Спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС (GPS)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время большой інтерес представляет радионавигационная аппаратура ГЛОНАСС и GPS, измеряющая пространственную ориентацию объектов. С развитием новых технологий в области спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС и GPS навигационные измерения стали доступны практически во всех областях народного хозяйства, вплоть до бытовых приборов.

Применение фазовых методов измерения радионавигационных параметров позволяет расширить функциональные возможности радионавигационной аппаратуры, в частности, измерять пространственную ориентацию объектов.

Спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС/GPS имеют особенности, которые затрудняют их применение в качестве угломерных систем. Основной проблемой при определении пространственной ориентации объектов является наличие фазовой неоднозначности измерения фазовых сдвигов. При использовании сигналов СРНС отношение длины баз к длине волны сигналов может составлять несколько десятков, поэтому в данном случае проблема разрешения фазовой неоднозначности стоит особенно остро. Методы измерения пространственной ориентации тесно связаны с методами разрешения фазовой неоднозначности, и различные научные школы решают их по-разному. В настоящее время используется три основных направления при решении проблемы измерения пространственной ориентации.

При этом желательно, чтобы алгоритмы разрешения фазовой неоднозначности были одномоментными, т.е. разрешение фазовой неоднозначности должно производиться по результатам измерения параметров сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) в любой момент времени. Такими методами являются переборные методы, в которых перебираются все возможные значения фазовых сдвигов сигналов НКА, а решение выбирается по критерию максимального правдоподобия. Однако переборные методы требуют априорных данных о конфигурации антенной платформы, т.е. длину баз и углы между ними. На практике возможны случаи полной априорной неопределенности, например, при установке антенной системы на объекте, когда антенны устанавливаются в произвольных точках, а длина баз достигает нескольких метров.

1. Определение пространственной ориентации объектов

1.1 Параметры пространственной ориентации

Для решения задачи определения пространственной ориентации объектов необходимо осуществлять пересчет направляющих косинусов из одной системы координат в другую. Физические углы заданы в местной топоцентрической системе координат (ТЦСК) углами Эйлера. Координаты навигационных космических аппаратов (НКА) СРНС задаются в декартовой геоцентрической системе координат (ГЦСК), координаты объекта-потребителя определяются в геодезической системе координат.

Геоцентрическая гринвичская система координат жестко связана с Землей. В прямоугольной ГЦСК центр находится в центре Земли, ось X направлена на Гринвич, ось Z направлена север, ось Y - дополняет систему координат до правой (рис.1.1).

С ГЦСК связан референц-эллипсоид, описывающий форму Земли, относительно которого задаются географические координаты объекта (широта , долгота , высота h). ГЦСК и географические координаты связаны выражениями

,

(1.1)

,

где X,Y,Z - координаты объекта в ГЦСК, - широта, - долгота, H высота, , аЗ - экваториальный радиус Земли, е - эксцентриситет Земли.



Рис. 1.1. Геоцентрическая система координат

В настоящее время применяются различные ГЦСК. Каждая система включает в себя эллипсоид, описывающий форму Земли. Существуют общеземные системы координат, описывающие Землю в целом, и референцные системы, максимально точно описывающие какой-либо регион . В России распространены референцная система координат 1942 года и общеземная система ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 г.). С июля 2002 г. в России официально введена референцная система координат СК-95. В США и других странах широко распространена общеземная система координат WGS-84 . В международной практике принято использовать для перехода между прямоугольными координатами семь параметров Хельмерта, которые определяют сдвиг начала координат x,y,z, развороты относительно осей , , и масштабный коэффициент

. (1.2)

Такое соотношение справедливо только для почти совпадающих систем координат, так как тригонометрические функции заменены в матрице поворота их приближенными значениями. Кроме того, один масштабный коэффициент предполагает равномерное растяжение-сжатие по всем трем осям, в общем же случае он должен быть заменен метрическим тензором, описывающим неравномерное растяжение.

В вышеприведенных геоцентрических системах координаты объекта могут различаться на десятки и даже сотни метров, однако направления между двумя пунктами различаются на доли угловой секунды, поэтому параметры пространственной ориентации, определенные в одной ГЦСК, будут справедливы и в других ГЦСК.

Связанная с объектом система координат задается следующим образом (рис.1.2): начало координат совпадает с центром масс объекта, ось X направлена вдоль продольной оси объекта, ось Y направлена вверх, ось Z дополняет систему до правой.

Рис. 1.2. К определению связанной системы координат

Аналогичным образом задается топоцентрическая система координат, связана с местоположением объекта. Она представляет из себя прямоугольную систему координат, начало которой совпадает с местоположением объекта, ось Xт направлена на север (по истинному меридиану), ось Yт направлена вертикально вверх, ось Zт дополняет систему до правой системы координат и направлена на восток по горизонтали. Преобразование вектора из ТЦСК в ГЦСК осуществляется следующим линейным преобразованием:

(1.3)

где - вектор, заданный в ГЦСК, - вектор, заданный в ТЦСК, Cтг - матрица линейного преобразования из ТЦСК в ГЦСК.

Поскольку Cтг описывает ортогональное преобразование, то обратное преобразование вектора из ГЦСК в ТЦСК можно представить в виде

(1.4)

При определении углового положения объекта в пространстве чаще всего используют углы Эйлера: угол курса К, (угол рыскания), угол тангажа (дифферента, килевой качки) и угол крена (бортовой качки).

Рис.1.3 К определению углов курса и тангажа

Угол курса К (рис.1.3) - это угол между проекцией продольной оси объекта на горизонтальную плоскость (плоскость XOZ) и осью OX (направлением на север) в топоцентрической системе координат. Угол курса отсчитывается от истинного меридиана (ось OXТ) в направлении оси OZТ и может принимать значения от 0 до 360.

