Wulders navigatiemodel is meer dan de som der delen

Ruud Overdujk

_{Plaatsbepalingssysteem met toepassing van dynamisch scheepsmodel}

Bij het navigeren van schepen op zee worth steeds geavanceerder apparatuur gebruikt. Hoewel het daardoor in zekere zin steeds eenvoudiger wordt een schip over de oceanen te loodsen, schuilt er 00k een gevaar in: hoe moet een boot verder varen als de apparatuur uitvalt? Dr.ir. Johan H. Wulder promoveerde deze zomer op een onderzoek naar een geïntegreerd navigatiesysteem. Dit systeem verwerkt de gegevens van de verschillende Sensoren die voor navigatie worden gebruikt en vergelijkt de resultaten met de berekeningen uit een dynamische model van het schip. Hierdoor ontstaat een zeer betrouwbaar navigatiesysteem dat zelfs heS uitvallen van belangrijke navigatie-instrumenten gedurende enige tijd

kan opvangen. t

w-.9

û

-C

82

°

>o Oo

E E Z

c'si

o

37

c,, L) _C)

01-> ç)

-_J.c

_t)

3

_.Q

(I) It)

I

Yo

3t)

a Verschillende scheepsbewegingen (parameters) die Samen dynamisch scheepsmodel vormen. u(t): voorwaartse sneiheid vit): dwars snelheid rit): draai sneiheid x, y, z: scheepsvaste assenstelsel ;, y, z: vast assenstelsel tos, de sarde y)t): koershoek Wit): siingerhoek t3)t): stamphoek )t): roerhoek

Wulders navigatiemodel

is meer dan de som der delen

De tijd dat een stuurman op see zijn weg moest vinden met behulp van een kompas en een sextant, is al lang

voorbij. Tegenwoordig houdt geavanceerde apparatuur

hem continu op de hoogte van de snelheid, de richting en de positie van zijn schip. Die apparatuur is so gebruiksvriende)iik dat er op de brug van schepen steeds minder mensen nodig zijn. En dat is ook een

belangrijke wens van rederijen: hoe minder bemanning

hoe economischer men kan varen.

Een belangrijke rol in het navigatie-instrumentarium is

weggelegd voor de plaatsbepalingssystemen die werken op basis van informatie van satellieten. Hoewel deze p)aatsbepalingssystemen redelijk nauwkeurig werken (zio ook het kaderstukje bij dit artike)), schui)t er een groat gevaar in. Als het systeem uitvalt, moet de positie weer met de hand worden berekend. Daarvoor heeft een stuurman dan wel de beschikking over instrumenten als kompas, schoepslog, maar het blijft een heel rekenwerk.

Wiskundig model

Tegen deze achtergrond vroegen prof. dr.ir. HG. Stassen van de Faculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek en zijn toenmalige collega prof.ir. J.A. Spaans (nu verbanden aan het Kon. Inst. voor de Marine) de net afgestudeerde scheepsbouwkundig ingenieur Johan Wulder een promotie-onderzoek te doen naar de mogelijkheden een model te ontwikkelen voor de bewegingen van een schip. "Alle sensoren op

een schip worden nu apart gepresenteerd", vertelt

Wulder. "De vraag was of het mogelijk was de

gegevens te combineron met eon wiskundig model dat de scheepsbewegingen beschrijft en za een

geï'ntegreerd navigatiesysteem te maken."

Als een goed werkend geïntegreerd navigatiesysteem kan worden gemaakt, was de tweede vraag voor het onderzoek of dit beter zou functioneren dan een systeom dat geen gebruik maakt van eon wiskundig model van het schip. "Daarbij gaat hot niet alleen am de nauwkeurigheid", gaat Wulder verder. "Er sun meer factoren die de kwa)iteit van en navigatiesysteem bepalen. Robuustheid bijvoorbeeld; hoe reageert het navigatiesysteem op onverwachte fouten in de meetdata. En ook integriteit, dat wil zeggen de zekerheid dat de gebruiker wordt gei'nformeerd dat het systeem faalt. Daarnaast zijn er nag factoren als de prijs van hot systeem, de ruimte die hot inneemt en de energie die het vraagt. AI doze punten hob ik in miln ondersoek geevalueerd."

