ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ ENGINEERING SCIENCE
DOI: 10.12731/wsd-2015-8.2-13 УДК 656.61
АНАЛИЗ ТОПОЛОГИИ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ СУДОВЫХ ГИБРИДНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Астапов А.Н.
Статья посвящена решению актуальной проблемы организации многоуровневого контроля целостности данных судовых гибридных навигационных систем (ГНС). Под оценкой целостности навигационной информации предлагается понимать - вероятность обнаружения аппаратурой ГНС значительных отклонений измеряемых навигационных параметров, с целью их исключения из итогового решения. Основной целью работы является - систематизация и детализация методов контроля целостности, реализованных в ГНС и нашедших широкое применение в практике морского судовождения. Научной новизной работы является комплексный анализ топологии многоуровневого контроля целостности современных ГНС. Представлен математический аппарат, определяющий основные характеристики работоспособности данного механизма; даны подробные схемы описываемых процессов. Научным результатом статьи является доказательство эффективности поэтапного обнаружения и автоматического исключения из обработки ошибок измерений навигационных параметров, а так же источников их возникновения.
Ключевые слова: Гибридные навигационные системы; контроль целостности; достоверность; совместимость.
ANALYSIS OF THE TOPOLOGY OF INTEGRITY MONITORING OF SHIP'S HYBRID NAVIGATIONAL SYSTEMS
Astapov A.N.
The article is devoted to solving of an actual problem of the organization of multi-level data integrity control by means of ship's hybrid navigational systems (HNS). As an integrity estimation of navigational information is commonly understood - the probability of detection of significant deviations of the measured navigation parameters by using HNS equipment, for the purpose of their subsequent exclusion from the final decision. The main purpose of present work is - systematization and specification of integrity control methods implemented in HNS and have been widely applied in practice of maritime navigation. Scientific novelty of this study consists in a comprehensive analysis of the multi-level integrity control topology implemented within modern HNS. Submitted mathematical apparatus are determines the basic performance characteristics of the working ability of presented mechanism; given detailed schemes of the described processes. The final scientific result of this thesis is the proof of efficiency of the step by step detection and automatic exception from the processing of measurement of faulted navigation parameters, as well sources of their occurrence.
Keywords: hybrid navigational systems; integrity control; plausibility; compatibility.
Согласно Рекомендации R-129 Международной Ассоциации Маячных Служб (МАМС) одним из наиболее перспективных направлений автоматизации судовождения, с точки зрения повышения безопасности мореплавания, является внедрение на суда многофункциональных аппаратных комплексов, способных обеспечить штурманский состав избыточными навигационными данными в режиме реального времени. Примером подобного рода комплексов могут служить, так называемые, «Гибридные навигационные системы» (ГНС).
Под ГНС понимают - совокупность объединенных в единую сеть приборов, датчиков и подсистем, способных измерять, обрабатывать и предоставлять оператору в удобном для понимания виде, различные по физическим признакам навигационные параметры (НП), необходимые для решения повседневных задач судовождения [5].
Основными источниками динамической информации в ГНС являются следующие подсистемы:
а) Приемоиндикаторы (ПИ) Спутниковых Радионавигационных Систем (СРНС) - GPS, ГЛОНАСС, GALILEO и др.
б) Приемоиндикаторы Импульсно-Фазовых Радионавигационных Систем нового поколения (ИФРНС) - eLoran, Eurofix, R-Mode и др.
в) Электронная Навигационная Картографическая Система (ЭК-НИС), способная вести непрерывное автоматическое счисления координат судна (СКС) путем обработки данных получаемых от технических средств судовождения (ТСС) [6], [8].
Все входящие в состав оборудования ГНС подсистемы являются взаимозаменяемыми и применительно к заданным условиям плавания могут поочередно выступать в роли основных, без потерь качества выходных данных. Что же касается достоверности, предоставляемой судоводителю информации, она обеспечивается сложной топологией контроля целостности обрабатываемых данных, представленной на Рис. 1.
Рис. 1. Топология контроля целостности ГНС
Под оценкой целостности навигационной информации предлагается понимать - вероятность обнаружения аппаратурой ГНС значительных
отклонений измеряемых навигационных параметров, с целью их исключения из итогового решения [3].
Механизм контроля целостности ГНС включает в себя 3 основных этапа [8]:
1) Проверка достоверности входящих сигналов: Эта проверка призвана определить соответствие измеряемых судовыми сенсорами сигналов ожидаемым результатам, с целью оценки их пригодности для последующего использования.
Различают следующие виды проверки достоверности: а) Оценка достоверности сигнала измеренного одним навигационным датчиком.
