СПОСОБ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ БЕЗЭКИПАЖНЫХ СУДОВ
METHOD FOR FULL-SCALE TESTING OF UNMANNED VESSELS

Изобретение относится к испытательной технике водного транспорта и предназначено для проведения натурных испытаниях безэкипажных, автономных надводных судов или роботизированных надводных объектов в режиме реального времени с целью получения точных данных о местоположении объекта, курсе и скорости его движения, траектории движения, параметрах остойчивости (крена и дифферента), и последующего сбора и передачи данной информации на береговой пульт наблюдения или на автоматизированное рабочее место оператора с возможностью в любой  момент начать или прекратить испытания.
В настоящее время для получения данных о маневренных качествах судна используются типовые инструкции, программы или методы проведения испытаний, суть которых сводится к управлению главными двигателями, движителями и рулем (подруливающими устройствами) по командам капитана судна. Для безэкипажных, беспилотных или автономных судов, управление движением которых производится с использованием программно-аппаратных технических средств из удаленного места, такие меоды не приемлемы.
Для инструментального определения параметров движения безэкипажных судов могут быть использованы технические решения, основанные на использовании: различных средств приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) (пат. RU № 2467914, МПК B 63B 49/00, опубл. 27.11.2012; пат. RU № 144079, МПК B 63B 49/00, опубл.  10.08.2014), технологий инерциальных и гидроакустических измерений (пат.РФ №  2700278, МПК G 01S 1/72, опубл. 16.09.2019, пат.РФ 11616 МПК G 01V 13/00, опубл. 03.06.1999), интегрированных инерциально-спутниковых систем  (пат. РФ № 144079, МПК G 01S 3/80, опубл. 10.08.2014;    пат. РФ № 2488842, МПК G 01С 21/00, опубл.27.09.2012; пат. РФ № 2507532, МПК G 01S 3/80, опубл.20.02.2014), специальных технических средств, устанавливаемых на судно (пат. РФ № 198953, МПК B 63B 49/00, опубл. 04.08.2020 пат. РФ № 199284, МПК B 63B 49/00, опубл. 25.08.2020), устройств и способов комплексирования навигационных данных от инерциальных и спутниковых систем (пат. РФ № 182513, МПК G01 C 23/00 опубл. 21.08.2018), полигонов для испытаний и устройств наблюдения за ними (пат. РФ  № 2376612 , МПК G 01S 15/87, опубл. 02.06.2006).
Общим недостатком приведенных аналогов является ограниченное информационное и функциональное сопровождение процесса испытаний судов, что не позволяет проводить испытания безэкипажных, беспилотных или полностью автономных судов. Кроме того, у большинства известных аналогов недостаточно высокая точность определения местоположения судна.
Среди известных аналогов наиболее близким по технической сущности и назначению (прототипом) к заявляемому изобретению является способ натурных испытаний по пат. РФ № 2735694, МПК B 63 B 79/30, опубл. 05.11.2020. Сущность известного способа заключается в определении маневренных и ходовых характеристик безэкипажного судна за счет использования независимого измерительного комплекса, расположенного на судне и обеспечивающего определение текущего географического положения, скорости и курса движения судна, последующую обработку данных в автоматическом режиме с использованием микрокомпьютера и передачу результатов на береговой пульт наблюдения или на автоматизированное рабочее место оператора. Таким образом, способ позволяет инструментальными средствами определить параметры движения судна и передать информацию на автоматизированное рабочее место оператора с помощью радиомодема или по сетям мобильной связи для последующего хранения, обработки и анализа данных.
Недостатком данного устройства является недостаточная точность определения местоположения судна, а именно носовой и кормовой оконечностей судна (что особенно важно для крупных судов, длинной более 50 метров) и соответственно траектории его движения при проведении натурных испытаний. Это в свою очередь негативно сказывается на достоверности определения тактико-технических характеристик испытуемого объекта.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является повышение точности определения тактико-технических характеристик испытуемого объекта (безэкипажного или автономного надводного судна) за счет увеличения точности измерения его текущего местоположения, включая независимое определение местоположения носовой и кормовой оконечностей судна и соответственно траектории движения при маневренных и ходовых испытаниях.
