Способ повышения точности позиционирования кораблей при совместном маневрировании

УДК 656.61.052

И. С. Гарматенко

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ КОРАБЛЕЙ ПРИ СОВМЕСТНОМ МАНЕВРИРОВАНИИ

Рассмотрен способ повышения точности позиционирования кораблей в строях (ордерах) с использованием автоматизированной информационной системы (АИС) по данным спутниковой навигационной системы (СНС) и радионавигационной системы (РНС) в сравнении с данными радиолокационной системы (РЛС). В качестве критерия точности позиционирования кораблей прията погрешность определения относительной позиции между всеми маневрирующими кораблями в ордерах. Повышение точности позиционирования кораблей обеспечивается централизованными измерениями координат (измерениями в единый момент времени) по единой для совместно маневрирующих кораблей СНС и созвездию спутников или РНС и цепочке пар станций ведущая/ведомая с использованием АИС. Кроме того,

АИС должна обеспечивать обмен между потребителями информацией о погрешности выработки координат и времени выработки координат. Исследования централизованного способа определения относительной позиции между совместно маневрирующими кораблями показали, что при производстве измерений на совместно маневрирующих кораблях с фиксированной разницей во времени (1, 4 и 12 с) корреляционная зависимость случайной погрешности координат стремится к 1. При определении координат по СНС «ГЛОНАСС» или РНС «БРАС» на совместно маневрирующих кораблях обеспечивается значительное повышение точности определения относительной позиции. Использование РНС «МАРС-75» или радиолокационной системы дальнего наведения (РСДН-3, РСДН-4, РСДН-5) на совместно маневрирующих кораблях не обеспечивает повышение точности позиционирования кораблей в ордерах и может быть использовано в качестве аварийного средства позиционирования кораблей. Применение централизованного способа измерений с использованием АИС значительно расширяет возможности АИС и обеспечивает резервирование используемой для обеспечения совместного маневрирования кораблей в ордерах РЛС или системы автоматизированной радиолокационной проводки (САРП).

Ключевые слова: автоматизированная информационная система, радионавигационная система, совместное маневрирование, позиционирование кораблей в строях (ордерах).

Введение

В настоящее время спутниковые навигационные системы (СНС) являются основным средством для обеспечения навигационной безопасности плавания. Использование автоматизированной информационной системы (АИС) на основе СНС в режиме высокой точности (дифференциальном режиме) позволяет определить относительную позицию, параметры движения искомых объектов с высокой точностью и обеспечить совместное маневрирование кораблей. Данное преимущество АИС используется для обеспечения безопасного совместного плавания и маневрирования кораблей и судов в ордерах (ордер - регламентированное по направлениям и дистанциям взаимное расположение военных кораблей на переходе морем во время боя). Определение относительной позиции и параметров движения с использованием АИС при работе СНС в стандартном режиме характеризуется значительной случайной погрешностью и не позволяет обеспечить решение задач совместного маневрирования.

Повышение точности определения относительной позиции с использованием АИС по СНС и радионавигационным системам (РНС) может быть обеспечено централизованными измерениями на совместно маневрирующих кораблях на один момент времени. Производство централизованных измерений при определении относительной позиции позволит обеспечить использование АИС для совместного маневрирования кораблей в ордерах вне зависимости от возможности использования СНС для обеспечения совместного маневрирования кораблей в ордерах с высокой точностью.

Цель исследования:

- оценить влияние корреляционной зависимости погрешностей координат совместно маневрирующих кораблей, определяемых с использованием СНС или РНС, на точность определения относительной позиции;

- оценить возможность повышения точности определения относительной позиции совместно маневрирующих кораблей с использованием АИС при централизованном определении координат по СНС или РНС.