Угол тангажа - это угол между продольной осью объекта и горизонтальной плоскостью. Значения угла тангажа лежат в пределах 90.

Угол крена - это угол поворота объекта вокруг продольной оси (рис.1.4). Значения угла крена лежат в пределах 180.

Рис. 1.4. К определению угла крена

Углы К, ?, представляют собой углы Эйлера , описывающие угловое положение объекта, совершившего в ТЦСК последовательно поворот вокруг оси ОХт на угол крена , вокруг оси ОZт на угол тангажа ? и вокруг оси ОYт на угол курса K из начального положения К = ? = = 0.

1.2 Методы определения пространственной ориентации вектора-базы

Рис. 1.5 Измерение ориентации вектора базы

, (1.5)

где - длина волны сигнала НКА, - фазовый сдвиг, В - длина базы,

- угол между вектором-базой и вектором-направлением на НКА.

Выражение (1) является уравнением однобазового интерферометра и широко применяется в теории фазовых пеленгаторов и антенных решеток.

Направляющие косинусы вектора-базы могут быть определены из выражения для скалярного произведения векторов:

(1.6)

где x,y,z - направляющие косинусы вектора-базы,

(1.7)

(1.8)

, (1.9)

- направляющие косинусы вектора-направления на НКА,

xc, yc, zc - координаты НКА,

x0, y0, z0 - координаты объекта,

(1.10)

- расстояние между объектом и НКА.

Вычисления можно производить в ГЦСК или в ТЦСК.

Для нахождения положения вектора-базы в пространстве требуется измерить фазовые сдвиги сигналов двух НКА.

Следствием нелинейности является зависимость погрешности вычисления ориентации от пространственной ориентации вектора-базы. При уменьшении угла между вектором-базой и направлением на один из НКА погрешность вычисления ориентации вектора-базы резко возрастает.

Для вычисления ориентации вектора-базы при неизвестной длине базы минимальное созвездие состоит из трех НКА, и погрешность вычисления ориентации зависит только от расположения НКА.

пространственный ориентация алгоритм спутниковый

2. Разработка и исследование алгоритма

2.1 Общий алгоритм динамического метода решения угловой задачи

Система уравнений для решения угловой задачи имеет вид (момент времени t₀):

(2.1.1)

Для момента времени t₁

, , , (2.1.2)

,

уравнение (2.1.1) для момента времени t₁ можно представить в виде

(2.1.3)

или

. (2.1.4)

Вычитая (2.1.1) из (2.1.2), получим

. (2.1.4)

В результате получили систему уравнений относительно неизвестного начального положения вектора-базы x,y,z₀, приращения координат вектора-базы x,y,z₁, и приращения систематической погрешности S. Если считать S постоянной величиной, то число неизвестных сократится до 6. Очевидно, что в данной системе уравнений достигается хорошая точность вычисления приращений координат вектора-базы, в то же время для получения достаточной точности начального положения необходимо некоторое время, пока приращения направляющих косинусов направлений на спутники достигнут достаточных значений.

Данную систему уравнений можно применять при постоянном созвездии навигационных спутников. Ее можно также использовать и при потере сигналов отдельных спутников, в этом случае число уравнений будет сокращаться.

При вводе в расчет новых спутников возникают проблемы, связанные с тем, что в качестве начального положения вектора-базы следует брать положение базы на момент ввода в расчет данного спутника. В результате для каждого спутника будет свое начальное положение вектора-базы, и из полученных уравнений нельзя будет составить систему.

Данную проблему можно решить следующим образом. Динамическая задача решается без добавления новых спутников, при этом потерянные спутники выводятся из расчета. Ввод в расчет новых спутников производится после полной инициализации системы уравнений. Следует отметить, что после инициализации падает точность вычисления начального положения вектора-базы. Для решения этой проблемы можно параллельно производить два аналогичных расчета, причем инициализацию производить поочередно через определенные интервалы времени.

Другой путь решения проблемы - составление рекуррентного алгоритма, в котором за начальное положение вектора-базы принимается текущее положение на предыдущем шаге.

Простейшим примером такого алгоритма является непосредственное решение системы уравнений (4), в которой все приращения вычисляются между предыдущим и текущим измерениями. В этом алгоритме будет всегда низкая точность вычисления начального положения, поскольку приращения направляющих косинусов направлений на НКА будет малым. Для осуществления фильтрации начального положения вектора-базы можно ввести в систему уравнений (4) априорные данные, полученные на предыдущем шаге:

(2.1.5)

где x_0a, y_0a, z_0a - априорное положение вектора-базы, полученные на предыдущем шаге:

x_0a = x₀ + x;

y_0a = y₀ + y (2.1.6)

z_0a = z₀ + z;

p_x, p_y, p_z, - весовые коэффициенты, равные

,

(2.1.7)

,

G_x,y,z ,G_{x, y, z} - геометрические факторы (обусловленность системы уравнений) по соответствующим параметрам.

2.2 Динамический метод, использующий движение объекта

Система уравнений с учетом динамики объекта в общем случае включает семь неизвестных: три составляющие начальных координат вектора-базы в момент времени t0, три составляющие приращений координат вектора-базы за время наблюдения t и величину длины базы В, для ее решения необходимо принять сигналы шести НКА.

Задаваясь априорными значениями начальных координат x0, y0, z0, можно вычислить приращения координат вектора-базы xj, yj, zj, за j-й интервал времени. В первом приближении величинами x0, y0, z0, можно пренебречь ввиду малости коэффициентов kxij, kyij, kzij. В дальнейшем, после определения начального положения вектора-базы, его можно использовать в качестве априорных данных. При таком упрощении имеем систему уравнений с тремя неизвестными.

