Методика дистанционного гидрофизического эксперимента в задачах навигации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1.

ЗАДАЧА ДИСТАНЦИОННОГО ГИДРОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В НАВИГАЦИИ.

1.1. Физические факторы воздействия моря на движущееся судно.

1.2. Физические факторы воздействия моря на судно в зоне порта.

1.3. Стохастическая модель взаимодействия физических факторов в задаче навигации.

1.4. Адаптивный регулятор физических факторов.

ГЛАВА 2.

МЕТОДИКИ ДИСТАНЦИОННОГО ГИДРОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1. Оценка физических параметров поверхности моря по данным микроволнового мониторинга.

2.2. Зависимость радиояркостной температуры среды от ее термодинамических и электрофизических характеристик.

2.3. Прямая и обратная задачи дистанционного гидрофизического эксперимента.

2.4. Устройство для измерения гидрофизических параметров.

ГЛАВА 3.

АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО

ГИДРОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

3.1. Качественная интерпретация данных дистанционного гидрофизического эксперимента.

3.2. Метод кластерного анализа в задаче классификации гидрофизических процессов.

3.3 Модель "пятнистости" фоновых гидрофизических характеристик.

3.4 Алгоритм преодоления нестационарности в последовательностях физических величин.

ГЛАВА 4.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИСТАНЦИОННОГО ГИДРОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ЦЕЛЯХ НАВИГАЦИИ.

4.1. Оценки физических условий навигации в прибрежных вьетнамских. водах Южно-Китайского моря.

4.2. Модельный расчет отклонения курса корабля.

4.3. Оценка расхождения среднеквадратичного и дисперсного. критериев контроля отклонения курса корабля.

4.4. Экспериментально-имитационная система для дистанционного. гидрофизического эксперимента.

Актуальность темы. Дистанционный гидрофизический эксперимент является одним из надежных и оперативных способов контроля и управления физической системой «корабль - море». Движение судна по находящейся в динамике поверхности моря описывается теорией автоматического управления, уравнения которой дополняются гидрофизическими соотношениями, отражающими взаимосвязь характеристик движения судна с характеристиками течений и турбулентных потоков в море. Совокупность уравнений динамики системы «корабль - море» содержит ряд параметров, от определения количественных оценок которых зависит состояние этой системы. Развитые в экспериментальной гидрофизике методы получения этих оценок в большинстве случаев дают усредненные по времени и пространству величины, что не соответствует требованию оперативности и не дает возможности в полной мере иметь комплектную совокупность данных для управления судном в реальном времени, например, путем реализации в виде автопилота. Особенно это критично в зонах морских портов, где расчет безопасных условий нахождения судна должен быть оперативным.

Методы дистанционного мониторинга морской поверхности в совокупности с алгоритмами обработки данных обладают свойством оперативности. Данная работа посвящена развитию этих методов применительно к требованиям навигации. Получение исходной информации 4 для расчета курса и скорости судна по совокупности данных от навигационного оборудования и данных дистанционного гидрофизического эксперимента рассматривается как задача экспериментальной физики, решение которой обеспечивается выбором наиболее надежных источников информации и рациональными методами её обработки.

Цель работы состоит в создании методики для автоматизации гидрофизического эксперимента при изучении закономерностей взаимодействия физических сил в системе «корабль - море» и разработке технологии измерения гидрофизических параметров дистанционными средствами. Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1. Разработка методологии имитационного моделирования применительно к автоматизации гидрофизических исследований для целей навигации.

2. Создание экспериментально-имитационной системы для проведения лабораторных экспериментов по оценке эффективности предложенной методологии.

3. Разработка алгоритма решения обратной задачи микроволнового гидрофизического мониторинга, обеспечивающего восстановление характеристик волнения моря в условиях неоднородности среды и не стационарности временных рядов регистрируемых радиометрами яркостных температур.

4. Разработка принципиальной схемы для синтеза устройства, обеспечивающего измерение гидрофизических параметров на основе 5 методики регистрации собственного излучения моря в микроволновом спектре и с использованием алгоритма расчета оценок гидрофизических параметров по критерию минимума их дисперсии.

Научная новизна работы: Обосновывается необходимость применения дистанционных методов при оценке гидрофизических параметров в целях навигации. В результате обобщения ранее развитых методик и алгоритмов коррекции физических факторов в системе «корабль - море» созданы формулы расчета управляющих сигналов для минимизации отклонения курса в условиях воздействия волнения моря на амплитуду рыскания корабля. Предложенные в диссертации методика, алгоритмы и устройства являются новыми.

