CC BY
10INFORMATIONAL MEANS FOR MAINTENANCE STRATEGY ORIGINATION OF PRODUCTION POINTS LOCATED IN ONE-DIMENSIONAL WORKING AREA
D.I. Kogan, A.M. Pushkin, Yu.S. Fedosenko
Keywords: scheduling theory, dimensional work area, dynamic programming, genetic algorithm, the synthesis of maintenance strategies.
The model of servicing stationary production points (objects) located in one-dimensional working area of moving processor is considered. The processor performs one-step service cycle, which begins and ends at the base point. For each object is given the required length of service, the early period of its beginning and the individual fines function. The bicriterial problem is studied where two minimized criteria are set - the total processor work time and overall penalty for all objects.
УДК 629.5.058.53
С.В. Перевезенцев, к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
В.И. Мерзляков, к.т.н., ст. преподаватель, ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ГЛОНАСС/GPS ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДНА В РЕЧНЫХ УСЛОВИЯХ
Ключевые слова: спутниковые навигационные системы, точность определения местоположения судна.
В работе приведены результаты определения местоположения движущегося судна,
полученные при натурных испытаниях с помощью двух разнесенных GPS приемников.
Дана оценка достоверности определения координат.
1. Введение
В настоящее время для оценки местоположения судна рекомендуется использовать навигаторы GPS/Глонас.
Основным показателем любой навигационной системы является точность определения координат. От этого будет зависеть, насколько правильно судно будет следовать по проложенному маршруту и не попадет ли оно на находящиеся поблизости мели. Причины ошибок измерения в системах GPS/Глонас известны и описаны [1]. Поскольку большинство из них носит случайный, изменяющийся во времени характер, возникает необходимость оценки достоверности информации для возможности ее использования при управлении движением судна в речных условиях.
2. Проведение эксперимента
При проведении испытаний были использованы два GPS приемника, установленные на корме и на носу судна (расстояние между приемниками 32 м). На носу судна приемник к тому же располагался на 5 м ниже кормового.
Данные с приемников передавались на ноутбуки в программные модули обработки выходного протокола данных NMEA-0183 [2].
Эксперименты проводились на реке Волге в районе между Балахной и Нижним Новгородом.
Для получения данных использовались предложения GPRMC и GPGGA, первое позволяет получить необходимые навигационные параметры, координаты, скорость, истинный курс судна, а второе дает информацию о параметрах определения местоположения. Ниже представлен формат данных команд.
2.1. RMC - рекомендованный минимальный набор GPS данных
Это NMEA сообщение содержит весь набор, так называемых «PVT» данных. «PVT» - общепринятое сокращение от «position, velocity, time» (позиция, скорость, время).
$GPRMC, 123519,A, 5627.7894,N, 4338.9594,E, 022.4,084.4,250614,003.1, W*6A
где:
- GPRMC - NMEA заголовок;
- 123419 - UTC время, 12:34:59 - показывает точное значение времени со спутника, для выполнения навигационных расчетов и синхронизации времени;
- А - статус (А- активный, V- игнорировать) - показывает статус определения координат навигатора;
- 5627.7894, N - Широта, 56 градусов 27.7894 минут северной широты;
- 4338.9594, Е - Долгота 43 градуса 38.9594 минут восточной долготы;
- 02.4 - скорость, в узлах - определяется расчетным путем в навигаторе по пройденной траектории;
- 084.4 - Направление движения, в градусах - определяется истинный курс движения навигатора на основе пройденной траектории;
- 250614 - Дата, 25 июня 2014 года - текущая дата, полученная со спутника;
- 003.1,W - Магнитные вариации - необходимы для расчета обсервации судна по показаниям магнитного компаса, позволяют учитывать магнитную девиацию при расчете истинного курса движения.
Из данной команды (далее посылки) можно определить основные навигационные параметры для построения траектории движения судна и использования их для управления судном.
Для определения точности показаний используется посылка GPGGA и ее формат имеет следующий вид:
2.2. GGA - информация о фиксированном решении
Самое популярное и наиболее используемое NMEA сообщение с информацией о текущем фиксированном решении - горизонтальные координаты, значение высоты, количество используемых спутников и тип решения.
