NO335907B1 - Posisjoneringssystem - Google Patents

Description

POSISJONERINGSSYSTEM

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et posisjonenngssystem for bruk i vann, hvor dette muliggjør posisjonsbestemmeise og/eller navigering av fartøyer og/eller objekter under vann eller på en vannoverflate. Oppfinnelsen vedrører nærmere bestemt et posisjonerings- og navigasjonssystem for fagområdet som omhandler akustisk posisjonering og navigasjon under vann og på overflaten, og egner seg spesielt godt for bruk ved konstruksjonsarbeider under vann og i olje- og gassindustrien.

Mange industrier krever posisjonering og plassering av fartøyer eller objekter i et vannmiljø. Imidlertid knytter det seg en rekke problemer til eksisterende akustiske posisjonerings- og navigasjonssystemer for bruk under vann og på overflaten, der-iblant: 1. Kun posisjoneringssystemer for én bruker/ett fartøy. Det vil si at eksisterende akustiske sporingssystemer er énbrukersystemer; følgelig har hver bruker sitt

eget sett med undervannsradiosendere.

2. Akustisk forurensning under vann, hvor dette forstyrrer sjødyr (f.eks. hvaler) og andre akustiske systemer. Eksisterende akustiske sporingssystemer bruker plinge- eller pipesignaler lignende de akustiske signaler som benyttes av sjødyr. Fra et systemsynspunkt kan således biologisk støy forstyrre sporingssystemer,

og videre kan flere akustiske sporingssystemer forstyrre hverandre.

3. Begrenset dekningsområde - på grunn av at de fysiske egenskaper i dypt vann i forhold til akustiske signaler forstyrrer det overførte signal (f.eks. stråleavbøy-ning, signalspredning, støy fra fartøyer etc). 4. Behovet for og tiden og kostnadene som er involvert i å sette ut havbunnskomponenter (radiosendere) på nytt for hvert borested eller hver byggeplass. Som bemerket ovenfor, er eksisterende sporingssystemer énbrukersystemer og dekker et forholdsvis lite område på ca. én kvadratkilometer. Brukerne må demobili-sere sin egen undervannsinfrastruktur når virksomheten beveger seg utenfor sporingsgrensene, noe som er en kostbar prosess.

De systemer som er tilgjengelige i dag og som brukes innenfor olje- og gassindustrien og ved konstruksjonsarbeider under vann, tar ikke tak i de ovennevnte problemer og vil høyst sannsynlig bidra til den akustiske forurensningen under vannet.

Et eksempel på et system som fortiden brukes ved posisjonering av fartøyer, er Long Base Line-systemet. Eksisterende Long Base Line (LBL)-systemer benytter flere akustiske undervannsfyr for å danne en basislinje på opptil 1 km. Brukeren plasserer seg i forhold til basislinjen. Posisjonen til undervannsfyrene må bestemmes, og posisjonska-libreringen utføres ved å seile rundt et undervannsfyr og fyret senderen i forhold til differensialsatellittnavigasjonssystem (DGPS)-posisjonen. Deretter etterbehandles dataene for å bestemme fyrposisjonen.

Dette systemet har vært det mest velkjente forsøk på å håndtere en del av det identi-fiserte problem. Imidlertid har utplasseringen av tallrike havbunnskomponenter (for eksempel 80) langs en bane gjennom et arbeidsområde fremdeles vært til bruk for et enkelt fartøy, den medfører betydelige faste utplassenngskostnader, og den har bi-dratt til problemet med akustisk forurensning.

Kommunikasjon ved bruk av digitalt spredt spektrum(DSS)-signalisering har også vært brukt på forskjellige områder innenfor denne industrien, men rekkevidden av og driftssikkerheten ved disse systemer har så langt ikke kunnet løse hele problemet.

Denne kombinasjon av problemer har vært vanskelig å løse på grunn av at de kjente signaliseringsteknikker (midler for overføring av akustikk) ikke har vært i stand til å kommunisere over lange avstander under vann (> 2 km) med en nødvendig grad av driftssikkerhet og energiforbruk.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et system for posisjonering av fartøyer og objekter i et vannmiljø. Nærmere bestemt søker den foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et system som gjør det mulig å lokalisere og posisjonere flere fartøyer og objekter innenfor et forholdsvis stort vannmiljø, uten å gjøre problemene knyttet til akustisk forurensning, større.

Med de ovennevnte formål i tankene anordner den foreliggende oppfinnelse et system for posisjonering av minst ett fartøy eller objekt i et vannmiljø, hvor: det til hvert fartøy eller objekt er koplet en respektiv passiv mottaker;

minst to sendere er anbrakt under overflaten av nevnte vannmiljø og hevet over

bunnen av nevnte vannmiljø; og

det innbefattes en lokaliseringsanordning for å bestemme posisjonen for hver sender;

og hvor hver sender sender et signal som entydig identifiserer hver sender og sendes uavhengig av et kommando- eller spørresignal, og mottakeren på hvert fartøy eller objekt mottar hvert signal og en beregningsanordning bestemmer fartøyets eller objektets posisjon på grunnlag av de mottatte signaler.