15 DelhI Integraal 92.3

Manoeuvreertesten

Wulder promoveerde in juni van dit jaar. De basis van het door hem ontwikkelde systeem is een wiskundig mode) van hot schip en zijn sensoren. In dit model worden het schroeftoerental en de stand van het roer van hot schip ingevoerd, waarna wordt berekend wat de sensoren theoretisch zouden moeten aangeven. Het verschil tussen deze uitkomst en do informatie van de sensoren - hot plaatsbepalingssysteem, hot kompas en de indicatoren voor rollen en stampen - wordt gewogen en weer ingevoerd in het model. Als do weging goed wordt uitgevoerd, (overt dit geïntegreerde systeom eon

redelijk betrouwbare schatting van de positie van het schip. De integratie van aile beschikbare

navigatiegegevens, inclusief de dynamica van hot schip en de sensoren en statistische gegevens over storingen in de verschillende onderdelen, wordt een Kalman Filter gen oe md.

Bij zijn onderzoek gebruikte Wulder een bestaand bewegingsmodel voor schepen, hot model van (noue. Dit model bevat ongeveer 25 coèfficiênten die voor elk schip apart moeten worden ingevuld. Wulder: "Vo)gens de (iteratuur kunnen die coêfficiènten worden geschat op basis van gegevens als de lengte, breedte en diepgang van hot schip. De nauwkeurigheid daarvan viel echter tegen. Daarom heb ik in hot onderzoek een santal manoouvreertesten gebruikt am de coéfficiënten van een bestaand schip nauwkeuriger te kunnen schatten. Dit zijn manoeuvres als stoppen, in een cirkel varen, zigzaggen en derge(ijke dio niet meer dan twee tot drie uur in bes)ag nemen."

Praktijktest

0m het geïntegreerde navigatiesysteem aan een praktijktest te kunnen onderwerpen, kan Wulder eon

aantal dagen beschikken overdo Zeefakkel', het opleidingsschip van hot Koninklijk (nstituut voor de

Marine (KIM). Dit schip werd volgeladen met apparatuur orn alle veroiste meetgegevens te verzamelen, waarna gedurende eon paar dagen werd rondgevaren op hot lJsseimeer en het Marsdiep. Op de eerste dag werden de manoeuvreertesten uitgevoerd en daarna werden testen met de andere instrumenten uitgevoerd.

De opgenomen meotgegevens speelde Wulder vervolgens aan wal weer af waarbij se werden ingevoerd in het geïntegreerde navigatiesysteem dat draaide op eon VAX. Daarbij kwarnen eon santal problemen aan het licht, die met name betrekking hadden op de dynamica van de sensoren. Toch waren de resultaten positief te noemen. Hot systeem bleek redelijk goed de positie van het schip te kunnen schatten als de GPS enige tijd uitviel. Bij een uitval van

twoe minuten, waarbij de informatie van het

scheepslog )waarmee de snelheid ten opzichte van hot water wordt gemeten) en hot gyrokompas wel beschikbaar was, bleek de afwijking niet meer dan vijf meter te bedragen. Ais er tien minuten zonder enige informatie van de sensoren werd gevaren, was de afwijking maximaa) driehonderd meter.

Het Rotterdamse bedrijf Van ietschoten & Houwens gant nu de markt op met een electroriische

(see (ka a rt.

