动力定位系统概况汇总

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1、船舶动力定位概况一、船舶为什么需要“动力定位系统”？长期以来，船舶在近浅海和内陆水域里，人们都是采用抛锚技术 来保持船位在水面上相对稳定。这种定位技术的最大特点就是：锚必 须牢固地抓住水下的固定物体（陆基），并且一旦锚通过锚链将船舶 的位置固定后，船上的推进设备及其辅助设施和相应的控制系统便停 止运行，完全处于停电（电力推进）和停油、停气（柴油机推进）工 况。但是，随着地球上人口的急剧增加，科学技术的飞速发展，人们 的生活水平日益提高，世界对能源的需求量越来越大。陆地上资源的 开采和供应日趋极限，甚至出现紧缺的态势。这就迫使世界各国必须 把经济发展的重点转移到海洋上。因为占地球总面积 2/3

2、以上的浩瀚 大海里，有极其丰富的海水化学资源、海底矿产资源、海洋大量资源 和海洋生物资源。可以预料，21 世纪将是人类全面步入海洋经济的时代，人们对 海洋的探索和开发的范围将越来越广，对海洋的探索和开发的手段也 越来越先进，对海洋探索和开发的领域由近海浅海日趋向远海深海发 展。目的只有一个，就是将浩瀚大海里的资源开发出来，供人类充分 使用。因而，世界各国便随之研究开发出各式各样的、不同类型的深 远海作业的浮式生产系统，诸如半潜式钻井平台、多用途石油钻井平 台供应船、科学考察船和海洋资源调查船等等。这些浮式生产作业系 统有一个共同的特点：就是在浩瀚深邃的大海上，能够按照人们的要 求将其位置稳定在

3、地球的某个坐标范围里；就像抛锚定位那样，将这 些浮动的作业体牢牢地锁定在人们期望的浩瀚深邃的大海的某个位 置上。这便进一步诱发了世界各国对深远海作业的浮式生产系统的定 位技术和系泊方式的研究。在一般的近浅海水深情况下，浮式生产系统的系泊定位主要采用 锚泊系统。但是，随着水深的增加，锚泊系统的抓底力减小，抛锚的 困难程度增加。同时，锚泊系统的锚链长度和强度都要增加，进而使 其重量剧增，这必然使海上布链抛锚作业变得更加复杂，其定位功能 也会受到很大的限制，定位的效果也不尽人意。同时，这种系泊锚和 锚链的造价以及安装费用也会猛增。在深远海的情况下，这些问题将 会更加突出，锚泊技术将无济于事。既然传统

4、的锚泊系统在深远海域绝对无法使用，在二十世纪五、 六十年代，世界各国特别是西欧开始研究新的船舶定位技术和系统。 直到上个世纪六十年代后期，一种有别于锚泊系统的新的船舶定位系 统诞生了这就是动力定位系统。二、什么是“船舶动力定位系统”？我们知道，一艘船舶（或浮式生产作业系统）停泊在海面上作业， 假如是在风平浪静的状况下，它还能够保持自己的位置不变。但是， 海洋上的自然环境因素（风、浪、流）是千变万化的，一艘船舶（或 浮式生产作业系统）在海面上绝对是无法保持自己位置稳定的，它在 风、浪、流的作用下，产生纵摇、横摇、纵荡、横荡、艏摇、升降6 个自由度的运动，使船舶漂移离开人们期望的目标位置。其中风和

5、水 流作用于船舶的力和力矩的大小和方向的时间常数是稳定的，浪的作 用分为相对稳定的漂移力、力矩和较高频率的振荡力、力矩。这个高 频分量只使船舶发生较小的纵荡和横荡平面运动，在船位的控制过程 中，为了防止推力器瞬时过载而增加磨损，一般都采用一种叫“卡尔 曼滤波器”设备将这种高频分量滤掉。为了消除上述船位的漂移和运动，人们便研制出一种新的船舶动 力定位系统。这个系统是一种闭环的自动控制系统，其功能是不借助 锚泊系统的作用，而能不断检测出船舶的实际位置与目标位置的偏 差，再根据外界的风、浪、流等扰动力的影响计算出使船舶恢复到目 标位置所需推力的大小。并对船上的推力器进行推力分配，进而使各 推力器产生