При измерении за K временных интервалов можно составить следующие системы уравнений:

Для j-го временного интервала (j = 1,2,K)

(2.2.1)

Дополнительная система уравнений для всех интервалов

(2.2.2)

Решая систему уравнений (2.2.2), можно с точностью 2-3 мм определить траекторию вектора-базы за любой интервал времени. Однако для определения ориентации знания траектории недостаточно, требуется знание начального положения вектора-базы x0, y0, z0. Полученные в результате решения системы уравнений (2.2.2) величины xj, yj, zj являются точками траектории вектора-базы за время наблюдения. Эти точки лежат на поверхности шара с радиусом, равным В, с центром в начале координат. Таким образом, задача определения начального положения вектора-базы сводится к определению параметров сферы возможных положений вектора-базы по заданной траектории, т.е. к задаче аппроксимации.

Начальное положение вектора-базы можно определить, решая систему уравнений. Раскрывая скобки, получим:

(2.2.3)

или

(2.2.4)

Система (2.2.4) является линейной относительно неизвестных начальных координат базы x0, y0, z0.

Погрешность вычисления x0, y0, z0 зависит от величины приращений xj, yj, zj: чем больше по абсолютной величине приращения координат, тем выше точность вычисления начальных координат, при этом траектория вектора-базы не должна находиться в одной плоскости (в этом случае система уравнений (2.2.4)является вырожденной).

При известной величине базы систему уравнений (2.2.4) можно дополнить нелинейным уравнением из системы. В результате будем иметь следующую систему уравнений:

 (2.2.5)

Эта система уравнений остается невырожденной, даже если траектория вектора-базы будет лежать в одной плоскости.

Для решения системы уравнений (2.2.5) требуется поворот вектора-базы на достаточно большой угол.

2.3 Блок схема алгоритма

Рис. 2.3 Блок-схема динамического алгоритма определения угловой направленности вращающегося объекта

2.4 Моделирование алгоритма в MathCad

Для моделирования в MathCad14 файл формата *.xls с измерениями был разбит на 10 (Кс1, ……Кс10) файлов каждый из которых соответствует измерениям с одного спутника и содержит информацию о координатах НКА и измеренных фазах сигнала, также создан файл с координатами вектора базы.

2.4.1 Получение исходных данных



Рис. 2.4.1 результаты вычисления траектории вектора-базы (X, Z)

Рис. 2.4.2 результаты вычисления траектории вектора-базы (X, Y)

3 Технико-экономическое обоснование работы

Для оценки и выбора наиболее конкурентоспособного метода среди подходов одного и того же класса, могут быть использованы различные методы анализа, применяемые на стадиях НИР и ОКР. Целью данной дипломной работы является выбор наиболее оптимального алгоритма определения угловой ориентации вращающегося объекта на основе систем спутниковой навигации «ГЛОНАСС (GPS)».

В данной работе конкурентоспособность различных методов определения координат определяем бальным методом.

3.1 Оценка конкурентоспособности разрабатываемого алгоритма

Для решения поставленной задачи сравниваются следующие два метода определения ориентации объектов по сигналам СРНС.

А -разрабатываемый метод определения;

Б - лямбда-метод;

Выбор наиболее конкурентоспособного, осуществлен по системе критериев представленных ниже:

Х1 - сложность реализации;

Х2 - точность результата измерений;

Х3 - объем вычислений;

Х4 - вероятность правильного определения координат объекта.

С учетом сравниваемых параметров составлена матрица смежности, в которой осуществлено по парное сравнение методов определения ориентации, и определено: абсолютная (B) и относительная значимость параметров (B'i).

Таблица 3.1.1 - Матрица оценки значимости параметров в системе

	Х1	Х2	Х3	Х4	Вi	B'i
Х1	= 1.0	< 0.5	= 1.0	< 0.5	3.0	0.19
Х2	> 1.5	= 1.0	> 1.5	= 1.0	5.0	0.31
Х3	= 1.0	< 0.5	= 1.0	< 0.5	3.0	0.19
Х4	> 1.5	= 1.0	> 1.5	= 1.0	5.0	0.31
B					16.0	1.00

Для дальнейшего анализа и определения наиболее конкурентоспособного метода выполнена бальная оценка параметров характерных каждому методу.

Бальная оценка приведена в таблице 3.1.2.

Таблица 3.1.2 - Таблица количественных оценок и параметров показателей

B'i Модель	0,19 X1	0,31 X2	0,19 X3	0,31 X4
A	1	5	1	5
B	3	3	4	3

Показатель конкурентоспособности для каждого метода находится как сумма произведений соответствующих значений B'i на соответствующее бальное значение параметра метода.

Ka = 0.19*1+0.31*5+0.19*1+0.31*5 = 3.48 (3.1)

Kb = 0.19*3+0.31*3+0.19*4+0.31*3= 3.19 (3.2)

Как показали расчеты, наиболее конкурентоспособным методом определения координат объекта является метод без разрешения фазовой неоднозначности, т.к. его показатели конкурентоспособности больше чем ляьбда-метода. Более глубокое исследование возможностей исследования методов требует их дальнейшей разработки.

3.2 Смета затрат на НИР

Проведение исследований требует определенных текущих затрат. Величина которых в работе определена в смете затрат на НИР. В плановые затраты на НИР включаются все затраты, связанные с ее выполнением. Смета затрат на НИР, включает следующие основные расходы связанные с проведением работ:

-материальные затраты;

-основная заработная плата;

-дополнительная заработная плата;

-отчисления на социальные нужды;

-затраты на электроэнергию;

-накладные расходы, в том числе затраты на патентно-информационный поиск.

