NO332040B1

NO332040B1 - Fremgangsmate og system for fastlegging av posisjonen av marine fartoyer og lignende objekter

Info

Publication number: NO332040B1
Application number: NO20064102A
Authority: NO
Inventors: Bjorn A Fossum
Original assignee: Kongsberg Seatex As
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2012-06-11
Also published as: BRPI0508710B8; NO20064102L; EP1735638A1; US20060044179A1; EP1735638B1; BRPI0508710A; DK1735638T3; ATE412918T1; US7315274B2; BRPI0508710B1; WO2005088343A1; DE602005010679D1

Abstract

Fremgangsmåte for bestemmelse av den relative posisjonen mellom to eller flere objekter i et marint miljø, omfattende vannveier, av hvilke minst et objekt kan manøvreres i forhold til ett eller flere andre objekter. Minst en interrogator er anordnet på ett eller flere av objektene og sender et radiobølgesignal til minst en transponder anordnet på ett eller flere av de andre objektene. Den nye fremgangsmåten er bruken av en FMCW-radar ("Frequency Modulated Continious Wave") i interrogatoren, bruken av transponderne til å innføre identitetstagger inn i signalene som skal reflekteres til interrogatoren, og posisjonsbestemmelse. Et system for denne bestemmelsen er også beskrevet.

Description

Fremgangsmåte og system for bestemmelse av posisjonen av marine fartøyer og liknende objekter

Den foreliggende oppfinnelsen angår en fremgangsmåte, i samsvar med innledningen til patentkrav 1, for bestemmelse av posisjonen, spesielt for et marint fartøy i forhold til andre fartøyer eller installasjoner, ved bruk av radarfrekvenssignaler. Den angår også et system for bestemmelse av dette.

Bakgrunn

I forbindelse med offshore oljeindustri er det ofteønskelig å posisjonere et fartøy i umiddelbar nærhet av en havn, en plattform eller liknende, for å kunne utføre lasting og lossing av varer og for å fylle olje og gass på store fartøy osv. Dette kan imidlertid være svært vanskelig langt til havs, hvor store bølger og sterk vind påvirker fartøyets bevegelse. Enkelte plattformer er også flytende, slik at både fartøyet og plattformen beveger seg uavhengig av hverandre. I Nordsjøen er det rapportert om en rekke tilfeller hvor fartøy har truffet en nærliggende plattform. Dette kan føre til skader på fartøyet, plattformen og personellet, og også føre til lekkasje av olje og gass som fører til forurensing og eksplosjonsfare. Som en konsekvens av dette ønsker man å posisjonere fartøyet automatisk i forhold til plattformen, hvilket gjøres ved bruk at et dynamisk posisjoneringssystem (DP-system). Fremgangsmåten og systemet i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er et referansesystem som gir input til et slikt DP-system.

Oljeindustrien setter i dag krav til å ha flere uavhengige referansesystemer, basert på ulike prinsipper, som input til slike DP-systemer. DP-produsenter og deres brukere krever systemer med bedre robusthet, som er enkle å bruke, og integritetsegenskaper i forhold til denne typen bruk.

Referansesystemene som benyttes i dag for relativ posisjoneringsapplikasjoner omfatter: - Laserbaserte systemer, f.eks. "Fanbeam" (varemerke) fra MDL (Measurement Devices Ltd, UK).

Disse systemene benytter en laser til å spore passive lysreflektorer, og vanligvis avgir avstand og retning til hver reflektor. Disse systemene utnytter en skannende laseranordning for å spore reflektorene. De laserbaserte systemene har flere begrensninger, dvs. sporing av falske mål (reflektorer), redusert nøyaktighet og tap av signal på grunn av solskinnssaturasjon og likedan absorpsjon og tap av signal på grunn av snø, mye regn eller tåke i banen for laserlyset. Andre betydelige begrensinger er lav pålitelighet på grunn av bevegelige deler (motor og girboks) som driver de skannende laserne. I tillegg kan betydelig rull og stamp føre til at den smale laserstrålen mister sporet til målene.

