Giới thiệu cơ bản về Hệ thống định vị động (Dynamic Positioning System)

Tại cơ sở đào tạo của mình, bạn sẽ được hướng dẫn khai thác nhiều loại máy như Radar, GPS, máy lái tự động... Tuy nhiên thiết bị hàng hải hỗ trợ con người có rất nhiều, Hệ thống định vị động là một trong số đó. Hệ thống này không trang bị phổ thông trên các con tàu, mà chỉ được lắp đặt trên các con tàu, thiết bị nổi đặc biệt. Muốn khai thác hệ thống này bạn phải trải qua khóa huấn luyện tại các trung tâm chuyên trách để có chứng chỉ khai thác.

Chủ đề này sẽ giới thiệu cơ bản về Hệ thống định vị động nhằm giúp các bạn bước đầu có chút định nghĩa về nó. Mong các bác đã và đang khai thác hệ thống này cho ý kiến để chủ đề được hoàn thiện hơn.

Chủ đề sẽ đi theo những nội dung như sau:

1. Giới thiệu
2. Nguyên lý cơ bản của Hệ thống định vị động
3. Các thành phần của Hệ thống định vị động
3.1. Thiết bị đẩy
3.2. Máy tính điều khiển
3.3. Nguồn điện cung cấp
3.4. Hệ thống tham chiếu vị trí
3.5. Các cảm biến
3.6. Giao diện điều khiển
3.7. Người khai thác
4. Khai thác Hệ thống định vị động
5. Tham khảo

1. Giới thiệu

Hệ thống định vị động (Dynammic Positioning System, viết tắt là DPS) được phát triển dựa trên nhu cầu phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp dầu lửa trong những năm 1960 và đầu những năm 1970. Cho đến ngày nay, hiện đã có rất nhiều tàu được trang bị hệ thống DP, phần lớn các con tàu này là những con tàu liên quan đến công việc thăm dò và khai thác dầu khí.

Sự phát triển của nền công nghiệp dầu khí ngoài khơi đã mang lại nhiều nhu cầu mới. Các tàu khai thác ngày càng phải tiến ra các vùng nước sâu hơn, yêu cầu về bảo vệ môi trường càng cao hơn... đã mang đến một sự phát triển to lớn trong kỹ thuật và công nghệ định vị động.

Con tàu đầu tiên được lắp đặt hệ thống DP là "Eureka" vào năm 1961, được thiết kế bởi Howard Shatto. Con tàu này được trang bị một hệ thống điều khiển analogue đơn giản, các thiết bị đẩy ngang mũi và lái kết hợp với chân vịt đẩy tới. Eureka có lượng giãn nước 450 tấn và dài 40 mét.

Cuối những năm 1970, DP chính thức phát triển mạnh. Vào năm 1980, số lượng tàu có trang bị DPS là 65, đến 1985 tăng lên con số 150, và năm 2002 là trên 1.000. Ứng dụng của DPS ngày càng mở rộng sang nhiều lĩnh vực không liên quan đến dầu khí như tàu cẩu, tàu quân sự, công tác lặn, làm hàng cập mạn (ship-to-ship transfer)...

Hệ thống DP ngày càng trở nên tinh vi và phức tạp, đi đôi với sự tin cậy. Công nghệ máy tính, hệ thống tham chiếu vị trí và các thiết bị ngoại vi ngày càng phát triển nhanh chóng, điều đó giúp giảm thiểu đến mức tối đa nhiều nguy cơ xảy ra trên biển.

2. Nguyên lý cơ bản của Hệ thống định vị động

Khi quan sát chim ruồi hút mật hoa, bạn thấy nó đập cánh liên tục để đứng yên một chỗ, nó làm được như vậy là nhờ sự cảm nhận về môi trường, sau đó đánh giá rồi đưa ra phản ứng thích hợp.

Hệ thống định vị động cũng hoạt động dựa trên nguyên lý như vậy.

Ta có thể định nghĩa hệ thống định vị động như sau:

Hệ thống định vị động là một tổ hợp hệ thống được thiết kế để tự động giữ nguyên vị trí tàu và hướng mũi tàu với một góc chính xác rất cao trong điều kiện bị tác động của môi trường (sóng, gió, dòng chảy), mà không cần đến neo, dây buộc tàu, bằng cách sử dụng thiết bị đẩy chính và các thiết bị đẩy ngang.

DPS có thể cài đặt một vị trí mục tiêu, gọi là trạm, vị trí này là cố định hoặc là một điểm tham chiếu di chuyển dưới đáy biển (ví dụ thiết bị lặn ROV) mà con tàu truy theo.

DPS cho phép con tàu điều động an toàn ở biên của cảng hoặc bến.

DPS đo đạc độ lệch giữa hướng mũi tàu cài đặt và vị trí tham chiếu bằng cách thay thế các lực và chống lại các ảnh hưởng của các lực này bằng cách tạo ra một lực đối và moment quay sinh ra bởi các thiết bị đẩy.

Hệ thống định vị động là sự kết hợp giữa hệ thống kiểm soát vị trí tàu và kiểm soát hướng mũi tàu:

Hệ thống kiểm soát vị trí tàu của DPS sử dụng các thiết bị đo đạc vị trí tàu và người khai thác có nhiệm vụ nhập lệnh điều khiển. Hệ thống ra lệnh cho các thiết bị đẩy bảo toàn vị trí đã được cài đặt sẵn. Đây gọi là hệ thống kiểm soát phản hồi.

Hệ thống kiểm soát hướng mũi tàu của DPS sử dụng tín hiệu từ la bàn con quay của tàu để bảo toàn hướng của tàu trước tác động của các lực bên ngoài dưới lệnh của người khai thác.

