BRPI0903923A2 - arquitetura de posicionamento dinámico - Google Patents
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Abstract
A presente invenção provê uma arquitetura aperfeiçoada para integrar um sistema de navegação inercial (INS) em um sistema de posicionamento dinâmico (DP) para uma embarcação. A arquitetura inclui uma unidade INS (6) e um sistema DP (1) tendo um filtro Kalman (2) ou outro algoritmo para combinar dados fornecidos por uma pluralidade de equipamentos de medição de posição (PME) e unidade INS (6) para derivar uma estimativa da posição ou velocidade da embarcação. O conjunto de interruptores (10) e um controlador de conjunto de interruptores (8) são também fornecidos. Esses podem opcionalmente formar uma parte do sistema DP. O conjunto de interruptores (10) é operável sob o controle do controlador de conjunto de interruptores (8) para fornecer dados fornecidos por um ou mais da pluralidade de equipamentos de medição de posição para a unidade INS (6) para fins de corrigir derivação. A seleção de qual um, ou mais, PME deve/devem ser combinado(s) com a unidade INS (6) é feita automaticamente, em tempo real, para otimizar dinamicamente o sistema DP (1).
Description
ARQUITETURA DE POSICIONAMENTO DINÂMICO
Descrição
Campo técnico
A invenção refere-se a uma arquitetura para oposicionamento dinâmico (DP) de embarcações marítimas, istoé, o uso de empurradores para manter a posição de umaembarcação nas proximidades de um ponto de referência eestabilizar sua proa, em oposição a forças ambientais comovento e corrente. Arquitetura diz respeito particularmenteao modo no qual um sistema de navegação inercial (INS) podeser integrado com o sistema DP.
O termo "embarcações" pretende incluir navios, sondasde perfuração e quaisquer outras embarcações flutuantes ouplataformas ou embarcações submersíveis (submarinos). Ainvenção é relevante principalmente a aplicações em águaprofunda, porém o uso aqui da palavra "marítima" nãopretende excluir sua aplicação em lagos de água doce ououtra água rasa.
O termo "sistema de navegação inercial (INS)" pretendeincluir sistemas que contêm uma unidade de medição inercial(IMU), que é normalmente um sistema de medição de nívelmais baixo com um algoritmo de fusão de dados interno ouexterno.
O termo "sistema de posicionamento dinâmico (DP)"pretende incluir outros sistemas de posicionamento paraembarcações como sistemas de amarração de posição esistemas de amarração auxiliados por empuxo que combinamaspectos de um sistema DP com um sistema de amarração.
Técnica Antecedente
Uma embarcação move-se em seis eixos geométricos, trêsde translação (ondear, manear e balouçar) e três de rotação(balançar, inclinar longitudinalmente e guinar). Esses seiseixos geométricos são mostrados na figura 1. Um sistema DPpara uma embarcação de superfície controla normalmentesomente os três movimentos no plano horizontal, a saber,ondear, manear e guinar, porém pode necessita levar emconta medições em todos os seis eixos geométricos.
Os componentes fundamentais de um sistema DP são: umou mais sistemas de referência de posição para medir aposição e curso da embarcação; empurradores para aplicaração de controle; e um controlador para determinar osempuxos necessários. O objetivo de um sistema DP não émanter a embarcação absolutamente estacionaria, porémmanter sua posição em limites aceitáveis. A magnitude davariação de posição permitida depende da aplicação e depreocupações operacionais. Em muitas aplicações uma perdade posição além dos limites aceitáveis pode ter um impactosevero na segurança de pessoal ou equipamento ou no meioambiente. É vital, portanto, que medidas adequadas sejamtomadas para manter a integridade do sistema DP até ondefor razoavelmente possível.
A operação segura em DP se baseia na medição daposição de embarcação e curso durante todo o tempo. Paraassegurar que isso é verdadeiro, mesmo sob condições defalha, todos os sistemas de medição incluem redundância.Redundância física requer a replicação de equipamento paraassegurar que uma única falha de qualquer peça deequipamento não resulte em falha total do sistema geral epermite que equipamento com defeito seja desviadoutilizando a ferragem redundante. Os sistemas redundantesparalelos devem ser independentes - isto é, nenhum modo defalha única deve ser capaz de desabilitar o sistema geral.
O sistema DP combina todas as medições disponíveis deposição, a partir de qualquer fonte, em uma únicaestimativa de posição de embarcação. O algoritmo paracombinar as medições pode ser baseado em um filtro Kalman.
As fontes de medições podem incluir uma amplavariedade de equipamento de medição de posição (PME) comogirocompassos (que oferecem medição compacta, segura eprecisa de curso de embarcação (guinada), independente dedistúrbios externos), fios esticados, sistemas de navegaçãopor satélite (que incluem sistemas de posicionamento global(GPS) e GPS diferencial (DGPS) ) , sistemas de navegaçãoinercial (INS) e sistemas de posicionamento hidroacústico.