Способ централизованных измерений

В соответствии с международными правилами предупреждения сталкновений судов в море 1972 г. (М1II1СС-72) знание места, курса и скорости цели остается необходимым требованием для оценки безопасности и расчета маневра вне зависимости от способа выработки этих данных. Использование АИС позволяет в значительной степени снизить недостатки радиолокационной системы (РЛС) и систему автоматизированной радиолокационной проводки (САРП), в силу реализации принципиально отличающегося способа выработки параметров движения (ПД) оцениваемого объекта, передаваемых непосредственно от приёмоиндикатора СНС или РНС.

В настоящее время система АИС имеет существенный недостаток - отсутствие данных о времени измерений и характере погрешностей места, что, в принципе, достаточно просто исправляется через корректуру заложенного алгоритма. Таким образом, исправленный алгоритм АИС, кроме обеспечения безопасности от столкновения, позволит решать более широкий спектр задач, начиная от информативного характера в оценке акватории и обеспечении безопасности плавания и совместного маневрирования, до автоматизации процесса позиционирования кораблей и судов Военно-Морского флота (ВМФ) при совместных действиях, а использование в качестве источника данных о координатах места, выработанных с использованием различных РНС, повысит помехозащищенность и живучесть системы. Кроме того, отметим основное преимущество АИС, связанное с возможностью обеспечить обмен динамической информацией между совместно маневрирующими кораблями с дискретностью 1, 4 или 12 с.

Для решения задач совместного маневрирования в зависимости от дистанции между совместно маневрирующими кораблями в строю и точности выработки координат [1] возможно использовать различные средства навигационного оборудования (СНО) (табл. 1, 2).

Таблица 1

Средства навигационного оборудования, обеспечивающие совместное маневрирование при плавании вблизи берегов и малых дистанциях между кораблями в ордере

Последовательность использования СНО СНО района и сил Радиальная среднеквадратичная погрешность (РСКП) определения места, м

1 РЛС и визуальные способы 20-80

2 СНС «ГЛОНАСС» 20-40

3 РНС «БРАС» 20-80

4 РНС «МАРС-75» 85-500

Таблица 2

Средства навигационного оборудования, обеспечивающие совместное маневрирование при плавании в открытом море и на значительном удалении кораблей друг относительно друга

Последовательность использования СНО СНО района и сил РСКП определения места, м

1 СНС «ГЛОНАСС» 20-40

2 РНС «МАРС-75» 85-500

3 РСДН-3, 4, 5 170-2000

В обеспечении совместного маневрирования в качестве критерия точности позиционирования кораблей принята точность определения относительной позиции. В данном случае показателями точности совместного маневрирования являются значения отклонения пеленга АП и дистанции АД от назначенной позиции. Переход в значении отклонения от назначенной позиции АП и АД к значению линейного отклонения от назначенной позиции d и радиальной погрешности относительной позиции Мкм (рис. 1) позволяет наглядно контролировать позицию корабля в ордере, перейти от относительной к географической системе координат и производить оценку вероятности нахождения его в области назначенных позиций.

Рис. 1. Позиции совместно маневрирующих кораблей

При определении места по РНС в современных корабельных приемоиндикаторах [1-4] существует возможность самостоятельно выбрать источник данных по определенной группе навигационных космических аппаратов, цепочке пар станций ведущая/ведомая РНС, используемых при обсервации. Следовательно, использование этих данных в определении относительной позиции и учет корреляционной зависимости погрешностей навигационных параметров позволят повысить точность позиционирования кораблей.

Для оценки значений точности рассматривались определения позиции совместного маневрирования с помощью РЛС в сравнительной оценке с определением этой же позиции по данным СНС и РНС с различными интервалами времени снятия данных о координатах места совместно маневрирующих кораблей (1, 4 и 12 с.). Данные интервалы времени определены дискретностью поступления информации о параметрах движения совместно маневрирующих объектов в соответствии с требованиями резолюции ИМО MSC.74.69 к эксплуатационным характеристикам аппаратуры АИС.