Практическая значимость результатов диссертации состоит в том, что развитая технология уточнения оценок гидрофизических характеристик в целях навигации повышает точность коррекции невязок курса корабля. Работа выполнялась в рамках Программы научно-технического сотрудничества РАН И НЦЕНТ СРВ (тема №4 «Современные проблемы экоинформатики»). Результаты работы использованы при модернизации навигационного тренажера Poseidon Radar Simulator в Хошиминском университете транспорта.

Положения выносимые на защиту: 1. Устройство для измерения гидрофизических параметров, реализующее методику регистрации собственного излучения моря в микроволновом 6 спектре и алгоритм вычисления оценок гидрофизических параметров по критерию минимума их дисперсии.

2. Адаптивный регулятор физических факторов управления кораблем, основанный на минимизации критерия невязки модельных и измеренных отклонений курса корабля.

3. Алгоритм решения обратной задачи дистанционного гидрофизического эксперимента, основанный на аппроксимации зависимости коэффициента поглощения от частоты и глубины слоя воды аналитической функцией.

4. Разработанная технология расчета гидрофизических параметров по дистанционным измерениям радиояркостных контрастов, реализованная в экспериментально-имитационной системе навигации обеспечивает сокращение времени прохождения кораблем расстояния 200 км в среднем до 10%.

Апробация работы и публикации. Результаты работы обсуждались на российско-вьетнамских научных семинарах в г. Хошимине в декабре 1996 г., в г. Москве в октябре 1999 г. и мае 2001 г., на ученом Совете Института проблем экоинформатики РАЕН в мае 2001 г., на научном семинаре секции кибернетики НТОРиЭС им. А.С. Попова в январе 2002 г., на научном семинаре отдела прикладной математики ИРЭ РАН в январе 2002 г., а также на 57-ой научной сессии, посвященной Дню радио НТОРиЭС им. А.С. Попова, Москва 2002 г. По теме диссертации опубликовано 6 работ. 7

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Объем работы включает 119 страниц машинописного текста, 17 рисунков и 6 таблиц. Список цитируемой литературы насчитывает 55 наименований (47 русских и 8 иностранных).

Заключение, выводы.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. На основе комплексного использования методики дистанционного зондирования и алгоритмов обработки данных экспериментальных исследований предложена новая технология управления физической системой "море-корабль", которая позволяет упростить процедуру измерения гидрофизических факторов воздействия моря на корабль.

2. Разработана модель взаимодействия физических факторов в системе "море-корабль", обеспечивающая параметризацию детерминированных и стохастических процессов формирования поля сил, вызывающих рыскание судна, и позволяющая рассчитывать управляющие воздействия для минимизации отклонения траектории судна от курса.

3. Предложен и теоретически обоснован адаптивный регулятор физических факторов управления кораблем в условиях воздействия на него сил, формируемых совокупностью гидрофизических процессов, возникающих в связи с влиянием ветра, температурных градиентов, изменений плотности и гравитационных волн.

4. Сформированы и изучены алгоритмы решения прямой и обратной задач дистанционного гидрофизического эксперимента. Предложены аналитические приближенные аппроксимации зависимостей яркостной температуры от гидрофизических характеристик. Указаны условия по существования единственного решения обратной задачи и оценена его чувствительность к ошибкам измерений.

5. Предложена методика реконструкции характеристик волнения моря по данным дистанционных измерений в микроволновом диапазоне и построены эмпирические частотные зависимости для ветрового волнения. Методика позволяет рассчитать с опережением во времени термодинамические и электрофизические характеристики морской поверхности по данным регистрации радиояркостных контрастов бортовыми радиометрами и тем самым обеспечить своевременное управление курсом корабля.

6. Предложено устройство для измерения гидрофизических параметров. Устройство основано на критерии минимума дисперсии при решении обратной задачи радиометрии. Структурная схема устройства включает радиометры, блок коммутации, блок вычисления дисперсии, микропроцессор, решающий блок, блок управления, антенно-фидерный тракт и переключатели режимов измерений.

