NO339238B1 - Dynamisk posisjonering av marinefartøyer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører den dynamiske posisjoneringen (DP) av havgående fartøyer,

det vil si: bruken av posisjoneringspropeller til å holde posisjonen til et fartøy i nær-heten av et referansepunkt og holde dets retning fast mot miljøkrefter som vind og strøm.

Uttrykket "fartøy" er ment å inkludere skip, borerigger og alle andre overflatefartøyer eller -plattformer. Oppfinnelsen er i hovedsak aktuell for anvendelser på dypt vann, men bruken heri av ordet "havgående" er ikke ment å utelukke dens anvendelser i fersk-vannssjøer.

Et skip beveger seg langs seks akser, tre som flytter: (fartsretning, sideveis og hiv) og tre roterende: (krenge, stampe og dreie). Disse seks aksene er vist i figur 1. Et DP-system for et overflatefartøy styrer vanligvis bare de tre bevegelsene i horisontalplanet, nemlig fartsretning, sideveis og dreining, men det kan trenge å ta i betraktning målinger på alle seks akser.

De grunnleggende bestanddelene av et DP-system er: et eller flere posisjonsreferanse-systemer til å måle fartøyets posisjon og retning, posisjoneringspropeller til å utføre styringsstøt, og en styringsenhet til å bestemme de nødvendige støt. Hensikten med et DP-system er ikke å holde fartøyet i absolutt ro, men å holde dets plass innenfor akseptable grenser. Størrelsen av den tillatte posisjonsvariasjonen avhenger av anvendelsen og operative hensyn. I mange applikasjoner kan tap av posisjon utover akseptable grenser ha alvorlig innvirkning enten på sikkerheten til personell eller utstyr, eller på omgivelsene. Derfor er det viktig at tilstrekkelige tiltak blir tatt for å beholde integriteten til DP-systemet så langt som er fornuftig mulig.

Sikker drift i DP avhenger av måling av fartøyetposisjonen og retning til alle tider.

For å sikre at dette holder, selv under tilstander med feil, inkluderer alle målesystemer redundans. Fysisk redundans krever motstykker av utstyr for å sikre at en enkelt feil i hvilket som helst del av utstyret ikke vil føre til i feil i det helhetlige systemet og tillater utstyr med feil å bli omgått ved bruk av den redundante hardware.

De parallelle redundante systemene må være uavhengige, d.v.s., ingen enkeltfeiltilstand skulle kunne kople ut hele systemet. For måling av retning kan denne uavhengigheten oppnås ved å installere flere gyrokompasser siden ingen feil i en enkelt enhet vil påvirke de andre.

Mens gyrokompasset tilbyr en kompakt, pålitelig og nøyaktig måling av fartøyretning (dreining), uavhengig av ytre forstyrrelser, har målinger av posisjon i fartsretning og sideretning vist seg å være vanskeligere.

Tilgangen på uavhengige posisjonsmålinger avhenger av lokalisering og drift av fartøyet. For stasjonær drift i vanndybder opp til omtrent 1000 m tilgjengeliggjør systemer med flere spente vaiere uavhengig redundant tilbakekopling av fartøyposisjonen. Ingen enkelt feil kan kople ut alle de spente vaiererne.

Imidlertid er ikke spente vaiere et valg for mange fartøyet, for eksempel må borefartøyer kunne operere på stadig dypere vann.

Akustisk posisjonsmåleutstyr (position measuring equipment - PME) systemer lider av et antall ulemper. I dypt vann kan målingene være støyfylt og intervallet mellom målingene øker, noe som fører til tap av posisjoneringsnøyaktighet. Flere akustiske systemer kan ikke betraktes som uavhengige av hverandre siden de alle avhenger av egenskaper av det samme mediet - vannet. Utsetting og gjeninnhenting av akustiske fyr er en uunngåelig byrde på korte overhalingstider.

Det globale posisjoneringssystemet (GPS) og differensiell GPS (DGPS) dominerer nå posisjonsmålingsmarkedet på grunn av deres kostnad, bekvemmelighet, nøyaktighet og størrelse. De deler imidlertid en enkelt kilde til feil: ionosfæriske forstyrrelser, særlig i tropiske områder har ført til komplett tap av GPS-målinger for betydelige perioder.