Преимуществом работы по данным СНС «ГЛОНАСС» является высокая достоверность выдачи данных (вероятность выработки координат места - 95 %). Исследования показали, что использование для позиционирования СНС «ГЛОНАСС» (рис. 2, 3) на дистанции более 1 кабельтова между совместно маневрирующими кораблями приводит к повышению точности определения относительной позиции в сравнении с использованием для этих целей РЛС, особенно на дистанциях более 5 кабельтовых.

. ..

3

1 2

Л*

£

Дистанция, мили

Рис. 2. Уменьшение погрешности относительной позиции по данным СНС «ГЛОНАСС» к РЛС в зависимости от дистанции при разности временя снятия данных: 1 - 1 с; 2 - 12 с; 3 - 4 с

Дистанция, мили

Рис. 3. Выигрыш в точности определения относительной позиции по данным СНС «ГЛОНАСС» к РЛС в зависимости от дистанции при разности времени снятия данных: 1 - 1 с; 2 - 12 с; 3 - 4 с

При определении относительной позиции по данным РНС «БРАС» (рис. 4, 5) повышение точности определения относительной позиции заметно при дистанции между совместно маневрирующими кораблями более 2 миль.

Рис. 4. Уменьшение погрешности относительной позиции по данным РНС БРАС к РЛС в зависимости от дистанции при разности времени снятия данных: 1 - 1 с; 2 - 12 с; 3 - 4 с

Рис. 5. Выигрыш в точности определения относительной позиции по данным РНС БРАС к РЛС в зависимости от дистанции при разности времени снятия данных: 1 - 1 с; 2 - 12 с; 3 - 4 с

Вместе с тем использование РНС «МАРС-75», РСДН-3, 4, 5 при решении задач совместного маневрирования проигрывает (рис. 6) в точности определения относительной позиции между совместно маневрирующими кораблями с помощью РЛС и может применяться в качестве аварийного средства позиционирования кораблей, а также в качестве избыточной информации для исключения промахов.

Дистанция, мили

Рис. 6. Выигрыш в точности определения относительной позиции по данным РНС МАРС-75 к РЛС в зависимости от дистанции при разности времени снятия данных: 1 - 1 с; 2 - 12 с; 3 - 4 с

Выводы

1. Для повышения точности позиционирования кораблей при совместном маневрировании в строях и ордерах целесообразно согласованное использование информации от высокоточных СНО (СНС «ГЛОНАСС», РНС «БРАС») с обработкой и передачей их данных с использованием АИС.

2. В качестве аварийного средства позиционирования кораблей и в качестве избыточной информации для исключения промахов при решении задач совместного маневрирования рекомендуется использование информации РНС «МАРС-75» и РСДН-3, 4, 5 с обработкой и передачей их данных с использованием АИС.

3. Полная реализация способа с возможностью вероятностной оценки занятия и сохранения назначенной позиции возможна путем модернизации алгоритмов АИС, а именно с помощью добавления учета времени и характера выработки данных о координатах места и их погрешностях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Практическое кораблевождение для командиров кораблей, штурманов и вахтенных офицеров № 9035.1 / под общ. ред. А. П. Михайловского. Л.: ГУНиО МО, 1989. 896 с.

2. Аппаратура спутниковая навигационная СЧ-4. Инструкция по эксплуатации. ПКАН.461513.007. ИЭ. М.: РПЗ «Орион», 1992. 41 с.

3. Навигационная аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и NAVSTAR «Бриз-ПЛ». Руководство по эксплуатации. ТДЦК 461513.026 РЭ // URL: http://old.navis.ru/ catalog_13_18.html.

4. Система 2А-213. Инструкция по эксплуатации. ИЮ.1.382.770. Л., 1990. 95 с.

5. Справочник по морским средствам навигации. СПб.: ГУНиО МО РФ, 1997. 285 с.