Ret programma werkt op een HP9000-700 computer en kost ongeveer anderhalve ton. Een schjp op de wilde vaart heeft aarlijks voor zo'n 80 à 90 duizerid gulden aan nieuwe kaarterm nodig. De makers stellen dat de electronische kaart altijd up-to-date zal zijn, omdat wilzigingen via satellietverbinding en een modem

kunnen worden dsorgeseind. Eerm boeiwijzigingsfile is slechts 1K

g ro st

17 DeIft lotegraal 92.3

Als bij zeer dichte mist alle navigatiesystemen zijn uitgevallen, kan het msdel de stuurman verteIlen waar hat schip zich bevindt. Voor grote schepen die moeilijk manoeuvreren, is de baanvoorspelling van hat model bijzonder praktisch. Zo kan van tevoren worden gekekerm wat een bepaalde roerstarid tot gevolg heeft Komt het schip buiten de vaargeul, dan kan een nieuwe roerstand worden uitgeprobeerd. De baamm die het dan gant vslgeri kan bijvoorbeeld worden irmgetekend op een elektronische zeekaart. (Foto Aeroview)

Voor het maken van elektronische zeekaarten zijn internationaal afspraken gemaakt over de informatie die op de kaarten moet worden getoond en de wilze

waarop die informatie moet worden vastgelegd. Allerlei

nationale hydrografische instellingen verzamelen de gegevens voor die kaarten en in verschillende landen zijn bedrijven bezig een systeem te ontwikkelen dat op basis van deze gegevens een kaart op het scherm kan zetten. In Nederland is dat Van Rietschoten en

Houwens. Cok is het lnstituut voor Zintuig Fysiologie

van TNO erbij betrokken. De vakgroep Nautische Wetenschap van het KIM waar Wulder nu werkt -levert een biidrage vanuit de gebruikerskant. "Hier is veel nautische kennis aanwezig", zegt Wulder. 'Men weet hier wat een gebruiker nodig heeft en wat hij zou

willen zien."

Wulder is gevraagd mee te werken aan een module voor baanpredictie die in het systeem moet worden ondergebracht. Daarnaast houdt hij zich bezig met de verwerking van navigatiedata in het systeem en met de kwaliteitscontrole van die data. Zo zet hij zijn kennis en ervaring in voor de ontwikkeling van een systeem dat de scheepvaart straks goede diensten kan bewijzen.

i..

4

-

f

e: .

iI

--- _'3

_{1 ¡t}

_---y i

L-

-L i :.

.'i::.; o( :

:i,

j0(t)

SF' w(t) V ship Wulders geïntegreerd naviqatiemodel met Kalman-filter

w0(t), stl: ruis bronnen

SF': vormend' filter van systeemruis SF2:'vormend' filter van gemeterl ruin e(t): innovatie ruis (t): genchatte uitgangsvariabelen 6(t): geschatte toestandsvariabelen KW: versterkingsfactor

x(t)

-model of ship and sensors

16 DeIft Integraal 92.3 sensors K(t) s,,(t) SF2 s(t) Kalman Filter y(t) (t) Satellietnavigatie

Een veel gebruikt plaatsbepalingssysteem is Navstar GPS (Global Positioning Systeem). Ç _{Oorspronkelijk is dit ontwikkeld voor}

militaire doeleinden. maar het is ook vrijgegeven voor civiele toepassingen. Voor GPS hangen 24 satellieten boyen de aarde (waarvan drie reserve) in een baan die han in twaalf uur rond teat gaan. De sateltieten ziln zogepositioneerd dat er vanaf elke plaats op de aardbol altijd minimaal vier

zichtbaar' zijn.

0m de positie op aarde te bepaten, probeert Je GPS-ontvanger zoveel mogelijk signalen van satellieten te ontvangen. Op basis jan elk signaat berekent de ontvanger de afstand tot de betreffende satelliet. Nanneer genoeg signalen ziln ontvangen, kan de ontvanger berekenen op welke ,ositie hi) (in feite de antenne van de ontvanger) zich bevindt.

Door ionosferische effecten treden er echter storingen op in de signalen van de iatellieten, die de nauwkeurigheid van het systeem nadelig beïnvloeden. Met GPS

an voor civiele doeleinden een nauwkeurigheid vanloometer worden behaald.

uim voldoenda, zullen de meesten denken, maar als een boot in een smalle .'aargeul tussen bilvoorbeeld eitanden moet navigeren, kan honderd meter net het verschil tussen een vrije doorvaart en vastlopen betekenen.

