CN105824036A - 使用辅助水船对船舶进行位置锁定 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了使用辅助水船对船舶进行位置锁定。用于保持船舶静止的位置的设备和方法。一种示例性方法包括利用第一传感器测量辅助水船相对于船舶的速度，其中辅助水船部署在船舶和水体的地表面之间的深度处。该方法还包括利用第二传感器测量水体中的水流相对于所述船舶的速度。该方法进一步包括处理辅助水船的速度测量和水流的速度测量以确定船舶的净移动，并且控制推进系统以补偿船舶的所述净移动以便将船舶保持在静止位置。

Description

使用辅助水船对船舶进行位置锁定
技术领域
本公开涉及船舶领域，诸如船只、潜水艇等。更具体地，本公开涉及在水体中或者水体上保持船舶的位置静止。
背景技术
存在以下情况，即船只、潜水艇或者其他类型的船舶的船员想要保持船舶的位置静止而无需使用锚具。一些船舶配备有可以跟踪他们的位置的全球定位系统(GPS)。于是，船舶内的导航系统可以基于来自GPS的数据保持船舶的位置静止。然而，存在以下情况，即当GPS不能够接收来自卫星的信号时，诸如在恶劣天气下；或者当船舶浸没在水面以下时。当发生这些时，则需要其他机构来保持船舶静止的位置。
发明内容
本文中描述的实施方式使用辅助水船作为基准点以保持静止位置。当辅助水船浸没在船舶下面的某处时，本文中描述的实施方式使用传感器来测量辅助水船的相对速度，以作为估计船舶的速度的基准。为了补偿辅助水船的可能的漂移，传感器还测量水中的水流。然后，船舶上的导航系统可以处理来自传感器的数据以确定船舶的净移动，并且控制推进系统以保持船舶静止的位置。因此，即使GPS信号对于船舶不可用，其也可以通过使用辅助水船作为基准点来保持其的位置。
一个实施方式包括被配置为在水体中运作的船舶。该船舶包括：第一传感器，被配置为测量辅助水船相对于船舶的速度，该辅助水船被部署在船舶和水体的地面之间的深度处；以及第二传感器，被配置为测量水体中的水流相对于船舶的速度。该船舶进一步包括导航控制器，该导航控制器被配置为处理辅助水船的速度测量和水流的速度测量，以确定船舶的净移动。该导航控制器进一步被配置为补偿船舶的净移动以便将船舶保持在静止位置。
在另一个实施方式中，船舶进一步包括部署控制器，该部署控制器被配置为将来自船舶的辅助水船在水体中部署为浸没在船舶的下面。
另一个实施方式包括一种用于将船舶保持在静止位置的方法。该方法包括：利用第一传感器测量辅助水船相对于船舶的速度，其中辅助水船被部署在船舶和水体的地表面之间的深度处。该方法进一步包括利用第二传感器测量水体中的水流相对于船舶的速度。该方法进一步包括处理辅助水船的速度测量和水流的速度测量，以确定船舶的净移动，并且控制推进系统以补偿船舶的净移动以便将船舶保持在静止位置。
另一个实施方式包括用于保持船舶静止在水体中的定位系统。定位系统被配置为测量辅助水船相对于船舶的速度，该辅助水船被部署在船舶和水体的地表面之间的深度处，并且测量水体中的水流的速度。定位系统被配置为：将表示水流的速度测量的速度矢量与表示辅助水船的速度测量的速度矢量相加以确定船舶的净移动，基于船舶的净移动确定推力矢量以便将船舶保持在静止位置，并且基于推力矢量控制船舶上的推进系统。
已论述的特征、功能和优点可以在各实施方式中独立实现，但也可以与其他实施方式组合来实现，其进一步的细节可参照以下的描述和附图来理解。
附图说明
现仅通过举例的方式，并且参考附图来描述本发明的一些实施方式。在所有附图上，相同的参考标号表示相同的元件或相同类型的元件。
图1示出在示例性实施方式中的水体中的船舶。
图2是在示例性实施方式中的定位系统的示意图。
图3是示出在示例性实施方式中的用于将船舶保持在静止位置的方法的流程图。
图4示出在示例性实施方式中的测量辅助水船的速度的船舶中的传感器。
图5示出在示例性实施方式中的测量水流的速度的船舶中的传感器。
图6是示出在示例性实施方式中的由传感器测量的速度矢量的示图。
具体实施方式