$GPGGA, 123519, 5627.7894,N, 4338.9594,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,, *47
где:
GGA - NMEA Заговолок 123519 -UTC время 12:35:19
5627.7894, N - Широта, 56 градусов 27.7894 минут северной широты; 4338.9594, Е - Долгота 43 градуса 38.9594 минут восточной долготы; 1 - тип решение, StandAlone решение
0 - нет решения,
1 - StandAlone,
2 - DGPS,
3 - PPS,
4 - фиксированный RTK,
5 - не фиксированный RTK,
6 - использование данных инерциальных систем,
7 - ручной режим,
8 - режим симуляции 08 - количество используемых спутников 0.9 - геометрический фактор, HDOP
545.4, М - высота над уровнем моря в метрах 46.9, М - высота геоида над эллипсоидом WGS 84
[пустое поле] - время прошедшее с момента получения последней DGPS поправки.
Заполняется при активизации DGPS режима [пустое поле] - идентификационный номер базовой станции. Заполняется при активизации DGPS режима.
Оценку точности позиционирования навигатора по спутникам оценивают с помощью специальных параметров DOP вычисляющих снижение определение точности:
- HDOP (Horizontal Dilution of Precision) - снижение точности в горизонтальной плоскости;
- VDOP (Vertical) - снижение точности в вертикальной плоскости;
- PDOP (Position) - снижение точности по местоположению;
- TDOP (Time) - снижение точности по времени;
- GDOP (Geometric) - суммарное геометрическое снижение точности по местоположению и времени.
Эти параметры являются функциями соответствующих матриц ковариации, состоящих из элементов в глобальной или локальной геодезической системе координат. Они могут быть получены математически по положению доступных спутников (источников навигационного сигнала). Многие GPS-приёмники позволяют отображать текущее расположение всех спутников («созвездие спутников») вместе со значениями DOP. При этом PDop2 = HDop2 4- VDop2 • При исследовании нам интересен только параметр снижения точности в горизонтальной плоскости, поскольку высота расположения навигатора в расчетах движения судна не используется. Показание значения параметра HDOP можно оценить по следующей таблице [1]:
Таблица
Значение DOP Точность Описание
<1 Идеальная Рекомендуется к использованию в системах, требующих максимально возможную точность во всё время их работы
2-3 Отличная Достаточная точность для использования результатов измерений в достаточно чувствительной аппаратуре и программах
4-6 Хорошая Рекомендуемый минимум для принятия решений по полученным результатам. Результаты могут быть использованы для достаточно точных навигационных указаний.
7-8 Средняя Результаты можно использовать в вычислениях, однако рекомендуется озаботиться повышением точности, например, выйти на более открытое место.
9-20 Ниже среднего Результаты могут использоваться только для грубого приближения местоположения
21-50 Плохая Выходная точность ниже половины футбольного поля. Обычно такие результаты должны быть отброшены.
При проведении испытаний были сняты с помощью навигаторов траектории движения судна.
На рис. 1 и рис. 2 представлены параметры HDOP приемника GPS расположенного на корме судна и HDOP приемника GPS расположенного на носу судна, из которых видно, что выбор места установки приемников является оптимизационной задачей.
Рис. 1. HDOP приемника GPS расположенного на корме судна
Рис. 2. HDOP приемника GPS расположенного на носу судна
В условиях реки с шириной русла около 1 км значение HDOP<1 вполне достижимо выбором «правильного» расположения приемника на судне. На рис. 3 видно, что в результате «неудачного» расположения приемника на носу судна параметр HDOP составил в среднем 5 - 6 единиц и отличается от показаний на корме в 4-8 раз.
На рис. 3 и рис.4 изображены траектории движения судна, построенные по результатам измерения координат кормовым и носовым приемниками GPS.
43 33,7 43 3a,6 43 за,в 43 3S,4 43 3S,3 43 3S,2 43 зад 433В 43 37,3 4337,В
град., вост. долготы HDOP Л
\
\
Ч
ч
X V
град., сев. шнрогы
5627,В
5628
5628,2
5 62 8,4
5628.6
5628,
5629
Рис. 3. Траектория движения судна по кормовому приемнику GPS
Рис. 4. Траектория движения судна по носовому приемнику GPS
На рисунках видно, что данные маршрута движения почти совпадают на прямолинейных участках и расходятся при маневрировании и на разворотах судна. Чтобы оценить точность измерения были проанализированы несколько значений расстояния в метрах между навигаторами вычисленные по их координатам, при этом реальное расстояние между ними 32 метра. Максимальное расстояние между навигаторами, полученное в ходе испытаний, составило 43 метра, а минимальное 29 метров. При этом основная погрешность измерения получена по координате долготы. Наиболее близкое расстояние с погрешностью до 1 метра получено при длительном движении по прямолинейной траектории с неизменной скоростью. Максимальное отклонение, до 11 метров, получилось при выполнении судном маневра «вращение». Полученная погрешность в 11 метров при ширине русла в 300 метров является приемлемой.