7. Предложен алгоритм преодоления нестационарности в последовательностях физических величин, получаемых с датчиков системы управления кораблем и характеризующих скорость и направление ветра, высоту, фазу и частоту морской волны, температуру и плотность воды. Алгоритм предусматривает дискретизацию временных последовательностей на квазистационарные

Ill участки по пороговому критерию Крамера или по критерию линейно-ломанной рандомизации Бородина. 8. На основе модельного эксперимента оценена эффективность предложенных алгоритмов комплексной обработки данных измерения гидрофизических характеристик в задаче навигации и показано, что ошибки в системе управления кораблем сокращаются до 10%.

112

1. Андреев Г.А., Бородин Л.Ф., Заенцев Л.В., Рубцов С.Н. (1984) О дистанционном определении температуры земных покровов по поляризационному инварианту СВЧ- радиотеплового излучения. Исследование Земли из космоса. № 4,- с. 120 123.

2. Арманд Н.А., Башаринов А.Е., Бородин Л.Ф., Зотова Е.Н., Шутко A.M. (1980) Радиофизические методы дистанционного изучения окружающей среды. В сб.: Проблемы современной радиотехники и электроники, М.- Наука.- с. 95 138.

3. Арманд Н.А., Крапивин В.Ф., Мкртчян Ф.А (1987) Методы обработки данных радиофизического исследования окружающей среды. М.: Наука, 270 с.

4. Арманд Н.А., Мкртчян Ф.А., Шутко A.M. (1982) Машинная реализация алгоритмов картирования влажности почвы по результатам СВЧ-радиометрических измерений. Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка, № 1, с. 89-94.113

5. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. (1989) Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высшая школа, 352 с.

6. Башаринов А.Е., Горелик А.Г., Калашников В.В., Кутуза Б.Г. (1970) Определение параметров облаков и дождя по их радиоизлучению на волне 0.8 см. Тр. ГГО.- том 86,- с. 127 134.

7. Башаринов А.Е., Гурвич А,С., Егоров С.Т. (1974) Радиоизлучение Земли как планеты. М.:- Наука, 212 с.

8. Бородин Л.Ф., Климов В.В., Стаканкин Ю.П. (1979) Один метод интерпретации радиометрической информации. В сб.: Вопросы математического моделирования, М.: ИРЭ РАН, с. 101-114.

9. Бородин Л.Ф., Васенков JI.B., Крапивин В.Ф., Малютин В.И. (1982) Решение плановых СВЧ-радиометрических самолетных задач и определение параметров акваторий в радиоастрономическом диапазоне. Геодезия и аэрофотосъемка, №2, с.44-50.

10. Букатова И.Л., Шаров A.M. (1973) Методы теории распознавания образов и перспективы их применения. Препринт № 2 (116). М.: №3 АН СССР, -56 с.

11. Вальд А. (1960) Последовательный анализ. М.: Физматгиз, -328 с.

12. Вапник В.Н., Червоненкис А.Я. (1974) Теория распознавания образов. Статистические проблемы обучения. М.: Наука, -415 с.114

13. Голунов В.А., Короткое В.А. (1988) Радиометрическое исследование диэлектрических свойств пресноводного льда в диапазоне миллиметровых волн. М.- Препринт ИРЭ АН СССР№ 24(499).- 24 с.

14. Гранков А.Г., Либерман Б.М„ Шутко A.M. (1981) Об оценке физико-химических параметров поверхностных вод акваторий по собственному СВЧ излучению// Радиоэлектроника, т.26, №3, с.624.

15. Гранков А.Г., Шутко A.M. (1980) Особенности спектрального СВЧ-радиометрического метода определения гидрометеоролическнх параметров системы "океан атмосфера" и некоторые результаты анализа его эффективности. Препринт №3 (286). М.: Изд. ИРЭ АН СССР, 32 с.

16. Гранков А.Г., Шутко A.M. (1986) Об использовании диапазона дециметровых волн для исследования акваторий методами СВЧ-радиометрии. Исследование Земли из космоса. № 5.- с. 78-89.

17. Загоруйко Н.Г. (1972) Методы распознавания и их применение. М.: Советское радио.

18. Калмыков А.И., Пичугин А.П., Цымбал В.Н. (1985) Определение поля приводного ветра радиолокационной системой бокового обзора ИСЗ «Космос 1500». Исследование Земли из космоса- №4-С. 65 - 67.

