Материал: Проектирование судового измерительно-вычислительного комплекса, предназначенного для осуществления измерений навигационных параметров судна и их дальнейшей математической обработки

Где 1 и 2 - антенны, 3 - угол сноса, И - излучатель

Рисунок 3.8 - Варианты размещения антенн на судне

; ,

где g - размах измерительной базы.

Рисунок 3.9 - Устройство корреляционного лага

ГА - гидроакустическая антенна;

ППУ - приемо-передающее устройство;

КУ - корреляционное устройство;

БРЗ - блок регулировки задержки;

МУ - множительное устройство;

И - интегратор;

К - коррелятор;

СС - схема смещения.

ГА и ГПУ обеспечивают излучение и прием сигналов.

Отраженные от грунта колебания с помощью разнесенных акустических преобразователей преобразуются в идентичные, но сдвинутые во времени электрические сигналы, которые после обработки в ППУ поступают на вход автоматического КУ в виде центрированных величин:

В тракт сигнала вводится регулируемая задержка 3. При этом на выходе коррелятора К, который состоит из БРЗ, МУ, И формируется сигнал, пропорциональный Rxy, который выводится на СС и дополнительная схема регулирует 3 так, чтобы Rxy=max. При этом введенная задержка равна 1(транспортному запаздыванию) по которому и определяется скорость судна.

Гироскопический курсоуказатель "ГКУ-1М"

Гироскопический курсоуказатель "ГКУ-1М" обеспечивает непрерывное определение положения меридиана в режиме гирокомпаса "ГК" и хранение заданного направления в режиме гироазимута "ГА".

Курсоуказатель этого типа предназначен для установки на крупных кораблях и судах морского флота, совершающих плавания вплоть до широты 90°. В зависимости от комплектации, он может вырабатывать курс объекта как в плоскости палубы, так и в плоскости горизонта.

Для увеличения точности определения мгновенных координат местоположения судна в состав измерительно-вычислительного комплекса введена система коррекции координат Glonass.

Навигационные датчики, по индикации которых определяется положение судна в пространстве, определяются позиционными средствами измерения. Основными средствами при решении задач навигации судов на современном этапе являются спутниковые навигационные системы GPS (США) и Glonass (Россия). Обе системы заявлены в 1996 году, одобрены IMO с точностными характеристиками 100 м GPS и 45 м Glonass.

Приемоиндикаторы среднеорбитальной спутниковой системы Glonass включены в состав обязательной судовой аппаратуры, предусмотрены главой 5 конвенции «Solas».

Glonass - глобальная всепогодная навигационная система: 24 ИСЗ, наземный командный измерительный комплекс и аппаратура потребителей. Обеспечивает изображение в трехмерном околоземном, в двухмерном наземном пространстве. Спутники расположены на трех средневысоких орбитах 19100 км, по 8 спутников на каждой. Период обращения 11 часов 15 минут. Плоскости орбит расположены через 120 градусов и наклонены к экватору под углом 64,8 градусов.

 Каждый спутник излучает информацию о своей точной позиции и позиции других спутников на 2 частотах: f1и f2, но, в отличие от GPS, их значения лежат в диапазонах f1 = 1602,6-1615,5 МГц, f2=1246,4-1256,5 МГц. Частоты всех спутников отличаются на 0,4375 МГц (частотное разделение информации).

Навигационные сигналы представляют р-код, излучаемый на f1 и f2, и общедоступный с/а код (на f1). Аппаратура потребителей сигналов включает 24 частотных каналов, средняя точность определения местоположения судна - 8 м.

Если GPS имеет наименьшую точность в средних широтах, то Glonass - в высоких широтах, т.е. системы могут выгодно дополнять друг друга и использоваться совместно под названием GNSS. Это позволяет повысить и надежность за счет увеличения числа необходимых спутников.

Принцип коррекции координат судна поясняется схемой, приведенной на рисунке 3.10 .

Рисунок 3.10 - Коррекция координат судна

Геоцентрические координаты искусственных спутников Земли ,,, где n = 1…4. Расчёт этих координат осуществляется с точностью до единиц метров по параметрам орбиты спутника, передаваемых в навигационных сообщениях.

ИСЗ передают сигналы в строго определённые моменты времени. Для чего на каждом спутнике есть точные часы с относительной точностью 10-13. На судне также должны быть точные часы, в результате чего можно измерять время прохождения сигнала от ИСЗ до судна Т.

,

где с - скорость распространения электромагнитных волн.

Уравнение связи: .

При использовании нескольких ИСЗ это уравнение примет вид:

,

где i =1…4 - номер спутника, ,,-рассчитываемые геоцентрические координаты по счисленным географическим координатам ,.

Таким образом, имеем три уравнения с тремя неизвестными. По этим значениям и рассчитываются погрешности ,,.

