СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СУДНОМ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ИМ ШВАРТОВНОЙ ОПЕРАЦИИ К БОРТУ СУДНА ПАРТНЕРА
METHOD OF MOORING TO PARTNER SHIP

Изобретение относится к водному транспорту и касается управления судном (далее швартующееся судно) при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера по величине поперечных смещений двух точек швартующегося судна, носовой A и кормовой В, от текущего положения траектории сближения с судном партнером (фиг.1).
0A
0A
0B
0B
A
B
Известен способ управления движением объекта (судна) при выполнении им сближения с другим подвижным объектом (заявка №2006111031/11) по величинам поперечных смещений расположенных на диаметральной плоскости судна носовой А и кормовой В точек от текущего положения траектории сближения, при котором рассчитывают поперечные смещения этих точек; для вычисления поперечных смещений носовой A и кормовой В точек судна их координаты в неподвижной координатной системе A(Х, Y), В(Х, Y) (фиг.2) измеряют с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) и с дифференциальными поправками, перекладку руля судна производят в зависимости от комбинации поперечных смещений носовой d и кормовой d точек судна относительно текущего положения траектории сближения, которое определяют, используя заданную точку как объект, с которым происходит сближение судна, и центр тяжести судна; текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна определяют текущее положение траектория сближения в виде прямой линии, соединяющей текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна G, текущие координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной систем рассчитывают по формулам:
0G,
0G
где XY - координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной системе;
0A
0A
X, Y - координаты точки А в неподвижной координатной системе;
0B
0B
X, Y - координаты точки В в неподвижной координатной системе;
A
B
X, X - абсцисса носовой и кормовой точки судна соответственно в координатной системе (X, Y), связанной с судном;
G
X - абсцисса центра тяжести судна в координатной системе, связанной с судном,
текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками.
Однако в этом способе управления судном, выполняющим сближение с заданной точкой, есть определенный недостаток, препятствующий использованию его в управлении швартующимся судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера, т.е. при сближении швартующегося судна с судном партнером, так как в алгоритме управления швартующимся судном отсутствуют элементы управления, обеспечивающие условия безопасного выполнения швартовной операции к борту судна партнера.
Условиями безопасного выполнения швартующимся судном швартовной операции к борту судна партнера являются:
n
1) равенство скоростей швартующегося судна (υ) и судна партнера (υ) в конечной стадии их сближения, то есть в момент времени, когда швартующееся судно движется параллельно борту судна партнера на минимальном заданном траверзном расстоянии h от борта судна партнера (фиг.3);
n
2) равенство курсов швартующегося судна (ψ) и судна партнера (ψ) в конечной стадии их сближения (фиг.3);
3) расстояние между бортами швартующегося судна и судна партнера (траверзное расстояние) в конечной стадии их сближения должно иметь определенное с точки зрения взаимной безопасности участвующих в швартовке судов, значение (h) (фиг.3);
n
n
n
n
n
4) продольное положение швартующегося судна относительно судна партнера в конечной стадии сближения должно быть фиксированным, то есть расстояние между центром тяжести швартующегося судна (G) и центром тяжести судна партнера (G) в неподвижной координатной системе, в направлении продольной оси Х координатной системы (Х, Y), связанной с судном партнером, в конечной стадии их сближения должно иметь определенное заданное значение (m) (фиг.3), причем значение m считается положительным, если центр тяжести швартующегося судна G находится в сторону носа судна партнера относительно положения центра тяжести судна партнера G.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в соблюдении условий безопасного выполнения швартовной операции швартующегося судна к борту судна партнера.
