Студеникин - Технические средства судовождения

центрами вибраторов. Оно эквивалентно излучению, которое создавалось бы неко- торой условной передающей антенной Ап, расположенной между антеннами А1 и А2. В режиме приема каждый вибратор подключался к собственному приемному кана- лу, передавая в него два аналогичных случайных процесса, сдвинутых на величину транспортного запаздывания. Максимум взаимно - корреляционной функции в рас- сматриваемом случае имеет место при смещении судна на расстояние, равное поло- вине расстояния l между фазовыми центрами антенн. Действительно, как это следу- ет из рис. 2.20, в позиции 1 по отношению к отражающим точкам 1,2 и 3, располо- женным на дне, антенна А1 получает сигналы, отраженные от точек 1 и 2, а антенна А2 – от точек 2 и 3. В связи с этим

эхосигналы, принятые антеннами,

А2

1

А1

А2

2

A1

l

будут различными. При перемеще-

нии антенн в позицию 2, отстоящую

от предыдущей на величину 0,5l,

сигнал, принятый антенной А2, будет

аналогичен тому, который принима-

ла антенна А1 в позиции 1, так как и

отражающие точки и путь следова-

ния сигнала один и тот же. Следова-

3

2

1

2

1

тельно, транспортное запаздывание

Рис.2.20

в рассматриваемом случае определя- ется расстоянием 0,5l.

Диаграмма направленности каждого вибратора достаточно широкая ( 300), что при расстоянии между вибраторами, равном 3 см, обеспечивает устойчивую работу прибора в процессе плавания. Частота излучаемого сигнала составляла 150 кГц, что позволяло лагу работать, используя отраженные от дна сигналы до глубин, пример- но равных 200 м.

При необходимости получения большего объема или более точной информации о параметрах движения судна используются более сложные по составу антенные блоки и, как следствие, передающие устройства, вырабатывающие различные по ха- рактеристикам сигналы посылок [12].

Используя еще более сложные по своему составу антенные устройства, имеется возможность создания более точных измерителей скорости судна. Как уже указыва- лось выше наиболее точный в настоящее время корреляционный лаг “Covelia” имеет антенный блок, который включает в себя 20 самостоятельных вибраторов.

2.12. Преобразователи сигнала и корреляторы

На практике могут встретиться различные алгоритмы вычисления корреляци- онных функций с помощью отличающихся по своей структуре корреляторов. В качестве примера на рис. 2.21 представлена одна из наиболее простых для реали- зации схем дискретного устройства для определения скорости судна [12,14]. Принцип ее действия сводится к следующему.

Принятые антеннами сигналы U1 (t) и U2 (t), могут быть представлены в виде сум-

мы функций U1(t) и U2 (t) , определяющих усреднённую форму импульса, и цен-

трированных случайных процессов U1 (t) и U2 (t), являющихся отклонениями реальной формы импульсов от усреднённой:

U1(t) = U1(t) + U1(t), U2 (t) = U2 (t) + U2 (t).					(2.34)

Первые слагаемые выражения (2.34) используются для оценки глубины под килем судна, аналогично тому, как это делается в эхолотах. Для получения информации о

скорости судна используются		U1 (t) и		U2 (t). Для этого в усилителях – преобра-
зователях УП они заменяются знаковыми функциями Sign						U (t) (рис. 2.22).
SignDU (t) =	ì	-1	при	DU £ 0	.	(2.35)
	í	1	при	DU ³ 0
	î

РС

τ i −

τ

τ i + τ

fП

СС1

СС2

РГТИ

М1

fи

М2

И1

И2

БВ

ГИ

ВУ

V

S

Sign U1

Sign U2

УП1 УП2

Рис. 2.21

U1(t) U2(t)

Для измерения длительности положительных и отрицательных значений этих функ-

ций ими модулируется непрерывная последовательность коротких импульсов, по-

ступающая от генератора импульсов ГИ с частотой fи и постоянной скважностью.

