專利名稱：動(dòng)態(tài)定位架構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于海上船舶動(dòng)態(tài)定位(DP)的架構(gòu)，即利用 推進(jìn)器抵抗諸如風(fēng)和水流之類的環(huán)境迫力將船舶的位置維持在基準(zhǔn) 點(diǎn)附近并穩(wěn)定其航向。該架構(gòu)尤其涉及可以將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS) 與DP系統(tǒng)相結(jié)合的方式。
術(shù)語"船舶"意在包括輪船、鉆井裝置和任何其它水面艦船或平 臺(tái)船或者可潛水的船(潛艇)。本發(fā)明主要涉及在深水中的應(yīng)用，但 這里對詞語"海上"的使用并不意在排除本發(fā)明在淡水湖泊或其它淺 水中的應(yīng)用。
術(shù)語"慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)"意在包括含有慣性測量單元(IMU) 的系統(tǒng)，其通常為具有內(nèi)部或外部數(shù)據(jù)融合算法的低級別測量系統(tǒng)。
術(shù)語"動(dòng)態(tài)定位(DP)系統(tǒng)"意在包括用于船舶的其它定位系統(tǒng)， 比如將DP系統(tǒng)方面與系泊系統(tǒng)相結(jié)合的系泊定位系統(tǒng)和推進(jìn)器輔助 系泊系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
船舶沿六個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，三個(gè)平動(dòng)軸(縱蕩(surge)，橫蕩(sway)和垂 蕩(heave))和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸(橫搖(roll)，俯仰(pitch)和首搖(yaw))。 這六個(gè)軸如圖1所示。用于水面船舶的DP系統(tǒng)通常僅控制水平平面 上的三個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，即縱蕩、橫蕩和首搖，但可能需要會(huì)考慮在所有 六個(gè)軸上的測量。
DP系統(tǒng)的基本部件是測量船舶位置和航向的一個(gè)或多個(gè)位置 基準(zhǔn)系統(tǒng)；施加控制動(dòng)作的推進(jìn)器；以及確定所需推力的控制器。 DP系統(tǒng)的目的不是保持船舶絕對平穩(wěn)，而是將其位置維持在可接受 的限度之內(nèi)。允許的位置變動(dòng)的幅度取決于應(yīng)用和操作關(guān)系。在許多 應(yīng)用中，超過可接受限度的位置損失會(huì)對人員或設(shè)備的安全或者對環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，采取精確的測量來盡可能地保持DP系統(tǒng)的 完善是至關(guān)重要的。
DP中的安全操作依賴于時(shí)時(shí)刻刻對船舶位置和航向的測量。為 了確保這一點(diǎn)，即使在故障情況下，所有測量系統(tǒng)也要包括冗余。物 理冗余需要設(shè)備的備份來保證設(shè)備任一部分的單獨(dú)故障都不會(huì)導(dǎo)致 整個(gè)系統(tǒng)的完全故障，并能夠使用冗余硬件來避開故障設(shè)備。并行的 冗余系統(tǒng)必須是獨(dú)立的一一即，單獨(dú)的故障模式應(yīng)當(dāng)都不會(huì)使整個(gè)系 統(tǒng)失靈。
DP系統(tǒng)將來自任何源的所有可用的位置測量值結(jié)合成單個(gè)的 船舶位置的估計(jì)。用于結(jié)合測量值的算法可以基于卡爾曼濾波器。
測量值的源可以包括各種各樣的位置測量設(shè)備(PME)，比如 陀螺羅經(jīng)(其獨(dú)立于外部干擾而提供簡潔、可靠和準(zhǔn)確的船舶航向(首 搖)測量值)、張索、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(其包括全球定位系統(tǒng)(GPS)和差 分GPS(DGPS))、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和水聲定位系統(tǒng)。
INS使用加速度測量值來估計(jì)船舶在慣性參考坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)。 然而，由于由重力引起的與加速度相關(guān)的物理過程，加上在這些設(shè)備 本身之中固有精度和噪聲，因此總存在位置測量值的偏移度。這表明 有必要周期性地更新偏移的INS估計(jì)。這些更新可以由另一 PME單 元比如水聲定位系統(tǒng)或衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來提供。
馬稀聲定録統(tǒng)
深水聲學(xué)的問題是公知的(Stephens, R丄"Aspects of industrial dynamic positioning: reality-tolerant control", TFJC Co"/erewce
