zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Tự động hoá

Xác định vị trí tàu bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất hiệu độ cao thiên thể

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

38
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết nghiên cứu và đề xuất phương pháp tìm kiếm giá trị bình phương nhỏ nhất hiệu độ cao thiên thể để xác định vị trí xác suất nhất. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Xác định vị trí tàu bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất hiệu độ cao thiên thể

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG NHỎ NHẤT HIỆU ĐỘ CAO THIÊN THỂ DETERMINING THE SHIP’S POSITION BY THE CELESTIAL ALTITUDE DIFFERENCE BASED ON THE LEAST SQUARE METHOD NGUYỄN THÁI DƯƠNG Khoa Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email: nguyenthaiduong@vimaru.edu.vn Tóm tắt the chart. Currently, there have been several studies that used appropriate algorithms for Xác định vị trí tàu bằng phương pháp thiên văn determining the ship's position by the mặc dù có độ chính xác không cao nhưng là astronomical method. However, each method has phương pháp có tính độc lập, đặc biệt khi hàng certain advantages and disadvantages and hải xa bờ. Trong xu hướng hàng hải hiện đại, trên certain applicability in practice. This research tàu sẽ trang bị hai hệ thống thông tin và hiển thị proposes a method to find the minimum squared hải đồ điện tử (ECDIS), do vậy xác định vị trí tàu value of the difference of the celestial altitude to bằng độ cao thiên thể sẽ là phương pháp dự phòng determine the ship's position with the most probability. chính. Trong trường hợp này, yêu cầu về độ chính Keywords: The celestial navigation fix method, the xác của vị trí thiên văn sẽ không cao như khi được difference of celestial altitude, least square method. sử dụng làm vị trí dẫn đường trong các phương pháp hàng hải trước đây. Phương pháp truyền 1. Đặt vấn đề thống, sĩ quan hàng hải sẽ đo đạc, tính toán và Hàng hải dẫn đường ngày nay chủ yếu sử dụng các thao tác đường vị trí thiên văn để xác định vị trí hệ thống định vị vệ tinh như: GPS, GLONASS, tàu trên hải đồ. Hiện nay, đã có một số nghiên cứu GALIEO,... Tuy nhiên, nguyên tắc an toàn hàng hải đề xuất phương pháp giải bài toán thiên văn xác bao giờ cũng cần có một phương pháp xác định vị trí định kinh vĩ độ vị trí tàu ứng dụng các thuật toán tàu dự phòng cho các trường hợp sự cố bất thường trên phù hợp. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có ưu biển. Hội nghị của Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) nhược điểm và tính ứng dụng nhất định trong thực năm 2010 tại Manila, Philipine ban hành sửa đổi Công tiễn. Bài báo đề xuất phương pháp tìm kiếm giá ước Quốc tế về các tiêu chuẩn huấn luyện, cấp chứng trị bình phương nhỏ nhất hiệu độ cao thiên thể để chỉ và trực ca thuyền viên (STCW 78/2010), trong đó xác định vị trí xác suất nhất. tiếp tục nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đào tạo Từ khóa: Phương pháp thiên văn xác định vị trí và huấn luyện khả năng xác định vị trí tàu bằng tàu, hiệu độ cao thiên