Комплекс навигации и управления кораблем
SHIP NAVIGATION AND CONTROL COMPLEX

Изобретение относится к области навигации и может найти применение для обеспечения навигационной безопасности плавания и выработки требуемых данных корабельным потребителям.
Известны корабельные системы навигации (патенты RU №2260191, 01.10.2005 [1], RU №105755Ш, 20.06.2011 [2], RU №2453909 С1, 20.06.2012 [3], RU №2550887 С2, 20.05.2015 [41. US №7751977 В2, 06.07.2010 [5], US №9132912 В2, 15.09.2015 [6], US №7990263 В2. 02.08.2011 [7J).
Известный навигационный комплекс для высокоскоростных судов [1], состоит из приемоиндикатора, измерителей скорости и курса, автопрокладчика, вычислителя, навигационного пульта управления, эхолота и индикатора, в котором навигационный пульт управления соединен с радиолокационной станцией и авторулевым, при этом комплекс дополнительно содержит электронную картографическую навигационную систему, блок сопряжения с рулевым приводом и магистраль обмена информацией, соединенную своими входами-выходами с входами-выходами приемоиндикатора, измерителями скорости и курса, автопрокладчиком, вычислителем, навигационным пультом управления, электронной картографической навигационной системой, радиолокационной станцией, блоком сопряжения с рулевым приводом и эхолотом, при этом приемоиндикагор выполнен в виде совмещенного приемоиндикатора радионавигационных и спутниковых навигационных систем.
Анализ состава и функциональных возможностей аналога [1] выявил следующие недостатки:
- предназначен для использования на отдельном классе кораблей и имеет узконаправленное применение, преимущественно в качестве навигационного измерительного оборудования;
- не обеспечивается сопряжение с пеленгаторными устройствами, гидрометеорологическим комплексом, астронавигационным комплексом, автоматической идентификационной системой, аппаратурой международной автоматизированной системы оповещения (далее NAVTF.X), средствами освещения подводной обстановки;
- не обеспечиваются возможности комплексного контроля основных навигационных параметров, прогнозирования состояния морских средств навигации и их дистанционной диагностики;
- не обеспечивается дополнительное электропитание от резервной корабельной электросети и источников бесперебойного питания.
Известно решение корабельной интегрированной мостиковой системы [2],которая содержит пульт управления с устройством отображения информации, соединенные с корабельными обеспечивающими системами основным и резервным контурами сопряжения, включающими соединенные между собой внутренней интерфейсной магистралью и локальной вычислительной сетью центральный процессор, модуль
мультиплексных каналов обмена, сетевой адаптер и коммутаторы локальной вычислительной сети, причем внешние сетевые входы-выходы коммутаторов локальной вычислительной сети контуров сопряжения подключены к устройствам корабельной системы управления и корабельным обеспечивающим системам, выполнена многосекционной, содержащей набор пультовых секций, каждая из которых состоит из функционально объединенных аппаратно-программных средств и модулей, связанных между собой по основному и резервному каналам локальной вычислительной сети, конструктивно объединенных в интегрированный пульт, включающий, по меньшей мере, одну общую для контуров сопряжения секцию системы питания и по две пультовые секции, подключенные к сопрягаемым корабельным обеспечивающим системам и устройствам корабельной системы управления в каждом из контуров сопряжения.
Анализ состава и функциональных возможностей аналога [2] выявил следующие недостатки:
- не обеспечивается резервирование интегрированного пульта и цифрового табло навигационных параметров;
- не обеспечивается сопряжение с пеленгаторными устройствами, астронавигационным комплексом, автоматической идентификационной системой, аппаратурой NAVTEX;
- не обеспечивается дистанционный контроль основных навигационных параметров и дистанционная диагностика состояния морских средств навигации;
- не обеспечивается дополнительное электропитание от резервной корабельной электросети.
Устранение выявленных недостатков реализовано в также известном техническом решении (патент RU №2765606 С1, 01.02.2022 [8]) путем создания интегрированной системы навигации для кораблей и судов обеспечения Военно-Морского Флота (ИСН), обладающей более высокой надежностью, универсальностью и расширенными функциональными возможностями.
При этом в известном техническом решении [8] имеются следующие отличия от аналогов [1-7]:
- схема ИСН ВМФ предусматривает установку пультовых секций не на одном командном пункте, а на каждом командном пункте корабля или судна обеспечения (далее корабля), объединенных между собой не основным и резервным каналами, а тремя серверами и локально-вычислительной сетью, которая оснащена основным и резервными каналами передачи навигационных данных, исключающими потерю информации при боевых и аварийных повреждениях;
- пульт управления с устройством отображения информации выполнен не многосекционными, каждая из секции которого состоит из функционально объединенных аппаратно-программных средств, а состоит из трех блоков отображения и управления, дополненных четырьмя автоматизированными мобильными комплектами (АМК) должностных лиц; автоматизированных рабочих мест (АРМ) в составе интегрированной мостиковой системы (ИМС) и интегрированной системы управления кораблем, которые построены с использованием принципа модульности;
- в качестве устройств хранения навигационной информации используются не пультовые секции, каждая из которых состоит из функционально объединенных аппаратно-программных средств и модулей, а серверы, включающие в себя дополнительную электронно-компонентную базу: аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), устройства получения пеленга (УПП), дополнительные оперативные запоминающие устройства (ОЗУ), блоки вычисления, устройства извлечения (УИ) и устройства уничтожения (УУ) запоминающих устройств;
- обеспечение ИСН ВМФ и корабельных потребителей цифровой картографической информацией ((ЦКИ) реализуется за счет внедрения в схему единой электронной картографической системы (ЕЭКС), осуществляющей получение электронных навигационных карт (ЭНК), баз геопространственных данных (БГД) и другой ЦКИ через унифицированный картографический сервер из ее состава от автоматизированной системы обеспечения Военно-Морского Флота цифровой картографической информацией (АСО ВМФ ЦКИ), а также хранение ЦКИ и ее трансляцию всем потребителям корабля;
- бесперебойное электропитание системы обеспечивается не источниками бесперебойного питания (ИБП), представляющими из себя блок с аккумуляторной батареей, а наличием в схеме системы обеспечения бесперебойным питанием от основной и резервной корабельной электросети (КЭС), дополненной автоматическими переключателями сети (АПС) и ИБП, гарантирующих непрерывную работоспособность всех элементов ИСН ВМФ.
