СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА С ОТСЛЕЖИВАНИЕМ ПЕРЕМЕЩАЮЩЕЙСЯ ЦЕЛИ

Изобретение относится к системам автоматического управления движением судов и предназначено для реализации автоматического управления движением при отслеживании подводной перемещающейся цели.
Известна система автоматического управления движением судна, обеспечивающая повышение точности и информативности путем обработки избыточных измерений комплексным составом аппаратуры, надежность и безопасность судовождения (RU 463205).
Недостатком известной системы является то, что она не обеспечивает движение судна вслед за подвижной подводной целью.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному по совокупности признаков является система автоматического управления движением судна (RU 381140 C1), принятая в качестве прототипа, содержащая приемоиндикатор спутниковой навигационной системы (СНС), задатчик курса и координат позиционирования, блок формирования сигналов управления, сумматор и блок коррекции параметров системы автоматического управления движением (САУД).
Недостатком прототипа является то, что он устраняет рассогласование по путевому углу и координатам местоположения неподвижной цели без учета скорости передвижения самой цели, не осуществляет как таковое слежение за перемещающейся целью и не осуществляет выбор безопасного и оптимального маршрута отслеживания цели.
Сущность изобретения заключается во введении в систему управления, содержащую приемоиндикатор спутниковой навигационной системы (СНС), задатчик курса и координат позиционирования, блок коррекции параметров САУД, сумматор и блок формирования сигналов управления, гидролокатора, позволяющего отслеживать местоположение подвижной подводной цели (косяк рыбы, морское крупное животное и др.), блока прогноза местоположения и направления движения цели, позволяющего определить предполагаемое местонахождение подвижной цели в предстоящие моменты времени, блока оперативной прокладки курса, позволяющего с учетом конструктивных параметров судна, времени прилива и отлива, а также данных, поступающих с карт глубин и течений, датчиков глубины, течения, ветра и волнения, скорректировать курс и скорость хода судна для минимизации рассогласования по курсу и скорости и оптимизации расположения судна относительно исследуемой цели с учетом изменения ее скорости и направления движения.
Техническим результатом является высокая точность слежения за подводной перемещающейся целью, уменьшение вероятности выхода цели слежения из зоны действия средств наблюдения и минимальное время выхода на оптимальную дистанцию наблюдения за подводной целью.
Изобретение поясняется графическими материалами:
- фиг. 1 - функциональная схема устройства;
- фиг. 2 - обнаружение, расчет скорости и прогноз предполагаемого положения цели в момент достижения судном оптимальной дистанции слежения;
- фиг. 3 - выход судна на оптимальную дистанцию слежения.
САУД судна (фиг. 1) содержит:
1 - гидролокатор;
2 - блок прогноза местоположения и направления движения цели;
3 - задатчик курса и координат позиционирования;
4 - спутниковую навигационную систему;
5 - блок оперативной прокладки курса;
6 - тензор конструктивных параметров судна;
7 - датчик ветра;
8 - датчик волнения;
9 - карта глубин;
10 - карта течений;
11 - блок учета приливов и отливов;
12 - блок коррекции параметров САУД;
13 - блок формирования сигналов управления.
max
На фиг. 2 представлена схема, поясняющая метод расчета скорости и предполагаемого местоположения цели в случае, когда скоростью движения судна можно пренебречь. В центре пунктирной окружности сплошной линией изображено положение судна; цифрой 1 обозначено расположение цели в момент ее обнаружения; цифрой 2 обозначено расположение цели в следующий момент ее фиксации (для увеличения точности расчета регистрация положения цели может вестисть по большему количеству отсчетов); цифрой 3 обозначено предполагаемое расположение цели через время, необходимое для выхода цели на оптимальную дистанцию слежения). Штриховой линией показана окружность, ограничивающая дальность обнаружения цели, с радиусом R.
На фиг. 3 представлена схема, поясняющая выход судна на оптимальную дистанцию слежения. В центре пунктирных окружностей сплошной линией изображено положение судна в момент выхода на оптимальную дистанцию; внизу рисунка штриховой линией обозначено начальное положение судна. Кроме окружности максимальной дальности обнаружения цели, на фиг. 3 приведена штриховой линией окружность минимального радиуса слежения.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
1
1
В момент обнаружения интересующей цели дистанция до нее R и пеленг α на цель (фиг. 2) поступают с гидролокатора (1) (фиг. 1) на устройство прогноза местоположения и направления движения цели, которое преобразует полученные данные из полярной системы координат в декартову и запоминает координаты положения цели относительно судна, являющегося нулем отсчета:
C1
1
1
C1
1
1
X=Rcosα; Y=Rsinα.
Аналогично через время T после получения исходных данных с гидролокатора осуществляется преобразование координат:
C2
2
2
C2
2
2
X=Rcosα; Y=Rsinα.
Расчет пройденного целью перемещения за время T осуществляется согласно формуле:
.