Ưu nhược điểm của hệ thống định vị động:

Ưu điểm:
- Không cần tàu lai, neo, dây buộc tàu.
- Phản hồi ngay lập tức đối với sự thay đổi của thời tiết hoặc người khai thác.
- Làm cho tàu có khả năng cố định hoặc di chuyển theo một vị trí.
- Tiện lợi trong việc điều động tàu, có khả năng thay đổi vị trí nhanh.
- Có khả năng làm việc ở mọi độ sâu.

Nhược điểm:
- Yêu cầu được huấn luyện tốt và đủ trình độ khai thác.
- Có thể gặp sự cố về các thiết bị điện, hoặc các thiết bị đẩy bị lỗi và thiếu hụt.
- Hoạt động của các thiết bị đẩy gây các nguy cơ đối với các hoạt động ở trên mặt nước.
- Đòi hỏi phải tham chiếu vị trí liên tục.

(còn tiếp...)

(tiếp theo...)

Con tàu dưới sự tác động của gió, sóng, dòng chảy sẽ chuyển động theo 6 hướng (six degrees of motion):

- Roll: chuyển động quay của tàu quanh trục dọc.
- Pitch: chuyển động quay của tàu quanh trục ngang.
- Heave: chuyển động lên, xuống của tàu.
- Surge: chuyển động về phía trước, phía sau của tàu.
- Sway: chuyển động về phía một bên của tàu.
- Yaw: chuyển động quay của tàu quanh trục thẳng đứng.

Trong 6 chuyển động này, có 3 chuyển động mà DPS có thể kiểm soát được và 3 chuyển động DPS không kiểm soát được:


Các chuyển động này được loại trừ bởi các lực sinh ra từ các thiết bị đẩy:
- Thiết bị đẩy ngang (azimuth thrusters).
- Thiết bị đẩy dạng ống (tunnel thrusters).
- Thiết bị đẩy chính/bánh lái (main propulsion/rudders).


Trong hình ở post #1 là hệ thống DPS-2 trên tàu VUNG TAU 02 với đăng kiểm là ABS. Việc phân cấp cho hệ thống DP tùy theo yêu cầu trang bị của từng hệ thống, các hãng đăng kiểm như DNV, ABS, LRS đều có một cách gọi phân cấp cho từng hệ thống:


Chúng ta sẽ đi tiếp chi tiết các thành phần của hệ thống định vị động ở các bài viết tiếp theo.

3. Các thành phần của Hệ thống định vị động

Hệ thống định vị động bao gồm một tổ hợp các hệ thống con (subsystems) để tự động giữ nguyên vị trí tàu và hướng mũi tàu, các hệ thống con bao gồm:
- Thiết bị đẩy.
- Máy tính điều khiển.
- Nguồn điện cung cấp.
- Hệ thống tham chiếu vị trí.
- Các cảm biến.
- Giao diện điều khiển.
- Người khai thác.

Chúng kết hợp với nhau theo nguyên tắc: các cảm biến (sensors) và hệ thống tham chiếu vị trí (position reference systems) lấy các thông số từ môi trường, kết hợp với lệnh của người khai thác, qua giao diện điều khiển truyền dữ liệu điều khiển tới máy tính điều khiển. Máy tính điều khiển sẽ tự động ra lệnh cho thiết bị đẩy thực hiện đúng như lệnh của người khai thác.


Trước khi đến với chi tiết các hệ thống con, mời các bác xem qua các hệ thống DP của hãng Kongsberg Maritime được lắp đặt trên một số loại tàu, cấu trúc nổi:

Artemis, HiPAP, VRU, HPA... là gì mời các bác đón xem các bài viết tiếp theo.

3.1. Các thiết bị đẩy:

Các thiết bị đẩy được lắp đặt ở các vị trí để tối ưu khả năng hoạt động của định vị động, với sự gây trở ngại tối thiểu nhất đến các cảm biến, sử dụng ít nhiên liệu nhất, và đối với chân vịt dạng ống thì có thể lắp đặt càng xa mặt phẳng đường nước càng tốt.
Như đã nói ở phần trước, có 3 kiểu thiết bị đẩy thường được lắp đặt cho hệ thống DP của tàu:
- Thiết bị đẩy chính/bánh lái (main propulsion/rudders).
- Thiết bị đẩy dạng ống (tunnel thrusters).
- Thiết bị đẩy ngang hay còn gọi là chân vịt đạo lưu (azimuth thrusters).



Thiết bị đẩy chính/bánh lái:

Thiết bị đẩy chính gồm có một hoặc hai chân vịt, được đặt gần phía lái con tàu kết hợp với bánh lái để quay trở con tàu (điều chỉnh yaw). Chân vịt ở đây có thể là chân vịt biến bước (CPP) hoặc là chân vịt có bước cố định.

- Chân vịt biến bước (Controllable-Pitch Propeller) là loại chân vịt có vòng quay của trục không đổi nhưng bước của chân vịt thay đổi để thay đổi vận tốc và hướng của tàu về trước/sau.
Ưu điểm: tàu có thể nhanh chóng đổi vận tốc và hướng trong thời gian ngắn.
Giới hạn: giá thành bảo trì và nhiên liệu cao.

- Chân vịt có bước cố định (Fixed-Pitch propeller) là loại chân vịt mà phải thay đổi vận tốc quay và hướng của trục để điều chỉnh vận tốc và hướng của con tàu.
Ưu điểm: giá thành bảo trì tương đối thấp.
Giới hạn: trục chân vịt phải thay đổi vận tốc quay và hướng nên cần thời gian đáp ứng lâu hơn.



Thiết bị đẩy dạng ống:

Loại này chân vịt nằm trong một ống nằm ngang

Ưu điểm:
- Có tác dụng rất tốt trong điều động.
- Giá thành bảo trì tương đối thấp (bước cố định).
- Có lưới chắn để ngăn các mảnh vụn đi vào ống.