Systemet kan konfigureres slik at senderne overfører sine signaler på bestemte tidspunkter. Hver sender kan være tildannet i et hus eller en stasjon som befinner seg på havbunnen eller bunnen av vannmassen hvor systemet er installert. Ideelt sett vil huset innbefatte en anordning som lar senderen flyte eller henge over havbunnen. I den foretrukne utførelse innbefattes også en anordning for å bestemme senderens posisjon i forhold til huset. Dette kan innbefatte en sender plassert på senderenheten og hydrofoner plassert på huset for å gjøre det mulig å beregne senderenhetens posisjon. Ideelt sett vil senderne også kunne være i stand til egenkalibrering i forhold til hver annen sender. For å kunne synkronisere taktsignaler kan hver sender være konfigurert slik at den med jevne mellomrom stanser sitt eget signal og mottar signalene som sendes fra nærliggende sendere.

Mottakerne kan være festet til fartøyer enten oppå vannmassen eller under vann. Videre kan mottakeren være festet direkte til fartøyet eller objektet, eller den kan som et alternativ henge fra fartøyet eller objektet. Ideelt sett bør mottakeren være konfigurert på en slik måte at interferens forårsaket av eventuell støy som har sitt utspring i skipet eller objektet til hvilken mottakeren er festet, reduseres til et minimum.

Man vi lettere få innsikt i og forståelse for disse og andre formål, aspekter, fordeler og trekk ved den foreliggende oppfinnelse ved å ta for seg den etterfølgende, detaljerte beskrivelse av en foretrukket utførelse, lagt frem sammen med de ledsagende teg-ninger.

Figur 1 viser en potensiell anvendelse av undervannsstasjonen i henhold til den

foreliggende oppfinnelse.

Figur 2 viser virkningen av stråleavbøyning på én anvendelse av den foreliggende

oppfinnelse.

Figur 3 viser en praktisk anordning av stasjoner med uregelmessig stasjonsplassering. Figur 4 viser et potensielt nettverksarrangement med regelmessig (heksagonal)

stasjonsplassering.

Figur 5 viser en basiskonfigurasjon for én utførelse av undervannsstasjonen.

Figur 6 viser et mulig mottakerarrangement.

Figur 7 viser et mottaker-blokkdiagram over den foretrukne utførelse.

Figur 8 viser et blokkdiagram over én utførelse av undervannsstasjonen.

Figur 9 viser et blokkdiagram over stasjonens elektronikkhus og subenheter.

Søknaden har beskrevet en undervannsstasjon i korresponderende australske patent-søknad som krever prioritet fra australske midlertidige søknad nummer PR7029, hvis innhold herved fremlegges gjennom henvisning.

I den foretrukne utførelse av den foreliggende oppfinnelse vil systemet innbefatte to hovedkomponenter, nemlig: 1. Stasjon - under ideelle forhold vil stasjonene 1 sende et DSS-signal og bruke kommunikasjonsteknikker mellom stasjonene for å synkronisere alle taktgiverne. 2. Passiv mottaker - mottakeren 4 vil fortrinnsvis ta inn signalene fra stasjonene 1 og beregne sin egen posisjon på grunnlag av en sammenligning av mottakstidspunktet fra alle de ulike stasjoner 1 og ved å bruke informasjon som er lagret i signalet angående stasjonen 1.

I praksis vil systemet også innbefatte en tredje komponent, nemlig:

3. Grafisk brukergrensesnitt (Graphical User Interface - GUI) - skjermstyringsen-heten (Display Control Unit - DCU) 18 vil gi operatøren et skjermbilde med posi-sjonsløsningen, funksjonsovervåkning og kvalitetskontrolldata.

Grunntanken i systemet er å legge et nettverk 9 (figur 3) av aktive senderstasjoner 1 på havbunnen. Hver stasjon 1 kan være en enkelt undervannskomponent med en senderhydrofon 16, batterimoduler 13 (se figur 5) og tilhørende utstyr. Stasjonene 1 sender et DSS-signal og bruker kommunikasjonsteknikker mellom stasjonene for å synkronisere alle taktgiverne med hverandre. Mottakeren 4 fanger så inn signalet og beregner sin egen posisjon ut fra sammenligning av mottakstidspunktet for signalene fra de ulike stasjoner 1, og bruker, der hvor det passer, informasjon om stasjonens 1 beliggenhet som er lagret i signalene.

Nettverket 9 kan plasseres ut permanent og deles mellom flere brukere. Det kan leg-ges ut på havbunnen i et område som er aktuelt for alle parter, og etterlates der, slik at det ikke er behov for ytterligere manuell kalibrering av radiosenderne. Likeledes ville det ikke være nødvendig for en ny bruker å plassere ut ekstra sendere over det eksisterende nettverk.

Ideelt sett bør stasjonen 1 ikke plasseres i daler eller der hvor objekter under vann blokkerer det akustiske signal. Stasjonene 1 bør plasseres der hvor synsfeltet er mak-simalt. Avstanden mellom stasjonene 1 kan påvirkes av akustisk forurensning, og den dominerende kilde til akustisk forurensning er overflateskip 5. Det vil forstås at systemet kun vil virke når det mottatte signal pluss forsterkningen gjennom behandlingen har en kraftigere lyd enn overflateskipet 5. For sterkt støyende overflateskip 5 kan utgangseffekten fra stasjonen 1 økes, noe som tapper stasjonens batteri moduler 13 raskere og derfor forkorter stasjonens 1 levetid. Alternativt kan man, dersom arbeids-området er mindre enn 10 km, redusere avstanden mellom stasjonene og på denne måten gjøre de mottatte signaler kraftigere.

Nettverket 9 egner seg for organisk vekst. Det vil si at et hvilket som helst antall eks-trastasjoner 1 kan føyes til nettverket 9. Så snart en ny stasjon 1 er blitt utplassert, kan vanlig databehandling, posisjonering eller oppmålingsvirksomhet umiddelbart fin-ne sted over området rundt den nye stasjon 1.

