Đang tải... (xem toàn văn)
Luận án Phân tích làm rõ nguyên nhân sai lệch trong xác định vị trí tàu từ các hệ thống dẫn đường quán tính được lắp đặt trên tàu. Trên cơ sở các trang thiết bị đã có với sai số của hệ thống dẫn đường, tính toán và đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao độ chính xác dẫn đường cho tàu ngầm ở chế độ đi ngầm.
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN QUANG HUY NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC DẪN ĐƯỜNG CHO TÀU NGẦM HOẠT ĐỘNG TRONG KHU VỰC BIỂN ĐƠNG Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật Ngành: Khoa học hàng hải; mã số: 9840106 Chuyên ngành: Khoa học hàng hải Hải Phòng – 2020 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Viết Thành PGS TS Phạm Xuân Dương Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Phùng Hưng Phản biện 2: TS Huỳnh Vĩnh Tuyến Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Minh Đức Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào hồi .phút ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện Trường Đại học Hàng hải Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Việt Nam quốc gia với 3000km bờ biển vùng biển rộng gấp lần diện tích đất liền Các quần đảo Hồng Sa Trường Sa có vị trí quan trọng kinh tế hàng hải lẫn quân Chính thập niên gần đây, Biển Đơng ln điểm nóng qn khu vực Vì vậy, việc nghiên cứu, khai thác bảo vệ hoạt động Biển Đông theo công ước quốc tế cách có hệ thống trở nên cấp bách hết Xác định vai trò, vị trí, tầm quan trọng Biển Đơng, Hội nghị lần thứ Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam Khoá X Nghị số 09/NQ-TW “Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020”[1] Sau 10 năm thực hiện, qua tổng kết xác định Nghị vào sống đạt kết quan trọng, ngày 22/10/2018, Hội nghị Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam Khóa XII tiếp tục Nghị số 36/NQ-TW “Chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045”[2] “Việc đề Chiến lược phát triển bền vững kinh tế biển Việt Nam nhằm góp phần thúc đẩy tăng trưởng kinh tế nước, tận dụng tiềm có để phát triển quan trọng bậc bảo vệ chủ quyền biển, đảo Tổ quốc lợi ích quốc gia tối thượng” - đồng chí Trần Hồng Hà[69] Điều khẳng định rõ quan tâm đặc biệt Đảng, Nhà nước ta biển đặt yêu cầu nhiệm vụ quan trọng bậc bảo vệ chủ quyền biển, đảo Hải quân nhân dân Việt Nam Quân chủng kỹ thuật, lực lượng nòng cốt nghiệp bảo vệ toàn vẹn chủ quyền, quyền chủ quyền quốc gia biển theo Công ước Quốc tế Luật biển năm 1982 Được quan tâm Lãnh đạo Đảng, Nhà nước, năm qua, việc tăng cường lực lượng khả chiến đấu tàu mặt nước, Hải quân xây dựng Binh chủng tàu ngầm trực thuộc Quân chủng Hải quân Ngày 29/5/2013, Tư lệnh Hải quân công bố Quyết định Bộ trưởng Bộ Quốc phòng việc thành lập Lữ đoàn tàu ngầm 189[70] Lữ đoàn trang bị tàu ngầm diesel – điện lớp KILO 636[71], có khả tác