При этом техническая сущность известного изобретения [8], заключается в совершенствовании технического состояния ИСН ВМФ относительно аналогов до уровня, обеспечивающего более высокую надежность, универсальность и более широкие функциональные возможности системы, а также интеграцию аппаратно-программного комплекса ИСН ВМФ в состав ИМС и интегрированной системы управления кораблем.
Однако наряду с достоинствами известного технического решения [8], оно обладает и рядом недостатком, основным из которых является практически тривиальное объединение штатных судовых технических средств навигации в единую навигационную систему с добавлением состава АМК, объединенных посредством локально-вычислительной сетью и представляет собой известные модификации мостиковых интегрированных систем, имеющих широкое применение (Морская навигационная техника. Справочник. Под общ. ред. Е.Л. Смирнова.- СПб.: Элмор, 2002 - 224 с., Смирнов Е.Л., Яловенко А.В., Перфильев В.К. и др. Технические средства судовождения. Учебник для вузов. СПб.: Элмор, 2000 -656 с.).
Кроме того существует сложность работы с такими системами. Эта сложность определяется:
- большим набором решаемых ИСН задач, требующих многочисленных исходных данных;
- значительным числом функций ИСН;
- вырабатываемыми различного вида сигналами, предупреждениями и сообщениями, которые требуют правильного и быстрого реагирования;
- одновременной работой со многими навигационными приборами и средствами управления;
- способностью параллельного решения нескольких задач;
- концентрированным условным представлением информации о процессе судовождения, необходимостью правильной ее интерпретации и оценки,
- имеемыми погрешностями, ограничениями и недостатками, которые следует учитывать при оценке ситуаций.
Кроме того, при использовании известной системы необходимо учитывать факторы, обусловленные разрешающей способностью дополнительных мониторов. Размер пикселя дисплеев, на которых отображаются электронные карты, составляет порядка 0.2+0.3 мм. Отсюда может быть установлена предельная точность масштаба карты. Для карты масштаба 1:50000 при размере пикселя 0.3 мм она, например, составляет 15 м. Эта точность уже хуже, чем точность определения места по DGPS, и требуемая точность определения положения в стесненных водах.
На точность положения объектов на карте влияет и размер символов. Например, точка, представляющая огонь на растровых картах в формате BSB включает по ширине минимум девять пикселей. В масштабе 1:40000 это составляет площадь с диаметром 36 квадратных метра
Таким образом, с одной стороны Известная навигационно-информационная система облегчает труд судоводителя, но с другой, делает его сложнее.
При работе с такими системами существует риск передоверия к ИСН, так как всегда существует определенная вероятность (риск) неправильного функционирования ИСН и неточности ее данных.
Отображаемые ИСН гидрографические данные не более надежны, чем данные съемки, на которой они базируются, электронные карты, если они составлены по данным бумажных карт, наследуют все погрешности бумажных карт, в представляемых данных навигационных датчиков присутствуют погрешности, ошибки и ограничения взаимодействующих с ИСН приборов и систем, что сказывается на точности и надежности ИСН.
Судоводитель, кроме грамотной эксплуатации ИСН, должен знать недостатки и ограничения всех составляющих ИСН частей (аппаратных средств, программного обеспечения, данных, датчиков информации, дисплея), использовать любую возможность для ее проверки, включая визуальные определения и применение независимых технических средств контроля движения судна, чтобы исключить возможное негативное влияние ограничений ИСН на безопасность судовождения. ИСН - это только техническое средство, как и любые другие навигационные приборы и оно не освобождает судоводителя от обязанности выполнения непрерывного визуального наблюдения, как это требуется СОЛАС74, от анализа качества карт и получаемой информации, от необходимости оценки навигационных ситуаций, от принятия решений по управлению судном и от ответственности за эти решения.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей с одновременным повышением надежности и достоверности представления навигационной информации получаемой посредством ИСН.