^"cwm,/,a(y, pp.41-51)。由于聲音通過的距離，因此深度會(huì)帶來長 的聲脈沖信號周期時(shí)間，除非采用所謂的聲脈沖信號疊加(ping stacking)。深水還增加了收發(fā)機(jī)中替換電池的成本，這開始成為水 聲定位系統(tǒng)總成本的一個(gè)主要部分。通過增加聲脈沖信號周期時(shí)間， 可以延長電池壽命。聲脈沖信號疊加只會(huì)減少電池壽命。遺憾的是， 增加的聲脈沖信號時(shí)間會(huì)對DP控制造成負(fù)面影響。即使直接配置 DP卡爾曼濾波器控制器來利用長的測量更新速度也會(huì)有這樣的負(fù)面
5影響。DP系統(tǒng)對偏差的檢測越遲，就越傾向于導(dǎo)致更高的推進(jìn)器使 用率并且不得不對推力應(yīng)用更大的調(diào)整。長的聲脈沖信號時(shí)間加劇了 環(huán)境力中任何變化或DP系統(tǒng)的船舶模型中的微小不一致。還存在這 樣的可能，由長的定位測量周期所引起的混疊效應(yīng)會(huì)將增大的噪聲引 入定位測量值中。
將INS結(jié)合到水聲定位系統(tǒng)中可以通過使用INS填補(bǔ)聲脈沖信 號之間的部分來使得長的聲脈沖信號時(shí)間減小。
為了研究這種方法的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)對采用了水聲定位系統(tǒng)并結(jié)合 了 PHINS慣性傳感器的兩個(gè)小型艦船(均由法國的78160 Marly le Roi， 55 Avenue Auguste Renoir的IXSEA公司提供)進(jìn)行了許多測試。 這些測試是在Brest (法國)的15m深的水中以及在La Ciotat (法國) 的1000m深的水中以超短基線(USBL)模式來進(jìn)行的。在更深的水 中，沒有聲脈沖信號疊加的最短聲脈沖信號周期時(shí)間是3秒；因此以 該速率來采集數(shù)據(jù)。原始的聲音數(shù)據(jù)和經(jīng)過PHINS校正后的位置都 被記錄下來。使用每21秒而不是3秒一次所采樣得到的聲音測量值 來從PHINS產(chǎn)生額外的信號。
雖然不可能按試驗(yàn)的時(shí)間比例在船舶上安裝DP系統(tǒng)，但已經(jīng)使 用DP系統(tǒng)的模擬對結(jié)果進(jìn)行了后處理來在相同狀況下對由DP系統(tǒng) 控制的船舶的行為進(jìn)行估計(jì)。已經(jīng)對模擬以及在21秒更新的原始聲 學(xué)信號與加了 INS的聲學(xué)信號之間進(jìn)行的比較施加了來自INS試驗(yàn) 的測量誤差。
圖2示出模擬運(yùn)行期間船舶位置誤差的比較。其示出通過使用 INS校正大大改善了位置保持。聲學(xué)的X軸誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為6.8m， 而使用了 INS之后將其減小到3.4m。
針對同樣的情形，從DP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了推力需求的甚至更大的改 進(jìn)。圖3對有INS校正和沒有INS校正的推力需求進(jìn)行了比較。其 示出當(dāng)INS填補(bǔ)聲脈沖信號之間部分時(shí)顯著地減小了推進(jìn)器的使用 率。推力需求變化中的這一減小意味著更少的機(jī)械疲勞、更少的磨損 和減少的維護(hù)。另一結(jié)果是減小了推進(jìn)器產(chǎn)生的水中噪聲，這意味著 通過提高信噪比而具有更好的聲音檢測，不僅提供了更準(zhǔn)確和更可靠的聲學(xué)定位，而且能夠在更深的水中工作。
通過比較DP期間的燃料消耗，得到了又一圖示。通過使用近似 關(guān)系P^T"根據(jù)推力T估計(jì)推進(jìn)器功率P，可以估計(jì)相對燃料消耗。 圖4示出以這種方式計(jì)算的相對燃料消耗的演變。其顯示出INS能 夠?qū)⑷剂舷臏p少到五分之一或減少得更多。
/A^浙I^定泣J"統(tǒng)
使用具有衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS和DGPS)的INS提供了以下好 處檢測GPS故障，消除錯(cuò)誤的"跳動(dòng)"，經(jīng)受住臨時(shí)斷電，以及減 小推進(jìn)需求(意味著標(biāo)稱運(yùn)轉(zhuǎn)下更低的燃料消耗)。
使用GPS和DGPS通常會(huì)發(fā)生的事情是位置估計(jì)中的跳動(dòng)。這 會(huì)在由于衛(wèi)星升起或沒入、或者由于附近物體的遮擋而導(dǎo)致的可見衛(wèi) 星星座變化(constellation change)時(shí)發(fā)生。后者的典型例子包括經(jīng) 過橋下或接近平臺(tái)船。這些跳動(dòng)通常是可以忽略的，但有時(shí)會(huì)變得嚴(yán) 重。例如，圖5示出了一個(gè)在北海的敞水區(qū)(叩en water)中發(fā)生的 大約3米的短跳動(dòng)以及大約15秒的短暫斷電。跳動(dòng)的嚴(yán)重程度取決 于船舶的操作情況。在大多數(shù)情況下，3米的跳動(dòng)不是什么問題。然 而，在向平臺(tái)船或其它船舶靠近時(shí)，即使是小的跳動(dòng)也可能"令人很 不舒服""。DP系統(tǒng)包括用于檢錯(cuò)(包括噪聲、跳動(dòng)和偏移的檢測) 的算法。雖然這些算法本身非常復(fù)雜，然而最可靠的檢錯(cuò)形式卻有賴 于對兩個(gè)、三個(gè)或更多PME的比較。INS由于并不基于模型而是基 于真實(shí)加速度測量值，因此它不僅用作對DGPS測量值的濾波器，還 丟棄短時(shí)跳動(dòng)期間的數(shù)據(jù)，并對短暫斷電進(jìn)行填補(bǔ)。