Giới hạn:
- Để có tác dụng của chân vịt lớn nhất thì nó phải ngập hoàn toàn trong nước.
- Khi tốc độ tàu vượt quá 2 knots (cả về trước lần về sau) thì làm giảm hiệu năng của chân vịt.
- Ống càng dài càng giảm hiệu năng chân vịt.
- Chân vịt có thể có hiệu năng ở mạn này tốt hơn mạn kia.



Thiết bị đẩy ngang hay còn gọi là chân vịt đạo lưu:

Chân vịt đạo lưu là loại chân vịt được thiết kế có thể xoay 360 độ.

Ưu điểm:
- Chân vịt có thể là loại biến bước hoặc là loại có bước cố định.
- Chân vịt có thể tác động ở mọi hướng.
- Không cần đến bánh lái.
- Thiết bị đẩy có thể cố định hoặc co vào.

Giới hạn:
- Giá thành bảo trì cao.


Ngoài ra còn có các loại thiết bị đẩy:
- Pump Jet Thruster.
- Gill Jet Thruster.
- Water Jet.

3.2. Máy tính điều khiển:

Máy tính điều khiển là nơi phân tích các dữ liệu vào từ người khai thác (DPO), thiết bị đo đạc vị trí, cảm biến, nguồn cấp, các thiết bị đẩy. Sau đó lệnh cho các hệ thống thích hợp để bảo toàn hướng mũi tàu, vị trí tàu.

Máy tính này giống như máy tính bình thường chạy hệ điều hành Windows, trong hệ thống DP hiện đại thì các hệ thống chức năng điều khiển được kết nối qua mạng ethernet hoặc mạng LAN.

Trong tất cả con tàu được lắp đặt hệ thống DP, máy tính điều khiển DP chỉ dành riêng cho chức năng DP, không sử dụng vào việc khác. Hệ thống DP có thể lắp đặt các máy tính cấu hình đơn, đôi hoặc ba.

3.3. Nguồn điện cung cấp:

Nguồn điện cung cấp là "trái tim" của hệ thống DP, nguồn điện cần thiết để vận hành các thiết bị đẩy và tất cả các hệ thống phụ, nó quan trọng như hệ thống điều khiển và hệ thống tham chiếu vị trí.

Các thiết bị đẩy trên tàu thường tiêu thụ nhiều năng lượng nhất, hệ thống kiểm soát DP có thể yêu cầu một lượng lớn năng lượng cho sự phản ứng nhanh chóng đối với mọi điều kiện thời tiết. Hệ thống phát điện phải phản ứng linh hoạt trong việc cung cấp năng lượng nhanh chóng khi có nhu cầu, cho nên nhiều tàu DP được lắp đặt nguồn cấp bằng công nghệ điện-diesel.

Ở đây không đi sâu vào tìm hiểu ưu điểm của động cơ điện-diesel, các bác có thể tìm hiểu ở các tài liệu khác (các tàu ngầm lớp Kilo 636 mà VN đặt mua cũng sử dụng động cơ điện-diesel ).

Ngoài ra, hệ thống kiểm soát DP được bảo vệ chống lại sự ngắt điện đột ngột bởi hệ thống Uninterruptible Power Supply (UPS). Hệ thống này cung cấp một nguồn điện ổn định, không bị ảnh hưởng bởi việc ngắt điện đột ngột khi nguồn điện của tàu gặp sự cố. UPS hỗ trợ cho máy tính, giao diện điều khiển, màn hình, báo động, các cảm biến và các hệ thống tham chiếu vị trí. Trong trường hợp có sự ngắt điện từ nguồn cung cấp của tàu, pin dự trữ có thể đảm bảo hoạt động của các thiết bị trên tối thiểu 30 phút.

3.4. Hệ thống tham chiếu vị trí:

Chính xác, tin cậy và nhất quán trong xác định vị trí có tính quyết định trong việc khai thác hệ thống định vị động. Do đó, việc quan trọng đối với mỗi người khai thác DP là đảm bảo sự thỏa đáng, tin cậy đối với các hệ thống tham chiếu vị trí.

Số lượng của hệ thống tham chiếu vị trí phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là phụ thuộc vào mức độ của sự cố mà chủ thể của nó gây ra. IMO cũng quy định số lượng hệ thống tham chiếu vị trí phải có để bổ sung cho nhau trong việc đối chiếu độ chính xác cũng như hỗ trợ nhau khi một trong các hệ thống xảy ra sự cố. Thường thì hai hoặc nhiều hơn hệ thống tham chiếu vị trí được sử dụng trên tàu.

Có 5 kiểu hệ thống tham chiếu vị trí thường sử dụng trên tàu DP, chúng hoạt động độc lập với nhau, sử dụng những giao diện khác nhau để cung cấp thông tin cho hệ thống DP:
- Taut Wire.
- Tham chiếu vị trí bằng thủy âm (Hydroacoustic Position Reference - HPR).
- Artemis (sử dụng sóng radio).
- Vi phân GPS (DGPS).
- Hệ thống sử dụng tia laser.

Đặc tính của các hệ thống tham chiếu:


Khi một vài hệ thống tham chiếu được sử dụng, các giá trị của chúng được hợp nhất bằng một vài phương pháp. Phương pháp đơn giản nhất là lấy giá trị trung bình. Ngoài ra cũng sử dụng các phương pháp tính toán phức tạp khác để cho ta giá trị trung bình, quá trình tính toán này là một chức năng của mô hình toán học (mathematical modeling) trong hệ thống.


Chúng ta sẽ tiếp tục lần lượt các hệ thống tham chiếu vị trí.

