Обоснование требований к повышению точности измерения скорости корабля и точности счисления Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.396

ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ПОВЫШЕНИЮ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ КОРАБЛЯ И ТОЧНОСТИ СЧИСЛЕНИЯ

В.В. Карасев; С.А. Верещагин; В.Н. Коломоец, Дальрыбвтуз, Владивосток

На основе анализа требований стандарта точности судовождения к счислимому месту корабля и скорости корабля даны рекомендации при решении задач счисления с учетом дрейфа и течения, а также обоснование на необходимость установки на корабле корреляционного гидроакустического лага.

Международным стандартом точности судовождения (резолюция А.529(13) 13-й Ассамблеи организации ИМО) определены требования к точности текущего места корабля в зависимости от его скорости и расстояния до ближайшей навигационной опасности. Счисление пути корабля является основным методом кораблевождения, поэтому для выполнения требований резолюции ИМО на корабле необходимо вести наиболее точно счисление пути корабля. Коррекция счисления пути производятся периодически и предназначена для уточнения текущего места корабля. Счисление ведется по показаниям гирокомпаса и лага, с учетом внешних факторов, воздействующих на движение корабля - течения и дрейфа. Следовательно, на безопасность кораблевождения оказывают влияние погрешности как внутренних факторов - курса и скорости корабля, так и внешних факторов - течения и дрейфа. Погрешности внутренних факторов -курса и скорости в общем случае имеют две основные составляющие [1, 2, 3]: постоянную или медленно изменяющуюся по времени; флуктуационную.

Влияние постоянной погрешности гирокомпаса (ГК) на точность решения навигационных задач можно снизить путем определения ее величины в базе и учета ее, как поправки. Флуктуационную часть в обычных условиях плавания полностью исключить нельзя. Поэтому на значение ее основной характеристики средней квадратической погрешности (СКП) необходимо наложить ограничения, при выполнении которых влияние данной погрешности на качество решения навигационных задач будут незначительными (рис. 1).

На рис. 1: ДГКл - постоянная поправка гирокомпаса; ДГЬф) -мгновенное значение постоянной поправки ГК в зависимости от времени плавания; адажп - СКП постоянной поправки ГК; адж - СКП

чувствительного элемента ГК, являющаяся оценкой устойчивости его колебаний.

В общем виде суммарная СКП ГК определяется выражением

(ТУдж = 4адж + °0Л ■ (1)

где адж - СКП чувствительного элемента ГК, является оценкой устойчивости его колебаний; аоп - СКП определения поправки ГК.

Рис. 1. Погрешности гирокомпаса

Векториальная погрешность счисления (рис. 2) из-за погрешности ГК описывается выражением вида

а(() = ^Зг, (2)

57,3

где Бг - генеральное плавание корабля.

Я2

При среднем значении СКП суммарной поправки гирокомпаса < 0,3° СКП счисления ст2(0не превысит 0,5 мили на 100 миль генерального плавания корабля.

Суммарная погрешность относительного лага одл приводит к тому, что генеральное расстояние Бг прокладывается на карте с учетом этой погрешности. СКП счисления ой(0 будет направлена вдоль линии генерального перемещения Б/-(рис. 3), описывается выражением вида

^(О = —йг, (3)

100%

где од л - суммарная СКП относительного лага

Рис. 3. Влияние погрешности лага на изменение пути корабля

При суммарной СКП лага аАл < 0,5 %, погрешность счисления а^) не превысит 0,5 мили на 100 миль генерального плавания.

Расчеты, произведенные по формулам (2), (3), показывают, что влияние погрешностей лага и гирокомпаса на накопление погрешностей текущего места являются несущественными и составляют 0,5 мили на 100 миль пройденного пути.

Как показали результаты исследовательских работ, основной причиной невязок при ведении счисления является течение. Физическая природа морских течений такова, что они обладают значительной изменчивостью во времени и пространстве. Следовательно, вектор течения, рассматриваемый на некотором отрезке времени, - векторная случайная функция времени. Исследования показали, что осредненные значения проекции вектора течения на параллель и меридиан примерно одинаковы, что говорит о характере распределения погрешностей течения, близких к круговому. Корреляционная функция случайной величины скорости течения хорошо аппроксимируется одним из следующих выражений: [1, 2, 3, 4]:

КУт = <?уте с/г/СОБ/?Г

(4)

где стут - дисперсия проекции скорости вектора течения на меридиан

или параллель; с, р~ параметры корреляционной функции.

Вероятностные характеристики течения зависят от района плавания корабля. Для приближенных расчетов параметры корреляционной функции можно принять с « (0,2 - 0,4) ч'1, /?« (0,2 - 0,8) ч'1, а величину а* = 0,2 - 0,5 уз [2].

Для прогнозирования величин невязок, важную роль имеет значение интервала времени устойчивости (стационарности) течения. Для приближенных расчетов величину интервала времени устойчивости (стационарности) течения можно описать выражением

fч = 0,35 / с, (6)

где с - параметр корреляционной функции, характеризующий степень затухания корреляционной функции вектора скорости течения.

