Системы ориентации земснарядов на основе глобальных навигационных спутниковых систем

СУДОВОЖДЕНИЕ И БЕЗОПАСНОСТЬ НА ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ

УДК 656.62:621.396

С. В. Рудых,

канд. техн. наук, ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова

СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ ЗЕМСНАРЯДОВ НА ОСНОВЕ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ

SYSTEMS OF DREDGERS POSITIONING BASED ON GLOBAL NAVIGATION

POSITIONONG SYSTEMS

Целью настоящей работы является анализ систем ориентации земснарядов, применяемых при производстве землечерпательных работ на внутренних водных путях России, и выработка общих требований к автоматизированным комплексам контроля землечерпательных работ, основанным на глобальных навигационных спутниковых системах.

The purpose of the article is the analysis of dredging positioning systems applied at dredging works on internal waterways of Russia and development of the general requirements to the automated control complexes of dredging works based on Global positioning systems.

Ключевые слова: внутренние водные пути, землечерпательные работы, глобальные навигационные спутниковые системы, автоматизированные комплексы контроля землечерпательных работ.

Key words: internal waterways, dredging works, Global positioning systems, automated control system of dredging works.

лами технического флота государственных бассейновых управлений водных путей и судоходства.

В зависимости от гидрометеорологических условий и рода грунтов, слагающих дно, землечерпательные работы выполняются различными типами земснарядов, среди которых основными, применяемыми на внутренних водных путях, являются: рефулерные землесосы с механическими и гидравлическими разрыхлителями; многочерпаковые земснаряды, штанговые земснаряды; грейферные земснаряды.

Распределение основных типов земснарядов на водных путях европейской части России выглядит следующим образом (рис. 1). Основное ядро землечерпательного флота составляют землесосы, их количество составляет около 58 % от общего числа земснарядов; многочерпаковые земснаряды составляют 36 %; штанговые — около 4 %; грейферные — 2 %.

При производстве землечерпательных работ в процессе извлечения грунта земснаряд совершает рабочие перемещения в пределах разрабатываемой прорези, как в продольном, так и в поперечном направлениях, поэтому независимо от типа земснаряда, для того чтобы не выходить за пределы прорези и при этом не допускать недоборов по ширине, необходима точная система ориентации земснаряда.

Ориентация земснарядов на внутренних водных путях при разработке землечерпательных прорезей осуществляется как визуально — по продольным и поперечным береговым створам, так и инструментально — с помощью радиотехнических, гидроакустических, оптических и спутниковых систем.

ЛЯ поддержания судоходных глубин на внутренних водных путях Российской Федерации ежегодно должны производиться эксплуатационные землечерпательные (дноуглубительные) работы в объеме около 20 млн кубометров. Эти работы, как правило, выполняются си-

Выпуск 2

58%

землесосы Пмногочерпаковые

грейферные  штанговые

СВ

90 ]

Рис. 1. Распределение основных типов земснарядов на водных путях европейской части России

Визуальная ориентация по продольным и поперечным береговым створам (рис. 2), обозначающим, как правило, кромки прорези или ее ось, а также границы начала и окончания работ, является наиболее простым способом определения местоположения земснаряда на прорези, но уже значительное время не удовлетворяет потребностям производства землечерпательных работ по целому ряду причин. Среди которых основными, как правило, являются:

1) необходимость предварительной разбивки створов изыскательской партией с помощью точных геодезических приборов;

2) сложность визуального ориентирования в темное время суток и при неблагоприятных метеоусловиях;

3) невозможность ориентирования при значительном удалении прорези от береговой линии;

4) низкая точность ориентирования.

В настоящее время на смену визуальному ориентированию приходят наиболее перспективные и динамично развивающиеся системы, основанные на глобальных навигационных спутниковых системах ГЛОНАСС/Navstar-GPS и их дифференциальных дополнений ДГЛОНАСС/DGPS. Эти системы постоянно совершенствуются по мере развития и оптимизации структуры спутникового сегмента, сегмента управления и контроля.