3.4.1. Taut Wire:

Hệ thống sử dụng Taut Wire đo đạc độ biến thiên về vị trí của một điểm cố định trên tàu với một điểm cố định ở đáy biển. Hai điểm này được nối với nhau bằng một dây sắt căng, và góc nghiêng của dây được đo đạc lại.

Hệ thống xác định độ dịch chuyển ngang trương đối của tàu so với điểm cố định dưới đáy biển, bằng cách sử dụng độ đài của dây sắt được triển khai và máy đo độ nghiêng (inclinometers) gắn ở dây.

Hệ thống gồm có một vật nặng được hạ xuống đáy biển, và một tời ở trên tàu để bảo đảm độ căng (tension) của dây. Hai máy đo độ nghiêng đo góc giữa dây và mặt phẳng thẳng đứng (xem hình).

Cần trục của Taut Wire được lắp đặt ở bất cứ nơi nào thích hợp ở mạn, lái hoặc mũi tàu. Càng gần tâm quay của tàu càng giảm được ảnh hưởng khi tàu pitch và roll. Một sự cân nhắc trong việc lựa chọn vị trí, là có khả năng dây sẽ chạm vào thân tàu, gây ảnh hưởng đến việc đo đạc. Taut Wire nên lắp đặt song song hoặc vuông góc với trục của tàu. Trạm kiểm soát phải được đặt ở vị trí mà cung cấp cho người khai thác một tầm nhìn thuận lợi khi hạ và nâng vật nặng qua con tàu.

Độ chính xác của một hệ thống Taut Wire là ±2% độ sâu của nước (dưới 500 mét).

Hệ thống này rất tốt trong việc bảo đảm vị trí trong thời gian khai thác, việc lắp đặt và khai thác nhanh chóng và đơn giản trong điều kiện thời tiết bình thường

Khi độ sâu và/hoặc góc nghiêng trở nên lớn hơn, sự uốn võng của dây tăng lên (do sức nặng của dây), tạo nên sai số ứng với ảnh hưởng của dòng chảy và thủy triều. Thông thường, góc nghiêng lớn nhất cho phép là ±30° mỗi mặt phẳng, tầm hoạt động làm việc là ±15°. Sự triển khai và thu hồi vật nặng có thể bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu, ví dụ như nó có thể bị kéo rê.

Cái DPS này chắc cần 1 cảm biến thì mời có thể biết khi nào picth, roll, yaw....?
Nếu có thì nguyên lý của cảm biến đó như thế nào?
Thanks

thanguk đã viết:Cái DPS này chắc cần 1 cảm biến thì mời có thể biết khi nào picth, roll, yaw....?
Nếu có thì nguyên lý của cảm biến đó như thế nào?
Thanks

Đúng vậy, cảm biến đó là Vertical Reference Units (VRU), sẽ đề cập đến sau.

3.4.2. Tham chiếu vị trí bằng thủy âm (Hydroacoutics Position Reference):

Năng lượng thủy âm có khả năng lan truyền dưới nước cao hơn không khí. Năng lượng thủy âm được phát triển cách đây nhiều năm và được ứng dụng để tham chiếu vị trí trong DP. Hệ thống tham chiếu vị trí bằng thủy âm (sau đây gọi là hệ thống thủy âm) sử dụng thủy âm để xác định vị trí bởi các sóng âm từ các thiết bị đặt dưới nước. Có các hệ thống thủy âm khác nhau, xen kẽ nhau được sử dụng, phần lớn chúng phụ thuộc vào tầm xa đo đạc của thiết bị, liên quan đến thời gian lan truyền dưới nước của các tín hiệu thủy âm.

Có ba loại hệ thống thủy âm thường được sử dụng (bốn loại nếu kết hợp hai trong ba loại đó):
• Long Base Line (LBL): chính xác, nhưng yêu cầu phải bố trí các phao phát đáp ở đáy biển.
• Short Base Line (SBL): ngày nay không còn dùng.
• Ultra Short Base Line (USBL) hay còn gọi là Super Short Base Line (SSBL): độ chính xác kém hơn LBL, chỉ cần sử dụng một phao.
• Long and Ultra Short Baseline (LUSBL): sử dụng kết hợp giữa LBL và USBL.


Nguyên lý của hệ thống tham chiếu vị trí bằng thủy âm:

Hệ thống thủy âm sử dụng các bộ thu phát sóng âm (transducers) để truyền và nhận tín hiệu thủy âm, và các bộ phát đáp (transponders) để nhận các tín hiệu thủy âm rồi phát trở lại:

Hệ thống thủy âm bị ảnh hưởng của độ sâu nước biển, độ mặn, nhiệt độ và tần số của nguồn âm.

Hiện nay, các bộ phát đáp có khả năng tạo được tín hiệu thủy âm ở độ sâu vài ngàn mét, có thể tin cậy để tàu phát hiện được. Khi xét đến độ chính xác của hệ thống, sai số đến từ các bộ phận gắn cố định được loại trừ, nhưng trái lại thì có thể tồn tại các sai số như nhiễu thủy âm (acoustic noise) và tán xạ thủy âm (acoustic attenuation). Ở đây, bọt khí là nguồn chính gây tán xạ, và các thiết bị đẩy là nguồn chính gây nhiễu.

Khi tàu pitch và roll phải có sự tính toán phối hợp để hiệu chỉnh giữa hệ thống thủy âm với Vertical Reference Units (VRU). VRU sẽ đề cập đến trong phần 3.5 Các cảm biến.

Nếu so sánh với ánh sáng hoặc sóng vô tuyến, tín hiệu thủy âm lan truyền rất chậm. Tốc độ của nó trong nước cỡ khoảng 1485 mét/giây. Do đó ở độ sâu 4000 mét, tín hiệu mất xấp xỉ 5 giây để quay lại, cho nên tốc độ cập nhật của hệ thống thủy âm là chậm hơn so với các hệ thống tham chiếu vị trí khác (các hệ thống khác là dưới 1 giây).