Поставленная задача решается за счет того, что в комплекс навигации и управления кораблем, содержащий морские средства навигации, корабельные средства освещения надводной и подводной обстановки, локальную вычислительную сеть, серверы, печатающее устройство средств обработки и обеспечения сохранности информации, единую электронную картографическую систему, систему единого времени, блоки отображения и управления, установленные на каждом командном пункте корабля, автоматизированные рабочие места в составе интегрированной мостиковой системы и интегрированной системы управления кораблем, автоматический переключатель сети и источники бесперебойного электропитания системы обеспечения бесперебойным питанием, при этом комплекс выполнен интегрированным на каждый командный пункт корабля с использованием принципа модульности, оснащенных пультом с органами управления режимами счисления, осуществляющим регулировку настроек, отображение данных от морских средств навигации и других корабельных систем, обеспечивающих комплекс навигационной информацией, совмещенного с системой сигнализации, навигационным монитором с сенсорным управлением или интерактивной доской с проектором, автоматизированных рабочих местах в составе интегрированной мостиковой системы и интегрированной системы управления кораблем, автоматизированные мобильные комплекты должностных лиц. обеспечиваемые цифровой картографической информацией от единой электронной картографической системы, объединенные тремя серверами и локально-вычислительной сетью, оснащенной основным и резервными каналами передачи навигационных данных, исключающими потерю информации при боевых и аварийных повреждениях, в отличие от прототипа [8], введены экспертная система, обеспечивающая выработку решений возникающих проблем судовождения, с формированием рекомендаций вахтенному помощнику, и автоматическую активацию в критических ситуациях процедур для обеспечения безопасности, с формированием оценок индекса доверия к принятию решений, которая выполнена на основе морского компьютера типа MNS - 620 и включает массивы информации, систем кодирования, конвертации форматов, сжатия информации, включая средства раскодирования и декомпрессии файлов электронных карт, и включает средства для выбора методов ввода данных в машинную среду, упорядочивания сведений, изменения содержания информационных массивов, составления различных списков и каталогов по учету данных, информационную модель системы управления и сведения, составляющие информационную модель внешней среды, лазерная система информационно- координатного обеспечения, геоинформационная система Arc View, система трансформирования изображения AVHRR NOAA, системы построения карт по спутниковым изображениям ERS. комплекс ледовой разведки «Дозор», программные модули Physx. Hydrax, Skyx. ANSYSAQWA.GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, SBAS, GBAS, судовая система планирования, автоматического сбора, регистрации и обработки гидрологических данных типа «dKart HIDROCRAPHER» с экспортом данных в форматы HyKit и dKart, электронная навигационная система типа "Сегмент", обеспечивающая конвертацию данных ENC в соответствии со стандартом IHO S-57 и отображение SENC в соответствии со стандартом IHO S-52, блок решения навигационных задач в парной параллактической системе координат, при этом курсоуказатели содержат, по крайней мере, три фиброоптических гирокомпаса с тремя акселерометрами, приемоиндикатор СНС снабжен приемной антенной, с диаграммой направленности с правой поляризацией и установленной на мачте, приемными антеннами с левой поляризацией, с диаграммами направленными вниз и установленные по бортам корабля, бортовой приемоиндикатор спутниковой навигационной системы выполнен многоканальным на основе центрального процессора нейроматрицы NM 6403 или NM 6404.
По сравнению с прототипом [8]. предлагаемая ИСН кораблей и судов содержит экспертную систему, обеспечивающую выработку решений возникающих проблем судовождения, рекомендации вахтенному помощнику, автоматическую активацию в критических ситуациях процедур для обеспечения безопасности.
Экспертная система представляет собой набор вычислительных средств на базе морского компьютера типа MNS - 620 для сбора и обработки информации, содержащих
компьютерную программу, включающую знания опытных судоводителей о путях решения навигационных проблем, и способную предлагать и объяснять пользователю разумные решения в различных ситуациях, встречаемых в судовождении.
Выработка рекомендаций включает определение возможных вариантов решения возникшей задачи, отбор из них наилучшего и рекомендацию его вахтенному помощнику. При этом ИСН обеспечивает выработку решений возникающих проблем судовождения, выдачу рекомендаций вахтенному помощнику, автоматическую активацию в критических ситуациях процедур для обеспечения безопасности.
Экспертная система включает подсистему консультаций и выработки рекомендаций по целесообразному поведению (СКВР) судоводителя и содержит вычислительные средства с пакетом программ, которые оперирует с алгоритмическими сведениями и неформализованными знаниями в области судовождения и способна предлагать и объяснять судоводителю разумные решения проблем на основе математического моделирования физических процессов и механизма мышления человека применительно к этой области.
В СКВР входят программы для выработки решений и программы для их объяснений. СКВР не только вырабатывает рекомендации по целесообразному поведению, но и дает пояснения, почему предложено именно такое решение с аргументацией его обоснованности. При использовании экспертной системы судоводитель получает всю информацию, необходимую ему для того, чтобы быть уверенным, что принято действительно правильное решение. СКВР является программой, которая позволяет оператору получить ответы на вопросы: « Как было найдено то, или иное решение?» и «Почему было принято такое решение?». Одной из основных характеристик СКВР является ее производительность, т.е. скорость получения результата и его достоверность (надежность). СКВР должна за приемлемое время найти решение, которое было бы не хуже, чем то, которое может предложить специалист в этой предметной области. Достоинство СКВР состоит в том, что обычно она вырабатывает решения быстрее специалиста.
Довольно много рекомендаций по судовождению можно получить из существующих наставлений и руководств, представленных в электронном виде, а также на основе алгоритмических данных путем прямых аналитических расчетов или с помощью математического моделирования процессов движения судна для прогнозируемых условий. Эти рекомендации включают время до начала поворота в стесненных водах в условиях ветра и течения, выбор маневра расхождения в относительно простых ситуациях, выбора режима движения в штормовых условиях, выбор наивыгоднейшего маршрута через океан с учетом прогнозов погоды, потерь в скорости хода на волнении, постоянных и переменных течений, расхода топлива и ряда других случаев.
Информационное обеспечение ИСН включает массивы информации (баз, и иных структурированных наборов данных), систем кодирования, конвертации форматов, сжатия информации, включая средства раскодирования и декомпрессии файлов ЭК. В информационное обеспечение входят также средства для выбора методов ввода данных в машинную среду, упорядочивания сведений, изменения содержания информационных массивов, составления различных списков и каталогов по учету данных и т.д. Главной составляющей информационного обеспечения являются данные, хранящиеся в памяти ИСН. Состав данных ИСН определяется ее назначением. ИСН получает, хранит, обрабатывает, отображает информацию для целей эффективной и безопасной проводки судна из порта отхода в порт назначения. ИСН является частью системы управления движением судна и относится к информационным системам, выполняющим операции подготовки решений.
