CN1253345C - 用于提高精度地将载荷配置到水下目标位置的装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将物体配置到水下目标位置上的设备(50)，该设备被设置有信标以发射声线和多个推进器(56(i)，i＝1，2，...I，I是整数)以控制所述设备相对于水下目标位置的定位，该设备设置有声速计以测量在围绕所述设备的流体中的声速并实时传送声速数据。

Description

用于提高精度地将载荷配置到水下目标位置的装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种将一物体配置到一个水下目标位置上的装置，该装置设置有信标以发射声线和多个推进器以控制该装置相对于水下目标位置的定位。
背景技术
这样的现有技术可以从WO99/61307中得知。
该现有技术的设备被用于将高达1000吨和更高的载荷配置到位于很深深度的海床上，例如3000米或者更深，或者从该海床上回收该载荷，通过控制浮在海面上的船只的甲板上的装置来控制上述设备。该控制装置需要尽可能精确地知道该设备的确切位置。为此，在该设备的台板上的信标将声线穿过海水发射到船只上。一个适合的接收器接收这些声线并将它们转换为用于计算设备相对于船只得位置的电信号。
可是，由于声线在海水中的偏差，随着在海水下的设备的深度的增加，位置测量的精度下降。
发明内容
因此，本发明的目的是进一步提高在海水或者其它流体中使用的这样的设备的定位测量精度。此外，这样的定位测量需要是在线进行的(实时进行的)。
为了实现上述目的，在开始限定的该设备的特征在于设置有声音声速计以测量在围绕该设备的流体中的声音速度。于是，在流体中的特定位置上的声速可以作为在流体中深度的函数被连续测量。从这些数据，可以在线(实时)确定声线的局部偏移。迄今为止，这样的实时确定是不可能的。这将允许对实施测量的位置测量值进行修正。
为此，本发明提出了一种用于将物体配置到水下目标位置上的设备，该设备被设置有信标以将声线发射到船只的表面用于确定设备的位置和多个推进器以控制所述设备相对于水下目标位置的定位，其特征在于，该设备设置有声速计，该声速计在下降和回收期间连续测量在围绕所述设备的流体中的声速并实时将声速数据传送到船只表面以用于实时更新作为深度函数的在流体中的计算的声速分布和校正设备的确定位置。
为此，本发明提供了一种用于将物体配置到水下目标位置上的设备，该设备被设置有信标以将声线发射到船只的表面用于确定设备的位置和多个推进器以控制所述设备相对于水下目标位置的定位，其特征在于，该设备设置有声速计，该声速计在下降和回收期间连续测量在围绕所述设备的流体中的声速并实时将声速数据传送到船只表面以用于实时更新作为深度函数的在流体中的计算的声速分布和校正设备的确定位置。
在优选实施例中，推进器包括第一组设置有扭矩控制功能的推进器和第二组设置有平移功能的推进器，第二组推进器的每一个推进器设置有旋转致动器。
这是十分有利的实施例。只需要两个推进器以防止在配置期间连接到载荷上的设备的任何不希望的旋转，于是避免了已经在WO99/61307说明的涉及运送载荷的起重绳的扭转和转动所带来的所有问题。此外，只需要两个推进器以控制带有载荷的设备到希望的水平座标的定位。于是，在下降带有设备的载荷之前，该设备可以将载荷移动到希望的水平座标上，当已经达到这些座标时，起重绳可以将载荷下降到在海床上它所希望的位置，同时推进器将载荷保持在希望的座标上以防止载荷出现任何不希望的转动。只有当到达海床上的希望的位置时，才可以根据所指示的扭矩的控制通过推进器队载荷进行必要的转动。从美国专利US-A-5898746中可以得知用于将载荷配置到希望的位置的旋转推进器和水下设备。
本发明的设备优选设置有载荷传感器，该载荷传感器被用于测量被设备接合的载荷的重量。当载荷被放置在海床上时，这个重量会突然下降。于是一个指示重量突然下降的信号被用于确定何时设备与载荷分离。
本发明还涉及一种驱动设备将物体配置到水下目标位置上的处理装置，该设备被设置有信标以发射声线和多个推进器以控制所述设备相对于水下目标位置的定位，和声速计以测量在围绕所述设备的流体中的声速并实时传送声速数据，该处理装置设置有声波接收器以接收所述声线，该处理装置通过利用从所述声线从读出的数据来进行确定设备位置的计算，其特征在于，该处理装置被布置成从所述声速计在线接收声速计数据来确定在流体中的声速分布并从所述声速分布计算通过设备传送的所述声线通过流体的偏离，以及使用这个计算来实时确定所述设备的位置。
所述推进器包括第一组推进器和第二组推进器，该第一组推进器被布置以提供扭矩控制，该第二组推进器被布置以提供至少平移移动，每个第二组推进器还设置有旋转致动器，该处理装置被布置成在使用中执行以下操作：-控制对所述第一组推进器的所述推进器的驱动动力，以便将所述设备保持在通过第一组推进器产生的驱动力所限定在第一面中的希望方位中；-控制对所述第二组推进器的所述推进器和对所述旋转致动器的驱动动力，以便将所述设备沿着中间方向和垂至于所述中间方向的方向移动到希望的位置上，所述中间方向和平行于所述中间方向的方向位于通过第二组推进器产生的驱动力所限定在第二面中。
这样的处理装置能够控制所述设备的驱动以便非常高精度地到达在希望方位中的希望位置，即使在很深的水下。当带有载荷设备下降时，该处理装置恒定地从所述声速计在线接收声速计数据来确定在流体中的声速分布并从所述声速分布计算通过设备传送的所述声线通过流体的偏离，以及使用这个计算来实时确定所述设备的位置。
这样的处理装置可以安装在漂浮在水面上的船只上。可是可以理解的是，确定在流体中的声速分布并从所述声速分布计算通过设备传送的所述声线通过流体的偏离的部分功能可以通过安装在其它位置的处理器执行，甚至是安装在设备本身上。
优选的是，在正好在船只下面设置有声速计以测量水表面流体层中关于任何声线偏离的实际数据，并实时校正所述设备的位置的计算。