高質(zhì)量INS與DGPS接收機(jī)的同時(shí)使用減小了所測量位置的高 頻噪聲的水平。這與前述減小了聲學(xué)噪聲的INS —樣具有減小推力 需求的噪聲的效果。在DGPS接收機(jī)的情況下，由于噪聲開始較小， 因此該效果并不顯著。這種噪聲減小與濾波不一樣濾波對控制系統(tǒng) 引入了額外的相位滯后，而INS提高了測量的位置精度而不引入滯 后。
已經(jīng)在使用了 DP系統(tǒng)(由英國Warwickshire郡CV21 1BU的 Boughton Road, Rugby的Converteam UK Ltd所提供)和結(jié)合了PHINS慣性傳感器的DGPS接收機(jī)的7000t船舶上做了海上試驗(yàn)。 對于該試驗(yàn)的一部分，在作為唯一 PME的具有DGPS接收機(jī)的DP 系統(tǒng)的完全控制下并隨后經(jīng)過以DGPS接收機(jī)和PHINS慣性傳感器 的組合作為唯一 PME的時(shí)段，來將船舶保持在恒定的位置。圖6 示出在這兩個(gè)操作時(shí)段期間X軸和Y軸的推進(jìn)器需求。對于DGPS 接收機(jī)和INS具有明顯更小的噪聲。
為了對具有INS校正和沒有INS校正的期望燃料消耗進(jìn)行比較， 如之前一樣使用推進(jìn)需求來采用關(guān)系式PkT1'5估計(jì)相對的燃料消 耗。在圖7中示出針對10分鐘時(shí)段的試驗(yàn)的估計(jì)結(jié)果。沒有INS 的系統(tǒng)比DGPS接收機(jī)和INS的組合多使用了 40%的燃料。
INS在其它PME斷電期間的有效性取決于它的偏移。該偏移是 慣性測量單元(IMU)的質(zhì)量、標(biāo)度和校正值的函數(shù)。INS的短期 精度來自其加速計(jì)的精度，而其較長期的精度來自陀螺羅經(jīng)的精度。 位置由加速計(jì)的二重積分定義，因此位置按照時(shí)間的平方和加速計(jì) 的穩(wěn)定性發(fā)生偏移。
之前，己經(jīng)獲得了靜止的INS單元的斷電數(shù)據(jù)(Paturel, Y. "PHINS, an all-in-one sensor for DP applications", MTO D戸aw/c
o/^men'ca)。然而，容易理解，在海運(yùn)船舶上INS從來不會(huì) 是靜止的。因此，模擬惡劣天氣，采用在持續(xù)擺動(dòng)的姿態(tài)下的GPS 接收機(jī)和INS來進(jìn)行一系列測試。在測試中，在周期性的間隔中去 除了對INS的GPS輸入，并在"斷電"期間比較INS和GPS的位置。 在圖8和圖9中示出了這些測試的典型結(jié)果。圖8示出在120秒和 300秒的斷電期間INS偏移隨時(shí)間的演變。該結(jié)果與前面靜止系統(tǒng) 的研究結(jié)果相比更好。
圖9示出在120秒之后和在300秒之后的誤差分布。偏移誤差 的分布顯示出瑞利分布的形狀，這是一個(gè)從高斯分布源的平方和形 成的過程特征一一因?yàn)槠凭嚯x是向北方向的偏差與向東方向的偏 差的平方和。
為了得到?jīng)]有PME的船舶以及僅使用INS的船舶的相對偏移的思想，可以估計(jì)將船舶移動(dòng)了與所觀察到的INS偏移相同量的位置
偏離所需的力。采用圖8所示的最壞情況，在時(shí)間t: 300 s后，行 駛了距離s = 22 m，根據(jù)a = 2s/t2 = 4.9xl(T4 m/s可以計(jì)算出等效恒 定加速度a。對于排水量為V = 4000 t的典型供應(yīng)船，實(shí)現(xiàn)該加速 度所需的力應(yīng)當(dāng)為F= Va^2.0KN。這小于通常的艦載推力的大約 1%，表明在普通情況下，沒有PME的船舶通常比INS偏移得快得 多。另外，INS的偏移是基于加速度的真實(shí)物理測量值，并不是基 于在非標(biāo)稱情況下(比如有大浪的惡劣天氣，或者纜繩或應(yīng)連到平 臺(tái)船上的臍索斷裂)就會(huì)降級的模型。
應(yīng)當(dāng)注意，在圖8中示出的試驗(yàn)之間的間隔(即在這些間隔期 間GPS再次可用)在30秒和300秒之間，每兩個(gè)(試驗(yàn)曲線)之 間沒有明顯差異。這表明PHINS慣性傳感器的自對準(zhǔn)性能非常好， 并且斷電之間的間隔不容易成為實(shí)際情況中的問題。
3鄰游Z)P^"統(tǒng)菜稱
由于INS依賴于位置測量值來連續(xù)地估計(jì)加速計(jì)中的誤差，因 此不可能把INS單獨(dú)作為獨(dú)立的PME單元來對待。它總依賴于一 個(gè)或多個(gè)其它的PME單元。所以，為了保持PME單元之間的獨(dú)立 性，通常的實(shí)踐方式是應(yīng)當(dāng)將INS單元與單個(gè)PME單元緊密結(jié)合， 例如與水聲定位系統(tǒng)結(jié)合。
