一种基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统及方法技术方案

本发明专利技术属于海洋平台设备技术领域，一种基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体测量系统及方法，可以实现软刚臂的空间形态，以及浮体6个自由度运动的实时测量。方法所利用的装置基于RTK技术，包括一个位于单点平台正中心的卫星接收机；两个分别位于系泊腿正上方、系泊支架顶端的卫星接收机和一个在浮体顶端不共线的卫星接收机。为了增加测量精度，可在浮体顶端增加卫星接收机和下端连接移动站的个数。本发明专利技术能够对真实的软刚臂系泊浮体结构中实时监控，发生异常情况时海上工作人员可提前应对，降低软刚臂失效的风险。

A flexible rigid arm moored floating body attitude measuring system and method based on Real-Time Differential Positioning Technique

The invention belongs to the technical field of offshore platform equipment, which is based on the real-time differential positioning technology of soft yoke mooring floating body measurement system and method, can realize the space form of soft yoke, and real-time measurement of the floating body 6 degrees of freedom of movement. By using the method of device based on RTK technology, satellite receiver consists of a single point is located in the center of the platform; two are located in the mooring leg just above the top of the bracket, mooring satellite receiver and a satellite receiver at the top of the floating body are not collinear. In order to increase the measurement accuracy, the number of satellite receivers and the number of mobile stations connected at the lower end can be increased at the top of the floating body. The invention can monitor the structure of the real rigid arm moored floating structure in real time, and when an abnormal situation occurs, the maritime crew can respond in advance to reduce the risk of the failure of the soft rigid arm.