/oor dergelijke situaties maakt men daarom wet gebruik van een hulpstation op de val. Aangezien de positie van het hulpstation exact bekend is. kan de

GPS-ntvanger in dat station de afwijking van het plaatsbepalingssysteem vastleggen. oor daze afwijking wear door te seinen kan hat plaatsbepalingssysteem die fwijking meenemen in de berakening. Hiardoor ontstaat een systeem met een

auwkeurigheid tussen da vijf an tien mater. Wanneer het signaal van het ulpstation achter tijdelijk niet wordt ontvangen - bilvoorbeeld door een nweersbui of een berg tussan het schip en het station - moat de stuurman het Ileen met de informatie van de satellieten doen.

Back-up

"Met een geintegreerd navigatiesysteern kun je de uitval van de GPS dus enige tijd opvangen",

concludeert Wulder, 'Cok kan de uitval van het kompas

enige tijd worden opgevangen. Zo'n systeem kan dus dienen als een back-up voor de reeds aanwezige

instrumenten waardoor er een robuuster navigatiesysteem ontstaat"

Doordat het geïntegreerde systeem met men wiskundige model werkt, biedt het echter ook andere interessante aspecten. In de eerste plaats is het rnogelijk allerlei gegevens te berekenen die niet worden gemeten, zoals de dwarssnelheid en de draaisnelheid van het schip en de stroornsnelheid, Daarnaast kan het model ook de onzekerheid in de eigen berekeningen aangeven Wulder: "Dat kan heel handig zijn, als de andere systemen uitvallen. Het model kan de stuurman verteilen binnen welk gebied het schip zich moet

bevinden en die kan dan beoordelen of het op basis

daarvan nog verantwoord is orn door te varen,"

-1200

-loo 200

500

800

1100 1400

easting (m)

Hat gedrag van bet geintegreerde navigatiesysteern in verschillende combinaties. In de plot s de gemeten en de voorspelde koers van de Zeefakkel weergegeven ti)dens een tien minuten durende storing in de

GP S-a ntva n gst.

gayaren baan

voorspelde baan, model gebruikt kompas en log voorapelde baan, model gebruikt kompas

- - - -.

voorspelde baan, model zander externe sensoren

Een andere toepassing die het systeem biedt, is het voorspellen van de baan die een schip gaat volgen wanneer een bepaalde manoeuvre wordt ingezet. Omdat bochten maken met grote schepen niet eenvoudig is, kan met behulp van deze eigenschap vantevoren worden gekeken waar het schip uitkornt als het roer een bepaalde uitslag zou krijgen. De baan die het dan gaat volgen kan bijvoorbeeld worden ingetekend op een elektronische zeekaart, die op dit

moment volop in ontwikkeling is.

Toe passi n g

Voor een daadwerkelijke toepassing van de resultaten van Wulders promotie-onderzoek, moet nog het nodige vervolgonderzoek worden gedaan. Er zijn wel een paar geinteresseerden geweest Een buitenlandse reder heeft contact op genomen orn het systeem toe te passen voor zijn ferries die tussen veel eilanden varen, maar tot daadwerkelijke afspraken is het nog niet gekomen. Volgens Wulder staan rederijen niet echt te springen orn met een experimenteel systeem in zee te gaan. Dat wil echter niet zeggen dat het onderzoek nu in de la ligt en er met de resultaten niets wordt gedaan.

Delen ervan past Wulder nu toe voor de ontwikkeling van men elektronische zeekaart. Daarvoor is hij vanuit de TU Deift bij het KIM gedetacheerd

Wulder: "Een elektronische zeekaart, dat wil zeggen een zeekaart die in de computer zit en op een beeldscherm kan worden getoond, biedt veel voordelen. In de eerste plaats is hij veel makkelijker bij te werken en hoeven niet telkens nieuwe kaarten te worden getekend. Ten tweede kan zo'n kaart op een schip grote voordelen hebben. De bemanning kan de planning en alle daarvoor benodigde berekeningen dan achter één beeldscherm doen, omdat de informatie van alle nautische boekwerken en zeekaarten in de database

zitten," +

e(t)