В системах ориентации (позиционирования) земснарядов, основанных на глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС), местоопределение земснаряда определяется по данным измерений псевдодальностей между навигационными космическими аппаратами (НКА) и спутниковым приемником (приемоиндикатором), установленным на земснаряде. При этом псевдодальности определяются по результатам измерений временных задержек прохождения радиосигнала по трассе НКА — приемная антенна спутникового приемника земснаряда. Поскольку скорость распространения такого радиосигнала известна, псевдодальность определяется следующим образом:

Di = cTi,

где Ti — задержка прохождения радиосигнала; с — скорость распространения радиосигнала.

Задержка распространения радиосигнала измеряется в результате сопоставления принятых псевдослучайных кодов и генерируемых в приемнике копий этих кодов с учетом a priori известных моментов излучений сигналов НКА. При этом могут использоваться также соответствующие измерения разности фаз несущих частот.

Для достижения высокой точности определения псевдодальности необходимо исключить влияние тропосферных и ионосферных ошибок, которые возникают вследствие прохождения радиосигналом ионосферы и тропосферы. Тропосферная поправка с определенной достоверностью может быть рассчитана посредством соотношения

ADmp.i = 8,8cosec Ei

Рис. 2. Визуальное ориентирование земснаряда на прорези по продольным и поперечным береговым створам

&

к<х о>

где Е/ — угол возвышения /-го НКА. Применение такой поправки позволяет примерно на порядок уменьшить остаточную ошибку [1].

Использование дифференциального режима ДГЛОНАССЮОР8 в системах позиционирования земснарядов (рис. 3) определило необходимость более точного местоопределения по сравнению с обычным режимом, точность которого составляет десятки метров.

Навигационные спутники ГЛОНАСС/ОРЯ

Рис. 3. Позиционирование земснаряда с использованием дифференциального режима ДГЛОНАСС/БОРБ

В основе метода дифференциальной коррекции лежит относительное постоянство значительной части погрешностей спутниковых радионавигационных систем (СРНС) во времени и пространстве. Дифференциальный режим СРНС предполагает наличие как минимум двух приемников сигналов НКА или приемоиндикаторов. Один из приемоиндикаторов располагается на контрольно-корректирующей станции (ККС), второй предназначен для определения координат пользователя. Координаты ККС известны, они определены геодезически точно и привязаны к принятой системе координат (как правило, это система координат ПЗ-90 для ДГЛОНАСС и WGS-84 для DGPS).

Разности между измеренными приемоиндикатором ККС и рассчитанными значениями псевдодальностей НКА, находящихся в зоне видимости ККС, а также разности соответствующих псевдоскоростей или обратные величины тех и других по каналам передачи данных передаются пользователю в виде дифференциальных поправок. В аппаратуре пользователя эти поправки вводятся для уточнения измеренных псевдодальностей и псевдоскоростей, что позволяет повысить точность навигационного местоопределения.

В случае если погрешности определения псевдодальностей слабо изменяются во времени и пространстве, они в значительной степени компенсируются переданными дифференциальными поправками. В рассматриваемом случае ошибки псевдодальностей из-за синхронизации спутников практически постоянны в пространстве.

Точность местоопределения после ввода поправок определяется остаточными погрешностями, обусловленными изменчивостью квазисистематических ошибок синхронизации и эфеме-ридного обеспечения НКА, ошибок из-за воздействия ионосферы, погрешностей селективного доступа GPS (при наличии последнего), а также ошибками, обусловленными шумами и помехами, многолучевостью и воздействием тропосферы. Таким образом, погрешность определения 7-й псевдодальности 5D. в дифференциальном режиме можно записать так:

где 5^эфем — остаточные погрешности, вызванные эфемеридными ошибками;

5Яон — остаточные погрешности, вызванные ионосферными ошибками;

— шумовые погрешности приемоиндикатора пользователя;

5^шККС — шумовые погрешности приемоиндикатора ККС.

