Сопоставление текущих координат судна по одновременным данным с двух апи СРНС применительно к концепции удаленного навигационного контроля Текст научной статьи по специальности «Физика»

тренинга, ролевые и деловые игры, видеоанализ, кейсы и другие интерактивные методы и технологии.

Литература:

1. Пугачев И.Н., ГоревА.Э., Олещенко Е.М. Организация и безопасность дорожного движения: учеб.пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 272 с.

2. Степанов И.С., Покровский Ю.Ю., Ломакин В.В., Москалева Ю.Г. Влияние элементов системы водитель - автомобиль - дорога - среда на безопасность дорожного движения.М.: МГТУ «МАМИ», 2011. 171 с.

3. Федотов А.В. Рациональная организация грузовых автомобильных перевозок с учетом сложности труда водителей и их квалификации :Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М.: МАДИ, 2000. 16 с.

4. Глухов, А. К. Психологические аспекты безопасности дорожного движения в России. М.: Логос, 2013. 64 с.

5. Василенко В.А. Изучение надежности работы водителя в

России и за рубежом // Молодой ученый. 2013. №3. С. 37-39.

6. Ахмадиева, Р.Ш. Качество безопасности дорожного движения // Вестник Научного центра безопасности жизнедеятельности. 2009. № 1. С.19-23.

7. Петров В.Е. Методика психологической диагностики надёжности водителя по управлению транспортным средством // Вестник Всероссийского института повышения квалификации сотрудников МВД России. 2015. № 4 (36). С. 91-96.

8. Талецкий И.И., Чугаев В.Л.Безопасность движения на автомобильном транспорте. М. : Транспорт, 2001. 158 с.

9. Новизенцев В.В. Повышение безопасности дорожных условий. М.: Изд-во МАДИ, 2012. 139 с.

10. Полянова Т. А. Стратегия деятельности водителей автомобилей в связи с индивидуальными особенностями :Автореф. дис. ... канд. психол. наук. М.: МГУ, 2000. 22 с.

11. Bloom B.S., Engelhart M.D., Furst E.J, Hill W. and Krathwohl D. Taxonomy of educational objectives. Volume I: The cognitive domain. NewYork: McKay. 1956. 211 р.

УДК 656.61.052:621.396.946

СОПОСТАВЛЕНИЕ ТЕКУЩИХ КООРДИНАТ СУДНА ПО ОДНОВРЕМЕННЫМ ДАННЫМ С ДВУХ АПИ СРНС ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КОНЦЕПЦИИ УДАЛЕННОГО НАВИГАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

Боран-Кешишьян А.Л., к.т.н., доцент, начальник кафедры «Судовождение», ФГБОУ ВО «Государственный морской университет

имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» Кобец Н.М., аспирант, ФГБОУ ВО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

В статье рассмотрено сопоставление индицируемых данных двух АПИ, полученных по спутниковой радионавигационной системе (СРНС) применительно к концепции удаленного навигационного контроля.

Ключевые слова: СРНС, GPS, ГНСС, удалённый контроль, безэкипажные суда.

COMPARISON OF THE CURRENT COORDINATESOF THE VESSEL BY SIMULTANEOUS DATAFROM TWO GNSS INDICATORS OF THE SATELLITE RADIONAVIGATION SYSTEM APPLICABLE TO THE CONCEPT OF REMOTE

NAVIGATION CONTROL

Borane-Keshishyan A., Ph.D., associate professor, Head of the Navigation chair, FSEIHE «Admiral Ushakov Maritime State University» Kobets N., the post-graduate student, FSEI HE «Admiral Ushakov Maritime State University»

The article describes the comparison of displayed data from two GNSS indicatorsobtained by satellite radio navigation systemapplicable to the concept of remote navigation control.

Keywords: Satellite radio navigation system, GPS, GNSS, remote control, unmanned ships.

Судовые АПИ (автоматические приёмоиндикаторы) ГНСС (Глобальной навигационной спутниковой системы), подключённые к ЭКНИС (электронная картографическая навигационная и информационная система), должны в автоматическом режиме обеспечивать требуемую точность индицируемых на экране параметров и географических координат в соответствии с Резолюцией А. 953 (23) [1]. Зная точные местоположения судна, оператор компании на берегу может оценить навигационную обстановку (situation awareness), спрогнозировать перемещения судна за время "t (дискретное или непрерывное в зависимости от решаемых задач) и принять решение по управляющему воздействию. В свою очередь, принятие решения должно базироваться на подлинности текущих координат, получаемых от АПИ СРНС (спутниковой радионавигационной системы).