通过连接到船只外壳的声基阵接收来自所述设备的声信号。
在非常优选的实施例中，声基阵和设备购设置有不同的回转罗盘以测量各自的起伏、扭摆和倾斜。从回转罗盘输出的数据，例如第一感应信号，该信号涉及在使用中的设备的摆动和倾斜，用于进一步增加设备位置测量的精度。
本发明还涉及一种包括上述船只和上述设备的系统。
本发明还涉及一种驱动设备将物体配置到水下目标位置上的方法，该设备被设置有信标以发射声线和多个推进器以控制所述设备相对于水下目标位置的定位，和声速计以测量在围绕所述设备的流体中的声速并实时传送声速数据，该方法包括步骤：
-接收所述声线；
-通过利用从所述声线从读出的数据来进行确定设备位置的计算，
其特征在于，
-从所述声速计在线接收声速计数据来确定在流体中的声速分布；并
-从所述声速分布计算通过设备传送的所述声线通过流体的偏离，以及使用这个计算来实时确定所述设备的位置。
上述方法可以完全被适合的计算机程序实现，其在被处理装置加载之后进行控制。因此，本发明还涉及一种计算机程序产品，包括有数据和指令，其在被处理装置加载之后提供所述装置执行如上所述的方法的能力
另外本发明还涉及一种如上所述的计算机程序产品的数据载体。
附图说明
下面，将参考附图详细描述本发明。附图只是对本发明的示意性的描述而不会限制本发明所要求的保护范围。
图1显示了表示了近海的石油化学产品的回收设备的FPSO(漂浮、生产、储存和卸载系统)的示意概括视图；
图2显示了根据现有技术的起重船和显示了装备到起重机的带有长绳的滑轮上的载荷，借此可以看到在很深的深度上对载荷的控制是根本不可能的；
图3显示了根据现有技术用于将载荷配置到海床上或者从该海床上回收该载荷的起重船和水下系统；
图4显示了一个可能的水下系统的实施例的详细概括图；
图4a显示了一个旋转的推进器的详细概括图；
图5显示了水下系统的俯视图；
图6a和6b示意性地显示了具有一些探测器的主要组件的下侧；
图7a显示了在船只甲板上的电子设备的示意框图；
图7b显示了涉及一个声基阵的和涉及该水下系统的电子设备的示意框图；
图8显示了在将水下系统驱动到其目标位置期间使用的不同座标系统的定义。
具体实施方式
参考图1，表示了带有旋转作业架11的FPSO1的布置，从升降器2从该作业架11上离开，所述升降器连接到它们在海床4上的升降器基座3上。在作业的期限之内，对FPSO1极为重要的是保留在允许的动态偏移范围之内，因此FPSO1被系泊腿5锚系在海床4上，上述系泊腿5被锚6或者被桩堆保持。
通过作业船1开采石油或者天然气，该开采要求几个相对重的物体高精度地定位在海床4上。
通过系泊腿5来固定适合的安全的锚定，这将要求这些系泊腿5具有大致相等的长度。在实践中所使用的锚具有50吨的重量或者更重，其在几米的精度范围内放置在海床4上。此外，不仅锚6本身很重，连接到锚上的系泊腿5也具有等于或者几倍于锚重量的重量。
对于诸如“模板”，“重力升降机基座”，“生产歧管”的物体，升降器将这些物体以相当高的精度放置在海床4上。
在图1中显示的物体是需要用于在海上采集的石油和天然气，它们不仅十分重，还十分贵。
图2显示了根据现有技术的船只20，在其上具有起重装置，例如起重机21。在起重机21上设置有起重绳22，借此一个物体或者载荷4能够被放置到海床5上。为了对载荷23进行定位，需要与起重机21一起移动表面支撑。
其结果是，在一个给定的时间，载荷23将会克服惯性，但是由于载荷23的加速，将发生不可控制的情况，借此将会越过目标区域。因为起重绳22和载荷4容易受到海浪的影响的事实，当起重绳22被降下时，载荷23将不会直线向下移动。另外，船只的起伏、摇摆荷侧顷将会对所能够实现的精度产生消极的影响。
图3显示了设置有用于将载荷43放置到海床4上的水下设备或系统50的起重船只40。船只40包括第一起重装置，例如绞盘41，其设置有第一起重绳42。通过这个起重绳42，载荷43，例如承载板，能够被展开和放置到海底。
如上所述，使用漂浮作业平台对石油和天然气的开采要求几个重的物体必须被放置到海床4上，此外，这些物体必须以非常高精度放置在海床4上。因为在现今上述开采的作业深度到达3000米或更深的事实，要取得所要求的精度变得很困难，例如需要解决的一个问题是载荷43被起重绳42运载时可能会产生的转动。
为了在展开时控制载荷43的位置，为了能够在要求的精度范围内将载荷43定位在海床4上，设备或者系统50已经被固定到起重绳42上。将参考附图4、5、6a和6b描述在系统50的一个优选的实施例。
系统50可以被接合到起重绳42的端部。可替换的是，系统50可以直接接合在载荷43上。系统50包括第一或者主组件51，设置有诸如推进器56(i)的驱动装置，i＝1，2，3...I，I是整数(图4和5)。系统还包括第二或者副组件52。副组件52也设置有推进器56(i)。在使用中，主组件51的和副组件52的推进器将位于起重绳42的相对侧。
系统50通过第二起重绳45被接合在船只40上，该第二起重绳45能够用第二起重装置被操作，例如第二绞盘44。第二起重绳45可以通过一个A形构架49被设置在船外。第二绞盘44和第二起重绳42通常分别比第一起重装置48和第一起重绳42重量轻。系统50通过脐带46还被连接到船只40上。脐带46能够被连接到起重绳45上或者能够从第三绞盘47单独被降下。用于给系统50提供电力的电缆以及电线和光纤等被容纳在脐带之内。在系统50中，设置有将电力转换为液压动力的一般装置。液压动力随后将用于控制诸如推进器56(i)和辅助工具等装置。
因为最近的开采作业在越来越深的深度进行，长的起重绳42和载荷43的扭摆荷转动将成为一个大问题。因为重的载荷43被连接在起重绳42的下侧，这样的扭摆和转动将在起重绳上产生相对大的磨损，可能会对起重绳造成破坏。该磨损可以很严重以至使起重绳42断裂，载荷43将被丢失。另外的问题是，因为起重绳的过度扭摆，在船只上的绳将从滑轮上脱离。