thể, bình phương nhỏ nhất. phương pháp thiên văn [1]. Sự tiếp tục nâng cao yêu cầu về kiến thức và kỹ năng xác định vị trí tàu bằng Abstract thiên thể xuất phát từ xu hướng các tàu sẽ trang bị Although the ship's position by the celestial ECDIS thay thế hải đồ giấy truyền thống. Trường hợp navigation fix method is not very accurate, it is an tàu hàng hải xa bờ, vì một lý do khách quan hay chủ independent method, especially when navigating quan dẫn đến không thể nhận được vị trí vệ tinh, sĩ on the open sea. In the modern maritime, the quan trực ca phải quan trắc thiên thể để xác định vị trí ship's position by celestial altitude is the main backup method because the ship will be equipped tàu. Tuy nhiên, do là phương pháp dự phòng nên yêu with two the Electronic Chart Display and cầu về độ chính xác của vị trí thiên văn không cao như Information Systems. For that, the requirement khi được sử dụng là vị trí dẫn đường cơ bản trước đây. for the accuracy of the astronomical position will Để có thể xác định vị trí tàu bằng phương pháp thiên not be as strict as used navigation in previous văn nhanh chóng, hạn chế ảnh hưởng của sai số vị trí navigational methods. In the traditional dự đoán, bài báo tập trung giải quyết một số vấn đề cơ navigational method, the officer of watch must bản sau: measure, calculate, and manipulate astronomical - Cơ sở lý thuyết của việc xác định vị trí tàu bằng position lines to determine the ship's position on phương pháp thiên văn; SỐ 65 (01-2021) 5
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY - Đánh giá độ chính xác của vị trí dự đoán; - Tính toán giá trị bình phương nhỏ nhất hiệu độ cao thiên thể; - Xác định vị trí tàu xác suất nhất. 2. Cơ sở xác định vị trí tàu bằng phương pháp thiên văn Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của sĩ quan hàng hải trong công tác điều khiển tàu là xác định vị trí thật của tàu trên mặt biển và thao tác lên hải đồ. Xác định vị trí tàu trên biển là xác định kinh vĩ độ địa dư ( ,  ) của người quan sát tại một thời điểm nhất định nào đó. Trong thiên văn hàng hải, vị trí người quan sát được xác định bằng cách tính toán vị trí thiên đỉnh trên thiên cầu, chuyển đổi sang hệ Hình 1. Thiên đỉnh của vị trí tàu trên thiên cầu tọa độ địa dư và thao tác trực tiếp trên hải đồ. Vì thế, 2.2. Nguyên lý xác định vị trí người quan sát bước đầu tiên chúng ta phải xét đến mối quan hệ giữa trên trái đất tọa độ địa dư với vị trí thiên đỉnh người quan sát trên Trên tàu, sĩ quan hàng hải tiến hành quan trắc độ thiên cầu. cao (h) và phương vị (A) của thiên thể, đồng thời ghi 2.1. Quan hệ giữa vị trí tàu và vị trí thiên đỉnh lại giờ thời kế TTK . Giải tam giác thiên văn sẽ có của vị trí tàu trên thiên cầu phương trình đường cao vị trí [3]: Hình 1 biểu diễn thiên cầu, từ vị trí tàu M( 𝑀 , sinh  sin  sin   cos  cos  cos(tG  W E) (3) 𝑀 ) trên bề mặt trái đất, chiếu M lên thiên cầu theo hướng dây dọi ta được thiên đỉnh ZM. Tương tự, với Với: một điểm G trên kinh tuyến gốc, ta có thiên đỉnh của  : xích vĩ của thiên thể (tra lịch thiên văn hàng nó là ZG. Mối liên hệ giữa vị trí tàu trên bề mặt trái đất hải