BRPI0508710B1

BRPI0508710B1 - Método para determinar a posição relativa de dois ou mais objetos em um ambiente marítimo, e, sistema para realizar o método

Info

Publication number: BRPI0508710B1
Application number: BRPI0508710-4A
Authority: BR
Inventors: A. Fossum Björn
Original assignee: Kongsberg Seatex As
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2018-08-07
Also published as: BRPI0508710B8; US20060044179A1; NO332040B1; DE602005010679D1; NO20064102L; BRPI0508710A; DK1735638T3; WO2005088343A1; EP1735638A1; EP1735638B1; US7315274B2; ATE412918T1

Abstract

método para determinar a posição relativa de dois ou mais objetos em um ambiente marítimo, e, sistema para realizar o método. é descrito um método para determinar a posição relativa de dois ou mais objetos em um ambiente marinho, incluindo vias navegáveis, das quais pelo menos um objeto pode ser manobrado em relação a um ou mais outros objetos. pelo menos um interrogador é arranjado em um ou mais dos objetos e transmite um sinal de onda de rádio a pelo menos um transpondor arranjo em um ou mais dos outros objetos. o método inédito é o uso de um radar fmcw no interrogador, o uso dos transpondores para incluir etiquetas de identidade nos sinais a ser refletidos ao interrogador, e determinação de postura. é também descrito um sistema para esta determinação.

Description

(54) Título: MÉTODO PARA DETERMINAR A POSIÇÃO RELATIVA DE DOIS OU MAIS OBJETOS EM UM AMBIENTE MARÍTIMO, E, SISTEMA PARA REALIZAR O MÉTODO (51) Int.CI.: G01S 13/82; G01S 13/87; G05D 1/02 (30) Prioridade Unionista: 15/03/2004 NO 20041088 (73) Titular(es): KONGSBERG SEATEX AS (72) Inventor(es): BJÕRN A. FOSSUM (85) Data do Início da Fase Nacional: 14/09/2006 “MÉTODO PARA DETERMINAR A POSIÇÃO RELATIVA DE DOIS OU MAIS OBJETOS EM UM AMBIENTE MARÍTIMO, E, SISTEMA PARA REALIZAR O MÉTODO”

A presente invenção diz respeito a um método de acordo com o preâmbulo de acordo com a reivindicação 1, para determinar a posição, especialmente de embarcação marítima, em relação a outras embarcações ou instalações com utilização de sinais de frequência de radar. Ela também diz respeito a um sistema para tal determinação.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Com relação a indústria de petróleo ao largo, geralmente é preciso posicionar uma embarcação em proximidade imediata com um porto, uma plataforma ou similar, para poder realizar o carregamento e descarregamento de mercadorias, e carregar óleo e gás nas embarcações, etc. Entretanto, isto pode ser extremamente difícil em alto mar, onde ondas gigantes e vento forte afetam o movimento da embarcação. Algumas plataformas também flutuam de uma maneira tal que tanto a embarcação como a plataforma se movem independentemente um do outro. No Mar do Norte, uma série de casos foi reportada em que embarcações bateram na plataforma adjacente. Isto pode levar a danos na embarcação, plataforma e na tripulação, e também causar vazamento de óleo e gás, que leva a poluição e o perigo de explosão. Como consequência disto, é desejável posicionar automaticamente a embarcação em relação à plataforma, o que é feito pelo uso de um sistema de posicionamento dinâmico (sistema DP). O método e o sistema de acordo com a presente invenção são um sistema de referência que fornece entrada em um sistema DP como esse.

Hoje, a indústria de petróleo demanda diversos sistemas de referência independentes baseados em diferentes princípios como entradas para tais sistemas DP. Os fabricantes de DP e seus usuários têm demandado sistemas com mais robustez, facilidade de uso e propriedades de integridade

Petição 870180045862, de 29/05/2018, pág. 7/20 relacionadas a este tipo de uso.

Os sistemas de referência atualmente utilizados para aplicações de posicionamento relativo compreendem:

- Sistemas baseados em laser, por exemplo, “Fanbeam” (marca registrada) da 5 MDL (Measurement Devices Ltd, UK).

Esses sistemas utilizam um laser para rastrear refletores de luz passivos, e tipicamente dão saída na distância e azimute para cada refletor. Esses sistemas utilizam um dispositivo laser de varredura para monitorar os refletores. O sistema baseado em laser tem severas limitações, isto é, rastreamento de alvos falsos (refletores), menor precisão e perda de sinal por causa da saturação da luz solar, bem como absorção e perda de sinal por causa de neve, chuva forte ou neblina no caminho da luz laser. Uma outra limitação severa é a baixa confiabilidade por causa de parte móveis (motor e caixa de engrenagem) que aciona os lasers de varredura. Além do mais, balanço e arfagem podem fazer com que o feixe laser perca o rastreamento dos alvos.