Преобразованный сигнал первой антенны подаётся в блок задержки, представляю-

щий собой регистр сдвига РГ, управляемый импульсами, поступающими с частотой

fп от регулируемого генератора тактовых импульсов РГТИ. Время задержки сигнала

определяется количеством ячеек регистра сдвига и скоростью продвижения по нему

сигнала. Последняя пропорциональна частоте fп. Регистр имеет два отвода. На пер-

вом отводе задержка импульса равна τi −

τ ,

а на втором -

τi +

τ .

Сигналы,

снимаемые

с

этих

выходов,

определяющие

функции

U1 (t −τi

+

τ )

и

U1

U2

U1

τ т

t

U 1

U2

sign

sign

U 2

t

t

Вых.М1

t

Вых.М2

t

Вых.СС

t

Рис. 2.22

U1 (t −τi −

τ ) , поступают на схемы совпадения СС1 и СС2, соответственно.

Сюда же подаётся клиппированный сигнал от второй антенны. Схема совпадения

вырабатывает на выходе счётный импульс только тогда, когда знаки импульсов, по- ступающих на её входы, одинаковы (рис. 2.22). Таким образом, эта схема выполняет функции множительного устройства коррелятора.

Сигналы от СС1 и СС2 поступают в интеграторы И1 и И2, роль которых выпол- няют счётчики импульсов. Количество посчитанных за определённый интервал вре-

мени Т импульсов будет определять значения корреляционных функций

	T
	K(τi - Dτ) = ò DU1 (t -τi	+ Dτ )×DU2 (t)dt,
	0	(2.36)
	T
	K(τi + Dτ ) = òDU1 (t -τi	- Dτ )×DU2 (t)dt,
	0
	разнесённых по времени задержки на 2 τ .

Импульсы, подсчитанные интеграторами, поступают в вычитающее устройство ВУ, которое определяет разницу значений корреляционных функций. Знак этой раз- ницы указывает на положение максимума ВКФ относительно τi (рис. 2.23). При

K (τi	+		τ ) больше K (τi						− τ ) максимум находится справа от τi , при обратном
неравенстве –						слева. Если			K (τi +	τ ) = K (τi − τ ) , то количество импульсов,
	К1,2(τ)									поступающих с И1 и И2, равны и τi = τт .
										Выходной сигнал ВУ управляет частотой fп
										и, следовательно, скоростью продвижения
										сигнала в регистре сдвига. В результате fп
										изменяется до тех пор, пока на выходе ВУ
				τ				τт +	τ	сигнал не станет равным
					i					нулю. Зная частоту следования продви-
τ i −									τi
	τ		τi +			τ τт				гающих импульсов и, в результате, величи-
Рис. 2.23										ну транспортного запаздывания, в блоке

вычисления БВ определяется скорость судна, а путём её интегрирования и пройден- ное расстояние. Аналогично описанному, по сигналам объёмной реверберации, воз- никающим за счёт отражения от промежуточных слоёв воды, может быть определе- на относительная скорость судна. Для её измерения, как это уже было указано, мо- гут использоваться специальные каналы и антенные устройства. Как правило, они имеют более высокую несущую частоту, что обеспечивает возможность получения отражённого сигнала только от слоёв воды, расположенных вблизи корпуса судна.

U2 (t)

U1(t)

Использование импульсного характера излучения накладывает определенные ограничения на возможность вычисления скорости в рамках рассмотренного алго- ритма. Действительно, длительность реализации случайных процессов и

ограничена длительностью τи импульса посылки и, следовательно, вели-

чина транспортного запаздывания τт может быть определена только в том случае,

если она не превышает τи . В свою очередь, длительность импульса на глубине h не

может превышать значения 2h/c. В противном случае отраженный сигнал вернется к антенне раньше, чем закончится цикл излучения. Учитывая сказанное, можно опре- делить диапазон доступных для оценки скоростей [12,14]:

	v > lc .			(2.37)
	4h
	Для обеспечения возможности измерения скорости независимо от условий пла-
	вания следует или использовать режим непрерывного излучения, или иные алгорит-
	мы определения τт.
	Дополнительные особенности возникают при движении судна с углом дрейфа.
	Они касаются как точности определения скорости судна, так и самой возможности
	сделать это. Действительно, если считать, что			v
	судно движется с некоторым углом дрейфа β
	(рис. 2.24), то максимум ВКФ будет иметь место			β	A1′
	тогда, когда антенна А2 переместится в положе-		A2′
	ние А2′, максимально близкое к точке В. При	A2		B	A1
	этом, изменится как расчетная база антенн (отре-		l /2	l /2
	зок А2 А2′ не равен l/2), так и величина ВКФ.	Рис.2.24
	В рассматриваемых условиях измеренная
	скорость судна vл будет равна [12,14]:

vл =	l	=	v	.	(2.38)
			cos β
	2τm

Как следует из выражения (2.38) найденная скорость судна не соответствует ни истинной скорости v его движения, ни ее продольной составляющей vx. Достаточно часто ее называют индицируемой или кажущейся скоростью.

Снижение значения ВКФ уменьшает вероятность качественной оценки транс- портного запаздывания, однако при относительно небольших углах дрейфа, кото-

рые наиболее часто имеют место на практике, изменение коэффициента взаимной корреляции несущественно.

2.13. Принцип действия индукционного лага

Принцип действия индукционного лага основан на законе электромагнитной ин- дукции. Если в постоянном магнитное поле с индукцией В (рис. 2.25) перемещать проводник длинной l с некоторой скоростью v, то в этом проводнике будет индуктироваться э.д.с., вели-

Вчина которой определяется равенством:

	+	l		U = kBlvsinα ,	(2.39)
			-	где к – масштабный коэффициент, α - угол между век-
		v		торами скорости перемещения проводника и индукции
+	V
		- -		магнитного поля. Однако при подключении к указан-
Рис.2.25				ному проводнику измерительной системы (на рисунке

–вольтметра V) напряжение будет индуктироваться и

впроводниках, осуществляющих это подключение, так как они, как и измеритель- ный проводник, движутся относительно магнитного поля. В результате суммарная э.д.с. в замкнутом измерительном контуре будет равна нулю и вольтметр ничего не покажет.

		Uв
6
Uп	3	5	6
		2
	2	1
		4

Преодолеть указанное обстоятельство воз- можно, если часть измерительного контура сде- лать неподвижным относительно магнитного по- ля. Так, если в качестве проводника использовать морскую воду, э.д.с. в которой индуктируется при движении судна специально созданным с помо- щью электромагнита 3 (рис. 2.26), магнитным по- лем 6, то подсоединяемый к электродам 2 изме- рительный контур будет неподвижен относи- тельно этого поля, и измерение напряжения, оп- ределяемого выражением (2.37), станет возмож- ным.

Рис. 2.26	Электромагнит с контактами 2 размещается в
	корпусе 5, который устанавливается в шахте лага

с помощью клинкета. Описанное устройство называют индукционным преобразова-

телем сигнала скорости судна или просто индукционным преобразователем (ИП).

К сожалению, при питании электромагнита напряжением постоянного тока во- круг электродов 2, которые при движении судна в одном направлении имеют неиз-

менный знак потенциала, образуется объемные заряды из ионов, присутствующих в морской среде. У отрицательного контакта группируются анионы, а у положитель- ного – катионы. Эти заряды компенсируют разницу потенциалов, возникающую у электродов за счет движения судна, и делают измерение скорости практически не- возможным.

Для устранения указанного недостатка электромагнит 3 питают напряжением переменного тока. При этом полярность э.д.с., наведенной в воде, будет меняться с частотой напряжения питания, что не позволит ионам концентрироваться у опреде- ленного контакта. Однако в рассматриваемом случае в морской среде, равно как и в проводниках, находящихся в зоне действия магнитного поля электромагнита, воз- никает дополнительная э.д.с. за счет обычного трансформаторного эффекта. При этом выходной сигнал датчика будет складываться из двух составляющих:

U	в	= U +U		= k Blvsinα + k		dB	,	(2.40)
					2 dt
		1	2	1

где k1 и k2 – масштабные коэффициенты. Если индукция В изменяется по гармони-

ческому закону

В = Вт sinωt ,

(2.41)

где Вт – ее амплитудное значение, а ω - частота напряжения питания, то равенство (2.41) можно переписать в виде:

Uв = k1Bmlv sinα sinωt + k2Bmω cosωt.

