В комплексе проблем по обеспечению безаварийности и снижению себестоимости работ, проводимых на морском шельфе, вопросы повышения точности и надежности удержания судна в заданной зоне в условиях внешних возмущающих воздействий, обусловленных волнением моря, ветром и течением, занимают важное место. Такие задачи возникают, в частности, при работе плавучих буровых установок (ПБУ), судов для прокладки трубопроводов и кабелей, судов для обеспечения водолазных работ и т.п. Технические условия при проведении штатных работ требуют, чтобы параметры движения судна постоянно находились в заданных пределах. При выходе судна из заданной зоны требуется прекратить проведение штатных работ, произвести работы по # подъему инструмента с морского дна и другие дополнительные работы, а это требует существенных временных и материальных затрат. В настоящее время задача стабилизации положения судна в условиях воздействия возмущающих внешних сил - задача позиционирования - решается с помощью якорной системы, либо с помощью системы динамического позиционирования (СДП), либо совместно этими двумя системами. СДП - комплекс, предназначенный для автоматического и дистанционного автоматизированного управления пропульсивными механизмами судна с целью динамического удерживания его над точкой позиционирования с заданной точностью. СДП обеспечивает удержание судна на заданном курсе и в заданной Ф точке ведения работ, а также маневрирование судна во время технологических работ. СДП позволяет быстро, с высокой эффективностью и надежностью выполнять работы на шельфе, сокращая при этом расход топлива и уменьшая износ судна, повышая рентабельность при эксплуатации судна, улучшая условия работы экипажа. Основой СДП является вычислительный комплекс, в который поступают измерения от радионавигационного и другого навигационного оборудования. Эти измерения обрабатываются с целью формирования оценок навигационных параметров судна - координат и скоростей судна относительно желаемой позиции. На основе этих оценок и математической модели судна, имитирующей его динамику, вычислительный комплекс производит расчет и вырабатывает сигналы управления гребными винтами, подруливающими устройствами и ? рулями. Возможность удержания судна в заданной зоне определяется уровнем возмущающих сил и моментов и возможностью их компенсации с помощью судовых пропульсивных установок. В свою очередь возможность компенсации определяется ограничениями на пропульсивные механизмы и законом выработки управления. Ясно, что точность выработки управления, соответствующего требуемому закону, зависит от точности и временной дискретности оценок навигационных параметров движения судна, и определяется статистическими характеристиками данных, поступающих от навигационных систем, и алгоритмов их обработки. За счет использования современных радионавигационных систем и оборудования и совместной обработки информации от разных систем можно добиться высокой точности и малого интервала дискретности при формировании оценок навигационных параметров. Однако в условиях быстрого развития разрабатываемых и устанавливаемых на судах радио- и других навигационных систем периодически возникает вопрос об оптимизации состава радионавигационного и другого навигационного оборудования судов, выполняющих динамическое позиционирование. В настоящее время требования к составу навигационных систем и оборудования, используемого СДП для формирования стабилизирующего управления, в материалах Российского Морского Регистра Судоходства конкретно не определены [62,63 ]. Одна из причин такого положения — отсутствие обоснования этих требований, так как в настоящее время не разработана методика, позволяющая оценить необходимую точность и частоту формирования оценок параметров движения судна, используемых СДП. Целью настоящей работы является разработка теоретических и прикладных основ для обоснования требований к составу радионавигационному и другого навигационного оборудования судов, удержание которых производится с помощью СДП. Для решения поставленной задачи необходимо проведение следующих работ. 