Использование аппаратно-программного комплекса на основе датчиков спутниковой навигационной системы для определения параметров качки судна

№61-1,

физико-математические науки

В статье рассматривается применение датчиков спутниковой навигационной системы для определения параметров качки судна

Похожие материалы

В общем случае качка судна представляет собой сложный колебательный процесс, который можно рассматривать как совокупность колебаний, отвечающих каждой из шести степеней свободы твердого тела. Строго говоря, составляющие колебательного процесса - степени свободы судна зависят от выбора системы координат, в которой рассматривается изучаемое движение и должны определяться с учетом ее особенностей. В морской практике обычно говорят об отдельных видах качки исходя из визуальных наблюдений, ощущений пассажиров и экипажа и традиционных представлений о поведении судов на волнении. В этом смысле выделяют следующие виды качки:

  • вертикальную - поступательные колебания в вертикальном направлении, т.е., попеременное всплытие и погружение;
  • бортовую - вращательные колебания вокруг продольной оси, лежащей в диаметральной плоскости (ДП) судна, т.е. попеременный крен на левый и правый борт;
  • килевую - вращательные колебания вокруг поперечной оси, лежащей в плоскости, параллельной плоскости мидель - шпангоута, т.е. попеременный дифферент на нос и на корму.

Перечисленные виды качки, как это следует из курса статики корабля, сопровождаются возникновением силы поддержания (плавучести) и восстанавливающих моментов, стремящихся вернуть корабль в положение устойчивого равновесия, из которого он по какой-либо причине был выведен. Именно эти виды качки обычно воспринимаются, наблюдаются и регистрируются в условиях шторма. Поэтому их часто называют основными, в отличие от дополнительных видов, к которым относят:

  • продольно - горизонтальную качу - поступательное колебательное движение судна в направлении скорости его хода;
  • поперечно - горизонтальную качку - поступательное колебательное движение в направлении, параллельном плоскости мидель - шпангоута;
  • рыскание - вращательное колебательное движение вокруг вертикальной оси, проходящей через центр тяжести (ЦТ) корабля.

При этих видах качки силы поддержания и восстанавливающие моменты не возникают, поэтому они существуют только при воздействии на судно переменных во времени внешних возмущений, прежде всего, морских волн. Положение равновесия корабля при этих видах колебаний не является устойчивым.

Количественные характеристики каждого вида качки подразделяются на пространственные и временные. Пространственные определяют величины отклонений корабля от положения равновесия и включают в себя текущие значения перемещений судна при качке (например, углы крена и дифферента) и их максимальные, амплитудные значения. Временные характеристики определяют степень изменчивости во времени положения судна в выбранной системе отсчета и включают в себя период, частоту, начальную и полную фазу колебаний. Определение этих характеристик при заданном внешнем воздействии на судно (чаще всего волнения заданной балльности) и известных элементах последнего (главные размерения, коэффициенты полноты, положение центра тяжести и т.д.) является обычно конечной целью расчетно-экспериментального изучения качки. В некоторых специфических задачах мореходности определяются также скорости и ускорения колебаний судна или его характерных точек (например, в местах установки корабельных приборов, механизмов или вооружения).

В подавляющем большинстве случаев качка корабля - явление вредное как само по себе, так, в особенности, из-за тех последствий, которыми она сопровождается.

Известно, что бортовая качка приводит к снижению его остойчивости на волнении по сравнению с остойчивостью на тихой воде. Однако чрезмерная начальная остойчивость ухудшает характеристики бортовой качки: уменьшается период, увеличиваются амплитуды и ускорения. Это отрицательно сказывается на обитаемости корабля вследствие вредного физиологического влияния качки на состояние людей - работу их вестибулярного аппарата, приводящего к общеизвестной морской болезни. Выбор поперечной метацентрической высоты на пассажирских судах в значительной мере обусловлен требованиями по созданию комфорта для пассажиров и решения вопросов по экономичности судна. Наиболее неблагоприятными являются частоты в диапазоне 4 – 7 Гц.