chiến cao lực lượng chủ lực Hải quân nhân dân Việt Nam Để đảm bảo tàu ngầm hành trình an toàn hiệu quả, tàu ngầm trang bị nhiều trang thiết bị phục vụ cho dẫn đường Ngoài trang bị hàng hải máy lái tự động, la bàn điện, tốc độ kế, máy thu vệ tinh tàu ngầm trang bị hệ thống dẫn đường quán tính để phục vụ dẫn đường Ưu điểm hệ thống dẫn đường quán tính cung cấp liên tục vị trí, hướng tư tàu ngầm, không bị ảnh hưởng yếu tố bên nhiễu loạn đối phương tiến hành tác chiến điện tử Yếu điểm lớn hệ thống dẫn đường quán tính sai số tích lũy theo thời gian trôi quay, dẫn đến việc xác định vị trí tàu khơng xác phải tiến hành hiệu chỉnh lại thời điểm thích hợp Bản chất hệ thống dẫn đường quán tính dẫn đường phương pháp dự tính, để hiệu chỉnh vị trí cho hệ thống cần dùng phương pháp quan trắc khác xác để tiến hành hiệu chỉnh Các tài liệu nước cung cấp khơng nói rõ ngun lý hệ thống dẫn đường quán tính cung cấp vị trí tàu, giải thuật liên quan đến hoạt động hệ thống mà cung cấp cách tổng quát hướng dẫn sử dụng, bất lợi cho thủy thủ tàu ngầm nắm hệ thống dẫn đường qn tính trang bị, từ khó vận hành hệ thống dẫn đường quán tính cách hiệu Điều dễ hiểu giải thuật chế tạo hệ thống dẫn đường quán tính liên quan đến bí mật cơng nghệ nhà sản xuất Để hiệu chỉnh vị trí tàu ngầm cung cấp hệ thống dẫn đường qn tính, thơng thường người ta sử dụng kết hợp hệ thống dẫn đường quán tính hệ thống vệ tinh hàng hải dẫn đường tồn cầu thơng qua lọc Kalman Ngoài ra, việc đưa vào nhiều yếu tố hiệu chỉnh giúp hệ thống dẫn đường quán tính hoạt động cách hiệu để hệ thống làm việc tự động Khi tàu hành trình biển, người điều khiển tàu phải tiến hành hàng loạt đo đạc tính tốn khác nhau, nhằm xác định vị trí tàu, xác định thành phần chuyển động tàu thực nhiệm vụ khác biển Có nhiều định nghĩa dẫn đường, nhiên luận án này, tác giả sử dụng thuật ngữ “navigation” định nghĩa theo từ điển Oxford[65], tạm dịch là: “Dẫn đường trình hành động xử lý liên tục để xác định vị trí xác tàu lập kế hoạch hành trình theo tuyến kế hoạch đó” Vì vậy, ngồi việc lập kế hoạch, xác định xác vị trí tàu liên tục thời điểm phần quan trọng dẫn đường Dẫn đường cho tàu ngầm khác với dẫn đường cho tàu mặt nước hai điểm sau: - Thứ nhất, tàu mặt nước cần xác định vị trí tàu theo khơng gian chiều, tức cần xác định tọa độ theo kinh độ vĩ độ (hệ tọa độ XY), tàu ngầm cần xác định vị trí tàu theo khơng gian chiều, ngồi kinh, vĩ độ có độ sâu theo trục Z hướng xuống (hệ tọa độ XYZ) - Thứ hai là, tàu mặt nước kể tàu ngầm, có trang bị hệ thống dẫn đường qn tính hay khơng, hành trình ln ln có điều kiện quan sát vệ tinh hệ thống GNSS, tàu ngầm phương án kết hợp GNSS/INS Khi hành trình ngầm, tàu ngầm hồn tồn sử dụng hệ thống dẫn đường quán tính số phương án kỹ thuật kết hợp khác để dẫn đường mà hẳn tín hiệu từ hệ thống vệ tinh dẫn đường Trong thực tế, tàu ngầm trang