1) Провести анализ правил отечественного и зарубежных морских классификационных обществ в части требований к радио- и другому навигационному оборудованию судов, оснащенных СДП, а также существующей практики оснащения судов, оборудованных СДП, навигационными системами и оборудованием 2) Оценить допустимый уровень смещения судна при выполнении динамического позиционирования в условиях максимально допустимого уровня внешних возмущающих воздействий. Для этого следует определить, суда каких классов оснащаются СДП, провести анализ существующих требований к точности позиционирования при выполнении работ на морском шельфе и условий, при которых предпочтительнее использовать СДП в сравнении с якорным удержанием судна. Следует также изучить, какие существуют требования по метеорологическим условиям при выполнении работ на морском шельфе судами, оснащенными СДП. 3) Определить, какие оценки навигационных параметров движения используются СДП при выработке управляющих сигналов, и дать этому теоретическое обоснование. Для этого следует изучить, как на практике производится выработка управления при динамическом позиционировании. Далее следует построить математическую модель движения судна, на которое воздействуют внешние возмущающие воздействия, обусловленные волнением, ветром и течением, и стабилизирующим воздействием со стороны судовых движителей, управляемых СДП. Определить закон управления, обеспечивающий стабилизацию судна, для упрощенной динамической модели движения судна, которая допускает аналитическое исследование (без учета ограничений на движительные установки, пренебрегая временной корреляцией ошибок в оценках параметров движения и временной корреляции внешних возмущающих воздействий). 4) На этой модели исследовать зависимость точности динамической стабилизации от величины ошибок и дискретности оценок навигационных параметров. На основе этого исследования разработать методику для формирования необходимых требований к оценкам параметров движения судна, используемых СДП для выработки стабилизирующего управления. 5) Для оценки возможности использования в СДП измерений от существующих радионавигационных систем и другого навигационного оборудования изучен их принцип действия и проведен анализ их точности и надежности. 6) Определить, в какой степени может быть повышена точность оценок навигационных параметров, используемых СДП, за счет статистической обработки навигационных измерений. Для этого следует изучить методы обработки навигационных измерений, и определить, как следует обрабатывать измерения для формирования оценок параметров движения, используемых при выработке стабилизирующего управления. 7) Исследовать влияния ошибок и дискретности оценок навигационных параметров на точность динамической стабилизации в реальных условиях, когда существуют ограничения на движительные установки, погрешности в оценках навигационных параметров, как и внешние возмущающие воздействия, являются коррелированными во времени, и их статистические характеристики точно неизвестны. Для этого следует разработать программу, имитирующую движение судна при динамическом позиционировании, и позволяет статистическим путем получить оценки точности стабилизации. При этом необходимо построить закон управления, обеспечивающий динамическую стабилизацию в условиях ограничений на движительные установки. Задача динамической стабилизации судов, находящихся под воздействием внешних возмущений со стороны ветра и волнения моря рассматриваются, например, в работах [13,30]. Математическая модель движения бурового судна, выполняющего динамическое позиционирование, подробно рассмотрена в [31]. В этих работах, однако, используется непрерывная модель для описания измерения и управления. В настоящее основой СДП является цифровой вычислительный комплекс, в котором оценка навигационных параметров и выработка управления производится в дискретные моменты времени. Однако для данной задачи временная дискретность модели будет определяться интервалами при расчете оценок навигационных параметров, а также временными задержка возникающими при выработке управляющего воздействия Например, в настоящее время при высокоточном динамическом позиционировании ПБУ для оценки навигационных параметров используются измерения от DGPS (глобальной спутниковой навигационной системы GPS с использованием дифференциальных мониторов) и систем с гидроакустическими маяками. Измерения от таких систем поступают и обрабатываются дискретно с интервалом несколько секунд. Очевидно, что не требуется изменять величину управляющих упоров с частотой, превышающей частоту поступления оценок навигационных параметров. Со значительно большей частотой будут формироваться оценки параметров движения судна в случае комплексного использования измерений от DGPS и системы инерциальной навигации. Интегрированная таким образом навигационная система обеспечивает высокую точность оценок навигационных параметров и находит все большее применение. Однако движительные установки формируют управляющие упоры с задержкой относительно поступления оценок, а закон изменения величины упора в процессе его изменения от текущего значения до заданной согласно закону управления величины может быть не определен или иметь достаточно сложное описание. По этой причине нецелесообразно с частотой поступления оценок изменять величину упоров. Следовательно, и при такой навигационной системе для описания динамики движения судна более подходит дискретная модель Как будет показано в настоящей работе, результирующее