附图及以下描述示出具体示例性实施方式。将理解，尽管本文中没有明确描述或示出，但本领域技术人员将能够设计各种配置，体现本文中描述和包括在继这些描述之后的权利要求的预期范围内的原理。此外，本文描述的任何实例旨在帮助理解本公开的原理，并且旨在被解释为没有限制。因此，本公开不限于具体的如下所述的实施方式或实例，而是由权利要求和他们的等同物来限定。
图1示出在示例性实施方式中水体110中的船舶102。船舶102包括任何基于水的交通工具，包括船只、小船或其他悬浮船舶、潜水艇或者其他可浸入水中的船舶等。尽管在图1中船舶102被示出为浸没在水体110中，但在其他实施方式中，其可以悬浮在水体110的表面上。
图1还指出辅助水船104，该辅助水船(watervessel)被部署(deployed)在船舶102和水体的地面120之间的深度处。在图1中所示的实施方式中，辅助水船104是可浸入水中的船舶并且可以安装为船舶102的可部署部分，并且可以作为船舶102的拴住或未拴住(tetheredoruntethered)的延伸部被释放。在没有使用时，辅助水船104可以收回或者回收并且存储在船舶102上或船舶102内，或者可以以其他方式附接至船舶102。在使用时，辅助水船104可以在水中延伸远离船舶102一距离，并且可以通过系链106或者其它机构附接至船舶102。辅助水船104可包括具有独立的推进系统的水下航行器，诸如无人水下航行器(UUV)、遥控水下航行器(ROV)、自主水下航行器(AUV)等。辅助水船104可以可替换地包括没有独立的推进系统的可拖曳的对象，诸如拖拽器、拖鱼等。
在另一个实施方式中，辅助水船104是与船舶102独立的或者分开的船。辅助水船104可以在与船舶102相似的地点运作，并且可以用作位置锁定的基准。
在本实施方式中，船舶102增强有动态定位系统来保持静止位置。目前，船只、潜水艇等能够使用GPS或者通过锁定到水体的底表面上的固定点上来保持静止位置。然而，当GPS不可用或者底表面的深度超过船上传感器的范围时，则现有的系统不能保持静止位置。本文中描述的动态定位系统使用辅助水船104作为基准点来保持静止位置。动态定位系统使用辅助水船104的速度测量来估计船舶102的速度。动态定位系统还使用水体110中水流的测量来补偿水体110中的辅助水船104的相对运动。因此，动态定位系统可以使用这些测量来确定船舶102的移动，并且补偿移动以将船舶102保持在静止位置。
图2是在示例性实施方式中的定位系统200的示意图。定位系统200包括多个传感器204-205以及导航控制器208。传感器204-205包括测量目标的速度的任何部件、模块或装置(包括硬件)。传感器204-205可包括使用多普勒效应测量速度的任何类型的传感器。具体地，传感器和相关联的处理器使用多普勒效应现象(artifact)或者属性(诸如测量的相位差)，来确定相对运动。使用多普勒效应的一种类型的传感器是声学多普勒水流剖面仪(ADCP)。尽管在图1中示出两个传感器204-205，但在其他实施方式中，可以存在更多传感器。
导航控制器208包括控制船舶102的移动或推进的任何部件、模块或装置(包括硬件)。导航控制器208与船舶102的推进系统210通信。推进系统210可包括船舶102的一个或多个推进器，船舶102的一个或多个螺旋桨或者用于对船舶102施加移动或者在特定的头部上驱动船舶102的任何其他机构。
定位系统200可以可选地包括部署控制器220(利用虚线指出为可选择的)。部署控制器220包括控制辅助水船104在水中的部署的任何部件、模块或装置(包括硬件)。当辅助水船104是船舶102的一部分时，部署控制器220可以被实现为将辅助水船104在水体中部署为位于船舶102下面。
图3是示出在示例性实施方式中用于将船舶102保持在静止位置中的方法300的流程图。将参照图2中的定位系统200描述方法300的步骤，但是本领域技术人员将理解，本文描述的方法可以通过未示出的其他装置或系统来执行。本文描述的方法的步骤不是全部包括性的并且可包括其他未示出的步骤。本文中示出的流程图的步骤还可以以其他顺序执行。