- Sistemas baseados em GPS

Esses sistemas comparam medições com satélites CPS e transmitem os dados com alguma forma de ligação de rádio entre a embarcação e a estrutura em relação à qual ele está se posicionando, e computa a distância relativa e azimute entre a embarcação e o sistema alvo. Os sistemas baseados em GPS são muito bons e são baseados em tecnologia com alta confiabilidade e baixo custo de manutenção. Entretanto, eles podem ser vulneráveis a constelação satélite degradada, especificamente se a embarcação estiver próxima a uma grande estrutura que esteja bloqueando a visão do horizonte.

Sistemas baseados em radar, por exemplo, “Artemis” (marca registrada) da CHL NETHERLANDS B. V. e “RadaScan” (marca registrada) da GCS (Guidance Control Systems), UK.

Esses sistemas utilizam uma antena de radar rotativa

Petição 870180045862, de 29/05/2018, pág. 8/20 convencional, tanto na embarcação como na estação remota. O “Artenis” mede a distância e azimute entre duas estações, e as antenas estão sempre alinhadas uma com a outra. Este sistema pode rastrear somente um alvo, e pode ser usado somente por uma embarcação por vez. Ele é caro, e a confiabilidade é um problema por causa das antenas controladas por motor. O “RadaScan” está descrito em Modulated Microwave Position % Heading Reference Sensor, Jan Grothusen, Dynamic Positioning Conference, 16-17 de setembro de 2003). Este sistema utiliza antena de radar rotativa convencional com suas limitações inerentes e mede sua posição relativa a transpônderes identificáveis.

O pedido de patente EP 0.777.133 A1 apresenta um aparelho de radar FM-CW (FMCW - Onda Contínua Modulada pela Frequência) para determinação da distância e velocidades relativas para inúmeros alvos com relação a sistemas anticolisão para automóveis. A tecnologia de radar está descrita com detalhes em “Radar Handbook”, Sholnik 1970.

A especificação da patente U.S. 6.084.530 apresenta um sistema de comunicação de rádio que compreende um interrogador que gera um sinal de rádio contínuo. Uma ou diversas etiquetas no sistema recebem o sinal de rádio, e um modulador modula a reflexão do sinal de rádio com utilização de um sinal da portadora e usa isto para criar um sinal refletido modulado. O sinal é novamente recebido pelo interrogador que, baseado na frequência do sinal da portadora, pode determinar a identidade da etiqueta. O sistema também pode apresentar vibrações ou movimentos dentro da etiqueta. OBJETIVO DA INVENÇÃO

O objetivo geral da presente invenção é fornecer um método e um sistema para determinar posição com utilização de uma tecnologia de radar, onde a distância, a direção e a velocidade relativa de um interrogador e um ou diversos transpônderes é simultaneamente medida e calculada.

Um objetivo é criar medições “cegas” a objetos sem ser os

Petição 870180045862, de 29/05/2018, pág. 9/20 transpônderes identificáveis a ser medidos de forma relativa, e assim fazer um sistema de posicionamento mais confiável do que os sistemas da tecnologia anterior.

Um objetivo primário é superar os inconvenientes de outros 5 sistemas e prover os usuários com uma solução flexível e robusta para posicionamento de curto alcance. Os elementos chave são:

- Robustez de medições. O sistema tem que ser baseado em medições não facilmente feitas por condições de interferência externa ou condições ambientais.

- O sistema tem que atender as demandas de alta confiabilidade e baixo custo de manutenção.

- O sistema tem que atender as exigências preço competitivo de sistemas existentes no mercado.

O sistema tem que ser baseado em componentes produzidos 15 em grande escala.

A INVENÇÃO

O método da presente invenção está definido na reivindicação

1. Recursos adicionais da invenção estão descritos nas reivindicações 2 - 13, incluindo um sistema para determinar a posição de objetos de acordo com o método inédito.

Pelo menos um transpônder modula uma frequência do identificador no sinal proveniente do interrogador antes da reflexão deste sinal a uma série de elementos da antena no interrogador, que, com base na frequência do sinal da portadora, pode determinar a identidade do sinal e, com base nesta, os dados de posição são determinados.