смещение судна при динамическом позиционировании существенно зависит от интервала временной дискретности модели динамической системы, описывающей движение. Поэтому для оценки влияния ошибок измерений на точность удержания судна результаты, которые получены для непрерывных динамических моделей, непосредственно использованы быть не могут. При выработке управляющих сигналов модуль обработки измерений СДП не только комплексирует измерения от различных навигационных систем, но и производит их временную фильтрацию. Фильтрация измерений позволяет повысить точность оценок параметров движения и отсеять измерения с аномально большими ошибками. Использование в процессе расчета управления таких оценок увеличивает точность позиционирования и уменьшает средние нагрузки на движительные установки. Поэтому при формулировке требований к составу навигационного оборудования и его характеристикам следует оценить выигрыш от комплексирования и выигрыш от временной фильтрации измерений. Методы построения навигационных фильтров, комплексирующих данные от навигационных систем и адаптирующихся к неопределенности в законах распределений ошибок измерений, рассматриваются, например, b[2*(,Vi,$0\. Специфика фильтрации навигационных измерений для судна, выполняющего динамическое позиционирование, связана с тем, что в течение всего времени координаты судна меняются незначительно, а силы и моменты, действующие на судно, точно неизвестны и постоянно меняются. При этом необходимо учитывать, что оценки навигационных параметров будут использованы для задачи управления. В отсутствие ограничений на движительные установки, когда внешние возмущающие воздействия являются случайными нормальными узкополосными процессами, модель движения судна может быть описана с помощью линейной динамической системы. В этом случае при известных параметрах динамической системы наилучшая стабилизация будет при временном сглаживании измерений ^ с использованием фильтра Калмана (R.E. Kalman). Однако специфика движения судна при динамическом позиционировании, обусловленная нелинейным управлением, наличие неопределенности в статистических характеристиках оценок навигационных параметров, внешних возмущающих воздействий и управления, создает определенные сложности при построении оптимального фильтра и ставит вопрос об оценке эффективности временной фильтрации. Так при построении управления по причине того, что внешние возмущающие воздействия могут описываться случайным узкополосным процессом, возникает вопрос, какой фильтр следует использовать - с малыми динамическими ошибками или с малыми флуктуационными ошибками. ф В СДП стабилизирующее управление обычно строится, как линейная функция смещения судна относительно точки позиционирования и скорости его изменения. Отметим, что такое управление не является оптимальным при существующих на практике ограничениях на судовые движители.
Для выработки стабилизирующего управления система динамического позиционирования должна получить измерения от радионавигационного и другого навигационного оборудования и систем, которые позволяют точно оценить текущее смещение судна относительно желаемого положения и скорость изменения этого смещения, т.е. линейные координаты и вектор скорости судна, а также курс и скорость его изменения. Системы динамического позиционирования также используют данные о положении корпуса судна и качки, а также уровне воздействия на судно ветра, волн и течения. Чтобы иметь эти измерения суда, выполняющие динамическое позиционирование, оснащаются разнообразным радионавигационным и другим навигационным оборудованием. Существующее навигационное и оборудование, используемое при динамическом позиционировании, отличается большим разнообразием, как по принципу действия, так и по своим характеристикам точности и надежности. Быстрое развитие разрабатываемых и устанавливаемых на судах радио-и других навигационных систем вызывает необходимость обоснования их состава, характеристик точности и надежности с целью оптимизации состава этого оборудования для конкретных судов. На основе анализа документов, содержащих требования национальных классификационных обществ и международных морских организаций к навигационному оборудованию судов можно сделать следующие выводы. • Требования по составу радионавигационного и другого навигационного оборудования постоянно изменяются в направлении оснащения судов более точным и сложным навигационным оборудованием. Уточняются требования к автоматическим и автоматизированным судовым системам, в том числе к СДП. • Требования национальных Классификационных обществ к составу радионавигационного оборудования судов, оснащенных СДП, находятся на этапе формирования и уточнения. Только некоторые Классификационные общества формулируют требования к радионавигационному оборудованию, и