với đối số là TTK ), và thiên đỉnh của nó trên thiên cầu thể hiện qua biểu  thức [2]: tG : góc giờ thế giới của điểm xuân phân  (tra lịch thiên văn hàng hải với đối số là TTK ), EZM  eM và EoE  eoe (1) E tW : kinh độ vị trí dự đoán. Về mặt lý thuyết, để có vị trí tàu phải quan trắc Hay: đồng thời từ hai thiên thể trở lên. Hệ phương trình xác  M   Z và M  tLc  tGc (2) định vị trí tàu bằng phương pháp thiên văn có dạng: Với: sinh  sin  sin   cos  cos  cos(t    E )  1 1 1 G W e : là giao của kinh tuyến người quan sát với xích  sinh  sin  sin   cos  cos  cos(t   E )  2 2 2 G W (4) đạo, . . .   eo : là giao của kinh tuyến gốc với xích đạo, sinh n  sin  sin  n  cos  cos  n cos(tG  W ) E E : là giao của thiên kinh tuyến người quan sát Hệ phương trình (4) có thể giải được bằng các với thiên xích đạo, phương pháp khác nhau để xác định vị trí tàu. Eo : là giao của thiên kinh tuyến gốc với thiên 3. Phương pháp đồ giải xích đạo, Quan sát hai thiên thể C1 và C2 được độ cao h1  Z : là xích vĩ của thiên đỉnh người quan sát, và h2 , đỉnh cự Z1 và Z 2 tương ứng tính theo công C t L : góc giờ địa phương của thiên thể C, thức: Z1  900  h1 và Z 2  900  h2 C tG : góc giờ thế giới của thiên thể C. (5) Mặt cầu tâm C1 , bán kính là Z1 giao với thiên 6 SỐ 65 (01-2021)
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY cầu cho đường vị trí là đường BB’. Tương tự, mặt cầu đường cao vị trí dựa vào các yếu tố dịch chuyển của tâm C2 , bán kính là Z2 giao với thiên cầu cho nó so với vị trí dự đoán [4]. Các yếu tố của đường cao vị trí là: đường vị trí là AA’. Giao của hai đường vị trí AA’ và Hướng dịch chuyển: AC , BB’ là thiên đỉnh người quan sát Z M (Hình 2). Lượng dịch chuyển : h  hS  hC . Chiếu xuyên tâm thiên cầu lên bề mặt trái đất nhận được: Với: - Cực chiếu sáng của thiên thể C1 và C2 là AC : phương vị dự đoán (phương vị tính), 𝑎1 và 𝑎2 , h : hiệu độ cao, - Cực chiếu sáng của thiên đỉnh ZM là vị trí hC : độ cao tính toán, của người quan sát M , hS : độ cao thật (đo đạc), - Cạnh C1Z của tam giác vị trí là cung a1M , ZC : đỉnh cự tính toán, - Hình chiếu của đường vị trí AA’ trên bề mặt ZS : đỉnh cự thật . trái đất là cung tròn aa’, tâm a1, bán kính Thời điểm xác định vị trí tàu, vị trí dự đoán là a1M  Z1  900  h1 , MC (C , C ) , thiên đỉnh người quan sát và độ cao - Hình chiếu của đường vị trí BB’ trên bề mặt thiên thể tính toán tương ứng là ZC và hC (Hình 3). trái đất là cung tròn bb’, tâm b1, bán kính Thiên đỉnh ZC sẽ nằm trên vòng tròn đẳng cao hC hC' , tâm là vị trí thiên thể C, bán kính là đỉnh cự b1M  Z2  900  h2 . Z ZC  900  hC . Hai đường vị trí giao nhau cho vị trí tàu: Giả sử cùng thời điểm, vị trí thật của tàu là aa ' bb '  M . M0 (0 , 0 ) , đo và hiệu chỉnh được độ cao thật tới Phương pháp đồ giải khó thực hiện được trong thiên thể C là hS , đỉnh cự thật Z S  900  hS . Vị trí thực tế vì phải xây dựng quả cầu để thao tác xác định thật sẽ nằm trên vòng tròn đẳng cao hS hS' , tâm là vị vị trí tàu. Với tỷ lệ 1mm trên quả cầu tương ứng với 1’ trí thiên thể C, bán kính là đỉnh cự thật Z S  900  hS . (hay 1 hải lý), đường kính của quả cầu sẽ là: 360x60/3,14=6878.98mm 