bị hai hệ thống dẫn đường quán tính khác loại, hành trình ngầm hai hệ thống có sai lệch vị trí khác Đặc thù dẫn đường cho tàu ngầm Hải quân phải đảm bảo tính bí mật xác định vị trí tàu, điều kiện thời chiến yêu cầu đòi hỏi cao nhất, khơng thể dùng hệ thống định vị toàn cầu nước để xác định hiệu chỉnh vị trí Đối với số Quốc gia Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật Bản Liên minh châu Âu, họ phát triển hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu riêng, dành kênh riêng cho quân nên việc hiệu chỉnh vị trí cho tàu ngầm đảm bảo tính bí mật Tàu ngầm quân Việt Nam hoạt động vùng biển Việt Nam, chưa xây dựng phát triển hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu riêng Do việc xác định vị trí tàu ngầm hành trình ngầm xác, phù hợp với điều kiện thực tế biển Việt Nam, phục vụ cho việc tối ưu hóa dẫn đường yêu cầu cần thiết cấp bách Mặt khác, liên quan đến bí mật qn sự, hoạt động tác chiến, khơng có nhiều tài liệu nghiên cứu dẫn đường ngầm cho tàu ngầm công bố quốc gia có tàu ngầm Trước yêu cầu trên, tác giả chọn lựa nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu nâng cao độ xác dẫn đường cho tàu ngầm hoạt động khu vực Biển Đông” cần thiết đáp ứng nhiệm vụ cấp bách thực tế đặt Tổng quan tình hình nghiên cứu có liên quan đến đề tài luận án 2.1 Những nghiên cứu nước phát triển thiết bị công nghệ phục vụ dẫn đường cho tàu ngầm giới 2.2 Những nghiên cứu nước Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Mục đích nghiên cứu - Phân tích làm rõ nguyên nhân sai lệch xác định vị trí tàu từ hệ thống dẫn đường quán tính lắp đặt tàu - Trên sở trang thiết bị có với sai số hệ thống dẫn đường, tính tốn đề xuất giải pháp nhằm nâng cao độ xác dẫn đường cho tàu ngầm chế độ ngầm 3.2 Đối tượng nghiên cứu Đề tài luận án tập trung vào đối tượng nghiên cứu sau đây: - Hệ thống dẫn đường quán tính trang bị tàu ngầm; - Đặc điểm địa hình, thủy văn khu vực Biển Đông; - Các phương pháp dẫn đường theo hệ thống dẫn đường quán tính cho tàu ngầm; - Tác động ngoại cảnh đến độ xác dẫn đường tàu ngầm 3.3 Phạm vi nghiên cứu Đề tài luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu sau: - Hành trình ngầm tàu ngầm khu vực Biển Đơng, trọng đến tính bí mật, bảo đảm an toàn hoạt động dẫn đường tàu ngầm - Ảnh hưởng số yếu tố ngoại cảnh tới hoạt động tàu ngầm khu vực Biển Đông: Lực thủy tĩnh, áp lực nước, mật độ nước, dòng chảy Phương pháp nghiên cứu Đề tài luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu phổ biến sau để giải nhiệm vụ nghiên cứu đặt nhằm đạt mục đích nghiên cứu: - Phương pháp phân tích, tổng hợp sử dụng nhằm hệ thống hóa sở lý luận độ xác dẫn đường cho tàu ngầm, đánh giá ảnh hưởng số yếu tố ngoại cảnh tới độ xác dẫn đường tàu ngầm khu vực Biển Đông; - Phương pháp tổng hợp kết hợp với tham vấn chuyên gia nhằm đưa giải pháp kỹ thuật, giải pháp