Um INS utiliza medições de aceleração para estimar omovimento de uma embarcação em um quadro de referênciadnercial. Entretanto, devido a processos físicos associadosà aceleração devido à gravidade, mais precisão inerente eruído nos próprios dispositivos, um grau de derivação emmedições de posição estará sempre presente. Isso significaque há necessidade de atualizações periódicas nasestimativas INS de derivação. Essas atualizações podem serfornecidas por outra unidade PME como um sistema deposicionamento hidroacústico ou um sistema de navegação porsatélite, por exemplo.
INS e sistemas de posicionamento hidroacústico
Os problemas de acústica em água profunda são bemconhecidos (Stephens, R.I. "Aspects of industrial dynamicpositioning: reality-tolerant control", IFAC Conference onControl Applications in Marine Systems, CAMS 2004, 7-9 dejulho de 2004, Ancona, Itália, pág. 41-51). A profundidadeintroduz tempos de ciclo de pulso longo devido à distânciapara deslocamento do som, a menos que se empregue odenominado empilhamento de pulsos. Água profunda tambémaumenta o custo de substituir baterias em transceptores,que começa a se tornar uma proporção significativa do custogeral do sistema de posicionamento hidroacústico. Poraumentar os tempos de ciclo de pulsos a vida útil dabateria pode ser estendida. Empilhamento de pulsos servesomente para reduzir a vida útil da bateria. Infelizmente,os tempos aumentados de pulsos podem afetar adversamente ocontrole de DP. Isso é verdadeiro embora seja direto paraconfigurar o controlador de filtro Kalman DP para fazer usode taxas de atualização de medição longas. Tende a levar auso mais elevado de empuxo à medida que o sistema DPdetecta desvios posteriormente e tem de aplicar maioresajustes em empuxo. Quaisquer alterações em forçasambientais ou pequenas inconsistências no modelo deembarcação do sistema DP são exacerbadas por um longo tempode pulsos. Há também a possibilidade de que efeitos deintrodução de erros devido a períodos longos de medição deposição introduzam ruído aumentado nas medições de posição.
A integração de um INS no sistema de posicionamentohidroacústico pode permitir a redução de tempos longos depulsos utilizando o INS para preencher entre pulsos.
Para investigar os benefícios dessa abordagem,diversos testes foram realizados em duas embarcaçõespequenas utilizando um sistema de posicionamentohidroacústico, combinado com um sensor inercial PHINS (osdois itens sendo fornecidos por IXSEA de 55, Avenue AugusteRenoir, 78160 Marly le Roi, França). Os testes foramrealizados em modo de linha de base ultracurta (USBL) em 15m de profundidade de água fora de Brest (França) e em 1000m de profundidade de água fora de La Ciotat (França) . Naágua mais profunda, o tempo de ciclo de pulsos mais curtos,sem empilhamento de pulsos, foi de 3 s; portanto, os dadosforam coletados nessa taxa. Tantos dados acústicos brutoscomo posições corrigidas por PHINS foram registrados. Umsinal adicional foi gerado a partir de PHINS utilizandomedições acústicas medidas a cada 21 s em vez de 3 s.
Embora não fosse possível instalar um sistema DP naembarcação na escala de tempo dos experimentos, osresultados foram processados posteriormente utilizando umasimulação do sistema DP para estimar o comportamento de umaembarcação controlada por um sistema DP sob as mesmascondições. Os erros medidos a partir dos experimentos INSforam impostos na simulação e comparações feitas entresinais acústicos brutos em atualizações de 21 s e acústicamais INS.
A figura 2 mostra uma comparação dos erros de posiçãode embarcação durante os cursos de simulação. Mostra que amanutenção da posição é significativamente aperfeiçoadautilizando as correções INS. 0 desvio padrão de erros deeixo geométrico X para acústica somente é 6,8 m enquantocom o uso de INS reduz isso parra 3,4 m.
Um aperfeiçoamento ainda maior é obtido nas demandasde empuxo a partir do sistema DP para o mesmo cenário. Afigura 3 mostra as demandas de empuxo com e sem ascorreções de INS. Mostra que o uso de empurrador édramaticamente reduzido quando o INS está preenchendo entrepulsos. Essa redução na variação de demanda de empuxosignifica menos fadiga mecânica, menos desgaste emanutenção reduzida. Outra conseqüência é uma redução doruído gerado por empuxo na água, o que significa melhordetecção acústica através de uma aperfeiçoada relação desinal/ruído, não somente fornecendo posicionamento acústicomais preciso e seguro, como também permitindo operações emáguas mais profundas.
Uma ilustração adicional é obtida por comparar oconsumo de combustível durante DP. Por estimar potência deempurrador P a partir de empuxo T utilizando a relaçãoaproximada: PxT15 , o consumo relativo de combustível podeser estimado. A figura 4 mostra a evolução de consumorelativo de combustível calculado desse modo. Releva que oINS pode reduzir consumo de combustível por um fator decinco ou mais.
INS e sistemas de navegação por satélite
O uso de INS com sistemas de navegação por satélite(tanto GPS como DGPS) prove os seguintes benefícios:detecção de falhas de GPS, remoção de 'saltos' errôneos,incursão para interrupções temporárias, e demanda reduzidade empuxo indicando consumo mais baixo de combustível emoperação nominal.