0A
0A
0B
0B
A
B
n
0An
0An
n
0Bn
0Bn
Для достижения указанного технического результата в способе управления швартующимся судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера по величинам поперечных смещений расположенных на диаметральной плоскости судна носовой А и кормовой В точек от текущего положения траектории сближения, при котором рассчитывают поперечные смещения этих точек; для вычисления поперечных смещений носовой А и кормовой В точек судна их координаты в неподвижной координатной системе A(X, Y), В(Х, Y) (фиг.2) измеряют с помощью спутниковой навигационной системы (СНС) и с дифференциальными поправками, перекладку руля судна производят в зависимости от комбинации поперечных смещений носовой d и кормовой d точек судна относительно текущего положения траектории сближения, которое определяют используя заданную точку как объект, с которым происходит сближение судна, и центр тяжести судна; текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна определяют текущее положение траектории сближения, проходящей через две точки в виде прямой линии, соединяющей текущее положение заданной точки и текущее положение центра тяжести судна G, текущие координаты центра тяжести судна в неподвижной координатной системе рассчитывают по формулам (1), текущие координаты заданной точки определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками, дополнительно определяют с помощью СНС и с дифференциальными поправками координаты носовой А(X, Y) и кормовой В(X, Y) точек, расположенных на диаметральной плоскости судна партнера (фиг.4) в неподвижной координатной системе, рассчитывают:
n
0Gn
0Gn
1) координаты центра тяжести судна партнера G(X, Y) в неподвижной координатной системе по формулам:
0Gn
0Gn
где X, Y - координаты центра тяжести судна партнера в неподвижной координатной системе;
0An
0An
n
X, Y - координаты точки А в неподвижной координатной системе;
0Bn
0Bn
n
X, Y - координаты точки В в неподвижной координатной системе;
An
Bn
n
n
X, X - абсцисса носовой и кормовой точек судна партнера соответственно в координатной системе (Х, Y), связанной с судном партнером;
Gn
X - абсцисса центра тяжести судна партнера в координатной системе, связанной с судном партнером;
n
n
2) координаты точек  расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна партнера, восстановленных в точки А и В соответственно, по формулам:
n
n
0
при этом величина отрезков А=В=h определяется с помощью зависимости, представленной формулой:
в выражениях (3) и (4) использованы следующие обозначения:
В - ширина швартующегося судна;
n
В - ширина судна партнера;
n
n
n
n
ψ - курс судна партнера, значение курса судна партнера ψ рассчитывается с использованием значений координат точек А и В в неподвижной координатной системе, а именно:
3) координаты проекции центра тяжести судна партнера  в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна партнера через точки  (фиг.4):
2
0P2
0P2
4) координаты второй заданной точки Р(Х, Y) (нумерация заданных точек принята по ходу движения швартующегося судна в направлении судна партнера) в неподвижной координатной системе:
1
0P1
0P1
5) координаты первой заданной точки P(X, Y) в неподвижной координатной системе:
T
н
к
n
н
1
к
2
1
2
где S - тормозной путь швартующегося судна при переходе его со скорости υ=υ к скорости υ=υ=υ (υ - начальная скорость, то есть скорость швартующегося судна в первой заданной точке Р, υ - конечная скорость, то есть скорость швартующегося судна во второй заданной точке Р, длина тормозного пути равна расстоянию, проходимому швартующимся судном при переходе его из заданной точки P в заданную точку Р.
Наличие полученных указанным способом данных позволяет осуществлять сближение швартующегося судна с судном партнером в два этапа:
1
1
0P1
0P1
1
2
n
2
A
B
0G
0G
I-й этап - выход швартующегося судна в первую заданную точку P (фиг.5). Текущее положение первой заданной точки P(X, Y) на текущем положении линии, проходящей через текущее положение точек, текущие координаты которых определяются по формулам (3), определяется величиной отрезка РР, величина которого равна расстоянию, проходимому швартующимся судном при снижении его текущей скорости ν до значения, равного скорости судна партнера ν, в момент выхода швартующегося судна на траверз судна партнера, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке Р, что является выполнением одного из условий безопасной швартовки. Управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляется по величинам поперечных отклонений носовой d и кормовой d точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, проходящей через текущее положение центра тяжести швартующегося судна G(X, Y) и текущего положения первой заданной точки
1
0P1
0P1
1
P(X, Y). Окончание I-го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна в первую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке P.