Расчет материальных затрат. Затраты на сырьё и материалы включают стоимость основных и вспомогательных материалов с учетом транспортно-заготовительных расходов, идущих на выполнение НИР.

Материалы, расходуемые на данную НИР, и их стоимость приведены в таблице 3.1.1.

Таблица 3.2.1 - Затраты на основные и вспомогательные материалы

Наименование	Количество шт.	Цена за единицу руб.	Сумма затрат руб.
CD-RW	2	35	70
Шариковая ручка	1	10	10
Картридж для принтера «Samsung» ч/б	1	575	575
Бумага для принтера «HP Office Domestic»	500	0.3	150
Бумага писчая	200	0.1	20
Папка	1	9	9
Итого			834
С учетом транспортно заготовительных расходов			863.52

Транспортно - заготовительные расходы на данную НИР составляют 5 % от стоимости материалов

руб. (3.2.1)

Следовательно, затраты на сырьё и материалы с учетом транспортно- заготовительных расходов составят:

834+41.7 = 876.7 руб (3.2.2)

Расчет основнаой заработной платы. На статью "Основная заработная плата" относятся выплаты по заработной плате, начисленные из должностных окладов и тарифных ставок научных сотрудников, специалистов, служащих, рабочих непосредственно занятых выполнением конкретной НИР, а также заработная плата работников нештатного (не списочного) состава, привлекаемых к выполнению НИР, премии, выплаты обусловленные районным регулированием оплаты труда (по районным коэффициентам) и надбавки к заработной плате за работу в районах крайнего севера и приравненным к ним местностям.

Размер основной заработной платы устанавливается исходя из численности различных категорий исполнителей, трудоемкости, затрачиваемой ими на выполнение отдельных видов работ и их средней заработной платы за один рабочий день. Исходными данными для расчета является трудоемкость.

В данной работе трудоемкость определяется затратным методом. По решению научно-технического совета на выполнение НИР установлен срок разработки - 4 месяца.

Средняя заработная плата вычисляется исходя из месячного должностного оклада работников, выполняющих данную работу. При определении основной заработной платы используется повременная форма оплаты труда.

Для научной организации бюджетной сферы должностной месячный оклад работников определяется по формуле:

, (3.2.3)

где Дм.о.i - должностной месячный оклад i-го работника, руб.;

Тi - тарифная ставка;

Кi - тарифный коэффициент работника i-го разряда оплаты труда.

Руководитель работы имеет 16-ый разряд. Время на работу со студентом выделяется 20 часов. Следовательно, один час равен:

руб (3.2.4)

Таблица 3.2.2 - Тарифный фонд заработной платы

Наименование штатной единицы	Трудоемкость работ.	Тарифный Разряд	Ставка по тарифу, руб.	Ставка по тарифу, Тчас., руб	Заработная плата, руб.
Руководитель	20ч.	16	2340	16.25	325
Разработчик	4мес.	-	1750	12.15	4400

Так как работа выполняется в г. Красноярске, доплаты составляют 20% районных от тарифного фонда заработной платы и 30% северных для руководителя проекта. Итого основная заработная плата персонала, занятого в НИР составляет:

 (3.2.5)

Расчет дополнительной заработной платы. На статью "дополнительная заработная плата" относятся выплаты, предусмотренные законодательством за не проработанное (не явочное) время:

оплата очередных и дополнительных отпусков;

компенсация за неиспользованный отпуск;

оплата льготных часов подростков;

оплата времени, связанного с прохождением медицинских осмотров;

выполнение общественных и государственных обязанностей;

выплата вознаграждения за выслугу лет.

Размер дополнительной заработной платы определяется по следующей формуле:

(3.2.6)

где ЗПдп - дополнительная заработная плата, руб.

Удп - размер дополнительной зарплаты в процентах от основной заработной платы работников.

На основании данных планово-финансового отдела норматив дополнительной заработной платы установлен в размере 12 % от основной заработной платы.

Дополнительная заработная плата для выполнения данной НИР составит:

(3.2.7)

Сумма основной и дополнительной заработной платы составит:

4887.5+586.5=6060.5руб (3.2.8)

Расчет затрат на электроэнергию. Затраты на электроэнергию рассчитываются исходя из стоимости одного кВт/ч электроэнергии, времени работы аппаратуры, потребляемой аппаратурой мощности. Стоимость 1 кВт/ч равна 1.14 руб. Время работы аппаратуры равно 560 ч. Мощность потребляемая аппаратурой равна 0.33 кВт.

Затраты на электроэнергию составили:

Зэ = МТЦэ (3.2.9)

где М - потребляемая аппаратурой мощность, кВт;

Т - время работы аппаратуры, часов;

Цэ - цена одного кВт/ч электроэнергии, руб.

Зэ = 0.335601.14 = 210.6 руб.

Расчет отчислений на социальные нужды. В статью "Отчисления в единый социальный налог" внесены обязательные отчисления по установленным законодательством нормам органам государственного социального страхования, пенсионного фонда, государственного фонда занятости населения и медицинского страхования.

Размеры отчислений на социальные нужды устанавливаются ежегодно.

На период 2009 г. установлены следующие размеры:

отчисления во внебюджетные фонды - 20%, 14% из них идет на пенсионное страхование;

медицинское страхование - 4%;

социальное страхование - 2%;

отчисления на социальное страхование от несчастных случаев и профессиональных заболеваний - 0,2;

Таким образом, отчисления в единый социальный налог составят - 26,2%;

Размер отчислений на социальные нужды определяется по следующей формуле:

, (3.2.10)

где СН - отчисления на социальные нужды, руб.;

Усн - размер отчислений на социальные нужды в процентах от суммы основной и дополнительной заработной платы работников, непосредственно выполняющих НИР.

Отчисления на социальные нужды составят:

руб.