Uma ocorrência comum utilizando GPS e DGPS é um saltona estimativa de posição. Isso pode ocorrer quando aconstelação de satélite visível muda, como o resultado desubida ou ajustagem de satélites, ou devido à obstrução apartir de objetos próximos. Os exemplos típicos do últimoincluem passar sob uma ponte ou aproximar-se de umaplataforma. Esses saltos são freqüentemente desprezíveis,porém às vezes se tornam significativos. Por exemplo, afigura 5 mostra um salto curto de aproximadamente 3 m e umainterrupção curta de aproximadamente 15 s., que ocorreramem água aberta no Mar do Norte. A gravidade de um saltodepende da situação operacional da embarcação. Sob amaioria das condições um salto de 3 m não é problemático.Durante uma aproximação estreita de uma plataforma ou deoutra embarcação, entretanto, mesmo pequenos saltos podemser 4desconfortáveis'. O sistema DP inclui algoritmos paradetecção de erro, incluindo detecção de ruído, saltos ederivação. Embora esses algoritmos sejam sofisticados emseu próprio modo, as formas mais seguras de detecção deerro se baseiam em comparação de dois, três ou mais PME. OINS, como não é baseado em um modelo, porém em medições deaceleração real, não somente atua como um filtro nasmedições de DGPS, como também rejeita dados durante saltosde curta duração, e preenche curtas interrupções.
O uso de um INS de alta qualidade em combinação com umreceptor DGPS reduz o nível de ruído de freqüência elevadasobre a posição medida. Isso tem o efeito de reduzir oruído sobre as demandas de empurrador, do mesmo modo que oINS reduziu o ruído da acústica discutida acima. No caso doreceptor de DGPS, o efeito é menos dramático uma vez que oruído é inicialmente menor. Essa redução de ruído não éigual à filtração: filtração introduz extra retardo de faseno sistema de controle ao passo que o INS estáintensificando a precisão de posição das medições semintroduzir retardo.
Experimentos no mar foram realizados em uma embarcaçãode 7000 t utilizando um sistema DP fornecido por ConverteamUK Ltd. de Boughton Road, Rugby, Warwickshire CV21 1BU,Reino Unido e um receptor DGPS combinado com um sensorinercial PHINS. Para parte do experimento, a embarcação foiretida em uma posição constante sob controle total dosistema DP com o receptor DGPS como o único PME, seguidopor um período com a combinação do receptor de DGPS e osensor inercial de PHINS como o único PME. A figura 6mostra as demandas de empurrador para os eixos geométricosX e Y durante os dois períodos de operação. Háperceptivelmente menos ruído para a combinação do receptorDGPS e INS.
Para comparar o consumo esperado de combustível com esem as correções de INS. As demandas de empuxo foramutilizadas para estimar um consumo relativo de combustívelutilizando a relação PccT15, como anteriormente. Osresultados da estimação, para os períodos de 10 min. doexperimento são mostrados na figura 7. O sistema sem o INSutiliza 40% mais combustível do que a combinação doreceptor de DGPS e INS.
A utilidade de um INS durante interrupção de outro PMEdepende de sua derivação. Essa derivação é uma função dequalidade, calibragem e correção de unidade de mediçãoinercial (IMU) . A precisão de curta duração de um INSderiva da precisão de seus acelerômetros, enquanto aprecisão de duração mais longa deriva da precisãogiroscópica. A posição é definida pela integração dupla dosacelerômetros, assim a posição deriva de acordo comquadrado de tempo e a estabilidade dos acelerômetros.
Anteriormente, dados de interrupção foram obtidos parauma unidade INS estacionaria (Paturel, Y. "PHINS, an ali-in-one sensor for DP applications", MTS Dynaraic PositioningConference, 28-30 de setembro de 2004, Houston, EstadosUnidos da América). Entretanto, será prontamentereconhecido que em uma embarcação flutuante o INS nuncaserá estacionário. Uma série de testes foi, portantorealizada utilizando um receptor de GPS e um INS emmovimento oscilatório constante, simulando tempo ruim.Durante os testes, a entrada do GPS no INS foi removida emintervalos periódicos e as posições do INS e GPS comparadasdurante um período de 'interrupção'. Resultados típicosdesses testes são mostrados nas figuras 8 e 9. A figura 8mostra a evolução da derivação INS com tempo duranteinterrupções de 12 0 s e 3 00 s. Os resultados comparam bemcom investigações anteriores de sistemas estacionarios.
A figura 9 mostra a distribuição dos erros após 120 se após 300 s. A distribuição de erros de derivaçãoapresenta o formato da distribuição Rayleigh, que écaracterística de processos formados a partir da soma dequadrados de fontes distribuídas Gaussianas - porque adistância de derivação é a soma de quadrados dos desviosnas direções Norte e Leste.