7m, kích thước này không phù hợp với điều kiện tàu biển. Hình 3. Phương pháp đường cao vị trí Dựng mặt phẳng thẳng đứng đi qua thiên thể C , mặt phẳng này hợp với mặt phẳng thiên kinh tuyến người quan sát cho giá trị phương vị AC tới thiên Hình 2. Phương pháp đồ giải thể. Vòng thẳng đứng ( ZC C ) sẽ cắt vòng đẳng cao 4. Phương pháp đường cao vị trí thật hShS’ tại điểm K gần với thiên đỉnh ZC : Phương pháp đường cao vị trí được áp dụng hiện nay là phương pháp Saint - Hilaire (phương pháp hiệu h  Z C K  Z C  Z S  (900  hc )  (900  hS ) (6) độ cao). Bản chất của phương pháp này là thao tác h  hS  h C SỐ 65 (01-2021) 7
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Đường thẳng I-I tiếp tuyến với cung của vòng Bước 1: Xác định giới hạn miền tìm kiếm đẳng cao thật hShS’ (I-I vuông góc với phương vị Vĩ độ giới hạn: min  max (giới hạn phía Nam ZC C ) là đường cao vị trí. Chiếu đường vị trí từ thiên 0  min và giới hạn phía Bắc a  max ) cầu lên địa cầu và thao tác trên hải đồ (Hình 4): Kinh độ giới hạn: min  max (giới hạn phía Tây 0  min và giới hạn phía Đông b  max ) Với: min  C C , max  C  C , C sai số của vĩ độ dự đoán C , dấu (-) khi xác định vị trí tàu ở Bắc bán cầu, dấu (+) khi xác định vị trí tàu ở Nam bán cầu. min  C C , max  C  C , C sai số của vĩ độ dự đoán C , dấu (-) khi xác định vị trí tàu ở Đông bán cầu, dấu (+) khi xác định vị trí tàu ở Tây bán cầu, Sai số vị trí dự đoán (C , C ) được xác định bằng phương pháp sai số bình phương trung bình tùy thuộc vào điều kiện hàng hải cụ thể sao cho xác suất Hình 4. Đường cao vị trí trên hải đồ vị trí thật của tàu nằm trong tập  A là lớn hơn Như vậy, để vẽ đường cao vị trí trên hải đồ cần các 95%. Thực tế, trong trường hợp đặc biệt phải sử dụng yếu tố: vị trí dự đoán M C , phương vị dự đoán AC phương pháp thiên văn dự phòng để xác định vị trí và hiệu độ cao h . Vị trí tàu sẽ là giao của hai hay thì chắc chắn trên tàu chỉ có vị trí dự đoán. Khi đó, bán kính sai số bình phương trung bình (R) của vị trí nhiều đường vị trí thiên văn tương ứng với số lượng dự đoán theo công thức [5]: thiên thể quan trắc. M  ( S L )2  ( S TK )2 (7) Với: S: quãng đường tàu chạy,  L : sai số trong số hiệu chỉnh la bàn,  TK : sai số trong số hiệu chỉnh tốc độ kế. Bước 2: Thiết lập tập hợp vị trí tàu giả định trong miền tìm kiếm. Xây dựng mạng kinh vĩ tạo thành tập hợp điểm A  Fxy  với: x  1, 2,..., b và y  1, 2,..., a . Vĩ độ giới hạn phía Nam 0  min và vĩ độ giới hạn phía Bắc a  max . Hình 5. Thao tác xác định vị trí tàu trên hải đồ Kinh độ giới hạn phía Tây 0  min và kinh độ giới hạn phía Đông b  max . 5. Phương pháp thiên văn xác định vị trí tàu trên cơ sở giá trị bình phương nhỏ nhất của Khoảng giãn cách đảm bảo: sai số độ cao và phương vị thiên thể 11  i  00000001 và 11  i  00000001 . Trên nguyên tắc tính toán vị trí xác suất nhất trong Bước 3: Tìm vị trí xác suất nhất tương ứng với miền tìm kiếm lân cận vị trí dự đoán Mc của từng một độ cao đo (vị trí xác suất đơn) đường cao vị trí. Vị trí xác suất nhất xác định theo Trên tàu tiến hành quan trắc thiên thể C1 , sau khi phương pháp bình phương trung bình của các kết quả hiệu chỉnh được độ cao đo hO1 , tìm kiếm đơn. Các bước tiến hành như sau: 8 SỐ 65 (01-2021)