首先，船舶102开始导航操作以保持静止位置。在航海术语中，船舶102可以开始位置保持操作以保持静止位置。对于该位置保持操作，已经在定位系统200内(例如，通过导航控制器208)确定水体110的底表面120在传感器204或者传感器205的范围之外。因此，这些传感器204-205不能够锁定到底表面120的位置上以进行位置保持操作。定位系统200使用辅助水船104作为位置保持操作的基准点来代替底表面。
方法300的步骤302是可选择的，其中部署控制器220将来自船舶102的辅助水船104部署为下降或者浸没在船舶102下面。例如，部署控制器220可以将辅助水船104降低至期望深度，或者部署控制器220可以操纵辅助水船104中的推进系统以将其导航至期望深度。所希望的深度可以根据期望实施方式而改变。在一个实施方式中，部署控制器220可以将辅助水船104部署至对应于传感器204的最小范围的深度。通常，多普勒效应传感器利用过滤器，该过滤器将来自非常接近传感器的目标的测量去除。另外，声波在在水内自然衰减使得某个距离之后读数不可靠。因此，最小范围和最大范围是对于这些传感器限定的。当辅助水船104的所希望的深度“对应于”传感器204的最小范围时，这指的是所希望的深度接近最小范围或者至少比传感器204的最大范围更接近最小范围。如果独立的辅助水船104在传感器204的范围中并且适用于用作基准点，则不需要步骤302。
图1示出部署在期望深度处的辅助水船104。辅助水船104在所希望的深度处之后，辅助水船104悬浮在水中并且不主动俯冲、浮出水面或者在特定方向上驱动。因此，辅助水船104保持准静止位置，这将(仅)受到诸如水流的环境效果的影响。
然后，传感器204测量辅助水船104相对于船舶102的速度(步骤304)。图4示出在示例性实施方式中测量辅助水船104的速度的船舶102中的传感器。为了测量速度，传感器204以一定频率在辅助水船104的方向上发出声波402。然后，传感器204测量从辅助水船104散射或反射回的声波404的多普勒效应。例如，传感器204分析反射声波的频率因辅助水船104的运动怎样改变，基于多普勒效应指示辅助水船104的速度。如上所述，传感器204可包括ADCP或者使用多普勒效应的其他类型的传感器。
如在以下更详细的描述中，辅助水船104的速度测量可用于估计船舶102的速度。辅助水船104可以被视为固定基准点以用于传感器204的测量。换言之，辅助水船104被认为是“准静止的”以便用于来自传感器204的测量，使得来自传感器204的速度测量可以用作船舶102的速度的估计。
实际上，辅助水船104不是静止的而是可以由于水中的环境条件(例如，水流)而漂移。因此，在定位系统200中的传感器205测量水体110中的水流相对于船舶102的速度(步骤306)。图5示出在示例性实施方式中测量水流501的速度的船舶102中的传感器。船舶102与辅助水船104之间和/或辅助水船104周围的水柱中的水流(或者多个水流)引起漂移。为了测量水流501的速度，传感器205在一定的深度范围内发出声波502。然后，传感器204测量从水柱中的颗粒散射或者反射回的声波504的多普勒效应。传感器205然后可以测量反射声波504的频率，以确定在一个或多个深度处的水流501的速度。如上所述，传感器205可包括ADCP或者使用多普勒效应的其他类型的传感器。定位系统200可以包括测量水中的水流的速度的多个传感器。如在图5中示出的，传感器正在测量向下方向上的水流。但是，定位系统200可以包括测量从船舶102向上方向的水流，远离船舶102的侧面的水流等的另外的传感器，以确定会影响辅助水船104的水流的速度。
导航控制器208从传感器204接收速度测量并且从传感器205接收速度测量。然后导航控制器208处理速度测量以确定船舶的净移动(步骤308)。导航控制器208然后可以控制推进系统210以补偿船舶102的净移动(步骤310)。例如，如果船舶102在一个方向上漂移，则导航控制器208可以控制推进系统210补偿漂移并且将船舶102保持在静止位置。