В общем случае для управления нужны сведения, характеризующие цель управления, включая требования к ее достижению систему управления внешнюю среду. Это относится и к проводке судна из порта отхода в порт назначения и при решении функциональных задач, возложенных на данный класс кораблей и судов. Обобщенно, состав информационных данных ИСН можно представить в виде трех частей включающих соответственно информацию определяющую цель выполняемой навигационной задачи с требованиями к ее достижению, данные, образующие информационную модель системы управления, сведения, составляющие информационную модель внешней среды.
Под информационной моделью системы управления понимается набор сведений, отражающий состав, свойства, взаимосвязи, характеристики этой системы и ее элементов. Информационная модель внешней среды включает сведения, позволяющие получить достаточно полное представление о составе, свойствах, особенностях, взаимосвязях элементов среды, в условиях которой производится управление.
Кроме названных выше данных, в ИСН используется информация, определяющая цель, поставленную перед системой управления, и сведения, относящиеся к требованиям ее достижения, включая различного вида наставления, правила плавания и другие руководящие документы.
Информация отражающая судно, как систему управления движением и его внешнюю среду, включает в себя многочисленные данные, основными из которых являются сведения о навигационных и гидрометеорологических условиях, существующие рекомендации и наставления для плавания, данные о визуальных, радиотехнических и других навигационных средствах, информация об установленных путях движения, о видах районов плавания, о системах судовых сообщений и службах движения судов, о мерах по защите морской среды, сведения о портах, данные о текущей погоде и ее прогнозы, корректурные документы, навигационные предупреждения радиослужб, данные о состоянии судна и его механизмов, об оборудовании, об эксплуатационных и других ограничениях, сведения о маневренных и мореходных качествах судн, данные о положении собственного судна и его кинематических параметрах, информация о положении судов, находящихся в районе плавания и их кинематических параметрах, рекомендации и указания, получаемые от систем управления движением, сведения о других факторах, влияющих на безопасность плавания. Со всей этой информацией или с ее основной частью оперирует ИСН, выполняя в том или в ином объеме информационное обслуживание процесса принятия решений по управлению судном.
Все необходимые данные в ИСН хранятся в виде структурированных информационных наборов: записей, списков, таблиц, массивов, баз данных и других их совокупностей. Основная информации хранится в ИСН в виде баз данных. База данных (БД) представляет собой совокупность данных, организованных по определенным правилам, устанавливающим общие принципы описания, хранения и манипулирования информацией. Хранение данных в БД обеспечивает централизованное управление, соблюдение стандартов, безопасность и целостность сведений, сокращает избыточность и устраняет противоречивость информации. Базы данных не зависят от прикладных программ. Работа с информацией БД осуществляются с помощью специальных программных средств.
Базы данных ИСН, как части системы управления судном, содержат сведения об этой системе управления и ее внешней среде с такой минимальной избыточностью, которая обеспечивает их оптимальное использование в процессе навигации. Необходимо выделить две самостоятельные функции, выполняемые базами данных в системах управления, это образование информационных моделей объекта и внешней среды и справочная функция. Функция образование информационных моделей объекта и внешней среды состоит в аккумулировании всех необходимых при управлении относительно стабильных сведений о судне и внешней среде для целей решения в ИСН задач судовождения. В памяти судовой навигационно-информационной системы хранятся данные карт, сведения о навигационных средствах, о приливоотливных явлениях и о других элементах районов плавания судна. Так как эти сведения отражают элементы и свойства внешней среды, то они составляют ее неформализованную информационную модель. Ключевая относительно стабильная информация о внешней для судна среде. сосредоточена в картографической базе данных (КБД).
Информация КБД используется ИСН практически при решении всех задач, связанных с проводкой судна из порта отхода в порт назначения. Она доступна штурманам и для получения различных справок.
Внешнюю среду характеризует и другая информация, находящаяся в информационных базах и в иных структурированных массивах ИСН.
Совокупность этих сведений вместе с КБД образуют неформализованную информационную модель внешней среды.
Кроме этого, в памяти ИСН помещена информация о судне, на котором установлена эта система, его размерах, осадке, средствах управления, маневренных свойствах и т.д. Совокупность этих данных представляет информационную модель системы управления судном.
Если в памяти ИСН информационные модели судна и его внешней среды являются неполными, то в системе предусмотрена возможность их совершенствования.
Кроме того, в ИСН обеспечивается поддержание адекватности информационных моделей фактическому составу и свойствам среды и системы управления.
Справочная функция баз данных, состоит в быстрой выдаче по запросам сведений, необходимых судоводителям в разные моменты времени при выполнении проводки судна из порта отхода в порт назначения и при решении задач, возложенных на данный класс судов.
Выделение двух автономных функций позволяет формировать, накапливать и изменять по мере необходимости данные в базах независимо от программ пользователей, которые в дальнейшем эти данные будут применять.
Информация, которой оперирует ИСН, может быть классифицирована по различным признакам. Наиболее общими из них является классификация информации о внешней среде в зависимости от типа отражаемых ей объектов. К внешней среде судна относят объекты, явления и процессы, оказывающие влияние на процесс судовождения. В характеризующей эти элементы информации принято выделять следующие категории: географическая; навигационно-гидрографическая; о морских мобильных объектах; метеорологическая; гидрологическая; климатическая и другая. Географическая информация характеризует элементы поверхности литосферы и расположенные на ней навигационные стационарные объекты. К географическим данным относятся сведения о надводном и подводном рельефе, о береговой черте, об опасностях и препятствиях, о сооружениях хозяйственного и другого назначения и т.д. Навигационно-гидрографическая информация представляет собой сведения о судоходных путях и районах, их стационарном и плавучем ограждении, о позиционных системах и т.д. Она является частью географической информации.