Para ter uma idéia das derivações relativas de umaembarcação sem PME e uma utilizando somente INS, é possívelestimar a força necessária para mover uma embarcação parafora de posição pela mesma quantidade que a derivação INSobservada. Tomando o pior caso da figura 8, a distânciapercorrida s = 22 m após o tempo t = 3 00 s, aceleração deconstante equivalente a pode ser calculada a partir de a =2s/t2 = 4,9 x IO"4 m/s2. Para uma embarcação deabastecimento típica de deslocamento V = 4000 t, a força Fnecessária para obter essa aceleração teria sido F = Va = 2.0kN. Isso é menos do que aproximadamente 1% do empuxo abordo provável, sugerindo que sob condições moderadas, umaembarcação sem PME provavelmente deriva mais rapidamente doque o INS. Além disso, a derivação do INS se baseia emmedições físicas reais das acelerações, não em um modeloque se tornaria degradado no caso de condições não nominaiscomo tempo ruim com ondas grandes, ou quebra de cabos ou umumbilical que seria ligado à plataforma.
Deve ser observado que os intervalos entre osexperimentos apresentados na figura 8 - isto é, períodosdurante os quais o GPS estava disponível novamenteestavam entre 30 s e 300 s sem diferença óbvia entre osdois. Isso sugere que o auto-alinhamento do sensor inercialde PHINS é excelente, e o intervalo entre interrupções éimprovável de ser um problema em situações práticas.Arquitetura conhecida do sistema DP
Devido à sua dependência em medições de posiçãocontinuamente para estimar os erros nos acelerômetros, nãoé possível tratar um INS individualmente como uma unidadede PME independente. Será sempre dependente de uma ou maisdas outras unidades de PME. Assim, para manter aindependência entre as unidades de PME, a prática geral éque uma unidade de INS deva ser apertadamente acoplada auma unidade de PME única, por exemplo, um sistema deposicionamento hidroacústico.
A figura 10 mostra um exemplo de uma arquiteturatípica para um sistema DP. O sistema DP recebe os dados apartir de uma pluralidade de unidades de PME - nesse caso apartir de dois sistemas de navegação via satélite,rotulados GPS1 e GPS2, um sistema de posicionamentohidroacústico rotulado Acousticsl - e uma unidade INS. Osdados fornecidos pelas unidades de PME e a unidade INSrepresentarão normalmente medições de posição, porém podemrepresentar também medições de aceleração ou medições develocidade, por exemplo. Informações adicionais comoindicadores de estado, indicadores de qualidade de dados einformações estatísticas também podem ser incluídas nosdados que são fornecidos pelas unidades de PME e unidade INS.
A unidade INS recebe os dados a partir de um segundosistema de posicionamento hidroacústico rotulado Acoustics2e o sistema DP tratam a combinação do segundo sistema deposicionamento hidroacústico e a unidade INS como umaentrada única (isto é, como uma unidade PME única). Osdados a partir do segundo sistema de posicionamentohidroacústico são utilizados para corrigir a derivação naunidade INS.
Nessa configuração é importante que as informaçõessejam passadas para o sistema DP com relação à qualidade dacombinação do segundo sistema de posicionamentohidroacústico e unidade INS. Por exemplo, o DP deve seralertado se a unidade INS perde os dados a partir dosegundo sistema de posicionamento hidroacústico.
Será prontamente reconhecido que um dos dois sistemasde navegação por satélite GPS1 e GPS2 também pode sercombinado com um INS do mesmo modo. Em outras palavras, aunidade INS poderia receber os dados a partir de umreceptor GPS para corrigir a derivação na unidade INS.
Uma arquitetura alternativa é mostrada na figura 11.Nessa arquitetura o sistema DP recebe os dados a partir deuma pluralidade de unidades PME - nesse caso a partir dedois sistemas de navegação via satélite, rotulados GPS1 eGPS2, dois sistemas de posicionamento hidroacústicorotulados Acousticsl e Acoustics2 - e uma unidade INS. Aunidade INS pode receber os dados a partir de todas asunidades PME. Entretanto, é importante que a unidade INSutilize os dados fornecidos por somente uma das unidadesPME a qualquer momento para manter sua independência dosoutros. A arquitetura alternativa mostarda na figura 11oferece a principal vantagem de flexibilidade para ooperador. O operador tem a capacidade de escolher entreduas configurações possíveis, dependendo de sua aplicação.Por exemplo, se acústica for necessária o operador podeescolher uma configuração onde a unidade INS recebe osdados a partir de um dos sistemas de posicionamentohidroacústico. De outro modo, o operador pode escolher umaconfiguração onde a unidade INS recebe os dados a partir deum dos sistemas de navegação por satélite. Os dados apartir da unidade PME serão utilizados para corrigir aderivação da unidade INS.
Os indicadores de estado enviados para o sistema DPdevem incluir informação suficiente para o sistema DP paradeterminar a configuração das unidades PME e unidade INS.Em particular, o sistema DP deve ser capaz de assegurar quea unidade PME específica utilizada nos cálculos de INS nãoé utilizada pelo filtro Kalman para derivar as estimativasde posição de embarcação. Por exemplo, se a unidade INS forconfigurada para receber medições de posição a partir dosegundo sistema de posicionamento hidroacústico(Acoustics2) então o sistema DP não utilizará nenhumamedição de posição fornecida diretamente a partir dosegundo sistema de posicionamento hidroacústico paraderivar as estimativas de posição de embarcação. O sistemaDP pode, entretanto, utilizar qualquer informação adicionalque é fornecida diretamente a partir do segundo sistema deposicionamento hidroacústico. Quaisquer medições de posiçãofornecidas pela unidade INS serão, evidentemente,utilizadas pelo sistema DP para derivar as estimativas deposição de embarcação.