Nettverksarrangementet 9 kan under ideelle forhold danne et heksagonalt nettverk 9

(figur 4) med ca. 7 til 8 km mellom hver stasjon 1, med evne til å posisjonere utenfor dette området med seks stasjoner som dekker ca. 100 km<2.>Cellene i nettverket 9 kan være større, avhengig av områdets lyd hastighetsprofil. Alternativt kan det plasseres ut trekantede, oktogonale eller rombeformede nettverk 9. I et rombeformet nettverksarrangement befinner spissene på romben seg midt på hver side av en kvadrat. En total avstand på 15 km fra stasjon 1 til mottaker 4 (skrå avstand) er det foretrukne maksimum, og avhengig av lokale forhold kan skråavstanden være så liten som 3 km. Utvi-delse av nettverket 9 kan dekke et område av vilkårlig størrelse. Hver tilleggsstasjon 1 ville bli plassert innenfor ca. 8 km fra det eksisterende nettverk til grensen for tilgjengelige distinkte stasjonskoder er nådd. Som det kan sees på figur 3, behøver ikke nettverket 9 utvide seg symmetrisk, men kan i stedet utformes slik at det passer til omgivelsene eller området som skal dekkes.

Minste avstand mellom stasjonene 1 bør ideelt sett ikke være mindre enn vanndybden for å kunne maksimere nøyaktigheten i Long Base Line-systemet. Dersom vanndybden for eksempel er 3,5 km, bør minsteavstanden mellom stasjoner 1 ikke være mindre enn 3,5 km (12 kvadratkilometer). En økonomisk utplassering av systemet krever at avstanden mellom stasjoner 1 er så stor som mulig. Stasjonene befinner seg fortrinnsvis minst 2 km fra hverandre. Et foretrukket system er utformet med 8 km mel lomrom mellom stasjoner 1 i et heksagonalt nettverksmønster (104 kvadratkilometer). For presisjonsoppførelser under vann kan systemet sette ut et lite nettverk 9 med stasjonsmellomrom på 0,5 km rundt konstruksjonsområdet.

Systemet bygges fortrinnsvis med stasjonsredundans gjennom hele nettverket 9 for å sikre at én av fire stasjoner kan stanse sendingen uten at det innvirker på funksjonen. Redundans vil fortrinnsvis inngå i utformingen for å sikre at systemet kan klare maksimum driftstid. Ideelt vil nettverket 9 forbli funksjonsdyktig selv under fjerning eller tilføyelse av en stasjon 1. Videre vil operatørene ideelt sett kunne overvåke driften av nettverket 9 via en bruker-DCU 18 som også vil kunne rapportere om driftsforstyrrel-ser i stasjonene 1.

Systemet er ideelt sett utformet for å håndtere interferens fra andre akustiske kilder ved bruk av entydige modulasjonsteknikker. Systemets DSS-kode er utformet for å maksimere støy-ufølsomheten. Kodesystemet er også utformet til å gi maksimum ufølsomhet overfor andre stasjoner 1. Det vil si at mottakeren 4 kan motta flere sta-sjonssignaler samtidig, og samtidige systemsignaler forstyrrer ikke hverandre.

I siste instans bør systemet kunne redusere problemet med akustisk forurensning som nå eksisterer i aktive områder.

I et basisarrangement kan systemet være konfigurert med kun to stasjoner 1 for å gi en anslagsvis beregning av et fartøys 5 posisjon. Så snart en mottaker 4 har plassert seg innenfor en celle eller nettverk 9, kreves det signaler fra to eller flere stasjoner 1 for en posisjon. Mens to stasjoner 1 gir den minste posisjonsnøyaktighet, kan ytterligere stasjoner 1 forbedre denne nøyaktigheten.

Systemet ifølge den foretrukne utførelse gjør bruk av minimum seks stasjoner 1 anordnet i et 110 km<2>heksagonalt nettverk 9. For å dekke et større område kan nett-verksmønsteret 9 gjentas med bruk av opptil 32 stasjoner 1 innenfor et enkelt område. Figur 4 viser et typisk stasjonsarrangement 1 hvor det benyttes 24 stasjoner 1 for å dekke et område på 920 kvadratkilometer. I et alternativt arrangement kan det brukes et kvadratisk nettverk 9 eller et uregelmessig nettverksmønster 9 (figur 3), avhengig av havbunnstopografien og miljøforholdene i området.

Når stasjonene 1 først er plassert ut, kan stasjonenes 1 posisjon kalibreres ved bruk av en innsirklings-kalibreringsteknikk (box-in calibration), hvor utplasseringsfartøyet beveger seg rundt stasjonens 1 omtrentlige beliggenhet og samler inn avstandsdata. Når alle avstandsdata er tilgjengelige, kan hver stasjons 1 posisjon innenfor nettverket 9 beregnes gjennom bruk av en minste kvadraters algoritme.

Den akustiske telemetrikommunikasjonen mellom en stasjon 1 og fartøyet 5 kan for-midles via én eller flere andre stasjoner 1. Den endelige, kalibrerte posisjon for hver stasjon 1 kan lastes ned via akustisk telemetri til den aktuelle stasjon 1. Når en mottaker 4 først beveger seg inn i et nytt område, kan den spørre om kalibreringsdata for hver av stasjonene 1 innenfor dette område.