作为由导航控制器208执行的处理的实例，辅助水船104被认为是准静止点或者基准点以用于来自传感器204的测量。例如，辅助水船104可以被认为类似于固定的地面点以用于来自传感器的测量。因为辅助水船104被认为是准静止点，所以辅助水船104的速度测量可以用于确定船舶102的估计速度。例如，当目标相对于静止的多普勒效应传感器移动时，多普勒效应传感器确定正在移动的目标的速度。同样地，当多普勒效应传感器相对于静止目标移动时，多普勒效应传感器确定速度，在这种情况下该速度将成为移动的传感器的速度。在这个实施方式中，辅助水船104被认为是准静止的或固定点，并且船舶102上的传感器204是移动的(例如，由于船舶102在水中/在水上的漂移)。因此，如果辅助水船104被认为是固定的基准点，则辅助水船104的速度测量表示船舶102的速度。
图6是示出在示例性实施方式中由传感器204-205测量的速度矢量的示图。传感器204-205的速度测量可以由指示速度的方向和大小的速度矢量表示。假定对于这些实施方式，传感器204(对辅助水船104)的速度测量由速度矢量602表示，则在东北方向上具有约1.4节的大小。因为辅助水船104被认为是固定的基准点，所以辅助水船104的速度测量可以被认为是船舶102的估计速度。
实际上，辅助水船104不是固定的并且会由于水中的水流而漂移。为了考虑到辅助水船104的移动，来自传感器205的水流的速度测量可以用于指示辅助水船104移动了多少。假定对于这些实施方式，来自传感器205的水流501的速度测量由速度矢量604表示，则在东南方向上具有约1.4节的大小。导航控制器208可以将水流501的速度矢量604和辅助水船104的速度矢量602(指示船舶102的估计速度)相加以确定船舶102的净移动。在图6中示出的实例中，船舶的净移动可以由速度矢量606表示，则在向东方向上具有约2节的大小。
因此导航控制器208可以基于船舶102的净移动确定推力矢量608(推力大小和方向)以将船舶102保持在静止位置，使得合成的移动将成为零。推力矢量将与表示船舶102的净移动的矢量606是相似的大小，但是在相反方向上。例如，图6中的推力矢量608在向西方向上是约2节。导航控制器208然后可以基于推力矢量608控制推进系统210以保持船舶102的静止位置。
此外，本公开内容包括根据下列各项的实施方式：
项1.一种设备，包括：船舶，被配置为在水体中运行，所述船舶包括：第一传感器，被配置为测量辅助水船相对于所述船舶的速度，所述辅助水船被部署在所述船舶和所述水体的地表面之间的深度处；第二传感器，被配置为测量所述水体中的水流相对于所述船舶的速度；以及导航控制器，被配置为处理所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量以确定所述船舶的净移动，并且控制推进系统以补偿所述船舶的所述净移动以便将所述船舶保持在静止位置。
项2.根据项1所述的设备，其中，所述船舶进一步包括：部署控制器，被配置为将来自所述船舶的辅助水船在所述水体中部署为浸没在所述船舶下面。
项3.根据项2所述的设备，其中：所述部署控制器被配置为将所述辅助水船部署至对应于所述第一传感器的最小范围的深度。
项4.根据项1所述的设备，其中：所述导航控制器被配置为基于所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量确定推力矢量，以将所述船舶保持在所述静止位置中，并且基于所述推力矢量控制所述推进系统。
项5.根据项4所述的设备，其中：所述导航控制器被配置为将所述水流的速度矢量与所述辅助水船的速度矢量相加以确定所述船舶的所述净移动，并且基于所述净移动确定所述推力矢量。
项6.根据项1所述的设备，其中：所述第一传感器和所述第二传感器通过测量所述船舶和所述辅助水船之间的相对运动的多普勒效应伪像执行速度测量。
项7.根据项1所述的设备，其中：所述第一传感器和所述第二传感器各自包括声学多普勒水流剖面仪(ADCP)。
项8.根据项1所述的设备，其中：所述船舶包括潜艇。
项9.根据项1所述的设备，其中：所述船舶包括船只、小船和浮艇中的一个。
项10.根据项1所述的设备，其中：所述辅助水船包括无人水下航行器(UUV)。
项11.根据项1所述的设备，其中：所述辅助水船拴住至所述船舶。