Расчет накладных расходов. В статью "накладные расходы" включаются расходы на управление и хозяйственное обслуживание, которые в равной степени относятся ко всем выполняемым НИР. По этой статье учитываются заработная плата с начислениями во внебюджетные фонды аппарата управления и общехозяйственных служб, затраты на содержание, текущий и капитальный ремонты зданий, сооружений, оборудования и инвентаря, амортизационные отчисления на их полное восстановление, расходы по охране труда, научно-технической информации и т.д.

В статью "накладные расходы" включены также и расходы, связанные с оплатой труда консультантов и руководителя работы.

Размер накладных расходов составляет 60% от суммы основной и дополнительной заработной платы.

Сн.р. = (4887.5 + 586.5) 60/100 = 3284.4 руб (3.2.11)

Расчет затрат на патентно-информационный поиск. Затраты на патентно-информационный поиск берутся по величине фактических затрат.

Затраты на патентный поиск составили 96 руб. (стоимость печати одного листа в Красноярской краевой научной библиотеке - 4 руб.). Затраты на изготовление копий научных статей составили 11 руб. (стоимость одной копии - 1 руб.). Следовательно расходы составили 107 руб.

Ощая величина текущих затрат приведена в таблице 3.2.3.

Таблица 3.2.3 - Смета затрат на НИР

Номер статьи затрат	Наименование статьи затрат	Сумма, руб.
1	Материальные затраты	863.52
2	Основная заработная плата	4887.5
3	Дополнительная заработная плата	586.5
4	Отчисления на социальные нужды	1434.88
5	Затраты на электроэнергию	210.6
6	Накладные расходы	3284.4
7	Затраты на патентно-информационный поиск	107
	Итог	11374.4

Таким образом, проведенные исследования, направленные на поиск оптимального варианта определения координат объектов по сигналам РНС «Спрут», потребовали 11374.4руб. Использование достигнутых результатов в работе, на практике обеспечит снижение затрат у потребителей и рост его конкурентоспособности.

Разрабатываемый способ обеспечивает;

- быстрое определение угловой ориентации объкта;

- малое время измерения;

- высокую точность измерений;

- относительно не высокую сложность реализации.

4. Безопасность экология

Одним из наиболее важных элементов повышения эффективности трудовой деятельности человека является совершенствование умений и навыков в результате трудового обучения. Обучение придает законченность и устойчивость всем формам двигательной активности, является важным средством предупреждения утомления.

С психофизиологической точки зрения производственное обучение представляет собой процесс приспособления и соответствующего изменения физиологических функций организма человека для наиболее эффективного выполнения конкретной работы. В результате тренировки (обучения) возрастает мышечная сила и выносливость, повышается точность и скорость рабочих движений, увеличивается скорость восстановления физиологических функций после окончания работы.

Снижение утомления, достижение высокой и длительной работоспособности с наименьшим напряжением физиологических функций человека и сохранение его здоровья достигаются правильной организацией режимов труда и отдыха. Чем эффективнее режим труда и отдыха, тем длительнее период устойчивой работоспособности и короче период вырабатывания и спада работоспособности.

Сохранению высокой и устойчивой работоспособности способствует периодическое чередование работы и отдыха. Существует две формы чередования периодов труда и отдыха на производстве: введение обеденного перерыва в середине рабочего дня и введение кратковременных регламентированных перерывов. Оптимальная длительность обеденного перерыва устанавливается с учетом удаленности от рабочих мест санитарно-бытовых помещений, столовых, организации раздачи пищи. Продолжительность и количество кратковременных перерывов определяется на основании наблюдения за динамикой работоспособности, учета тяжести и напряженности труда.

При выполнении работы, требующей значительных усилий и участия крупных мышц, рекомендуются более редкие, но продолжительные (10-12 мин) перерывы. При выполнении особо тяжелых (металлурги, кузнецы и др.) следует сочетать работу в течение 15...20 мин с отдыхом такой же продолжительности. При работах, требующих большого нервного напряжения и внимания, быстрых и точных движений рук, целесообразно более частые, но короткие (5... 10 мин) перерывы.

Кроме регламентированных перерывов, существуют также микропаузы перерывы в работе, возникающие самопроизвольно между операциями и действиями. Микропаузы обеспечивают поддержание оптимального темпа работы и высокого уровня работоспособности. В зависимости от характера и тяжести работы микропаузы составляют 9... 10 % рабочего времени.

Высокая работоспособность и жизнедеятельность организма поддерживается рациональным чередованием периодов работы, отдыха и сна человека. В течении суток организм человек по разному реагирует на физическую и нервно-психическую нагрузку. В соответствии с суточным циклом организма наивысшая работоспособность человека отмечается в утреннее (с 8 до 12 ч) и дневное (с 14 до 17 ч) время. Днем наименьшая работоспособность, как правило, отмечается в период между 12 и 14 ч, а в ночное время, с З до 4 ч, достигает своего минимума. С учетом этих закономерностей развития суточной периодики работоспособности человека определяют сменность работы предприятий, начало и окончание работы в сменах, перерывы на отдых и сон.

Чередование периодов труда и отдыха в течение недели должно регулироваться с учетом динамики работоспособности. Наивысшая работоспособность приходится на 2-й, 3-й, 4-й дни работы, а в последующие дни недели она понижается, падая до минимума в последний день работы. В понедельник работоспособность относительно понижена вследствие врабатываемости. Элементами рационального режима труда и отдыха являются производственная гимнастика и комплекс мер по психофизиологической разгрузке, в том числе функциональная музыка.

В основе производственной гимнастики лежит феномен активного отдыха (И. М. Сеченов): утомленные мышцы быстрее восстанавливают свою работоспособность не при полном покое, а при работе других мышечных групп. В результате производственной гимнастики увеличивается жизненная емкость легких, улучшается деятельность сердечно-сосудистой системы, повышается функциональная возможность анализаторных систем, увеличивается мышечная сила и выносливость.

