AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE Instytut Inżynierii Ruchu Morskiego Zakład Urządzeń Nawigacyjnych Ćwiczenie nr 11 Błędy pomiarów radarowych. Szczecin 2007
TEMAT: Błędy pomiarów radarowych. 1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jest: teoretyczne i praktyczne zapoznanie z problemami identyfikacji ech, w tym z pasywnymi i aktywnymi metodami zwiększania sygnału echa, utrwalenie praktycznych umiejętności obsługi występujących w radarach znaczników pomiarowych, praktyczne utrwalenie wiedzy dotyczącej pomiarów radarowych, ze szczególnym uwzględnieniem właściwej metodyki oraz oceny dokładności. 2. Zakres przygotowania teoretycznego. Teoretyczne przygotowanie do obsługi programu Test symulacyjny pomiarów radarowych. Wszystkie symbole występujące w radarach wraz z nazewnictwem polskim i angielskim. Problematyka identyfikacji ech od obiektów w tym: odbijanie mikrofal od obiektów, pasywne i aktywne metody zwiększania sygnału echa: reflektor radarowy, racon, ramark, rakieta sygnalizacyjna, SART, tłumienie fali elektromagnetycznej, właściwości obrazu echa na ekranie wskaźnika radarowego, Rodzaje znaczników pomiarowych i ich właściwości, Problematyka pomiarów radarowych w tym: rozwiązania techniczne stosowanych układów pomiarowych, metodyka pomiarów radarowych, błędy pomiarów radarowych, Kalibracja radaru i kalibracyjna dokładność pomiaru odległości i kątów, Praktyczna umiejętność obsługi programu Test symulacyjny pomiarów radarowych. -2-
4 1 3 2 5 Rys. 2.1. Fragment mapy polskiej Biura Hydrograficznego Marynarki Wojennej nr 21: Bałtyk - Przejście Świnoujście-Szczecin, część południowa
Instrukcja obsługi symulatora przeczytać w ramach przygotowania teoretycznego. Stanowisko symulacji komputerowej - Program Test pomiarów radarowych. a) b) Rys.2.2 Układ ekranu komputera podczas pracy programu Test pomiarów radarowych : a) ekran symulacji pracy wskaźnika raster-scan, b) ekran wyników testu - 4 -
Ekran symulacji wskaźnika radarowego. Po wciśnięciu dowolnego klawisza wyświetlany jest ekran symulatora, złożony z następujących elementów (patrz rys. 2.2 a)): 1) w lewym górnym rogu ekranu okno menu obsługi symulatora; 2) poniżej okno informacji o pomiarze kręgami stałymi z wydzielonym obszarem wpisania danych; 3) w lewym dolnym rogu okno pomocy, prowadzące ćwiczącego podczas pomiarów i pokazujące tryb pracy symulatora (trening - pomiar); 4) po prawej stronie okno wskaźnika radarowego. Okno menu obsługi podaje w skrócie wykaz możliwych do wykonania przez użytkownika operacji: F1 VRM - oznacza, że poprzez wciśnięcie klawisza F1 następuje włączenie lub wyłączenie kręgu ruchomego; F2 EBL - oznacza, że poprzez wciśnięcie klawisza F2 następuje włączenie lub wyłączenie elektronicznej linii namiarowej; F3 MARKER - oznacza, że poprzez wciśnięcie klawisza F3 następuje włączenie lub wyłączenie markera; F4 Fixed Rings - oznacza, że poprzez wciśnięcie klawisza F4 następuje włączenie lub wyłączenie kręgów stałych; F5 PULSE - oznacza, że poprzez wciśnięcie klawisza F5 następuje przełączenie długości impulsu sondującego; RANGE - oznacza, że poprzez wciśnięcie klawiszy lub następuje zmiana zakresu; Space Test - oznacza, że poprzez wciśnięcie klawisza odstępu następuje przełączenie trybu treningowego w tryb wykonania pomiarów w ramach testu (klawisz aktywny tylko w trybie treningowym); End Wyniki - oznacza, że poprzez wciśnięcie klawisza End