Информация о морских мобильных средствах (движение которых целенаправленно) отражает их свойства, тактико-технические данные, позицию, элементы движения и т.д. Метеорологическая информация характеризует состояние атмосферы. К ней относятся данные о температуре, влажности воздуха, об облаках, туманах и видимости, об атмосферном давлении и ветре, о воздушных массах, фронтах, барических системах и т.д. Гидрологическая (океанологическая) информация отражает состояние гидросферы морей и океанов. К гидрологическим характеристикам относятся температура воды, ее соленость и плотность, направление и скорость течений, скорость распространения звука в воде, волнение, приливы, льды, айсберги и т.д.
Климатическая информация представляет собой сведения о многолетнем режиме погоды регионов. Она включает для определенных периодов года (месяцев, сезонов) в разных точках Земли среднестатистические гидрометеорологические характеристики, полученные по результатам наблюдений за много лет.
Классификация информации по принадлежности к содержанию карты. Основная относительно стабильная информация о внешней для судна среде сосредоточена на навигационных картах. Она включает географическую информацию, часть гидрологических данных. Картографическая информация играет чрезвычайно важную роль при судовождении. На основе этого, при рассмотрении ряда вопросов принято сведения, которыми оперирует ИСН, делить на картографическую и некартографическую информацию.
Картографическая информация отражает обстановку районов плавания судна, характеризует размещение, свойства, связи объектов и явлений, важных в навигационном отношении.
Картографическая информация отражает стабильные во времени элементы навигационной обстановки, которые остаются постоянными в течение длительного времени. С помощью условных знаков они изображены на бумажных картах.
Имеемые изменяющиеся во времени картографические элементы (например, глубины, положение береговой черты, магнитное склонение), представляются на карте только своей постоянной составляющей.
Некартографическая информация включает все относящиеся к навигации сведения, за исключением картографических данных. Это информация о мобильных средствах, об изменяющихся во времени составляющих отображаемых на карте объектов, о возмущающих процесс судовождения факторах, а также другие элементы (климатические данные, сведения о портах и т.д.).
Возмущающие факторы представляют собой влияющие на процесс проводки динамические объекты, процессы, явления, поведение которых не носит целенаправленного характера. К ним относят гидрометеорологические процессы и явления, дрейфующие опасные предметы и т.д.
Посредством ИСН осуществляется информационный обмен систем информационно-управляющего комплекса с информационно-измерительными, исполнительными, информационно-управляющими устройствами, вычислительной системой комплекса. При этом ИСН осуществляет комплексную обработку информации и формирование параметров состояния объекта и сигналов управления, прогнозирование развития ситуаций в составе вычислительной системы комплекса, идентификацию ситуации в вычислительной системе комплекса, формирование рекомендаций для экипажа по действиям в складывающейся ситуации с учетом прогноза ее развития. При идентификации ситуации и формировании рекомендаций наряду с текущей информацией, измеренной и вычисляемой системами комплекса, используются экспертные знания, внесенные в базу знаний, при этом используются звуковой, речевой, визуально-символьный, визуально-текстовый каналы связи с экипажем, в каждом из которых сигнал синтезируется применительно к текущей ситуации.
Для идентификации ситуации и формирования рекомендаций осуществляется оперативный ввод информации, воспринимаемой экипажем, внесение в базу знаний экспертных знаний проводится путем записи в энергонезависимую память сформированных рекомендаций и исходных данных, используемых при их формировании, совместно с последующим анализом этой информации и корректировкой экспертных знаний в базе знаний по результатам анализа.
Система формирования оценок индекса доверия к принятию решений оценок предвзятости для интерактивного принятия решений содержит процессор устройства, которого выполняют основные вычислительные операции, необходимые для функционирования устройства или функциональности одного или более его компонентов. Процессор исполняет необходимые машиночитаемые команды, содержащиеся в оперативной памяти. Память, выполнена в виде ОЗУ и содержит необходимую программную логику, обеспечивающую требуемый функционал.
Средства хранения данных могут быть выполнены в виде HDD, SSD дисков, рейд массива, сетевого хранилища, флэш-памяти, оптических накопителей информации (CD, DVD, MD, Blu-Ray дисков) и т.п.и позволяет выполнять долгосрочное хранение различного вида информации, например, вышеупомянутых файлов с наборами данных пользователей, базы данных, содержащих записи измеренных для каждого пользователя временных интервалов, идентификаторов пользователей и т.п.
Интерфейсы представляют собой стандартные средства для подключения и работы с серверной частью, например, USB, RS232, RJ45, LPT, COM, HDMI, PS/2, Lightning, Fire Wire и т.п.
Выбор интерфейсов зависит от конкретного исполнения процессора, которое может представлять собой персональный компьютер, мейнфрейм, серверный кластер, тонкий клиент, смартфон, ноутбук и т.п.(персональными компьютерами снабжены капитан судна, его помощники, вахтенные офицеры и руководители судовых служб (главный механик, главный электрик и т.д.)
В качестве средств ввода данных в любом воплощении системы, реализующей предлагаемое техническое решение, используется клавиатура. Аппаратное исполнение клавиатуры может быть любым известным: это может быть, как встроенная клавиатура, используемая на ноутбуке, так и обособленное устройство, подключенное к настольному компьютеру, серверу или иному компьютерному устройству. Подключение при этом может быть, как проводным, при котором соединительный кабель клавиатуры подключен к порту PS/2 или USB, расположенному на системном блоке настольного компьютера, так и беспроводным, при котором клавиатура осуществляет обмен данными по каналу беспроводной связи, например, радиоканалу, с базовой станцией, которая, в свою очередь, непосредственно подключена к системному блоку, например, к одному из USB-портов. Помимо клавиатуры, в составе средств ввода данных также может использоваться: джойстик, дисплей (сенсорный дисплей), проектор, тачпад, манипулятор мышь, трекбол, световое перо, динамики, микрофон и т.п.