Do vậy khi lựa chọn hệ thống thủy âm để tham chiếu vị trí, các yếu tố sau đây cần được lưu tâm:
• Độ sâu nước biển
• Độ chính xác
• Tầm tác dụng
• Tốc độ cập nhật
• Sự tiện lợi trong khai thác
• Độ tin cậy


(còn tiếp...)

(tiếp theo...)


Hệ thống Long Baseline

Hệ thống thủy âm LBL bao gồm một bộ thu phát đặt dưới con tàu, và một nhóm các bộ phát đáp (ít nhất là ba bộ) được sắp xếp ở đáy biển, các bộ phát đáp riêng biệt này cách nhau mỗi cái hơn 500 mét. Hệ thống này chỉ quan tâm đến các khoảng cách mà không cần quan tâm đến góc nghiêng. Các bộ phát đáp được gắn ở đáy biển, và tọa độ chính xác của nó được biết trước.

Khoảng cách từ bộ thu phát trên tàu đến các bộ phát đáp dưới đáy biển được tính toán bằng cách đo thời gian của tín hiệu từ khi phát đến khi nhận được tín hiệu phản hồi từ các bộ phát đáp. Khi tín hiệu của một bộ thu phát đơn được truyền, mỗi bộ phát đáp lại phản hồi với một tín hiệu có tần số khác nhau.

Tín hiệu thủy âm dùng với LBL là xung quanh 10KHz. Ba khoảng cách có thể cho ta vị trí của tàu, tuy vậy, hệ thống sử dụng nhiều khoảng cách hơn để giảm thiểu sai số.

Khoảng cách giữa các bộ phát đáp gọi là đường cơ bản (baseline).

LBL thường được sử dụng ở độ sâu trên 1000 mét, độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào độ sâu của nước, tuy vậy, LBL vẫn chính xác hơn SBL hay USBL bởi vì nó thuận lợi ở chỗ không yêu cầu VRU để bù góc nghiêng khi tàu chuyển động.

Điểm không thuận tiện của LBL là chi phí đắt đỏ cho việc lắp đặt và kiểm định độ chính xác của các bộ phát đáp.


Hệ thống Short Baseline

SBL sử dụng một bộ phát đáp ở đáy biển và các bộ thu phát gắn ở thân tàu. Phao thủy âm luôn được sử dụng vì nó luôn được phát đến một chuỗi các xung, các bộ phát đáp còn được gọi là hydrophones.

Trong hệ thống này, việc xác định vị trí cũng là sử dụng các khoảng cách, nhưng bây giờ ta phải cần đến bù trừ với chuyển động của tàu, được cung cấp bởi VRU.

Phao ở đáy biển phát ra các khối tín hiệu ngắn (short bursts) năng lượng thủy âm, với chu kỳ và tần số được biết trước. Thời gian đến của một xung đơn tại ba hay nhiều hơn các bộ thu phát được đo đạc lại. Khoảng cách tối thiểu giữa các bộ thu phát là 15 mét.

SBL có thể sử dụng ở độ sâu dưới 1000 mét. Vị trí của các bộ thu phát được lắp đặt ở dưới đáy tàu là để cố gắng tránh ảnh hưởng của các thiết bị đẩy.


Hệ thống Ultra Short Baseline

USBL (còn gọi là Super Short Base Line SSBL) được giới thiệu vào năm 1993. Nguyên lý sử dụng là so sánh pha của các thiết bị nhận tín hiệu được gắn xung quanh bộ thu phát. Vị trí được xác định bởi các khoảng cách và các góc nghiêng: thời gian trễ khi phản hồi được sử dụng để tính toán khoảng cách, góc nghiêng được xác định bởi VRU.

Hệ thống này có thể được sủ dụng cho xác định vị trí và xác định vết của tàu. Mỗi bộ thu phát có thể làm việc được với dưới mười bộ phát đáp cố định hoặc di động, bằng cách sử dụng các tần số dò và phản hồi khác nhau. Tần số được sử dụng nằm trong khoảng 19 KHz đến 16 KHz. Các biến số để tính toán khoảng cách là R, Øx và Øy:


Hệ thống Long and Ultra Short Baseline

Đây là hệ thống tham chiếu vị trí thủy âm được sử dụng nhiều nhất. LUSBL cải thiện được độ chính xác hơn trong các vùng nước sâu hay trong các hoạt động khảo sát đáy biển. Với LUSBL thì các bộ phát đáp đã được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng USBL - một bộ thu phát được gắn ở đáy tàu, phát một xung truy vấn (interrogating pulse), xác định vị trí tàu bằng thời gian trễ và góc nghiêng.


Ưu nhược điểm của Hệ thống tham chiếu thủy âm (HPR):

* Ưu điểm:
- Là thiết bị đo đạc chủ động, không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng khác.
- Độ chính xác cao.

* Nhược điểm:
- Độ chính xác ảnh hưởng khi tàu quay và bổ, do đó phải cần đến VRU để tăng độ chính xác.
- Dòng xoáy từ các thiết bị đẩy, nhiễu, tình trạng thủy âm xấu có thể ảnh hưởng đến độ chính xác.
- Độ chính xác giảm ở vùng nước rất sâu.
- Tín hiệu HPR có thể được nước biển hấp thụ làm giảm cường độ. Tần số thu phát, áp lực nước, độ mặn, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến độ hấp thụ. Tốc độ lan truyền, các tầng nước, nhiệt độ nước, áp lực và độ mặn đều gây ra khúc xạ.