Радиус-вектор r можно определить по углу между осью горизонтируемой платформы и направлением на горизонт:

, .

Точность спутниковой коррекции составляет десятки метров в обычном режимеработы и единицы метров в дифференциальном режиме.

Рисунок 3.11 - Определение радиус-вектора r

На основе вышеизложенного можно составить структурную схему представленного способа счисления с коррекцией по Glonass, изображенную на рисунке 3.12.

ИК - измеритель курса;

СКМ - синусно-косинусное множительное устройство;

И - интегратор;

ПК - преобразователь координат.

Рисунок 3.12 - Структурная схема курсоскоростного способа счисления с коррекцией по Glonass

Определение величины бокового смещения

Боковое смещение точки выхода судна на новый курс относительно точки начала поворота и линии старого курса может быть вычислено по формуле:

Как изложено ранее, из проведенных рассуждений следует, что расстояние выхода судна на новый курс равно:

D2 = l / sin ∆ψз.

По величине D2 мы можем найти, с каким радиусом при выбранном управлении осуществляется поворот:

Rт = D2 * ctg (∆ψз/2),

Следовательно, D2 = Rт / ctg (∆ψз/2).

Приравнивая полученное ранее выражение для расстояния выхода на новый курс и последнее выражение, получим:

l / sin ∆ψз = Rт / ctg (∆ψз/2),

а, l = Rт* sin ∆ψз / ctg (∆ψз/2).

Из исходных данных следует, что:

Rт = 6 кбт = 6 * 185,2 = 740,8 м.

∆ψз = 600.

Следовательно, боковое смещение судна при развороте на заданный курс

Исследование на ЭВМ параметров движения судна

Для исследования на ЭВМ параметров движения судна в ИВК используется программная среда Mathcad.

Для восшествия и отшествия в масштабе карты справедливы следующие зависимости:

,

,

где - магнитный курс;

- угол направления вектора течения, отсчитываемый от направления на географический север;

- поправка к компасному курсу, позволяющая получить истинное значение курса;

- скоростная поправка к показаниям лага для определения относительной скорости судна с учетом погрешностей лага;

uT- скорость течения;

- относительная скорость, определяемая лагом.

Рассмотрим определение скорости течения: силовое воздействие течения на корпус вызывает боковое перемещение судна, при этом судно начинает двигаться с углом сноса УС. Чтобы найти скорость течения по теореме синусов, необходимо найти угол между векторами uT и W треугольника скоростей, сторонами которого являются векторы относительной скорости судна Vo, истинной скорости судна W и скорости течения uT. Этот угол будет равен:

где

δT - курсовой угол течения;

yN - истинный курс.

Абсолютная скорость судна определяется суммой векторов ( см. рис. 3.13):

Рисунок 3.13 - Определение абсолютной скорости судна

4. Расчет надежности корреляционного лага

Надежность - это свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение требуемого промежутка времени. При расчете надежности некоторого устройства производится анализ его схемы с целью выявления событий, приводящих к отказу изделия. При этом выявляются элементы расчета надежности (ЭРН) - составные части изделия, показатели надежности которых учитываются при расчете, и составляется структурная схема расчета надежности, в зависимости от которой выбирается метод расчета.

Уравнениями или математической моделью надежности называются формальные зависимости, связывающие искомый показатель надежности изделия с количественными показателями надежности ЭРН.

В практических расчетах наиболее часто для оценки надежности используют следующие модели.

1. Модель основного соединения  элементов, когда отказ любого элемента приводит к отказу всей системы в целом:

, ,

где  - вероятность безотказной работы системы за нормативную наработку (расчетное время );  - вероятность безотказной работы го элемента за нормативную наработку (расчетное время );  - средняя наработка системы до отказа;  - интенсивность отказов го элемента.

В частном случае, при применении экспоненциального закона ,при :

,

,

где  - интенсивность отказов системы.

. Модель резервного соединения элементов, когда отказ только всех элементов приводит к отказу всей системы: [2]

,

,

где  - вероятности отказа системы и го элемента соответственно за нормативную наработку.

В данном курсовом проекте производится расчет надежности аналоговой части корреляционного лага SAL-840, работающей в режиме “Калибровка”.

Анализ функциональной схемы индукционного лага в данном режиме показывает, что большинство элементов аналоговой части могут быть описаны моделью последовательного соединения элементов расчета надежности. В состав аналоговой части индукционного лага входят резисторы R20, R21, R22, с помощью которых дискретно изменяется коэффициент усиления предварительного усилителя (прибор 29). Данные резисторы при расчете надежности могут быть описаны моделью параллельного соединения, поскольку при выходе из строя одного из них схема может работать при переключении на другой резистор.