Средства сетевого взаимодействия выбираются из устройства, обеспечивающий сетевой прием и передачу данных, например, Ethernet карту, WLAN/Wi-Fi модуль, Bluetooth модуль, BLE модуль, NFC модуль, IrDa, RFID модуль, GSM модем и т.п. С помощью средств сетевого взаимодействия обеспечивается организация обмена данными по проводному или беспроводному каналу передачи данных, например, WAN, PAN, ЛВС (LAN), Интернет, WLAN, WMAN или GSM. Все компоненты устройства сопряжены посредством локально-вычислительной сети, как и в прототипе [8].
Лазерная система информационно-координатного обеспечения включает лазерный дальномер, систему передачи информации, оптико-электронный пеленгатор, систему наведения (оптико-механический привод), систему управления наведением и сопровождением (формирователь команд для оптико-механического привода) вычислительно-управляющую систему, панель световозвращателей, пеленгатор, лазерную передающую систему, фотоприемную систему, систему наведения, широкоугольный координатор, датчик облачности. Лазерные дальномерные измерения позволяют автономно корректировать эфемеридные ошибки координатного обеспечения судна. Технология автономной коррекции эфемерид спутников может быть основана на известном методе частичного решения эфемеридной задачи, при котором уточняется положение спутника вдоль орбиты. Также обеспечивается пеленгация береговых лазерных пеленгаторов и створных знаков.
Бортовой приемоиндикатор спутниковой навигационной системы представляет собой программную реализацию согласованного фильтра (в отличии от традиционных приемников корреляционного типа) с использованием в качестве центрального процессора нейроматрицы NM 6403 или NM 6404.
Согласованный фильтр позволяет резко сократить цикл поиска сигналов по задержке до миллисекундного уровня (для сравнения в корреляционных приемниках цикл поиска составляет 20 с) и за счет этого повысить вероятность правильного обнаружения сигнала с помехами в заданном интервале времени, а также поднять порог помехоустойчивости (до 6-10дБ).
Бортовой приемоиндикатор спутниковой навигационной системы (БПИСНС) позволяет обеспечить:
- совместную обработку кодовых и фазовых измерений для решения навигационной задачи по малому числу наблюдаемых навигационных космических аппаратов (НКА), вплоть до одного, в двумерной навигации;
- непосредственное измерение неизвестного числа фазовых циклов в процессе захвата несущей на сопровождение;
- исключение ионосферной ошибки в одночастотном приемнике с использованием интегрального навигационного параметра;
- подавление ошибок, вызванных многолучевостью распространения радиосигналов, в кодовых и фазовых измерениях до сантиметрового уровня;
использование адаптивного робастного фильтра для улучшения целостности навигационного поля в условиях помех;
- использование программного сверхузкостробового коррелятора и теоретически оптимального аппаратного дискриминатора задержек;
- измерение проекции вектора линейного ускорения антенны БПИСНС;
- количество каналов слежения за HKA(GPS, ГЛОНАСС, ГАЛИЛЕО) и за источниками помех до 40, при чувствительности приемника до 180дБВт и при шумовой компоненте кодовых/фазовых измерений до 5/0,05 см;
- частоту выдачи информации до 50 Гц, время перезахвата сигнала после его кратковременного пропадания до 3 миллисекунд при времени возобновления обсервации при полном нарушении радиовидимости до 20 с не более 1 с;
- применение процессора типа нейроматрицы обеспечивает избыток вычислительных мощностей до 3-5 млрд. операций/с, которые можно использовать для обработки информации систем, входящих в состав бортового оборудования судна.
Конструктивно БПИСНС представляет собой приемник, состоящий из семи микросхем и модульного унифицированного программного обеспечения. БПИСНС снабжен приемной антенной, с диаграммой направленности с правой поляризацией и установленной на мачте судна, приемными антеннами с левой поляризацией, с диаграммами направленными вниз и установленные по бортам судна, что позволяет в режиме «on line» определять уклонение отвесной линии (УОЛ), путем вычисления геодезических координат.
Для вычисления геодезических координат судна (ϕо, λо, Но) со смещением, обусловленным наклоном отражающей водной поверхности (океанов) относительно референц-эллипсоида используются как прямые, так и отраженные от морской поверхности радиосигналы. А далее вычисляют геодезические координаты судна (ϕо, λо, Но) со смещением, обусловленным наклоном отражающей водной поверхности (океанов) относительно референц-эллипсоида по формуле:
где
F(УОЛ) - функция от УОЛ;
ϕо, λо, Но - широта, долгота и высота судна в географических координатах по прямым радиосигналам,
ϕг, λг, -Нг - широта, долгота и высота судна в географических координатах по отраженным сигналам; по вычисленным геодезическим координатам определяют наклон водной поверхности обусловленный УОЛ по широте и долготе по формулам:
где ΔЦϕ, ΔЦλ - наклон водной поверхности (океанов) по широте и долготе;
ΔSϕ, ΔSλ - линейные величины разностей координат;
М,N - радиусы кривизны нормального сечения меридиана и долготы референц-эллипсоида;
Δϕ, Δλ - разности геодезических координат по прямым и отраженным сигналам.
Для приема радиосигналов на судне используется три антенны. Одна антенна установлена на мачте судна с диаграммой направленности в верхней полусфере с правой поляризацией для приема прямых радиосигналов ГЛОНАСС и GPS, две другие антенны установлены по бортам судна с диаграммой направленности вниз и выполнены с левой поляризацией для приема отраженных от морской поверхности радиосигналов ГЛОНАСС и GPS. При этом на приемоиндикатор подается сумма радиосигналов от двух приемных антенн с левой поляризацией разнесенными на 180 град в азимуте. При этом в приемоиндикатор подается обновленные значения эфемерид.