Для достижения указанного результата используется следующая совокупность существенных признаков: способ проведения натурных испытаний, основанный, как и прототип,  на задании маршрута движения судна и сравнение его с реальной траекторией движения, определяемой по текущему местоположению объекта с помощью установленного на нем комплекса измерительной аппаратуры, в состав которого входят инерциальный измерительный модуль, мультиантенная приемная аппаратура ГНСС, антенный модуль, система управления движением, управляющий компьютер и связанная с ними регистрирующая аппаратура, последующей обработке данных в автоматическом режиме и передаче результатов на береговой пульт наблюдения или на автоматизированное рабочее место оператора, в отличие от  прототипа, дополнительно включает регистрацию точного местоположения носовой и кормовой оконечностей судна с учетом воздействия на испытуемый объект течения и ветровой нагрузки, при этом маршрут движения судна ограничен навигационными буями, оснащенными измерительными модулями, в состав которых включены: устройство преобразования солнечной или ветровой энергии в постоянный электрический ток, источник питания с возможностью накопления электрической энергии, wi-fi (long range 5,8 МГц с технологией Wi-Fi Positioning System (далее WPS)), приемник сигналов ГНСС, 4G/LTE модем, метеостанция в надводной части и профилометр течений в подводной части буя, а также микрокомпьютер для обработки регистрируемой информации и передачи данных на береговой пульт наблюдения или на автоматизированное рабочее место оператора.
Сущность предлагаемого способа заключается в определении уточненных маневренных и ходовых характеристик безэкипажного судна путем сравнения измеренных параметров движения судна с его проектными характеристиками в условиях движения и выполнения маневров объектом испытаний. Указанный результат достигается за счет использования измерительных комплексов, обеспечивающих определение текущего местоположения, скорости и курса движения судна, а также влияние скорости течения и скорости ветра. Эти данные регистрируются на буях в автоматическом режиме с использованием микрокомпьютера и результаты по Wi-Fi long range 5,8 МГц или по 3G/4G LTE-связи передаются на автоматизированное рабочее место оператора и на основании результатов обработки полученных данных  делается вывод о различных отклонениях от расчетного маршрута движения судна. Таким образом, способ позволяет экспериментальными средствами определить с большей точностью, чем прототип, параметры движения судна и выявить маневренные и ходовые качества в различных гидрометеорологических условиях и передать информацию на автоматизированное рабочее место оператора с помощью Wi-Fi или 4G/LTE-модема или по сетям мобильной связи для последующего хранения, обработки и анализа данных.
В соответствии с изобретением на отведенной для испытаний объекта акватории предварительно формируют ограниченное водное пространство путем расстановки 4-х навигационных буев и приводят их в рабочее состояние путём подачи команд с автоматизированного рабочего места оператора с помощью приемников Wi-Fi или сетей связи 3G/4G LTE. Обратно на пульт управления поступают сообщения с позицией о готовности мобильного полигона к работе. Испытуемый объект занимает исходную позицию в точке с заданными координатами, далее оператор дает команду начала испытаний – движения по заданному маршруту. Во время движения испытуемый объект, с помощью приемников Wi-Fi взаимодействует с буями, формируя таким образом информацию о своем текущем местоположении.  Затем информация о местоположении и техническом состоянии испытуемого объекта передается и анализируется на автоматизированном рабочем месте. Таким образом на дисплее автоматизированного рабочего места отображается информация о траектории движения и ориентации объекта, а также параметрах функционирования его систем и о силовом воздействии на него течений или ветра с частотой обновления 1 с. После испытаний формируют протокол испытаний по результатам анализа полученных со всех устройств телеметрических сигналов.
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача – повышение точности получения тактико-технических характеристик безэкипажного или автономного надводного судна за счет увеличения точности измерения его текущего местоположения и соответственно траектории движения при маневренных и ходовых испытаниях решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области судостроения не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого способа, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность указанного способа поясняется графическими материалами, где 1 автоматизированное рабочее место оператора, водная акватория, визуально ограниченная буями (A, B, C, D), по которому движется объект испытаний 2, а данные от объекта испытаний, через буи (по Wi-Fi или сетям 3G/4G LTE) передаются на автоматизированное рабочее место оператора.
Предлагаемый способ включает следующую последовательность действий:
Оператор, находящийся за автоматизированным рабочим местом (1), дает команду объекту испытаний (2) выходить на линию начала движения (3) внутри испытательного полигона водного транспорта (акватории, ограниченной буями), территория которого ограничена специализированными буями (A, B, C, D). Далее объект испытаний (2) начинает своё движение на акватории по маршруту, позволяющим определять маневренные и ходовые характеристики судна. Технический результат достигается за счет установки и использования на кормовой и носовой оконечностях Wi-Fi приемопередатчиков и их взаимодействия с аналогичными передатчиками, установленными на буях. Использование технологии WPS позволяет определить расстояние A1, B1, C1, D1 (до носовой части) и A2, B2, C2, D2 (до кормовой части) от каждого из буёв (на рис. A, B, C, D), полученные данные о расстоянии, воздействии ветра и течения с каждого буя передаются по Wi-Fi или сетям 3G/4G LTE на автоматизированное рабочее место оператора, где отображается заданный маршрут, границы акватории и другая информация, необходимая оператору для определения технического состояния судна и проведения маневровых испытаний.
Предлагаемое изобретение было создано сотрудниками ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» в составе научно-исследовательских работ.
Изложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».