6、相应的推力，以抵消外界扰动力的影响，从而使船舶尽可 能保持在海平面上要求的位置。由于这种保持船舶位置的能力是由各 推力器发出的动力产生的，所以称之为“船舶动力定位”，因为其英文 名称是Dynamic Positioning Systems,所以这个系统又简称为“DP系 统”。DP 系统的优点是船舶定位不需要锚泊系统，定位成本也不会像 锚泊系统那样随水深增加而增加。并且控制系统自动化程度高，操作 方便。这种“DP系统”的技术尚属不断研究持续开发阶段，所以现在 世界各国都不禁余力地开发研究船舶动力定位系统最新技术。可以预 料DP系统的研究将会如火如荼地在世界各国蓬勃开展。所以DP系 统的研究也就具

7、有广阔的前途和越来越重要的意义。三、船舶动力定位系统的组成：船舶动力定位系统并不局限于船舶本身的一个有限的局部空间， 它涉及到空、海、陆无限大的空间。所以它是一个较庞大的自动化控 制系统，它是由四个部分组成。每部分的主要设备（系统）及作用如 下：1、位置测量系统：主要有水下超短基线声学定位装置、无线电 定位系统、差分式全球卫星定位（DGPS ）系统、张紧索、激光定位 装置等。其作用是测量出船舶的实际位置相对于某一参考点（目标） 的位置之间的偏差；2、环境参数测量系统：主要有高精度运动参考仪（垂直参考单 元）、风速风向仪、电罗经等。其作用是测量出船艏方向和由风、浪、 流引起的船舶6 个自由度运动

8、参数和风速风向。3、控制系统：主要有操纵台、控制装置和外围设备（核心是计 算机系统）等。其作用是根据外部环境条件（风、浪、流）计算出船 舶所受的干扰力，然后由此外力与测量出船所在的位置，由计算机系 统计算得出保持船位所需的作用力，即推力系统应产生的合力，并合 理地安排推力系统中的各个推力器的工况；4、推力系统：分为主推力器和辅推力器：主推力器和舵装置亿 推和POD推不需舵装置）一般有两套；辅推力器一般有一至四套侧 向推力器；一至两套方位推力器。各种推力器的取舍和具体数量由设 计决定。其作用是这些推力器在控制系统的控制下，产生必要的纵向、 侧向推力和回转力矩，以保持船位和船艏稳定在目标范围内。因

9、此，DP系统所涉及的设备、装置、器件不但数量繁多，而且图1类型复杂。要使这些设备、装置、器件有机地连接在一起，彼此协调 一致有条不紊工作，达到船舶准确定位的目的。就必须采用适当的办 法进行精心的设计。典型的 DP 系统在船上的组成简图如图1 所示。四、动力定位系统的简单作用原理；如前所述，DP系统组成的设备繁多，涉及领域广泛。因此，整 个DP系统的作用原理复杂。为了深入浅出简单明了地说明问题，我 们将一个复杂的DP系统简化成图2形式的DP系统框图。从图2中 我们便可一目了然地看清DP系统中，各个子系统之间的相互关系和 彼此作用的情况了。环境因素：风速风向风、浪、流位置与1船体船舶特性控制器推力

10、器艏向指令 位置测量系统图2 动力定位系统框图从图 2 中不难看出：在风平浪静的情况下，也就是船体不受风、 浪、流的作用的时候，人们发出一个“船位和艏向指令”通过“控制器（子 系统）”操纵“推力器（子系统）”，推力器便推动船体运动。这时，船体 的运动特性（船位、艏向）通过“位置测量（子）系统”反馈给“控制器 （子系统）（” 此时由于风平浪静，六个自由度运动趋于平稳），当船位 和艏向符合“指令”要求时，“控制器”输出为零，推力器停止运行，船体 便稳定在指令要求的位置上。当海上风云突变，船体在风、浪、流的作用下开始6 个自由度的 摇、荡运动，船位和艏向开始偏离目标位置。与此同时，“风传感器” 和“

