本發(fā)明屬于海洋平臺設備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于實時差分定位(real-timekinematic，rtk)技術(shù)的軟剛臂系泊浮體姿態(tài)測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

我國渤海地區(qū)有著豐富的油氣資源，但是整體分布較為分散，許多油氣田為邊際油田，中國海洋石油總公司先后投入了7艘浮式生產(chǎn)儲油卸油裝置(floatingproductionstorageandoffloading,fpso)進行油氣開采，并采用軟剛臂系泊方式將fpso系泊于某一固定海域。軟剛臂系泊，實質(zhì)上是為fpso提供一個水平剛度，使得fpso在外部荷載作用下?lián)碛谢謴土?。雖然目前學者對軟剛臂系泊fpso進行了廣泛的研究，但由于海洋真實環(huán)境的復雜性與不確定性，同時渤海存在淺水效應的問題，軟剛臂設計并不成熟。渤海曾經(jīng)發(fā)生多起在外部荷載條件下軟剛臂失效的事故。由于fpso自身沒有動力，一旦發(fā)生軟剛臂失效解脫，會嚴重影響正常的生產(chǎn)以及人員的生命安全。因此，軟剛臂是整個軟剛臂系泊浮體設計的核心，在沒有更好的系泊方式下，如何對軟剛臂運動形態(tài)以及fpso的6個自由度對軟剛臂作用進行全方位、實時的監(jiān)控，是亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的浮體測量主要采用的方法主要采用慣性導航系統(tǒng)(inertialnavigationsystem,ins)或傾角儀。其中，ins技術(shù)內(nèi)置陀螺儀，可對船體的橫搖、縱搖、艏搖三個量進行動態(tài)的測量。然而，對于軟剛臂系泊浮體來說，該3個量缺少橫蕩、縱蕩、升沉的浮體運動量，不能對軟剛臂可能發(fā)生的危險工況進行精確的預判；同時，傾角儀是一種測量緩慢傾角的變化，不適合用于浮體的動態(tài)測量，尤其對于微小動態(tài)傾角的測量精度則更加不理想。此外，還有研究人員嘗試采用激光傳感器等高精度測距傳感器來測量單點平臺與浮體相對距離的關(guān)系，但這些方法都不足以實時描述軟剛臂的空間形態(tài)，且如何實現(xiàn)多種傳感器的同步采集也是一個亟待解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于實時差分定位技術(shù)的軟剛臂系泊浮體姿態(tài)測量系統(tǒng)及方法。該方法所利用的測量系統(tǒng)能夠?qū)崟r測量軟剛臂的空間狀態(tài)，以及浮體的橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩以及垂蕩六種運動姿態(tài)變化，并能夠保證精度與可靠性。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案：

一種基于實時差分定位技術(shù)的軟剛臂系泊浮體姿態(tài)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基準站、三個以上的移動站以及四個以上的衛(wèi)星接收機，所述的軟剛臂包括系泊腿、系泊臂和壓載艙；所述的衛(wèi)星接收機內(nèi)部設有衛(wèi)星接收機天線以及數(shù)傳電臺；為了使基準站在任何狀態(tài)下不發(fā)生移動，保證厘米級及以上的測量效果，衛(wèi)星接收機a與其下端連接的基準站位于單點平臺上端正中心處；衛(wèi)星接收機b、衛(wèi)星接收機c分別位于對稱設置的系泊腿正上方的系泊支架頂端；衛(wèi)星接收機d位于浮體上方與衛(wèi)星接收機b、衛(wèi)星接收機c不在同一條直線上，所述每個衛(wèi)星接收機的下端皆連接一個移動站；采用高性能發(fā)射電臺做為數(shù)傳鏈路接收實時差分改正數(shù)據(jù)，系泊腿通過壓載艙與系泊臂相連，系泊臂固定在單點平臺上。