圖10示出DP系統(tǒng)的典型架構(gòu)的示例。DP系統(tǒng)從多個(gè)PME單 元(在該情況下，從被標(biāo)記為GPS1和GPS2的兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 和被標(biāo)記為Acousticsl的水聲定位系統(tǒng))以及一個(gè)INS單元接收數(shù) 據(jù)。由PME單元和INS單元提供的數(shù)據(jù)通常將代表位置測量值， 但也可以代表例如加速度測量值或速度測量值。在由PME單元和 INS單元所提供的數(shù)據(jù)中還可以包括額外的信息，比如狀態(tài)指示符、 數(shù)據(jù)質(zhì)量指示符和統(tǒng)計(jì)信息。
INS單元從被標(biāo)記為Acoustics2的第二水聲定位系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)， DP系統(tǒng)將第二水聲定位系統(tǒng)和INS單元的組合作為單個(gè)輸入(即 作為單個(gè)PME單元)來對待。來自第二水聲定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)用來校 正INS單元中的偏移。
9在該構(gòu)造下，重要的是，將與第二水聲定位系統(tǒng)和INS單元組
合的質(zhì)量相關(guān)的信息傳遞到DP系統(tǒng)。例如，如果INS單元丟失了 來自第二水聲定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，那么應(yīng)當(dāng)對DP發(fā)出警告。
容易理解，兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS1和GPS2中之一也可以按相 同方式與一個(gè)INS結(jié)合。換言之，INS單元可以從GPS接收機(jī)接收 數(shù)據(jù)來校正INS單元中的偏移。
圖11示出一個(gè)替代的架構(gòu)。在該架構(gòu)中，DP系統(tǒng)從多個(gè)PME 單元(在該情況下，從被標(biāo)記為GPS1和GPS2的兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系 統(tǒng)和被標(biāo)記為Acoustics 1和Acoustics2的兩個(gè)水聲定位系統(tǒng))以及 一個(gè)INS單元接收數(shù)據(jù)。該INS單元可以從所有PME單元接收數(shù) 據(jù)。不過，重要的是，INS單元在任何一個(gè)時(shí)間都使用僅由一個(gè)PME 單元提供的數(shù)據(jù)，以保持其獨(dú)立于其它PME單元。圖ll示出的替 代架構(gòu)為操作者提供了靈活性的主要優(yōu)點(diǎn)。操作者能夠根據(jù)他的應(yīng) 用在兩個(gè)可能的構(gòu)造中作出選擇。例如，如果需要聲音，則操作者 可以選擇INS單元從水聲定位系統(tǒng)之一接收數(shù)據(jù)的構(gòu)造。反之，操 作者可以選擇INS單元從衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一接收數(shù)據(jù)的構(gòu)造。來自 PME單元的數(shù)據(jù)將用來校正INS單元的偏移。
發(fā)送到DP系統(tǒng)的狀態(tài)指示符必須包括DP系統(tǒng)用來確定PME 單元和INS單元的構(gòu)造的足夠信息。尤其是，DP系統(tǒng)必須能夠確 保在INS計(jì)算中使用的特定PME單元沒有被卡爾曼濾波器用來得 出船舶位置估計(jì)值。例如，如果INS單元構(gòu)造來從第二水聲定位系 統(tǒng)(Acoustics2)接收位置測量值，那么DP系統(tǒng)將不使用直接從第 二水聲定位系統(tǒng)提供的任何位置測量值來得出船舶位置估計(jì)值。不 過，DP系統(tǒng)可以使用直接從第二水聲定位系統(tǒng)提供的任何額外信 息。當(dāng)然，DP系統(tǒng)將使用由INS單元提供的任何位置測量值來得 出船舶位置估計(jì)值。
圖11的替代架構(gòu)在現(xiàn)有設(shè)備中已經(jīng)是可行的，因?yàn)镻HINS慣 性傳感器包括多個(gè)輸入端口
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了改進(jìn)的架構(gòu)，包括 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；和
用于船舶的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其具有用于將由多個(gè)位置測量設(shè)備 的至少一個(gè)提供的數(shù)據(jù)與由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)合起來得出 船舶的位置或速度的估計(jì)值的裝置；
開關(guān)陣列；和
開關(guān)陣列控制器；
其中開關(guān)陣列在開關(guān)陣列控制器的控制下操作，以將由多個(gè)位 置測量設(shè)備的至少一個(gè)提供的數(shù)據(jù)供給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來用于校正偏 移。