11、位置测量系统”都向“控制器”发出信号。“控制器”接收这些信号后， 通过计算机系统进行计算，算出船体所受到风、浪、流的干扰力。然 后，计算机系统又根据此干扰力和由“位置测量系统”所测得的船位、 艏向和摇、荡状况，计算出保持船位所需要的作用力。并确定各个推 力器的推力分配情况，由“控制器”按照推力分配的要求发出指令，控 制各个推力器的工况，使推力系统发出的合力抵消风、浪、流的干扰 力。使船舶在风云突变的大海上保持船位和艏向在目标位置上不变。 这样，DP系统便起到了动力定位的作用。从上面的原理分析显而易见：“位置测量系统”对所测得的信息传 送的速度和精度至关重要，它决定了整个DP系统定位的敏感性和精

12、 确性。所以我们有必要进一步了解一下图1 所表明的“位置测量系统” 中的几个子系统的工作原理和各自特点：1、声学定位系统：将一组发射器或接收器按约定几何图形或基阵 布置在船上，也可以布置在作为动力定位基准坐标的海底。发射器安 装在海底，接收器安装在船上的（如图 1 所示）为短基线系统。反之， 为长基线系统。声信号从发射器发出经过水传播到接收器，然后根据 接收到的信号计算出船体的位置。因此，声能在水中的传播性能在很 大程度上影响着声学定位系统的性能。声学定位系统在较长的一段时 间内有比较好的精确度，但会有瞬间或短时间段的干扰。2、张紧索定位系统：在船体和海底之间连接一根钢索，测量钢索 在恒张力情

13、况下的斜度，然后根据船体、钢索以及海底三者之间所构 成的几何图形，来求解船体所在的位置。由于流的存在，将会导致张 紧索在长时间段的偏移，所以精确度不如声学定位系统，但张紧索不 会受瞬时或短时间的干扰。3、无线电定位系统：该系统是由无线电发射、接收设备和支持设 备组成，一般而言，一个（或多个）发射设备按照一定的要求，分别 安装在陆地的一定的经纬度上，接收设备安装在船体上。然后根据接 收到的无线电信号，计算出船体的位置。该系统具有很高的精确度， 但会受到无线电波和天气等因素的干扰。4、差分式全球定位系统（DGPS ）:人们通常都是使用全球卫星定位系统（GPS ）来确定某个物体在 地球上的方位和运动

14、状况。GPS 是用卫星进行地面、空中的导航和位置定位的系统。通过 卫星接收设备，用户可实时得到时间、三维位置坐标和运动速度。所 测的位置精度不大于 30 米。利用两个或两个以上高精度 GPS 接收 机进行同步观测，可得到测量点的精确坐标点间的长度。其精度为毫 米级，1000 公里基线测量精度不大于 2 毫米。目前，共有18颗工作卫星和3颗备用卫星在太空组成GPS，它 们分别围绕地球运行在 6 个与地球赤道保持不同夹角的平面轨道上， 平均每个轨道上有 3 颗工作卫星（如图 3 所示）。图4是船舶利用GPS定位的示意图。图中SV表示工作卫星X、Y、Z表示空间坐标；t表示宇宙时间(Universal

15、 Time ) ;PSR表示假设范围。SV 4SV 3(Slock signals from, EACHATELUTEARE COMPARED WITH THE CXOCK IN THExVESSEL ANO GIVE PSEUDORANGP data from which a r POSITION tS CALCULATEDSV = Space Vehicle x,y = spatial co-ordinates t = Universal Time PSR = Pseu derange j、GPS 的定位精度是小于 10 米，为了提高定位的精度，人们便 研制出一种名为嗟分式全球定位系统”简

16、称DGPS。DGPS是将一台 GPS 接收机安装在陆地基准站上进行观测，根据基准站已知的精密 坐标，计算出基准站到卫星的距离修正数据，并由陆地基准站实时将 这一数据发送出去。船上接收机在进行 GPS 观测的同时，也接收到 陆地基准站发出的修正数据，并对自己测得的定位结果进行修正，从 而提高了船舶定位的精度（如图5 所示）。图5假如船舶的作业区远离大陆，陆地基准站发出的数据信息船上无 法直接收到。这时船舶就要接收太空中另外一颗名为INMARSAT卫 星”转发的陆地基准站发出的修正数据（如图6 所示）。这种修正数据 的传输和接收的过程是比较复杂的。因为INMARSAT卫星”同样存在 着偏差，需要陆地基准站进行修正。从图 6显而易见：陆地基准站发出的修正数据发送给网络控制中 心站；