huấn luyện nhằm nâng cao độ xác dẫn đường tàu ngầm; - Phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin để xây dựng phần mềm “Xử lý thơng tin vị trí tàu” nhằm nâng cao độ xác dẫn đường tàu ngầm; - Phương pháp khảo sát thực tế thông qua phiếu hỏi nhằm đánh giá tính khả dụng phần mềm “Xử lý thơng tin vị trí tàu” Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học - Hệ thống hóa sở lý luận hệ thống dẫn đường quán tính, hệ thống dẫn đường sử dụng tàu ngầm; - Tạo sở khoa học yêu cầu kỹ thuật kỹ công tác huấn luyện, xử lý nhập liệu thông tin phục vụ hiệu chỉnh hệ thống dẫn đường qn tính bảo đảm cơng tác xác định vị trí tàu ngầm, nâng cao độ xác dẫn đường tàu ngầm khu vực Biển Đông 5.2 Ý nghĩa thực tiễn - Đề tài luận án rõ yếu tố ảnh hưởng đến trình dẫn đường ngầm cho tàu ngầm, đồng thời đưa số giải pháp mang tính khả thi nhằm nâng cao độ xác dẫn đường tàu ngầm hành trình ngầm biển, đặc biệt phần mềm “Xử lý thông tin vị trí tàu” xem cơng cụ hỗ trợ cho huy tàu trình điều khiển tàu ngầm hành trình ngầm khu vực Biển Đơng Bên cạnh đó, kết nghiên cứu đề tài luận án góp phần nâng cao chất lượng huấn luyện, sẵn sàng chiến đấu tàu ngầm Những đóng góp luận án - Hệ thống hóa sở lý luận hệ thống dẫn đường quán tính, phục vụ đào tạo cán hàng hải huy tàu ngầm; - Làm rõ số yếu tố ảnh hưởng đến độ xác dẫn đường cho tàu ngầm khu vực Biển Đông, khu vực lực lượng tàu ngầm Việt Nam hoạt động, như: Lực thủy tĩnh, áp lực nước, mật độ nước, dòng chảy - Đề xuất quy trình lập kế hoạch biển cho tàu ngầm xây dựng phần mềm xử lý thơng tin vị trí tàu ngầm hành trình ngầm khu vực Biển Đơng nhằm trợ giúp cho huy tàu nâng cao độ xác xác định vị trí tàu q trình dẫn đường ngầm Kết cấu luận án Kết cấu luận án gồm ba phần: Phần mở đầu: Giới thiệu tổng quan luận án, tính cấp thiết, mục đích, ý nghĩa, nêu điểm luận án, trình bày tóm tắt kết cấu nội dung luận án Phần nội dung nghiên cứu trình bày chương Chương 1: Cơ sở lý luận độ xác dẫn đường cho tàu ngầm Chương 2: Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xác dẫn đường cho tàu ngầm Chương 3: Giải pháp nâng cao độ xác dẫn đường tàu ngầm khu vực Biển Đông Phần kết luận kiến nghị: Tóm tắt kết đạt đóng góp luận án lĩnh vực chuyên ngành, bàn luận khả ứng dụng thực tế kiến nghị cho hướng phát triển đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ LUẬN VỀ ĐỘ CHÍNH XÁC DẪN ĐƯỜNG CHO TÀU NGẦM 1.1 Mơ hình tốn học tàu ngầm 1.1.1 Các hệ tọa độ ký hiệu quy ước 1.1.1.1 Các hệ tọa độ Cho đến nay, nhà khoa học sử dụng ký hiệu quy ước Hiệp hội đóng tàu Mỹ(SNAME 1950 - Society of Naval Architects & Marine Engineers) để mô tả chuyển động tàu biển (tàu ngầm) bậc tự do, sử dụng cho tàu ngầm hệ NED (North/hướng Bắc/ hướng mũi tàu, East/hướng Đông/hướng sang phải Down/ hướng xuống dưới) 1.1.1.2 Ký hiệu quy ước Theo tài liệu[33],[39], để xác định hướng dương