【技术实现步骤摘要】
一种基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统及方法
本专利技术属于海洋平台设备
，涉及一种基于实时差分定位(real-timekinematic，RTK)技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统及方法。
技术介绍
我国渤海地区有着丰富的油气资源，但是整体分布较为分散，许多油气田为边际油田，中国海洋石油总公司先后投入了7艘浮式生产储油卸油装置(FloatingProductionStorageandOffloading,FPSO)进行油气开采，并采用软刚臂系泊方式将FPSO系泊于某一固定海域。软刚臂系泊，实质上是为FPSO提供一个水平刚度，使得FPSO在外部荷载作用下拥有恢复力。虽然目前学者对软刚臂系泊FPSO进行了广泛的研究，但由于海洋真实环境的复杂性与不确定性，同时渤海存在浅水效应的问题，软刚臂设计并不成熟。渤海曾经发生多起在外部荷载条件下软刚臂失效的事故。由于FPSO自身没有动力，一旦发生软刚臂失效解脱，会严重影响正常的生产以及人员的生命安全。因此，软刚臂是整个软刚臂系泊浮体设计的核心，在没有更好的系泊方式下，如何对软刚臂运动形态以及FPSO的6个自由度对软刚臂作用进行全方位、实时的监控，是亟待解决的问题。传统的浮体测量主要采用的方法主要采用惯性导航系统(inertialnavigationsystem,INS)或倾角仪。其中，INS技术内置陀螺仪，可对船体的横摇、纵摇、艏摇三个量进行动态的测量。然而，对于软刚臂系泊浮体来说，该3个量缺少横荡、纵荡、升沉的浮体运动量，不能对软刚臂可能发生的危险工况进行精确的预判；同时，倾角仪是一种测量缓慢倾角的变化，不适合用于浮体的动态测量，尤其对于微小动态倾角的测量精度则更加不理想。此外，还有研究人员尝试采用激光传感器等高精度测距传感器来测量单点平台与浮体相对距离的关系，但这些方法都不足以实时描述软刚臂的空间形态，且如何实现多种传感器的同步采集也是一个亟待解决的问题。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统及方法。该方法所利用的测量系统能够实时测量软刚臂的空间状态，以及浮体的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡以及垂荡六种运动姿态变化，并能够保证精度与可靠性。本专利技术采取的技术方案：一种基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统，该系统包括基准站、三个以上的移动站以及四个以上的卫星接收机，所述的软刚臂包括系泊腿、系泊臂和压载舱；所述的卫星接收机内部设有卫星接收机天线以及数传电台；为了使基准站在任何状态下不发生移动，保证厘米级及以上的测量效果，卫星接收机A与其下端连接的基准站位于单点平台上端正中心处；卫星接收机B、卫星接收机C分别位于对称设置的系泊腿正上方的系泊支架顶端；卫星接收机D位于浮体上方与卫星接收机B、卫星接收机C不在同一条直线上，所述每个卫星接收机的下端皆连接一个移动站；采用高性能发射电台做为数传链路接收实时差分改正数据，系泊腿通过压载舱与系泊臂相连，系泊臂固定在单点平台上。进一步地，当浮体上方只有一个卫星接收机时，该卫星接收机位于浮体上端的中轴线位置处；当浮体上方设置多于一个卫星接收机时，以进一步提高浮体姿态测量精度；浮体上方的卫星接收机与卫星接收机B、卫星接收机C，任意三个都不在一条直线上。上述基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统的测量方法，该方法基于不共线的三点确定同一个平面，通过汇总卫星接收机A、B、C的位置数据，测量软刚臂的空间状态；通过汇总卫星接收机B、C以及浮体上卫星接收机的位置数据，测量浮体六个自由度运动状态，即横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡状态。首先将基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到卫星信号的差分改正值，然后将该改正值实时地通过无线电数据链传递给移动站以精化其卫星观测值，从而得到经差分修正后更加精确的移动站实时位置，最后将所有的基准站、移动站所接收的数据汇总为一个数据链传输到浮体中控室主机上并通过数学计算确定浮体的实时姿态；其中，所有的基准站、移动站同步采集相对应卫星接收机所接收的数据，采集频率在1Hz以上。进一步地，测量浮体六个自由度运动状态的具体方法如下：定义浮体的艏艉线，即一条通过卫星接收机B、C中点k坐标与浮体顶端中轴线位置处的卫星接收机的直线m；定义软刚臂轴线，即一条通过卫星接收机B、C中点k与卫星接收机A的直线n；定义笛卡尔坐标系，选取初始状态下软刚臂轴线为y轴，沿单点平台方向为y轴正方向；平行海平面且垂直y轴的直线为x轴；垂直xy轴所成平面的直线为z轴；各坐标轴正方向由右手定则确定；1)横摇：定位初始状态卫星接收机B与卫星接收机C的位置，得到两个接收机的空间坐标并确定一条直线l；横摇时，通过定位发生运动后的卫星接收机B与卫星接收机C的位置，得到两个卫星接收机的空间坐标并确定一条直线l'，沿z轴实时计算直线l、l'之间的夹角，即浮体的横摇角；2)纵摇：定位初始状态艏艉线m的空间位置；纵摇时，通过定位发生运动后的卫星接收机B、C与浮体顶端中轴线位置处的卫星接收机的空间坐标，确定纵摇发生时的艏艉线m'，沿z坐标分量实时计算直线m、m'之间的夹角，即浮体的纵摇角；3)艏摇：定位初始状态艏艉线m的空间位置；艏摇时，实时计算xy轴平面上的相对变化角度，即浮体的艏摇角；定位初始状态软刚臂轴线n的空间位置，艏摇时，实时计算该两条直线m、n在xy轴平面上的相对变化角度，即浮体相对软刚臂的相对艏摇角；4)横荡：在分析浮体相对艏摇角的基础上，得到相对艏摇角的sin值；通过准确定位得到横荡时卫星接收机A、B、C的空间坐标确定软刚臂轴线n'，实时计算软刚臂轴线距离d，将d乘以相对艏摇角的sin值，即浮体的相对横荡；5)纵荡：定位初始状态软刚臂轴线距离d的y坐标分量，纵荡时，软刚臂轴线距离d'的y坐标分量减去初始d的y坐标分量，即浮体的纵荡；6)垂荡：根据卫星接收机B、C与浮体顶端中轴线位置处的卫星接收机的空间坐标关系，通过数学算法求出浮体中点处z坐标分量；垂荡时，实时计算运动后浮体中点处z坐标分量减去初始z坐标分量，即浮体的垂荡。本专利技术的有益效果为：1)该系统所采用的卫星接收机、测量天线、数传电台等设备在市面上有较多较为成熟的产品，可以较为方便地进行招标采购，即便相关监测设备出现故障，也可以快速进行维修与更换，确保监测系统的正常运作；2)该系统安装方便，便于拆卸且可靠性较高，能够适应恶劣工况，可以长期较为准确地测量软刚臂的空间姿态，及时发现浮体的运动对软刚臂造成的影响，确保软刚臂以及浮体的正常运作；3)该系统的整体价格低廉，测量效果显著，可在其他海域的软刚臂系泊浮体推广，也可作为高校专业实验教学中使用；4)该系统可以根据实际测量需要灵活调节卫星接收机的数量，以满足不同精度的测量要求；5)该系统的浮体姿态计算方法原理明确、通用性强，对测量系统进行适当改进后即可用于类似装置的姿态测量。附图说明图1是本专利技术专利的正视图；图2是本专利技术专利在浮体横摇下的俯视图；图3是本专利技术专利在浮体纵摇下的正视图；图4是本专利技术专利在浮体艏摇和横荡下的俯视图；图5是本专利技术专利在浮体纵荡下的正视图；图6是本专利技术专利在浮体垂荡下的正式图；图中：1卫星接收机A；2卫星接收机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统，其特征在于，该系统包括基准站、三个以上的移动站以及四个以上的卫星接收机，所述的软刚臂包括系泊腿(5)、系泊臂(6)和压载舱(7)；所述的卫星接收机内部设有卫星接收机天线以及数传电台；卫星接收机A(1)与其下端连接的基准站位于单点平台(9)上端正中心处；卫星接收机B(2)、卫星接收机C(3)分别位于对称设置的系泊腿(5)正上方的系泊支架(8)顶端；卫星接收机D(4)位于浮体(10)上方与卫星接收机B(2)、卫星接收机C(3)不在同一条直线上，所述每个卫星接收机的下端皆连接一个移动站；系泊腿(5)通过压载舱(7)与系泊臂(6)相连，系泊臂(6)固定在单点平台(9)上。