Статья поступила в редакцию 16.06.2014, в окончательном варианте - 20.08.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Гарматенко Игорь Сергеевич - Россия, 197045, Санкт-Петербург; Военный учебнонаучный центр Военно-Морского флота «Военно-морская академия им. адмирала флота Советского Союза Н. Г. Кузнецова»; адъюнкт кафедры «Штурманская служба»; garmatenkoigor@gmail.com.

I. S. Garmatenko

THE WAY TO INCREASE THE ACCURACY OF POSITIONING SHIPS IN A JOINT MANEUVERING

Abstract. The article describes the method of increasing the accuracy of positioning the vessels using the automated information system (AIS) by the data of the sputnik navigation system (SNS) and the radio navigation system (RNS) in comparison with radar system. As a criterion of the accuracy of positioning the vessels, the error in determining the relative position between all maneuvering ships in tuning (orders) is taken. Increasing the accuracy of vessels positioning becomes possible due to the centralized determination of the coordinates (measurement at one point in time) by the same SNS for all maneuvering ships and constellation of the sputniks, or by the radio navigation system and the chain of pairs of stations master/slave using AIS. In addition, the AIS should facilitate the exchange between the consumers of the information about the error in the coordinate determination and time of the coordinate determination. The research of the centralized method of determining the relative position between the jointly maneuvering ships showed that while carrying out the measurements at the all maneuvering vessels with the fixed time difference (1, 4 and 12 seconds), the correlation dependence of the random coordinate error tends to 1. While determining the coordinates by the SNS "GLONASS" or RNS "BRAS" at the maneuvering ships, a significant improvement of the accuracy of determination of the relative position is provided. Using RNS "MARS-75" or radar systems of distance navigation (RSDN-3, RSDN-4, RSDN-5) at all the maneuvering ships does not provide an increase in the accuracy of positioning the vessels in the orders and can be used as emergency means of positioning the vessels. Application of the centralized method of measurement using the AIS significantly extends the capabilities of the AIS and provides redundancy for radar system, or the system of automated radar navigation.

Key words: automated information system, radio navigation system, joint maneuvering, positioning ships in tuning (orders).

REFERENCES

1. Prakticheskoe korablevozhdenie dlia komandirov korablei, shturmanov i vakhtennykh ofitserov № 9035.1 [Practical ship navigation for captains of the ships, navigation officers and deck officers № 9035.1]. Leningrad, GUNiO MO, 1988. 896 p.

2. Apparatura sputnikovaia navigatsionnaia SCh-4. Instruktsiia po ekspluatatsii PKAN.461513.007.IE [Sputnik navigation apparatus SCh-4. Instructions on exploitation PKAN.461513.007.IE]. Moscow, RPZ «Orion», 1992. 41 p.

3. Navigatsionnaia apparatura potrebitelei sputnikovykh radionavigatsionnykh sistem GLONASS i NAVSTAR «Briz-PL». Rukovodstvo po ekspluatatsii TDTsK 461513.026 RE [Navigation equipment for users of the radio navigation systems GLONASS and NAVSTAR "Briz-PL". Guidelines on exploitation TDTsK 461513.026 RE]. Available at: http://old.navis.ru/catalog_13_18.html.

4. Sistema 2A213. Instruktsiia po ekspluatatsii IIu1.382.770 [System 2A213. Instructions on exploitation IIu.1.382.770]. Leningrad, 1990. 95 p.

5. Spravochnik po morskim sredstvam navigatsii [Reference on marine navigation equipment]. Saint Petersburg, GUNiO MO RF, 1997. 285 p.

The article submitted to the editors 16.06.2014, in the final version - 20.08.2014

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Garmatenko Igor Sergeevich - Russia, 197045, Saint Petersburg; Military Training Scientific Center of Military Marine Fleet "Military Marine Academy named after Admiral of Soviet Union Fleet N. G. Kuznetsov"; Postgraduate Student of the Department "Navigation Service"; garmatenkoigor@gmail.com.