En funksjon ved en DP-styringsenhet er å kombinere alle tilgjengelige målinger av posisjon, fra hvilken som helst kilde, til et enkelt anslag over skipsposisjonen. Algoritmen for å kombinere målingene kan baseres på et Kalman-filter. Kildene til målingene har inkludert et bredt utvalg av utstyr, inkludert satelittnavigasjonssystemer, hydroakustiske referansesystemer og spent vaier systemer. Nylig har bruk av hastighetsmåling som en utfyllende måling blitt utprøvd. (Stephens, R.I., Meahan, A. J. og Flint, J.C.: "Using Doppler logs for safer DP", OSV Singapore 2005, fellesarrangement mellom Joint Branch of PJNA-IMarEST Singapore og CORE, 20.-21. September 2005.) Doppler fartsmålere er forholdsvis billige og kompakte. De virker ved å måle Dopplerforskyvingen av høyfrekvente akustiske signaler reflektert enten fra sjøbunnen (kjent som "bottom lock") for å utlede fartøyets hastighet i forhold til sjøbunnen, eller fra partikler i vannet under kjølen (kjent som "water lock") for å utlede fartøyets hastighet i forhold til vannet omkring.

Passende hastighetsmålinger kan oppnås fra Doppler-effekt-utstyr montert under fartøyet. Hastighetsmålinger alene kan imidlertid ikke danne en varig posisjonsreferanse på grunn av driften i posisjon som kommer av integreringen av feil i hastighetsmålingene. Derfor er en annen form for posisjonsmåling også nødvendig.

Stigerør er lange rør eller strenger som i stor utstrekning er brukt i olje- og gass-, undersøkelse- og produksjonsindustriene. De blir brukt for boring og utvinning. Stigerør kan være stive eller bøyelige. Vanligvis er posisjoneringskravet aktuelt for et fartøy med stigerør for å holde fartøyposisjonen i forhold til bunnen av stigerøret. Forsøk har blitt gjort på å bruke informasjon fra stigerør til å gi en posisjonsmåling for bruk i DPen. Imidlertid inkluderer ulempene den ukjente formen av stigerøret mens det henger i vannet, siden den er påvirket av vannstrømmer som kan endre og som er forskjellige i forskjellige dybder. Et forslag bruker måling av stigerørets topp- og bunnvinkler koplet med måling av vannstrømmer i et forsøk på å modellere den nøyaktige formen på stigerøret og strømningsprofilen fra sjøbunn til overflate. (Eger, P.O.: "The advantages of riser information to DP drilling units", Proceedings of the 2001 JMCA Marine Division Annual Seminar & Workshops, 13.-14. September 2001, Stavanger, sidene 55-57)

Oppfinnelsen tilgjengeliggjør en fremgangsmåte for å bestemme posisjonen til et fartøy som definert i krav 1. Foretrukne, men ikke nødvendige egenskaper ved fremgangsmåten er definert i kravene 2 til 6.

Ytterligere tilgjengeliggjør oppfinnelsen en fremgangsmåte for å bruke den bestemte posisjonen for å dynamisk posisjonere et fartøy, som definert i krav 7. Foretrukne, men ikke nødvendige egenskaper ved fremgangsmåten er definert i krav 8.

Til slutt tilgjengeliggjør oppfinnelsen et apparat for å bestemme posisjonen til et fartøy som definert i krav 9. Foretrukne men ikke nødvendige egenskaper ved fremgangsmåten er definert i kravene 10 og 11.

Denne oppfinnelsen bruker et mål av stigerørbunnvinkelen kombinert med et mål på fartøyhastigheten, muligens, men ikke nødvendigvis, hentet fra en Doppler-hastighetsmåler. Disse to signalene blir kombinert for å danne et enkelt posisjonsanslag, muligens ved å bruke et Kalman-filter eller en annen algoritme. Det kombinerte posisjonsanslaget beholder fordelene ved hvert av de to signalene, d.v.s. stigerørbunnvinkelen gir et tregt anslag over den krevde fartøyposisjonen, mens hastighetsmålingen gir en rask måling av bevegelsen. Dette tillater DP-systemet å holde posisjonen til fartøyet innenfor de grenser som er krevet på en stabil måte for lange perioder.