Расчет пеленга, по которому за время T двигалась цель, осуществляется согласно формуле:
; 0°≤φ<360°.
Необходимо подчеркнуть, что ось абсцисс декартовой системы координат, нулем отсчета связанной с судном, должна быть направлена на север (географический), а ось ординат - на восток.
Средняя скорость движения цели вычисляется как отношение всего перемещения S к общему времени T.
Уравнение движения цели по известным снятым двум точкам можно однозначно определить по следующей зависимости:
.
Для более детального отслеживания положения объекта наблюдения время отслеживания T может быть дискретизировано на m равных временных интервалов Δt=T/m, где Δt<<T.
В этом случае путь цели можно рассчитать как
,
где компоненты элементарных перемещений вдоль осей декартовой системы координат, связанной с судном (фиг. 2), определяются следующим образом:
, здесь .
Вычисление пути цели будет тем точнее, чем больше величина m. Для большинства траекторий движения цели для получения погрешности менее 10% достаточно иметь m>15.
Сопоставляя рассчитанные значения перемещения S и пути R, можно оценивать характер движения цели и замысловатость ее траектории. Например, при 1<R/S<2 можно говорить о том, что объект движется к местам охоты и промысла либо находится в процессе миграции, если же R/S>3…4, то это может служить индикатором того, что объект охотится либо осваивает новую территорию.
В случае, если скоростью движения судна в течение всего времени измерения пренебречь нельзя, то необходимо учесть смещение судна за время измерения как поправку на «плавающий нуль» отсчета.
В случае сложного непрямолинейного движения цели экстраполяция траектории ее движения в предстоящие моменты времени может производиться посредством обучающейся нейронной сети реализованной программным или аппаратным способом.
min
min
max
min
С использованием уравнения движения цели задатчик курса и координат позиционирования рассчитывает координаты судна на момент выхода на оптимальный радиус наблюдения R. Оптимальный радиус наблюдения R может зависеть от чувствительности научного оборудования, от шума судна и др. показателей. В частности, он может быть рассчитан из условия обеспечения удержания цели в радиусе наблюдения R при изменении направления его движения на противоположное вследствие обнаружения целью хищника или добычи. В этом случае, если судно идет за целью с ее скоростью на расстоянии R (фиг. 3) должно выполняться соотношение:
,
max
min
180
где 〈V〉 - [м/с] - усредненная скорость цели при преодолении расстояния R+R (следует учитывать возможность ускорения цели при охоте или уходе от хищника, например, касатка при средней скорости 3…10 км/ч может разгоняться до скорости 45 км/ч, а также ограничения на скорость передвижения судна), T - [с] - минимальное время поворота судна на 180°, κ - [-] - поправочный коэффициент, учитывающий тактический диаметр циркуляции судна.
min
Сумматор формирует разность из координат судна на момент достижения желаемой точки слежения и текущих координат судна, вычисляемых с помощью СНС, которая поступает на блок оперативной прокладки курса (5), который, учитывая информацию с блока конструктивных параметров судна (6), карт течений и глубин, корректируемых в зависимости от показаний блока учета приливов и отливов, датчиков ветра, волнения и глубины, вычисляет оптимальную траекторию движения судна и выдает эту информацию на блок формирования сигналов управления (13). При этом учитывается тот факт, что к моменту выхода судна на оптимальный радиус слежения за целью R, скорость хода судна должна совпадать по модулю и направлению со скоростью перемещения цели.
max
Блок формирования сигналов управления (13) осуществляет управление электроприводами ходовых и маневровых движителей. При этом на него поступают сигналы с блока коррекции параметров САУД (12), который осуществляет адаптацию параметров САУД к изменению внешних условий и случайным изменениям характера движения цели, увеличивая постоянную времени САУД при нахождении цели на границе дальности обнаружения цели R и уменьшая постоянную времени САУД при приближении цели к судну, чем достигается точность отслеживания удаленной цели и фильтрация существенных курсовых рысканий ближних целей.
В качестве приемоиндикатора СНС может быть использован DGPS/GLONASS навигационный приемник фирм «Furuno», «Sperry Marine»; в качестве блока оперативной прокладки курса - автопилот фирм «Navis in control», «EMRI», «Sperry Marine»; может быть использован высоко- и/или низкочастотный гидролокатор фирм «SIMRAD», «Furuno», «MAQ Sonar», «Океан прибор»; карты глубин, течений с учетом фазы прилива иотлива могут формироваться электронной картографической системой фирм «Furuno», «Транзас». Блок формирования сигналов управления может включать в себя систему динамического позиционирования разработчиков Navis in control», «Kongsberg Simrad», «Praxis». Блоки прогноза местоположения и направления движения цели, коррекции параметров САУД, задатчик курса и координат позиционирования могут быть реализованы на персональной или специализированной ЭВМ, спроектированной на базе микропроцессоров и/или программируемых логических интегральных схем фирм «Xilinx», «Altera».