IEEE Transactions on Magnetics

> REPLACE THIS LINE WITH YOUR PAPER IDENTIFICATION NUMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT) <
1
Использование судовых радиолокационных
станций для повышения безопасности
маневрирования морских судов в штормовых
условиях
Дмитрий Хоменко, Денис Акмайкин
Морской Государственный Университет им. адм. Г.И. Невельского.
690050 г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50-а, кааб 425
Аннотация: Статья посвящена разработке системы
предупреждения аварийных ситуаций на морском судне
при движении в полях волн, за счет определения высоты и
скорости движения морских волн с помощью судовой
радиолокационной станции.
Ключевые слова: морское волнение, безопасность
мореплавания, волновая диаграмма, радиолокационная
станция, малая постоянная времени, электронная
картографическая система
Д
ля морских судов, осуществляющих судоходство в
открытом море, волнение моря, как правило, является
одним из решающих факторов. Для любого судна, в
зависимости от условий и степени шторма движение в
штормовых условиях связано с целым рядом неприятных
или даже опасных обстоятельств: усилением качки,
зарыванием в волну, попаданием на палубу больших масс
воды и др. Особое влияние морское волнение оказывает
на такие мореходные качества судна, как остойчивость,
качка и управляемость. Существует ряд факторов,
которые могут привести к аварийной ситуации.
Возникновению
аварийной
ситуации
обычно
предшествует одно из следующих трех явлений или их
комбинация:
значительное изменение или потеря поперечной
остойчивости при прохождении вершины волны вблизи
миделя судна. Наиболее опасным в этом отношении
является движение судна на волнах, длина и скорость
которых близки соответственно к длине и скорости судна.
При этом время пребывания судна с пониженной ниже
опасного уровня остойчивостью за кажущийся период
волны может оказаться большим, чем время, необходимое
ему на наклонение из вертикального положения на
опасный угол крена или на опрокидывание;
основной или параметрический резонансы бортовой
качки, когда соответственно τ = То или τ = То/2, где τ –
кажущийся период набегания волн, То – период качки
судна;
захват
волной,
потеря
управляемости
и
самопроизвольный неуправляемый разворот судна лагом к
волне — брочинг. Наиболее опасным является захват на
переднем склоне волн, имеющих скорость волны больше,
скорости судна и длину волны λ=0,84-1,3 относительно
длины судна. Брочингу в основном подвержены малые
суда, имеющие длину менее 60 м.
Для облегчения задачи управления судном в шторм
советскими учеными были предложены специальные
диаграммы для выбора курса скорости в штормовых
условиях. Такие диаграммы разработаны В.Г. Власовым,
С. Н. Благовещенским, Л. М. Ногидом, Ю. В. Ремезом [1].
В практике плавания наибольшее распространение
получили универсальные диаграммы Ю. В. Ремеза для
больших глубин. Для практического применения глубина
считается большой, если она превышает половину длины
волны.
Универсальная диаграмма для больших глубин (рис. 1)
состоит из верхней и нижней частей.
По вертикальной оси верхней части диаграммы
отложены длины волн λ, по горизонтальной — проекции
скорости судна на линию бега волн Vсоsq. Здесь V —
скорость судна, уз; q — курсовой угол бега волн, град.
Правая половина диаграммы отвечает ходу на
встречном волнении, под которым понимаются курсы
прямо против волны (вразрез волне) и волна в скулу.
Средняя вертикаль соответствует курсу лагом к волне при
любой скорости судна либо любом положении судна по
отношению к набегающим волнам при нулевой скорости.
Левая половина отвечает ходу на попутном волнении,
включая в это понятие курсы волн прямо по волне. Левой
половине диаграммы соответствуют отрицательные
значения Vсоsq, где (90°<q<180°).
Верхняя часть диаграммы содержит семейство кривых,
каждая из которых построена для определенного значения
кажущегося периода волны τ. Эти значения надписаны на
соответствующих кривых.