因为主组件51的和副组件52的推进器56(i)分别位于起重绳42的相对侧，将在两个方向上在起重绳上作用两个相反的扭矩。于是借助于这种方式，系统形成一种防扭摆装置。为了改善这种防扭摆装置的性能，优选的是，可以改变在主组件51的和副组件52之间的距离。
图4显示了用于将载荷43放置到海床4上的系统50的一个可能的实施例的总体视图。图5显示了根据图4的系统的俯视图。
系统50包括主组件51、副组件52和臂53。臂53能够从主组件51上分离出来。该装置，即主组件51可以作为一个模块化系统被单独使用。臂53设置有槽54。在该槽54的相对侧设置有两个顶柱57、58，其中的一个可以相对于另一个移动。在这些顶柱57、58的端部表面之间，可以夹住诸如载荷43的起重块的物体。为了改善在顶柱57、58和物体之间的接触，顶柱的各个端部容纳有具有摩擦元件衬的夹紧板，该摩擦元件由诸如专用橡胶的高摩擦材料制成。
在使用中，推进器56(i)可以用于相对于在海床4上目标区域对系统50进行定位。推进器56(i)能够被致动以便从主要在系统50内侧的第一位置移动到推进器射出系统50的位置。两个上推进器56(2)、56(3)相对于水下系统50被转动。它们是，例如安装在各自的旋转致动器65(1)、65(2)上的。其目的将在下文进行解释。推进器56(2)在图4a中被放大显示。
在图5中，显示主组件51的顶部的两个位置以便将主组件连接到第二起重绳45和/或脐带46上。当主组件51被分别用于，能够使用位置61。当组件61在空气中和水下被展开时，主组件61将被平衡。
当系统50被使用时，在船只40和系统50之间的连接将被固定在位置62上，以为了保持系统在空气中和水下的平衡。为了改善系统的平衡，可以将辅助的平衡重55固定到系统50上。
在使用中，设备50将没有任何浮力。为了改善系统在水下的移动性，臂53上设置有孔59，以便避免在下降时由于压力增加引起的结构损坏以及确保在回收期间快速排水。
如上所述，有利的是，副组件52可以相对于主组件51被移动。这可以通过使用顶柱64a实现。
组件51包括外部构件和内部构件(未示出)。内部构件优选是圆柱形的。通过将外部构件连接到内部构件上，可以实现强度非常大的结构。为了避免在系统中的早期疲劳，结构的强度是必须的。
组件51例如可以部分由高抗拉的钢制成，借此可以设计成被用作第一起重绳42或者第二起重绳45的整体部分。这意味着，组件51的顶侧将被连接到起重绳45的第一部分上，组件51的下侧将被连接到起重绳45的第二部分上，或者组件51的下侧将被直接连接到载荷上。通过这种方式，在起重绳上的载荷将被传送通过组件51。
如前所述，组件51设置有用于转换电能的推进器驱动270，其将通过脐带47传递的电能转换为液压动力。这个推进器驱动270包括电机、泵、歧管和液压蓄能器。这样的转换装置对于本发明的技术领域的普通技术人员是已知的，在此不需要特别的解释。为了将相对于其它物体的相对的位置和绝对的位置的数据传送到控制系统和/或在船只上的操作者，组件51还包括传感器装置和控制装置，将在下文进行详细解释。组件51装备有传感器接线盒。此外，组件51包括有光源87、带有起伏、摆晃和倾斜传感器的回转罗盘256、摇拍和倾斜拍摄的彩色摄像机97、带有数字石英深度的传感器253、声速计258、以及sonardyne小型Rov导航仪264。在组件51的下侧，安装有几个平台光源94、摇拍和S.I.T.摄像机93、高度计262、多普勒记录装置266、双头扫描声纳260。它们被这样安装，在使用时只有清澈的海水在它们下面。在图6a和6b中对它们进行了示意性的显示。可以理解的是，它们也可以位于其它的位置，例如在组件52的下侧。此外，负载传感器268是系统51的一部分。在图7b中概括地指示出了所有这些部件。
如上所述，一旦载荷到达它预定的深度，高分辨率的声纳设备260与由多普勒记录装置266测量的距离记录一同的使用对于获得所要求的精度是很重要的。声纳设备260将用于确定相对于在海床上的至少一个物体的位置。使用距离测量记录，将有可能将定位活动与表面支撑、以及与其它的诸如LBL(长基底线)阵列(或者，其它的诸如USBL)声波应答器装置分离开来，而将在大的半径下获得在厘米级的范围内精度。
图7a显示了安装在船只40上的电子装置200，而图7b显示了带有声速计248和回转罗盘252的声基阵250。图7b还显示了安装在水下系统50上的水下电子装置249。
在图7a显示的装置包括四个处理器：导航处理器202、声波处理器224、声纳控制处理器236和推进器控制处理器240。导航处理器202与其它三个处理器224、236、240相连接，用于相互通信和互补。导航处理器202还与表面定位设备DGPS(差分全球定位系统)204、船只回转罗盘206四个显示装置208、210、212、214、以及打印装置218、键盘220、鼠标222和光纤(多路)信号分离器244相连接。如果需要，可以设置录像分离器216将导航处理器202的SVGA信号传送到两个或者更多的显示装置上。在图7a中，显示装置212、214通过录像分离器216被连接到导航处理器202上。
光纤(多路)信号分离器244也连接到声波处理器224、声纳控制处理器236和推进器控制处理器240上。
声波处理器224被连接到一个命令和控制装置226上，该控制装置226还被连接到键盘230、鼠标232和显示装置238上，所有这些一起形成USBL表面装置234。
声波处理器224被连接到带有运动传感装置252和声速计248的可展开的声基阵250上。在使用中，可展开的声基阵250优选被安装在低于船只40的龙骨下面的2.5米的位置上。
光纤(多路)信号分离器244被连接到另一个安装在水下系统50上的另外的光纤(多路)信号分离器246上。一个将两个光纤(多路)信号分离器244、246连接在一起的光纤优选被容纳在脐带46之内(图3)。