(2.42)

Из полученного выражения видно, что составляющая выходного сигнала, обуслов- ленная наличием трансформаторного эффекта, не зависит от скорости судна, имеет ту же частоту, что и полезная составляющая, определяемая первым слагаемым, и сдвинута по фазе относительно полезной составляющей на угол, равный 900. Эта компонента выходного сигнала получила название квадратурной помехи.

Как и любая помеха, она должна быть устранена. Это может быть достигнуто путем непосредственной ее компенсации сигналом, равным ей по величине и проти- воположным по фазе, или путем фазового детектирования. Возможно одновремен- ное использование обеих способов.

2.14. Основные погрешности индукционных лагов

При использовании информации, полученной от индукционных лагов, следует иметь в виду, что эти лаги измеряют не скорость судна относительно окружаю-

щего его водного пространства, а скорость потока воды, омывающего ин-

дукционный преобразователь. Поэтому показания лага могут отличаться от от- носительной скорости судна из-за целого ряда причин, связанных с характером

обтекания его корпуса. В свою очередь, характер обтекания корпуса судна зави-

		сит от множества факторов, основными из которых
v		являются геометрия его днища, степень обрастания
	vл	корпуса, наличие углов крена и дифферента, манев-
		рирование судна, плавание на мелководье, работа
v		машины на задний ход.
		Выпуклая форма днища судна при его движении
		с дрейфом в силу принципа неразрывности потока
	t	жидкости приводит к увеличению скорости обтека-
tнм tкм		ния ИП и, как следствие, показаний лага. Нередко
		такие явления можно обнаружить при изменении
Рис. 2.27
		судном своего курса. На рис. 2.27 представлен один
		из возможных вариантов изменения скорости судна

v и показаний лага vл при изменении курса судна. Здесь через tнм и tкм обозначены моменты начала и конца маневра, соответственно. В процессе маневра за счет уве- личения скорости обтекания корпуса судна показания лаговой скорости увеличива- ются, в то время как скорость судна падает. После завершения маневра показания лага приходят в соответствие со значением текущей скорости судна, которая посте- пенно увеличивается до уровня, имевшего место до начала маневра.

На эту ошибку может накладываться погрешность σv , возникающая за счет от-

клонения места установки ИП от центра масс судна. В первом приближении эта по- грешность может быть описана выражением [16]:

σv = ωy Y −ωz Z ,

(2.43)

где ωy и ωz – проекции угловой скорости ω судна на его оси Z и Y, а ΔΖ и ΔΥ – рас- стояния от центра тяжести судна до точки установки ИП вдоль осей Z и Y, соответ- ственно.

В той же работе показано, что для относительного лага погрешность измерения продольной составляющей скорости v при движении судна без качки, но с углом дифферента γ определяется выражением:

σv (γ ) = v(1−γ ).

(2.44)

При наличии вертикальной скорости судна vв, имеющей место при его качке, и

угловой скорости поворота судна оценка погрешности показаний лага может быть произведена, используя следующее равенство:

σv = v(1− cosγ )− vв sinγ −ωz Z +ωy Y.

(2.45)

Поскольку качка носит периодический характер, с целью повышения точности из- мерений производится осреднение полученных результатов на определенном интер- вале времени.

Обрастание корпуса судна для не выстреливаемых за пределы по- граничного слоя ИП может привести к изменению поправки лага на 2,5% в

год [14].

Наряду с указанными причинами точность работы лага существенно зависит от качества его регулировки. Последняя осуществляется по результатам испытаний изделия на мерной линии. При этом полная ошибка лага представляется в виде трех составляющих: постоянной ошибки, не зависящей от скорости судна; ошибки, из- меняющейся пропорционально скорости судна, и ошибки, зависящей нелинейно от скорости судна. Первая составляющая устраняется путем калибровки лага и уста- новки рабочего нуля, вторая – путем его масштабирования и третья специальным нелинейным корректором. Методику регулировки конкретного типа лага можно найти в его документации.