進一步地，當浮體上方只有一個衛(wèi)星接收機時，該衛(wèi)星接收機位于浮體上端的中軸線位置處；當浮體上方設置多于一個衛(wèi)星接收機時，以進一步提高浮體姿態(tài)測量精度；浮體上方的衛(wèi)星接收機與衛(wèi)星接收機b、衛(wèi)星接收機c，任意三個都不在一條直線上。

上述基于實時差分定位技術(shù)的軟剛臂系泊浮體姿態(tài)測量系統(tǒng)的測量方法，該方法基于不共線的三點確定同一個平面，通過匯總衛(wèi)星接收機a、b、c的位置數(shù)據(jù)，測量軟剛臂的空間狀態(tài)；通過匯總衛(wèi)星接收機b、c以及浮體上衛(wèi)星接收機的位置數(shù)據(jù)，測量浮體六個自由度運動狀態(tài)，即橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩、垂蕩狀態(tài)。

首先將基準站所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較，得到衛(wèi)星信號的差分改正值，然后將該改正值實時地通過無線電數(shù)據(jù)鏈傳遞給移動站以精化其衛(wèi)星觀測值，從而得到經(jīng)差分修正后更加精確的移動站實時位置，最后將所有的基準站、移動站所接收的數(shù)據(jù)匯總為一個數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)礁◇w中控室主機上并通過數(shù)學計算確定浮體的實時姿態(tài)；其中，所有的基準站、移動站同步采集相對應衛(wèi)星接收機所接收的數(shù)據(jù)，采集頻率在1hz以上。

進一步地，測量浮體六個自由度運動狀態(tài)的具體方法如下：

定義浮體的艏艉線，即一條通過衛(wèi)星接收機b、c中點k坐標與浮體頂端中軸線位置處的衛(wèi)星接收機的直線m；定義軟剛臂軸線，即一條通過衛(wèi)星接收機b、c中點k與衛(wèi)星接收機a的直線n；定義笛卡爾坐標系，選取初始狀態(tài)下軟剛臂軸線為y軸，沿單點平臺方向為y軸正方向；平行海平面且垂直y軸的直線為x軸；垂直xy軸所成平面的直線為z軸；各坐標軸正方向由右手定則確定；

1)橫搖：定位初始狀態(tài)衛(wèi)星接收機b與衛(wèi)星接收機c的位置，得到兩個接收機的空間坐標并確定一條直線l；橫搖時，通過定位發(fā)生運動后的衛(wèi)星接收機b與衛(wèi)星接收機c的位置，得到兩個衛(wèi)星接收機的空間坐標并確定一條直線l'，沿z軸實時計算直線l、l'之間的夾角，即浮體的橫搖角；

2)縱搖：定位初始狀態(tài)艏艉線m的空間位置；縱搖時，通過定位發(fā)生運動后的衛(wèi)星接收機b、c與浮體頂端中軸線位置處的衛(wèi)星接收機的空間坐標，確定縱搖發(fā)生時的艏艉線m'，沿z坐標分量實時計算直線m、m'之間的夾角，即浮體的縱搖角；

3)艏搖：定位初始狀態(tài)艏艉線m的空間位置；艏搖時，實時計算xy軸平面上的相對變化角度，即浮體的艏搖角；定位初始狀態(tài)軟剛臂軸線n的空間位置，艏搖時，實時計算該兩條直線m、n在xy軸平面上的相對變化角度，即浮體相對軟剛臂的相對艏搖角；

4)橫蕩：在分析浮體相對艏搖角的基礎上，得到相對艏搖角的sin值；通過準確定位得到橫蕩時衛(wèi)星接收機a、b、c的空間坐標確定軟剛臂軸線n'，實時計算軟剛臂軸線距離d，將d乘以相對艏搖角的sin值，即浮體的相對橫蕩；