声纳控制处理器236被连接到显示装置238上。推进器控制处理器240被连接到显示装置242上。
在图71中以框图的形式显示了水下设备249。具有数字石英(digiquartz)深度传感器的USBL应答器255、具有运动传感器256的回转罗盘、(可去除的)声速计258、双头扫描声纳260、高度计262、sonardyne小型Rov导航仪264、多普勒测距记录装置266、负载传感器268和推进器驱动控制器270都被连接到光纤(多路)信号分离器244上。
此外，图7b还显示了两个能够安装到海床或者安装到将被配置的载荷(或者是已经在海床上的另外的结构)上的信标272、274。这些信标能够例如借助于sonardyne小型Rov导航仪264(或者相应的设备)被询问以将声波信号传送回系统50，其可以被系统50本身利用以确定和测量相对于这些信标的距离和方位。这样的声波遥测线路相对于测量位置具有相当高的测量精度。这样的信标的数量不局限于在图7b中所显示的两个。
功能性
在图7a和7b中所示的部件的功能如下所述：
为了计算和显示船只的方位和其固定的偏差，导航处理器202采集表面定位设备的数据(DGPS接收器、DGPS校正器、船只回转罗盘和船只运动传感器204和206)。
通过光纤(多路)信号分离器244、246，导航处理器202发送不同的定位信号到系统50的导航仪器，即多普勒记录装置266、高度计262、以及回转罗盘和运动传感器256。在设定之后，它接收来自于这些仪器的数据、以及系统50的距离/方位深度数据(借助于声波处理器224)，以便计算和显示系统50的方位和绝对坐标。
已经开发出在导航处理器202中的集成软件，包括动态定位控制器软件，该软件能够手工或者自动工作以确定系统50的预定方位和在许多航向点之间选择和执行预定的定位。此外，在船只驾驶舱的操作员能够输入偏差以选择航向点，该偏差用相对于系统50的方位的XY坐标输入。还存在另一个可能性，即通过特殊设计在显示装置208-214的屏幕(电子页)上的窗口的布置，来选择水下定位装置的几种其它类型。为了确保操作者具有尽可能多的工具以得到最佳的结果，在软件的其它部分显示了在使用中用于系统50的实时定位计算的水下仪器的不同状态。
在系统50上安装的回转罗盘256包括的起伏、扭摆和倾斜传感器88，该回转罗盘256提供关于系统50和将被安装到海床上的载荷43的准确的方位的数据。在海面上，在控制室中，操作者能够在下降的过程中检查这些实时的方位，而且也可以在载荷放置在海床时进行最终确认。
船只上的回转罗盘206，以及具有相同功能的安装在声基阵250上的运动传感器252的回转罗盘，将船只的方位发送到导航处理器202上。导航处理器202将利用这些船只方位计算不同的偏差。
显示装置208、210、212和214被分别布置在控制室中以显示导航设置、海床图、表面图，另一个布置在船只驾驶台用于航务部门的操作员。
USBL命令和控制装置226包括提供系统的控制和组态和显示用于控制操作的人机界面的个人计算机。
声波处理器224优选包括一个VME台架，其对接受的信号进行相关的处理，对深度速度测量值(bathy celerimatry)和船只方位进行校正。此外，它可以计算任何使用的信标的坐标。声波处理器224通过网络(eternet)被连接到导航处理器202。
声基阵250包括用于传输和接受的装置。声基阵250能够被用作与一个或者多个信标声波联通的转换器。当脐带46出现故障和不能朝下向系统50传送询问信号时，该转换器模式是非常有利的。接着，声波询问信号可以通过转换器直接穿过海水朝下传送。在所有其它的情况中，声基阵250可以被用作接收模式。通过两个正交的接收基测量信标相对于声基阵250的距离和方位角度，以完成接受工作。每个接收信号被放大、过滤和传送到声波处理器224中用于数字信号的处理。
安装在声基阵250上的声速计248实时更新正好位于船只40下面的关键的和未处理的声速分布。这是非常重要的，因为海水的涡流在船只40得下面是非常巨大的。
回转罗盘252优选被用作运动传感器装置，用于将声基阵方位传送到哦声波处理器224，以便对于水下系统50的位置进行数据校正。
在优选的实施例中，信标254按照应答器模式工作并且具有以下特性：
-通过声波处理器224产生的触发询问信号不是声信号，而是电信号，并且通过在船只40与系统50之间的连接线缆被传送给信标254；
-操作者通过人机界面遥控询问频率。
如上所述，信标254也可以在转发器模式工作。接着，信标254被通过声基阵250传送的表面声信号所触发，于是将声回复信号通过编码声信号传送到声基阵250。
包括在信标254中的数字石英深度传感器253允许将精度非常高的系统50的深度数据传送到声波处理器224。声波处理器224使用这些数据来改善系统50及其载荷43在海水下的定位计算。
在下降和回收期间，安装在水下系统50上的声速计258在水下系统50的深度的海水中的声速数据传送给声波处理器224。声速数据被用于作为深度的函数实时更新所计算的输速曲线，并且作为在海水中深度的函数计算从这些曲线偏移声线(acoustic ray)，以及校正系统50的海水下位置的计算。
双头扫描声纳260被用于测量系统50到任何在海床上的人造的或者自然的目标的距离和方位并作为数字量值输出相应的数据到导航处理器202。这样的人造的或者自然的目标的位置可以被预先确定，或者导航系统能够给这些选定的目标分配坐标。在目标被给定坐标之后，它们可以在局部坐标系统中被用作导航参照。这将导致在相对的坐标中的0.1米的精度。
安装在系统50上的高度计262用于测量水下系统50到海床的垂直距离并将测量数据输送到声波处理器224。
多普勒记录装置266对在水下系统50的深度位置的海流的大小和方向提供测量数据。这些数据可以具有两个用途。