- GPS-baserte systemer.

Disse systemene sammenligner målinger mot GPS-satellittene, og overfører dataen over en eller annen form for radiolink mellom fartøyet og strukturen som det posisjonerer seg i forhold til, og beregner den relative avstanden og retningen mellom fartøyet og målsystemet.

De GPS-baserte systemene er relativ bra og er basert på en teknologi med meget høy pålitelighet og lave vedlikeholdskostnader. De er imidlertid sårbare for nedsatt sikt til satellitter, spesielt om fartøyet er nær en stor struktur som blokkerer synet mot horisonten. - Radarbaserte systemer, f.eks. "Artemis" (varemerke) fra CHL NETHERLANDS B.V. og "RadaScan" (varemerke) fra GCS (Guidance Control Systems), UK.

Disse systemene benytter en tradisjonell roterende radarantenne både på fartøyet og ved fjernstasjonen. "Artemis" måler avstanden og retningen mellom to stasjoner, og antennene er alltid rettet inn med hverandre. Dette systemet kan bare spore et mål og kan bare brukes av et fartøy av gangen. Det er kostbart, og påliteligheten kan være lav på grunn av de motorstyrte antennene. "RadaScan" er beskrevet i Modulated Microwave Position & Heading Reference Sensor, Jan Grotus, Dynamic Positioning Conference, 16-17. september 2003. Dette systemet benytter tradisjonell roterende radarantenne med dens iboende begrensninger, og måler dens posisjon i forhold til identifiserbare transpondere.

Fra patentpublikasjonen EP 0 777 133 Al er det kjent et FMCW-radarapparat (FMCW - Frequency Modulated Continuos Wave) for bestemmelse av avstanden og de relative hastighetene for et flertall mål i forbindelse med antikollisjonssystemer hos biler. Radarteknologi er detaljert beskrevet i "Radar Handbook", Skolnik 1970.

Patentpublikasjonen US 6 084 530 viser et radiokommunikasjonssystem omfattende en interrogator som genererer et kontinuerlig radiosignal. En eller flere tagger i systemet mottar radiosignalet og en modulator modulerer refleksjonen av radiosignalet ved bruk av et bæresignal og bruker dette til å danne et reflektert og modulert signal. Dette signalet mottas igjen hos interrogatoren, som basert på frekvensen til bæresignalet, kan bestemme identiteten til taggen. Systemet er også i stand til vise vibrasjoner eller bevegelser hos taggen.

Fra US 4 292 637 er det kjent et system for bestemmelse av den relative avstanden og den relative hastigheten mellom en sender og flere transpondere.

GB 1 313 928 gjelder en anordning for å bestemme relative posisjoner mellom manøvrerbare marine fartøyer, men viser ikke bruk av en FMCW-radarinterrogator, eller bruk av en fast transponder på det samme objektet som interrogatoren for bruk til kontinuerlig selvkalibrering og integritetsovervåkning.

Formål

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og et system for bestemmelse av posisjon ved bruk av radarteknologi, hvor avstanden, retningen og den relative hastigheten mellom en interrogator og en eller flere transpondere er samtidig målt og beregnet.

Et formål er å skape målinger som er "blinde" for andre objekter enn de identifiserbare transponderne som det skal måles i forhold til, og dermed skape et mer pålitelig posisjoneringssystem enn tidligere kjente systemer gjør.

Et primærformål er å utbedre svakhetene til andre systemer og tilby brukere en fleksibel og robust løsning for kortdistanse-posisjonering. Nøkkelelementer er: Robusthet for målinger. Systemet må baseres på at målinger som ikke lett påvirkes av

ekstern interferens eller miljømessige forhold,

Systemet må møte kravet om høy pålitelighet og lave vedlikeholdskostnader,

Systemet må møte priskonkurranse fra eksiterende systemer i markedet, og

Systemet må baseres på masseproduksjon av komponenter.

Oppfinnelsen

En fremgangsmåte i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er angitt i patentkrav 1. Ytterligere trekk ved fremgangsmåten er angitt i patentkravene 2-8.