они относятся к необходимости дублирования и резервирования навигационных систем для определения местоположения судна в зависимости от класса СДП. • Требования к точности радионавигационного оборудования в Правилах национальных Классификационных обществ формулируются в общей форме: точность радионавигационного и другого навигационного оборудования должна обеспечивать возможность выработки управления, при котором судно удерживается в зоне работ; требования к точности удержания определяются технологическими требованиями и правилами техники безопасности. Для обоснования требований к составу радионавигационного оборудования судов, оснащенных СДП, разработана методика формирования этих требований. В основу методики положен анализ практики применения СДП и теоретическое обоснование требования к точности и дискретности оценок навигационных параметров движения судна при динамическом позиционировании. На основе анализа материалов по СДП и практике установки на судах, выполняющих динамическое позиционирование, радионавигационного и другого навигационного оборудования, получены следующие результаты. • Помимо радионавигационного оборудования, которым оснащаются суда согласно Правилам по оборудованию судов данного класса и водоизмещения, суда, выполняющих динамическое позиционирование, оснащаются дополнительными навигационными системами. Состав этого дополнительного оборудования определяется требованиями к точности и надежности удержания судна над точкой позиционирования. • Современные СДП имеют возможность принимать, обрабатывать и комплексировать информацию от различных навигационных систем и оборудования. • В настоящее время основной измерительной подсистемы СДП является приемоиндикатор сигналов глобальной спутниковой радионавигационной системы (GPS или ГЛОНАСС). • БС и ППБУ помимо приемоиндикаторов ГСНС -DGPS оснащаются системой гидроакустических маяков или инклинометрической системой. СДП также использует данные от системы угловых измерений. В СДП БС и ППБУ производится совместная обработка данных от этих трех навигационных систем. Для теоретического обоснования требований к точности и дискретности радионавигационных измерений, которые определяются составом радионавигационного и другого навигационного оборудования разработана математическая модель движения БС/ППБУ, находящегося под воздействием внешних возмущающих сил и крутящего момента, обусловленных течением, ветровым и волновым воздействием, и стабилизирующих упоров со стороны судовых движительных установок. На основе аналитического анализа модели получены следующие результаты. • При отсутствии ограничений на величину управляющих упоров модель движения БС/ППБУ может исследоваться с помощью теории анализа линейных дискретных систем. • Измерения от радионавигационных и других навигационных систем используются для компенсации с помощью контура обратной связи случайных компонентов внешних возмущений и ошибок, возникающих при компенсации медленно меняющихся компонентов внешних возмущений, значения которых измеряются и компенсируются непосредственно. • При динамическом позиционировании требуется производить оценки следующих навигационных параметров движения судна: двух линейных координат в горизонтальной плоскости относительно точки позиционирования, курса судна, двух линейных скоростей и скорости изменения курса. • Расчет добавок для компенсации случайных внешних возмущений в значениях управляющих упоров производится таким образом, чтобы создаваемое ими добавочное ускорение в неподвижной системе координат было бы пропорционально величине и скорости смещения. • Точность позиционирования зависит от разных факторов, главными из которых являются: о уровень внешних возмущающих воздействий; о ограничения на управляющие воздействия; о выработка управляющих воздействий. • Качество выработки управляющих воздействий определяется законом управления и статистическими характеристиками оценок навигационных параметров движения судна. • Статистические характеристики оценок навигационных параметров при динамическом позиционировании определяются алгоритмом временного сглаживания, точностью, надежностью и дискретностью не сглаженных текущих оценок параметров движения. • Дисперсия смещения судна пропорциональна взвешенной сумме дисперсии измерений и дисперсии внешнего возмущающего воздействия. • На основе этого анализа разработана методика для формулировки требований к точности навигационных оценок параметров движения судна. Методика предполагает расчет оценки точности позиционирования судна для заданного уровня внешних воздействий в отсутствии ошибок оценок и последующий расчет величины ошибок по допустимому значению коэффициента увеличения смещения. Рассмотрены возможности существующих радионавигационных систем и оборудования для обеспечения СДП