС является увеличение точности и информативности обработки сигналов, отраженных от судов. Выявлена и использована принципиальная возможность построения СУДС, отличающихся повышенной точностью измерения координат наблюдаемых судов и вырабатывающих параметры их ориентации.

2. Получены необходимые для процессов идентификации и управления в СУДС аналитические модели амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов. Установлено, что импульсы пачки от сосредоточенного объекта (судна) могут различаться между собой не только амплитудой, как у точечных объектов, но и длительностью, временной задержкой, а также формой огибающей. Изучена зависимость амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных надводными объектами от их геометрических характеристик и процесса флуктуаций эффективной поверхности рассеяния наблюдаемого объекта под воздействием ветра и волнения в условиях ограниченной акватории.

3. Сформулированы конкретные рекомендации по применению в береговых РТП высокочастотных устройств с последовательным питанием. 7

Доказано, что степень подавления приемником спектральных компонент импульса передатчика должна соответствовать требованиям к уровню ближних боковых лепестков диаграммы направленности высокочастотных устройств береговых РТП, что повышает помехоустойчивость при принятии решений в СУДС.

4. Уточнено содержание информационного обеспечения СУДС, включающее оценивание зависимости минимального импульсного объема от несущей частоты передатчика, что позволило повысить в 4 раза угловое разрешение береговых РТП при сохранении длительности зондирующего импульса.

5. Разработаны инженерные методики и информационно-программное обеспечение расчета высокочастотных устройств с последовательным питанием и их элементов, включая управление поляризацией и формирование квазикосекансной диаграммы направленности.

6. Обоснованы конструкторско-технологические рекомендации, позволившие сократить трудовые и финансовые затраты на производство и настройку функциональных устройств береговых радиотехнических постов СУДС.

Основные новые результаты, выносимые на защиту.

• аналитический обзор методов построения и структурирование комплекса технических требований, предъявляемых к автоматизированным системам управления движением судов;

• аналитические модели пространственно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов, позволившие повысить точность и информативность их обработки в СУДС;

• инженерные методики расчета, программное обеспечение и конструкторско-технологические рекомендации по проектированию функциональных устройств береговых РТП СУДС;

• методики компенсации погрешностей функциональных устройств береговых РТП с использованием специализированного комплексного измерительного стенда;

• результаты практического использования семейства береговых РТП «Балтика» СУДС в портах Мурманск, Владивосток, Кавказ и ГБУ «Волго-Балт»;

Реализация результатов работы.

Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы реализованы в радиотехнических системах 8-ми миллиметрового диапазона длин волн (семейства «Балтика»), которые в период с 1999 по 2005 гг. внедрены в:

• ФГУП «Росморпорт» Морской администрации порта «Мурманск» на РТП Абрам-мыс и АРТП мыс Мишуков;

• Главном бассейновом управлении «Волго-Балт» при оснащении радиотехнических постов «Лодейное поле» и «Отрадное»;

• ЗАО «Норфес» (Владивосток);

• ФГУП «Звезда» (Владивосток, пос. Большой камень);

• ФГУП «Росморпорт» в портах «Кавказ», «Темрюк», «Железный рог». Апробация работы. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Международной Крымской конференции «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, 2004 г.) и Научно-практической конференции «Радиоэлектронные системы. XXI век» (Санкт-Петербург, 2004 г.).

Публикации. По результатам научных исследований автором с 2000 по 2005 г. опубликовано 8 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и включает 145 страниц основного текста, 38 рисунков, 7 таблиц. Библиографический список включает 95 наименований

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Минаев, Михаил Иванович

4.7. Выводы

При выполнении конструкторско-технологических разработок, описанных в четвертом разделе диссертации, получены следующие основные результаты:

1. Разработана серия высоконаправленных антенн 8 мм диапазона длин волн, обеспечивающая требования к береговым PJIC, входящим в состав автоматизированных систем управления движением судов.

2. Разработаны инженерные методики расчета антенн и их функциональных элементов, включая формирование квазикосекансной диаграммы направленности.

3. Сформулированы конструктивно-технологические рекомендации, позволяющие реализовать успешное изготовление и настройку высоконаправленных антенн 8 мм диапазона с низким уровнем бокового излучения.

4. Разработан, изготовлен и апробирован специальный комплексный стенд для настройки и измерения характеристик остронаправленных антенн по полю в раскрыве.

5. Разработана инженерная методика и процедура настройки антенных устройств береговых PJIC.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с целью работы в диссертации представлены возможности повышения эффективности СУДС за счет разработки инженерных методик и информационно-программного обеспечения проектирования функциональных устройств береговых РТП миллиметрового диапазона длин волн.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что эффективность СУДС, требуемая точность определения местонахождения судна при любых навигационных и метеорологических условиях обусловлены разрешающей способностью береговых РТП по дальности и направлению.