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 6. Kết luận Bài báo đã đề xuất phương pháp tìm kiếm giá trị bình phương nhỏ nhất hiệu độ cao thiên thể để xác định vị trí tàu xác suất nhất. Phương pháp mới phù hợp với yêu cầu về việc xác định vị trí thiên văn dự phòng cho hệ thống thông tin và hiển thị hải đồ điện tử theo sửa đổi Công ước STCW 78/2010. Điểm mạnh của phương pháp là vị trí tàu nhận được không phụ thuộc vào độ chính xác của vị trí dự đoán. Cơ sở toán học của phương pháp đơn giản, phù hợp với trình độ của sĩ quan hàng hải hiện nay. Trong nghiên Hình 6. Tập hợp điểm trong miền xác định cứu tiếp theo, tác giả đang xây dựng một chương Xét một vị trí tàu giả định là Fxy (x , y ) , độ cao trình xác định vị trí tàu tự động, ứng dụng bảng tính tính xác định theo công thức sau: Excel. Chương trình sẽ được thử nghiệm trên tàu h Cxy  sin 1[sin  x sin  biển, so sánh với phương pháp truyền thống và triển (8) khai áp dụng vào thực tế.  cos  x cos  cos(tG  yW yE ] TÀI LIỆU THAM KHẢO Hiệu độ cao: [1] International Maritime Organization. hxy  hCxy  hO1 (9) International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Vị trí xác suất nhất Fk (k , k ) tương ứng với độ Seafarers (STCW 78/2010). cao đo thiên thể C1 thỏa mãn điều kiện: [2] B. Krasavtsev, B. Khlyustin, Nautical Astronomy, (hm1n1 ) 2  min ( h xy ) 2  Mir Publishers, Moscow, 1970. [3] Nathaniel Bowditch, LL.D, The American  min ( hCxy  hO1 ) 2  (10) Practical Navigator, National Imagery and  ( hm1n1  h01 ) 2 Mapping Agency, Bethesda, Maryland, 2002. [4] David Burch, Celestial Navigation, Starpath Với: Publications, 2010. m1  1, 2,..., b và n1  1, 2,..., a [5] Phạm Kỳ Quang, Nguyễn Thái Dương, Nguyễn Như vậy, đo độ cao thiên thể C1, tìm được vị trí Phùng Hưng. Địa văn hàng hải 2. NXB Khoa học xác suất đơn tương ứng là Fm1n1 (m1n1 , m1n1 ) . và Kỹ thuật, 2012. Bước 4: Xác định vị trí tàu xác suất nhất [6] Thai Duong Nguyen. Evaluation of the accuracy Để có vị trí tàu, cần đo độ cao ít nhất là hai thiên of the ship location determined by GPS global thể. positioning system on a given sea area. Journal of Physics: Conference Series. Vol.1515, 2020. Xét trường hợp tổng quát, đo độ cao nhiều thiên thể: C1 , C2 ,..., Ck  , các vị trí xác suất đơn tương ứng [7] В. И. Дмитриев, В.Л. Григорян, В.А. Катении.  là: Fm1n1 , Fm2 n2 ,..., Fmk nk  Навигация и Лоция. Учебник для вузов. - Москва «Моркнига», 458 с. 2009. Vị trí tàu xác suất nhất F (, ) có tọa độ tính theo phương pháp sai số bình phương trung bình [8]: [8] Steven J. Miller. The Method of Least SquaresMathematics. Department Brown k k University Providence, RI 02912.  ( mi )2  ( ni )2 (11)  1 và   1 k k Ngày nhận bài: 27/10/2020 Ngày nhận bản sửa: 30/11/2020 Tên của  và  lấy theo tên của C và C trong Ngày duyệt đăng: 09/12/2020 trường hợp tổng quát. Trường hợp đặc biệt, miền xác định nằm ở hai phía của đường xích đạo, cần xác định tên theo từng bán cầu riêng biệt. SỐ 65 (01-2021) 9

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.