Stasjonene 1 vil ideelt sett være konfigurert slik at de sender signaler i forhold til sin systemtakt. Stasjonene 1 i det foretrukne system benytter presisjonsoscillatorer, slik at den forholdsmessige avvik for taktgiverne i hver stasjon 1 er liten. Det kan imidlertid være nødvendig å kalibrere den relative tiden mellom hver av stasjonene 1, selv ved bruk av presisjonsoscillatorer.

Dersom dette er tilfelle, kan en stasjon 1 med jevne mellomrom stanse sendingen og i stedet motta signalet som sendes fra én av de omgivende stasjoner 1. Den vil måle mottakstidspunktet for signalet ved stasjonen 1 i forhold til sin egen systemtakt. Disse kalibreringsdata sendes så til mottakerne 4 i området, som vil bruke korreksjonen som en del av mottakerens 4 posisjonsløsning. Sporadisk tap av en enkeltsending fra en stasjon 1 vil ikke ha noen innvirkning på systemets samlede funksjon. Som et alternativ kan en stasjon 1, dersom det på stasjonen 1 brukes senderhydrofoner 16 som aktive mottakere, ved bestemte mellomrom utspørre andre stasjoner 1 for å kalibrere sin posisjon. Stasjonene 1 kan også utspørre hverandre med jevne mellomrom for å bestemme avviket mellom taktgiverne i hver stasjon 1. Mottakeren 4 må utspørre stasjonene 1 for å bestemme tidsavviket mellom taktgiverne i stasjon 1 og mottaker 4. Dette kan skje med én til to timers mellomrom.

Stasjonene 1 kan betraktes som sendere som er halvpermanent plassert på havbunnen i et mønster som er utformet slik at det maksimerer antallet stasjoner 1 hver mottaker 4 kan motta fra uten å plassere ut flere stasjoner 1 enn nødvendig.

Stasjonselektronikken innbefatter ideelt sett et antall subenheter montert i et hus 25 (figur 9) konstruert for å motstå særdeles høye trykk. Subenhetene kan innbefatte:

i) hovedstyringsenhet 31 og signalgenerator 30

ii) signalprosessor og -detektor 33

iii) høyspent DC/DC-omformer 27

iv) høyeffektsforsterker, D-klasse 28

v) transduser-conditioner 29

vi) batteristyring 26

vii) splitthode-styringsenhet for sporing 32.

Hovedstyringsenheten 31 overvåker driften av hele stasjonen 1. Den har ansvar for å generere all intern presisjonstidsstyring og dekode alle meldinger fra sig na I prosessor og -detektorenheten 33, og å virke på dem. Den har også ansvar for å generere DSS-signalinformasjonen. Signalet som genereres av hovedstyringsenheten 31, forsterkes gjennom klasse D-forsterkeren 28 og deretter gjennom transduser-conditioner 29 til selve senderhydrofonen 16. Klasse D-forsterkeren 28 drives av høyspenning generert fra DC/DC-omformeren 27. En signalprosessor og -detektor 33 har ansvar for å påvise innkommende DSS-signal og deretter trekke ut ytterligere informasjon som er kodet i signalet, for behandling i hovedstyringsenheten 31.

Det er to ytterligere interne sammenstillinger:

Den første er batteristyringskretssystemet 26 som gjør det mulig å trekke ut mest mulig energi ut av batteri modulene 13. Den overvåker også eventuelle feiltilstander i batteri modulene 13 og virker slik at den reduserer tiden stasjonen 1 ikke sender, til et minimum. Informasjon om feil overføres også via telemetriforbindelse til et hvilket som helst overflatefartøy 5 for iverksetting av tiltak.

Den andre ekstrasammenstilling er splitthode-styringsenheten for sporing 32, som beregner senderhydrofonenes 14 posisjon i forhold til stasjonen 1.

Hver stasjon 1 sender et entydig, kodet DSS-signal med jevne mellomrom. Systemet benytter fortrinnsvis et kodesystem som muliggjør simultanmottak av multiple signaler (for eksempel opp til 16 stasjoner). Kodesystemet bør også kunne gi bedre støy-immunitet i forhold til interferenskilder som støyende skip eller andre akustiske sporingssystemer.

Dybdene stasjonene 1 plasseres ved, kan variere betydelig, noe som også gjelder havbunnstopografien. Lydhastighetsprofilen kan få signalet fra én stasjon 1 til å brytes mot overflaten. Dette fenomenet, som er kjent som "stråleavbøyning", gjør at signalene nær havbunnen rettes inn i grunnen på grunn av naturlige elementer som for eksempel temperatur-, saltholdighets- og ledningsgradienter (se figur 2). Virkningen av akustisk stråleavbøyning øker med økende vanndybde. Det foretrukne system bruker en 8 kilometers avstand mellom stasjoner 1, hvilket krever at det akustiske signal må forplante seg horisontalt. Dersom en stasjon 1 sender et akustisk signal fra havbunnen, vil det akustiske signal som en følge av stråleavbøyningsvirkningen, brytes inn i grunnen, og et overflatefartøy 5 8 kilometer unna vil ikke motta det akustiske signal. For å unngå dette problemet og muliggjøre kommunikasjon mellom stasjonene, kan man la senderhydrofonen flyte opp til 250 meter over havbunnen, skjønt større leng- der kan brukes om nødvendig. Det vil si at senderhydrofonelementene 16 fortrinnsvis er hevet over havbunnen i splitthodemoduler (SHM) 2. SHM'en 2 innbefatter en flota-sjonsmodul 15 som bærer hovedsenderhydrofonen 16 over stasjonen 1. SHM'en 2 er forbundet med stasjonen 1 via en elektrisk stigekabel 10. Som et alternativ kan senderen i stedet for å flyte, være festet eller bæres en i bestemt høyde over havbunnen.