następuje wyświetlenie ekranu wyników (klawisz aktywny tylko w trybie treningowym po zakończeniu pomiarów); Lewy p. myszy Pomiar EBL+VRM oraz MARKER em - oznacza, że wciśnięcie lewego przycisku myszy informuje symulator o momencie wykonania pomiaru przy użyciu EBL, VRM, kombinacji EBL+VRM oraz markera (przycisk aktywny tylko w trybie pomiarów); Prawy p. myszy Zmiana EBL-VRM - oznacza, że wciśnięcie prawego przycisku myszy przy włączonych znacznikach EBL oraz VRM powoduje przełączanie aktywności znaczników (który z nich aktualnie reaguje na ruch myszą). Okno informacji o pomiarze kręgami stałymi uaktywnione zostaje wraz z włączeniem kręgów. Podaje ono w sposób skrótowy algorytm postępowania ćwiczącego w celu zapisu odczytanej przez niego przy pomocy kręgów stałych odległości. Po wykonaniu interpolacji między dwoma sąsiadującymi kręgami i odczytaniu całkowitej odległości do echa należy wcisnąć klawisz Enter. Włączona zostanie edycja wprowadzanej wartości i na ten okres zatrzymana będzie praca symulatora. W wydzielonym obszarze wpisania danych (dolna część okna) zostanie wyświetlony format podawanej liczby: 00.00 Nm. Aktywne pole liczby podkreślone jest czerwonym tłem. Zmiana cyfr na poszczególnych polach odbywa się przy pomocy klawiatury numerycznej bądź kombinacją klawiszy. Przejście do kolejnego pola następuje automatycznie po podaniu - 5 -
cyfry z klawiatury numerycznej lub poprzez wciśnięcie klawisza. Przełączanie aktywnych pól klawiszami pozwala na wygodną korektę wpisanych wartości. Po ostatecznym wprowadzeniu odległości należy ponownie wcisnąć klawisz Enter. Symulator zapamięta pomiar do położenia obiektu w momencie pierwszego wciśnięcia Enter (tylko w trybie pomiarów) i powróci do przerwanego trybu pracy. Okno pomocy podaje dane odnośnie bieżącego trybu pracy oraz algorytm pomiarów (w trybie pomiarów). Po wciśnięciu klawisza Space wyświetlone zostają pomocnicze informacje prowadzące ćwiczącego podczas pomiarów. Wyróżnione kolorem oraz większym drukiem są: nazwa aktualnego znacznika, którym należy wykonać pomiar oraz ilość pozostałych do wykonania nim pomiarów. W ten sposób ćwiczący jest informowany na bieżąco o czynności, którą aktualnie ma zrealizować oraz nie musi dodatkowo koncentrować swojej uwagi na założonym przez instruktora algorytmie pomiarów. Po wciśnięciu lewego przycisku myszy, klawisza Enter (w przypadku kręgów stałych) lub upływie założonego czasu przypadającego na jeden pomiar ilość pomiarów jest sukcesywnie zmniejszana. Wykonanie wszystkich założonych pomiarów danym znacznikiem jest sygnalizowane sygnałem dźwiękowym z głośnika systemowego oraz oczywiście zmianą nazwy znacznika i ilości pomiarów do wykonania. Okno wskaźnika radarowego jest elementem ekranu symulatora w całości wzorowanym na rzeczywistym systemie radarowym 1. Złożone jest ono z czterech pól danych oraz wydzielonej części odpowiadającej obrazowi radarowemu (rys. 2.2 a)). Dane oraz większość elementów zobrazowania na lampie radaroskopowej przedstawiona jest w kolorze jasnozielonym bądź zielonym. Wskazania na polach danych: D1 informuje o aktualnej nastawie zakresu oraz odległości miedzy kręgami stałymi; D2 informuje o aktualnej nastawie długości impulsu sondującego, D3 informuje o włączeniu markera oraz jego aktualnym położeniu (dane w formacie 00.00 Nm, oraz 000.0 ); D4 informuje o włączeniu oraz aktualnym położeniu zmiennego kręgu odległości (dane w