首先，从多普勒记录装置266和带有运动传感器256的回转罗盘上接收的数据被声波处理器224使用以对与使用USBL相关的随即噪音进行在线(实时)平滑。为了获得这样的平滑，在主处理器224中使用一种滤波器，诸如卡尔曼滤波器、所罗门森滤波器、所罗门森光滤波器或者其它适合的滤波器。这样的滤波器对于普通技术人员来说是已知的。在附录A中可以发现简单的概括。
其次，关于海流强度、海流方向的多普勒测距记录装置266的输出数据，与关于水下系统50现在的和预定的方位的数据一起通过导航处理器202被传送到推进器控制处理器240中。基于预定的方向，推进器控制器270将被自动控制。另外，也可以通过手动控制来实现。
在非常有利的实施例中，多普勒记录装置266(或其它适合的传感器)被用于测量包围系统50的海水的温度和/或盐度。关于局部温度和/或盐度的数据被传送到导航处理器202上，其计算和更新作为在海水中深度的函数的温度和/或盐度曲线。这些数据被用于确定通过海水偏离的声线，以便对系统50的定位的计算进行校正。
Sonardyne小型Rov导航仪264是可选的，并且可以被用作提供系统50到在海床上的当地信标的相对位置，如上所述。例如，长基线(LBL)阵列已经被安装在海床上并且被用作该目的。
载荷传感器268被用于测量被系统50接合的载荷43的重量。当这个重量下降时，这表示载荷现有已经被放置在海床上(或者其它目标位置)，以及系统50已经与载荷43分离。从载荷传感器输出的数据通过光纤(多路)信号分离器244、246被传送到导航处理器202上。
推进器驱动控制器270被用于驱动推进器56(i)以便将系统50驱动到所希望的位置上，下面将进行信息的描述。
在图7a中，显示了四个不同的处理器202、224、236和240来执行根据本发明的系统的功能。可是，可以理解的是，系统的功能也可以通过其它适合数量的配合处理器完成，包括一个主构架计算机，或者是平行或者是主从布置。其还可以使用远程处理器。另外还提供了在水下系统50中的处理器用于执行一些功能。
处理器还可以具有未示出的存储部件，包括硬盘、只读存储器(ROM)、可电擦写编程只读存储器(EEPROM)和随机存取存储器(RAM)等。不必提供所有这些类型的存储器。
除了键盘220、230和鼠标222、232以外，也可以使用本技术领域普通技术人员所公知的输入设备，例如触摸屏。
所显示的所有部件之间的通信也可以采用无线的方式。
在图5中，所显示的是，两个上推进器56(2)和56(3)所对准的方向与推进器56(1)和56(4)的方向不同。推进器56(2)和56(3)被安装在旋转致动器65(1)和65(2)上，其通过将推进器56(2)和56(3)转动到360度以使推进器56(2)和56(3)被引导。优选的是，推进器56(2)和56(3)可以被独立控制，这样它们可以分别被引导到不同的方向。
为了使推进器控制处理器240对水下系统50进行精确定位，在导航处理器202和推进器控制处理器240之间必须建立共同的坐标系统。首先，导航处理器202要使用标准的坐标系统。可是，优选建立两个用于水下系统50的不同的坐标参照系统。
图8显示了三个不同的坐标系统。与导航处理器202相关的坐标系统用“导航网格”指示。这个坐标系统使用这个“导航网格”方向及其法向。
推进器56(2)和56(3)被控制以沿着被称作“推进器中间方向”的方向提供驱动力。这个方向于其法向一起限定了第二坐标系统。
第三坐标系统被相对于“系统方向”限定，该“系统方向”被限定为垂直于推进器56(1)和56(4)之间的连接线的方向。
现在，一个沿着水下系统50前进路径的偏差可以借助于一个偏差矢量的术语来进行限定，该偏差矢量能够被分解为一个平行于推进器中间方向的分量，其被称为“中间偏差”，和一个垂直于推进器中间方向的分量，其被称为“法向中间偏差”。在水下系统50上的适合的传感器将用推进器中间方向和系统方向提供数据给导航处理器202。导航处理器202通过这些数据产生图8所示的网格。
该偏差被限定为：希望的位置DP减去系统位置TP，于是相对于导航网格参照坐标产生了矢量RΦEN。
DP-TP＝RΦEN
此外，
ΦTN是系统方位减去导航网格方位，
ΦMT是中间推进器方位减去系统方位。
于是：
DP-TP＝RΦEM，RΦEM＝ΦEN-(ΦTN+ΦMT)
现在，RΦEN是已知的，能够就算出中间和法向中间的偏差。
两个推进器56(1)和56(4)是被用于抵消施加在起重绳42上的扭转力、由定位控制器的引导引起的设备拖拽和旋转动量。用于方位的控制回路要求导航处理器202设置有真实系统方位和希望的系统方位。通过回转罗盘256来测量真实系统定位。希望的方位通过操作员手工操作。从这些两个方位，在导航处理器202中的控制回路计算在所要求的方位和真实的方位以及相应要求移动系统50的转动方向之间的角度距离。于是，一个被推进器控制处理器240控制的简单控制回路调节到达推进器56(1)和56(4)的动力以适合地转动系统50。
一旦对系统50提供动力，两个推进器56(2)和56(3)将优选这样进行定位，即推进器中间方向平行于系统方向。接着，推进器56(2)和56(3)将具有偏离系统方向的一个小的矢量角以帮助系统50在两个面内进行定位。这个矢量的大小优选可以通过手动调节，这可以根据实际的海洋条件对于不同的作业进行设定。一旦推进器56(2)和56(3)已经被对中和引导，定位回路可以接替对系统50的控制。
定位回路包括两个或更多的阶段。
在下一个第一阶段，其在系统仍然靠近海面时执行，通过多普勒记录装置266测量海浪的方向。海浪方向的数据被传送到导航处理器202。使用这个方向，推进器控制处理器240从导航处理器202接收的正确的命令将驱动旋转致动器65(1)、65(2)，于是推进器中间方向基本与海浪方向相对。在旋转致动器65(1)、65(2)的这个转动期间，没有推进器56(i)被供给动力。通过光纤回转罗盘256测量系统方向。通常通过数字石英深度传感器254测量深度和通过高度计262测量高度。根据上述公式计算的中间偏差的中间和法向分量值将被定位回路使用以便将动力施加到推进器56(2)和56(3)以便驱动系统50到达希望的位置。