5)縱蕩：定位初始狀態(tài)軟剛臂軸線距離d的y坐標分量，縱蕩時，軟剛臂軸線距離d'的y坐標分量減去初始d的y坐標分量，即浮體的縱蕩；

6)垂蕩：根據(jù)衛(wèi)星接收機b、c與浮體頂端中軸線位置處的衛(wèi)星接收機的空間坐標關(guān)系，通過數(shù)學算法求出浮體中點處z坐標分量；垂蕩時，實時計算運動后浮體中點處z坐標分量減去初始z坐標分量，即浮體的垂蕩。

本發(fā)明的有益效果為：

1)該系統(tǒng)所采用的衛(wèi)星接收機、測量天線、數(shù)傳電臺等設備在市面上有較多較為成熟的產(chǎn)品，可以較為方便地進行招標采購，即便相關(guān)監(jiān)測設備出現(xiàn)故障，也可以快速進行維修與更換，確保監(jiān)測系統(tǒng)的正常運作；

2)該系統(tǒng)安裝方便，便于拆卸且可靠性較高，能夠適應惡劣工況，可以長期較為準確地測量軟剛臂的空間姿態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)浮體的運動對軟剛臂造成的影響，確保軟剛臂以及浮體的正常運作；

3)該系統(tǒng)的整體價格低廉，測量效果顯著，可在其他海域的軟剛臂系泊浮體推廣，也可作為高校專業(yè)實驗教學中使用；

4)該系統(tǒng)可以根據(jù)實際測量需要靈活調(diào)節(jié)衛(wèi)星接收機的數(shù)量，以滿足不同精度的測量要求；

5)該系統(tǒng)的浮體姿態(tài)計算方法原理明確、通用性強，對測量系統(tǒng)進行適當改進后即可用于類似裝置的姿態(tài)測量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明專利的正視圖；

圖2是本發(fā)明專利在浮體橫搖下的俯視圖；

圖3是本發(fā)明專利在浮體縱搖下的正視圖；

圖4是本發(fā)明專利在浮體艏搖和橫蕩下的俯視圖；

圖5是本發(fā)明專利在浮體縱蕩下的正視圖；

圖6是本發(fā)明專利在浮體垂蕩下的正式圖；

圖中：1衛(wèi)星接收機a；2衛(wèi)星接收機b；3衛(wèi)星接收機c；4衛(wèi)星接收機d；1'發(fā)生運動后衛(wèi)星接收機a的相對位置；2'發(fā)生運動后衛(wèi)星接收機b的相對位置；3'發(fā)生運動后衛(wèi)星接收機c的相對位置；4'發(fā)生運動后衛(wèi)星接收機d的相對位置；5系泊腿；6系泊臂；7壓載艙；8系泊支架；9單點平臺；10浮體。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明進行詳細描述。

一種基于rtk技術(shù)的軟剛臂系泊浮體測量方法，其裝置是將1臺衛(wèi)星接收機1置于單點平臺，下方連接基準站。另3臺衛(wèi)星接收機b、c、d置于浮體，下方均連接移動站。基準站和移動站可同時接收相同衛(wèi)星發(fā)射的信號。測量過程中，首先將基準站所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較，得到衛(wèi)星信號的差分改正值，然后將該改正值實時地通過無線電數(shù)據(jù)鏈傳遞給移動站以精化其衛(wèi)星觀測值，從而得到經(jīng)差分修正后更加精確的移動站實時位置，最后將所有的基準站、移動站所接收的數(shù)據(jù)匯總為一個數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)礁◇w中控室主機上并通過數(shù)學計算確定浮體的實時姿態(tài)。采樣過程中，考慮浮體和軟剛臂運動頻率，根據(jù)采樣定理，rtk采集頻率應保持在1hz以上，軟剛臂所系泊的浮體則可以為fpso，flng，lng，fpdso等多種形式。