formacie 00.00 Nm) oraz elektronicznej linii namiarowej (dane w formacie 000.0 ). Obraz radarowy ograniczony jest kręgiem namiarowym w kolorze jasnozielonym wyskalowanym co 5 (o promieniu 218 pikseli w skali rozdzielczości tworzonej grafiki). Dane numeryczne kierunków wyświetlane są co 10 w formacie 000. Krąg namiarowy stanowi jednocześnie ograniczenie zobrazowania radarowego - wszystkie znaczniki oraz echa mogą się przemieszczać tylko we wnętrzu tak określonego koła. Stałym elementem zobrazowania jest kreska kursowa wykreślona linią przerywaną o kolorze zielonym. Położenie jej ustalane jest każdorazowo po starcie symulatora. Elementami zmiennymi są znaczniki oraz echa obiektów. Ze względu na zastosowanie myszy jako elementu sterującego trzech znaczników te aktualnie aktywne oznaczane są kolorem jasnoszarym a pozostałe zielonym. Elektroniczna linia namiarowa (EBL) oraz krąg ruchomy (VRM) kreślone są linią ciągłą. Przy jednoczesnym załączeniu obu znaczników wybór aktywnego następuje poprzez wciśnięcie prawego przycisku myszy. Przemieszczanie VRM i EBL jest możliwe przy pomocy myszy. Ruch VRM uzyskuje się przesuwając mysz w przód i tył, a EBL w prawo lub lewo. 1 Rozmieszczenie graficzne pól danych oraz lampy radaroskopowej autor programu wzorował na wskaźnikach radarów typu raster-scan Krupp Atlas 7600. - 6 -
Znacznik akwizycyjny (marker) wyświetlany jest jako okrąg o promieniu 2 pikseli (zależnie od wielkości ekranu monitora 1-2 mm). Jego włączenie ma priorytet w stosunku do pozostałych znaczników i dlatego zawsze jest w kolorze jasnoszarym. Od momentu jego włączenia do wyłączenia wszelkie operacje ruchu myszą odnoszą się tylko do niego (po włączeniu markera niemożliwe jest sterowanie EBL i VRM). Kręgi stałe (fixed rings) kreślone są analogicznie do kręgu ruchomego w kolorze zielonym - dla każdego zakresu - 6 kręgów. W trybie pomiarów załączenie kręgów stałych powoduje wyłączenie pozostałych aktywnych znaczników oraz uniemożliwia ewentualne ich włączenie. Celem takiego rozwiązania jest uniemożliwienie ćwiczącemu wykonania pomiaru np. VRM a następnie wpisanie uzyskanej wartości jako wyniku pomiaru kręgami stałymi. Echa rysowane są kolorem jasnozielonym, a to, które ma być pomierzone (tylko w trybie pomiarów) jest oznaczane czerwonym kolorem. Pomiar powinien być dokonany w ograniczonym czasie (standardowo 30 s) i przy właściwym doborze zakresu. Oba te kryteria są sprawdzane przez symulator i mają wpływ na ostateczną ocenę ćwiczenia. Po wciśnięciu Enter i wpisaniu wartości pomiaru (przy załączonych kręgach stałych), wciśnięciu lewego przycisku myszy albo po upływie założonego czasu echem pomierzanym staje się następne. Po wykonaniu przez ćwiczącego całego algorytmu pomiarów symulator automatycznie przechodzi w tryb treningowy. Ekran wyników testu. Wciśnięcie klawisza End po zakończeniu procedury pomiarów powoduje przerwanie pracy symulatora oraz zastąpienie ekranu symulacji ekranem wyników testu (patrz rys. 2.2 b)). Symulator pozwala na graficzną oraz ilościową ocenę dokładności wykonanych pomiarów. Ekran wyników testu można podzielić na dwa okna wykresów funkcji gęstości normalnego rozkładu prawdopodobieństwa zmiennej losowej f(x) - f(δ d ) i f( α ): błędu względnego mierzonych odległości δd [%] (procent wartości ekranowej zakresu r e =216 pikseli); błędu bezwzględnego mierzonych namiarów α [ ]; oraz tabelę oceny wykonanych pomiarów. Tabela