книга "НИС". Вагущенко Л. Л. Судовые навигационно информационные системы одесса 2004
 Скачать 5.96 Mb.
|
|
Рис. 4.24. Микродатчик угловой скорости. 4.7.2. Акселерометры. Акселерометрами называют устройства, которые измеряют линейные ускорения. Эти приборы уже находят применение на морских судах. Можно привести следующие примеры. В современных курсоуказателях, построенных по strapdown-технологиям, данные акселерометров служат для определения положения горизонтальной плоскости. В системах мониторинга нагрузок на корпусе акселерометры применены для определения вероятности слеминга и опасных значений ускорений корпуса судна на волнении. Акселерометры могут быть различных типов: струнные, маятниковые, жидкостные, кварцевые и т.д. Принцип измерения ускорений . В основе работы акселерометров лежит второй закон Ньютона: когда ускорение a действует на известную «чувствительную массу» m, возникает сила ma F = , измерив которую можно получить значение ускорения. Чтобы измерить силу, в акселерометрах обычно применяют пружину (рис. 4.25). Величина Δl растяжения/сжатия пружины пропорциональна действующей силе, а, следовательно, и ускорению: 161 a k l a = Δ ; где - коэффициент пропорциональности. a k Для измерения Δl в современных акселерометрах обычно используется один из трех методов: – Емкостной; – Пьезорезисторный; – Пьезоэлектрический. Рис. 4.25. Схема акселерометра: а) в спокойном состоянии; б) под действием ускорения. На рис. 4.25 показан вариант первого метода. Как известно, емкость плоского конденсатора может быть определена по формуле: d d S C / ) 4 /( σ π ε = = ; где S – площадь поверхности одной обкладки конденсатора; d – расстояние между обкладками; ε – диэлектрическая проницаемость материала, находящегося между обкладками; π ε σ / 25 0 S = Кремниевый емкостной акселерометр Одним из прогрессирующих видов измерителей ускорений являются кремниевые емкостные акселерометры, благодаря своим малым размерам и низкой стоимости. Они относятся к устройствам невысокой точности. Однако она вполне достаточна для применения этого вида акселерометров в датчиках горизонта гирокомпасов, построенных по strapdown- технологии, и в измерителях ускорений систем мониторинга нагрузок на корпусе судна. Рис. 4.26. Схема кремниевого емкостного акселерометра. Состав прибора . Акселерометр рассматриваемого вида (рис. 4.26) состоит из трех кремниевых пластин (A, M, B) и пружинок между ними. Эти элементы помещены в герметическую камеру, заполненную Емкость а) а б) Чувствительная масса х Пружины Пластина А Пластина В Пластина М о 162 специальным «демпфирующим» газом. Внешние пластины A, B по отношению к корпусу акселерометра неподвижны, а внутренняя – M, представляет собой чувствительную массу акселерометра. На пластинах с помощью фотолитографии нанесена металлическая сетка. Пластины являются обкладками двух конденсаторов, обозначим их A, B в соответствии с названием внешних пластин акселерометра. Емкости С А и С В этих конденсаторов зависят соответственно от расстояний d А , d В между пластинами А-М и В-М. Принцип измерений ускорений . Акселерометр измеряет ускорения, действующие по оси ох. При отсутствии ускорений расстояния между пластинами А-М и В-М одинаковы (d А =d В =d 0 ) и емкости С А и С В конденсаторов равны: С А = С В = С 0 Когда вдоль оси акселерометра действует ускорение а (допустим по направлению ох), то зазоры между пластинами меняются на одинаковую величину, d А - увеличивается, а d В - уменьшается: a k d d a A + = 0 ; a k d d a B − = 0 Соответственно изменяются и емкости конденсаторов: a k d C a A + = 0 σ ; a k d C a B − = 0 σ Если измерить эти емкости, то можно определить ускорение по формуле: ) ( ) ( 0 A B a A B C C k C C d a + − = Для получения значений емкости конденсаторов на них подается переменный ток i частотой ω, и измеряется напряжение U между обкладками конденсаторов. Оно равно c iR U = , где ) /( 1 C R C ω = – сопротивление конденсатора. Отсюда следует, что U k U i C / ω ω = = где ω ω / i k = Характеристики акселерометров . Микроакселерометры могут быть однокоординатными, двухкоординатными и иметь разную точность. Приведем характеристики одного из кремниевых емкостных измерителей ускорений: – Диапазон измерений – 100 м/с 2 ; – Стабильность нуля – 0,0001 м/с 2 ; – Уровень шума, Гц / 1 – 0,001 м/с 2 ; – Нестабильность масштабного коэффициента – 0,15% ; 163 – Габаритные размеры – 17х11х12 мм 3 4.7.3. Датчики параметров качки. В настоящее время на базе современных технологий созданы различного вида приборы для измерения параметров движения корпуса судна на качке: однокоординатные и двухкоординатные инклинометры, обнаружители угловых движений, датчики линейных перемещений и комбинированные устройства, включая измерители угловых и линейных перемещений по всем шести пространственным степеням свободы. Применение приборов для получения параметров движения судна на качке, включающих три датчика угловых скоростей и три акселерометра, позволяет оценить вызванные качкой силы на корпусе судна и в креплениях грузов, а также обоснованно выбрать режим штормования. Образцы систем для контроля нагрузок и выбора режимов штормования по измеряемым данным о параметрах движения судна на качке уже созданы. Ряд приборов для оценки параметров качки основан на использовании кремниевых виброгирометров и акселерометров. Они представляют информацию для определения всех составляющих движения корпуса судна на волнении (Pitch, Roll, Yaw, Surge, Sway, Heave) В качестве примера этого вида датчиков можно привести аппаратуру фирмы Silicon Sensing Systems Japan Ltd, построенную по strapdown-технологии. Она позволяет измерять: - угловые скорости в диапазоне от 0.1 до 100 0 /с с разрешением 0.1 0 /с, - углы рыскания, килевой и бортовой качки с точностью 0.1 0 , - линейные ускорения со средней квадратической погрешностью 0.01 м/с 2 4.8. Автоматические идентификационные системы. 4.8.1. Общие сведения. Автоматическая идентификационная система - АИС (Automatic Identification System - AIS) является техническим средством судовождения, использующим взаимный обмен информацией между судами, между судном и берегом, а также между средством навигации и судном (или береговой станцией), с целью: • опознавания судов, • решения задач по предупреждению столкновений, • контроля соблюдения режима плавания и мониторинга судов в море, • улучшения характеристик навигационного ограждения. 164 АИС расценивается как величайшее достижение в навигационной безопасности со времени изобретения РЛС. АИС также называют автоматическими идентификационно-информационными системами, подчеркивая этим, что они используется не только для целей идентификации. Автоматические идентификационные системы позволяют: – обмениваться информацией между судами при их расхождении в море; – передавать сведения о судне и его грузе в береговые службы; – направлять с судна навигационные данные в береговые системы управления движением (СУДС) с целью обеспечения более точной и надежной проводки; – СУДС оказывать навигационную помощь судам; – передавать на судно или на береговую станцию информацию с навигационных средств ограждения для их идентификации, своевременного обнаружения, получения точных координат По линии АИС с берега могут передаваться навигационные и метеорологические предупреждения на суда, плавающие в прибрежных водах. АИС работает на двух УКВ частотах: 161,975 МГц (AIS-1, канал 87) и 162,025 МГц (AIS-2, канал 88), выделенных Международным телекоммуникационным союзом. Обмен данными между станциями АИС производится с использованием самоорганизующейся с разделением времени и свободным доступом технологии SOTDMA (Self-Organized Time Division Multiple Access). Эта технология позволяет с большой скоростью передавать блоки составного сообщения с гарантией надежного одновременного обмена данными со многими другими АИС. Дальность действия АИС зависит от высоты антенны и составляет порядка 20 ÷30 миль. На судах АИС должна быть в рабочем состоянии все время, за исключением ситуаций и районов, где требуется обеспечивать защиту информации. В этих ситуациях и районах капитан имеет право отключить АИС для предупреждения возможности использования ее данных в неблаговидных целях. 