【技术特征摘要】
1.一种基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统，其特征在于，该系统包括基准站、三个以上的移动站以及四个以上的卫星接收机，所述的软刚臂包括系泊腿(5)、系泊臂(6)和压载舱(7)；所述的卫星接收机内部设有卫星接收机天线以及数传电台；卫星接收机A(1)与其下端连接的基准站位于单点平台(9)上端正中心处；卫星接收机B(2)、卫星接收机C(3)分别位于对称设置的系泊腿(5)正上方的系泊支架(8)顶端；卫星接收机D(4)位于浮体(10)上方与卫星接收机B(2)、卫星接收机C(3)不在同一条直线上，所述每个卫星接收机的下端皆连接一个移动站；系泊腿(5)通过压载舱(7)与系泊臂(6)相连，系泊臂(6)固定在单点平台(9)上。2.根据权利要求1所述的一种基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统，其特征在于，当浮体上方只有一个卫星接收机时，该卫星接收机位于浮体上端的中轴线位置处；当浮体上方设置多于一个卫星接收机时，浮体上方的卫星接收机与卫星接收机B(2)、卫星接收机C(3)，任意三个都不在一条直线上。3.权利要求1或2所述的基于实时差分定位技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统的测量方法，其特征在于，该方法基于不共线的三点确定同一个平面，通过汇总卫星接收机A、B、C的位置数据，测量软刚臂的空间状态；通过汇总卫星接收机B、C以及浮体上卫星接收机的位置数据，测量浮体六个自由度运动状态，即横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡状态。4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于：首先将基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到卫星信号的差分改正值，然后将该改正值实时地通过无线电数据链传递给移动站以精化其卫星观测值，从而得到经差分修正后更加精确的移动站实时位置，最后将所有的基准站、移动站所接收的数据汇总为一个数据链传输到浮体中控室主机上并通过数学计算确定浮体的实时姿态；其中，所有的基准站、移动站同步采集相对应卫星接收机所接收的数据，采集频率在1Hz以上。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊哲良，王延林，卢青针，赵熺煜，张向锋，孙姗姗，张大勇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21