بخشی از مقاله
چکیده
پیش بینی و تخمین دقیق مسیر حرکت در ناوبری کشتی های اقیانوس پیما یکی از ملزومات اساسی برای بهبود ایمنی و امنیت در دریانوردی می باشد. از این رو در بسیاری از سیستم های دریانوردی الکترونیکی مرسوم استفاده از امکانات راداری یکی از روش های پرکاربرد برای نیل به این مقصود می باشد. از سوی دیگر به علت افزایش ترافیک دریایی استفاده از امکانات راداری در مسیرهای پر تردد با چالش عدم دقت مواجه می گردد.
این مقاله با ارائه یک مدل حرکتی منحنی برای مسیر کشتی و اندازه گیری متغیرهای سیستمی مدل در یک محیط نویزی مسیر حرکتی مناسب را برای کشتی پیش بینی می کند. فیلتر کالمن توسعه یافته به عنوان یک فیلتر تطبیقی ابزاری کاربردی برای تخمین متغیر های غیرخطی این مدل حرکتی در یک محیط نویزی می باشد. در این مدل سرعت و شتاب به عنوان متغیرهای حرکتی استفاده می شوند.
-1 مقدمه
ترافیک دریایی با افزایش حجم تبادلات دریایی بین کشورها و افزایش کشتی های مسافربری، رو به روز در حال افزایش می باشد. از سوی دیگر به علت ناامنی در بخش عظیمی از اقیانوس ها به علت حضور دزدان دریایی تردد ناوهای جنگی کشورهای ذینفع، شدیدا افزایش یافته است. تمامی موارد یاد شده سبب شده است که ترافیک دریایی افزایش خیره کننده ای در سالهای اخیر داشته باشد.
بنابراین آنچه که باید موازی با افزایش ترافیک دریایی رشد داشته باشد، جلوگیری از تصادم دریایی می باشد. به همین منظور سازمان جهانی دریانوردی پیشنهادات و دستورالعمل هایی برای تردد در خطوط کشتیرانی وضع کرده است تا با اجرای مفاد آنها ایمنی کشتی ها و دریانوردان مخاطره آمیز نشود
در همین راستا در5 آگوست سال 2002 دستور العملی به کلیه سازمان های کشتیرانی ابلاغ گردید که بر اساس آن کشتی ها برای تردد در خطوط کشتیرانی باید از سیستم های الکترونیکی استفاده کنند که قابلیت شناسایی و رهگیری هدف، تخمین و پیش بینی مسیر حرکت را به صورت همزمان را داشته باشند. از جمله تکنولوژی های کمک ناوبری مرسوم که قابلیت های فوق را داشته باشند می توان به رادار، آرپا - - ARPA، سیستم شناسایی هدف - - AIS اشاره کرد.
همه تجهیزات یاد شده قابلیت بسیار مناسبی برای ناوبری ایمن در خطوط کشتیرانی را دارند. ولی کاربرد آنها در خطوط کشتیرانی پر تردد به علت ازدحام شناورها در یک منطقه محدود، نویزپذیری سنسورهای اندازه گیری، عدم کالیبراسیون دقیق دستگاه ها و عدم دقت کافی برخی سنسورها در اندازه گیری، استفاده از این تجهیزات را با چالش بزرگی مواجه می کند. آنچه که در این مقاله مورد توجه و بررسی نویسنده قرار گرفته است ایجاد روش و الگو مناسبی برای ناوبری است که به کمک آن بتوان در محیط های پر ترافیک سرعت و مسیر مناسب کشتی را به گونه ای پیش بینی نمود که ایرادات اشاره شده آن را با چالش مواجه نکند.
به عبارتی دیگر هدف این مقاله ارائه راهکاری است که بتواند با اندازه گیری متغیرهای سیستمی در یک محیط نویزی، متغیرهای سیستمی یاد شده را تخمین زده و در مراحل بعدی پیش بینی نماید. در میان روش های تخمین و پیش بینی در سیستم های غیر خطی استفاده از فیلتر کالمن توسعه یافته یکی از روش های مناسب و سریع با پاسخ دهی بسیار مطلوب می باشد.
فیلتر کالمن توسعه یافته مجموعه ای از معادلات ریاضی است که یک ابزار موثر محاسباتی برای تخمین حالت فرآیند در اختیار ما می گذارد. به این طریق که متوسط مجذور خطا را به حداقل می رساند. با وجود وضعیت گذشته، وضعیت حال و آینده را پیش بینی می کند. این حالت برای وقتی که مدل سیستم نیز نامشخص است دقیق عمل می کند.
-2 تعیین مدل حرکتی منحنی کشتی
مدل مناسب برای تحلیل رفتار حرکتی کشتی باید متغیرهایی را که برای تحلیل های آتی مورد استفاده قرار می گیرد شناسایی کرده تا بتوان معادله دینامیکی مدل حرکتی را براساس آنها نوشت. یک مدل ریاضی مناسب که بتواند نیاز های این مقاله را تامین کند مدل حرکتی منحنی می باشد.
در این مدل مسیر حرکت مانوری کشتی ها در یک فضای دو بعدی کارتزین در نظر گرفته می شود و معمولا از یک مسیر سهمی وار تبعیت می کند. مدل حرکت کشتی در یک دستگاه دو بعدی XY مطابق با شکل - 1 - نشان داده شده است که در آن سرعت کشتی V - t - در دو راستای محور XY دارای مولفه عمود بر هم می باشند. همچنین راه یا زاویه حرکت کشتی نسبت به محورY با مولفه - a - t نشان داده می شود
شکل شماره : - 1 - مدل حرکتی منحنی کشتی
نکته ای که اهمیت این مدل را نشان می دهد ویژگی سهمی وار بودن مسیر حرکت کشتی در معادلات شتاب می باشد. دراین مدل اگرکشتی در مسیر مستقیم یا در یک مسیر دایره ای به حرکت ادامه دهد شتاب نرمال - an - t و شتاب مماسی - at - t آن برابر صفر خواهد بود و در صورتی که حرکت آن از مدل سهموی تبعیت کند شتابی مماسی - at - t غیر صفر خواهد داشت. معادلات - 1 - نشان دهنده معادلات حرکتی کشتی با در نظر گرفتن موارد یاد شده می باشد
با استفاده از معادلات - 1 - و فرم کلی معادلات حالت برای یک سیستم غیرخطی می توان رفتار سیستمی
مدل را با استفاده از معادلات - 2 - نمایش داد.
w x - t - در معادلات - 2 - نشان دهنده نویز سیستمی بوده که در اینجا آن را به صورت نویز سفید گاوسی با مقدار میانگین صفر و ماتریس کوواریانس Q - t - که یک ماتریس قطری می باشد در نظر می گیریم. هر یک از پارامتر های نشان داده شده در - 3 - نماینگر کوواریانس متغیر حالت مربوط به خود می باشد.
علاوه بر این به خاطر خواص آمار مربوط به توزیع گاوسی می توان معادلات را به مجموعه معادلات اصلی اضافه نمود.