SHM'en 2 løser problemene med stråleavbøyning ved å sende det akustiske signal flere hundre meter over stasjonen 1. Det akustiske signal brytes nedover, men vil et-terhvert brytes oppover for å tas imot av et overflatefartøy 5.

SHM'ens 2 høyde over stasjonen 1 må stort sett økes som en funksjon av vanndybden. Imidlertid bør høyden holdes på et minimum, siden stasjonen 1 sporer SHM'en 2.

Etter at stasjonene 1 er blitt plassert ut, kan SHM'ene 2 plasseres ut. Utplassenngs-tidspunktet for SHM'ene 2 kan være konfigurer bart. SHM'en 2 ifølge den foretrukne utførelse vil ha positiv oppdrift og være fortøyd ved hjelp av en stigekabel 10.

Under utplassering av stasjonen 1 kan SHM'en 2 være montert på stasjonen 1. Når stasjonen 1 er på havbunnen, kan det så sendes en akustisk instruks til stasjonen 1 om å frigjøre SHM'en 2, hvilket vil la SHM'en 2 flyte opp til en forhåndsbestemt dybde i enden av stigekabelen 10.

Flyteevnen kan være regulerbar for hver av SHM'ene 2, og mengden SHM-stigekabel 10 som skal slippes ut, kan også være regulerbar.

Stasjonen 1 kan også innbefatte en rammekomponent 3, som er et mekanisk system som transporterer, rommer og bærer de elektroniske kretssystemene i stasjonen 1. SHM'en 2 kan bevege seg, hvilket gjør det nødvendig å følge dennes posisjon i forhold til stasjonen 1. Det vil si at for å maksimere systemets sporingsnøyaktighet, bør SHM'en 2 spores ved hjelp av stasjonen 1. Dette vil fastlegge dennes posisjon i forhold til stasjonens 1 gjennomsnittlige posisjon. For å følge SHM'ens 2 posisjon er det i det foretrukne system i én utførelse også installert en splitthode-styringsenhet for sporing 32 på rammen 3, slik at SHM'ens 2 nøyaktige posisjon kan tas med i av-standsberegningene. Splitthode-styringsenheten for sporing 32 bruker én senderhydrofon 14 montert på SHM'en 2 og fire mottakerhydrofoner 12 montert på stasjonen 1. De fire mottakerhydrofoner 12 kan monteres i de ytterste hjørner av rammen 3 for å maksimere vinklene som oppfattes av mottakerhydrofonene 12 for posisjonsbe-regninger og for redundans (se figur 8).

Splitthode-sporingssystemet (SHTS - Split Head Tracking System) vil under ideelle forhold innbefatte en senderhydrofon 14 i hver SHM 2, de fire mottakerhydrofoner 12 montert på rammen 3, og splitthode-styringsenheten for sporing 32. Mottakerhydrofonene 12 bør monteres på steder hvor de får utsyn til SHM'ene 2 ovenfor, og så langt fra hverandre på chassiset 3 som mulig. Splitthode-sporingssystemet triangule-rer senderhydrofonens 14 (se figur 5) signal for å gi en løsning på SHM'ens 2 posisjon for splitthode-styringsenheten for sporing 32. S po ringssystem et kan bruke høyfre-kvent Short Base Line-teknikker for på nøyaktig vis å følge senderhydrofonens 14 posisjon i forhold til stasjonen 1. Posisjonsbestemmeisen kan også korrigeres for stasjonens 1 stampebevegelser, rullebevegelser og retning/kurs via kurs- og hellingsføler 35, for å gi SHM'ens 2 absolutte posisjon.

Når det blir nødvendig å hente opp stasjonen 1, kan SHM'en 2 bli skadet under opp-hentingsfasen. For å unngå dette kan det sendes en akustisk instruks til stasjonen 1 om å frigjøre stigekabelen 10 for å la denne flyte fritt opp til overflaten for separat opphenting. Alternativt kan stigekabelen 10 trekkes inn for å oppbevare SHM'en 2 på sikkert vis før stasjonen 1 hentes opp.

Stasjonen 1 kan utstyres med et stort antall eksterne batterimoduler 13 for å drive senderne. Batteri modulene 13 kan inneholde enten alkaliske batterier eller litiumbat-terier (eller andre energikilder). Hver batterimodul 13 kan omfatte smartbatteritekno-logi, slik at batterimodulen 13 kan overvåke sitt eget strømforbruk og forventet levetid. Batteri modulene 13 kan være i stand til å slå av tilførselen til en bestemt styreenhet dersom dennes strømforbruk er for høyt.

Signalene fra de fire mottakerhydrofoner 12 i splitthode-sporingssystemet vil kunne koples parallelt med hovedstyringsenheten 31. Denne sammensetning gir overflødig-het, fordi det kun kreves tre hydrofoner 12 for å måle senderhydrofonens 16 posisjon. Selv om det er mulig, er det ikke praktisk å ha to separate sett med batterimoduler 13, og batteri modulene 13 er derfor individuelt koplet til hovedstyringsenheten 31. Hver batterimodul 13 kan forsynes med intern intelligens, noe som vil gjøre det mulig for batterimodulen 13 å overvåke batterimodulenes 13 strømforbruk og kople fra strømmen dersom forbruket er for høyt. Batterimoduler 13 kan kjedekoples i små grupper. Dersom en strømkabel 40 kortslutter (se figur 5), koples gruppen eller den individuelle batterimodul 13 fra. Batterimodulene 13 kan også overvåke kortslutnings-eller overbelastningstilstander. Dersom kortslutningen eller overbelastningen opphø-rer, vil batterimodulen 13 kople seg selv til igjen.