Измерения координат произведём по ГНСС GPS (Global Positioning System). Для точного обсервованного местоположения судна необходимо четыре навигационных спутника (режим 3D). При этом есть возможность включить дополнительную опцию дифференциального определения места судна (режим DGPS - differential global positioning system), которая обеспечит высокую точность при подходах к прибрежным водам (ограниченность по радиусу действия). Для наибольшей точности координат необходимо иметь «геометрический фактор» в пределах от 1 до 4, где 1 - это наилучший показатель [6]. В этом случае значение геометрического фактора может быть найдено по формуле:

Г = sech m

1

4

У sin 2* AA

(1),

где: hm - средняя угловая высота спутников, ДА - разность азимутов между парами спутников.

Следует также отметить, что расхождение географических координат функционально привязано к точке установки антенн АПИ. От того, где расположены приемные антенны, зависят выходные индицируемые данные АПИ, которые будут передаваться посредством средств связи и отображаться на экране пульта дистанционного управления на берегу (рис. 1).

Для решения поставленной задачи необходимо сопоставить разности выходных индицируемых данных ф i' ^ i двух АПИ СРНС (основного и дублирующего) и разности вычисленных координат антенн АПИ с целью использования ГНСС в концепции судов-автоматов. Для этого необходимо выполнить следующее:

Рис. 1 Принятое условное расположение системы координат типичной модели судна.

1) одновременно снимаются индицируемые данные двух АПИ СРНС за интервал времени ^ = 60сек с дискретностью Д = 1сек

2) рассчитываются разности координат ф i Хi для различных условий плавания (стоянка у причала, якорная стоянка, судно на ходу) в метрах;

3) рассчитываются разности координат ф i Хi установленных антенн АПИ в метрах;

4) рассчитываются оценки статистических данных полученных параметров методом внутренней сходимости [5] и находятся их корреляционные связи;

5) выводы.

Сбор экспериментальных данных производится по траекториям движения танкера размером Handy size (<50 ООО тыс. тонн). Характеристики судна и его АПИ СРНС при выполнении экспериментов представлены в таблице 1:

Получаются следующие экспериментальные данные для условий: судно у причала, якорная стоянка, судно на ходу. Для обработки данных используют математический аппарат программы MS Excel. Для условия «стоянка у причала» получили следующее данные:

1) снимаются индуцируемые данные двух АПИ СРНС;

2) рассчитываются разности координат АПИ ф i Хi в метрах с целью проверки совпадения отсчётов;

3) рассчитываются разности координат ф 1 Х1 установленных антенн АПИ в метрах по формулам ниже:

Лф = Si *cos a i; ЛХ = Si * sin а i; Si = -у/Дф2 + ЛХ

Лф=ф +1 -ф.

где: i+1 i - разность широт i - го АПИ (ось Oy),

ЛХ = Х ■ 1 -X ■

i+1 i - разность долгот i - го АПИ (ось Ох),

a i лгття (0 <а i < 360°)

- угол между направлением на север и направлением на АПИ в круговом счёте , град,

Si - расстояние от точки расположения АПИ до точки отсчёта О (ф 0 °) , м; i - 0, 1, 2 .... n. В формуле (2) наименования широты и долготы сохраняются со своими знаками (kE - «+», kW - «-», kN - «+», kS - «-»);

4) производятся расчёты оценок статистических данных полученных параметров методом внутренней сходимости, и находится их корреляционная связь по формулам ниже:

фс,=П£Фi xс,=П£X,

i=1 ; i=1 (3),

2

(2),

Таблица 1. Характеристики судна и его АПИ СРНС.

№ Наименование Характеристика

1 Главные размерения: длина X ширина 171,20 м X 27,40 м

2 Расстояние: корма - мостик — бак 34,20 м- 137,00м

3 Расстояние: ДП антенна л/б; пр/б ~ 5,0 м

4 Тип и модель основного и дублирующего АПИ Многоканальный АПИ MX Marine

5 Значения координат по широте хх°хх,хххх'

6 Значения координат по долготе ххх°хх,хххх'

Таблица 2. Расчёты оценок статистических данных Ф i основного и дублирующего АПИ MX Marine, стояка у причала.