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)和動(dòng)態(tài)定位(DP)系統(tǒng)的結(jié)合提供了前文所 述的某些技術(shù)優(yōu)勢。該改進(jìn)的架構(gòu)允許通過從多個(gè)定位測量設(shè)備 (PME)的一個(gè)或多個(gè)中提供周期性的更新來校正INS的偏移。與 之前的架構(gòu)不一樣的是，對要與INS結(jié)合的PME的選擇由開關(guān)陣列 在開關(guān)陣列控制器的控制下自動(dòng)執(zhí)行，以使整個(gè)DP系統(tǒng)最優(yōu)化。
沒有被INS用來校正偏移的任何數(shù)據(jù)都可以由DP系統(tǒng)用來得 出船舶位置估計(jì)值。
該架構(gòu)適合于與如下其它各種各樣的PME—同使用，包括提供 長基線(LBL)位置數(shù)據(jù)和/或超短基線(USBL)位置數(shù)據(jù)或者己知 的范圍或估計(jì)值位置的水聲定位系統(tǒng)，提供GPS或差分GPS(DGPS) 位置數(shù)據(jù)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，基于激光的系統(tǒng)，基于無線電的系統(tǒng)，基 于雷達(dá)的系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)(張索)，或者提供速度數(shù)據(jù)的測速器(比 如電磁測速器或多普勒測速器(DVL)) 。 DVL通過測量從海床反射的 高頻聲音信號的多普勒偏移(通常稱為"海底封閉")來得出船舶相對 于海床的速度，或者測量從龍骨下方的水中粒子反射的高頻聲音信號 的多普勒偏移(通常稱為"水封閉")來得出船舶相對于周圍的水的速 度。
由多個(gè)PME和所述INS提供的數(shù)據(jù)通常代表位置測量值，但也 可以代表例如加速度測量值或速度測量值。在INS是慣性測量單元 (IMU)的情況下(通?？梢詫⒌图墑e測量系統(tǒng)結(jié)合在INS內(nèi))，數(shù)據(jù)通常代表加速度測量值。在PME是DVL的情況下，數(shù)據(jù)通常代表 速度測量值。在由多個(gè)PME以及INS提供的數(shù)據(jù)中也可以包括如狀 態(tài)指示符、數(shù)據(jù)質(zhì)量指示符和統(tǒng)計(jì)信息之類的額外信息。
可以通過在架構(gòu)部件之間延伸的通信線路(典型的是導(dǎo)線或電 纜)來傳送數(shù)據(jù)。
開關(guān)陣列控制器可以使用由多個(gè)PME所提供的數(shù)據(jù)(可選地， 還可以是由DP系統(tǒng)和/或INS提供的船舶位置或速度估計(jì)值)來自 動(dòng)操作開關(guān)陣列，以對由所述多個(gè)PME中的一個(gè)或多個(gè)所提供的數(shù) 據(jù)進(jìn)行選擇，并將所選數(shù)據(jù)供給INS來校正偏移。開關(guān)陣列控制器 優(yōu)選地采用選擇邏輯來實(shí)時(shí)地判定哪一個(gè)PME應(yīng)當(dāng)與INS結(jié)合并且 DP系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使用其它PME中的哪一個(gè)。選擇邏輯使用由多個(gè)PME 提供的數(shù)據(jù)(可選地還可以是由DP系統(tǒng)和/或INS提供的船舶位置 或速度估計(jì)值)來作出該判定，可以通過取決于DP系統(tǒng)操作需要的 任何適當(dāng)準(zhǔn)則來驅(qū)動(dòng)該邏輯。例如，開關(guān)陣列控制器可以操作開關(guān)陣 列以使得提供最佳質(zhì)量數(shù)據(jù)的PME與INS結(jié)合。隨后將來自所選 PME的數(shù)據(jù)供給INS來校正偏移，而DP系統(tǒng)使用來自其余PME的 數(shù)據(jù)以及來自INS的數(shù)據(jù)來得出船舶的位置估計(jì)值。如果接下來不 同的PME開始提供最佳質(zhì)量數(shù)據(jù)，那么開關(guān)陣列控制器將操作開關(guān) 陣列來使得該P(yáng)ME與INS結(jié)合。因此開關(guān)陣列控制器動(dòng)態(tài)地使DP 系統(tǒng)操作最優(yōu)化。
可以限制開關(guān)陣列控制器的操作以使開關(guān)陣列僅在例如相同類 型的PME中進(jìn)行選擇或在提供相同數(shù)據(jù)類型(例如位置數(shù)據(jù)或速度 數(shù)據(jù))的PME中進(jìn)行選擇。如果開關(guān)陣列控制器沒有受到限制，那 么開關(guān)陣列將通常地能夠在任何可用的PME中進(jìn)行選擇。
通常的情況是僅有一個(gè)PME將與INS結(jié)合，從而DP系統(tǒng)可以 使用其余PME提供的數(shù)據(jù)來得出船舶位置估計(jì)值。然而，實(shí)際上沒 有理由說兩個(gè)或更多PME不能與INS結(jié)合來使這些PME提供的數(shù) 據(jù)用于校正偏移。在INS從兩個(gè)或更多PME接收數(shù)據(jù)的情況下，可 以將INS構(gòu)造來選擇它想使用哪一個(gè)來校正偏移。作為替代方式， 來自兩個(gè)或更多的PME的數(shù)據(jù)可以在INS使用它們之前被結(jié)合在一起(例如使用卡爾曼濾波器或其它算法)。