项12.一种用于保持船舶静止在水体中的方法，所述方法包括：利用第一传感器测量部署在所述船舶和所述水体的地表面之间的深度处的辅助水船相对于所述船舶的速度；利用第二传感器测量所述水体中的水流相对于所述船舶的速度；处理所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量以确定所述船舶的净移动；并且控制推进系统补偿所述船舶的所述净移动以将所述船舶保持在静止位置。
项13.根据项12所述的方法，进一步包括：将来自所述船舶的所述辅助水船在所述水体中部署为浸没在所述船舶下面。
项14.根据项13所述的方法，其中，部署所述辅助水船包括：将无人水下航行器(UUV)部署至对应于所述第一传感器的最小范围的深度。
项15.根据项12所述的方法，其中，处理所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量包括：基于所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量确定推力矢量以保持所述船舶在所述静止位置；并且基于所述推力矢量控制所述推进系统。
项16.根据项15所述的方法，进一步包括：将所述水流的速度矢量与所述辅助水船的速度矢量相加以确定所述船舶的净移动；并且基于所述净移动确定所述推力矢量。
项17.根据项12所述的方法，其中：测量所述辅助水船的速度包括利用第一声学多普勒水流剖面仪(ADCP)测量所述辅助水船的速度；并且测量所述水流的速度包括利用第二ADCP测量所述水流的速度。
项18.一种设备包括：定位系统，用于保持船舶静止在水体中；所述定位系统被设置为测量部署在所述船舶和所述水体的地表面之间的深度处的辅助水船相对于所述船舶的速度；测量所述水体中的水流相对于所述船舶的速度，将表示所述水流的速度测量的速度矢量与表示所述辅助水船的速度测量的速度矢量相加以确定所述船舶的净移动；基于所述船舶的所述净移动确定推力矢量以便将所述船舶保持在静止位置；并且基于所述推力矢量控制所述船舶上的推进系统。
项19.根据项18所述的设备，其中：所述定位系统被配置为将所述辅助水船在所述水体中部署为浸没在所述船舶下面。
项20.根据项18所述的设备，其中：所述定位系统被配置为利用第一声学多普勒水流剖面仪(ADCP)测量所述辅助水船的速度，并且利用第二ADCP测量所述水流的速度。
附图示出的或本文描述的各个元件中的任意一个可被实施为硬件、软件、固件、或某种这些的组合。例如，元件可被实施为专用硬件。专用硬件元件可被称作“处理器”、“控制器”、或某个类似的专业术语。当由处理器提供时，功能可由单一专用处理器、由单一共用处理器提供，或由其中一些可共用的多个独立处理器来提供。此外，术语“处理器”或者“控制器”的明确使用应当不被解释为专门涉及能够执行软件的硬件，并且可以隐含包括，但不限于，数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)或者其他电路、现场可编程门阵列(FPGA)、存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、非易失性存储器、逻辑或者一些其他物理硬件部件或者模块。
同样，元件可被实施为由处理器或计算机可执行的指令以执行元件的功能。指令的一些实例是软件、程序代码和固件。当由处理器执行时，指令是可操作为引导处理器执行元件的功能。指令可被存储在处理器可读的存储装置上。存储装置的一些实例是数字或固态存储器、诸如磁盘和磁带的磁存储器介质、硬盘驱动器、或光学可读数字数据存储介质。
尽管本文中已描述了具体实施方式，但范围不限于那些具体实施方式。相反，范围是通过所附权利要求和其任何等同物来限定的。

Claims (15)

1.一种用于保持船舶静止在水体中的设备，包括：
所述船舶(102)，被配置为在水体(110)中运行，所述船舶包括：
第一传感器(204)，被配置为测量辅助水船(104)相对于所述船舶的速度，所述辅助水船被部署在所述船舶和所述水体的地表面(120)之间的深度处；
第二传感器(205)，被配置为测量所述水体中的水流相对于所述船舶的速度；以及