在借助于推进器56(2)和56(3)将带有载荷43的系统50驱动的希望的座标期间，推进器56(1)和56(4)被用于抵消系统50和其载荷43的任何转动。这将有利于控制，特别是对于重的载荷，因为旋转运动可以导致载荷的其它不希望的运动，其很难控制。当带有载荷的系统50位于希望的座标时，载荷荷系统50一起借助于起重绳42下降。在下降载荷43时，载荷43通常被系统50控制以将它没有转动地保持到希望的位置。
在下一个阶段，系统50距离海床例如大约200米或者更少。接着多普勒记录装置266进入一个底部轨道模式。这将操作变得更加精确和用于最后靠近在海床4上的目标位置的快速响应模式。现在，多普勒记录装置266和带有运动传感器256的回转罗盘被用于过滤USBL的随即噪音。一旦过滤，对包括系统50的精确速度的导航数据的良好的读出将使位置控制回路速度极快并稳定。可以获得十分精细的调整控制回路的结果，其中可以达到对几厘米的运动的控制。现在，声纳装置260和多普勒记录装置266被用于提供关于围绕诸如载荷43的目标点的周围的信息，于是载荷43可以在定位在准确的位置上和准确的方位上。接着，如果需要，可以在推进器控制处理器240的控制下，通过推进器56(1)和56(4)对载荷43施加转动。
对于推进器56(2)和56(3)提供有两个控制回路：中间偏差控制回路和另外的进一步减小法向中间偏差的控制回路。
中间偏差控制回路将调整在推进器56(2)和56(3)上的相等的动力，以便减小中间偏差。当系统50到达目标座标时，对推进器56(2)和56(3)的驱动动力将减小到这样的水平，以至于系统50再海浪中能够保持在它的位置上。换句话说，最初驱动动力设置在一个正比于中间偏差的水平。可是，当系统50越来越接近目标座标时，控制回路将缓慢减小施加到推进器56(2)和56(3)上的驱动动力。当系统50到达目标座标时，将达到一个平衡，在此对推进器56(2)和56(3)的驱动动力抵消海流的作用力。中间偏差控制回路对两个推进器56(2)和56(3)提供带有相等标志的相等动力。
另外的控制回路进一步减小法向中间偏差。这个另外的控制回路调整施加到推进器56(2)和56(3)上的单个动力，于是产生垂至于海流的运动。另外的控制回路对两个推进器56(2)和56(3)施加相反标志的相等动力，以便获得这个效果。将动力施加到推进器56(2)和56(3)上以便减小法向中间偏差，优选的是，当系统50移动到目标座标时线性减小到零。在法向中间偏差到达零的点上并假设海流方向没有变化的情况下，系统50将准确地被放置在海床4上的目标位置上，并且推进器56(2)和56(3)被驱动以保持系统50在正确的座标上并对于海流进行校正。
如果海流方向变化，如上所述的控制回路将要求调整施加到推进器上的动力并最终改变系统的方向。当新的海流方向作用在系统50上，随着系统50离开目标座标移动，法向中间偏差将开始增加。为了刻度这个作用效果，法向中间偏差将被重新控制以减小到零。系统法向被改变，于是海流或者系统50的自然飘流被抵消。
通过法向中间偏差的标志来限定旋转致动器65(1)和65(2)的旋转方向。为了减小要求将转致动器65(1)和65(2)回转到要求位置上的时间，通过推进器控制处理器240使用一个运算法则以取定所要求方位的最短路径。
可以设想，也可以通过连接到导航处理器202上的操纵杆(未示出)等装置来进行的手动控制也是可行的。
在系统50定位期间，优选还进行速度控制。优选的是，系统离目标座标越近，系统50的速度应当越慢。例如，当在系统50和目标座标之间的距离大于预定的第一阀值时，控制推进器以对系统50提供最大的速度。在这个第一阀值和距离目标座标的距离的第二阀值之间第二阀值低于第一阀值，使用了一个线性速度下降曲线。在小于第二阀值的距离之内，系统保持基本为零的速度。
USBL测量
USBL测量的原理是基于在两个推进器之间的精确的相位测量。在一个实施例中，短基线(SBL)和超短基线(USBL)的结合被使用，其能够使用在推进器之间的大的距离，而去除了相位的模糊点。对于USBL，精度取决于信号与噪声的比以及在推进器之间的距离(象在干涉测量方法中一样)。接着，对于频率进行平衡，该频率被根据尺寸大小的距离范围和流体动力部分所限制。
可以使用结合相关数据的处理的SBL测量对模糊点进行计算。通过这样的相关处理的使用来改进信号与噪音的比。下列表达式限定了USBL的通常的精度。
Figure C0081935600281
其中：
σθ：角标准偏差
L：转换器距离
λ：波长
θ：方位角
上述的表达式指出可以通过诸如增加阵列的增加转换器距离L来改善精度。此外，高频率会得到较好的精度。流体动力方面和相位模糊点减小了这些参数。通过相关数据处理的使用增加了信号与噪声的比。
为了使距离和准确度最佳化，优选使用16kHz的频率用于相位计的测量。相关的数据处理能够增加距离范围，同时保持窄的脉冲长度用于多路径的分辨。
对于模糊相位点的测量，需要在SBL中操作以确定范围区域和在该区域内的USBL中以获得最佳的精度。
通过使用相当低的频率，该距离范围可以被增加超过8000米。
附录A
卡尔曼滤波器
在近海工业中卡尔曼滤波器是最公知的技术。它给出了基于对预测值的对比德快速滤波方法，能够在最近的历史记录的基础进行计算。我们将不去了解卡尔曼滤波器的细节，但是会参考诸如M.S.Grewal和A.P.Andrews Prentice Hall的“卡尔曼滤波器-理论和实践”(ISBN0-13-211335-X)的文献。
位置轨道能够与速度数据(多普勒记录装置)相结合，每个点将在临近点、实时距离合实际速度的基础上被改善。在卡尔曼值和改进速度值之间的加权通过多普勒效率系数确定：较高的值将更加考虑速度的因素。
优点：十分快速；能够用速度进行改进。
缺点：结果相当“不平滑”；没有速度和位置的最佳结合；
简单滤波器
