НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ КОРАБЛЕВОЖДЕНИЯ
капитан 2 ранга ,
адъюнкт Тихоокеанского военно-морского
института им. .
Увеличение осадки кораблей, удаление судоходных путей от берега требуют совершенствования зрительных средств навигационного оборудования, эффективность которых в настоящее время недостаточна. Это также актуально для угрожаемого периода и для военного времени, когда необходимы скрытный выход кораблей из базы в условиях действия различных сил и средств разведки вероятного противника, прохождение маршрута вблизи берегов и по мелководным районам, а также, к примеру, скрытная проводка кораблей за ордером тральщиков. Одним из перспективных направлений дальнейшего совершенствования средств навигационного оборудования (СНО) является использование в них в качестве источника света лазера, излучение которого характеризуется высокой спектральной яркостью, монохроматичностью и малой расходимостью пучка излучения.
Использование лазерных источников света не только повышает дальность действия маяков, но и позволяет создавать принципиально новые средства навигационного оборудования: автономно работающие лазерные маяки с использованием в качестве источника электроэнергии радиоизотопных термоэлектрических генераторов; секторные створные маяки, имеющие одну несущую колонну, что является существенным преимуществом перед традиционными створами и делает их незаменимыми при оборудовании средствами навигационного оборудования портов в черте крупных городов, скалистых берегов, заливаемых и болотистых районов.
Одно из первых упоминаний об использовании лазерных пучков в средствах судовождения относится к 1969 г. В отечественной литературе первые сообщения об использовании лазеров в СНО относятся к 1971-1972 гг.
В настоящее время существует значительное количество устройств, основанных на различных принципах действия, которые могут быть использованы в качестве навигационных систем и средств навигационного оборудования.
Использование в классе зрительных СНО лазерных источников света, обладающих естественной расходимостью в несколько угловых минут, более перспективно с точки зрения повышения дальности их обнаружения в замутненной атмосфере, чем тепловых источников света. Расходимость пучка излучения последних в принципе нельзя свести до уровня лазерных пучков без существенной потери их энергии. Высокая направленность лазерного излучения позволяет создать зрительные СНО с большой точностью задания зон ориентирования, а высокие монохроматичность и спектральная яркость лазерного излучения позволяют легко обнаруживать и опознавать их цвет на фоне других огней и солнечных засветок.
Несомненно, наиболее перспективным является устройство трехцветного маяка, которое разработано на базе уникального образца трехцветного лазера на парах металлов. Устройство, получившее название «Лиман-2». При создании маяка был использован целый ряд принципиальных технических решений.
Устройство сканирования обеспечивает задание коридора ориентирования с тремя, пятью и семью секторами. Угловые размеры зон ориентирования могут регулироваться в следующих пределах: в вертикальной плоскости от 15 угл. мин до 5°, в горизонтальной плоскости от 15 угл. мин до 12°. Максимальные размеры коридора ориентирования могут достигать 5° в вертикальной и 50° в горизонтальной плоскостях. Таким образом, устройство может работать в режимах секторного и створного маяков.
Способ задания зон ориентирования цветностью действия огня позволяет ориентироваться с точностью до 4 м при удалении 1 км. Такая точность обеспечивает нормальную проводку судов по подходным каналам в большинстве существующих портов. Дальнейшее увеличение точности ориентирования при этом способе за счет сужения центральной зоны возможно, однако это приводит к усложнению техники проводки, особенно крупнотоннажных кораблей и судов.
Трехцветный секторный маяк «Лиман-2» обладает уникальными возможностями для решения широкого круга навигационных задач и отвечает самым высоким требованиям, предъявляемым к приборам такого назначения.
Благодаря высокой монохроматичности лазерного излучения проблески лазерных средств навигационного оборудования почти не меняют цветности по мере удаления и четко различаются на фоне других источников света. Это свойство делает лазерные СНО предпочтительными при установке навигационного оборудования на акватории портов и в районах с высокой плотностью фоновых огней.
Вопросы о целесообразности применения лазерных створов и об их конструкции следует решать исходя из конкретных условий плавания и обеспечения его безопасности с учетом технических возможностей и экономической эффективности СНО.
В ряде случаев наибольший эффект от лазерных створных маяков будет достигнут при одновременном использовании их с другими видами СНО. Так, для одноточечного лазерного створа характерно сужение зон по мере приближения к месту установки аппаратуры. В результате выход в ведущую зону и удержание в ней крупнотоннажного судна могут оказаться затруднительными. В этом случае целесообразно обозначать плавучими СНО или секущими створами точки начала маневра по выходу в ведущую зону и ограждать бровки канала или границы фарватера.