导航控制器(208)，被配置为处理所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量，以确定所述船舶的净移动，并且所述导航控制器被配置为控制推进系统(210)以补偿所述船舶的所述净移动，以便将所述船舶保持在静止位置。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述船舶进一步包括：
部署控制器(220)，被配置为从所述船舶将所述辅助水船部署在所述水体中以浸没在所述船舶下面。
3.根据权利要求2所述的设备，其中：
所述部署控制器被配置为将所述辅助水船部署至对应于所述第一传感器的最小范围的深度。
4.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述导航控制器被配置为基于所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量确定推力矢量(608)，以将所述船舶保持在所述静止位置中，并且基于所述推力矢量控制所述推进系统。
5.根据权利要求4所述的设备，其中：
所述导航控制器被配置为将所述水流的速度矢量(604)与所述辅助水船的速度矢量(602)相加，以确定所述船舶的所述净移动(606)，并且基于所述净移动确定所述推力矢量。
6.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一传感器和所述第二传感器通过测量(304，306)所述船舶和所述辅助水船之间的相对运动的多普勒效应伪像，来执行速度测量。
7.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述第一传感器和所述第二传感器各自包括声学多普勒水流剖面仪“ADCP”。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，下述中的至少一个：
所述船舶包括潜艇、船只、小船和浮艇中的一个；并且
所述辅助水船包括无人水下航行器“UUV”。
9.根据权利要求1所述的设备，其中：
所述辅助水船被拴系至所述船舶。
10.一种用于保持船舶静止在水体中的方法，所述方法包括：
利用第一传感器(204)测量(304)辅助水船相对于所述船舶的速度，所述辅助水船被部署在所述船舶和所述水体的地表面(120)之间的深度处；
利用第二传感器(205)测量(306)所述水体中的水流相对于所述船舶的速度；
处理(308)所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量以确定所述船舶的净移动；并且
控制(310)推进系统(210)以补偿所述船舶的所述净移动，以便将所述船舶保持在静止位置。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
从所述船舶将所述辅助水船部署在所述水体中(302)以浸没在所述船舶下面。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，部署所述辅助水船包括：
将无人水下航行器“UUV”部署至对应于所述第一传感器的最小范围的深度。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，处理所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量包括：
基于所述辅助水船的速度测量和所述水流的速度测量确定推力矢量，以将所述船舶保持在所述静止位置；并且
基于所述推力矢量控制所述推进系统。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：
将所述水流的速度矢量与所述辅助水船的速度矢量相加，以确定所述船舶的所述净移动；并且
基于所述净移动确定所述推力矢量。
15.根据权利要求10所述的方法，其中：
测量所述辅助水船的速度包括利用第一声学多普勒水流剖面仪“ADCP”测量所述辅助水船的速度；并且
测量所述水流的速度包括利用第二ADCP测量所述水流的速度。
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