По отношению к бортовой качке судно представляет собой систему с резко выраженными резонансными свойствами. Если в спектре волнения присутствует частота, достаточно близкая к собственной частоте бортовой качки судна, то среди всех других видов бортовая качка будет существенно выделяться по своей интенсивности. Это явление соответствует понятию основного резонанса. Кроме того существует понятие параметрического резонанса, при котором кажущаяся частота волнения составляет половину собственной частоты бортовой качки. Качка в условиях параметрического резонанса обладает более узким частотным спектром, т.е. требуется гораздо более точное совпадение вынуждающих частот с половиной собственных частот качки судна, чем в условиях основного резонанса.

Бортовая качка с большими амплитудами чревата смещением груза, потерей остойчивости и опрокидыванием судна.

Килевая качка в сочетании с прямым воздействием волн может привести к перелому корпуса, или к местным повреждениям корпуса или к нарушению нормальной работы корабельных конструкций, устройств и механизмов из-за наклонений корабля при качке и дополнительных инерционных нагрузок. Проявляется воздействие волн и качки в виде днищевого и бортового слеминга, заливания палубы, вибрации корпуса, снижения скорости судна, разгона винта, рыскания судна на курсе, смещения груза в трюмах и на палубе, смыва или вываливания палубного груза за борт, обледенения судна при заливании в условиях отрицательных температур. Наибольшее влияние килевой качки на судно проявляется в виде слеминга, заливания и разгона винта.

Слеминг

Днищевой слеминг возникает в процессе продольной качки судна при оголении носовой оконечности и последующего соударения с волной. Слеминг определяется совместным выполнением двух условий: оголением днища и входом его в воду с вертикальной скоростью относительно воды, большей, чем (3 – 4)√L̅, м/с, где L – длина корпуса судна. Частота ударов зависит от осадки носом, от амплитуды и часты относительных колебаний уровня воды по борту. Однако, не всякие удары опасны. Слеминг опасен тогда, когда давление удара превышает нагрузку, которая вызывает остаточные деформации днищевых перекрытий. Такие удары приходятся на район (0,15 – 0,25)L от носа, где форма днища приближается к плоской, а местная прочность меньше, чем у носовой оконечности. Пики давления при слеминге достигают 16 атм., в то время как несущая способность днищевых перекрытий в опасном районе обычно от 3 до 9 атм.

Вероятность ударов тем больше, чем больше высота волн и скорость судна в широком диапазоне курсовых углов встречного волнения. Поэтому исключения слеминга легче добиться увеличением осадки носом или уменьшением скорости.

Заливание палубы

Заливание палубы возникает в процессе продольной качки судна с низким надводным бортом и относительно малым развалом в носовой оконечности, а также у судов с большой осадкой носом. Заливание происходит либо в виде зарывания носом в волну, либо в виде обрушения брызговых струй. Расчетная оценка зарывания определяется из условия превышения относительным уровнем воды высоты надводного борта по верхнюю кромку фальшборта.

Заливание палубы и удары волн в развал носа (бортовой слеминг) вызывают повреждения бака, палубного оборудования, трубопроводов на танкерах, люковых закрытий, палубного груза, комингсов трюмов, порчу груза в трюмах. Максимальное динамическое давление достигает 6 – 8 атм.

На опасность заливания сказывается осадка носом, скорость судна, высота надводного борта, значительно меньше – курсовой угол волны. Исключения заливания легче добиться уменьшением скорости или уменьшением осадки носом.

Разгон винта

Неравномерная работа винта и двигателя вызывается резким снижением гидродинамической нагрузки винта во время оголения лопастей при качке. При разгоне двигателя нарушается его нормальный рабочий процесс, увеличивается износ деталей и снижается моторесурс. Переменные гидродинамические нагрузки могут привести к поломке лопастей, конструкции гребного валопровода, вызвать вибрацию вала и кормы. Напряжения в гребном валу могут возрасти в 2 – 3 раза.

Вероятность разгона винта тем больше, чем больше высота волн, амплитуда продольной (а для двухвинтовых судов – и бортовой) качки, чем меньше осадка кормой. Наиболее неблагоприятен разгон винта для дизелей.