19. Кондратьев К.Я., Григорьев А.А., Рабинович Ю.И., Шульгина Е.М.1979) Метеорологическое зондирование подстилающей поверхности из космоса. Л.- Гидрометеоиздат.- 247 с.115

20. Крапивин В.Ф., НгуенВанТху. (2001) Оценка физических параметров поверхности океана по данным микроволнового мониторинга. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов, №12, с.30-37.

21. Крапивин В.Ф., Шутко A.M., Мкртчян Ф,А., Реутов Е.А., Новичихин Е.П. (1989) Геоинформационная мониторинговая система (основы, структура и примеры использования). Препринт № 23(524) ИРЭ АН СССР, -34 с.

22. Кровотынцев В.А., Милехин О.Е. (1998) Характеристики радиолокационного обратного рассеяния морских льдов Арктики по данным ИСЗ «Океан». Исследования Земли из космоса. № 2.- с. 68 80.

23. Крылов Ю.М. (1986) Ветер, волны и морские порты. Л.: Гидрометеоиздат, 264 с.

24. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Цыплухин В.Ф. (1976). Ветровые волны и их воздействие на сооружения. Л.: Гидрометеоиздат, 256 с.

25. Кутуза Б.Г., Смирнов М.Т. (1980) Влияние облачности на усредненное радиотепловое излучение системы «атмосфера поверхность океана»-Исследование Земли из космоса- №3- С. 76 - 83.

26. Мазуров В.Д. (1977) Математические методы в распознавании образов в решении задач планирования и управления. Свердловск: Средне-Уральское книжное изд-во, 48 с.116

27. Маркина Н.Н., Наумов А.П., Сумин М.И. (1985) Об уравнениях для радиояркостных температур атмосферы. Радиотехника и электроника, том. 30, №5.-С. 851 859.

28. Мелентьев В.В., Йоханиессен О.М., Кондратьев К.Я., Бобылев Л.П., Тихомиров А.И. (1998) Опыт спутниковой радиолокационной диагностики ледяного покрова озер: экология и история. Исследование Земли из космоса, №2,-С. 91 101.

29. Митник Л.М. (1977) Физические основы дистанционного зондирования окружающей среды. Д.- Изд-во Политехнического ин-та.- 56 с.

30. Мкртчян Ф.А. (1982) Оптимальное различение сигналов и проблемы мониторинга. М.: Наука, -186 с.

31. Мкртчян Ф.А., Нгуен Ван Тху. (2001) Разработка методов классификации и качественной интерпретации дистанционных измерений водной поверхности. Экологические системы и приборы. №112, с. 29-32

32. Мкртчян Ф.А., Тху Н.В. (2002). Возможности определения основных гидрофизических параметров водной поверхности по данным СВЧ-радиометрических измерений. Научные и технические аспекты охраны окружающей среды. №1, с. 2-6.

33. МкртчянФ.А., Нгуен Ван Тху. (2002) Методы классификации и интерпретации данных дистанционных измерений водной поверхности. 57-ая научная сессия, посвященная Дню радио. Труды. М., с. 99-101.117

34. Мкртчян Ф.А., Нгуен Ван Тху. (2002) Дистанционный мониторинг основных гидрофизических параметров водной поверхности. 57-ая научная сессия посвященная дню радио. Труды. М., с. 103-105.

35. Нелепо Б.А., Коротаев Г.К., Суетин B.C., Терехин Ю.В. (1985) Исследование океана из космоса. Киев-Наукова думка- 168 с.

36. Нелепо Б.А., Коротаев Г.К., Суетин B.C., Терехин Ю.В. (1985) Исследование океана из космоса. Киев.- Наукова Думка.- 185 с.

37. ПолищукЮ.М. (1986) Метод агрегирования имитационных моделей сложных систем. Алгоритмы машинной обработки данных в задачах радиотехники и электроники. М.: -Мир, с. 134-138.

38. Рабинович Ю.И., Мелентьев В.В. (1970) Влияние температуры и солености на излучение водной поверхности в сантиметровом диапазоне. Тр. ГГО,- том 235.- С. 78 123.

39. Рабинович Ю.И., Шульгина Е.М. (1982) Оценка точности определения характеристик морской поверхности в СВЧ диапазоне. Л.:- Тр.ГГО,- вып.462-С.76-82.

40. Саворский В.П. (1992) Пространственно-временная структура СВЧ-радиотеплового поля системы океан-атмосфера. Кандидатская диссертация. М.- ИРЭ РАН.- 199 с.