1 2 3 4 5 6 7 8

№ f^OCH -^дубл , м РАПИосн -PАПИдубл, м V,- (°сн и дубл), м v; (апи- осн и АПИдубл), м (V,.)2 (v;.)2

1 5,6 5,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

2 5,6 5,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

3 5,6 5,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

4 5,6 5,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

57 5,6 4,4 0,0 1,4 0,0 2,0 0,0

58 5,6 5,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

59 5,6 5,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

60 5,6 5,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

^ cp 5,6 5,9 - X 0,0 197,2 0,0

a 0,0 1,8 к 0,0945 - - -

Таблица 3. Расчёты оценок статистических данных X1 основного и дублирующего АПИ MX Marine, стояка у причала.

1 2 3 4 5 6 7 8

Досн - лАПИосн - у. (осн и V, (АПИ-

№ Адубл, м лАПИдубл , м Дубл), м осн и АПИдубл), м (V,)2 (v!-)2 (v*v)

1 7,4 2,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

2 7,4 2,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

3 7,4 2,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

4 7,4 2,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

57 7,4 7,4 0,0 4,5 0,0 20,2 0,0

58 7,4 2,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

59 7,4 2,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

60 7,4 2,6 0,0 0,3 0,0 0,1 0,0

А cp 7,4 2,9 - £ 0,0 86,6 0,0

О 0,0 1,2 к 0,0000 - - -

■О 12 - Ф ^'

где: I - 0, 1, 2 .... п - количество измерении; ' - текущие измерения. Находятся вероятнеИшие ошибки отдельных измерении по формулам:

Vi =ф i -Ф Vv, =X i—X.

Определяются оценки стандартных квадратических ошибок (СКО) координат

Ф X i

(4).

по формуле:

a i=\

Е v2

¡=1

n — 1

(5).

Находится стохастическая зависимость величин через статистическую оценку коэффициента корреляции х по формуле:

к,

K

ViVi

xy

i=1

a a y , .2

Е V,Z (vi)

i=1 i'=1

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

10 20 30 40

Серии измерений

50

60

-Разница экспериментальных данных двух АПИ - Разница вычисленных координат антенн

Рис. 2 Полученные значения разностей ф i

стоянка у причала.

-Разница экспериментальных данных двух АПИ - Разница вычисленных координат антенн

Рис. 3 Полученные значения разностей ^i, стоянка у причала.

K

где: ху - корреляционный момент.

Полученные результаты приведены в таблицах 2 и 3 в упрощённом виде.

Ниже приведены графики исследуемых параметров для случая «Стоянка у причала» (рис. 2, 3).

5) Выводы:

- сопоставляя разности экспериментальных значений

Аф А^

т I = 5,6 м = const; ' *

Ф А

двух АПИ СРНС, заключаем, что серии измерений совпадают и идут

параллельно (

i = 7,4 м = const);

,Ф.

- вычисленные разности значений координат антенн АПИ имеют небольшой разброс, отличный от математического ожидания ( ' ср - 5,9 м) (см. табл. 2), который зависит от курса относительно грунта (COG - course over ground);

О

- полученные значения оценок СКО по широтам ^ = 0,0 м и 1,8 м (см. табл. 2) соответствуют требованиям точности судовождения;

- полученные значения оценок СКО по долготам О = 0,0 м и 1,2 м (см. табл. 3) соответствуют требованиям точности судовождения;

- корреляционная связь экспериментальных и вычисленных координат к = 0,0945 и к = 0,0000 минимальны, что может указывать на отсутствие случайных погрешностей, независимые отсчёты и некоррелированность исследуемых величин.

Аналогично методике, изложенной выше для случая «Стоянка судна у причала», рассчитаем все параметры, согласно постановке задач для двух остальных случаев (судно на якоре и судно на ходу). Полученные результаты приведены в таблицах 4, 5, 6 и 7 в упрощённом виде.

Ниже приведены графики исследуемых параметров для случая «Судно на якоре» (рис. 4, 5).

5) Выводы:

- сопоставляя разности экспериментальных значений по

Ф., А.

..ЛА,

двух АПИ СРНС, наблюдается значительная дисперсия (

Лф,

9,3 м; ' = 16,7 м) из-за рыскания судна, воздействия ошибок и гидрометеорологических факторов;

- вычисленные разности значений координат антенн АПИ имеют явно выраженный случайный характер;

О

- полученные значения оценок СКО по широтам = 1,8 м и 4,0 м (см. табл. 4) соответствуют требованиям точности судовождения;

- полученные значения оценок СКО по долготам О = 2,4 м и 5,7 м (см. табл. 5) соответствуют требованиям точности судовождения;

- корреляционная связь экспериментальных и вычисленных координат к = 0,6308 и к = 0,7206 принимают средние значения и положительны, что может указывать коррелированность исследуемых величин.