Когда судно не имеет хода либо идет лагом к волнам,
кажущийся период волны τ совпадает с ее истинным
периодом (периодом по отношению к неподвижному
наблюдателю) τо. Таким образом, ордината пересечения
> REPLACE THIS LINE WITH YOUR PAPER IDENTIFICATION NUMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT) <
вертикальной оси диаграммы с кривой, отвечающей
данному значению кажущегося периода τ, определяет
собой длину волны λ, истинный период которой равен τо.
Так, например, при τо = 8с λ=100 м, при τо = 12с λ = 225 м
и т. д. На встречном волнении кажущийся период волны
оказывается меньше истинного, на попутном, если только
судно не обгоняет волну, — больше истинного.
Рис. 1. Универсальная штормовая диаграмма, разработанная
Ю.В. Ремезом для больших глубин: λ — длина волны; V — скорость
судна; q — курсовой угол бега волны.
Если на попутном волнении проекция скорости судна на
направление распространения волн Vсоsq совпадает со
скоростью волн, которая равна 2,43√λ уз, то кажущийся
период волны обращается в бесконечность, т. е. волны на
судно не набегают и оно движется, как бы «оседлав»
волну. В этом случае на чисто попутном волнении судно
по отношению к системе волн как бы неподвижно.
Наблюдателю, находящемуся на судне, будет казаться, что
оно дрейфует.
Указанному случаю на диаграмме соответствует
штриховая кривая τ = ∞.
Нижняя часть диаграммы включает семейство
концентрических
полуокружностей
с
центром,
расположенным в начале координат диаграммы, и пучок
2
лучей, исходящих из центра. Каждая полуокружность
отвечает определенному значению скорости V (уз),
каждый луч - определенному курсовому углу q. Правая
часть диаграммы встречному, а левая — попутному
волнению.
Поскольку при построении диаграммы принято, что
волны движутся справа налево, вектор скорости судна
направлен из центра к периферии ее нижней части вдоль
луча, соответствующего данному значению курсового
угла q. Определенному сочетанию скорости с курсового
угла отвечает точка нижней части диаграммы, являющаяся
концом вектора скорости судна.
Нижняя часть диаграммы дает возможность графически
находить значения Vсоsq при данном сочетании V и q, а
также решать обратную задачу определения всех значений
V и q, отвечающих заданной величине Vсоsq.
Штормовые диаграммы В. Б. Липиса и Д. В.
Кондрикова, универсальная диаграмма Ю.В. Ремеза, а
также другая информация, содержащаяся в нормативных
документах, может существенным образом помочь
капитану выбрать оптимальное решение. Так же
диаграмма
Ю.В.
Ремеза
позволяет
определить
неблагоприятные сочетания скорости и курсовых углов
бега волн, так называемых резонансных зон, что дает
судоводителю возможность принимать решения о выборе
метода штормования.
Однако практическое применение штормовых диаграмм
на судне не осуществляется, из-за сложности расчетов, а
также из-за того, что высота и направление волн чаще
всего определяется судоводителем визуально. При
движении в штормовую погоду капитаны стараются не
идти лагом к волне, а двигаться волне навстречу, т.к. при
этом качка минимальна. При осуществлении маневра,
стараются сократить время воздействия волн в опасном
положении.
В настоящее время спутниковые микроволновые
приборы различных диапазонов длин волн используются
для глобального мониторинга скорости и направления
ветра над водной поверхностью, определения параметров
волнения, картирования и измерения характеристик
ледового покрова, измерения влагосодержания и
водозапаса атмосферы над океаном, определения зон
осадков и оценки их интенсивности. [2]. Однако для
практического применения на судне, такие методы
определения параметров морской поверхности не годятся.
Получение оперативно карт такого характера на суда
требует либо длительного времени, когда карты уже
становятся не актуальными, либо возможен практически
мгновенный прием со спутника, но требует установки
дополнительного
дорогостоящего
оборудования
и
несопоставимых трудозатрат судоводителя на получение и
обработку принятой информации.
Для повышения безопасности мореплавания, как один
из методов определения высоты и направления морских
волн возможно с помощью обработки сигнала судовой
> REPLACE THIS LINE WITH YOUR PAPER IDENTIFICATION NUMBER (DOUBLE-CLICK HERE TO EDIT) <
радиолокационной
станции.