Bruk av en stigerørbunnvinkel alene ville ført til et ustabilt styringssystem, siden bunnvinkelen henger betydelig etter fartøybevegelsene, og sammenhengen er ulineær. Bruk av hastighetsmålingen alene ville resultert i en sakte drift av posisjonen. Kombinasjonen av de to fjerner ulempene av de individuelle målingene.

For å kombinere bunnvinkel- og hastighetsmålingene, er et Kalman-filter ikke den eneste mulige algoritmen. Enhver tilstandsobserverer kan duge, for eksempel et Wiener-filter eller en Luenberger-observerer. Man kunne også teoretisk bruke en enkel blandealgoritme ved å bruke et høypassfilter på hastighetene og et lavpassfilter på stigerørvinklene.

Oppfinnelsen tillater et pålitelig og stabilt anslag over fartøyposisjonen å bli oppnådd uten å måle toppvinkelen til stigerøret, og spesielt uten nødvendigheten av å modellere den nøyaktige formen på stigerøret og strømningsprofilen fra sjøbunn til overflate.

Figur 1 er et skjema av fartøybevegelsens seks akser.

Figur 2 viser skjematisk målingen av stigerørvinkelen som er brukt i oppfinnelsen. Figur 3 er et blokkdiagram av et dynamisk posisjoneringstyringssystem for en enkel bevegelsesakse for et fartøy, i samsvar med oppfinnelsen.

En foretrukken utførelse av oppfinnelsen bruker et Kalman-filter (KF) til å kombinere målinger av fartøyhastighet, fartøyretning og stigerørsbunnvinkel med enhver annen posisjonsmåling som kan være tilgjengelig for å anslå fartøyets posisjon og retning og dynamisk styre dem.

De grunnleggende Kalman-filterlikningene (se for eksempel Åstrom og Wittenmark, Computer Controlled Systems: Theory and design, 2. utg. Prentice-Hall International, Englewood-Cliffs, NJ, USA, 1990) er basert på en diskret tilstandsrommodell av skipet som følger:

hvor x( f) er tilstandsvektoren ved tiden t, u er en vektor av styringsinnganger og foroverkoplingskrefter, y er en vektor av målte utganger, r er punktprøvperioden mens

<I>, r og H er matriser som definerer overgangene til tilstandsvektoren. w og v er støyprosesser som virker henholdsvis på tilstandene og utgangene, w og v er antatt å være Gaussfordelt med null som middelverdi.

KF-fremgangsmåten er basert på en syklus av forutsigelse fulgt av korreksjon.

Ved hvert tidstrinn blir den følgende likningen, basert på modell-likningene (1) og (2) over, brukt til å ekstrapolere tilstanden x forover og danne en forutsigelse om y hvor x og y er henholdsvis de anslåtte tilstands- og målingsvektorer. x<*>er en mellomtilstandsvektor som følger ekstrapoleringen. Når en måling av posisjonen er tilgjengelig, blir den forutsagte posisjonen, y, sammenliknet med målingen og tilstandene korrigert som følger:

e er en vektor av feil mellom målingene og anslagene. L er en matrise av oppdateringsforbedringer (vanligvis kalt "Kalman-forbedringer") som kan være tidsvariable.

Formuleringen av likningene over tillater vektorer av innganger, u, og målinger, y, slik at det er likefrem å inkludere et antall målinger fra forskjellige måleutstyr. Derfor tilgjengeliggjør dette en mekanisme for å inkludere både stigerørvinkel og hastighetsmålinger i Kalman-filtret. Målingsvektoren, y og feilvektoren, e blir utvidet til å inkludere alle tilgjengelige målinger. Måleovergangsmatrisen, H, må tillegges rader for å danne en anslått hastighetsutgang og stigerørbunnvinkel, mens Kalman-forbedringsmatrisen, L, trenger ekstra kolonner for de nye målingene.

Modellen inkluderer også ekstra tilstander i x for å ta med i beregningen dynamikken til måleinstrumentene, som nødvendiggjør tillegg i <I>, r, H og L.