A arquitetura alternativa da figura 11 já é possívelcom equipamento existente porque o sensor inercial de PHINSinclui múltiplos orifícios de entrada.
Sumário da Invenção
A presente invenção prove uma arquitetura aperfeiçoadaque compreende:
um sistema de navegação inercial; e
um sistema de posicionamento dinâmico para umaembarcação tendo meio para combinar dados fornecidos porpelo menos um de uma pluralidade de equipamentos de mediçãode posição e dados fornecidos pelo sistema de navegaçãoinercial para derivar uma estimativa da posição ouvelocidade da embarcação;
um conjunto de interruptores; e
um controlador de conjunto de interruptores;
em que o conjunto de interruptores é operável sob ocontrole do controlador de conjunto de interruptores parafornecer dados fornecidos por pelo menos um da pluralidadede equipamentos de medição de posição parra o sistema denavegação inercial para fins de corrigir derivação.A integração de um sistema de navegação inercial (INS)e um sistema de posicionamento dinâmico (DP) prove certasvantagens técnicas como discutido acima. A arquiteturaaperfeiçoada permite que a derivação do INS seja corrigidapor fornecer atualizações periódicas de um ou mais de umapluralidade de equipamentos de medição de posicionamento(PME) . Ao contrário das arquiteturas anteriores, a seleçãode qual PME combinar com o INS realiza-se automaticamentepelo conjunto de interruptores sob o controle docontrolador de conjunto de interruptores para otimização dosistema DP geral.
Quaisquer dados que não são utilizados pelo INS parafins de corrigir derivação podem ser utilizados pelosistema DP para derivar a estimativa de posição deembarcação.
A arquitetura é apropriada para uso com uma ampla gamade PME incluindo, entre outros, sistemas de posicionamentohidroacústico que fornecem dados de posição de linha debase longa (LBL) e/ou dados de posição de linha de baseultracurta (USBL) ou faixas parra posições conhecidas ouestimadas, sistemas de navegação por satélite que fornecemdados de posição de GPS ou GPS diferencial (DGPS), sistemasbaseados em laser, sistemas baseados em rádio, sistemasbaseados em radar, sistemas mecânicos (fio esticado), ou umregistro que fornece dados de velocidade, como um registroeletromagnético ou um Registro de velocidade Doppler (DVL).Os DVLs operam mediante medição do deslocamento Doppler desinais acústicos de freqüência elevada refletidos a partirdo fundo do mar (conhecido como "retorno de baixo paracima") para derivar a velocidade da embarcação em relaçãoao fundo do mar; ou a partir de partículas na água abaixoda quilha (conhecido como "retorno de partículasflutuantes") para derivar a velocidade da embarcação emrelação à água circundante.
Os dados fornecidos pela pluralidade de PME e INSrepresentarão normalmente medições de posição, porém podemrepresentar também medições de aceleração ou medições develocidade, por exemplo. No caso onde o INS é uma unidadede medição inercial (IMU) - que é normalmente um sistema demedição de nível mais baixo que pode ser incorporado em umINS - então os dados representariam normalmente medições deaceleração. No caso onde o PME é um DVL então os dadosrepresentariam normalmente medições de velocidade.Informações adicionais como indicadores de estado,indicadores de qualidade de dados e informaçõesestatísticas também podem ser incluídas nos dados que sãofornecidos pela pluralidade de PME e INS.
Os dados podem ser transmitidos ao longo de linhas decomunicação, tipicamente fios ou cabos, que estendem entreos componentes de arquitetura.
0 controlador de conjunto de interruptores podeutilizar dados fornecidos pela pluralidade de PME (eopcionalmente também a posição de embarcação ou estimativade velocidade fornecida pelo sistema DP e/ou o INS) paraautomaticamente operar o conjunto de interruptores a fim deselecionar dados fornecidos por um ou mais da pluralidadede PME e fornecer os mesmos ao INS parra corrigirderivação. 0 controlador de conjunto de interruptoresemprega, preferivelmente, lógica de seleção paradeterminar, em tempo real, qual do PME deve ser combinadocom o INS e qual outro PME deve ser utilizado pelo sistemaDP. A lógica de seleção utiliza dados fornecidos pelapluralidade de PME (e opcionalmente também a posição deembarcação ou estimativa de velocidade fornecida pelosistema DP e/ou INS) para fazer essa determinação, que podeser acionada por qualquer critério apropriado dependendodas exigências operacionais do sistema DP. Por exemplo, ocontrolador de conjunto de interruptores pode operar oconjunto de interruptores de tal modo que o PME que forneceos dados de melhor qualidade é combinado com o INS. Osdados a partir do PME selecionado são então fornecidos aoINS para corrigir derivação enquanto os dados a partir doPME restante, juntamente com os dados a partir do INS, sãoutilizados pelo sistema DP para derivar uma estimativa daposição da embarcação. Se PME diferente iniciarsubseqüentemente a fornecer os dados de melhor qualidadeentão o controlador de conjunto de interruptores operará oconjunto de interruptores de tal modo que esse PME écombinado com o INS. Q controlador de conjunto deinterruptores atua, portanto, para otimizar dinamicamente aoperação do sistema DP.