2
2
0P2
0P2
0G
0G
n
0Gn
0Gn
A
B
II-й этап - выход швартующегося судна во вторую заданную точку Р (фиг.6). Текущее положение второй заданной точки Р(X, Y) на текущем положении линии, проходящей через точки  текущие координаты которых определяются по формулам (3), определяется заданным расстоянием m между центрами тяжести швартующегося судна и судна партнера в конечной стадии швартовки, при этом текущее положение центра тяжести швартующегося судна G (X, Y) определяется формулами (1), а текущее положение центра тяжести судна партнера G(X, Y) - формулами (2). Управление швартующимся судном во время сближения с судном партнером осуществляется по величинам поперечных отклонений носовой d и кормовой d точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, в качестве которой используется текущее положение линии, проходящей через точки . Окончание II - го этапа сближения швартующегося судна с судном партнером совпадает с моментом выхода швартующегося судна во вторую заданную точку, то есть в момент, когда центр тяжести швартующегося судна будет находиться в точке Р2.
Отличительными признаками предлагаемого способа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются следующие:
n
0An
0An
n
0Bn
0Bn
дополнительно определяют с помощью спутниковой навигационной системы и с дифференциальными поправками координаты носовой А(X, Y) и кормовой В(X, Y) точек, расположенных на диаметральной плоскости судна партнера в неподвижной координатной системе, рассчитывают:
n
0Gn
0Gn
- координаты центра тяжести судна партнера G(X, Y) в неподвижной координатной системе;
n
n
- координаты точек  расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна партнера, восстановленных в точки А и В соответственно;
- координаты проекции центра тяжести судна партнера в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна партнера через точки  соответственно;
2
0P2
0P2
- координаты второй заданной точки Р(X, Y) в неподвижной координатной системе;
1
0P1
0P1
- координаты первой заданной точки Р(X, Y) в неподвижной координатной системе.
Сближение швартующегося судна с судном партнером выполняется в два этапа:
1
I-й этап - выход швартующегося судна в первую заданную точку P.
2
II-й этап - выход швартующегося судна во вторую заданную точку Р.
Использование предлагаемого алгоритма управления швартующимся судном позволяет соблюсти условия безопасного выполнения швартовной операции швартующегося судна к борту судна партнера, а именно:
n
- скорости швартующегося судна (υ) и судна партнера (υ) в конечной стадии их сближения будут равны;
n
- курсы швартующегося судна (ψ) и судна партнера (ψ) в конечной стадии их сближения будут равны;
- борта швартующихся судов в конечной стадии их сближения будут находиться на установленном безопасном расстоянии h;
- продольное положение швартующегося судна относительно судна партнера в конечной стадии сближения будет соответствовать установленному заранее значению.
Предлагаемый способ управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера осуществляется следующим образом. В пределах контуров швартующегося судна и судна партнера, в их диаметральных плоскостях выбирают по две точки, одна из которых находится в носу А (швартующееся судно),
n
n
n
n
A(судно партнер), другая - в корме В (швартующееся судно) (фиг.2, фиг.4), В (судно партнер) относительно мидель-шпангоута соответствующего судна. Расстояние между точками А и В, А и В выбирают в зависимости от технической возможности размещения в указанных точках приемных антенн СНС. Чем больше это расстояние, тем качественней работа системы управления движением швартующегося судна, осуществляющего сближение с судном партнером.
n и
n
0А
0A
0В
0B
n
0Аn
0An
n
0Вn
0Bn
А
A
В
В
Аn
An
n
Вn
Bn
G
G
n
0Gn
0Gn
Координаты точек А и В, А В в неподвижной координатной системе определяют непрерывно с высокой точностью (±1,0 м), это стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на суда дифференциальные поправки. Используя значения координат точек швартующегося судна А(Х, Y), В(Х, Y) и судна партнера А(Х, Y), В(Х, Y) в неподвижной координатной системе, координаты тех же точек в подвижных системах координат, связанных с швартующимся судном А(Х, Y), В(Х, Y) и судном партнером Аn(Х, Y), В(Х, Y), координаты центров тяжести швартующегося судна в связанной с ним подвижной координатной системе G(X, Y) и судна партнера в связанной с ним подвижной координатной системе G(X, Y), а также значения параметров h и m рассчитывают:
0G
0G
- координаты центра тяжести швартующегося судна G (X, Y) в неподвижной координатной системе по формулам (1);
n
0Gn
0Gn
- координаты центра тяжести судна партнера G(X, Y), в неподвижной координатной системе по формулам (2);
n
n
- координаты точек  расположенных на перпендикулярах к диаметральной плоскости судна партнера, восстановленных в точки А и В соответственно, по формулам (3), (4), (5);
- координаты проекции центра тяжести судна партнера  в неподвижной координатной системе на траекторию сближения в конечной стадии швартовки, проходящую параллельно диаметральной плоскости судна партнера через точки  по формулам (6);
2
0P2
0P2
- координаты второй заданной точки Р(X, Y) в неподвижной координатной системе по формулам (7);
1
0P1
0P1
- координаты первой заданной точки P(X, Y) в неподвижной координатной системе по формулам (8).
