CC BY
1
ПОДХОД НАУЧНОГО ОБОСНОВАНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ АВТОНОМНЫХ
ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
B.К. Снежко, канд. техн. наук, доцент
C.А. Якушенко, д-р техн. наук, доцент С.О. Бурлаков, д-р техн. наук, профессор С.С. Веркин, канд. техн. наук
Е.В. Чеканова, преподаватель
Военная академия связи им. Маршала Советского Союза С.М. Буденного (Россия, г. Санкт-Петербург)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-7-2-212-217
Аннотация. В статье приведен подход научного обоснования требований к численным показателям точности позиционирования высокоскоростных автономных подвижных объектов с использования теории вероятности. Критерием формирования требований к показателям точности является безопасность вождения в условиях случайно возникающих препятствий на пути их следования. Полученные количественные оценки показателей точности могут быть использованы при выборе навигационной аппаратуры высокоскоростных подвижных объектов, организации безопасного движения, а также для обоснования требований к навигационному обеспечению в условиях внезапно возникающих препятствий.
Ключевые слова: вероятность столкновения, точность определения местоположения, требования к точности позиционирования, навигационная аппаратура.
К автономным подвижным объектам (АПО) в данной работе будем относить вид транспорта, основанный на автономной системе управления. Типичным примером АПО являются безэкипажные речные и морские суда, сухопутные автомобили и беспилотные летательные аппараты.
Для обеспечения предписанной автономному объекту целевой функции он оснащается комплексом технических средств, в том числе навигационной аппаратурой потребителя (НАП). Управление этими техническими средствами и самим АПО осуществляет самостоятельно системой управления (искусственным интеллектом, бортовой специализированной программой) на основе внутренних и внешних данных, полученных от сенсорных датчиков и устройств.
Главным требованием к автономному перемещению подвижных объектов является безопасность вождения, как основной причины чрезвычайных происшествий. В силу того, что внезапные препятствия на пути следования различных типов АПО
влияют на безопасность путевождения одинаково опасно, то далее будем рассматривать автономное безэкипажное речное судно.
Автономное безэкипажное судно (БЭС) выполняет плавание по заданному предварительно маршруту и управляется только автономной бортовой программой. В соответствии с [1, 2, 3] автономным безэкипажное судно - это судно, управляемое внешним оператором или автономной бортовой программой.
Для обеспечения безопасного путевож-дения активно внедряется технические решения, направленные на интеграцию бортовых навигационных, радиолокационных, оптических, коммуникационных и информационных технологий, повышающих безопасность и эффективное применение БЭС [3, 4, 5].
В настоящее времени остаются окончательно не решенными вопросы автоматического путевождения автономных БЭС при расхождении судов, маневрировании и причаливании, а также плавание в сложных условиях. Общим является предупре-
ждение БЭС от столкновения с внезапно возникающими препятствием [5]. Поэтому в системах управления важным аспектом обеспечения безопасности является полное покрытие высокоточным радионавигационным полем бассейнов водного пути. Актуальность значительно возрастает при вождении судов в узких местах, при интенсивном движении и в сложных условиях обстановки.
Автономное безэкипажное судно ориентируется по сигналам высокоточного радионавигационного поля. При этом запредельная ориентация судна, связанная с неточным и несвоевременным определением своего местоположения, может послужить причиной аварии и даже катастрофы. Поэтому возникает вопрос формирования требований к точности определения местоположения бортовой НАП для безопасной проводки судов и своевременного реагирования на изменение местоположение судна при маневрах в сложных условиях обстановки. Этому вопросу и посвящена данная работа.
Обоснование требований к точности позиционирования
Навигационными особенностями, влияющими на безопасность автономного плавания БЭС являются внезапно возникающие препятствия различного происхождения по курсу следования. К таким препятствиям можно отнести затонувшие суда, утерянные на малых глубинах якоря, подводные и усыхающие камни, скалы, рифы и другие опасные предметы на пути следования судна естественного и искусственного характера, которые визуально определяются оптическими или радиолокационными системами БЭС [5, 6, 7].