Et system i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er angitt i patentkrav 9. Ytterligere trekk ved systemet er angitt i patentkravene 10-17.

Minst en transponder modulerer en identifikatorfrekvens inn i signalet fra interrogatoren før refleksjonen av dette signalet til en rekke antenneelementer i interrogatoren, hvilken, basert på frekvensen til bæresignalet, kan bestemme identiteten til signalet, og basert på dette bestemmes posisjonsdata.

Det modulerte signalet fra transponderen løser tre forskjellige problem. Signalene er unike for hver transponder, hvilket gjør det mulig å skille mellom de ulike transponderne som er brukt i systemet. Signalet som er modulert av transponderne transponerer det reflekterte radarsignalet, hvilket gjør det mulig å ekskludere alle falske signaler som tradisjonelle radarer må tillate. Fjerningen av alle andre refleksjoner fra signalet gjør det mulig å benytte flere mottakende antenneelementer for å sammenligne fasefronten til det mottatte signalet for å måle vinkelen til transponderen, uten å benytte en roterende antenne.

Det mottatte signalet i interrogatoren behandles for å finne støtfrekvensene og Doppler-frekvensene for hver transponder, og dette brukes til å beregne avstanden og den relative hastigheten mellom interrogatoren og hver av transponderne.

Vinkelen mellom interrogatoren og minst en av transponderne beregnes ved å sammenligne bølgefronten for det mottatte signalet på flere mottakende antenneelementer.

Radaren benytter FMCW-teknologi for å oppnå nøyaktig interferensmotstandsdyktige avstandsmålinger.

Dette skaper en fremgangsmåte for posisjonering som er egnet for utnyttelse innenfor flere felt. Transponderne kan, på grunn av konstruksjonen av interrogatoren, være av enkel design, hvilket gjør produksjonskostnadene lave. Systemet er egnet for benyttelse av flere brukere, f.eks. et flertall forsyningsfartøy samtidig.

Eksempel

Den foreliggende oppfinnelsen er i det følgende beskrevet i detalj med henvisning til figurene, hvor: Fig. 1 viser et skjematisk riss av en oljeboringsplattform og et forsyningsfartøy, hvis posisjoner skal bestemmes, Fig. 2a og 2b illustrerer oppfinnelsen i bruk hvor den sammensatte transponderkapasiteten brukes for å automatisk følge en dreiende og flytende produksjonsenhet, Fig. 3 illustrerer oppfinnelsen i bruk, med et seismisk fartøy som har drag og flåter knyttet til dette,

Fig. 4 viser et skjematisk diagram av systemkomponentene, og

Fig. 5 viser et skjematisk diagram av en interrogator.

I Fig. 1 anvendes den foreliggende oppfinnelsen til å posisjonere et forsyningsfartøy 10 ved

siden av en oljeboringsplattform 12. På forsyningsfartøyet 10 er det anordnet en interrogator 20, som vil bli mer detaljert beskrevet senere. Plattformen 12 er her et flytende produksjonsfartøy, og har tre transpondere TR-1, TR-2 og TR-3 anordnet langs siden der forsyningsfartøyer 10 er ment å legge til.

I Fig. 2a er det vist et forsyningsfartøy 10 med et system med en transponder Tr som legger til. Figuren illustrerer en kollisjon med et produksjonsfartøy 12, som potensielt kan oppstå. Figur 2b illustrerer evnen til korrekt sporing av det eksterne produksjonsfartøyets bevegelse, og beveger seg automatisk med dette, når et flertall transpondere Tri og Tr2 er benyttet for posisjonering. Fig. 3 illustrerer en spesiell bruk av systemet i samsvar med oppfinnelsen, omfattende en interrogator 20 anordnet på et seismisk fartøy 10, og transpondere Tr anordnet på flåter 13 og trukket bak fartøyet 10.1 dette eksempelet er ikke den innbyrdes posisjonen av transponderne kjent, hvilket gjør det nødvendig å beregne vinkelen mellom interrogatoren og hver av transponderne.