оценками навигационных параметров движения. По результатам исследования могут быть сделаны следующие выводы. • Приемоиндикатор в зоне приема сигнала DGPS (до 150км) и высокоточная система для угловых измерений позволяют вычислить оценки навигационных параметров движения, точность которых обычно достаточна для выполнения динамического позиционирования. Однако для обеспечения надежности работы системы требуется иметь измерения от системы с гидроакустическими маяками или инклинометрической системы. • Комплексирование измерений ПИ DGPS с измерениями от инерциальных систем навигации позволяет определять положение судна с точностью до десятков сантиметров. • Дополнительно к существующим требованиям по конвенционному оборудованию для БС и ППБУ, суда этих классов должны оснащаться приемниками сигналов дифференциальных мониторов (DGPS) и измерителями скорости течения. • В условиях, когда невозможен прием сигналов от дифференциальных мониторов спутниковых сигналов, а также на удалении от них более 100км следует производить оценку дисперсии ошибок измерений приемоиндикатора СНС. • Представлена сводная таблица, которая содержит среднюю величину ошибок смещения и случайных ошибок для разных навигационных систем. Наличие на судне нескольких разных по принципу действия навигационных систем дает возможность комплексировать их измерения с целью получения более точных оценок навигационных параметров движения. Комплексирование заключается в линеаризации уравнений измерений и их последующем временном сглаживании с помощью фильтра Калмана. • Рассмотрен пример комплексирования данных от навигационных систем, которыми оснащаются БС и ППБУ. • Показано, что в случае, когда имеются три независимые измерительные системы, тогда возможна их взаимная калибровка с целью уточнения статистических характеристик измерений. Для численного анализа точности оценок навигационных параметров движения на точность позиционирования в реальных условиях ограничений на движительные установки и при наличии ошибок в оценках статистических характеристик внешних возмущающих воздействий и навигационных измерений на основе аналитической разработана программная имитационная модель движения судна при динамическом позиционировании. По результатам моделирования сделаны следующие качественные выводы и получены следующие результаты. • В реальных условиях, когда существуют ограничения на величину упоров, создаваемых судовыми движителями, и скорость их изменения, недопустимо использовать закон управления, который был бы оптимальным при отсутствии этих ограничений. • При ограничениях на уровень и скорость изменения управляющих упоров точность позиционирования оказывается существенно ниже, чем в отсутствии ограничений. • При наличии ограничений на управляющие упоры для обеспечения малой величины смещения судна необходимо производить пересчет упоров с целью недопущения существенного изменения крутящего момента по отношению к желаемому значению. • Разработан алгоритм формирования управляющего воздействия для стабилизации судна в условиях ограничений на мощность движительных установок и скорость ее изменения. Алгоритм использует симплекс-метод и может применяться при большом количестве подруливающих устройств. Высокая эффективность алгоритма подтверждена при его использовании в имитационной модели. • При наличии ограничений временное сглаживание измерений, которые используются при выработке стабилизирующего управления, приводит лишь к небольшому уменьшению средней величины смещения. • Временное сглаживание измерений на основе фильтра Калмана позволяет существенно уменьшить величину средней мощности движителей, необходимой для выполнения динамического позиционирования, в том числе в условиях ограничений на предельную величину и скорость изменения мощности отдельных движителей. Величина ошибок стабилизации и средняя мощность движителей возрастают несущественно, если модель, используемая для построения фильтра Калмана, не точно описывает уравнения состояния и наблюдения. • При равновесном временном сглаживании измерений на конечном интервале средняя потребляемая для динамической стабилизации мощность оказывается больше, а точность стабилизации хуже, чем при калмановской фильтрации при различном характере внешних возмущающих воздействий. • При обосновании требований к точности навигационного оборудования судов, оснащенных СДП, следует исходить из наиболее жестких требований к точности позиционирования. Выдерживание требований к точности позиционирования для данного судна должно подтверждаться математической имитационной моделью движения судна, позволяющей оценить эту точность при разных уровнях внешних возмущающих воздействий. • Анализ точности позиционирования на модели, которая не учитывает ограничений на движительные установки, недопустим.