В следствии того, что появление препятствий может возникать неожиданно, то столкновение судов с ними носит случайный характер. В этом случае критерий безопасности судовождения оценивается вероятностью столкновения БЭС с препят-
ствиями по кусу его следования, которую назовем вероятностью навигационной опасности судовождения. Тогда, задаваясь законом распределения случайной величины препятствий и допустимой вероятностью столкновения БЭС с препятствиями можно определить требования к показателям точности бортовой аппаратуры спутниковой навигации.
Определим возможные случайно возникающие дальности до препятствий величиной ъ. Примем, с учётом множества причин, что расстояния до препятствий распределены по нормальному закону (закону Гаусса - Лапласса) с математическим ожидание а и среднеквадратическим отклонением а [4, 5, 8].
p (z, a, а) = —^=exp 5v 2%
(a - z) 2а2
2 Л
На рисунке 1 приведен пример закона распределения случайной величины ъ для максимальных возможных расстояний до препятствия, которое определяется в БЭС радиотехническим или визуальными способом.
На рисунке 1 приведен пример закона распределения для ъ, равных 100, 200 м. Используя правило трех сигм, можно найти их значения для выбранных вариантов препятствий, равными 17, 33, 66 м.
На оси ординат вероятность события, что расстояние до препятствия будет не более величины, указанной на оси абсцисс. Величина 0,05 есть вероятность, что расстояние до препятствия будет менее величины, указанной на оси абсцисс. При вероятности 0,5 величина расстояния есть математическое ожидание. Из рисунка видно, что для максимального расстояния до препятствия 100 м математическое ожидание равно 22,25 м.
1 - p
Рис. 1. Закон распределения случайной величины ъ в зависимости от заданной дальности
до препятствия (50 м, 100 м, 200 м)
1 - p
0,1
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
1 1 /
/
/
y a = 33 м 1 a = 167 / a = 333 м
/ / У /
/ \/ / //
/ У
- 100 м до гствия
препя
/ 1
1 5 00 м до пятим /
/ пре я я
/ / 0 м до ггствия
L /
г
/ / /
/ А /
/ /
/ /
10 20 30 40 ъ, м
Рис. 2. Закон распределения случайной величины ъ в зависимости от заданной дальности
до препятствия (100 м, 500 м, 1000 м)
На рисунке 2 приведены графики для максимальных расстояний до препятствия 100 м, 500 м, 1000 м. На рисунке 3 приведены графики для максимальных расстояний до препятствия 10 м, 20 м, 60 м. Из графиков можно определить численные значения требований к точности по оси
абсциссы для заданной вероятности (например, 0,05), умножив на 2. Требования к точности определения координат БЭС с вероятностью не столкновения 0,95 в зависимости от дальности до препятствия приведены в таблице 1 и рисунке 4.
1 - p
Рис. 3. Закон распределения случайной величины ъ в зависимости от заданной дальности
до препятствия (10 м, 20 м, 60 м)
40 30
20
10 8 6 4 2 0
/
5
10
20 30 40 50 60 100 200 500 2, м
Рис. 4. Зависимость точности определения местоположения БЭС от заданного расстояния
до препятствий
Таблица 1. Требования к точности определения местоположения БЭС в зависимости от
Дальность до препятствия, м 10 20 60 100 200 500 1000
Требования к точности, м 0,4 0,9 2,4 5 10 22 44
а,,,,, м
Таким образом, разработанный научный подход позволяет обосновать требования к точности позиционирования БЭС в зависимости от дальности обнаружения препятствия (дальности до препятствия) и заданной вероятности не столкновения БЭС с препятствиями по кусу его следования
(вероятностью навигационной безопасности судовождения).
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.
1. Вышеприведенная аналитическая модель позволяет научно обосновать требования к качеству навигационного обеспечения на ВВП ЕГС ЕЧ РФ для обеспечения
безопасности судоходства безэкипажных и автономных судов в условиях внезапно возникающих препятствий на пути следования.