В 1981 году было предложено решение задачи проводки судов с высокой точностью с помощью оригинальной системы на лазерах. С самого начала эта работа проходила с участием инженеров-физиков и специалистов водного транспорта.
Предлагалась принципиально новая схема лазерного створа с использованием сканирующих лучей. Эта технология достаточно подробно отражена в печати, в том числе, журнале «Речной Транспорт», под названием лазерный створный маяк «Анемон». Название «Анемон» лазерная навигационная система получила от первого заказчика этих исследований - Главного Управления навигации и океанографии Министерства обороны Российской Федерации.
Лазерный створный маяк (ЛСМ) «Анемон» состоит из двух установленных на берегу лазерных маяков (узконаправленные лучи синхронно двигаются в горизонтальной плоскости, пересекаясь). Новая зрительная задача, решаемая судоводителем, состоит в том, чтобы вести судно в зоне одновременного восприятия огней, расположенных вдоль берега. При движении вдоль оси створа судоводитель видит одновременно оба лазерных огня в виде проблесков.
Из этапов развития данного научного направления, возникшего и пробивавшего себе дорогу в трудных условиях перестройки и последующих 90-х годов, отметим первое в России для лазерных навигационных устройств принятие системы «Анемон-1» на снабжение флота. К настоящему времени в активе создателей «Анемона» - первая в России установка и 6-летняя эксплуатация системы «Анемон-2» на Волго-Балте, первая на море установка и опытная эксплуатация «Анемон-3» в порту Туапсе, впервые решенная задача обеспечения постоянного бокового уклонения (точности указания курса) на протяжении всего фарватера в порту Калининград: опытная эксплуатация прототипа «Анемон-4» в 2006 г.
Особо следует отметить результаты опытной эксплуатации ЛСМ «Анемон» в порту Калининград, где межведомственная комиссия отметила уникальные результаты по точности удержания судна на курсе – боковое уклонение 3,5м, дальность действия - свыше 9 км в ночное и дневное время. Теоретические выводы и расчеты полностью подтвердились проведенными экспериментами и опытной эксплуатацией в течение ряда лет на разных участках водных путей и в портах страны.
К настоящему времени по результатам опытной эксплуатации ЛСМ «Анемон» на Волго-Балте, Туапсе и в Калининграде, более ранних испытаний, можно с уверенностью заявить, что в России создано не имеющее аналогов высокоточное средство навигационного оборудования на водных путях с применением новейших лазерных технологий. Оно будет востребовано в целом ряде портов со сложными условиями подхода судов, особенно для узких и длинных каналов.
Недостаток данных систем – поглощение и рассеяние лазерного луча в тумане, что несколько уменьшается, благодаря высокой степени поляризации этого излучения. На дальность действия таких систем существенно влияет прозрачность атмосферы, причем в условиях значительных помутнений атмосферы видимость лазерного маяка уменьшается, но все же остается выше, чем штатных огней и знаков.
В дневных условиях значительное влияние на дальность видимости оказывает яркость фона. В этих условиях видимость штатных знаков в определенных условиях их освещения солнцем бывает значительно выше, чем штатных огней, и сравнима с дальностью действия лазерного маяка.
Использование бинокля увеличивает дальность видимости сигналов лазерного маяка на 10-50% в зависимости от расстояния.
Во всех случаях наблюдений дальность видимости лазерного маяка выше дальности видимости штатного источника света не менее чем в 1,5 раза.
Наибольшее преимущество лазерного источника света проявляется в ночных и сумеречных условиях, а также в условиях пониженной метеорологической дальности видимости. В этот период дальность видимости штатных огней и знаков всегда в 2 и более раз меньше, чем дальность видимости лазерного источника света.
В настоящее время за рубежом разработаны и успешно используются на практике лазерные навигационные системы, которые относятся к классу инструментальных систем. В данных системах с помощью бортового приемоиндикатора формируются численные значения координат места корабля.
Интерес к таким навигационным системам вызван, прежде всего, их способностью работать в условиях пониженной видимости, сумерках и в ночное время, а также высокой точностью и простотой измерений.
К указанному классу можно отнести лазерную гидрографическую систему Polarfix, разработанную в Германии.