En Doppler-hastighetsmåler i "water lock" må ventes å bli påvirket av en strøm eller et tidevann. Hvis ikke noen andre PMEer var tilgjengelige ville dette føre til en drift i den anslåtte posisjonen proporsjonalt med den medgåtte tiden. For å korrigere for denne feilkilden, må en skjevstilling av hastighetsmålingen bli modellert og anslått inne i systemet.

For å anslå driften, kan en av to fremgangsmåter anvendes. Den første er å utvide KF-tilstandsvektoren, x, for å inkludere et driftsuttrykk for hver Doppler-hastighetsmåler på fartøyet. KF-modellmatrisene <D, r og H må også bli utvidet. Kalman-forbedringsmatrisen, L, trenger også omregning, finstillingen av denne er kritisk for å sikre at driftsanslaget utføres på en tilfredstillende måte. Den alternative fremgangsmåten for å anslå driften er å danne en adskilt estimator, som sammenlikner målte og anslåtte hastigheter.

Figur 2 viser skjematisk målingen av stigerørsvinkelen brukt i oppfinnelsen. Et fartøy 10 er forbundet med et stigerør 12 til et fast punkt 14 på sjøbunnen. Stigerøret 12 kan være et rør og det faste punktet kan være utblåsningsforhindreren til brønnhodet. Alternativt kan stigerøret 12 ganske enkelt være en kabel forbundet med et sjøbunnanker 14.

Fartøyet 10 bringer Doppler-hastighetsmåler, vist skjematisk ved 16, som er orientert i farts- og sideretningen og opererer i "water lock" for å måle hastigheten av fartøyet 10 i forhold til vannet innenfor en avstand på noen få meter under skroget til fartøyet.

Forbindelsen av stigerøret 12 til det faste punktet 14 på sjøbunnen bærer sensorer (ikke vist) til å måle retningen av stigerøret 12 ved det faste punktet. Enda denne spesifikasjonen i alminnelighet helt enkelt viser til stigerørbunnvinkelen, trenger full måling av orienteringen målingen av to vinkler. I et eksempel inbefatter paret av vinkler polarvinkelen 8 ved hvilken stigerøret 12 avviker fra vertikalen og asimutvinkelen y som definerer retningen av et vertikalplan som inneholder bunnen av stigerøret 12.

Et alternativt og foretrukket par av vinkler inbefatter avvikene av stigerørbunnen 12 fra to gjensidige normalplan definert i forhold til det faste punktet 14. Et annet alternativ ville være x,y-koordinatene av et gitt punkt nær stigerørbunnen i et koordinatsystem definert i forhold til det faste punktet 14.

Uansett hvilket par av målinger som blir brukt, blir de omformet fra et koordinatsystem definert i forhold til det faste punktet 14 til et koordinatsystem definert i forhold til Jorden (for eksempel akser innrettet øst, nord og opp). Så, med kjennskap til vannets dybde, kan stigerørbunnvinkelmålingene bli omformet til en skipsposisjon (retning og avstand fra punktet på overflaten over det faste punktet 14) som mates inn i Kalman-filteret som beskrevet over. Alternativt kunne Kalman-filteret bli innrettet til å akseptere de ubehandlede vinkelmålingene uten forutgående omforming. Der blir bunnvinkelmålingene kombinert med hastighetsmålingene og eventuelle andre tilgjengelige posisjonsmålinger slik som GPS i et felles sett av koordinater i forhold til for eksempel farts- og sideretningen av fartøyet eller til breddegrad og lengdegrad.

Et blokkskjema av et typisk styringsskjema for en enkelt bevegelsesakse av et fartøy er vist i figur 3. Hver bevegelsesakse har sitt eget Kalman-filter som i hovedsak er uavhengig av de andre.

Hydrodynamikken til skroget er representert av firkant 20. Bevegelsen av fartøyet i fravær av styring bestemmes av startbetingelsene 22 (posisjon, retning, hastighet) og av miljøpåvirkningene 24 (i hovedsak vind og strøm). Styringen av fartøyet er tilgjengeliggjort av posisjoneringspropellene 26, som virker på skroget sammen med de andre påvirkningene 22 og 24 for å endre de nåværende tilstandene til fartøyet.