При
работе
радиолокационной станции имеют место различного рода
помехи. В частности, значительное влияние на работу
судовой радиолокационной станции оказывают помехи,
вызванные отражательным действием морских волн,
дождя, облаков и т.п. Эти отражения вызывают мощные
помехи
большой
длительности,
перегружающие
видеоусилитель приемника и почти исключающие
возможность наблюдения за объектами на экране РЛС.
Для того чтобы предотвратить влияние мощных помех
большой
длительности,
приемники
судовых
радиолокационных станций имеют между выходом
детектора и входом первого каскада видеоусилителя
дифференцирующие цепи, называемые иногда цепью
малой постоянной времени [3].
Обрабатывая не отфильтрованный сигнал, сразу после
выхода детектора, по характеристикам его спектра можно
судить о гидрометеорологических параметрах вокруг
судна. Дальнейшая обработка этого сигнала позволит
выделить отдельные виды этих параметров, в том числе
морское волнение в реальном времени.
Использование полученной информации возможно в
морских электронных картографических системах.
Современные
картографические
системы
имеют
множество инновационных возможностей, одной из
которых
является
возможность
прогнозирования
местоположения судна, при осуществлении маневра
(рис. 2).
Рис. 2. Режим прогнозирования маневра в электронной
картографической системе компании Kelvin Hughes
Зная параметры волнения, направление и скорость
движения судна, представляется возможным разработка
программного
модуля для систем картографии,
отслеживающего движение судна относительно полей
волн и рекомендация оптимального курса движения при
данном условии волнения. В случае необходимости
предупреждение судоводителя об опасных курсах и
скоростях близких к резонансу. Зная характер волнения,
возможна
функция,
предлагающая
такой
курс
относительно полей волн, позволяющий оптимально
сочетать экономию топлива и ходового времени судна. А
3
в
сложных
штормовых
условиях,
возможности
предлагаемого модуля, могут спасти жизнь экипажа и
судна.
Литература
[1] Демин С.И., Жуков Е.И., и др. Управление судном.; Под. ред.
Снопкова В.И. – М.: Транспорт, 1991. – 395с.
[2] Ю.А. Кравцов, М.И. Митягина, А.Н. Чурюмов, Нерезонансный
механизм рассеяния электромагнитных волн на морской
поверхности: рассеяние на крутых заостренных волнах //
Известия ВУЗов. РАДИОФИЗИКА, том XLII, №3, 240-254, 1999.
[3] Байрошевский А.М. Судовые радиолокационные станции.; Издво: Морской транспорт., - Ленинград, 88. – 348с.
Краткая биография авторов:
Хоменко Дмитрий Борисович родился 29.06.1982г. в г.
Арсеньев, Приморского края, с 1997 по 2001 год учился в
Приморском авиационном техникуме, 2001-2003гг.
срочная служба на Тихоокеанском флоте. 2003-2009гг.
учеба в Морском Государственном Университете им. адм.
Г.И. Невельского по специальности радиоинженер. С
2009г. по настоящее время учеба в аспирантуре
названного университета по специальности 05.22.19
«Управление на морском транспорте, судовождение». В
настоящее время опубликовано 5 научных работ
посвященных использованию технических средств
судовождения для повышения безопасности мореплавания
и усиления охраны на море.
Акмайкин Денис Александрович родился 20.03.1975г. в
г. Находка, Приморского края. С 1992 по 1998 г. учился в
Дальневосточной Государственной Морской Академии
им.
адм. Г.И. Невельского по специальности
радиоинженер. 1998-2000 гг. работал помощником
капитана по радиоэлектронике. с 2000 года работа в
Морском Государственном Университете им. адм. Г.И.
Невельского
на
кафедре
технических
средств
судовождения Судоводительского факультета. В 2005г.
защитил диссертацию, и получил
ученую степень
кандидата физико-математических наук. Занимается
вопросами
использования
технических
средств
судовождения для повышения безопасности мореплавания
и усиления охраны на море. Автор более 20 научных работ
и свидетельств на программные продукты по теме
исследования.