A operação do controlador de conjunto de interruptorespode ser limitada de modo que o conjunto de interruptoresselecione somente entre PME do mesmo tipo ou entre PME quefornece o mesmo tipo de dados (por exemplo, dados deposição ou dados de velocidade), por exemplo. Se ocontrolador de conjunto de interruptores não for reprimidoentão o conjunto de interruptores será tipicamente capaz deselecionar entre qualquer um do PME disponível.
Será normalmente o caso em que somente um PME serácombinado com o INS de tal modo que dados fornecidos peloPME restante podem ser utilizados pelo sistema DP paraderivar a estimativa de posição de embarcação. Entretanto,na prática não há motivo pelo qual dois ou mais PME nãopodem ser combinados com o INS de tal modo que dadosfornecidos por aqueles PME são utilizados para corrigirderivação. Na situação onde o INS recebe os dados a partirde dois ou mais PME então o INS pode ser configurado paraescolher quais dados deseja utilizar para corrigirderivação. Alternativamente, os dados a partir de dois oumais PME podem ser combinados antes de serem utilizadospelo INS (por exemplo, utilizando um filtro Kalman ou outroalgoritmo).
O controlador de conjunto de interruptores também podeoperar o conjunto de interruptores de acordo com um comandode operador. Em outras palavras, a operação do conjunto de.interruptores pode ser controlada diretamente por umoperador para combinar um ou mais PME com o INS. Nesse casoa otimização dinâmica da operação do sistema DP é anuladapelo comando de operador. O operador pode ser um operadorhumano ou um sistema de controle externo, por exemplo.
O conjunto de interruptores e controlador de conjuntode interruptores pode ser incorporado como parte do sistemaDP ou INS. Alternativamente, o conjunto de interruptores eo controlador de conjunto de interruptores são fornecidoscomo uma unidade de comutação independente que é integradacom o sistema DP e o INS.
Mais de um INS pode ser fornecido. Nesse caso, umconjunto de interruptores pode ser fornecido para cada INS.Cada conjunto de interruptores seria operável sob ocontrole de um controlador de conjunto de interruptorespara fornecer dados fornecidos por uma ou mais dapluralidade de equipamentos de medição de posição para seuINS associado para fins de corrigir derivação. Por exemplo,em arquitetura com um primeiro par de PME (por exemplo,dois sistemas de posicionamento hidroacústico) e um segundopar de PME (por exemplo, dois sistemas de navegação porsatélite) então um primeiro conjunto de interruptores podeser operado para fornecer dados a partir de um ou ambos doprimeiro par de PME para um primeiro INS e um segundoconjunto de interruptores pode ser operado para fornecerdados a partir de um ou ambos do segundo par de PME para umsegundo INS. Quaisquer dados que não são utilizados peloprimeiro ou segundo INS para corrigir derivação podem serutilizados pelo sistema DP para derivar a estimativa deposição de embarcação.
Os conjuntos de interruptores associados ao primeiro esegundo INS podem ser controlados por um único controladorde conjunto de interruptores integrado. Alternativamente,cada conjunto de interruptores pode ter seu própriocontrolador de conjunto de interruptores.
O ou cada INS pode ser incorporado como parte dosistema DP.
O meio para combinar os dados pode ser um filtroKalman ou algum outro algoritmo apropriado.
Desenhos
A figura 1 é um diagrama dos seis eixos geométricos demovimento de uma embarcação;
A figura 2 é um gráfico que mostra desvios de posiçãosimulados para acústica com/sem preenchimento pelo INS;A figura 3 é um gráfico que mostra demandas de empuxopara acústica com/sem preenchimento pelo INS;
A figura 4 é um gráfico que mostra consumo relativo decombustível para acústica com/sem preenchimento pelo INS;
A figura 5 é um gráfico que mostra saltos de DGPS emágua aberta;
A figura 6 é um gráfico que mostra demandas de empuxopara DGPS com/sem INS;
A figura 7 é um gráfico que mostra consumo relativoestimado de combustível para DGPS com/sem INS;
A figura 8 é um gráfico que mostra a evolução dederivação de INS durante interrupções de 120 s e 3 00 s;
A figura 9 é um gráfico que mostra a distribuição defreqüência de corrente de INS após interrupções de 120 s e300 s;
A figura 10 é um diagrama de blocos de uma primeiraarquitetura conhecida para um sistema DP utilizando INS;
A figura 11 é um diagrama de blocos de uma segundaarquitetura conhecida para um sistema DP utilizando INS;
A figura 12 é um diagrama de blocos de uma arquiteturaaperfeiçoada para um sistema DP, de acordo com a presenteinvenção; e
A figura 13 é um diagrama de blocos de uma arquiteturaaperfeiçoada para um sistema DP, de acordo com a presenteinvenção mostrando uma unidade de medição inercial (IMU).