Несмотря на имеющиеся на данный момент методы определения параметров качки, интересным представляется изучение качки посредством датчиков спутниковой навигационной системы (СНС). Основу экспериментальных исследований составляют вертикально и горизонтально разнесенные датчики СНС, расположенные на судне, следующем на косом волнении, в результате чего судно испытывает рыскание, вертикальную, бортовую и килевую качки. Одномоментные показания датчиков СНС регистрируются при помощи средств программного обеспечения. Авторами были внесены некоторые изменения в процедуру эксперимента, изложенную в статье [1]. В данном случае использовалось не три, а четыре датчика GPS Global Sat BU-353. Один датчик располагался в ДП (диаметральной плоскости судна) в ходовой рубке, второй на мачте также в ДП, третий датчик был на максимально возможное расстояние вынесен к борту судна, четвертый располагался также на максимальном расстоянии от первого в ДП судна в направлении кормы. Внесение подобных изменений было связано с тем, что при определении параметров качки по разности широт и долгот, как это было сделано в работе [1], возникали достаточно большие погрешности. К сожалению, подключить четыре датчика к одному компьютеру не представлялось возможным, поэтому было задействовано два компьютера, к каждому из которых подключалось по два датчика. Отдельно был прописан программный модуль синхронизации по времени разных датчиков при обработке данных. Понятно, что сигнал с датчиков GPS Global Sat BU-353, подключаемых к USB 2.0 портам компьютеров, при передаче на такие расстояния «затух» бы совсем, поэтому применялся активный USB 2.0 удлинитель Омикс USB 2.0, имеющий длину 20 метров и два усилителя, позволяющих передать сигнал с датчика на такое большое расстояние в режимах high-speed (480 Мб/c), full-speed (12 Мб/с) и low-speed (1.5 Мб/c), что вполне приемлемо в данных условиях.

Расположить изначально датчики, кроме датчика на мачте, в одной плоскости горизонта не представляется возможным, поэтому при выходе в рейс, разница в высотах размещения датчиков относительно центрального фиксировалась и определялось расстояние до них. Определялась и высота от центрального датчика до датчика на мачте и, по сути, это и являлось тарировочным расстоянием, по которому корректировались замеры всех остальных датчиков.

Обработка результатов, в отличие от метода, изложенного в статье [1], велась не по широтно-долготным координатам, а по высотам над уровнем моря, которые снимались с каждого датчика, синхронизировались по времени, передавались для уменьшения «шумов» в модуль, реализующий упрощенный скалярный фильтр Калмана [2], изменялись на уровень изначальных поправок в разнице высот, корректировались по тарировочному расстоянию от центрального датчика до датчика на мачте. В конечном итоге, по разнице высот горизонтально расположенных датчиков, определялся угол крена и дифферента судна.

Данные с GPS датчиков обрабатывались программой Ozi Explorer 3.95.4.m, экспортировались в Microsoft Office Excel, затем запускался программный модуль по синхронизации замеров по времени и осуществлялись дальнейшие вычисления.

Промежуточные данные из программы Ozi Explorer 3.95.4.m выглядят следующим образом:

Datum,WGS 84

TP,DMX,58,35.9552,148,40.9820,10/08/2016,00:56:50.001,1,36.9,1, , , ,

TP,DMX,58,35.9441,148,40.9769,10/08/2016,00:56:54.001,0,37.2,1,21.2,4.0,5.30,193.5

В Microsoft Office Excel они после экспорта выглядят так:

Широта,
град.

Широта,
мин.

Долгота,
град.

Долгота,
мин.

Дата

Время

Высота, м.

Курс, град.

58

35.7149

148

40.8741

10/08/2016

00:58:16.997

39.3

195.4

58

35.7037

148

40.8687

10/08/2016

00:58:20.997

40.0

195.2

Список литературы

  1. Умрихин В.П., Петровский С.В. Программное обеспечение для решения задачи выхода судна из зоны резонансной качки. – Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Научный журнал №1, 2010 г. 107-109 с.
  2. Электронный ресурс. – http://malinnikov.ru/filtr-kalmana/