trục, góc, vận tốc, lực mơ men tàu ngầm, quy ước hình 1.2 1.3 Hình 1.2 Quy ước hướng dương đại lượng tàu ngầm theo chuyển động ngang Hình 1.3 Quy ước hướng dương đại lượng tàu ngầm theo chuyển động dọc 1.1.2 Mơ hình tốn học phương trình chuyển động tàu ngầm[49] + Phương trình trượt dọc ' ' L [ X q q q X rr' r X rp' rp ] L3[ X u' u X vr' vr X wq wq ] (1.5) 2 ' L2 [ X vv' v X ww w2 ] L2u [ X ' r r2 X ' s2 X ' b2 ] L2 [aT u bT uU c cTU c2 ] 2 X m[u vr wq ] r s s b b + Phương trình trượt ngang Y m[v wp ur] L4 [Yr' r Yp' p Yr' r r r Ypq' pq ] L2 [Yv'uv Yv' v v (v w2 ) Y'r u 2 r ] L3[Yr'ur Yp' up Yv'v Ywp' wp ] (1.6) + Phương trình trượt đứng Z m[ w uq vp] ' L4 [Z q' q Z pp p +Z'rr r +Z'rp rp+Z'q|q|q|q|]+ ' L2 [ Z 0' u Z w' uw Z 'w u w Z ww w(v w2 ) L3 [Z w' w Z q' uq Z vp' vp ] (1.7) Z vv' v ( Z' s s Z' b b )u ] + Các phương trình phụ: p sin qcos r sin (r cos q sin ) / cos , 90 (1.8) N u cos cos v(sin sin cos cos sin ) w(sin sin cos sin cos ) E u cos sin v(cos cos sin sin sin ) w(cos sin sin sin cos ) D u sin v cos sin v cos cos 2 U (u v w ) Trong công thức đây, X’(.), Y’(.), Z’(.) hệ số không thứ nguyên lực tác dụng vào tàu ngầm, u tốc độ theo hướng chiếu dọc tàu ngầm, w tốc độ theo hướng chiếu thẳng đứng tàu ngầm, q vận tốc góc lắc dọc, h chiều cao tâm nghiêng, δb góc điều khiển bánh lái tầm mũi, δs góc điều khiển bánh lái tầm đuôi tàu, tàu ngầm hay lặn nhờ bánh lái tầm này, δr góc điều khiển bánh lái hướng, đặt tàu, L chiều dài tàu ngầm, m khối lượng tàu ngầm 1.1.3 Mơ hình tốn học tàu ngầm chuyển động gần bề mặt + Các phương trình chuyển động thẳng đứng: m( w uq vp ) I y q ( I x I z )rp L4 [ Z q' q ] L3[ Z w' w Z vp' vp Z q' uq ] (1.9) L2 [ Z 0' u Z w' uw Z w' w w (v w2 ) Z w' v ( Z' s s Z' b b )u ] Z wave L5 [ M q' q M rp' rp ] L4 [ M w' w M q' uq M 'w q (v w ) q ] (1.10) L3 [ M 0' u M vv' v M w' uw ( M ' s s M ' b b )u ] mgh sin M wave + Các phương trình chuyển động ngang: Izr L5 [ N r' r ] L4 [ N v' v N r' ur N 'v r (v w2 ) r ] L3[ N v' uv N' r u 2 r ] M wave (1.11) (1.12) L3[ K v' uv] mgh cos sin M wave 2 Trong đó, Zwave Mwave lực mô men sóng tác động vào tàu ngầm Ix p L4 [ K v' v K r' ur ] 1.1.4 Mơ hình tốn học tàu ngầm chuyển động ngầm Khi tàu ngầm lặn xuống, chịu tác động dòng chảy, thân tàu chịu ảnh hưởng không nhỏ áp lực nước mô men thủy tĩnh 1- Lực thủy động ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển động lặn xuống tàu ngầm (chuyển động thẳng đứng) hợp lực lực sau: áp lực nước, dòng chảy, trọng lực, lực mơ men Trọng lực tàu ngầm W =m.g; với m khối lượng tàu ngầm, g gia tốc trọng trường Lực tàu ngầm B=g, lượng giãn nước tàu ngầm Lực dư: = W – B, nguyên nhân dẫn đến sai lệch tính tốn lực trang thiết bị tàu ngầm như: ngư lôi, đạn, dược… Khi Δ>0, tức tàu ngầm đủ trọng lượng nặng lặn xuống; Khi Δ0; + Lớp nước có mật độ âm: Mật độ nước biển giảm độ sâu tăng