3.4.3. Artemis:

Artemis là nhãn hiệu thương mại của hệ thống định vị được phát triển bởi Christian Huygenslaboritorium BV. Nguyên lý của hệ thống này dựa trên việc lấy khoảng cách và phương vị giữa con tàu và một vị trí cố định biết trước. Quy trình của việc đo đạc sử dụng Artemis như sau:
- Một anten định hướng được gắn chặt vào một giàn khoan, nền hoặc cấu trúc cố định khác.
- Một anten định hướng khác được gắn trên tàu. Việc khai thác được thực hiện trên tàu.
- Khi hai anten được dóng thẳng hàng với nhau, vị trí lúc đó của chúng được "khóa" lại. Một vi sóng liên kết được thành lập giữa chúng để truyền dữ liệu.
- Khoảng cách được biết bằng cách đo đạc khoảng thời gian giữa lúc truyền và nhận tín hiệu. Phương vị tàu được biết bằng cách đo đạc phương vị tới cấu trúc cố định.

Artemis có tầm hoạt động từ 10m đến 30km và quét được 360° quanh trạm cố định. Trong tầm hoạt động, hệ thống nhận được 512 đến 4069 giá trị dữ liệu trong 0.25 giây. Điều này cho ta một sự chính xác lớn, phụ thuộc vào tầm xa, độ chính xác là 5cm ở tầm xa >3km, 0.15m ở tầm xa >30km. Độ chính xác trong xác định phương vị là 0.0025°, do đó ở khoảng cách 15km thì sai số là 0.65m.

Artemis khai thác tại băng tần 9.2 GHz và chịu hạn chế của mưa, sương mù, khói biển và tất nhiên là khi bị che khuất tầm nhìn.

Khi không có cấu trúc cố định, người ta có thể sử dụng phao gắn anten để tạo thành một cấu trúc nổi, với tầm xa hiệu dụng trong vòng 200m. Với trường hợp này, thực tế người ta xác định phương vị tại chính con tàu mình.

3.4.4. Tham chiếu vị trí bằng GPS:

a) Vi phân GPS (Differential GPS):

GPS là hệ thống vệ tinh đạo hàng, cho ta dữ liệu về kinh độ, vĩ độ, cao độ của một vị trí bất kì trên trái đất. GPS bao gồm 21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự trữ, chúng được bố trí trên 6 quỹ đạo, quay quanh trái đất một vòng hết 12 giờ. Các vệ tinh được sắp xếp sao cho ít nhất 4 vệ tinh nằm trong tầm quan sát của máy thu trên trái đất:

Hệ thống GPS chịu sự quản lý của Bộ Quốc phòng Mỹ, với mục đích dân sự, họ khống chế độ chính xác của GPS xuống còn trong vòng 20m, độ chính xác này không phù hợp với khai thác DP, do đó vi phân GPS (DGPS) được sử dụng để nâng cao độ chính xác trong việc sử dụng hệ thống định vị động.

Nguyên lý của DGPS là có các trạm tham chiếu cố định đặt ở một vị trí đã biết trước trên trái đất. Mỗi trạm tham chiếu đó sử dụng dữ liệu nhận được từ GPS, với vị trí cố định đã biết trước của trạm, nó tính toán được sai số của từng vệ tinh rồi phát tín hiệu về sai số cho tàu. Máy thu GPS của tàu tự động hiệu chỉnh sai số vị trí vào dữ liệu tàu nhận được từ vệ tinh.

Theo US FRP và IALA ước tính độ chính xác của DGPS là 0.67m ở mỗi khoảng cách 100km so với trạm, nhưng thực tế đo đạc được tại Đại Tây Dương, Bồ Đào Nha thì độ chính xác đạt mức 0.22m mỗi 100km.


b)Tương quan GPS (Relative GPS):

DGPS cho ta độ chính xác của một vị trí cố định. Song một vài hoạt động của tàu cần định vị chính xác giữa các con tàu có chuyển động. Ví dụ trong tình huống một tàu dầu đang nhận hàng từ kho nổi FPSO dưới tác động của gió. Để việc làm hàng được an toàn, thì khi gió làm FPSO chuyển động thì tàu dầu cũng phải chuyển động theo tương ứng. Lúc đó cần Relative GPS để giải quyết vấn đề này.

FPSO sử dụng DGPS để kiểm soát vị trí của nó. Máy thu GPS của tàu dầu nhận dữ liệu từ vệ tinh, đồng thời cũng nhận dữ liệu từ FPSO qua sóng UHF. Tàu dầu so sánh hai vị trí, tính toán đưa ra khoảng cách và phương vị cần thiết cho hệ thống DP. Tầm của tín hiệu UHF là khoảng 2-3km, do đó nó được sử dụng trong suốt quá trình tiếp cận và làm hàng.

3.4.5. Tham chiếu vị trí sử dụng hệ thống laser:

Hiện nay có hai hệ thống laser thường được sử dụng là CyScan và Fanbeam:

a) CyScan:

CyScan là hệ thống laser tầm ngắn có độ chính xác cao trong việc xác định vị trí và vết. Nó bao gồm một bộ laser cố định có thể quay tròn và ba hoặc nhiều hơn mục tiêu phản xạ gắn trên cấu trúc khác. Các mục tiêu phản xạ này cũng cố định và cách nhau một khoảng biết trước. Dựa vào khoảng cách biết trước này, có thể nhận dạng để phân biệt các cấu trúc khác nhau.

Tầm xa của CyScan là 250m+ với độ chính xác 20cm, độ chính xác phương vị 0.01°. Một xung ánh sáng được chiếu và phản xạ, sử dụng khoảng thời gian phản hồi để tìm khoảng cách. Ngay lúc xung vừa quay lại, một bộ mã hóa quang học trên trục được kích hoạt để cho ta giá trị của góc.

b) Fanbeam:

Hệ thống Fanbeam cũng là hệ thống laser tầm ngắn có độ chính xác cao trong việc xác định vị trí và vết. Hệ thống bao gồm một khối laser và chỉ cần một bộ phản xạ, cho ta khoảng cách và phương vị.