2. Синтезированы аналитические модели амплитудно-временной структуры сигналов, отраженных от надводных объектов, позволившие повысить точность и информативность их обработки в СУДС. Выявлена зависимость структуры эхо-сигналов судов от их геометрических характеристик и ракурса, существенно отличающая эти объекты наблюдения от точечных, свойства которых положены в основу принципов обработки информации в существующих СУДС.

3. 3. Получены аналитические выражения, позволяющие анализировать и моделировать пространственно-временные характеристики излучения береговых РТП. Проведено моделирование влияния длительности импульса передатчика и полосы пропускания приемника на диаграмму направленности, определены зависимости коэффициентов расширения луча, импульса от соотношения длины антенны и длительности импульса, получено выражение для минимально достижимого импульсного объема.

4. Разработаны инженерные методики и программное обеспечение проектирования функциональных устройств береговых РТП, включая формирование квазикосекансной диаграммы направленности.

5. Сформулированы конструктивно-технологические рекомендации, позволяющие реализовать успешное изготовление и настройку остронаправленных высокочастотных устройств 8 мм диапазона с низким УБЛ.

6. Разработан комплексный стенд для настройки и измерения характеристик остронаправленных антенн по полю в раскрыве, разработана инженерная методика и процедура настройки высокочастотных устройств береговых РТП.

Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы реализованы в радиотехнических системах 8-ми миллиметрового диапазона длин волн (семейства «Балтика»), которые в период с 1999 по 2005 гг. внедрены в:

• ФГУП «Росморпорт» Морской администрации порта «Мурманск» на РТП Абрам-мыс и АРТП мыс Мишуков;

• Главном бассейновом управлении «Волго-Балт» при оснащении радиотехнических постов «Лодейное поле» и «Отрадное»;

• ЗАО «Норфес» (Владивосток);

• ФГУП «Звезда» (Владивосток, пос. Большой камень);

• ФГУП «Росморпорт» в портах «Кавказ», «Темрюк», «Железный рог».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Минаев, Михаил Иванович, 2005 год

1. Срубас А. СУДС — это безопасность мореплавания. Морской флот, 1999, № 1, с. 27.

2. Концепция COJIAC. Глава 5. Правило 12 «Службы управления движением судов».

3. Резолюция ИМО А.857 (20) «Руководство по СУДС» от 27.11.1997.

4. Системы управления движением судов. Технико-эксплуатационные требования № МФ 02-22/848-70. М.: 2002. -30с.

5. Технико-эксплуатационные требования к СУДС № МФ-29/53-48.

6. Белоус Ю.П. Система управления движением судов на Невско-Ладожском участке внутренних водных путей ГБУ «Волго-Балт». Информост, 2003, № 1 (25), с. 16-17.

7. Бродский Е.Л. Пять лет в ГБУ «Волго-Балт»: первые итоги, проблемы, перспективы. Информост — радиоэлектроника и телекоммуникации, 2003, № 1 (25), с. 8-11.

8. Минаев М.И. Безопасность плавания в Кольском заливе — новое качество. Морская биржа, 2003.

9. Бродский Е.Л. Концептуальная модель построения автоматизированной системы управления движением судов в Невско-Ладожском районе водных путей и судоходства Волго-Балтийского водного пути: Автореф.дис.канд.техн.наук. СПб., 2002. -24с.

10. Минаев М.И. Новые технологии в обеспечении безопасности особо важных объектов морского и речного флота. Информост, 2004, № 2 (32).

11. Минаев М.И. Безопасность судоходства по внутренним водным путям на качественно новый уровень. Деловой Петербург, 2003.

12. Бабенко А.И., Зимин Н.С., Минаев М.И. Состояние и тенденции развития радиотехнических систем управления движением. Наука и технологии в промышленности, 2001, № 3 (6).

13. Семенов К.А. и др. Автоматизированная связь с судами. JI.: Судостроение, 1989.-224с.

14. Варжапетян А.Г., Глущенко В.В. Системы управления. Исследование и компьютерное проектирование. М.: Вузовская книга, 2000.

15. Бутов А.С., Гаскаров Д.В. Транспортные системы: моделирование и управление. СПб: Судостроение, 2001. - 552с.

16. Кулибанов Ю.М. Основы создания сложных информационных систем. СПб.: ГУВК, 1998.-71с.

17. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. - 325с.

18. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления. — JL: Энергоиздат, 1982. 288с.