Uma arquitetura aperfeiçoada para um sistema DP 1 seráexplicada agora com referência às figuras 12 e 13.
Um sistema DP 1 inclui um filtro Kalman 2 paracombinar dados para estimar a posição e curso de umaembarcação e controlar dinamicamente as mesmas. A saída dofiltro Kalman 2 é fornecida a uma unidade de controle deembarcação 4 que transmite um sinal para os empurradores(não mostrados) para fazer com que os mesmos tragam aposição da embarcação mais próxima a uma posição dereferência desejada.
Os dados são fornecidos por uma pluralidade deunidades de equipamentos de medição de posição (PME) (nãomostradas) localizadas na embarcação. Duas unidades PME sãodo mesmo tipo (por exemplo, sistemas de navegação porsatélite utilizando GPS ou DGPS) e os dados que fornecemsão rotulados PME1 (tipo 1) e PME2 (tipo 1) . Outras duasunidades PME são também do mesmo tipo (por exemplo,sistemas de posicionamento hidroacústico) e os dados quefornecem são rotulados PME3 (tipo 2) e PME4 (tipo 2).
Uma unidade de sistema de navegação inercial (INS) 6 éintegrada ao sistema DP. A unidade INS 6 pode fornecerinformações sobre a posição de embarcação, porém, devido àderivação natural requer atualizações periódicas a partirde uma unidade PME. A arquitetura pode permitir que aunidade INS 6 seja substituída por uma unidade de mediçãoinercial básica (IMU) que transmite medições brutas deaceleração para o filtro Kalman 2 em vez de medições deposição. Será prontamente reconhecido que o filtro Kalman 2pode ser apropriadamente adaptado para aceitar taismedições de aceleração.
Os dados fornecidos por cada uma das unidades PME sãofornecidos a um controlador de conjunto de interruptores 8e ao conjunto de interruptores 10. Cada interruptorindividual no conjunto pode ser operado sob o controle docontrolador de conjunto de interruptores 8 para fornecer osdados a partir de cada uma das unidades PME para o filtroKalman 2 ou a unidade INS 6. O resultado disso é quequaisquer dados que são fornecidos ao INS 6 para fins decorrigir derivação são excluídos a partir da estimação deposição de embarcação que é realizada pelo filtro Kalman 2.
Entretanto, em certos casos os interruptores doconjunto de interruptores 10 podem ser configurados parafornecer uma terceira opção, que é evitar que dadosfornecidos pela unidade PME associada sejam fornecidos parao filtro Kalman 2 ou unidade INS 6.
Os dados fornecidos pela unidade INS 6 são fornecidosao filtro Kalman 2 e utilizados na estimação de posição deembarcação.
Em termos gerais, os dados fornecidos pelas unidadesPME e unidade INS 6 representarão normalmente medições deposição, porém podem representar também medições deaceleração ou medições de velocidade, por exemplo.Informações adicionais como indicadores de estado,indicadores de qualidade de dados e informaçõesestatísticas também podem ser incluídas nos dados que sãofornecidos pelas unidades PME e unidade INS 6. Asinformações adicionais podem ser utilizadas pelo filtroKalman 2, o controlador de conjunto de interruptores 8 e aunidade INS 6. Por exemplo, o filtro Kalman 2 pode utilizaras informações adicionais juntamente com quaisquer mediçõesde posição, aceleração ou velocidade, ao derivar umaestimativa de posição de embarcação. 0 controlador deconjunto de interruptores 8 pode utilizar as informaçõesadicionais para controlar a posição do conjunto deinterruptores 10.A figura 12 mostra a situação onde os dados rotuladosPME4 (tipo 2) são fornecidos à unidade INS 6 parra corrigirderivação, representada pela linha cheia estendida entre ointerruptor inferior do conjunto de interruptores 10 e aunidade INS. Os dados rotulados PME1 (tipo 1), PME2 (tipo1) e PME 3 (tipo 2) são fornecidos ao filtro Kalman 2,representado pelas linhas cheias que se estendem entre ostrês interruptores superiores do conjunto de interruptores10 e o filtro Kalman.
O fato de que os dados rotulados PME4 (tipo 2) nãoestão sendo fornecidos ao filtro Kalman 2 é representadopelas linhas tracejadas que se estendem entre o interruptorinferior do conjunto de interruptores 10 e o filtro Kalman.Similarmente, o fato de que os dados rotulados PME1 (tipo1) , PME2 (tipo 1) e PME3 (tipo 2) não estão sendofornecidos à unidade INS 6 é representado pelas linhastracejadas se estendendo entre os três interruptoressuperiores do conjunto de interruptores 10 e unidade INS 6.
A principal diferença entre a arquitetura da figura 12e as arquiteturas mostradas nas figuras 10 e 11 é acapacidade de otimizar dinamicamente a operação do sistemaDP 1 por combinar, em tempo real, uma ou mais das unidadesPME com a unidade INS 6. Por exemplo, o controlador deconjunto de interruptores 8 pode utilizar os dadosfornecidos pelas unidades PME para escolher automaticamenteentre unidades PME de um tipo específico, talvez porselecionar a unidade PME daquele tipo com a qualidade dedados melhor ou pior dependendo das exigências operacionaisdesejadas do sistema DP 1. O controlador de conjunto deinterruptores 8 também pode escolher entre unidades PME detipos diferentes.