Stasjonen er utformet for å utplasseres fra bakre del av et havgående forsyningsskip 5 og synke ned på havbunnen. Den foreliggende utførelse er konstruert for en maksi-mumsdybde på 3500 meter, hvilket om ønskelig kan utvides. Stasjonens 1 eksteriør må utformes med tanke på å skulle motstå de daglige påkjenninger og harde forhold i et offshoremiljø; slag, støt, saltholdighet, utvendig trykk, temperaturer, algevekst og korallvekst osv.

Mottakeren 4 kan installeres på et skip eller annet fartøy og vil også måtte kunne tåle arbeidsforholdene og møte industriens krav. Disse innbefatter daglig driftsinnsats, slag, støt, væskesøl, saltholdighet etc. Mottakeren 4 vil ideelt sett innbefatte følgende komponenter:

Hydrofonmottakergruppe 47

Analog-digital-omformer(ADC)- og digital-analog-omformer(DAC)-modul 41 Stråleformer 20

Prosessor 42

Skjermstyringsenhet (DCU) 18

Effektforsterker 46

Senderhydrofon 48

Fjerntilgangsmodem 43

• Treghetsføler 45

• Gruppestrømkabel 21

Signalene fra hydrofonmottakergruppen 47 mates til en flerkanals ADC/DAC-omformermodul 41 som digitaliserer det mottatte signal (se figur 7). For å redusere mengden støy som mottas fra fartøyet, til et minimum, behandles så signalene ved hjelp av stråleformeren 20. Det rene signal sendes så av prosessoren 42 for å vises på DCU'en 18, som viser brukeren hvor ulike objekter befinner seg. Dersom brukeren har behov for å sende signaler fra fartøyet 5 til stasjonen 1, genereres disse signaler så i prosessoren 42, sendes gjennom effektforsterkeren 46 og gruppestrømkabelen 21 til senderhydrofonen 48, som så senders disse signaler gjennom vannet (se figur 6).

Et fjerntilgangsmodem 43 er anbrakt på prosessoren, slik at kalibreringsdata eller andre opplysninger kan overføres til andre fartøyer eller operatører etter behov. En treghetsføler 45 er også montert på prosessoren 42 for å gjøre det mulig å korrigere for fartøyets 5 periodiske bevegelser, forårsaket av lokale omgivelsesforhold.

For å kunne posisjonere et fartøy 5, fjernstyrt undervannsfartøy (ROV) 6 eller auto-nomt undervannsfartøy (AUV) 7 innenfor nettverket, utstyres det med en mottaker 4 som inneholder en hydrofonmottakergruppe 47 og en gruppestrømkabel 21. Signalene fra minst tre av stasjonene 1 må påvises ved hydrofonmottakergruppen 47 for at det skal være mulig å nøyaktig beregne mottakerens 4 posisjon. I vanlig sporingsmodus lytter mottakeren 4 kun etter signaler som sendes fra stasjonene 1, og et ubegrenset antall mottakere 4 kan derfor være i virksomhet innenfor nettverket 9. Dersom det kreves redundans, kan det anbringes flere mottakere 4 på samme skip 5. Mottakerne 4 vil kunne virke helt uavhengig av hverandre uten at det er behov for noen master-slave-anordning.

Hydrofonmottakergruppen 47 kan være en vertikal flerelementgruppe som er innrettet til å motta signalene fra stasjonene 1. I de fleste tilfeller er fartøyet 5 en kilde til betydelig akustisk støy. Av den grunn stråleformes flerelementgruppen fortrinnsvis elek-tronisk for å styre en stråle vekk fra den høye støyen fra skipet, slik at man oppnår gruppeforsterkning. I enkelte tilfeller kan systemet brukes til å posisjonere et stort fartøy 5 hvis hovedstøykilder er de 500 til 2000 mW store rorpropeller som kan generere et akustisk støynivå på opp til 200 dB. Det foreliggende system bør kunne virke under forhold som tilsvarer ordinær drift av fartøyet 5, og være i stand til å motta signaler fra stasjonene 1 i nærvær av fartøystøy. Ideelt sett bør hydrofonmottakergruppen 47 plasseres ut dypt nok til å gå klar av skipets rorpropeller, og toppen av hydrofonmottakergruppen 47 bør ha fri sikt til stasjonen 1.

Forskjellen mellom det foreliggende foretrukne system og et tradisjonelt Long Base Line sporingssystem er det at skipet eller fartøyet 5 er passivt. Det vil si at fartøyet 5 ikke frembringer noen lyd (annet enn vanlig driftsstøy), til forskjell fra de fartøyer som bruker tradisjonelle systemer, hvor disse sender signaler for å utspørre akustiske un-dervannsbøyer. Fartøyet 5 har evnen til å beregne sin posisjon gjennom å motta og behandle signaler som mottas fra de ulike stasjoner 1. Dette passive mottaket gjør det mulig for flere fartøyer 5 å virke innenfor samme område uten å forstyrre hverandre.

Så snart et fartøy 5 befinner seg i nærheten av et nettverk 9, vil det ideelt være i stand til å motta minst tre stasjoner 1 for å kunne posisjonere seg. Følgelig må far-tøyene 5 ifølge det foretrukne arrangement være innenfor rekkevidde av fire stasjoner 1 for å gi en viss grad av redundans.