简单滤波器在所有位置运行，并计算平滑的曲线，该曲线给出最小的均方误差，即一种最小二乘拟合线。
优点：快速；结果平滑。
缺点：没有使用多普勒记录数据；不希望曲线轨道。
所罗门森滤波器
所罗门森滤波器是以丹麦数学家Aarhus大学的博士和教授HansAnton Salomonsen命名的，是一种高度集成的滤波器。它具有短期稳定的多普勒轨迹并将其与长期稳健的的位置轨道相结合
描述
在该滤波器的使用状态下，我们可以具有沿着轨迹的时间跟踪位置数据以及多普勒数据。多普勒数据通常是十分精确的，但是没有给出任何关于绝对位置的信息。另一方面，位置数据是关于绝对位置的，但是它们通常十分不精确。
该滤波器结合这两组数据以产生关于绝对位置的精确轨道。这要进行如下的工作：
1.多普勒数据被用于建立轨道的形状，即用立方柱形成一个轨道；
2.在原点(0，0)处开始和通过多普勒数据限定速度；
3.接着位置数据被用于正确地定位轨道。轨道被线性地平移、转动和拉伸和压缩以拟合位置数据以及可能使用最小方差技术；
4.主要是译码。可是可以对在多普勒数据中的可能系统误差的校正进行其它的改进。
位置数据只被用在2中进行改进的实事意味着位置数据只是得到了一般的考虑。这将减小位置测量的不确定性。于是，如果具有很多位置数据和轨道的绝对位置，则可以希望得到比每个单个位置测量的精度高的精度。
数学描述
数学运算分为5步骤：
步骤1
计算每个点的加速度
1/2hk+1(X1”+Xk+1”)＝Xk+1’-Xk’
其中
hk＝tk-tk-1
tk＝速度测量的时标
Xk’＝在tk的测量速度
X1”＝在tk的计算加速度
步骤2
基于加速度和速度以及前面计算的位置(基于前面测量速度和加速度)计算下一点的位置。
Xk+1＝Sqr(hk+1)/6(2Xk”+Xk’+1)+hk+1Xk’+Xk
其中
xk＝在tk(速度时间标)的计算的位置
步骤3
在实际时间标计算位置(使用第一速度测量的位置)
X(t)＝1/2hk+1{((hk+1)^2(t-tk)+1/3(tk+1-t)^3-1/3(hk+1)^3)Xk”+1/3(t-tk)^3Xk+1”}
其中
X(t)＝在时间t的位置
步骤4：
将第一速度测量的位置加到计算位置上
步骤5：
此外，旋转、拉伸压缩的计算位置以与实际位置线最佳拟合。
优点：
多普勒和位置的最佳结合；考虑所有的数据；结果是平滑的。
缺点：
由于根据良好的多普勒记录的复矩阵而速度慢。
所罗门森光滤波器
所罗门森光滤波器首先由NaviBait在线程序中提出，是结合了两种方法的较好的快速的解决方案。
由于在线的特性，它只根据历史记录来确定过滤点。于是其结果在开始时较粗造，而在后面会越来越好。
基本操作
该过滤器通过重新设置对过滤器进行初始化。通过第一速度测量进行重新设置。该过滤器使用速度和位置数据。使用速度记录产生立方柱曲线，并且使位置尽可能好地与这个曲线进行拟合。
于是，该过滤器读出存储的位置数据用于后来的处理。
当速度记录读出时，就产生一个“节点”。调整在前面的和现在的速度记录(实时)之间的读出的任何位置以和曲线拟合。
历史记录
过滤器增益参数，值为0到1，控制多普勒记录数据和历史记录对现在点的影响。
对于值1，多普勒记录数据和在线上的历史记录具有较大加权系数。当位置记录比有效的速度记录多时才使用较小的值。
有用的取值是在0.9到1的范围内，例如0.99。
误差校正
位置和速度记录可以与使用前面数据的预测值相比较。当要舍弃数据时可以设置限制。
重新设置
如果出现很多错误的数据点，将有过滤器失去轨道的危险。操作员可以重新手动设置过滤器，例如删除历史记录。
优点：
多普勒和位置的最佳结合；快速；所有结果是平滑的；能够处理有噪音的多普勒数据。
缺点：
在线的起始处不平滑。

Claims (25)

1.一种用于将物体(43)配置到水下目标位置上的设备(50)，该设备被设置有信标以将声线发射到船只的表面用于确定设备的位置和多个推进器(56(i)，i＝1，2，...I，I是整数)以控制所述设备相对于水下目标位置的定位，其特征在于，该设备设置有声速计(258)，该声速计在下降和回收期间连续测量在围绕所述设备的流体中的声速并实时将声速数据传送到船只表面以用于实时更新在流体中的计算的声速分布和校正设备的确定位置，其中所述声速分布作为深度函数。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述推进器包括第一组推进器(56(1)，56(4))和第二组推进器(56(2)，56(3))，该第一组推进器(56(1)，56(4))被布置以提供扭矩控制，该第二组推进器(56(2)，56(3))被布置以提供至少平移移动，每个第二组推进器(56(2)，56(3))还设置有旋转致动器(65(1)，65(2))。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备设置有带有运动传感器(256)的回转罗盘以探测在使用中的设备的摆动和倾斜。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备设置有声纳装置(260)以确定所述设备相对于至少一个在所述设备外部的物体的位置。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备设置有多普勒记录装置(266)以测量所述流体的流动强度。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，包括载荷传感器(268)以测量被设备接合的载荷(43)的重量。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备设置有温度传感器(266)以测量在所述流体中的温度并实时传送温度信号。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备设置有盐度计(266)以测量在所述流体中的盐度并实时传送盐度信号。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备还包括第二声速计(248)以测量在正好在船只下面的流体层中的声速并传送声速计的输出数据以用于根据所述声速计的输出数据实时校正所述设备的位置。