Ниже приведены графики исследуемых параметров для случая «Судно на ходу» (рис. 6, 7). 5) Выводы:

Таблица 4. Расчёты оценок статистических данных ^' основного и дублирующего АПИ MX Marine, судно на якоре.

1 2 3 4 5 6 7 8

№ Росн-Ядубл, м 0>.АПИосн -PАПИдубл , M V, (°CH и дубл), м V,. (АПИ- осн и АПИдубл), м (V,.)2 (v!-)2 (v,*v>

1 1,9 1,9 2,5 5,7 6,4 32,4 14,4

2 1,9 5,4 2,5 2,2 6,4 4,6 5,4

3 1,9 11,3 2,5 3,8 6,4 14,3 9,5

4 3,7 12,9 0,7 5,4 0,4 28,9 3,6

57 7,4 7,4 3,0 0,1 9,2 0,0 0,4

58 7,4 7,4 3,0 0,1 9,2 0,0 0,4

59 7,4 7,4 3,0 0,1 9,2 0,0 0,4

60 9,3 9,3 4,9 1,7 23,9 2,9 8,4

^ cp 4,4 7,5 - £ 199,8 944,4 274,0

a 1,8 4,0 k 0,6308 - - -

Таблица 5. Расчёты оценок статистических данных "" основного и дублирующего АПИ MX Marine, судно на якоре.

1 2 3 4 5 6 7 8

№ ^осн -^дубл, м лАПИосн -лАПИдубл , м V,- (°сн и Дубл), м v; (A™- осн и АПИдубл), м (V,.)2 (v;.)2 (v;*v>

1 16,7 6,7 6,9 0,6 47,4 0,4 4,2

2 16,7 15,2 6,9 9,1 47,4 83,7 63,0

3 14,8 17,1 5,0 11,0 25,3 121,0 55,3

4 16,7 20,5 6,9 14,4 47,4 208,3 99,3

57 7,4 2,6 2,4 3,5 5,6 12,0 8,2

58 7,4 2,6 2,4 3,5 5,6 12,0 8,2

59 7,4 2,6 2,4 3,5 5,6 12,0 8,2

60 7,4 2,6 2,4 3,5 5,6 12,0 8,2

д, 9,8 6,1 - Е 350,5 1932,1 593,0

о 2,4 5,7 к 0,7206 - - -

Рис. 4 Полученные значения разностей ^', судно на якоре

-Разница экспериментальных данных двух АГТИ - Разница вычисленных координат антенн

X

Рис. 5 Полученные значения разностей , судно на якоре.

ф., X,

- сопоставляя разности экспериментальных значений 1 двух АПИ СРНС, наблюдается незначительная дисперсия между

ф X

полученными данными и их математическими ожиданиями ( 1 ср = 8,4 м и р = 5,8 м) по широте и долготе вследствие воздействия ошибок, гидрометеорологических факторов и рыскания судна;

Таблица 6. Расчёты оценок статистических данных ф 1 основного и дублирующего АПИ MX Marine, судно на ходу.

1 2 3 4 5 6 7 8

№ Росн-ft дубл, м РАПИосн -PАПИдубл , м V, (°сн и дубл), м v; (апи- осн и АПИдубл), м (V,.)2 Ы)2 Cv,*v>

1 9,3 1,7 0,8 0,6 0,7 0,4 0,5

2 7,4 0,2 1,0 0,9 1,0 0,8 0,9

3 7,4 0,2 1,0 0,9 1,0 0,8 0,9

4 7,4 0,1 1,0 1,0 1,0 0,9 1,0

57 9,3 1,6 0,8 0,5 0,7 0,3 0,4

58 9,3 1,6 0,8 0,6 0,7 0,3 0,5

59 9,3 1,6 0,8 0,5 0,7 0,3 0,4

60 11,1 3,2 2,7 2,1 7,2 4,4 5,7

cp 8,4 1,1 - X 71,5 50,0 56,7

О 1,1 0,9 к 0,9481 - - -

X

Таблица 7. Расчёты оценок статистических данных 1 основного и дублирующего АПИ MX Marine, судно на ходу.