En skjematisk tegning av systemet i samsvar med oppfinnelsen er vist i Fig. 4. Hver transponder Tr omfatter en sidebåndsoscillator 14, en mikser 15 og en antenne 16. Sidebåndsoscillatoren 14 genererer sidebåndsfrekvensen som brukes til å forskyve bæreren av de mottatte signalene ut i sidebånd. Disse nye sidebåndssignalene reflekteres så til interrogatoren 20 hvor de kan bli isolert fra andre mottatte radiosignaler. Hver transponder Tr kan generere en ulik sidebåndsfrekvens. Dette muliggjør at interrogatoren 20 både kan identifisere hver transponder Tr, og fjerne alle annen falske signaler som tradisjonelle radarer vil gjenkjenne. Den siste egenskapen er kritisk for bruken av ulike statisk plasserte antenneelementer for å finne retningen til transponderen.

Systemet omfatter videre en interrogator 20 omfattende en transceiver 21, flere A/D-konvertere 22 og en FPGA-basert prosessorenhet 23 (FPGA - Field Programmable Gate Array). En arbeidsstasjon med en sentral prosessorenhet (CPU) 24 som har et brukergrensesnitt er koblet til interrogatoren 20 via et LAN-nettverk (LAN - Local Area Network).

Transceiveren 21 og prosessorenheten i FPGA-en vil nå bli beskrevet med henvisning til Fig. 5. En sender 25 genererer et trekantmodulert signal som sveiper frekvensen kontinuerlig opp og ned over et bredt frekvensområde. Dette signalet driver både den sendende antennen 26 og en kvadraturmikser 27 for de mottatte signalene gjennom en effektsplitter 28.

Det mottatte signalet som går gjennom kvadraturmikseren 27 er det som genererer komplekse signaler (I og Q) som representerer en vektorrepresentasjon for det mottatte signalet fra de mottakende antennene 30, hvor både fasevinkel og amplitude er representert. Disse signalene er så forsterket og konvertert til digital form. Det digitaliserte signalet tilføres det behandlende FPGA 29.

FPGA-en 29 vil nå dele det innkommende signalet inn i N antall kanaler. Hver kanal vil bli tildelt til hver transponder Tr for å spores. Hver transponder Tr har en unik identifikasjonsfrekvens Fsc. Hver kanal i FPGA-en 29 vil så mikse det innkommende signalet med dens egen frekvens og isolere signalene fra hver transponder ved bruk av digitale filtre.

Produsert er et komplekst signal tilsvarende en kompleks vektor som representerer amplituden og fasen for hvert øvre og nedre sidebånd, og for frekvensen sveipet opp og frekvensen sveipet ned. Disse signalene er så omformet til frekvensplanet gjennom enten FFT (FFT - Fast Fourier Transform) eller/og sporefiltre for å produsere de fire variablene F|Sbup, Fusb up, F|Sb dn, Fusb dn. Slike komplekse vektorer oppnås for alle antenneelementene og transponderne (kanalene) som det er målt for. Disse variablene er output fra FPGA-en 29 og overføres via LAN til den sentrale prosessorenheten 24.

Vektorene kan dersom det erønskelig anvendes til å beregne vinkelen a mellom hver transponder og interrogator. Vinkelen a indikerer retningen mellom interrogatoren og hver transponder.

Ved å anvende de komplekse vektorene kan fasedifferansen (Dmzmellom antenneelementene m og z beregnes for hver transponder. Dersom antenneelementene har en innbyrdes avstand mindre enn X/2 (X er her bølgelengden for Fc) kan man bruke Omztil å bestemme vinkelen a. Nøyaktigheten til vinkelen a er imidlertid begrenset pga. den korte avstanden mellom antenneelementene. Antenneelementene er derfor distribuert lenger fra hverandre for å øke nøyaktigheten i estimeringen av a. En måte å gjøre dette på er å øke avstanden ved å fortsette å distribuere elementene ut i en matrise hvor elementene har en avstand X/2 mellom hverandre (dette kalles "phase array radar"-prinsippet). Dette resulterer fort i mange elementer å behandle. I den foreliggende oppfinnelsen gjøres dette ved å plassere ett eller flere antenneelementer opp til flere bølgelengder unna de andre antenneelementene.