Шумовые погрешности и учитывают погрешности приемоизмерителей, обус-

ловленные внутренними и внешними шумами, ошибки за счет многолучевости и остаточные ошибки, обусловленные особенностями распространения радиоволн в тропосфере. Будем считать их случайными и взаимно независимыми. Тогда дисперсия определения /-й последовательности имеет вид

Предполагая взаимную независимость и одинаковость статистических характеристик погрешностей (3) для различных /, получим соотношения соответственно для точности определения координат потребителя (среднеквадратическая сферическая ошибка, ССО) и временной поправки

где Т'2 - Т'1 — расхождения шкалы времени СРНС и приемоиндикаторов;

Кор, Кот — геометрические факторы при определении места и времени (РБОР, ТБОР) [2].

В настоящее время при работе систем ориентации земснарядов в дифференциальном режиме ДГЛОНАСС/БОР8 возможно получить точность позиционирования до 1 м. Для обеспечения большей точности позиционирования в системах ориентации земснарядов на основе ГНСС необходимо применять геодезическое оборудование, позволяющее работать в режиме «Кинематика в реальном времени», широко используемом при производстве геодезических и гидрографических работ, основанном на измерении фазы несущего сигнала ОР8/ГЛОНАСС. При этом достигается сантиметровая точность позиционирования.

Опыт использования различных систем ориентации, в том числе десятилетний опыт использования различных вариантов комплексов позиционирования на основе СРНС, на земснарядах Невско-Ладожского района водных путей и судоходства — филиала «Волго-Балтийско-го государственного бассейнового управления водных путей и судоходства» при производстве землечерпательных работ на Волго-Балтийском водном пути и в Финском заливе Балтийского моря показывает, что комплексы позиционирования земснарядов на основе ГНСС имеют значительные преимущества по сравнению с остальными системами ориентации, как в точности определения местоположения, так и в удобстве использования. При этом необходимо отметить, что более эффективной работы землечерпательного флота можно достичь путем оснащения земснарядов не просто системами или комплексами позиционирования, решающими узконаправленную задачу определения планового положения земснаряда на прорези, а программноаппаратными комплексами, с помощью которых возможно не только определять плановое положение на прорези, но и контролировать технологические процессы, происходящие в невидимой зоне (под водой).

6£>.=6£>а +S D +6 D +bD

I эфем ИОН ШП I

Рз — ^GP^i >

с

Выпуск 2

Выпуск 2

Такие автоматизированные комплексы контроля землечерпательных работ (АККЗР) должны, по-видимому, быть основаны на хорошо зарекомендовавших себя ГНСС ГЛОНАСС/ОР8 и их дифференциальных подсистемах, а также включать в себя интегрированную систему контрольных сенсоров (датчиков) и программно-аппаратные средства, позволяющие визуализировать технологические процессы работы земснарядов.

Автоматизированный комплекс контроля землечерпательных работ (АККЗР) позволит багермейстеру земснаряда учитывать в процессе извлечения и транспортировки грунта не только плановое положение земснаряда на участке работ, но и в автоматизированном режиме контролировать высотное положение (заглубление) грунтозаборного устройства, находящегося под водой, с учетом влияния таких параметров, как крен, дифферент, осадка, величины которых многократно изменяются в процессе производства работ, а также многие другие процессы, остающиеся вне зоны зрительного контакта.

В общем виде АККЗР может содержать следующие элементы и компоненты:

1) систему позиционирования (ДГЛОНАСС/БОР8) с функцией определения курса либо с магнитным компасом либо другие устройства, позволяющие непрерывно в процессе производства землечерпательных работ отслеживать рабочие перемещения земснаряда;

2) систему датчиков (осадки, крена, дифферента, датчиков положения грунтозаборного устройства и др.);

3) рабочее место оператора (компьютер с клавиатурой, монитором и специализированным программным обеспечением визуализации процесса производства землечерпания).

Комплекс может дополнительно содержать: модуль ЯТК для определения планового и высотного местоположения с дециметровой или сантиметровой точностью; модуль приема поправок за уровень воды, в случае если установлен автоматизированный уровенный пост или мареограф, а также другие модули в зависимости от дополнительных потребностей.