4.8.2. Бортовая аппаратура АИС. Типы бортовой аппаратуры АИС. Судовое оборудование АИС называется «универсальным транспондером». Различают бортовую аппаратуру класса А и В. Оборудование класса А должно полностью удовлетворять требованиям ИМО к АИС и устанавливаться на судах, указанных в правиле 19 главы 5 СОЛАС. 165 Требования к АИС класса В ниже. Аппаратура этого класса может не в полной мере соответствовать стандартам ИМО. Она проще, дешевле универсального транспондера класса А и предназначена для малых судов, не попадающих под действие конвенции в отношении установки АИС. Состав аппаратуры . Судовое оборудование АИС используется для обмена данными, синхронизации, формирования и коммутации потоков информации. Универсальный транспондер АИС (Рис. 4.27) состоит из основного блока (Transponder unit), модуля управления и отображения (Multiplexed Keyboard and Display unit), УКВ и GPS антенн. Основной блок Блок управления и отображения Рис. 4.27. Комплект бортовой аппаратуры АИС. Основной блок включает приемопередатчик, связной процессор, внутренний GPS приемник, средство контроля достоверности передаваемых и принимаемых данных, встроенную систему автоматической проверки работоспособности. В приемопередатчик входят три независимых приемника (два SOTDMA, один цифрового избирательного вызова: DSC - Didital Selective Calling), один передатчик, который излучает данные, выбирая один из двух SOTDMA-каналов. Он также может использоваться для ответа на запрос по каналу цифрового избирательного вызова. Внутренний GPS приемник обеспечивает главным образом точную временную синхронизацию приема/передачи информации АИС. Он может применяться и как резервный датчик позиции, путевого угла и скорости судна при выходе из строя основного внешнего приемника GPS. Связной процессор создает и распределяет по времени пакеты данных для передачи статической, динамической информации о судне и сведений о рейсе. Он контролирует прием данных по линии связи 166 АИС, производит их расшифровку и упорядочивание, управляет выводом информации на устройства отображения, регулирует процесс считывания информации с навигационных приборов, управляет набором морских частот и переключением каналов. Блок управления и отображения содержит клавиатуру с небольшим текстовым дисплеем для отображения набираемой и минимально необходимой принимаемой информации. С помощью клавиатуры вводится часть из предназначенных к передаче сведений. Вводимые данные отображается на дисплее, что позволяет контролировать их правильность. Клавиатура и дисплей АИС должны быть независимыми от других навигационных устройств. Сопрягаемая с АИС аппаратура . Блок управления и отображения имеет средства для стыковки с аппаратурой, выполняющей протокол МЭК 61162. К нему могут подсоединяться: приемник СНС, гирокомпас, лаг, гироскопический указатель угловой скорости, датчики крена и параметров качки, станция дальней связи Инмарсат-С, а также внешние системы отображения, дисплеи: РЛС, САРП, ЭКДИС, ЭКС, РКДС, PC. Данные от внешнего приемника СНС принимаются в геодезической системы координат WGS84 с разрешением, не хуже одной десятитысячной минуты дуги. Электропитание. АИС и связанные с ней датчики информации питаются от основного источника электроэнергии на судне. Дополнительно они должны иметь альтернативные блоки энергоснабжения. Функции бортовой аппаратуры . Универсальный транспондер АИС обеспечивает: – автоматическую идентификацию судов; – самоорганизацию системы и управление доступом к радиоканалам; – прием данных по радиоканалу от АИС других судов, береговых центров и средств ограждения; – передачу собственных данных в радиоканал для использования другими судами и береговыми центрами; – прием и обработку информации подключенных к АИС систем и устройств на собственном судне; – ввод статических, дополнительных динамических данных и бинарных сообщений для посылки в радиоканал; – сохранение статических данных, предназначенных для автоматической передачи; – вывод принятых по радиоканалу сведений на устройства отображения; – выдачу информации о своей работоспособности, об обнаружении неполадок и при выходе из строя; – предотвращение несанкционированного изменения введенных или передаваемых данных; – возможность отключения АИС капитаном судна в тех районах, где информация АИС может быть использована для неблаговидных целей. 