開關(guān)陣列控制器還可以按照操作者命令來操作開關(guān)陣列。換句 話說，開關(guān)陣列的操作可以直接由操作者控制以將一個(gè)或多個(gè)PME 與INS結(jié)合。在這種情況下，操作者的命令將DP系統(tǒng)的操作的動(dòng)態(tài) 最優(yōu)化重寫。例如，操作者可以是操作人員或外部控制系統(tǒng)。
開關(guān)陣列和開關(guān)陣列控制器可以結(jié)合為DP系統(tǒng)或INS的一部 分。作為替代方式，開關(guān)陣列和開關(guān)陣列控制器被提供來作為與DP 系統(tǒng)和INS相結(jié)合的獨(dú)立開關(guān)單元。
可以提供不止一個(gè)INS。在這種情況下，可以對每個(gè)INS提供 開關(guān)陣列。每個(gè)開關(guān)陣列可以在開關(guān)陣列控制器的控制下操作，以將 由多個(gè)位置測量設(shè)備中的一個(gè)或多個(gè)所提供的數(shù)據(jù)供給它所關(guān)聯(lián)的 INS來校正偏移。例如，在具有第一對PME (例如兩個(gè)水聲定位系 統(tǒng))和第二對PME (例如兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))的架構(gòu)中，第一開關(guān) 陣列可以操作來將來自第一對PME中的一個(gè)或兩個(gè)的數(shù)據(jù)供給第一 INS，并且第二開關(guān)陣列可以操作來將來自第二對PME中的一個(gè)或 兩個(gè)的數(shù)據(jù)供給第二 INS。沒有被第一 INS或第二 INS用來校正偏 移的任何數(shù)據(jù)都可以由DP系統(tǒng)用來得出船舶位置估計(jì)值。
可以由單個(gè)集成開關(guān)陣列控制器來控制與第一 INS和第二 INS 相關(guān)聯(lián)的多個(gè)開關(guān)陣列。作為替代方式，每個(gè)開關(guān)陣列可以具有其自 己的開關(guān)陣列控制器。
每個(gè)INS可以結(jié)合作為DP系統(tǒng)的一部分。
用于結(jié)合數(shù)據(jù)的裝置可以是卡爾曼濾波器或其它適當(dāng)?shù)乃惴ā?br>

圖1是船舶運(yùn)動(dòng)的六個(gè)軸的示圖2是示出有INS填補(bǔ)/沒有INS填補(bǔ)的聲學(xué)信號的模擬位置偏 移的曲線圖3是示出有INS填補(bǔ)/沒有INS填補(bǔ)的聲學(xué)信號的推力需求的 曲線圖4是示出有INS填補(bǔ)/沒有INS填補(bǔ)的聲學(xué)信號的估計(jì)相對燃料消耗的曲線圖5是示出在敞水區(qū)中的DGPS跳動(dòng)的曲線圖6是示出有/沒有INS的DGPS的推力需求的曲線圖7是示出有/沒有INS的DGPS的估計(jì)的相對燃料消耗的曲線
圖8是示出在120秒斷電期間和300秒斷電期間INS偏移的演 變的曲線圖9是示出在120秒斷電之后和300秒斷電之后的INS偏移的
頻率分布的曲線圖10是使用INS的DP系統(tǒng)的第一己知架構(gòu)的框圖11是使用INS的DP系統(tǒng)的第二己知架構(gòu)的框圖12是根據(jù)本發(fā)明的DP系統(tǒng)的改進(jìn)架構(gòu)的框圖13是示出了慣性測量單元(IMU)的根據(jù)本發(fā)明的DP系統(tǒng)
的改進(jìn)架構(gòu)的框圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參照圖12和圖13說明DP系統(tǒng)1的改進(jìn)架構(gòu)。
DP系統(tǒng)1包括卡爾曼濾波器2以結(jié)合數(shù)據(jù)來估計(jì)船舶的位置和 航向并動(dòng)態(tài)控制它們。將卡爾曼濾波器2的輸出供給船舶控制單元4， 船舶控制單元4向推進(jìn)器(未示出)輸出信號以使其將船舶位置接近 期望的基準(zhǔn)位置。
數(shù)據(jù)由位于船舶上的多個(gè)位置測量設(shè)備(PME)單元(未示出) 提供。兩個(gè)PME單元是相同的類型(例如使用GPS或DGPS的衛(wèi)星 導(dǎo)航系統(tǒng))，并且它們所提供的數(shù)據(jù)被標(biāo)記為PME1(類型l)和PME2 (類型1)。另外兩個(gè)PME單元也是相同類型(例如水聲定位系統(tǒng))， 它們所提供的數(shù)據(jù)被標(biāo)記為PME3 (類型2)和PME4 (類型2)。