A lógica de seleção empregada pelo controlador deconjunto de interruptores 8 pode utilizar uma saída dofiltro Kalman 2 bem como os dados fornecidos pelas unidadesPME. Por exemplo, as estimativas de posição de embarcaçãofornecidas pelo filtro Kalman 2 poderiam ser úteis nadeterminação de condições de defeito nas unidades PME. Alógica de seleção pode utilizar também informações deestatísticas fornecidas pelo filtro Kalman 2 sobre aembarcação ou os dados fornecidos pelas unidades PME.
Em certas situações, o conjunto de interruptores 10pode ser controlado diretamente por um operador paracombinar uma ou mais unidades PME com a unidade INS 6. Emoutras palavras, a otimização automática do sistema DP 1 ea comutação dinâmica do conjunto de interruptores 10 sob ocontrole automático do controlador de conjunto deinterruptores 8 pode ser anulada.
Se dados a partir de mais de uma unidade PME foremfornecidos ã unidade INS 6 através do conjunto deinterruptores 8 então os dados podem ser combinadosutilizando um filtro Kalman (não mostrado) ou outroalgoritmo apropriado antes de serem utilizados pela unidadeINS para corrigir derivação.
A figura 13 mostra a unidade INS 6 em mais detalhe.Mais especificamente, pode ser visto que a unidade INS 6inclui uma IMU 12 e uma unidade de correção de derivação14. Os dados fornecidos por uma ou mais das unidades PMEatravés do conjunto de interruptores 10 são fornecidos àunidade de correção de derivação 14. A unidade de correçãode derivação 14 também recebe dados de aceleração a partirda IMU 12 e fornece dados corrigidos para o filtro Kalman 2que são então utilizados na estimação de posição deembarcação que é realizada pelo filtro Kalman.
Embora a unidade de correção de derivação 14 sejamostarda como sendo incorporada na unidade INS 6, seráprontamente reconhecido que poderia ser também incorporadono sistema DP 1.
A arquitetura aperfeiçoada das figuras, 12 e 13,oferece diversos benefícios adicionais:
(i) o sistema DP pode automaticamente evitar quemedições de posição enganadoras sejam passadas para aunidade INS por comparar múltiplas medições de posição dePME,
(ii) robustez adicionada,
(iii) precisão de posição aperfeiçoada,
(iv) consumo reduzido de combustível,
(v) desgaste reduzido de acionadores (por exemplo,empurradores, lemes e outros aplicadores de força comojatos),
(vi) menos ruído na água no caso onde sistemas deposicionamento hidroacústico estão sendo utilizados.
A arquitetura aperfeiçoada pode ser implementadautilizando um sensor inercial PHINS como uma unidade INSindependente 6.
Claims (9)
1. Arquitetura caracterizada pelo fato de compreender:um sistema de navegação inercial (6); eum sistema de posicionamento dinâmico (1) para umaembarcação tendo meio para combinar dados fornecidos porpelo menos um de uma pluralidade de equipamentos de mediçãode posição e dados fornecidos pelo sistema de navegaçãoinercial (6) para derivar uma estimativa da posição ouvelocidade da embarcação;um conjunto de interruptores (10) ; eum controlador de conjunto de interruptores (8);em que o conjunto de interruptores (10) é operável sobo controle do controlador de conjunto de interruptores (8)para fornecer dados fornecidos por pelo menos um dapluralidade de equipamentos de medição de posição para osistema de navegação inercial (6) para fins de corrigirderivação.
2. Arquitetura, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que o controlador de conjunto deinterruptores (8) utiliza dados fornecidos pela pluralidadede equipamentos de medição de posição para automaticamenteoperar o conjunto de interruptores (10).
3. Arquitetura, de acordo com a reivindicação 2,caracterizada pelo fato de que o controlador de conjunto deinterruptores (8) também utiliza a estimativa da posição ouvelocidade da embarcação derivada pelo meio para combinaros dados e/ou dados fornecidos pelo sistema de navegaçãoinercial para automaticamente operar o conjunto deinterruptores (10).
4. Arquitetura, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que o controlador de conjunto deinterruptores (8) opera o conjunto de interruptores (10) deacordo com um comando de operador.
5. Arquitetura, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizada pelo fato de queo conjunto de interruptores (10) e o controlador deconjunto de interruptores (8) são incorporados como partedo sistema de posicionamento dinâmico (1).
6. Arquitetura, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizada pelo fato de queo conjunto de interruptores e o controlador de conjunto deinterruptores são incorporados como parte do sistema denavegação inercial.
7. Arquitetura, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizada pelo fato de queo conjunto de interruptores e o controlador de conjunto deinterruptores são partes de uma unidade de comutaçãoindependente.
8. Arquitetura, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizada pelofato de que o sistema de navegação inercial (6) éincorporado como parte do sistema de posicionamentodinâmico (1).
9. Arquitetura, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizada pelofato de que o meio para combinar os dados é um filtroKalman (2).
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