oceny wykonanych pomiarów pozwala na ilościową ocenę wyników pomiarów. Złożona jest ona z siedmiu kolumn: 1) parametr - określa w sposób opisowy parametry mające wpływ na wypadkową ocenę, czyli: średni błąd względny pomiaru odległości EX od [%], odchylenie standardowe błędu względnego pomiarów odległości DX od [%], średni bezwzględny błąd pomiaru namiaru EX nam [ ], odchylenie standardowe bezwzględnego błędu pomiaru namiaru DX nam [ ], błąd wyboru zakresu (ilość błędnie dobranych zakresów), błąd pominięcia pomiaru (ilość pominiętych pomiarów; w przypadku pomiaru pozycji: odległość i namiar, liczy się podwójnie), czas wykonania założonej serii pomiarów; 2) wartość - zawiera wartości parametrów uzyskane z matematycznej analizy wykonanych pomiarów (EX oraz DX z dokładnością do 0,01; czas do 0,1 s); 3) dop. war. - zawiera wartości dopuszczalne parametrów (przyjęte standardowo przez autora lub zmienione przez instruktora wartości graniczne parametrów na ocenę 2,0); 4) poż. war. - zawiera wartości pożądane parametrów (przyjęte standardowo przez autora lub zmienione przez instruktora wartości graniczne parametrów na ocenę 5,0); 5) ocena - podaje wartości oceny uzyskane z interpolacji wartości parametrów pomiaru pomiędzy wartościami pożądaną a dopuszczalną (z dokładnością do 0,1); - 7 -
6) waga - podaje procentowy udział poszczególnych ocen w ocenie wypadkowej (z dokładnością do 1); 7) wypadkowa ocena - średnia ważona ocen wszystkich parametrów (w przypadku, gdy którykolwiek z parametrów został oceniony na 2,0 ocena wypadkowa przyjmuje wartość 2,0): ( waga ocena ) wyp. ocena = (3.1) 100 Wyjście z ekranu wyników następuje poprzez wciśnięcie dowolnego klawisza. - 8 -
3. Wykonanie ćwiczenia. W trakcie realizacji ćwiczenia należy wykonać pomiary, szkice i sporządzić notatki. Obliczenia przeprowadzić po zakończeniu obserwacji i pomiarów na wszystkich stanowiskach. 3.1 Stanowisko I - Radar Nuclueus 5000: Pomiary, identyfikacja obiektów na podstawie mapy. Czas przeznaczony na wykonanie czynności: 20 min. przeprowadzić regulację wstępną radaru na zakresie 1,5 Mm, zanotować deklarowane dla tego radaru dokładności pomiarów, w celu polepszenia rozróżnialności zastosować ZRW i ewentualnie rozróżnialnik, zidentyfikować na ekranie wskaźnika cypel oznaczony na mapie numerem 1 (zob. rys. 2.1), określić przy pomocy mapy namiar i odległość do obiektu 1, dokonać pomiaru kąta kursowego przy pomocy EBL i odległości przy pomocy VRM do obiektu 1, obliczyć kurs wskazywany przez kreskę kursową, określić kąt widzenia zachodniego brzegu Wyspy Grodzkiej (brzeg z dalbami) na podstawie pomiarów obiektów nr 2 i 3, porównać kąt widzenia zachodniego brzegu Wyspy Grodzkiej z wymiarem kątowym uzyskanym z mapy, wykonać pomiary do obiektu nr 4 (południowy brzeg przy Przesmyku Orlim) i nr 5 porównując wyniki z pomiarami z mapy, wypełnić tabelę 3.4 a). 3.2 Stanowisko VI - Radar JMA 3254-4 firmy JRC: Pomiary, identyfikacja obiektów na podstawie zdjęcia obrazu radarowego. Czas przeznaczony na wykonanie czynności: 20 min. przeprowadzić regulację wstępną radaru na zakresie 0,75 Mm, zanotować deklarowane dla tego radaru dokładności pomiarów, w celu polepszenia rozróżnialności zastosować ZRW i ewentualnie rozróżnialnik, przeprowadzić kolejno pomiary odległości (przy pomocy kręgu ruchomego) i kąta kursowego (przy pomocy elektronicznej linii namiarowej) do ech oznaczonych numerami 1-5 na zdjęciu (rys. 2.1), wypełniając tabelę p. 3.4 b, zidentyfikować (odległość, kąt kursowy) echo hotelu Radisson, przełączyć radar na zakres pracy 0,5 Mm, wykonać pomiary odległości i kątów poziomych pomiędzy dalbami opisanymi w tabeli p. 3.4 c uzupełniając tabelę (w trakcie pomiaru w razie konieczności zmieniać zakres i/lub decentrować obraz zgodnie z właściwą metodyką pomiaru). - 9 -