Målesystemet 28, inkludert Doppler-hastighetsmåleren 16 og stigerør-12 bunnvinkelmåling beskrevet tidligere, punktprøver de faktiske fartøytilstandene ved

forutbestemte tidsintervaller for å tilgjengeliggjøre målte posisjoner og/eller hastigheter som mates inn i Kalman-filteret 30 for å bestemme målevektoren y. Kalman-filteret 30 kombinerer virkelige målevektor y med sin forutsagte målevektor y for å oppdatere sin modell av bevegelsen av fartøyet og gi ut en forutsigelse om de virkelige fartøytilstander til en styringsenhet 32.

Styringsenheten 32 sammenlikner den virkelige posisjonen og retningen av fartøyet forutsagt av Kalman-filteret 30 med en referanseposisjon, det vil i alminnelighet si posisjonen på overflaten som er rett over referansepunktet 14 på sjøbunnen. Som et resultat av sammenlikningen, gir styringsenheten ut et signal til posisjoneringspropellene 26 for at de skal bringe posisjonen til fartøyet 10 nærmere den ønskede referanseposisjonen. Utgangssignalet fra styringsenheten 32 blir også matet tilbake til Kalman-filteret 30 som en inngangsvektor u slik at den forutsagte virkning av å kjøre posisjoneringspropellene kan bli tatt med i beregningen av modellen under det påfølgende tidsintervall.

Claims (11)

1. Fremgangsmåte for å bestemme posisjonen til et fartøy på overflaten av vann, i forhold til et referansepunkt under overflaten til hvilket fartøyet er forbundet med et stigerør,karakterisert ved å ta målinger av hastigheten til fartøyet, å ta målinger av vinkelen til stigerøret inntil referansepunktet og å kombinere hastighetsmålingene og stigerørvinkelmålingene for å utlede et anslag over posisjonen til fartøyet.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat hastighetsmålingene og stigerørvinkelmålingene blir kombinert ved å bruke en rekursiv algoritme som tar som innganger en hastighetsmåling, en stigerørvinkelmåling og et anslag over posisjonen til fartøyet ved et tidligere tidspunkt.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2,karakterisert vedå trekke den anslåtte fartøyposisjonen ved det tidligere tidspunktet fra en uavhengig måling av fartøyposisjonen ved det tidligere tidspunktet for å utlede en feilmåling, hvori feilmålingen tilgjengeliggjør ytterligere en inngangsverdi til den rekursive algoritmen.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 2 eller krav 3,karakterisertv e d at den rekursive algoritmen er et Kalman-filter.

5. Fremgangsmåte som angitt i hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat hastighetsmålingene er målinger av fartøyhastigheten i forhold til vannet som omgir fartøyet.

6. Fremgangsmåte som angitt i hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat hastighetsmålingene blir gjort ved bruk av en Doppler-hastighetsmåler.

7. Fremgangsmåte for å dynamisk posisjonere et fartøy på overflaten av vann i forhold til et referansepunkt under overflaten til hvilket fartøyet er forbundet med et stigerør,karakterisert ved: å bruke en fremgangsmåte angitt i krav 6 til å bestemme fartøyposisjonen, å ta målinger til å bestemme retningen av fartøyet og å styre posisjoneringspropeller for å endre posisjonen eller retningen av fartøyet.

8. Fremgangsmåte for å dynamisk posisjonere et fartøy som angitt i krav 7,karakterisert vedat styresignalene sendt til posisjoneringspropellene eller målingene av utgangsverdiene til posisjoneringspropellene blir kombinert med hastighetsmålinger og stigerørvinkelmålinger til å utlede anslaget over fartøyposisjonen.

9. Innretning til å bestemme posisjonen av et fartøy på overflaten av vann i forhold til et referansepunkt under overflaten, til hvilket fartøyet er forbundet med et stigererør,karakterisert ved midler for måling av hastigheten til fartøyet, midler for måling av vinkelen av stigerøret inntil referansepunktet og midler for å kombinere hastighetsmålingen og stigerørvinkelmålingen for å utlede et anslag over posisjonen av fartøyet.

10. Innretning som angitt i krav 9,karakterisert vedat midlene for måling av hastigheten til fartøyet er en Doppler-hastighetsmåler.

11. Innretning som angitt i krav 10karakterisert vedat Doppler-hastighetsmåleren måler relativt til partikler som følger vannet.