DP系統(tǒng)結(jié)合了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)單元6。 INS單元6可以提 供關(guān)于船舶位置的信息，但由于自然偏移，其需要從PME單元周期 性地更新。該架構(gòu)可以允許以基本慣性測量單元(IMU)代替INS 單元6，基本慣性測量單元(IMU)向卡爾曼濾波器2輸出原始加速度測量值而不是位置測量值。容易理解，卡爾曼濾波器2可以適當(dāng)?shù)?調(diào)整來接受這樣的加速度測量值。將每個(gè)PME單元提供的數(shù)據(jù)供給開關(guān)陣列控制器8并供給開關(guān) 陣列io。陣列中每個(gè)單獨(dú)的開關(guān)可以在開關(guān)陣列控制器8的控制下 操作以將來自每個(gè)PME單元的數(shù)據(jù)提供給卡爾曼濾波器2或者提供 給INS單元6。這樣做的結(jié)果是供給INS 6用于校正偏移的任何數(shù)據(jù) 都被排除在由卡爾曼濾波器2執(zhí)行的船舶位置估計(jì)之外。然而，在某些情況下，開關(guān)陣列10中的開關(guān)可以構(gòu)造來提供第 三種選擇，其用以防止由相關(guān)聯(lián)的PME單元提供的數(shù)據(jù)被提供給卡 爾曼濾波器2或INS單元6。由INS單元6提供的數(shù)據(jù)被供給卡爾曼濾波器2并用于船舶位 置估計(jì)。一般地說，由PME單元和INS單元6提供的數(shù)據(jù)通常代表位置 測量值，但也可以代表例如加速度測量值或速度測量值。在由PME 單元和INS單元6提供的數(shù)據(jù)中也可以包括額外的信息，比如狀態(tài) 指示符、數(shù)據(jù)質(zhì)量指示符和統(tǒng)計(jì)信息?？柭鼮V波器2、開關(guān)陣列控 制器8和INS單元6可以使用額外的信息。例如，當(dāng)推導(dǎo)船舶位置 估計(jì)值時(shí)，卡爾曼濾波器2可以與任何位置、加速度或速度測量值一 起使用這些額外信息。開關(guān)陣列控制器8可以使用額外信息來控制開 關(guān)陣列10的操作。圖12示出將標(biāo)記為PME4 (類型2)的數(shù)據(jù)供給INS單元6以 校正偏移的情況，由在開關(guān)陣列10的底部開關(guān)與INS單元之間延伸 的實(shí)線代表。將標(biāo)記為PME1 (類型1) 、 PME2 (類型1)和PME3 (類型2)的數(shù)據(jù)供給卡爾曼濾波器2，由在開關(guān)陣列10的上部三個(gè) 開關(guān)與卡爾曼濾波器之間延伸的實(shí)線代表。標(biāo)記為PME4 (類型2)的數(shù)據(jù)沒有被供給卡爾曼濾波器2這一 事實(shí)由在開關(guān)陣列10的底部開關(guān)與卡爾曼濾波器之間延伸的虛線代 表。類似地，標(biāo)記為PME1 (類型1) 、 PME2 (類型1)和PME3 (類 型2)的數(shù)據(jù)沒有被供給INS單元這一事實(shí)由在開關(guān)陣列10的上部 三個(gè)開關(guān)與INS單元之間延伸的虛線代表。在圖12的架構(gòu)與圖10和圖11的已知架構(gòu)之間的主要區(qū)別是能夠通過實(shí)時(shí)地將一個(gè)或多個(gè)PME單元與INS單元6相結(jié)合來動(dòng)態(tài) 地使DP系統(tǒng)1的操作最優(yōu)化。例如，開關(guān)陣列控制器8可以使用 PME單元提供的數(shù)據(jù)來在一個(gè)特定類型的PME單元之間進(jìn)行自動(dòng)選 擇，可能通過根據(jù)DP系統(tǒng)1的期望操作需要來選擇具有最佳或最差 數(shù)據(jù)質(zhì)量的那種類型的PME單元。開關(guān)陣列控制器8還可以在不同 類型的PME單元之間選擇。開關(guān)陣列控制器8所采用的選擇邏輯可以使用卡爾曼濾波器2 的輸出以及由PME單元提供的數(shù)據(jù)。例如，由卡爾曼濾波器2提供 的船舶位置估計(jì)值可能在確定PME單元的故障情況中也是有用的。 選擇邏輯還可以使用由卡爾曼濾波器2所提供的關(guān)于船舶的統(tǒng)計(jì)信 息或由PME單元提供的數(shù)據(jù)。在某些情況下，操作者可以直接控制開關(guān)陣列IO來將一個(gè)或多 個(gè)PME單元與INS單元6結(jié)合。換句話說，在開關(guān)陣列控制器8的 自動(dòng)控制下的DP系統(tǒng)1自動(dòng)最優(yōu)化和開關(guān)陣列10自動(dòng)切換可以被 重寫。如果經(jīng)由開關(guān)陣列10將來自多于一個(gè)的PME單元的數(shù)據(jù)供給 INS單元6，那么可以在由INS單元使用這些數(shù)據(jù)來校正偏移之前使 用一個(gè)卡爾曼濾波器(未示出)或其它合適的算法來結(jié)合這些數(shù)據(jù)。圖13詳細(xì)示出INS單元6。更具體地說，可以看出INS單元6 包括IMU 12和偏移校正單元14。經(jīng)由開關(guān)陣列10由一個(gè)或多個(gè)PME 單元供給的數(shù)據(jù)被提供到偏移校正單元14。偏移校正單元14還從 IMU 12接收加速度數(shù)據(jù)并將校正后的數(shù)據(jù)供給卡爾曼濾波器2，隨 后數(shù)據(jù)被用于由卡爾曼濾波器2執(zhí)行的船舶位置估計(jì)。雖然示出的是偏移校正單元14結(jié)合在INS單元6中，但容易理 解其還可以結(jié)合在DP系統(tǒng)1中。圖12和圖13的改進(jìn)架構(gòu)提供了許多額外的好處(i) DP系統(tǒng)可以通過比較多個(gè)PME位置測量值來自動(dòng)地防止不 良的位置測量值傳遞到INS單元，(ii) 增強(qiáng)了魯棒性，(iii)提高了位置精度， (W)減小了燃料消耗，(V)減小了致動(dòng)器(例如推進(jìn)器、舵和如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)之類其它動(dòng)力施放器)的磨損，(Vi)在使用水聲定位系統(tǒng)的情況下具有更小的水中噪聲。 