Bộ phản xạ có thể gắn cố định trên bờ hoặc trên một cấu trúc trên biển, khối laser phải thẳng hàng với trục của tàu. Tầm xa của hệ thống là dưới 2km với độ chính xác 20cm, độ chính xác trong xác định phương vị là 0.02°. Thực tế người ta sử dụng trong DP là ở tầm xa 200-250 mét. Cần có một VRU để bù sai số khi tàu bổ (pitch) và lắc (roll).

3.5. Các cảm biến:

Các cảm biến trong hệ thống DP gồm có:
- La bàn con quay để xác định hướng mũi tàu.
- Vertical Reference Unit (VRU) để xác định tư thế của tàu: lắc (roll), bổ (pitch).
- Thiết bị đo gió (anemometer) xác định hướng và tốc độ gió.
- Máy đo tốc độ Doppler để xác định tốc độ tàu.


3.5.1. La bàn con quay

La bàn con quay được sử dụng để kiểm soát hướng mũi tàu. La bàn con quay hoạt động dựa trên nguyên lý của con quay hồi chuyển, có vài nguồn gây ra sai số trong việc đọc giá trị của la bàn con quay: sai số vĩ độ (vĩ độ thay đổi mỗi 10° thì sai số la bàn 0.3°, la bàn làm việc từ 80N đến 80S), sai số tốc độ, sai số xung kích, sai số lắc, sai số đường cơ bản.

Để la bàn con quay hoạt động ổn định thì phải khởi động nó 6 giờ trước đó.


3.5.2. Vertical Reference Unit:

Mặc dù hệ thống DP không thể kiểm soát được con tàu khi nó bị lắc (roll), bổ (pitch) và dồi (heave), nhưng các dữ liệu này cần được đo đạc để bù đắp độ chính xác cho một vài hệ thống tham chiếu vị trí. VRU nôm na nó giống cái thước level của mấy bác thợ xây.

VRU trên tàu có nhiệm vụ xác định sai khác giữa mặt phẳng thẳng đứng tại vị trí của tàu với mặt phẳng thẳng đứng qua trục dọc tàu, từ đó đưa ra các tín hiệu để các hệ thống tham chiếu tự hiệu chỉnh.

VRU đo đạc lắc, bổ và sự thay đổi tốc độ. Tàu bị dồi không ảnh hưởng đến khai thác DP, nhưng thường được sử dụng cho một vài hoạt động khác, ví dụ như đáp trực thăng.

Một VRU thông thường cho giá trị sai số khi tàu bị dồi là 5cm hoặc 5% với khoảng dồi ±10m, và khi tàu lắc và bổ ±30° là 0.1°.


3.5.3. Thiết bị đo gió:

Thiết bị đo gió đo được cả tốc độ lẫn hướng của gió. Gió là yếu tố môi trường chủ yếu ảnh hưởng đến con tàu.

Tốc độ và hướng gió được sử dụng để cải thiện sự kiểm soát vị trí tàu (bằng các thiết bị đẩy).

Cần phải thận trọng trong việc lắp đự thiết bị đo gió tránh chịu ảnh hưởng của cấu trúc tàu, các cột tàu. Một thiết bị đo gió phải cách xa tối thiểu 10 lần đường kính của các cột tàu.


3.5.4. Máy đo tốc độ Doppler:

Máy đo tốc độ Doppler đo tốc độ của tàu so với đáy biển bằng cách sử dụng hiệu ứng Doppler. Máy có thể khai thác bình thường ở độ sâu 1m đến 600m mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ mặn của nước.

Hệ thống có thể đo được tốc độ theo chiều tới hoặc chiều ngang bằng các chùm tia hồi âm. Tốc độ theo chiều tới được đo trong khoảng -5kts đến +30kts, và tốc độ theo chiều ngang là ±5kts. Độ chính xác thường tốt hơn 0.01kt hoặc 2%.

thanks bố già nhiều ,
mình đang tìm hiểu về cái này, vấn đề này còn...dang dở, còn phần khai thác, ứng dụng nó trên tàu, có thì up lên cho tham khảo nữa nha.

Bố già dùng phần mềm gì để cắt mấy ảnh trong phần mềm thê?

3.6. Giao diện điều khiển

Giao diện điều khiển (MMI) là bộ phận để người khai thác (DPO) truyền và nhận dữ liệu. MMI có bàn phím, con lăn, cần điều khiển, công tắc, màn hình chỉ báo và các thiết bị báo động. Trên một con tàu được thiết kế tốt, các panel điều khiển của hệ thống tham chiếu vị trí, hệ thống đẩy và hệ thống liên lạc sẽ được lắp đặt gần với vị trí của giao diện điều khiển DP.

MMI không nhất thiết nằm ở phía trước bồng lái - ở nhiều con tàu, phần lớn là các tàu dịch vụ dầu khí có MMI nằm ở phía sau của buồng lái, khi sử dụng DPO quay mặt về phía lái. Các tàu dầu có thể đặt hệ thống DP ở trạm điều khiển mũi mặc dù phần lớn các tàu dầu đóng mới hiện nay hợp nhất với hệ thống DP ở buồng lái.

Giao diện sử dụng hiện nay có thể là nút bấm, hay hiện đại hơn là màn hình cảm ứng chạm.

3.7. Người khai thác (DPO):

DPO được huấn luyện và cấp chứng chỉ quốc tế bởi Nautical Institute trụ sở tại London. Chứng chỉ khai thác DP được cấp khi học viên trải qua bốn giai đoạn huấn luyện:

- Giai đoạn 1: Khóa giới thiệu/làm quen DP, cho học viên cái nhìn đầu tiên về hệ thống định vị động, có thể huấn luyện ngay trên tàu hoặc tại các trung tâm huấn luyện; hoặc các thực tập viên DPO làm việc trên tàu dưới sự giám sát của các DPO có kinh nghiệm.

