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[You must be registered and logged in to see this link.]

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.
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:





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.
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

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%.

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.
[You must be registered and logged in to see this link.]