一种海上石油钻井平台对接定位引导方法技术

本发明专利技术提出了一种海上石油钻井平台对接定位引导方法。综合了惯性导航、卫星导航、光学测量技术，利用光纤陀螺航姿系统、差分GPS、电罗经、全站仪多种传感器的测量信息，通过数据时间、空间同步处理，建立了多传感器时间、空间统一基准，实现了对接定位引导的三维高精度测量；通过引入无重置式联邦卡尔曼滤波器进行信息融合，输出对接引导信息；通过对差分GPS信息的数据后处理，实现了系统的故障监测，增强了系统可靠性和容错性；利用虚拟现实技术，实现了整个对接过程的全程三维显示，是一种将钻井平台与采油平台对接的有效引导方法。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提出了。综合了惯性导航、卫星导航、光学测量技术，利用光纤陀螺航姿系统、差分GPS、电罗经、全站仪多种传感器的测量信息，通过数据时间、空间同步处理，建立了多传感器时间、空间统一基准，实现了对接定位引导的三维高精度测量；通过引入无重置式联邦卡尔曼滤波器进行信息融合，输出对接引导信息；通过对差分GPS信息的数据后处理，实现了系统的故障监测，增强了系统可靠性和容错性；利用虚拟现实技术，实现了整个对接过程的全程三维显示，是一种将钻井平台与采油平台对接的有效引导方法。【专利说明】
本专利技术涉及的是一种全参数三维海上钻井平台与采油平台的对接定位引导方法，特别是涉及一种海上钻井平台平台对接定位引导方法。
技术介绍
在海上工程中为满足更高的精度和可靠性要求以及节省人力、物力资源，海上石油钻井平台对接不仅要求在恶劣环境下系统的工作适应能力，同时也要求系统能够实时提供三维相对位置、速度、姿态等信息，在动态应用过程中为决策人员提供直观、准确、实时的对接状态参数信息。目前针对于海上钻井平台对接作业的研究较少。在国内处于领先水平的“舰船多功能定位引导系统”能够提供二维定位信息，精度一般，不具有高精度目标跟踪能力，对接过程无虚拟现实场景实时显示；国外对于钻井平台对接较为常见的是位置参考系统/位置监测设备，其系统构成、安装复杂，资金和燃料消费较高，精度一般，且针对性强，扩展应用不便。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种安全、可靠、低成本，能提高钻井平台对接作业的安全性以及对环境的适应能力的海上石油钻井平台对接定位引导方法。本专利技术的目的是这样实现的:(I)差分GPS基准站和全站仪靶标安装于采油平台上；(2)在钻井平台上，利用光纤陀螺航姿系统实时测量钻井平台的横摇角、纵摇角、航向角，利用光纤陀螺航姿系统、差分GPS、电罗经构成的组合系统实时测量钻井平台的方位，差分GPS和全站仪实时测量钻井平台相对采油平台的相对位置与倾角，设计对接引导线，并存储差分GPS信息；(3)将步骤⑵中得到的定位导引信息传输至计算机，进行时间同步处理；(4)将步骤(3)得到的数据进行空间同步处理，建立多传感器时间、空间统一基准；(5)通过统一基准内的量测量更新，实时获取并存储钻井平台对接导引过程中相对预设引导线的误差，并进行误差补偿；(6)对步骤⑵中存储的差分GPS信息以及步骤(5)中补偿后的对接导引信息，进行高精度数据后处理；所述高精度数据后处理的方法为:采集并存储差分GPS数据，构造基于奇异值分解的奇偶矢量，利用进行归一化处理的故障特征向量，得到卫星故障特征向量构成的故障特征平面，进一步根据特征向量是否在故障特征平面上来判断相应卫星故障与否，较传统的基于识别门限的方法有效地避免了漏检和误警的发生，解决了系统的完好性检测问题；(7)将步骤(5)中补偿后的对接导引信息传输至无置位式联邦卡尔曼滤波器，进行滤波解算，实时输出解算结果；所述的无置位式联邦卡尔曼滤波器采用四个航向子滤波器以及一个相对位置滤波器作为子滤波器，四个航向子滤波器分别由FOG航姿系统和DGPS、FOG航姿系统和电罗经、差分GPS和电罗经、全站仪和DGPS提供量测信息，相对位置滤波器由全站仪和DGPS提供量测信息；(8)将步骤(7)中输出的滤波信息，输出至平台对接导引作用器，利用拖船以及钻井平台的锚缆，使钻井平台沿设定的引导线向采油平台靠近，并通过虚拟现实技术，实现对接过程的三维动态显示；所述的虚拟现实技术是:采用基于内存和外存协同数据处理方法，利用基于分形算法和海面建模方法实现整个对接过程的全程三维显示。(9)重复步骤(2)?步骤(8)，直至钻井平台的悬臂梁移动窗口完全覆盖采油平台的作业井口，并进行插桩固定，完成海上石油钻井平台对接定位引导作业。本专利技术的积极效果在于:低成本:本专利技术采用差分GPS、光纤陀螺航姿系统、电罗经、全站仪作为核心设备，不仅获得了高精度的测量信息，而且在系统购置费用、安装使用、燃料消耗等方面具有很大优势。易用性:系统构成简洁、安装使用方便，三维虚拟现实技术的引入使得对接过程更为直观。