- Giai đoạn 2: Có kinh nghiệm thực hành (bằng văn bản) trong việc sử dụng hệ thống DP trên tàu DP tối thiểu 30 ngày với tư cách là một thực tập viên DPO sau khi hoàn thành GĐ1.

- Giai đoạn 3: Tham dự các khóa huấn luyện mô phỏng tại các trung tâm huấn luyện hợp pháp, hoặc ngay trên tàu, nơi mà khóa huấn luyện cho phép, bao gồm các bài tập mô phỏng và các tình huống khẩn cấp.

- Giai đoạn 4: Sau khi hoàn thành các giai đoạn trên, có xác nhận bằng văn bản (từ Thuyền trưởng hoặc OIM) cho tối thiểu sáu tháng được trực ca DP, học viên sẽ được cấp chứng chỉ DP từ hội đồng có thẩm quyền.


Tất cả bốn giai đoạn trên phải được làm chứng và ghi nhận lại bởi Nautical Institute DP logbook được cấp cho thực tập viên. DP logbook chỉ được cấp bởi Nautical Institute và IMCA. Ngoài ra để làm việc ngoài khơi, thường thì cần phải hoàn thành khóa học Basic Offshore Safety Induction and Emergency Training (BOSIET). Khóa này bao gồm sơ cứu, an toàn trên biển, cứu hỏa cơ bản và Helicopter Underwater Escape Training (HUET). Thuyền viên Việt Nam muốn có chứng chỉ DP phải sang Singapore để học.

Nhờ Bố Già xem lại phần Nguyên lý của hệ thống tham chiếu vị trí bằng thủy âm. Hình như có lũng cũng về phần dịch Transducer (Bộ thu phát sóng âm) và Transponder (Bộ phát đáp).
Theo em nghĩ thì Transducer nên dịch là hệ thống chuyển đổi tín hiệu, nó được đặt ở trên tàu dùng để thu nhận các tín hiệu sóng âm, biến đổi tín hiệu đó thành một tín hiệu khác rồi đưa đến máy tính đển xử lý.
Còn Transponder là hệ thống nhận và phát tín hiệu, nó được đặt dưới đáy biển để thu và phát đi các tín hiệu cho hệ thống transducer.

captain764 đã viết:Nhờ Bố Già xem lại phần Nguyên lý của hệ thống tham chiếu vị trí bằng thủy âm. Hình như có lũng cũng về phần dịch Transducer (Bộ thu phát sóng âm) và Transponder (Bộ phát đáp).
Theo em nghĩ thì Transducer nên dịch là hệ thống chuyển đổi tín hiệu, nó được đặt ở trên tàu dùng để thu nhận các tín hiệu sóng âm, biến đổi tín hiệu đó thành một tín hiệu khác rồi đưa đến máy tính đển xử lý.

Theo mình hiểu thì Transducer vừa có chức năng phát các tín hiệu sóng âm, vừa có chức năng thu các tín hiệu sóng âm, cho nên mình dịch là bộ thu phát. Tất nhiên sau khi nhận tín hiệu sóng âm thì nó phải biến đổi thành tín hiệu thích hợp để máy tính xử lý, đó là một chức năng của khối thu phát này. Mình dịch là bộ thu phát vừa gọn vừa để phân biệt với bộ phát đáp.

Còn Transponder là hệ thống nhận và phát tín hiệu, nó được đặt dưới đáy biển để thu và phát đi các tín hiệu cho hệ thống transducer.

Khác với Transducer, Transponder phát tín hiệu sóng âm một cách thụ động. Khi nhận được các tín hiệu sóng âm từ Transducer phát tới nó mới phát tín hiệu phản hồi chứ tự bản thân nó không phát liên tục. Cho nên mới gọi là bộ phát đáp.

Tất nhiên nhiều từ Tiếng Anh dịch sang Tiếng Việt, nhất là với các từ ngữ kỹ thuật có thể chưa sát, do đó một số mình để cả từ Tiếng Anh trong ngoặc phía sau từ Tiếng Việt.

Bố già đã viết:Theo mình hiểu thì Transducer vừa có chức năng phát các tín hiệu sóng âm, vừa có chức năng thu các tín hiệu sóng âm, cho nên mình dịch là bộ thu phát. Tất nhiên sau khi nhận tín hiệu sóng âm thì nó phải biến đổi thành tín hiệu thích hợp để máy tính xử lý, đó là một chức năng của khối thu phát này. Mình dịch là bộ thu phát vừa gọn vừa để phân biệt với bộ phát đáp.


Khác với Transducer, Transponder phát tín hiệu sóng âm một cách thụ động. Khi nhận được các tín hiệu sóng âm từ Transducer phát tới nó mới phát tín hiệu phản hồi chứ tự bản thân nó không phát liên tục. Cho nên mới gọi là bộ phát đáp.

Tất nhiên nhiều từ Tiếng Anh dịch sang Tiếng Việt, nhất là với các từ ngữ kỹ thuật có thể chưa sát, do đó một số mình để cả từ Tiếng Anh trong ngoặc phía sau từ Tiếng Việt.

bogia nói đúng đó.
nhưng để tránh nhầm lẫn thì chúng ta nên dùng nguyên bản tiếng anh đi. chúng ta không phải dịch thuật, nên việc lựa chọn ngôn ngữ để diễn đạt...cũng không có dễ gì đâu.
transducer phát và nhận tín hiệu sóng âm, còn Transponder thì nhận và retransmit sóng âm đó.