Для снятия нервно-психического напряжения, борьбы с утомлением, восстановления работоспособности в последнее время успешно используются кабинеты релаксации или комнаты психологической разгрузки. Они представляют собой специально оборудованные помещения, в которых в отведенное для этого время в течение смены проводят сеансы по снятию усталости и нервно-психологического напряжения.

Эффект психоэмоциональной разгрузки достигается за счет эстетического оформления интерьера, удобной мебели, позволяющей находится в удобной расслабленной позе, трансляции специально подобранных музыкальных произведений, насыщения воздуха благотворно действующими отрицательными ионами, приема тонизирующих напитков, имитация в помещении естественно-природного окружения и воспроизведением звуков леса, морского прибоя и др. Одним из элементов психологической разгрузки является аутогенная тренировка, основанная на комплексе взаимосвязанных приемов психической саморегуляции и несложных физических упражнений со словесным самовнушением. Этот метод позволяет нормализовать психическую деятельность, эмоциональную сферу и вегетативные функции.

Как показывает опыт, пребывание рабочих в комнатах психологической разгрузки способствует снижению утомляемости, появлению бодрости, хорошего настроения и улучшенного самочувствия.

4.1 Цветовое оформление производственного интерьера

Рациональное цветовое оформление производственного интерьера является действенным фактором улучшения условий труда и жизнедеятельности человека. Установлено, что цвета могут воздействовать на человека по-разному: одни цвета успокаивают, а другие раздражают. Например, красный цвет - возбуждающий, горячий, вызывает у человека усиленный рефлекс, направленный на самозащиту. Оранжевый воспринимается людьми также как горячий, он согревает, бодрит, стимулирует к активной деятельности. Желтый - теплый, веселый, располагает к хорошему настроению. Зеленый - цвет покоя и свежести, очень успокаивающе действует на нервную систему, а в сочетании с желтым благотворно действует на настроение. Синий и голубой цвета свежи и прозрачны, кажутся легкими, воздушными. Под их воздействием уменьшается физическое напряжение, они могут регулировать ритм дыхания, успокаивать пульс. Черный цвет - мрачный и тяжелый, резко снижает настроение. Белый цвет - холодный, однообразный, способный вызвать апатию.

Разностороннее эмоциональное воздействие цвета на человека позволяет широко использовать его в гигиенических целях. Поэтому при оформлении интерьера производственного помещения цвет используют: как композиционное средство, обеспечивающее гармоническое единство помещения и технологического оборудования; как фактор, создающий оптимальные условия зрительной работы и способствующий повышению работоспособности; как средство информации, ориентации и сигнализации для обеспечения безопасности труда.

Персональные компьютеры используются миллионами людей во всем мире - программистами, операторами и просто пользователями - в процессе повседневной деятельности. Поэтому среди гигиенических проблем современности, проблемы гигиены труда пользователей ПЭВМ относятся к числу наиболее актуальных, так как непрерывно расширяется круг задач, решаемых ПЭВМ, и все большие контингента людей вовлекаются в процесс использования вычислительной техники.

Труд оператора ПЭВМ относится к формам труда с высоким нервно-эмоциональным напряжением. Это обусловлено необходимостью постоянного слежения за динамикой изображения, различения текста рукописных и печатных материалов, выполнением машинописных и графических работ. В процессе работы требуется постоянно поддерживать активное внимание. Труд требует высокой ответственности, поскольку цена ошибки бывает достаточно велика, вплоть до крупных экономических потерь и аварий.

Возросшее применение ПК на рабочих местах различного назначения привлекло внимание к целому ряду фактов отрицательного воздействия на здоровье, которые связаны или считаются связанными именно с работой на компьютере. Основная нагрузка при этом приходится на зрение, поскольку при работе с монитором глаза устают значительно быстрее, чем при любых других видах работы. Поэтому имеет смысл подробнее остановиться на медицинских аспектах воздействия работы за компьютером на зрение оператора, а также на требованиях к мониторам и характеристиках изображения на экране.

4.2 Основные характеристики изображения на экране

Человеческий глаз не может долго работать с мелкими объектами. Вот почему нормируются размеры знаков на экране. Например, угловой размер знака должен быть в пределах от 16 до 60 угловых минут, что составляет от 0,46 до 1,75 см, если пользователь смотрит на экран с расстояния 50 см (минимальное расстояние, рекомендуемое гигиенистами).

Отражательная способность экрана не должна превышать 1%. Для снижения количества бликов и облегчения концентрации внимания корпус монитора должен иметь матовую одноцветную поверхность (светло-серый, светло-бежевый тона) с коэффициентом отражения 0.4-0.6, без блестящих деталей и с минимальным числом органов управления и надписей на лицевой стороне. Антибликовое покрытие уменьшает отражение внешнего света от стеклянной поверхности экрана. Различают несколько типов покрытия: например, специальная, рассеивающая световой поток, гравировка экрана; более эффективное кремниевое покрытие, часто применяемое в стеклянных фильтрах; особые виды устанавливаемых на кинескоп антибликовых панелей. Следует, однако, отметить, что первые два способа уменьшения отражающей способности экрана несколько снижают контрастность и ухудшают цветопередачу, поэтому мониторы с блестящими экранами обычно передают цвета ярче.

