动力定位系统浅析

摘要 近年我国在海底电缆铺设和海管铺设及挖沟作业中广泛使用的船舶动力定位技术，尤其是以中海油动力定位工程船舶的建造和使用较为突出，本文结合作者多年在在海洋石油299动力定位工作船舶的工作经验，介绍DP系统原理、组成及应用。

关键词：DP、动力定位、HIPAP

中图分类号：O19文献标识码： A

一 DP定位系统原理及应用

DP系统其主要原理是利用计算机对采集来的环境参数（风、浪、流），根据位置参照系统提供的位置，自动地进行计算，控制各推进器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的固定或者按照设定航向及航速进行作业。动力定位时,通过电脑传输，只需几分钟的时间，就把航行中的船稳稳地停在预定的位置。该系统开启后，位置传感器、航向传感器、 姿态传感器、 风传感器、海流传感器等仪器开始实时实地测得数据，并把这些数据信息及时传输给计算机，计算机再将其与设定的船舶位置信息比较，找出偏差，继而通过电脑向各推进器发出指令，调整各推进器的推力，实行位置偏差修正，直至到达设定的位置并停稳。 该系统应用了DGPS（差分全球定位系统），数字滤波技术，以及最优控制软件等先进技术，使其定位精度在米级甚至是分米级。该系统不仅应用于停船定位，而且还能应用于船与船间的航距固定。尤其是海上补给船在航行中进行补给作业时，需要保持操纵安全可靠的航行距离，该系统通过对船舶各推进器的自动精确控制，使船舶在海上航行中进行补给不再成为难事。此外，该系统还应用于海底电缆铺设、检修，海底管线铺设，倾倒岩石，采沙挖泥，海底管线挖沟，潜水，ROV，海上打捞救生，以及深海石油开采等海洋作业的平台定位。

二 动力定位系统分析

2.1 DP系统的组成

动力定位控制系统动力定位控制系统包括控制器和测量系统。控制器指的是动力定位系统总的控制部分，一般采用计算机控制的方法。测量系统包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等，测量船舶的船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、风力、流速等环境条件，通过接口输入到控制器中。控制器根据人工输入的船位和艏向，对测量系统提供的数据进行分析和运算，给出推力器的控制指令。动力定位控制系统执行的功能可总结如下：（1） 给出推力器的控制指令。（2） 测量船舶的船位、艏向等船舶状态。（3） 测量风向、风力等环境条件。（4） 接收各种操纵指令的人工输入。（5） 动力定位系统的故障检测及报警。（6） 动力定位系统工作状态的显示。

2.2 动力定位

DP船舶主要遭受风，海浪和潮水运动的影响，还有由推进系统或其他外部因素（火灾监测器，铺管张紧器等）造成的影响。对这些影响的反应就是位置、航向和速度的改变，而且这些会被位置参考系统，罗经和竖直参考传感器测量到，风速和风的方向由风传感器测量。相关系统会计算出位置值、航向值与要求值（或设定值）之间的偏差，并计算出为了将偏差降低为零时推进器要产生的力。另外，系统还会计算风、浪和水流对船舶的影响，而相关计算会通过数学建模实现。

数学模型包括船舶速度和运动方向的信息，这些数据是综合计算风和其他模型得到的。风的模型包括三个列表的参数：浪涌，摇摆和偏航，并且与航行或风区相关，在有风的情况时，合力等于风速平方的乘积。其他的数学模型有水流模型，风浪模型（如果这些值可以测量或手动输入），系泊力和任何其他感觉到的外部影响（铺管张力，火灾监测器影响等）。

三 动力定位参考系统

3.1 HIPAP声纳定位系统

HIPAP声纳定位系统用于为海底目标提供高精度定位，例如ROV、潜水员等。该系统包含发射机应答器、前置放大器和信标。HIPAP声纳定位系统配置一个或两个船体安装应答器，而使用两个应答器可提高精确度和冗余度。应答器设在船底约4米处。该应答器是由外壳装置运载,安装在阀门之上。此阀打开，使传感器展开伸入水中，关闭时收回。外壳装置包括检查室以确保安全阀能安全关闭。外壳装置则由一个电动马达驱动链轮链传动，上升或下降传感器头，提升或降低设施通常是由提供DP控制台操控。信标载体有ROV、潜水员等，而信标本身是由电池供电，根据需要设置合适频率，以避免一直高频率使用而使电池耗尽。不同类型的声纳定位系统测量水深范围在几百米到几千米。

HIPAP声纳定位系统由发射机应答器发出信号，信标接收到信号后将信号返回应答器，测量时间延时数据传输给处理器，从而计算出两者的距离。

船舶定位系统是将DGPS接收器收到的信号传输到APC 10计算机，从而向计算机提供船舶位置和时间信息。罗经提供给HIPAP一个船艏向的信号，MRU提供一个滚动的参考信号。距离的检测是通过应答器询问与信标回复之间的时间差。系统会动态的控制着声波，所以声波通常都是指向目标。这个目标可能被移动，船舶自身也会倾斜、摇摆、旋转。从一个倾斜/摇摆传感器是被用来稳定声波，防止声波的摇摆倾斜；从罗经送出的方向数据被输入到跟踪算法中，以此修正声波的水平方向。

以下为HIPAP进程几种模式：

1、LBL模式，这种模式和HiPAP进程很相似，但是收发器的每次询问信号最多能够定位8个LBL异频雷达收发机（以后成为信标）。信标的方向和距离都可以被检测出来，然后这些数据被送到APC 10计算机中。

2、遥感勘测，单元发送声音遥感勘测信息，并且接收和解码从信标传回来声音遥感勘测信息。这些信息被送到APC 10计算机中。

3、MULBL，在这种模式下，收发器连续接收从信标发回的信号。每个回复都被检测到，这些回复之间的方向和时间偏差被送到APC 10计算机中。这些时间偏差被当作三角距离，应用在MULBL定位运算法则中。

4、双HiPAP系统，HiPAP系统被设计成为操作一套或者两套收发器，他们是由同一个操作站操作的。双HiPAP系统可以使用两个收发器同时定位单个目标。在系统中，可以通过控制波形和方向来分别进行测量。这就意味着这两个系统对从信标返回的脉冲信号同时检测并计算其位置。

结束语

动力定位系统已经广泛应用于我国沿海及深海海洋工程中，尤其是近年来随着海洋石油981和海洋石油201等船舶的下水，使我国在动力定位系统应用方面达到一个新的高度，本文通过介绍动力定位系统有助于大家对该系统有初步了解。

参考文献

[1]刘经南，叶世榕.GPS非差相位精密单点定位技术探讨[J].武汉大学学报：信息科学版，2002.

[2]刘智敏，林文介.GPS非差相位精密单点定位技术的发展[J].桂林工学院学报，2004，