Signal-til-støyforholdet bør være slik at et fartøy 5 med et høyt egenstøy-nivå vil være i stand til å posisjonere seg nøyaktig; for mer stillegående fartøyer vil derfor nøyaktig-hetsgraden av posisjoneringen være høyere. Et mer stillegående fartøy 5 vil kunne motta signaler fra opptil ti stasjoner 1.

Det er mulig å sende kommando- og styring stel em etri fra fartøyer 5 til stasjoner 1, men dette vil kun være inkludert for systemvedlikehold, taktsynkronisering og sys-temstyringsformål og vil ikke bli brukt til vanlig drift.

Ikke bare vil systemet være i stand til å følge fartøyer 5 på vannoverflaten, men det vil også kunne følge fartøyer 5 og objekter under vann, for eksempel ROVer 6 eller AUVer 7.

ROVen 6 vil typisk kunne forbindes med overflaten via en navlestreng 8. ROVen 6 kan være utstyrt med en anordning som er i stand til å fastlegge mottakstidspunktet for signalene fra stasjonene 1 og sende denne informasjonen opp gjennom forbindel-seskabelen 8 til en mottaker 4 på overflaten, hvor denne vil kunne gi en løsning for ROVens 6 posisjon.

I tillegg til ROV-støtte kan systemet også understøtte en AUV 7. Forskjellen mellom de to løsningene er at prosessoren ombord på AUVen 7 vil måtte løse for posisjon, ettersom den ikke har noen galvaniske kommunikasjonsmidler mot et overflatefartøy 5.

Systemet vil også kunne være til hjelp ved anleggsvirksomhet under vann. Hovedjob-ben i forbindelse med undervannsarbeider består i å sammenpasse deler av konstruk-sjonen med stor nøyaktighet. Problemet med ethvert sammenpasningsarbeid, for eksempel når et rør skal inn i en rørforbindelsesdel eller en plattform skal plasseres seg i en tapp, eller en hvilken som helst annen sammenstillingsoperasjon, er det dramatisk økte krav til nøyaktighet.

Undervannskonstruksjoner fordrer typisk nøyaktighet innenfor noen titalls millimeter for å kunne utføre de fleste funksjoner. Den teoretiske ideelle nøyaktighet er for tiden 20 mm.

Den største utfordringen når det gjelder å oppnå denne nøyaktigheten, er det å kompensere for variasjonene i lydens hastighet gjennom vann når den skal tilbakelegge en betydelig distanse. Det er vanskelig å ta en flukttidsmåling og gjøre den om til en av-standsmåling når lydens hastighet gjennom vann endrer seg.

Systemet vil kunne bruke en spesial mottaksen het som er anbrakt på det stykke som manøvreres i stilling, og en annen mottaksenhet som virker som referansepunkt, anbrakt på den enhet som systemet posisjonerer seg etter. Ved å bruke den stasjonære referansemottaker for å korrigere for eventuelle endringer i lydens hastighet, skulle systemet være i stand til å gi en større nøyaktighet i den relative posisjon til det objekt som manøvreres.

Systemet kan også gi bedre kommunikasjon ved å gjøre bruk av DSS-signalisering fra stasjon 1 til stasjon 1 for å ta data samlet inn i nærheten av én stasjon 1, overføre dem telemetrisk gjennom nettverket og levere dem på et fjerntliggende sted.

Ettersom den oppnåelige dataoverføringshastigheten er lav og energikostnaden pr. bit er meget høy, oppnår den foretrukne utførelse en dataoverføringshastighet på om-kring 50 bps over langdistansekommunikasjon, skjønt man over kortdistansekommu-nikasjon vil kunne oppnå høyere dataoverføringshastigheter.

Slike dataoverføringshastigheter er hensiktsmessige for overvåkning av brønnhoder, alarmer og kommunikasjon med AUVer 7.

Den for hver undervannsstasjon 1 entydige koding som brukes i de sendte signaler, overvinner forstyrrelsene fra andre akustiske systemer. Dette skaper et miljø hvor et forholdsvis spredt nettverk av stasjoner 1 og passive mottakersystemer 4 på fartøyer 5 kan gi en betydelig reduksjon av volumet og rekkevidden av akustisk støy i under-vannsmiljøet. DSS-signaliseringen vil også gi en drastisk reduksjon i støyforurens-ningen og dennes innvirkning på dyrelivet i havet.

Hver stasjon 1 sender akustiske signaler til de tilstøtende stasjoner 1. Dette gjør det mulig for nylig tilføyde stasjoner 1 å egenkalibrere sin faktiske posisjon. Kombinert med at stasjonene 1 kan plasseres ca. 8 kilometer fra hverandre, og hver stasjon 1 har en batteribasert strømforsyning som kan gi opptil 12 måneders kontinuerlig drift, vil dette resultere i et betydelig redusert utplasseringsbehov.

Det akustiske signal som benyttes, og bruken av en SHM 2 som flyter over undervannsstasjonen 1, kan kompensere for de kjente fysiske dypvannskarakteristika (f.eks. signalbrytning). DSS-signalet tar seg av signalsprednings- og støyforstyrrelses-effektene, og SHM'en 2 kan sende signalet på en slik måte at effektene av stråleav-bøyning (bøyning av signalet mot overflaten) motvirkes.