На рис. 5 изображен график изменения истинного курса судна при выполнении маневра «вращение» построенный по данным кормового приемника GPS, с носового приемника данные неприемлемы.
Рис. 5. График маневра «вращение» построенный по данным кормового приемника GPS
Из графика видно, что показания курса изменяются плавно, отсутствуют резкие скачки, и динамика изменения курса соответствует инерционным характеристикам судна. Что дает возможность использовать показания навигатора для управления судном в речных условиях.
На рис. 6 показан результат измерения скорости кормовым и носовым приемниками GPS
Рис. 6. Изменение скорости при движении судна по заданной траектории
Из приведенных рисунков видно что, данные полученные с кормового навигатора (ИБОР<1) намного стабильнее чем с носового (ИБОР>3). При этом по результатам анализа данных однозначно можно сказать, что данные с навигатора при ИБОР>3 использовать для управления судном невозможно.
Выводы
Особенностью данного колесного теплохода является резкое изменение курса судном при ступенчатом изменении частоты вращения колес [3], что в свою очередь приводит к повышению ошибки показаний навигаторов, и при совершении маневров поворота ошибка определения местоположения судна достигает максимума. На таком судне целесообразно устанавливать два приемника GPS. Место установки приемников следует выбирать по критерию минимума HDOP, причем HDOP должно быть меньше 1. После установки приемников замерить расстояние между ними. Для проверки достоверности определения координат движущегося судна необходимо сравнивать известное расстояние между датчиками и это же расстояние, вычисленное по координатам. Полученная разность и будет определять значение ошибки показаний навигаторов (надежности показаний).
Для задач управления судном необходимо задать некоторое допустимое значение надежности показаний и использовать только те координаты, которые попадают в интервал с выбранным значением. Недостатком данного метода является то, что при
HDOP>1 или значении надежности меньше заданной, полученные значения с навигатора следует отбрасывать, а для управления недостающие значения рассчитать с помощью интерполяции. Это допустимо только при движении по ранее следуемой траектории, при маневрировании судна, или резком переходе на другую траекторию движения, такое «восстановление» координат будет увеличивать погрешность определения движения судна. Полученный результат предполагает возможность использования данных с навигаторов при управлении судном по прямолинейной траектории, и ставит под сомнение корректность его показаний при движении по извилистой траектории и при изменении скорости движения. В принципе возможно использование навигаторов при движении по водохранилищам и озерам, где ошибка определения местоположения судна в несколько десятков метров является непринципиальной. В речных условиях, с ограниченными габаритами судового хода, использовать данные с навигаторов требуется с осторожностью, с постоянной оценкой их надежности.
Список литературы:
[1] Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Система GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. -М.: Горячая линия - Телеком , 2005. -272 с.
[2] Протокол обмена IEC 61162-1 (NMEA-0183) ЦВИЯ.460951.001 [Электронный ресурс]: URL: http://www.irz.ru/uploads/files/226_1.pdf (дата обращения: 23.04.2015)
[3] Мерзляков В.И. Математическая модель комплекса корпус - движитель судна с колесными гребными движителями // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Управление, вычислительная техника и информатика. -2012. - № 1 (февраль). -С. 56-61.
THE RESULTS OF DETERMINING THE LOCATION OF A MOVING VESSEL, OBTAINED IN FIELD TRIALS WITH TWO SPACED GPS RECEIVERS. THE ESTIMATION OF THE RELIABILITY OF DETERMINING ORIGIN
S.V. Perevezentsev, V.I. Merzlyakov
Key words: satellite navigation systems, accuracy of vessel position localization
The results of determining the location of a moving vessel, obtained in field trials with two spaced GPS receivers. The estimation of the reliability of determining origin.