Минимально необходимыми требованиями к визуализации процесса землечерпательных работ на экране АККЗР, выполнение которых существенно облегчает задачу непрерывного контроля качества выполняемых работ багермейстером земснаряда, по-видимому, являются:

1) возможность отображения плана участка работ в координатах, с нанесенными глубинами и изобатами);

2) возможность отображения границ землечерпательной прорези;

3) возможность отображения текущего планового местоположения земснаряда и направления движения грунтозаборного устройства на плане участка землечерпательных работ;

4) возможность отображения величины заглубления грунтозаборного устройства (наиболее актуальна при послойной разработке прорези);

5) возможность отображать разработанную часть участка (по-видимому, в настоящее время наиболее удобным является отображение разработанного участка в форме цветовой карты глубин), в результате чего появляется возможность увидеть недоработки (недоборы по глубине и ширине прорези) в процессе производства дноуглубительных работ.

АККЗУ позволит автоматизировать процесс производства землечерпательных работ, упростить багермейстеру земснаряда осуществление контроля за чистотой выработки, оперативно обнаружить и устранить возможные недоработки еще в процессе землечерпания, сократить затраты времени на установку земснаряда на участке работ.

1. Каретников В. В. Топология дифференциальных полей и дальность действия контроль-но-корректирующих станций высокоточного местоопределения на внутренних водных путях / В. В. Каретников, А. А. Сикарев. — СПб.: СПГУВК, 2008. — 353 с.

Список литературы

2. Каретников В. В. Автоматизация судовождения / В. В. Каретников, В. Д. Ракитин, А. А. Сикарев. — СПб.: СПГУВК, 2007. — 264 с.

3. Гришанин К. В. Водные пути / К. В. Гришанин, В. В. Дегтярев, В. М. Селезнев. — М.: Транспорт, 1986.

4. Рудых С. В. Современное состояние и уровень оснащенности судов технического и вспомогательного флота на внутренних водных путях России / С. В. Рудых // Журнал университета водных коммуникаций. — СПб.: СПГУВК, 2011. — Вып. 3 (11) — С. 42-49.

УДК 656.61.052:621.396.6:530.1

И. А. Сикарев,

д-р техн. наук, профессор, ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова;

Т. А. Волкова,

аспирант,

ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРОСТОЯ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ЗАЩИЩЕННОСТИ ДЛЯ СЛОЖНЫХ ДИСКРЕТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ С ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

COEFFICIENTS OF DOWNTIME RATE AND ELECTROMAGNETIC IMMUNITY FOR COMPLEX DISCRETE-MANIPULATED SIGNLS WITH LINEAR MODULATION

В данной работе рассматривается задача расчета коэффициентов простоя и электромагнитной защищенности для сложных дискретно-манипулированных (ДЧМн) сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) как меры определения степени электромагнитной защищенности инфокоммуникационных цифровых каналов при воздействии сосредоточенных помех.

The problem of calculating coefficients of downtime rate and electromagnetic immunity for complex discrete-manipulated signals (DMS) with linear modulation as measure of determining the degree of electromagnetic protection is considered.

Ключевые слова: дискретно-манипулированные сигналы (ДЧМн), сигналы с линейной модуляцией, сосредоточенная помеха, коэффициент простоя, коэффициент электромагнитной защищенности.

Key words: discrete-manipulated signals (DMS), signals with linear modulation, narrow-band interference, coefficient of downtime rate, coefficient of electromagnetic immunity.

НАСТОЯЩЕЕ время значительный интерес у специалистов водного транспорта, занимающихся передачей цифровых сообщений и построением инфокоммуникационных систем для таких каналов, вызывает оценка степени защищенности каналов при одновременном воздействии не только шумов, но и сосредоточенных по спектру помех.

Известно [1], что одним из способов оценки меры воздействия последних являются коэффициенты простоя и электромагнитной защищенности передаваемых по спектру сигналов при воздействии на них сосредоточенных по спектру помех взаимного характера.

Выпуск 2