Med en kombinasjon av tekniske, fysiske og utplasseringsproblemer ivaretatt ved hjelp av det foreliggende posisjonerings- og navigasjonssystem, kan man oppnå føl-gende viktige fordeler: 1. Flerfartøys-/flerbrukerposisjonering - gir reduserte kostnader for større områder. 2. Mindre akustiske systemer i miljøet - reduserer problemene med akustisk forurensning under vann. 3. Større signalområde (> 2km), noe som gjør det mulig å bruke færre under-vannsstasjoner 1 for å dekke et gitt område. Dette reduserer i sin tur den totale system kostnad og de faste kostnader og tidsbruk forbundet med logistikken, når

dette sammenlignes med eksisterende posisjoneringssystemer.

4. En ytterligere fordel ved systemet er evnen til å skille mellom signaler som genereres av stasjonene 1, og akustisk støy som genereres av andre sporingssystemer.

Disse fordeler kan oppnås ved å benyttes seg av flere aspekter, herunder:

1. DSS-signalisering for å oppnå signalformidling over lengre avstander under vann. 2. Å la SHM'en 2 flyte over havbunnen for å kompensere for virkningen av brytning på dypt vann over de ønskede avstander. 3. Å ha passive mottakersystemer 4 (skip, borerigg, ROVer 6 etc.) som beregner sin posisjon ut fra signalene som mottas fra undervannsstasjonene 1 som ligger innenfor rekkevidde, for å gi flerfartøys-/flerbrukerkapasitet.

Claims (20)

1. System for posisjonering av minst ett fartøy eller objekt (5) i et vannmiljø, innbefattende det at: det til hvert fartøy eller objekt (5) er koplet en respektiv passiv mottaker (4); minst to sendere (1) er anbrakt under overflaten av nevnte vannmiljø og hevet over bunnen av nevnte vannmiljø; og det innbefattes en lokaliseringsanordning for å bestemme posisjonen for hver nevnte sender (1);karakterisert vedat hver nevnte sender (1) sender et signal som entydig identifiserer hver nevnte sender (1) og sendes uavhengig av et kommando- eller spørresignal, og nevnte mottaker (4) på hvert nevnte fartøy eller objekt (5) mottar hvert nevnte signal, og en beregningsanordning bestemmer nevnte fartøys eller objekts (5) posisjon på grunnlag av de mottatte signaler.

2. System som angitt i krav 1,karakterisert vedat hver nevnte sender (1) sender sitt signal på forhåndsbestemte tidspunkter.

3. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte sender (1) er en senderhydrofon.

4. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte sender (1) er festet til et respektivt hus (25) som befinner seg på bunnen av vannmiljøet.

5. System som angitt i krav 4,karakterisert vedat nevnte sender (1) er fast festet over bunnen av nevnte vannmiljø.

6. System som angitt i krav 4,karakterisert vedat nevnte sender (1) er festet til en flyteanordning (15) og flyter over nevnte hus (25).

7. System som angitt i krav 6,karakterisert vedat nevnte lokaliseringsanordning følger nevnte flyteanordnings (15) posisjon.

8. System som angitt i krav 6 eller 7,karakterisertv e d at nevnte lokaliseringsanordning innbefatter en senderhydrofon (16) festet til nevnte hus (25) og minst tre mottakerhydrofoner (12) festet til nevnte flyteanordning (15).

9. System som angitt i krav 6 eller 7,karakterisertved at nevnte lokaliseringsanordning innbefatter en senderhydrofon (16) festet til nevnte flyteanordning (15) og minst tre mottakerhydrofoner (12) festet til nevnte hus (25).

10. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat én av nevnte sendere (1) med jevne mellomrom vil stanse sendingen for å motta en sending fra en annen av nevnte sendere (1) for å gjøre det mulig å kalibrere eller synkronisere taktsignaler i nevnte sendere (1).

11. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte mottaker (4) innbefatter en stråleformer (20) for å redusere til et minimum de forstyrrelser som stammer fra nevnte fartøy eller objekt (5) nevnte mottaker (4) er koplet til.

12. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat det videre innbefatter en skjerm-innretning (18) for å vise posisjonsopplysninger.

13. System som angitt i et hvilket som helst av krav 4 til 12,karakterisert vedat nevnte hus (25) er koplet til en ekstern energikilde (13).

14. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte sendere (1) er anordnet i et heksagonalt, kvadratisk, rombeformet, oktogonalt eller triangulært nettverk.

15. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte sendere (1) er anbrakt med en innbyrdes avstand som er lik eller større enn vannmiljøets dybde.

16. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte sendere (1) befinner seg minst 2 km fra hverandre.

17. System som angitt i et hvilket som helst av krav 3 til 16,karakterisert vedat nevnte hus (25) innbefatter: en hovedstyringsenhet (31) for styring av komponentene i nevnte hus (25); en signalbehandlingsinnretning (33) for modifikasjon av alle sendte og mottatte signaler; en energikilde (27) for å forsyne nevnte hus (25) med energi; og en signalgenerator (30) for å frembringe nevnte entydige signal.

18. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat nevnte mottaker (4) innbefatter: minst én mottakerhydrofon (47) for mottak av nevnte entydige signaler; en stråleformer (20) for å redusere signalforstyrrelser til et minimum; og en behandlingsinnretning (42) for å styre komponentene i nevnte mottaker.

19. System som angitt i krav 18,karakterisert vedat nevnte behandlingsinnretning (42) viser posisjonen på en skjermenhet (18).

20. System som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat det videre innbefatter en stasjo-nær referansemottaker (4) til hjelp ved lokalisering og posisjonering av nevnte objekt (5).