O sinal modulado proveniente do transpônder soluciona três diferentes problemas. Os sinais são exclusivos de cada transpônder, possibilitando distinguir os diferentes transpônderes usados no sistema. O sinal modulado pelo transpônder realoca o sinal de radar refletido,

Petição 870180045862, de 29/05/2018, pág. 10/20 possibilitando excluir todas as “retro-dispersões originadas pelo mar” de radares convencionais possíveis. A remoção de todas outras reflexões do sinal possibilita utilizar diversos elementos da antena receptora para comparar a frente da fase do sinal recebido para medir o ângulo com o transpônder, sem utilizar uma antena rotativa.

O sinal recebido no interrogador é processado para encontrar as frequências de batimento e as frequências Doppler para cada transpônder, e isto é usado para calcular a distância e a velocidade relativa do interrogador e de cada um dos transpônderes.

O ângulo entre o interrogador e pelo menos um transpônder é calculado comparando a frente da onda do sinal de recepção em diversos elementos da antena receptor.

O radar utiliza tecnologia PM-CW para obter medições de distância resistentes a interferência precisa.

Isto fornece um método para posicionamento, que é adequado para diversos campos de utilização. Os transpônderes, por causa da construção do interrogador, podem ser de um desenho simples, tornando o custo de produção baixo. O sistema é adequado para utilização por diversos usuários, por exemplo, múltiplas embarcações de suprimento simultaneamente.

EXEMPLO

A presente invenção, a seguir, está descrita com detalhes com referência aos desenhos, em que:

A figura 1 é uma vista esquemática de uma plataforma de perfuração de petróleo e uma embarcação de suprimento cuja posição deve ser determinada;

As figuras 2a e 2b ilustram a invenção em uso em que a capacidade de múltiplos transpônderes é usada para acompanhar automaticamente uma unidade de produção flutuante que gira;

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A figura 3 ilustra a invenção em uso com uma embarcação sísmica que tem âncoras flutuantes e bóias atadas nele;

A figura 4 é um diagrama esquemático dos componentes do sistema; e

A figura 5 é um diagrama esquemático do interrogador.

Na figura 1, a presente invenção é usada para posicionar uma embarcação de suprimento 10 próxima a uma plataforma de perfuração de petróleo 12. A embarcação de suprimento é provida com um interrogador 20, que será descrito com mais detalhes a seguir. A plataforma 12 é uma embarcação de produção flutuante, que tem três transpônderes Tr-1, Tr-2 e Tr-3 arranjados ao longo de um lado de atracamento das embarcações de suprimento 10.

Na figura 2a, está mostrado o atracamento de uma embarcação de suprimento 10 com um sistema com um transpônder Tr. A figura ilustra uma colisão com a embarcação de produção 12, que potencialmente pode ocorrer. A figura 2b ilustra a capacidade de rastrear corretamente o movimento de embarcações de produção remotas, e que se movem automaticamente como ele, quando múltiplos transpônderes Tr-1 e Tr-2 são utilizados para o posicionamento.

A figura 3 ilustra um uso particular do sistema de acordo com a invenção, compreendendo um interrogador 20 arranjado em uma embarcação sísmica 10, e transpônderes Tr arranjados em bóias 13 e rebocados pela embarcação 10. Neste exemplo, a posição mútua dos transpônderes não está mostrada, fazendo-se necessário calcular o ângulo entre o interrogador e cada um dos transpônderes.

Um desenho esquemático do sistema de acordo com a invenção está mostrado na figura 4. Cada transpônder Tr compreende um oscilador de banda lateral 14, um misturador 15 e uma antena 16. O oscilador de banda lateral 14 gera a frequência de banda lateral que é usada para

Petição 870180045862, de 29/05/2018, pág. 12/20 deslocar a portadora dos sinais recebidos para fora em bandas laterais. Esses novos sinais de banda lateral são então refletidos no interrogador 20 onde eles podem ser isolados de outros sinais de rádio recebidos. Cada transpônder Tr pode gerar uma frequência de banda lateral diferente. Isto permite que o interrogador 20 tanto identifique cada transpônder Tr como remova todas as outras “retrodispersões originadas pelo mar” que radares convencionais reconhecerão. A última propriedade é crucial para o uso de diferentes elementos da antena localizados estaticamente para solucionar o azimute para o transpônder.

O sistema compreende adicionalmente um interrogador 20 contendo um transceptor 21, diversos conversores A/D 22 e uma unidade de processamento baseada em FPGA 23 (FPGA - Arranjo de Portas Programável no Campo). Uma estação de trabalho com uma unidade de processamento central (CPU) 24 que tem uma interface de usuário é conectada no z

interrogador 20 por meio de uma rede LAN (LAN - Rede de Área Local).