Использование двух антенн приемоиндикатора СНС с левой поляризацией с диаграммами направленности в нижней полусфере и разнесенными на 180 град в азимуте, на который подается сумма радиосигналов от двух приемных антенн с левой поляризацией с диаграммами направленности в нижней полусфере и разнесенными на 180 град в азимуте позволяет повысить достоверность получения конечных результатов, так как учитываются эволюции морского судна с левого и правого бортов.
В процессе плавания на борту судна проверяются условия, что текущие значения УОЛ не превышает допустимого значения УОЛ для данных условий плавания. При переходе через допустимое значение УОЛ для данных условий плавания и продолжении увеличения отклонения УОЛ от допустимого значения в течении более чем заданный период изменения УОЛ непрерывно фиксируются параметры основных блоков бортовых систем судна для выявления причин изменения УОЛ.
Блок решения навигационных задач в парной параллактической системе координат, предназначен для повышения точности определения координат при взаимном пеленговании двух судов, находящихся в зоне действия РЛС, радиопеленгаторов или гидроакустических средств. Принцип функционирования блока решения навигационных задач в парной параллактической системе координат основан на известных алгоритмах (Гузевич С.Н. «Параллактическая система координат, как основа достоверных локационных измерений» // «Авиакосмическое приборостроение» 2020 №4, c15-24, Гузевич С.Н. «Использование параллактической системы координат при навигационных измерениях» // «Авиакосмическое приборостроение» 2020 №12, с 35-45).
Парная параллактическая сферическая система координат обеспечивает управление характером взаимодействия при измерении, путем деления взаимных углов наблюдаемых полей объектов в пространстве на равные части по линейным и угловым параметрам, обеспечивая их связь зависимостью «золотого сечения».
Парная параллактическая сферическая система координат обеспечивает передачу информации об углах наблюдений объектов проецированием и проектированием, обеспечивая сравнение полученных проекций на двух ортогональных осях плоскости измерений. Проецирование связывает поля объектов общей плоскостью наблюдений, обеспечивая их связь встречными параллактическими углами и зависимостью геометрического среднего. Проектирование отображает центрированную ориентацию оси наблюдений в проекциях угла наблюдений на осях координат плоскости измерений в шаре, связывая их тригонометрической зависимостью.
Поля объектов играют основную роль в передаче информации о положении, ориентации и размерах объекта, обеспечивая их связь по зависимостям геометрического среднего являющихся природной зависимостью.
Реализация парной параллактической сферической системы координат позволяет существенно уменьшить погрешности определения координат, как своего судна, так и судна, находящегося в зоне возможного соприкосновения. В парной параллактической сферической системе координат обеспечивается точное геометрическое описание кубического затухания полей объектов в пространстве в зависимости от параллактического угла их наблюдения, обеспечивая однозначные решения прямых и обратных задач при определении углов и расстояний при определении места судна.
Судовая система планирования, автоматического сбора, регистрации и обработки представляет собой систему типа «dKart HIDROCRAPHER» и обеспечивает автоматизированное планирование таких функций как нарезка планшетов, прокладка галсов, осей канала, нанесение береговой черты, сбор, первичную обработку и селектирование данных от внешней контрольно-измерительной аппаратуры в режиме реального времени; постобработку, камеральную обработку и редактирование полученных данных, построение модели рельефа, создание трехмерного изображения модели рельефа, построение изобат, а также профиля рельефа, построение и вывод отчетного планшета на принтер, экспорт данных в форматы HyKit и dKart, что особенно актуально при проведении исследовательских и работ и выполнения миссий возложенных на корабль.
Электронная навигационная система типа "Сегмент", обеспечивает конвертацию данных ENC в соответствии со стандартом IHO S-57; отображение SENC с соответствии со стандартом IHO S-52; набор функций в соответствии со стандартом IHO (резолюция А 817(19)) на технико-эксплуатационные характеристики ECDIS; использование информации штатных судовых приемоиндикаторов спутниковых и радионавигационных систем, гирокомпаса, лага.
В состав технических средств образующих ИСН также входят следующие системы.
Морская станция спутниковой связи стандарта ИНМАРСАТ Мини-М типа ТТ-3046, которая включает: приемопередатчик; стабилизированную антенну с антенным усилителем; телефонную трубку с подставкой; антенный кабель; блок питания на =10-32 В и предназначена для передачи речевой и цифровой информации через порт RS-232C со скоростью передачи до 2,4 Кбод.
В предлагаемом техническом решении используются программные модули SINTEZ.EXE, ll.REZ, MODEL.TPU, TST.MOD, метеорологической информации от метеорологических искусственных спутников (МИСЗ) типа «Метеор», «NOAA» в виде снимков подстилающей поверхности и облачного покрова Земли, факсимильная и телеграфная информации от радиометеорологических центров.
При плавании судна в арктических морях в состав ИСН введена геоинформационная система Arc View, система трансформирования изображения AVHRR NOAA, система построения карт по спутниковым изображениям ERS, RADAST, комплекс ледовой разведки «Дозор».
В предлагаемой ИСН также имеются технические возможности сопряжения с геоинформационными системами типа «Нева» и «Океан", а также ЭКНИС «Соэнки 400-19». При этом заявляемая ИСН содержит программные модули Physx, Hydrax, Skyx, ANSYSAQWA.GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, SBAS, GBAS.