Изменение яркости во время одного цикла регенерации может восприниматься как мерцание. Частота, при которой не наблюдается мерцаний -- частота слияния мерцаний. Восприятие мерцания зависит не только от частоты регенерации, но и от ряда других параметров, таких как яркость экрана, освещенность помещения, степень осцилляции, контраст, а также от использования центрального или периферического зрения и от индивидуальной чувствительности. Мерцание отрицательно воздействует на зрительный комфорт оператора и может вызвать симптомы зрительного утомления. Поскольку сетчатка глаза вынуждена постоянно перенастраиваться, видимые мерцания способствуют возникновению адаптационной перегрузки глаз и, кроме того, изменению аккомодации.

Изменение положения символов на экране во времени - дефект, называемый дрожанием изображения. Это явление связано с неправильными колебаниями магнитного поля, используемого для отклонения электронного луча.

Некоторые виды люминофора имеют значительное послесвечение, то есть яркость символов снижается очень медленно, и они воспринимаются на протяжении нескольких периодов регенерации после того, как соответствующие пиксели уже больше не облучаются. Такое явление значительно снижает четкость изображения; на мониторах с быстрыми люминофорами оно не наблюдается.

Основные нормируемые визуальные характеристики мониторов и соответствующие допустимые значения этих характеристик представлены в таблице 4.2.1.

Таблица 4.2.1 - Некоторые нормируемые визуальные параметры видеотерминалов

Параметры	Допустимые значения
Яркость знака или фона (измеряется в темноте)	35-120 кд/м2
Контраст	От 3:1 до 1,5:1
Временная нестабильность изображения (мерцания)	Не должна быть зафиксирована более 90% наблюдателей
Угловой размер знака	16-60
Отношение ширины знака к высоте	0.5-1.0
Отражательная способность экрана (блики)	не более 1%
Неравномерность яркости элементов знаков	не более ±25%
Неравномерность яркости рабочего поля экрана	не более ± 20%
Размер минимального элемента отображения (пикселя) для монохромного монитора, мм	0,3
Допустимое горизонтальное смещение однотипных знаков, % от ширины знака	не более 5
Допустимое вертикальное смещение однотипных знаков, % от высоты знака	не более 5

Под неравномерностью яркости понимаются отношения:

U+ = (Lmax - Lcp)/Lcp - положительная неравномерность;

U - = (Lmin - Lcp)/Lcp - отрицательная неравномерность;

(4.2.1)

где n - число измеренных значений яркости;

Lmax - максимальное значение яркости;

Lmin - минимальное значение яркости.

4.3 Излучения и поля

К числу вредных факторов, с которыми сталкивается человек, работающий за монитором, относятся рентгеновское и электромагнитное излучения, а также электростатическое поле. (Допустимые нормы для этих параметров представлены в таблице 4.3.1)

Таблица (4.3.1) - Допустимые значения параметров излучений, генерируемых видеомониторами

Параметры	Допустиме значения
Мощность экспозиционной дозы рентгеновского излучения на расстоянии 0,05 м вокруг видеомонитора	100 мкР/час
Электромагнитное излучение на расстоянии 0,5 м вокруг видеомонитора по электрической составляющей: в диапазоне 5 Гц-2 кГц	25 В/м
в диапазоне 2-400 кГц	2,5 В/м
по магнитной составляющей: в диапазоне 5 Гц-2 кГц	250 нТл
в диапазоне 2-400 кГц	25нТл
Поверхностный электростатический потенциал	не более 500 В

С целью снижения риска для здоровья различными организациями были разработаны рекомендации по параметрам мониторов, следуя которым производители мониторов борются за наше здоровье. Все стандарты безопасности для мониторов регламентируют максимально допустимые значения электрических и магнитных полей, создаваемых монитором при работе. Практически в каждой развитой стране есть собственные стандарты, но особую популярность во всем мире (так сложилось исторически) завоевали стандарты, разработанные в Швеции и известные под именами TCO и MPRII.

Стандарты TCO разработаны с целью гарантировать пользователям компьютеров безопасную работу. Рекомендации TCO используются производителями мониторов для создания более качественных продуктов, которые менее опасны для здоровья пользователей. Суть рекомендаций TCO состоит не только в определении допустимых значений различного типа излучений, но и в определении минимально приемлемых параметров мониторов, например, поддерживаемых разрешений, интенсивности свечения люминофора, запас яркости, энергопотребление, шумность и т.д.

Большинство измерений во время тестирований на соответствие стандартам TCO проводятся на расстоянии 30 см спереди от экрана и на расстоянии 50 см вокруг монитора. Для сравнения: во время тестирования мониторов на соответствие другому стандарту MPRII все измерения производятся на расстоянии 50 см спереди экрана и вокруг монитора. Это объясняет то, что стандарты TCO более жесткие, чем MPRII.

MPRII был разработан SWEDAC (The Swedish Board for Technical Accreditation) и определяет максимально допустимые величины излучения магнитного и электрического полей, а также методы их измерения. MPRII базируется на концепции о том, что люди живут и работают в местах, где уже есть магнитные и электрические поля, поэтому устройства, которые мы используем, такие, как монитор для компьютера, не должны создавать электрические и магнитные поля, большие чем те, которые уже существуют. Заметим, что стандарты TCO требуют снижения излучений электрических и магнитных полей от устройств настолько, насколько это технически возможно, вне зависимости от электрических и магнитных полей, уже существующих вокруг нас. Впрочем, как уже было отмечено, стандарты TCO жестче, чем MPRII.

Компьютерные технологии, являясь великим достижением человечества, могут иметь отрицательные последствия для здоровья людей. Для снижения ущерба здоровью необходимо соблюдение установленных гигиенических требований к режимам труда и организации рабочих мест. Гигиенистами и физиологами проведено множество экспериментов по изучению работоспособности, выявлению причин утомления и возникновения патологических отклонений у работающих за ПЭВМ. Результаты этих экспериментов используются при разработке оптимальных режимов работы. Выбор режима зависит от таких факторов, как длительность смены, время суток, вид деятельности, тяжесть и напряженность труда, санитарно-гигиенические условия на рабочем месте.