2. Требования к точности позиционирования БЭС с точки зрения безопасности столкновения с внезапно возникающими препятствиями зависят от статистических параметров закона распределения препятствий и возможностей их обнаружения радиотехническими средствами, которые находятся в пределах от 1 до 44 м.
3. Предложенный подход является основой для научного обоснования требований к качеству навигационного обеспечения на водных путях в условиях наличия внезапно возникающих препятствий на пути следования БЭС, особенно на изгибах рек и в портах, где риск столкновения с препятствием высок. Кроме того, имеется возможность решения обратной задачи, т.е. обоснования требований к разрешающей способности и дальности бортовых
кационного обнаружения при заданной точности позиционирования БЭС.
Заключение
В заключении необходимо отметить, что в реальных условиях невозможно обеспечить требуемые значения показателей радионавигационного поля к безопасному судовождению по причине их случайности, наличия непредусмотренных и внезапно возникающих деструктивных воздействий. Поэтому для обеспечения требуемых значений показателей точности в реальных условиях с точки зрения безопасности судовождения необходимо интегрировать технологии формирования радионавигационного, инерциального, радиолокационного и оптического полей в единой системе. Только интеграция полей, полученных на разных физических принципах и комплексирование устройств и обработки сигналов в едином комплексе обеспечит безопасность движения и эффективность применения БЭС.
средств компьютерного зрения и радиоло-
Библиографический список
1. ГОСТ Р 58823-2020. Системы автоматизации управления движением. Классификация и определения. - Москва: Стандартинформ, 2021.
2. ГОСТ Р 70249-2022. Системы искусственного интеллекта на автомобильном транспорте. Высокоавтоматизированные транспортные средства. Термины и определения. -Москва: Стандартинформ, 2022.
3. ГОСТ Р 59298-2021. Суда безэкипажные внутреннего плавания. Термины и определения. - Москва: Стандартинформ, 2021.
4. Снежко В.К., Якушенко С.А. Военные интегрированные системы навигации, связи и управления. Учебник для вузов связи. - СПб.: ВАС, 2014. - 452 с.
5. Снежко В.К., Якушенко С.А. Средства и комплексы навигационного обеспечения систем управления специального назначения: Учебник для вузов связи. - СПб.: ВАС, 2018. -508 с.
6. Якушенко С.А. Проблемы навигационного обеспечения систем мониторинга и диспетчеризации подвижных объектов и оценка его безопасности // Информатика и космос. -2019. - № 2. - С. 78-81.
7. Лукавский С. Gеополитика.ru. Некоторые аспекты кибертерроризма (16.07.15). -[Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.geopolitica.ru/article/nekotorye-aspekty-kiberterrorizma.
8. Снежко В.К., Якушенко С.А., Мальцев А.Д. Наземное навигационное обеспечение в задачах. Учеб. пособие. - СПб.: ВАС, 2010. - 240 с.
APPROACH TO THE SCIENTIFIC JUSTIFICATION OF REQUIREMENTS FOR POSITIONING ACCURACY OF HIGH-SPEED AUTONOMOUS MOBILE OBJECTS
V.C. Snezhko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor S.A. Yakushenko, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor S.O. Burlakov, Doctor of Technical Sciences, Professor S.S. Verkin, Candidate of Technical Sciences E.V. Chekanova, Lecturer
Military Academy of Communications named after Marshal of the Soviet Union S.M. Budyonny (Russia, St. Petersburg)
Abstract. The article presents an approach to the scientific substantiation of requirements for numerical indicators of positioning accuracy of high-speed autonomous mobile objects using probability theory. The criterion for forming requirements for accuracy indicators is the safety of driving in conditions of random obstacles along the way. The obtained quantitative estimates of accuracy indicators can be used when choosing navigation equipment for high-speed moving objects, organizing safe traffic, as well as to justify the requirements for navigation support in conditions of sudden obstacles.
Keywords: probability of collision, accuracy of location determination, requirements for positioning accuracy, navigation equipment.