41. Соломон Г. (1980) Зависящие от данных методы кластерного анализа. В сб. «Классификация и кластер», М.: с.89-97.

42. Файн B.C. (1970) Опознавание изображений. М.: Наука, 296 с.118

43. Фогель JI., Оуэне А., Уолш М. (1969) Искусственный интеллект и эволюционное моделирование. М: Мир, 230 с.

44. Фу К. (1971) Последовательные методы в распознавании образов и обучении машин. М.: Наука, 255 с.

45. Шестопалов Ю.К. (1983) О связи Френелевских коэффициентов отражения при угле визирования 45°. Ж. Технич. физики, том 53, № 1.- С. 144- 145.

46. Шутко A.M. (1986) СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.-Наука.-188с.

47. Armand N.F., Krapivin V.F., Kutuza B.C., Mkrtchyan Г.A. (1982) The two-step procedure effectively of monitoring system function. Proceedings fourth FORMATOR Labile, May 18-21, Prague, АСА DEMIA. p. 11 -20.

48. Campbell K.I., Orange A.S. (1974) A continuous profile of sea ice and freshwater ice thickens by impulse radar.-"Polar Record".- v. 17, №106.- pp.31.-41.

49. Grankov A.G. (1994) Passive radiometric diagnosis of vertical turbulent heat fluxes through the ocean surface from satellites. In: The Air-Sea Interface, ed. By M.A. Donelan et al., Toronto.- The Univ. of Toronto Press.- pp. 55 58.

50. Hasted J.B. (1961) The dielectric properties of water. Progress in Dielectrics, vol. 3.-Pp. 101 149.

51. МЕТОДИКА ДИСТАНЦИОННОГО ГИДРОФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ЗАДАЧАХ НАВИГАЦИИ

52. Специальность 01.04.01 приборы и методыэкспериментальной физики

53. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук1. Москва 20023общая характеристика работы

54. Разработка методологии имитационного моделирования применительно к автоматизации гидрофизических исследований для целей навигации.

55. Создание экспериментально-имитационной системы для проведения лабораторных экспериментов по оценке эффективности предложенной методологии.

56. Положения выносимые на защиту:

57. Устройство для измерения гидрофизических параметров, реализующее методику регистрации собственного излучения моря в микроволновом спектре и алгоритм вычисления оценок гидрофизических параметров по критерию минимума их дисперсии.

58. Адаптивный регулятор физических факторов управления кораблем, основанный на минимизации критерия невязки модельных и измеренных отклонений курса корабля.

59. Алгоритм решения обратной задачи дистанционного гидрофизического эксперимента, основанный на аппроксимации зависимости коэффициента поглощения от частоты и глубины слоя воды аналитической функцией.

60. Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, формируется цель и задачи исследования, излагаются основные защищаемые положения, практическая ценность полученных результатов.

61. В первой главе "Задача дистанционного гидрофизического эксперимента в навигации" характеризуются физические факторы воздействия моря на движущееся судно, приводится стохастическая модель взаимодействия физических факторов в задаче навигации.

62. Взаимосвязь между физическими факторами в системе «море-корабль» поясняет рис. 1.

63. Рис. 1. Диаграмма взаимодействия физических сил и тел в системе "корабль-море"

64. Здесь снова возникают две ситуации: (а) наличие полной информации и (б) неполная информация о параметрах системы «корабль-море».

65. Физические Система факторы "корабль-море" -— Адаптивный регулятор1 Т, L1. Навигационная система

66. Корабельные технические средства навигации Радионавигационные системы1

67. Накопление и обработка информации *- Оценка невязки прогноза курса корабля5 1. Прогноз курса корабля

68. Рис. 2. Принципиальная схема адаптивной регулировки параметров управления курсом корабля.

69. В качестве критерия качества управления рассмотрим функционал: Ф(ср(Т), Т) =0, L(<p,u,t)=l (3)т.е. J=T-t0. В этом случае Гамильтониан системы (2) равен:

70. Н=1+Цф( vcosy +Уф(фД))+|л1 (vsinvp +Ух(фД)) (4)

71. Разрешаем уравнения (4) и (6):цф = cosy /v + УфСозу + Vx siny .,1. Из (5) и (7) получаем:siny /v + ypcosvy + Vx sinvj/ ^v|/(t) = sin2 у5фsin ф cosy5уф(фл) 5у,(фл)5ф-cos'v—Ъдк