Используемые в прототипе традиционные гирокомпасы тяжелы и громоздки, потребляют много энергии, требуют постоянного и непрерывного электропитания, имеют высокую стоимость. При этом после включения время прихода в готовность таких датчиков курса составляет несколько часов. На судне к установке классических гирокомпасов предъявляются довольно жесткие требования. Эти приборы чувствительны к ударам, к вибрации, к изменениям температуры, к качке и имеют ограничения по этим параметрам. Классические гирокомпасы обычно требуют обслуживания и выполнения профилактических мероприятий. В настоящее время на смену классическим ГК приходят более совершенные приборы, основанные на современных технологиях и исключающие использование кардановых подвесов (стабилизируемых в плоскости горизонта платформ). Такие новые датчики курса имеют чувствительные элементы, жестко связанные с корпусом судна. Движущиеся части в них отсутствуют. Бесплатформенные гирокомпасы и другие измерительные устройства, в которых нет движущихся частей, более надежны, потребляют мало энергии, требуют незначительного ухода или вообще не нуждаются в обслуживании.
В ряде современных образцов ГК применены оптические кольцевые лазерные гирометры (RLG - Ring Laser Giroscope). называемые также фиброоптическими (волоконнооптическими) гиродатчиками - ФОГ (FOG - Fiber Optic Giroscope). Фиброоптические гирокомпасы уже установлены на нескольких морских судах. Система с тремя ФО-гирометрами, дополненная тремя акселерометрами может служить датчиком кинематического состояния судна, который измеряет: курс, крен, дифферент, продольное, поперечное и вертикальное перемещение корпуса.
Кроме того, в составе контура освещения обстановки ИСН используются командное трансляционное устройство типа «Олимп» для трансляции голосовых служебных команд, комплексная автоматическая система управления техническими средствами судна типа MANAGER 300, тифон судовой электрический типа ТЭС - 75 для подачи звуковых сигналов, система приема внешних звуковых сигналов с визуальной индикацией направления на источник звука типа «Камертон».
Также предусмотрена возможность совмещения компьютера ИСН с РЛС посредством интерфейсного модуля средствами автоматического сопровождения глобальной морской системы безопасности GMDSS и регистратором данных рейса, включающим расчеты напряжения на корпусе, кинематические параметры судна, статическую базу данных, динамическую базу данных.
Техническая реализация предлагаемого технического решения аналогична структурно-логической схемы ИСН прототипа в части объединения всех технических судовых средств в интегрированную мостиковую систему, объединенную посредством локально-вычислительной сетью.
Как и в прототипе, предлагаемая система может быть условно разделена на три контура: ИСН и средств освещения обстановки, обработки и обеспечения сохранности информации, моделирования, и выработки расчетных данных.
В состав контура ИСН и средств освещения обстановки входят: пеленгаторы системы курсоуказания, астронавигационный комплекс, гидрометеорологический комплекс, средства коррекции по наземным и спутниковым радионавигационным системам, система курсоуказания, лаги, навигационные эхолоты, аппаратура NAVTEX, данные от внешних источников дополнительной навигационной информации, автоматической идентификационной системы, средств освещения надводной обстановки, средств освещения подводной обстановки, системы единого времени. Функциями контура являются: расчет вектора состояния корабля, определение параметров движения целей, освещение ближней морской обстановки, получение навигационной информации и выработка навигационных данных.
Представление информации посредством ИСН регламентировано по функциональной принадлежности. Так, например, информация представляемая вахтенному помощнику содержит данные о собственном судне (текущее место, кинематические параметры, прошлый путь, запланированный маршрут и ряд других элементов), радиолокационное изображение и кинематические параметры целей САРП, данные транспондера АИС о других судах, сведения о навигационном ограждении, об оптических и радиотехнических навигационных средствах, наставления для плавания, использование данных САРП и транспондера АИС, элементы сервиса береговых систем управления движением, гидрометеорологические сведения (многолетние данные, сведения о текущей погоде, данные о ледовой обстановке, прогностическую информацию и ряд других.
В состав контура обработки и обеспечения сохранности информации входят: серверы ИСН, совмещенные с системными блоками и печатающее устройство. Схема ИСН ВМФ предусматривает оптимальное количество серверов, но в зависимости от проекта корабля их число может быть изменено до количества постов обслуживания ИСН, но не менее двух. Функциями контура являются: получение, отображение, обработка, обеспечение сохранности информации, единого корабельного времени, трансляция требуемой информации корабельным потребителям, а также в контур моделирования, решения навигационных задач и выработки расчетных данных.
Вырабатываемая в ИСН совокупность информации является достаточной для обеспечения навигационной безопасности плавания и выполнения поставленных кораблю задач. Она характеризуют положение, перемещение корабля, данные по объектам маневрирования и другую расчетную информацию на упрежденный момент времени с учетом оказываемых на корабль управляющих воздействий, воздействий внешней среды, действующей и моделируемой обстановки, ЦКИ, БГД, обеспечивающих безопасный и своевременный выход корабля в заданную позицию, заданным курсом и скоростью, его движение по заданной траектории в соответствии с поставленной кораблю задачей.
Предлагаемая интегрированная система навигации кораблей и судов обладает высокой надежностью, универсальностью и расширенными функциональными возможностями. Реализация представленных технических решений позволяет решать задачи обеспечения навигационной безопасности плавания и выработки требуемых данных корабельным потребителям на каждом рабочем месте ИСН.
Источники информации.
1. Патент RU №2260191, 01.10.2005.
2. Патент RU №105755111, 20.06.2011.
3. Патент RU №2453909 С1, 20.06.2012.
4. Патент RU №2550887 С2, 20.05.2015.
5. Патент US №7751977 В2, 06.07.2010.
6. Патент US №9132912 В2, 15.09.2015.
7. Патент US №7990263 В2, 02.08.2011.
8. Патент RU №2765606 С1, 01.02.2022.