167 Режимы работы АИС . Аппаратура АИС может работать в режимах ближней и дальней связи. Режимы ближней связи. Основным для транспондера АИС является «автономный, непрерывный» режим работы (Autonomous and continuous mode). Судовая аппаратура АИС в этом случае передает на двух УКВ частотах блоки информации через короткие интервалы времени. Следует заметить, что при необходимости представители компетентной власти в районе СУДС могут переключить бортовую аппаратуру АИС с «автономного режима» на один из следующих: – «назначенный» режим (Assigned mode) – при котором интервал передачи данных различных блоков информации судовой АИС устанавливается дистанционно с берега; – режим «по запросу» (Polled mode) – когда данные передаются судовой АИС только в ответ на запрос с берега или от другого судна. Режим дальней связи . Предусмотрена передача данных АИС на большие расстояния. Для этого обеспечивается возможность сопряжения судовой АИС со станцией спутниковой связи ИНМАРСАТ-С. При подключении АИС к этой станции должны выполняться требования протокола МЭК 61162-2. Режим дальней связи предназначен для обмена информацией между судном и берегом. Он может быть использован только компетентными властями. Ответственность национальных администраций за организацию движения судов, поиск и спасение, эксплуатацию шельфовых ресурсов, защиту окружающей среды распространяется на широкие прибрежные районы. Они включают континентальный шельф, рыболовные районы, экономические и танкерные эксклюзивные зоны, акватории, где суда должны поставлять информацию о своем движении. Режим дальней связи АИС обеспечивает эффективное средство для мониторинга, контроля соблюдения правил плавания и эффективного управления движением судов в этих зонах. Частота передач здесь реже, максимум 2 ÷4 раза в час. В среднем данные передаются через 3 или 4 часа. В режиме дальней и ближней связи бортовая аппаратура АИС работает параллельно. 4.8.3. Информация, предоставляемая АИС. Содержание передач Информация, посылаемая АИС- транспондером класса А в автономном непрерывном режиме, разделяется на данные о судне, сведения о рейсе, короткие сообщения о безопасности. Информация о судне делится на статическую и динамическую. Статическая информация включает в себя: 168 • MMSI номер – Maritime Mobil Service Identity number. • ИМО номер судна (если он имеется); • Позывной сигнал и название судна; • Значения длины и ширины судна; • Тип судна; • Данные, характеризующие место антенны бортовой аппаратуры позиционной системы (расстояния от носа и кромки правого борта судна). Динамическая информация – это сведения о положении, элементах движения, навигационном статусе судна. Навигационный статус характеризует состояние судна как объекта маневрирования. В перечень видов навигационного состояния входят следующие значения: «судно не управляется», «судно ограничено в возможности маневрирования» и т.д. Информация о навигационном статусе вводится в память системы вручную. Данные об элементах движения судна поступает в АИС автоматически от соответствующих датчиков. Имеется также возможность ручного ввода этих сведений. Динамическая информация состоит из таких элементов: – Координаты судна с указанием их точности; – Время UTC, которому соответствуют значения передаваемых данных; – Курс относительно грунта (путевой угол); – Скорость относительно грунта (путевая скорость); – Курс (направление диаметральной плоскости судна); – Навигационное состояние судна; – Скорость поворота (где возможно); – Угол крена (если возможно); – Угол килевой и бортовой качки (если возможно). |