自主性:借助该系统，工作人员可以根据需求进行信息回放，并进行相关技术培训，同时可以进行演练，以提高自身技能水平。可靠性:该系统方案经过充分论证，具有多套冗余测量信息，经信息融合不仅得到了高精度测量结果，而且保证了系统的可靠性。同时，事后数据处理回放模块的引入可进一步巩固和加强了工作人员的业务水平，保证可靠性。针对性:系统针对海上石油开发企业中钻井平台相关设备对接开发，设备对接相关参数获取全面实时，借助虚拟现实技术及其平台，工作人员可对相关信息进行实时判断和决策，提高工作成功率和效率。扩展性:本专利技术由于组成设备的便携性和安装使用环境的适应性，不仅可用于海上平台对接，通过修改三维显示模块，同样可用于工厂、建筑等方面的大部件高精度对接。本专利技术由于组成设备的便携性和安装使用环境的适应性，该系统不仅可用于海上平台对接，通过修改三维显示模块，同样可为大型工厂、建筑等方面的大部件设备对接提供技术保障。【专利附图】【附图说明】图1是数据处理过程图。【具体实施方式】下面对本专利技术的应用过程做进一步描述。钻井平台与采油平台的对接应保证钻井平台悬臂梁伸出后，悬臂梁上的钻台在纵向和横向上最大的移动范围内覆盖采油平台上的作业井口，即钻井平台的悬臂梁移动窗口完全覆盖作业井口区。平台对接系统主要由光纤陀螺航姿系统、差分GPS、电罗经、全站仪和计算机主机构成。所述的光纤陀螺航姿系统安装于钻井平台上，用于测量钻井平台姿态，即横摇角、纵摇角、航向角。所述的差分GPS基准站安装于采油平台上，移动站安装于钻井平台上，用于测量钻井平台的航向角以及钻井平台与采油平台的相对位置。所述的电罗经安装于钻井平台上，用于测量钻井平台的航向信息。所述的全站仪安装于钻井平台上，其靶标安装于采油平台上，用于测量钻井平台相对于采油平台的位置和倾角，并辅助差分GPS测量钻井平台的航向。本专利技术采用了组合导航技术、差分GPS技术、激光测距测角技术、信息融合技术、虚拟现实技术、高精度数据后处理等多项技术，经多种传感器的无置位式联邦卡尔曼滤波信息融合，实现钻井平台与采油平台对接过程中三维相对位置、相对方位、钻井平台的三维姿态等实时变化信息的测量、传输和作业全过程的逼真显示。具体实施步骤为:(I)对接作业前，工作人员首先到达采油平台，将差分GPS基准站和全站仪靶标安装于采油平台上，精确测量采油平台上差分GPS基准站的位置以及导管架的方位信息。(2)对准作业开始，在钻井平台上，利用光纤陀螺航姿系统实时测量钻井平台的横摇角、纵摇角、航向角，利用光纤陀螺航姿系统、差分GPS、电罗经构成的组合系统实时测量钻井平台的方位，差分GPS和全站仪实时测量钻井平台相对采油平台的相对位置与倾角，设计对接引导线，并存储差分GPS信息；(3)将步骤(2)中得到的定位导引信息传输至计算机，在主机中对采集到的数据进行质量控制处理和数据一致性处理，通过进行时间、空间同步处理，建立多传感器时间、空间统一基准；所述的时间同步处理:以GPS时钟信息为时间参考基准，通过计算GPS接收机与光纤陀螺航姿系统、电罗经、全站仪在数据融合时间段内的数据同步时间差，进而运用拉格朗日本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种海上石油钻井平台对接定位引导方法，其特征是包括如下步骤：?(1)差分GPS基准站和全站仪靶标安装于采油平台上；?(2)在钻井平台上，利用光纤陀螺航姿系统实时测量钻井平台的横摇角、纵摇角、航向角，利用光纤陀螺航姿系统、差分GPS、电罗经构成的组合系统实时测量钻井平台的方位，差分GPS和全站仪实时测量钻井平台相对采油平台的相对位置与倾角，设计对接引导线，并存储差分GPS信息；?(3)将步骤(2)中得到的定位导引信息传输至计算机，进行时间同步处理；?(4)将步骤(3)得到的数据进行空间同步处理，建立多传感器时间、空间统一基准；?(5)通过统一基准内的量测量更新，实时获取并存储钻井平台对接导引过程中相对预设引导线的误差，并进行误差补偿；?(6)对步骤(2)中存储的差分GPS信息以及步骤(5)中补偿后的对接导引信息，进行高精度数据后处理；?(7)将步骤(5)中补偿后的对接导引信息传输至无置位式联邦卡尔曼滤波器，进行滤波解算，实时输出解算结果；?(8)将步骤(7)中输出的滤波信息，输出至平台对接导引作用器，利用拖船以及钻井平台的锚缆，使钻井平台沿设定的引导线向采油平台靠近，并通过虚拟现实技术，实现对接过程的三维动态显示；?(9)重复步骤(2)～步骤(8)，直至钻井平台的悬臂梁移动窗口完全覆盖采油平台的作业井口，并进行插桩固定，完成海上石油钻井平台对接定位引导作业。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁继成，班镜超，赵琳，刘瑞霞，闫保中，黄卫权，李慧，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：