Для работы системы на борту судна размещается приемоиндикатор-вычислитель, а на его мачте – круговой призменный отражатель и приемопередающая радиотелеметрическая антенна. Береговая автоматизированная лазерная станция обеспечивает измерение пеленга на судно путем слежения за отражателем по отраженным от него импульсам лазерного излучателя, наводимого следящей системой. При этом по времени распространения импульсов до судна и обратно определяется дистанция. Измеренные данные по телеметрическому каналу передаются береговой станции на судно для обработки. По этому же каналу судоводителем осуществляется управление, включение и выключение береговой станции.
В случае потери контакта с судном, береговая станция продолжает угловое сопровождение со скоростью, равной угловой скорости перемещения судна в момент, предшествующий потере контакта, или, если в течение одной минуты контакт не восстанавливается, станция осуществляет автоматический поиск путем быстрого углового сканирования.
Средняя квадратическая погрешность (СКП) измерения дистанции системой равна 0,2 м на 1 км измеренного расстояния, а погрешность пеленгования – 0,01°, при этом СКП определения места обеспечиваемого объекта на предельной дистанции в 5 км составляет ±1,04 м.
Система по сравнению с другими высокоточными средствами определения координат обладает рядом преимуществ благодаря:
- измерениям с помощью одной малогабаритной переносной береговой станции, что упрощает развертывание и эксплуатацию системы;
- практически непрерывной выдаче данных о месте судна в реальном времени;
- автоматическому поиску и слежению за объектом.
Аналогичная система Polartrack той же фирмы обеспечивает:
- измерение дистанции с погрешностью 10 см при удалении судна до 10 км;
- измерение горизонтальных и вертикальных углов – с погрешностью 3,6 угловых секунд при частоте 10 Гц.
Представляет интерес автоматическая система определения места судна, разработанная в Австралии. Ее отличительной особенностью является то, что сканирующее приемопередающее лазерное устройство размещается на борту судна, а на берегу, в точках с известными координатами, устанавливаются призменные отражатели.
Приемопередающее устройство последовательно облучает отражатели и измеряет углы между ними. Значения измеренных углов вводятся в микро-ЭВМ, входящую в состав бортовой аппаратуры, где с учетом заранее введенных координат мест установки отражателей рассчитываются место судна и маневренные элементы его движения.
Испытания опытного образца системы показали, что СКП определения места составляет 0,1 м на дистанциях от 0,3 до 3 км. Система разрабатывалась для относительно малоподвижных земснарядов, работающих на тихой воде. Использование системы в других условиях потребует ее существенного усложнения, вызванного необходимостью пространственной стабилизации и наведения лазерного излучателя.
К сожалению, у нас в стране нет внедренных, работающих непосредственно на кораблях систем данного класса. Существует ряд разработок оптических локационных систем для определения координат места корабля (судна).
Автоматическая система определения места корабля, разработанная в Австралии, проста в эксплуатации, имеет высокую точность и надежность определения места, но рассчитана на использование в условиях отсутствия волнения.
На кафедре Кораблевождения Тихоокеанского военно-морского института была предложена и запатентована полезная модель лазерной системы контроля и управления движением корабля, использование которой предусматривает устранение недостатков, упоминавшихся выше.
Т. к. при ухудшении гидрометеорологических условий (ГМУ) по волнению, происходит искажение направленности зондирующего сигнала, в состав предложенной системы введен блок, содержащий инерциальную навигационную систему (ИНС), что позволит стабилизировать источник лазерного излучения в плоскости истинного горизонта и в диаметральной плоскости корабля.
В угрожаемый период (военное время), в условиях комплексного противодействия со стороны вероятного противника, берется под сомнение возможность точного и надежного определения места корабля по радионавигационным и спутниковым системам навигации. Предложенная лазерная навигационная система имеет несомненное преимущество, т. к. ее работа имеет высокую степень скрытности и практически не подвержена влиянию средств подавления противника.
Также в предложенной системе реализован алгоритм преобразования вектора движения корабля в сигнал управления на авторулевой и систему управления движением.
В результате этих нововведений будет обеспечиваться безопасное кораблевождение по фарватерам, каналам, в сложных ГМУ, включая сильное волнение, с возможностью непрерывного определения текущих координат и коррекцией местоположения корабля. А также это позволит автоматизировать и усовершенствовать существующие системы управления движениям кораблей.
Лазерные инструментальные системы могут найти широкое применение при плавании по фарватерам, каналам, подходах к пирсам, причалам, постановке на бочки, оборудованные отражателями, при плавании вблизи берега с гористым изрезанным рельефом, где нужна большая разрешающая способность и минимальная «мертвая» зона, при поиске людей, спасательные средства которых покрыты отражающим слоем.
Доклад закончен.