O transceptor 21 e o processamento no FPGA serão agora descritos com referência à figura 5. Um transmissor 25 gera um sinal modulado triangular, varrendo a frequência continuamente para cima e para baixo em uma ampla faixa de frequências. O sinal aciona tanto a antena transmissora 26 como um misturador de quadratura 27 para receber sinais através de um divisor de potência 28.

O sinal de recepção que passa pelo misturador de quadratura 27 é que gera sinais complexos (I e Q) que representam um vetor do sinal recebido das antenas receptoras 30, onde tanto o ângulo de fase como a amplitude são representadas. Esses sinais são então amplificados e convertidos na forma digital. O sinal digital é alimentado no FPGA de processamento 29.

O FPGA 29 agora dividirá o sinal de chegada em N canais. Cada canal será alocado para cada transpônder Tr a ser rastreado. Cada

Petição 870180045862, de 29/05/2018, pág. 13/20 transpônder Tr tem uma frequência identificadora exclusiva FSC. Cada canal no FPGA 29 então se misturará com o sinal de chegada com sua própria frequência identificadora e isolará os sinais de cada transpônder usando filtros digitais.

É produzido um sinal complexo equivalente a um vetor complexo que representa a amplitude e a fase para cada banda lateral superior e inferior, e para varredura de frequência para cima e varredura de frequência para baixo. Esses sinais são então transformados em plano de frequência tanto FFT (FFT - Transformada Rápida de Fourier) como/ou filtros de rastreamento para produzir as quatro variáveis Flsb_up, Fusb_up, Flsb_dw, Fusb_dw. Tais vetores complexos são obtidos para todos os quatros elementos da antena e os transpônderes (canais) medidos. Essas variáveis são a saída do FPGA 29 e são transferidas pela LAN à unidade de processamento central 24.

Caso desejável, os vetores podem ser usados no cálculo do ângulo α entre cada transpônder e o interrogador. O ângulo α indica a direção entre o interrogador e cada um dos transpônderes.

Com utilização de vetores complexos, a diferença de fase Omz entre os elementos da antena m e z pode ser calculada para cada transpônder. Se os elementos da antena tiverem uma distância mútua menor que λ/2 (λ é o comprimento de onda para Fc), Omz pode ser usada para determinar o ângulo α. Entretanto, a precisão do ângulo α é limitada por causa da curta distância entre os elementos da antena. Os elementos da antena são, portanto, distribuídos ainda mais afastados uns dos outros para aumentar a precisão da estimativa de α. Uma maneira de fazer isto é aumentar a distância, continuando a distribuir os elementos em uma matriz, onde os elementos têm uma distância λ/2 entre si (isto é denominado “princípio de radar de arranjo de fase”). Isto resulta rapidamente em muitos elementos para processar. Na presente invenção, isto é feito colocando um ou mais dos elementos da antena até diversos comprimentos de onda afastados dos outros elementos da antena.

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Se os elementos forem distribuídos tanto horizontal como verticalmente, então o ângulo θ pode ser resolvido para a elevação do transpônder, e assim é possível determinar a localização dos transpônderes em três dimensões.

As variáveis Flsb_up, Fusb_up, Flsb_dw, Fusb_dw são também as frequências medidas contendo a seguinte informação (generalizada).

Flsb_up = -δ + Fb - Fd: Frequência medida, Banda lateral inferior, varredura para cima;

Fusb_up = δ + Fb - Fd: Frequência medida, Banda lateral superior, varredura para cima;

Flsb_dw = -δ + Fb - Fd: Frequência medida, Banda lateral inferior, varredura para baixo;

Fusb_dw = δ + Fb - Fd: Frequência medida, Banda lateral superior, varredura para baixo onde:

δ - erro de frequência do transpônder.

Fb - Frequência de batimento (proporcional à distância do transpônder).

Fd - Frequência Doppler (proporcional à velocidade relativa do transpônder).

As equações citadas podem agora ser resolvidas para a distância, a velocidade relativa e, preferivelmente, o ângulo entre o interrogador e cada um dos transpônderes, que é de forma correspondente transmitida como uma entrada ao sistema DP.

A presente invenção também tem outros campos de utilização. Para embarcações sísmicas, existe necessidade de posicionar os sensores sísmicos e controlar as bóias arrastadas pela embarcação, de forma a colocar os sensores e as bóias na posição desejada umas em relação às outras. Atualmente, entre outros, sistemas GPS são usados com esta finalidade. Uma

Petição 870180045862, de 29/05/2018, pág. 15/20 desvantagem com sistemas da tecnologia anterior é que os receptores GPS podem ser submersos na superfície do mar, que é um local indesejável para receber os sinais dos satélites GPS. Se dois ou mais transpônderes forem localizados nas bóias rebocadas, então a distância relativa dos transpônderes pode ser determinada com precisão, e assim a direção das bóias pode ser calculada.