Подставляя в формулу (6) значения с я (0,2 - 0,4) ч'1 получим

интервал времени устойчивости (стационарности) течения fч * 1,5 ч.

Можно считать, что в период 1,5 ч после определения вектора суммарного сноса течением его учет на даст большой невязки.

На корабле при ведении счисления данные о характере течения выбираются из навигационных пособий (атласов, таблицах течений) или, если на корабле установлены абсолютный и относительный лаги, по сравнению их показаний. СКП по направлению и по скорости течения приведены в таблице.

Средняя квадратическая погрешность течения

Данные о течении: Средняя квадратическая погрешность течения

по направлению <тКт ПО скорости Сту

Из атласов и таблиц течений О о со 0,3 Vт

По сравнению показаний абсолютного и относительного лагов о о 0,1-0,3 уз

Второй составляющей внешних факторов, влияющих на точность счисления пути корабля, является дрейф. СКП угла ветрового дрейфа может быть представлена как сумма систематической составляющей ветра и кратковременных отклонений от среднего значения. СКП систематической составляющей ветра остается постоянной в течение определенного времени, пока не изменится направление и скорость

ветра. Она является причиной неточного составления таблиц углов дрейфа, составленных по ограниченному количеству наблюдений. СКП счисления пути корабля под действием дрейф от ветра о-с(0 описывается выражением вида

ас(0 = ^5,, (7)

57,3

где <та — СКП угла дрейфа; Б, - пройденное расстояние на курсе.

Исследования показывают, что оа в среднем составляет 0,1-0,3° от учитываемого угла дрейфа [1].

Кратковременное отклонение угла дрейфа от среднего значения за счет порывистого ветра, имеющего случайный характер, изменения скорости и направления ветра вызовет появление погрешности счисления вида

эс(() = ааСТ^т к4( , (8)

57,3

где — среднеквадратическое отклонение скорости ветра от среднего значения; И/ - среднее значение скорости кажущегося ветра; К -коэффициент для расчетов, К* 0,3-0,5 ч'0,5.

Суммарная СКП счисления за счет воздействия ветра на корабль определяется выражением

<хЕс(0 = ^(О + ЗД ■ (9)

В практике кораблевождения точность счисления оценивается

радиальной СКП счисления Мс(^, которая зависит от продолжительности времени воздействия внутренних и внешних факторов. Экспериментально установлено, что при времени плавания по счислению ( < 2 ч радиальная СКП счисления Мс(0 растет по

линейному закону, а при плавании по счислению ( > 2 ч радиальная

СКП счисления Мс(0 растет по закону параболы и определяется

выражениями:

МСУ) = 0,7-КС-Г, приГ<2ч; (10)

МСЦ) = КС-Л, при^2ч, (11)

где Кс - коэффициент точности счисления, миль/ч-0 5.

Коэффициент точности счисления Кс зависит от условий плавания (район плавания, времени года), определяется выражением

Кс = 1,4

57,3

100

-V

Тут

(12)

0.5

2

2

где (тпуа ~ СКП путевого угла при дрейфе; оу% - СКП определения лагом относительной скорости, проценты; «тут - СКП значения скорости течения в районе плавания.

В реальных условиях плавания по относительному лагу Кс «0,6-1,8 мили/ч", при плавании по абсолютному лагу коэффициент точности счисления намного меньше Кс * 0,1 - 0,6 мили/ч" [4]. Расчет коэффициента точности счисления производиться на основе опытных данных по невязкам или по погрешностям в элементах счисления.

Погрешность текущего места корабля М (рис. 4) при совместной обработке радиальной СКП последней обсервации Мо и радиальной СКП счисления Мс{() определяется выражением [1, 2, 3]

м = у1м$ + С,7/СсО, при t<2ч (13)

М = уІМ£ + ({с'Л^і, ПРИ і>2ч (14)

Рис. 4. Радиальная СКП текущего места корабля

Таким образом, точность счисления пути корабля будут зависеть от погрешностей курсоуказателя и лага, точности обсерваций, а также от точности определения элементов течения и их учета. Для повышения точности измерения скорости и определения элементов течения на кораблях необходимо устанавливать высокоточные абсолютные лаги, такие, как корреляционные.

Библиографический список

1. Скворцов М.И. Математическая обработка и анализ навигационной информации. Владивосток: ТОВВМУ им. С.О. Макарова, 1992.

2. Груздев Н.М., Гладков Г.Е. Математическая обработка и анализ навигационной информации. М.: МО РФ, 1992.

3. Кандрашихин В.Т. Оценка точности морского судовождения. М.: Транспорт, І989.

4. Михальский В.А. Оптимальные методы и способы морской навигации. М.: ВСОК ВМФ, 1991.

5. Руководство по оценке точности кораблевождения. Л.: ГУНиО МО СССР. № 9341. 1970.