10.一种驱动设备(50)将物体(43)配置到水下目标位置上的处理装置，该设备被设置有信标以将声线发射到船只的表面用于确定设备的位置和多个推进器(56(i)，i＝1，2，...I，I是整数)以控制所述设备相对于水下目标位置的定位，和声速计(258)以在下降和回收期间连续测量在围绕所述设备的流体中的声速并实时传送声速数据，该处理装置设置有声波接收器(250)以接收所述声线，该处理装置通过利用从所述声线从读出的数据来进行确定设备位置的计算，该处理装置被布置成从所述声速计(258)在线接收声速计数据以连续更新作为深度函数的在流体中的声速分布并从所述声速分布计算通过设备传送的所述声线通过流体的偏离，以及使用被更新的声速分布来实时校正确定所述设备的位置的计算。
11.根据权利要求10所述的该处理装置，其特征在于，所述推进器包括第一组推进器(56(1)，56(4))和第二组推进器(56(2)，56(3))，该第一组推进器(56(1)，56(4))被布置在第一面中以提供扭矩控制，该第二组推进器(56(2)，56(3))被布置在第二面中以提供至少平移移动，每个第二组推进器(56(2)，56(3))还设置有旋转致动器(65(1)，65(2))，该处理装置被布置成在使用中执行以下操作：
—控制对所述第一组推进器(56(1)，56(4))的所述推进器的驱动动力，以便将所述设备保持在通过第一组推进器(56(1)，56(4))产生的驱动力所限定在所述第一面中的希望方位中；
—控制对所述第二组推进器(56(2)，56(3))的所述推进器和对所述旋转致动器(65(1)，65(2))的驱动动力，以便将所述设备沿着推进器中间方向移动到希望的位置上，所述推进器中间方向位于通过第二组推进器(56(2)，56(3))产生的驱动力所限定的所述第二面中。
12.根据权利要求11所述的该处理装置，其特征在于，在所述设备中，所述第一面和第二面没有被重合，该处理装置被布置成接收来自在设备(50)上的带有运动传感器(256)的回转罗盘的第一感应信号，该信号涉及在使用中的设备的摆动和倾斜。
13.根据权利要求12所述的该处理装置，其特征在于，来自带有运动传感器(256)的回转罗盘的第一感应信号在计算中被用来确定设备的方位。
14.根据权利要求10所述的该处理装置，其特征在于，所述设备设置有温度传感器(266)，该处理装置被布置成接收来自所述温度传感器的温度数据，以实时更新在所述流体中的温度曲线并帮助对所述设备的定位的确定进行校正。
15.根据权利要求10所述的该处理装置，其特征在于，所述设备设置有盐度计(266)，该处理装置被布置成接收来自所述盐度传感器的盐度数据，以实时更新在所述流体中的盐度曲线并帮助对所述设备的定位的确定进行校正。
16.一种设置有如权利要求10所述的处理装置的船只。
17.根据权利要求16的船只，其特征在于，该船只设置有连接到船只壳体上的声基阵(250)和在船只之中的超短基线表面装置(234)，该超短基线表面装置(234)被布置成与所述声基阵(250)相互通信，所述声基阵(250)被布置成接收至少来自所述设备(50)的声信号并将声基阵的输出数据传送到所述的处理装置，该处理装置被布置成根据所述声基阵的输出数据，实时执行所述设备(50)相对于所述声基阵(250)的位置的计算。
18.根据权利要求17的船只，其特征在于，所述声基阵(250)设置有声速计(248)以测量在正好在船只下面的流体层中的声速并将声速计的输出数据传送到所述处理装置上，该处理装置被布置成根据所述声速计的输出数据，实时校正所述设备(50)的位置的计算。
19.根据权利要求17的船只，其特征在于，所述声基阵(250)设置有声基阵回转罗盘(252)以探测在船只的起伏、摆动和倾斜并将所述声基阵回转罗盘(252)输出数据传送到所述处理装置，该处理装置被布置成根据所述声基阵回转罗盘输出数据，实时校正所述设备(50)的位置的计算。
20.根据权利要求16的船只，其特征在于，所述船只包括船只回转罗盘(206)以探测在船只的起伏、摆动和倾斜并将所述回转罗盘输出数据传送到所述处理装置，该处理装置被布置成根据所述回转罗盘输出数据，实时校正所述设备(50)的位置的计算。
21.一种包括根据权利要求16的船只的系统，该设备和处理装置被布置成相互之间相互通信连通。
22.根据权利要求21的系统，其特征在于，该设备和处理装置通过由光纤互连的光纤多路信号分离器(244，246)被连接在一起。
23.一种驱动设备(50)将物体(43)配置到水下目标位置上的方法，该设备被设置有信标以将声线发射到船只的表面用于确定设备的位置，和多个推进器(56(i)，i＝1，2，...I，I是整数)以控制所述设备相对于水下目标位置的定位，和声速计(258)以在下降和回收期间连续测量在围绕所述设备的流体中的声速并实时传送声速数据，该方法包括步骤：
—从信标接收所述声线；
—通过利用从所述声线从读出的数据来进行确定设备位置的计算，
—从所述声速计(258)在线接收声速计数据以连续确定作为深度函数的在流体中的声速分布；并
—从所述声速分布计算通过设备传送的所述声线通过流体的偏离，以及使用被更新的声速分布来实时校正确定所述设备的位置的计算。
24.一种计算机程序产品，包括有数据和指令，其在被处理装置加载之后提供所述装置执行如权利要求23所述的方法的能力。
25.一种装载有如其权利要求24所述的计算机程序产品的数据载体。
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