Com utilização da invenção, é possível medir a posição precisa de um transpônder aleatório. A direção do interrogador para cada transpônder é determinada precisamente pelo rápido processamento de dados, tais como velocidades relativas das unidades a ser manobradas e dos transpônderes. A invenção possibilita a operação independentemente de um sinal GPS.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para determinar a posição relativa de dois ou mais objetos em um ambiente marítimo, incluindo vias navegáveis, das quais pelo menos um objeto pode ser manobrado em relação a um ou mais outros

5 objetos, onde pelo menos um interrogador é arranjado em um ou mais dos objetos e transmite um sinal de onda de rádio a pelo menos um transpônder arranjado em um ou mais dos outros objetos, caracterizado pelo fato de que compreende a combinação das seguintes etapas:

- usar um radar FMCW no interrogador,

10 - usar os transpônderes para colocar etiquetas de identificação nos sinais a serem refletidos no interrogador, e

- utilizar determinação de postura.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende as seguintes etapas:

15 - que pelo menos um interrogador transmite um sinal de rádio a pelo menos um transpônder arranjado em um objeto para posicionamento relativo;

- que um ou mais transpônderes modulam uma frequência identificadora no sinal proveniente do interrogador antes de o sinal ser

20 refletido no interrogador;

- que os sinais provenientes dos transpônderes são recebidos por uma série de elementos da antena no interrogador;

- que a combinação dos sinais recebidos em diferentes elementos da antena é usada para determinar os ângulos com os transpônderes

25 em dois planos relativos à geometria dos elementos da antena; e

- que os sinais provenientes dos transpônderes serem processados para determinar as frequências de batimento e as frequências Doppler para cada transpônder; e

- isto ser usado para determinar a distância e a velocidade

Petição 870180045862, de 29/05/2018, pág. 17/20 relativa do interrogador e de cada um dos transpônderes, que, a partir da frequência do sinal da portadora, pode determinar a identidade do sinal e, com base nisto, determinar os dados de posição.
3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo 5 fato de que um ou mais interrogadores estão interrogando simultaneamente múltiplos transpônderes.
4. Método de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que um interrogador é operado autonomamente na direção de qualquer transpônder.

10 5. Método de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o interrogador ilumina todos os transpônderes simultaneamente.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a
5, caracterizado pelo fato de que combina a distância e ângulos em dois

15 planos para posicionamento de um ou mais transpônderes em três dimensões.

7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a
6, caracterizado pelo fato de que combina a distância relativa e ângulos com sistemas de determinação de postura para fornecer uma determinação absoluta de transpônderes ou interrogadores.

20 8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a
7, caracterizado pelo fato de que um transpônder fixo no mesmo objeto como o interrogador, é usado para autocalibração contínua e monitoramento da integridade.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a

25 8, caracterizado pelo fato de que é realizado um posicionamento diferencial entre dois ou mais transpônderes.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 9, caracterizado pelo fato de que é obtida uma determinação de posição do interrogador das faixas, quando a posição relativa ou absoluta dos

Petição 870180045862, de 29/05/2018, pág. 18/20 transpônderes for conhecida.
11. Sistema para realizar o método como definido na reivindicação 1, para determinar a posição relativa de dois ou mais objetos (10, 12) em um ambiente marítimo, incluindo vias navegáveis, das quais pelo menos um objeto (10) pode ser manobrado em relação a um ou mais outros objetos (12), onde pelo menos um interrogador (20) é arranjado em um ou mais dos objetos (10) e provido para transmitir um sinal de onda de rádio a pelo menos um transpônder (Tr) arranjado em um ou mais dos outros objetos (12), caracterizado pelo fato de que compreende os seguintes elementos:

- um radar FMCW em pelo menos um interrogador (12); e

- pelo menos um transpônder (Tr) é provido para gerar uma frequência de banda lateral diferente para introduzir uma etiqueta de identidade em um sinal a ser refletido no interrogador; e

- uma unidade de processamento de sinal para determinação de faixas, velocidades e ângulos para os transpônderes.
12. Sistema de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o interrogador (20) é implementado com elementos não móveis.
13. Sistema de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que um transpônder fixo é provido no mesmo objeto como o interrogador, para autocalibração contínua e monitoramento da integridade.

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