3.3 Stanowisko XI - Symulacja komputerowa radaru raster-scan: Ocena dokładności i prawidłowości wykonania pomiarów radarowych. Czas przeznaczony na wykonanie czynności: 30 min. Test wykonuje kolejno każdy ze studentów ćwiczącego zespołu (max. 15 min na osobę). po wstępnym powtórzeniu zasad obsługi symulatora (znaczniki pomiarowe, zmiany zakresu, długości impulsu sondującego) poprzez wciśnięcie klawisza spacji rozpocząć test pomiarów radarowych (czas testu max. 12,5 min, max. czas pojedynczego pomiaru 30 s), wykonać 5 pomiarów odległości do echa oznaczonego na czerwono przy pomocy VRM, wykonać 5 pomiarów namiarów do echa oznaczonego na czerwono przy pomocy EBL, wykonać 5 pomiarów pozycji echa oznaczonego na czerwono przy pomocy markera, wykonać 5 pomiarów odległości do echa oznaczonego na czerwono przy pomocy kręgów stałych, po zakończeniu pomiarów (w oknie pomocy zostanie wyświetlony komunikat trening w obsłudze symulatora ) wcisnąć klawisz <End> w celu analizy uzyskanych wyników, przerysować funkcje gęstości normalnego rozkładu prawdopodobieństwa zmiennych losowych błędu mierzonych odległości i namiarów, określić na podstawie powyższych wykresów jakie błędy w metodyce pomiaru wpłynęły na uzyskaną dokładność pomiaru, przedstawić prowadzącemu zajęcia ekran wyników testu wraz z oceną wypadkową (powrót do ekranu symulacji odbywa się poprzez wciśnięcie dowolnego klawisza, ale do momentu ponownego uruchomienia testu <spacją>, możliwe jest ponowne wyświetlenie ekranu wyników wciskając <End>). 4. Opracowanie sprawozdania. 4.1 Część wstępna. ogólny cel ćwiczenia. 4.2 Po wykonaniu ćwiczenia. Sprawozdanie powinno być relacją z przebiegu ćwiczenia z uwzględnieniem chronologii wykonywanych czynności i powinno zawierać interpretację badanych zjawisk. Należy przedstawić: wyniki obserwacji, pomiary, szkice i obliczenia zgodnie z wymaganiami części wykonawczej, interpretację zjawisk badanych na poszczególnych stanowiskach, wnioski w aspekcie celu ćwiczenia. Na podstawie pomiarów odległości i kątów poziomych pomiędzy dalbami na radarze JMA 3254-4 obliczyć czy występujące błędy mieszczą się w deklarowanych granicach dokładności pomiaru odległości i kierunku, a następnie określić błąd systematyczny i losowy względny pomiarów (oddzielnie dla odległości i kierunku): a) obliczyć wartość średnią błędów pomiarów, korzystając ze wzoru : - 10 -
x = 1 n n x i i= 1 gdzie n jest ilością pomiarów, x i zaś oznacza błędy względne kolejnych pomiarów: gdzie: D r D rz x i Dr D = D rz rz [ ] %, - odległość radarowa; - odległość rzeczywista do dalb, jak podano w tabeli 3.4c; b) obliczyć odchylenie standardowe, korzystając ze wzoru: δ = 1 n 1 x i x 2 gdzie x jest wartością średnią błędów pomiarów, a x i oznacza analogicznie, jak w a); c) narysować funkcję gęstości normalnego rozkładu prawdopodobieństwa zmiennych losowych błędu mierzonych odległości i namiarów, korzystając ze wzoru: ( x) x x 1 = exp 2 δ 2π 2δ podstawiając wcześniej obliczone wartości; d) zinterpretować wyniki własnych pomiarów. f 2-11 -