可以使用PHINS慣性傳感器作為獨(dú)立INS單元6來實(shí)現(xiàn)所述改進(jìn)的架構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種架構(gòu)，包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(6)；和用于船舶的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)(1)，其具有用于將由多個(gè)位置測量設(shè)備的至少一個(gè)提供的數(shù)據(jù)與由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(6)提供的數(shù)據(jù)結(jié)合起來得出船舶的位置或速度的估計(jì)值的裝置；開關(guān)陣列(10)；和開關(guān)陣列控制器(8)；其中開關(guān)陣列(10)在開關(guān)陣列控制器(8)的控制下操作，以將由多個(gè)位置測量設(shè)備的至少一個(gè)提供的數(shù)據(jù)供給慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(6)來用于校正偏移。
2. 如權(quán)利要求l所述的架構(gòu)，其中開關(guān)陣列控制器(8)使用由 多個(gè)位置測量設(shè)備提供的數(shù)據(jù)來自動(dòng)操作開關(guān)陣列(10)。
3. 如權(quán)利要求2所述的架構(gòu)，其中開關(guān)陣列控制器(8)還使用 由用于將數(shù)據(jù)和/或由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)合起來的裝置所得 出的船舶的位置或速度的估計(jì)值，以自動(dòng)操作開關(guān)陣列(10)。
4. 如權(quán)利要求1所述的架構(gòu)，其中開關(guān)陣列控制器(8)按照操 作者的命令來操作開關(guān)陣列(10)。
5. 如前述任一個(gè)權(quán)利要求所述的架構(gòu)，其中開關(guān)陣列(10)和 開關(guān)陣列控制器(8)結(jié)合來作為動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)(1)的一部分。
6. 如權(quán)利要求1到4中任一個(gè)權(quán)利要求所述的架構(gòu)，其中開關(guān) 陣列和開關(guān)陣列控制器結(jié)合來作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的一部分。
7. 如權(quán)利要求1到4中任一個(gè)權(quán)利要求所述的架構(gòu)，其中開關(guān)陣列和開關(guān)陣列控制器是獨(dú)立開關(guān)單元的一部分。
8. 如前述任一個(gè)權(quán)利要求所述的架構(gòu)，其中慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(6) 被結(jié)合來作為動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)(1)的一部分。
9. 如前述任一個(gè)權(quán)利要求所述的架構(gòu)，其中用于結(jié)合數(shù)據(jù)的裝 置是卡爾曼濾波器(2)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的動(dòng)態(tài)定位架構(gòu)，用于將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)結(jié)合到船舶的動(dòng)態(tài)定位(DP)系統(tǒng)中。該架構(gòu)包括INS單元(6)和DP系統(tǒng)(1)，DP系統(tǒng)(1)具有卡爾曼濾波器(2)或其它用于將多個(gè)位置測量設(shè)備(PME)提供的數(shù)據(jù)與INS單元(6)提供的數(shù)據(jù)結(jié)合起來以得出船舶的位置或速度的估計(jì)值的算法。還提供了開關(guān)陣列(10)和開關(guān)陣列控制器(8)。這些可以可選地形成DP系統(tǒng)的一部分。開關(guān)陣列(10)可以在開關(guān)陣列控制器(8)的控制下操作，以將由一個(gè)或多個(gè)位置測量設(shè)備提供的數(shù)據(jù)供給INS單元(6)來用于校正偏移。實(shí)時(shí)地自動(dòng)選擇一個(gè)或多個(gè)PME與INS單元(6)相結(jié)合來動(dòng)態(tài)地使DP系統(tǒng)(1)最優(yōu)化。
文檔編號B63H25/42GK101665150SQ20091017211
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者安德魯·格雷厄姆·張伯倫, 弗朗索瓦·克雷托利耶, 理查德·伊恩·斯蒂芬斯 申請人:康弗蒂姆技術(shù)有限公司;Ixsea公司