1 2 3 4 5 6 7 8

№ Аосн -Ддубл, м лАПИосн -яАПИдубл , м у. (осн и дубл), м V, (АПИ- осн и АПИдубл), м (V,)2 (v;)2

1 5,6 1,0 0,2 0,1 0,1 0,0 0,0

2 7,4 0,9 1,6 0,2 2,6 0,0 0,3

3 7,4 0,9 1,6 0,2 2,6 0,0 0,3

4 5,6 1,0 0,2 0,0 0,1 0,0 0,0

57 5,6 0,8 0,2 0,2 0,1 0,0 0,1

58 5,6 0,9 0,2 0,2 0,1 0,0 0,0

59 5,6 0,9 0,2 0,2 0,1 0,0 0,0

60 5,6 0,5 0,2 0,5 0,1 0,3 0,1

К 5,8 1,1 - X 37,5 8,5 14,0

а 0,8 0,4 к 0,7866 - - -

12 10

св я s и

10 20 30 40

Серии измерений

50

60

-Разница экспериментальных данных двух АПИ

.......Разница вычисленных координат антенн

Рис. 6 Полученные значения разностей Ф', судно на ходу.

Рис. 7 Полученные значения разностей ^ •, судно на ходу.

- рассчитанные разности экспериментальных данных и вычисленных координат антенн двух АПИ имеют равномерно изменяющийся случайный характер;

О

- полученные значения оценок СКО по широтам = 1,1 м и 0,9 м (см. табл. 6) соответствуют требованиям точности судовождения;

- полученные значения оценок СКО по долготам О = 0,8 м и 0,4 м (см. табл. 7) соответствуют требованиям точности судовождения;

- корреляционная связь экспериментальных и вычисленных координат к = 0,9481 и к = 0,7866 положительные и устойчивые, приближаются к единице; соответствуют тесной стохастической связи;

- при дальнейшем увеличении числа измерений точность будет возрастать, и вероятнейшие ошибки будут стабилизироваться около математических ожиданий координат.

Таким образом, проведённые эксперименты по серии наблюдений показали одновремённость отсчётов двух АПИ и их сходимость с вычисленными координатами расположенных антенн. Сопоставления разностей индицируемых координат двух АПИ указывают на достоверность полученные данных, которые не выходят за пределы заложенных критериев точности, предъявляемых к данному оборудованию.

Анализ показывает, что вычисленные максимальные оценки СКО Ф ¡' ^ < (О = 1,8 м и 2,4 м) подтверждают пригодность использования АПИ СРНС как источник географических координат местоположения судна для удалённого навигационного контроля с использованием ГНСС.

Так как для случайного процесса коэффициент корреляции 0 < к ^ 1, можно заключить, что вычисленные коэффициенты корреляции

(Ф -

исследуемых случаев (Ч"" ¡ = 0,6308 и 0,9481; '= 0,7206 и 0,7866) положительные и принадлежат интервалу 0 < к ^ 1; измеряемые

величины ф i и X i имеют тесную стохастическую связь по основным и дублирующим АПИ СРНС.

Для целей удалённого навигационного контроля могут быть использованы ГНСС, несмотря на риски и опасности, связанные с этими системами [4]. Фактором безопасности и основой концепции безэкипажных судов будет служить достоверность полученных географических координат, а для анализа местоположения судна на любой момент времени может быть использована методология расчётов разностей полученных координат, изложенная в данной статье. Литература:

1. А. 953 (23), 2003. - Всемирная радионавигационная система. - Отменяет резолюции А. 529 (13) и А. 815 (19).

2. Вентцель Е. С. - Теория вероятностей. - М.: Наука, 1969. - 576 с. с илл.

3. Груздев Н. М. - Оценка точности морского судовождения. - М.: Транспорт, 1989. - 191 с.

4. Кобец Н. М. - Достоверность электронных навигационных карт. - Бюллетень транспортной информации, Вып. №6 (240), 2015. - С. 34-38.

5. Кондрашихин В. Т. - Теория ошибок и ее применение к задачам судовождения: Изд-во «Транспорт», 1969. - 256 с.

6. Песков Ю. А. - Морская навигация с ГЛОНАСС / GPS. Учебное пособие для вузов + CD. М.: «Моркнига», 2010. - 344 с.

7. Уокенбах, Джон. Microsoft Office Excel 2007.Библия пользователя.: Пер. с англ. - М.: ООО «И. Д. Вильямс», 2008. - 806 с.: ил. -Парал. тит. англ.

8. Furuno. Operator's manual. GPS Navigator GP-150, January 2006.

9. MX Marine. Operator's manual, March 2013. - 214 pp.