1
0P1
0P1
0G
0G
Зная координаты первой заданной точки и координаты центра тяжести швартующегося судна, определяют текущее положение траектории сближения, проходящей через первую заданную точку P(X, Y) и центр тяжести швартующегося судна G(X, Y). После этого определяют поперечные смещения точек А и В от найденной указанным способом траектории сближения по формулам:
n
n
1
A
в
Непрерывно определяемые значения координат точек А и В, А и В, позволяют непрерывно вычислять координаты центра тяжести швартующегося судна G и первой заданной точки P, поперечные смещения d и d точек А и В швартующегося судна от текущего положения траектории сближения. Причем поперечное смещение рассматриваемой точки относительно текущего положения траектории сближения считается положительным, если она смещается вправо от траектории, и отрицательным, если она смещается влево.
Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля швартующегося судна, по закону:
A
B
А
в
где k, k - коэффициенты усиления по перечным смещениям носовой и кормовой точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения. Это положительные величины, причем к больше k. Угол перекладки руля α считается положительным при его перекладке в сторону правого борта швартующегося судна.
0G
0G
1
0G
0P1
0G
0P1
0G
0P1
2
2
0P2
0P2
В момент выхода швартующегося судна в первую заданную точку, что соответствует равенству координат центра тяжести швартующегося судна G(X, Y) и координат первой заданной точки P(X, Y) (X=X; Y=Y), оно переходит к сближению со второй заданной точкой Р, при этом текущее положение траектории сближения соответствует положению линии, проходящей через точки координаты которых рассчитываются непрерывно по формулам (3), (4), (5). Как известно, текущие координаты второй заданной точки Р(X, Y), лежащей на линии  вычисляются непрерывно по формулам (7).
n
n
n
2
A
B
Непрерывно определяемые значения координат точек А и В, А и В позволяют непрерывно вычислять координаты точек , центра тяжести швартующегося судна G и центра тяжести судна партнера G, второй заданной точки Р в неподвижной координатной системе, поперечные смещения d и d точек А и В швартующегося судна от текущего положения траектории сближения, которой является линия :
Причем поперечное смещение рассматриваемой точки относительно текущего положения траектории сближения считается положительным, если она смещается вправо от траектории, и отрицательным, если она смещается влево.
Возникающие поперечные смещения вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля швартующегося судна, по закону:
A
B
А
В
где k, k - коэффициенты усиления по перечным смещениям носовой и кормовой точек швартующегося судна от текущего положения траектории сближения. Это положительные величины, причем k больше k. Угол перекладки руля α считается положительным при его перекладке в сторону правого борта швартующегося судна.
2
Моментом окончания сближения швартующегося судна с судном партнером считается момент выхода швартующегося судна во вторую заданную точку Р, что соответствует равенству координат центра тяжести швартующегося судна и второй заданной точки, то есть
0G
0P2
0G
0P2
Х=Х, Y=Y.
В результате применения данного изобретения достигается возможность получения технического результата - повышение безопасности управления швартующимся судном и точности выполнения швартовной операции при выполнении ее швартующимся судном к борту судна партнера, находящегося в движении, таким образом, предлагаемый способ управления судном при выполнении им швартовной операции к борту судна партнера соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».