如圖1所示，四臺接收機的具體位置分布為：單點平臺，即在中間位置安裝一臺單天線的衛(wèi)星接收機1，保證單點平臺旋轉(zhuǎn)時衛(wèi)星接收機1空間位置保持不變。內(nèi)有衛(wèi)星接收機天線以及數(shù)傳電臺，下方連接基準站；浮體，即在系泊腿正上方、系泊支架頂端對稱安裝兩臺衛(wèi)星接收機2、3，以及浮體的中軸線上安裝一臺衛(wèi)星接收機4。三臺衛(wèi)星接收機上內(nèi)有衛(wèi)星接收機天線以及數(shù)傳電臺，下方均連接移動站。所安裝的三臺衛(wèi)星接收機不能處于同一直線上。為了增加測量精度，可在浮體頂端增加衛(wèi)星接收機和下端移動站的個數(shù)。

采用以上方案，該裝置可以精確測量軟剛臂以及浮體10的六個自由度運動：

1.軟剛臂姿態(tài)。由衛(wèi)星接收機a1和衛(wèi)星接收機b2、c3不同線的三個點組成一個平面，當浮體運動時，通過計算衛(wèi)星接收機b2與衛(wèi)星接收機c3空間位置的變化即可測量出軟剛臂的各種空間形態(tài)；

2.浮體六個自由度運動。定義浮體的艏艉線，即一條通過衛(wèi)星接收機b2、c3中點k坐標與衛(wèi)星接收機d4的直線m；軟剛臂軸線，即一條通過衛(wèi)星接收機b2、c3中點k與衛(wèi)星接收機a1的直線n。定義笛卡爾坐標系，選取初始狀態(tài)下軟剛臂軸線為y軸，沿單點平臺9方向為y軸正方向；平行海平面且垂直y軸的直線為x軸；垂直xy軸所成平面的直線為z軸。各坐標軸正方向由右手定則確定。具體測量方法如下：

1)橫搖：如圖2所示，精確定位衛(wèi)星接收機b2與衛(wèi)星接收機c3的位置，可得到兩個接收機的空間坐標并確定一條直線l。橫搖時，通過定位衛(wèi)星接收機b(2')與衛(wèi)星接收機c(3')的位置得到兩個衛(wèi)星接收機的空間坐標并確定一條直線l'，沿z軸實時計算直線l、l'之間的夾角，即浮體的橫搖角；

2)縱搖：如圖3所示，精確定位艏艉線m的空間位置?？v搖時，實時定位衛(wèi)星接收機b(2')、c(3')、d(4')的空間坐標，確定縱搖發(fā)生時的艏艉線m'，沿z坐標分量實時計算直線m、m'之間的夾角，即浮體的縱搖角；

3)艏搖：如圖4所示，精確定位艏艉線m的空間位置。艏搖時，實時計算xy軸平面上的相對變化角度，即浮體的艏搖角；考慮軟剛臂對浮體艏搖的影響，精確定位艏艉線m以及軟剛臂軸線n的空間位置。艏搖時，實時計算該兩條直線m、n在xy軸平面上的相對變化角度，即浮體相對軟剛臂的相對艏搖角。

4)橫蕩：如圖4所示，橫蕩時，在分析浮體相對艏搖角的基礎上，可以得到相對艏搖角的sin值。通過準確定位可以得到橫蕩時衛(wèi)星接收機a1、b(2')、c(3')的空間坐標確定軟剛臂軸線n'。實時計算軟剛臂軸線距離d，將d乘以相對艏搖角的sin值，即浮體的相對橫蕩；

5)縱蕩：如圖5所示，精確定位軟剛臂軸線距離d的y坐標分量。縱蕩時，軟剛臂軸線距離d'的y坐標分量減去初始y坐標分量，即浮體的縱蕩；

6)垂蕩：如圖6所示，考慮衛(wèi)星接收機b、c、d與浮體中點處的位置關(guān)系，通過數(shù)學算法求出浮體中點處z坐標分量。垂蕩時，根據(jù)衛(wèi)星接收機b(2')、c(3')、d(4')實時計算浮體中點處z坐標分量減去初始z坐標分量，即浮體的垂蕩。