Заключение

В данной дипломной работе был разработан динамический алгоритм, позволяющий определять с большой точностью угловую ориентацию объекта - потребителя. Вычисления проводились в математической среде MathCad14, входными данными являлось созвездие из 10 навигационных космических аппаратов (НКА), спутниковых радионавигационных систем (CРНС: 2 ГОНАСС, 6 GPS), данный динамический алгоритм определения угловой ориентации вращающегося объекта - потребителя может производить расчет при при минимальном созвездии из 3 НКА. В результате расчетов были получены графики траектории вектора базы объекта - потребителя в топоцентрической системе координат (ТЦСК).

Так как динамический алгоритм определения ориентации вращающегося объекта потребителя вычисляет координаты в геоцентрической системе координат (ГЦСК), для этого был разработан дополнительный алгоритм пересчета координат из ГЦСК в ТЦСК.

Патентно информационный поиск

Патент № 2122217. Способ угловой ориентации объектов по радионавигационным сигналам космических аппаратов (варианты)

Патентообладатель Красноярский государственный технический университет

Авторы:Алешечкин Андрей Михайлович, Фатеев Юрий Леонидович, Чмых Михаил Кириллович

Заявка № 97107921 от 15.05.97

МКИ6G01S5/02
Приоритет от 15.05.97

Опубликован 20.11.98 Бюл. № 2

Патент № 2141118. Способ угловой ориентации объектов в пространстве

Патентообладатель НИИ Радиотехники Красноярского государственного технического университета

Авторы:Фатеев Юрий Леонидович, Чмых Михаил Кириллович

Заявка № 98102253 от 12.02.98

МКИ 6 G 01 S 1/00, 5/02

Приоритет от 12.02.98

Опубликован 10.11.99 Бюл. № 11

Патент № 2105319. Способ угловой ориентации объектов по сигналам космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем

Патентообладатель Фатеев Юрий Леонидович, Чмых Михаил Кириллович

Авторы: Фатеев Юрий Леонидович, Чмых Михаил Кириллович

Заявка № 95115922 от 13.09.95

МКИ 6 G 01 S 5/00

Приоритет от 13.09.95

Опубликован 20.02.98 Бюл. № 5

Патент № 2185637. Способ угловой ориентации объектов по сигналам космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем

Патентообладатель Красноярский государственный технический университет

Авторы: Алешечкин Андрей Михайлович, Фатеев Юрий Леонидович, Кокорин Владимир Иванович

Заявка № 2000128875 от 17.11.2000 г.

Приоритет от 17.11.2000 г.

МКИ 7 G 01 S 5/00, 5/02

Опубликован 20.07.2002 Бюлл №20

Список использованной литературы

Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии / Под ред. Б. С. Алёшина, К. К. Веремеенко, А. И. Черноморского. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. - 424 с.

Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В. Н. Харисова, А. И. Перова, В. А. Болдина. - М.: ИПРЖР, 1998. - 400 с.

GPS: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить. Неофициальное пособие по глобальной системе местоопределения, Б. К. Леонтьев 2006. 352 .

Фазовый метод определения координат / Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. -М.: Сов. Радио, 1974. -280с.

Пестряков В.Б. Радионавигационные угломерные системы / Пестряков В.Б. -М.: Госэнергоиздат. 1955. -304с.

Теория фазовых измерительных систем. / Белов В.И. Под ред. Г.Н. Глазова. -Томск: Томская государственная академия систем управления и радиоэлектроники, 1994.

Патент РФ №2105319. Способ угловой ориентации объектов по сигналам космических аппаратов глобальных навигационных спутниковых систем. / Чмых М.К., Фатеев Ю.Л. Опубл. 1998, бюл. № 5.

Патент РФ №2122217. Способ угловой ориентации по радионавигационным сигналам космических аппаратов. /Алешечкин А.М., Фатеев Ю.Л., Чмых М.К. Опубл. 1998, Бюл. № 32.

Патент РФ № 2141118. Способ угловой ориентации объектов в пространстве. Фатеев Ю.Л., Чмых М.К. Опубл. 1999, Бюл. № 31.

Использование системы NAVSTAR для определения угловой ориентации объектов//Абросимов В.И., Алексеева В.И., Гребенко Ю.А. и др. Зарубежная радиоэлектроника. 1988. № 1. с.46-53.

Анализ квазиоптимального алгоритма устранения неоднозначности в многошкальной фазовой измерительной системе. / Денисов В.П. “Радиотехника и электроника”, Вып. 4, 1995г.

Разрешение фазовой неоднозначности в многобазовом интерферометре / Фатеев Ю.Л. Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/

Разрешение фазовой неоднозначности в однобазовой угломерной аппаратуре ГЛОНАСС/GPS / Фатеев Ю.Л. Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/

Определение пространственной ориентации объектов по сигналам радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS / Фатеев Ю.Л. Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/

Динамические методы измерения угловой ориентации объектов на основе систем ГЛОНАСС/GPS / Фатеев Ю.Л. Электронный журнал «ИССЛЕДОВАНО В РОССИИ» http://zhurnal.ape.relarn.ru/

Приложение А

Преречень сокращений

ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система.

GPS - Global Position System (Глобальная система позиционирования)

НКА - навигационный космический аппарат

СРНС - спутниковая радионавигационная система

ТЦСК - топоцентрическая система координат

ГЦСК - геоцентрическая система координат

МНК - матрица навигационных координат

Приложение Б

Блок-схема динамического алгоритма определения угловой ориентации вращающегося объекта

Графики измерений

(X, Z)

(X, Y)

Размещено на Allbest.ru