19. Белый О.В., Копанев А. А., Попов С.С. Системология и информационные системы. СПб.: ГУВК, 1999. — 332с.

20. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1998.-319с.

21. Математическое моделирование: методы описания и исследования сложных систем / Под ред. А.А. Самарского. М.: Наука, 1989. - 271с.

22. Евменов В.Ф., Ракитин В.Д., Сикарев А.А. Автоматизация судовождения и связи. СПб.: ГУВК, 1997.

23. Гаскаров Д.В., Францев Р.Э. Автоматизированные системы управления. СПб.: Судостроение, 2003. — 135с.

24. Доровских А.В., Сикарев А.А. Сети связи с подвижными объектами. — Киев: Техника, 1999. 160с.

25. Сикарев А.А. Интеграционные процессы на рубеже XX и XXI веков в глобальных и региональных информационных сетях связи и местоопределения подвижных объектов. Труды Международной академии связи, 2001, № 1 (17). с. 27-29.

26. Кобзева А. Система управления движением судов в Финском заливе. «Информост Радиоэлектроника и коммуникации», 2002, № 2 (20). -с. 19-21.

27. Бухановский И.Л. Радиолокационные методы судовождения. — М.: Транспорт, 1970. — 247с.

28. Минаев М.И. Радиолокаторы высокого разрешения. Морской сборник, 2202, № 6.

29. Москвин Г.И. Развитие береговых радиолокационных систем управления движением судов. Экспресс-информация ЦБНТИ ММФ. «Судовождение и связь», 1980, вып. 4 (129). 29с.

30. Руденя Г.К. Экспериментальное определение корреляционных зависимостей эхо-сигналов от надводных объектов и поверхности моря. Сб. «Методы и проблемы морской навигации». М.: ЦРИА Морфлот, 1981.-с. 102-104.

31. Сенников В.И., Яловенко В.Я. Натурные исследования помехозащищенности радиолокационно-вычислительных систем. Сб. «Технические средства и методы судовождения», вып. 279. — Л.: Транспорт, 1983. с. 27-32.

32. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин И.Ф. Морская поляриметрия. — Л.: Судостроение, 1968. — 328с.

33. Зимин Н.С. Средство автоматической радиолокационной прокладки повышенной точности и информативности: Автореф. диссертации канд.техн.наук. Л., 1988. -24с.

34. Кондрашихин В.Т., Караськов Г.А., Щеголев В.И., Якшевич Е.В. и др. Автоматизированные комплексы навигации и управления на морских транспортных судах. Сб. «Методы и средства управления на морском флоте», № 3 (226). М.: ЦБНТИ ММФ, 1970. 137с.

35. Зурабов Ю.Г., Черняев Р.Н., Якшевич Е.В., Яловенко В.Я. Судовые средства автоматизации предупреждения столкновений судов. М.: Транспорт, 1985. — 264с.

36. Жерлаков А.В., Зимин Н.С., Кононов О.В. Радиолокационные системы предупреждения столкновений судов. JL: Судостроение, 1984. 200с.

37. Волынец В.Ф., Гальперин В.Я. Устройства отображения информации в радиолокационных системах предупреждения столкновений судов. Судостроение за рубежом, 1977, № 9. с.39-48.

38. Байрашевский A.M., Ничипоренко Н.Т. Судовые радиолокационные системы. М.: Транспорт, 1982. — 317с.

39. Щеголев В.И., Тарасов А.Н. Основные направления в развитии методов и технических средств для предотвращения столкновений судов. Обз.инф. «Судовождение и связь», М.: ЦБНТИ ММФ, 1974.

40. Якшевич Е.В., Кошевой Ю.Ф. Экспериментальное исследование точности определения параметров движения целей с помощью САРП «Бриз-Е». Труды ЦНИИМФ, 1983, вып. 279. с. 32-39.

41. Якушенков А.А., Антоненко В.А., Кошевой А.А. и др. Результаты разработки и судовых испытаний комплексной системы автоматизации судовождения «Бирюза». Сб. «Навигация и управление судном» — Л.: Транспорт, 1986. с. 3-18.

42. Черняев Р.Н. Состояние и перспективы развития радиолокационной техники на судах морского флота. Сб. «Судовождение и связь», вып. 1 (11).-М.: ЦБНТИ ММФ, 1979.-80с.

43. Зимин Н.С. Классификация радиолокационных объектов. В сб. Судовождение, вып. 24. -М.: ЦРИА Морфлот, 1979, с. 119-123.

44. Черняев Р.Н. Принципы классификации навигационных систем вторичной радиолокации и влияние интерференционных замираний на их работу. Труды ЦНИИМФ, 1978, вып. 234. М. ЦНИИМФ. с. 3-11.46