Dersom elementene distribueres både horisontalt og vertikalt kan vinkelen 0 finnes for høyden av transponderen og dermed gjøre det mulig å bestemme lokaliseringen til transponderne i tre dimensjoner.

Variablene F|Sbup, Fusb_up, F|Sbdn, Fusb dn er også de målte frekvensene som omfatter følgende informasjon:

Fisb_uP= -6 + Fb - Fd : Målt frekvens, nedre sidebånd, sveip opp.

Fusb_up = 6 + Fb - Fd :: Målt frekvens, øvre sidebånd, sveip opp.

FiSb_dn = -6 - Fb - Fd : Målt frekvens, nedre sidebånd, sveip ned.

FUSb_dn= 6 - Fb - Fd : Målt frekvens, øvre sidebånd, sveip ned.

Hvor:

6 - Transponderens frekvensfeil

Fb - Støtfrekvensen (proporsjonal med avstanden til transponderen)

Fd- Dopplerfrekvensen (proporsjonal med den relative hastigheten til transponderen)

Ligningene ovenfor kan nå løses for avstanden, den relative hastigheten og fortrinnsvis vinkelen mellom interrogatoren og hver av transponderne, som følgelig sendes som en input til DP-systemet.

Den foreliggende oppfinnelsen har også andre utnyttelsesområder. For seismiske fartøyer er det behov for posisjonering av de seismiske sensorene og for å styre flåtene som trekkes bak fartøyet, for å posisjonere sensorene og flåtene i denønskete posisjonen i forhold til hverandre. I dag brukes blant annet GPS-systemer for dette. En ulempe med systemer av kjent teknikk er at GPS-mottakerne kan være nedsunket under havoverflaten, hvilket er en uønsket lokalisering for å motta signalene fra GPS-satellittene. Dersom to eller flere transpondere er lokalisert på de trukne flåtene, kan den relative avstanden mellom transponderne bli nøyaktig bestemt, og dermed kan retningen til flåtene beregnes.

Ved å bruke oppfinnelsen er det mulig å måle den nøyaktige posisjonen til en vilkårlig transponder. Retningen fra interrogatoren til hver transponder er nøyaktig bestemt gjennom den raske behandlingen av data, slik som de relative hastighetene mellom enheter som skal manøvreres, og transponderne. Oppfinnelsen gjør det mulig å operere uavhengig av et GPS-signal.

Kontinuerlig selvkalibrering og integritetsovervåkning er skapt gjennom en fast transponder på det samme objektet som interrogatoren.

Claims

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av den relative posisjonen mellom to eller flere objekter i et marint miljø, omfattende vannveier, av hvilke minst ett objekt kan manøvreres i forhold til ett eller flere andre objekter, hvor minst en interrogator er anordnet på ett eller flere av objektene og sender et radiobølgesignal til minst en transponder anordnet på ett eller flere av de andre objektene, hvilken fremgangsmåte omfatter de følgende trinnene: - drive den minst ene interrogatoren ved bruk av en FMCW-radar ("Frequency Modulated Continious Wave"), - bruke den minst ene transponderen til å generere en ulik sidebåndsfrekvens for å innføre en identitetstagg inn i signalene som skal reflekteres til den minst ene interrogatoren, - bestemme avstanden og den relative hastigheten mellom den minst ene interrogatoren og den minst ene transponderen, - bestemme vinkelen mellom den minst ene interrogatoren og den minst ene transponderen gjennom sammenligning av bølgefronten til de mottatte signalene på flere mottakende antenneelementer på den minst ene interrogatoren, og karakterisert vedat den omfatter å benytte en fast transponder, på det samme objektet som den minst ene interrogatoren, til kontinuerlig selvkalibrering og integritetsovervåkning.

2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1,karakterisert vedat den omfatter å bruke en eller flere interrogatorer til å samtidig utspørre et flertall transpondere.

3. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1 eller 2,karakterisert vedat den omfatter å drive en interrogator autonomt mot hvilken som helst transponder.

4. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 2 eller 3,karakterisert vedat den omfatter at den minst ene interrogatoren belyser alle transponderne samtidig.

5. Fremgangsmåte i samsvar med ett av patentkravene 1-4,karakterisert vedat den omfatter å kombinere avstanden og vinklene i to plan, for posisjonering av en eller flere transpondere i tre dimensjoner.

6. Fremgangsmåte i samsvar med ett av patentkravene 1-5,karakterisert vedat den omfatter å kombinere den relative avstanden og vinklene med posisjonsbestemmelsessystemer, for å tilveiebringe en absolutt bestemmelse av transpondere eller interrogatorer.

7. Fremgangsmåte i samsvar med ett av patentkravene 1-6,karakterisert vedat den omfatter å utføre differensiell posisjonering mellom to eller flere transpondere.

8. Fremgangsmåte i samsvar med ett av patentkravene 1-7,karakterisert vedat den omfatter å oppnå posisjonsbestemmelse av den minst ene interrogatoren fra avstander, når den relative eller absolutte posisjonen til den minst ene transponderen er kjent.

9. System for bestemmelse av den relative posisjonen mellom to eller flere objekter (10,12) i et marint miljø, omfattende vannveier, av hvilke minst ett objekt (10) kan manøvreres i forhold til ett eller flere andre objekter (12), hvor minst en interrogator (20) er anordnet på ett av objektene (10) og innrettet for å sende et radiobølgesignal til minst en transponder (Tr) anordnet på ett eller flere av de andre objektene (12), hvilket system omfatter de følgende elementene: - en FMCW-radar ("Frequency Modulated Continious Wave") i den minst ene interrogatoren (12), - minst en transponder (Tr) for å generere en ulik sidebåndsfrekvens for å innføre en identitetstagg inn i et signal som skal reflekteres til den minst ene interrogatoren, - en signalprosesseringsenhet med software som omfatter algoritmer for bestemmelse av avstander, hastigheter og vinkler til transpondere, hvilke vinkler er bestemt ved å sammenligne bølgefronten til de mottatte signalene på flere mottakende antenneelementer på den minst ene interrogatoren, og karakterisert vedat en fast transponder er anordnet på det samme objektet som den minst ene interrogatoren, for kontinuerlig selvkalibrering og integritetsovervåkning.

10. System i samsvar med patentkrav 9,karakterisert vedat interrogatoren (20) er implementert med ikke-bevegende elementer.

11. System i samsvar med patentkrav 9 eller 10,karakterisert vedat den minst ene interrogatoren er anordnet for samtidig utspørring av et flertall transpondere.

12. System i samsvar med ett av patentkravene 9-11,karakterisert vedat den minst ene interrogatoren er anordnet for å drive autonomt mot flere transpondere.

13. System i samsvar med ett av patentkravene 9-12,karakterisert vedat den minst ene interrogatoren er anordnet for å belyse alle transponderne samtidig.

14. System i samsvar med ett av patentkravene 9-13,karakterisert vedat systemet er anordnet for å kombinere avstanden og vinklene i to plan, for på denne måte å tilveiebringe posisjonering av en eller flere transpondere i tre dimensjoner.

15. System i samsvar med ett av patentkravene 9-14,karakterisert vedat systemet er anordnet for å kombinere den relative avstanden og vinklene med posisjonsbestemmelsessystemer for å tilveiebringe en absolutt bestemmelse av transpondere eller interrogatorer.

16. System i samsvar med ett av patentkravene 9-15,karakterisert vedat systemet er anordnet for å utføre differensiell posisjonering mellom to eller flere transpondere.

17. System i samsvar med ett av patentkravene 9-16,karakterisert vedat systemet er anordnet for å oppnå posisjonsbestemmelse av den minst ene interrogatoren fra avstander, når den relative og absolutte posisjonen til den minst ene transponderen er kjent.