[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明属于海洋平台设备技术领域，涉及一种基于实时差分定位(real-time kinematic，RTK)技术的软刚臂系泊浮体姿态测量系统及方法。

背景技术

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(Floating Production Storage and Offloading,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(inertial navigation system,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。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明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。

本发明采取的技术方案：

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：