Подход научного обоснования требований к точности позиционирования высокоскоростных автономных подвижных объектов

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 безэки-пажное 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 z. Примем, с учётом множества причин, что расстояния до препятствий распределены по нормальному закону (закону Гаусса – Лапласса) с математическим ожидание а и среднеквадратическим отклонением о [4, 5, 8].

/       \      1           (a - z)

Р(z,a,о) TFTexP -^2

oV2п k7

На рисунке 1 приведен пример закона распределения случайной величины z для максимальных возможных расстояний до препятствия, которое определяется в БЭС радиотехническим или визуальными способом.

На рисунке 1 приведен пример закона распределения для z, 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.

Рис. 1. Закон распределения случайной величины z в зависимости от заданной дальности до препятствия (50 м, 100 м, 200 м)

Рис. 2. Закон распределения случайной величины z 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.

Рис. 3. Закон распределения случайной величины z в зависимости от заданной дальности до препятствия (10 м, 20 м, 60 м)

Рис. 4. Зависимость точности определения местоположения БЭС от заданного расстояния до препятствий

Таблица 1. Требования к точности определения местоположения БЭС в зависимости от дальности до препятствия

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

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

• 2.    Требования к точности позиционирования БЭС с точки зрения безопасности столкновения с внезапно возникающими

• 3.    Предложенный подход является основой для научного обоснования требований к качеству навигационного обеспече-

• ния 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

безопасности судоходства безэкипажных и автономных судов в условиях внезапно возникающих препятствий на пути следования.

препятствиями зависят от статистических параметров закона распределения препятствий и возможностей их обнаружения радиотехническими средствами, которые находятся в пределах от 1 до 44 м.

кационного обнаружения при заданной точности позиционирования БЭС.

Заключение

В заключении необходимо отметить, что в реальных условиях невозможно обеспечить требуемые значения показателей радионавигационного поля к безопас- ному 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 ра- дионавигационного, 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