Данная проверка применяется ко всем без исключения входящим сигналам и подразумевает определение границ допустимых отклонений, а также оценку величины влияния разнородных шумов на качество сигнала.
Качсово сигнала Досювсрнисть
I
Вершин
порог
Пшкний порог
Качество сигнала Уровень целостности
Рис. 2. Процесс оценки достоверности сигнала измеренного одним навигационным датчиком
На Рис. 2 изображен случай превышения суммарным показателем качества измеряемого сигнала границ нижнего и верхнего пороговых значений.
Данные пороги устанавливаются настройками блока «индивидуальной проверки датчиков информации» ГНС и образуют, так называемый, доверительный интервал, выход за пределы которого, свидетельствует об утрате сигналом его целостности. При пересечении суммарным показателем качества нижнего порога начинает наблюдаться деградация целостности (точка 0), которая впоследствии достигает своего критического минимума (точка -1). В этом случае сигнал признается системой нецелостным и исключается из дальнейшего использования.
б) Оценка достоверности сигналов двух и более однородных навигационных датчиков.
По сравнению со своим предшественником данный подход является более совершенным с точки зрения быстродействия и точности обнаружения ненадежного сигнала.
Отклонение сигналя Достоверность
навигационных датчиков
В основу метода положено допущение о том, что параметры входящих сигналов системы, состоящей из двух и более навигационных датчиков, априори будут иметь некоторые допустимые отклонения. Причинами их возникновения могут служить разнородные внутренние шумы, а так
же несовершенство производства и монтажа сенсоров на корпусе судна. При этом пороговое значение достоверности выбирается таким образом, чтобы его половина образовывала границу доверительного интервала, внутри которого сигнал исправно работающего датчика мог бы считаться абсолютно целостным даже при воздействии на него некоторых отклонений (Рис. 3).
В случае некорректной работы датчика, отклонения параметров измеряемых им сигналов будут превышать установленную границу (1/2 порога), что повлечет за собой ухудшение целостности (точка 0). По аналогии с пунктом «а» максимальная деградация характеристик входящего сигнала, и как следствие полная утрата им целостности (точка -1), будут наблюдаться при достижении величиной отклонения порогового значения. Использование таких сигналов для дальнейших расчетов в ГНС считается недопустимым.
в) Оценка достоверности двух и более разнородных навигационных датчиков.
Основным отличием данной проверки является, предшествующий непосредственному контролю целостности, процесс установления аналитической зависимости между отклонениями нескольких разнородных сигналов, с их последующим комплексированием. В остальном механизм проверки достоверности аналогичен процедуре описанной в пункте «б».
В случае сильного рассогласования показателей входящих сигналов результирующая сумма их отклонений увеличивается, соответственно, общая целостность испытуемых сигналов ухудшается. В случае хорошей корреляции измерений, суммарный показатель их отклонений уменьшается, что как следствие положительно сказывается на итоговой целостности оцениваемых сигналов [7].
2) Проверка достоверности обрабатываемых данных:
Пригодность навигационных данных в ГНС определяется путем их сравнения с математическими критериями, заложенными в базу системы, на предмет их соответствия логике процесса, а так же путем определения корректности формата измеренных НП.
В сложных навигационных системах проверка достоверности может быть реализована двумя различными подходами:
а) Элементарный контроль достоверности данных.
Задача контроля целостности решается путем сопоставления данных двух независимых датчиков входящего в состав аппаратуры ГНК. Для этого сначала находится разность их измерений, а затем производится сравнение полученного результата с заранее предопределённым допустимым диапазоном значений соответствующим тому или иному навигационному параметру (НП).
Где: Ц и Ц - Значения измеренных НП первого и второго датчиков;
о1 и о2 - Значения допустимых отклонений измеренных НП обоих датчиков соответственно;
А - Заданный коэффициент корреляции.
Проверка целостности считается успешно пройденной, если выполняется следующее условие:
и < ¿иттп (2)
Если же в составе ГНК имеется более двух измерительных приборов предоставляющих одинаковую информацию, аналогичный тест проводится для всех возможных комбинаций этих датчиков.
Так при использовании трех источников информации, каждый из них проверяется дважды.
На Рис. 4 представлены два различных результата контроля целостности системы состоящей из трех датчиков. В первом случае показания двух тестируемых сенсоров совпадают друг с другом более тесно, нежели показания третьего. Можно сделать вывод, что вероятность правдивости их показаний существенно выше, нежели последнего. Именно эти показания будут использованы системой при дальнейшей обработке.
Во вт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.