ЛИТЕРАТУРА К РАЗДЕЛУ

1.Абрамович Б.Г. Судовые измерители скорости: Метод. Указан. по курсу ТСС.

– МГУ им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток, 2005. – с. 44

2.Абсолютные и относительные лаги /К.А.Виноградов, В.Н.Кошкарев, Б.А.Осюхин, А.А.Хребтов: Справочник. – Л.: Судостроение, 1990. –264 с.: ил.

3.Авербах Н.В. Определение скорости судна и поправки лага. М.: Транспорт, 1988 96 с.

4.Блинов А.В. и др. Электронавигационные приборы: Учебник для вузов. – М.:

Транспорт, 1980. – 448 с.

5.Воронов В.В., Грилихес В.Е., Яловенко А.В. Индукционный лаг ЛИ-2: Учеб. Пособие. – М.: Мортехинформреклама, 1992. – 40 с.

6.Воронов В.В., Перфильев В.К., Яловенко А.В. Технические средства судово- ждения: Конструкция и эксплуатация: Учебник для вузов / Под ред Е.Л. Смирнова. – М.: Транспорт, 1988. – 335 с.

7.Завьялов В. В. Измерители линейной скорости с линейной базой направлен- ных приемников. Владивосток: Мор. Гос. Ун-т, 2004. – 176 с.

8.Козубовский С.Ф. Автоматические корреляционные измерители скорости. Киев. Изд-во АН УССР, 1963, 79 с.

9.Смирнов Е.Л., Яловенко А.В., Якушенков А.А. Технические средства судо- вождения: Теория: Учебник для вузов /Под ред. Е.Л.Смирнова. – М.: Транс-

порт, 1988. – 376 с.

10.Студеникин А.И. Погрешности доплеровских лагов, возникающие в результа- те качки судна. – В кн.: Навигация и управление судном. – Л.:, Транспорт, 1984, с. 83 – 90. (ЦНИИ морского флота).

11.Студеникин А.И., Слюсарев В.А. Устройство и эксплуатация корреляцион- ных лагов фирмы CONSILIUM MARINE. Мортехинформреклама. Морской транспорт. Серия “Судовождение, связь и безопасность мореплавания”. Экс-

пресс- информация, вып. 7 (374), 2000, с. 1 - 23.

12.Студеникин А.И. Судовые навигационные системы. Основы построения гид- роакустических навигационных приборов и индукционных лагов: Учебное пособие. – Новороссийск:НГМА, 2001 – 154 с.

13. Студеникин А.И. Судовые навигационные системы. Доплеровские лаги: Учебное пособие. – Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2006 – 92 с.

14.Хребтов А.А. и др. Абсолютные и относительные лаги. Л.: Судостроение, 1990, 264 с.

15.Хребтов А.А. и др. Судовые эхолоты. – Л.: Судостроение, 1982. – 232 с., ил. 16.Ющенко В.И. Влияние качки корабля на измерение скорости его хода отно-

сительными лагами. – Изв. Вузов. Сер. Приборостроение, 1973, т. 16, № 12, с. 58 – 60.

17. Echo Sounder SIMRAD EN200: Instruction manual, 1988.

18.Navigational Echo Sounder model FE 700: Instruction manual, Furuno Electric Co., LTD

19.http://www.marine-acoustics.co.uk/products/AUV/COVELIA.html 20.Combined Docking Log &Echo Sounder SAL_T3plus

http://www.consilium.se/Navigation/SAL_products/SAL_leaflets 21.SD4 Serial Gigital Displays.

http://www.consilium.se/Navigation/SAL_products/SAL_leaflets 22.Bronze + Range Instruction booklet. http://www.echopilot.com

23. The IES-10 Echo Sounder. http://www.oceandata.com/ies10/odec-ies10web.pdf 24.Skipper Combo Tank. http://www.skipper.no

25.Skipper ETNSLJB. 100mm GATE VALVE FOR ECHO SOUNDER TRANSDUCER: Operation And Installation Manual. http://www.skipper.no