CN114114361B - 一种基于gnss的海上平台精就位辅助系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统及工作方法，属于GNSS海洋应用技术领域，解决了海上平台就位工作过程中平台位置获取自动化程度不高的问题。系统由水下地形获取端、拖船和海上平台定位端、数据融合处理端和应用端构成。水下地形获取端以船舶为载体，搭载GNSS和水下测量传感器，获取带有位置信息的海底地形数据；拖船和海上平台定位端通过在拖船和平台上安装多个GNSS接收机，通过差分定位的方式实时获取载体的位置和姿态信息；数据融合处理端通过融合海底地形数据以及拖船和平台的定位结果进行二次处理，生成电子地图数据用于辅助拖船作业；应用端通过解码并绘制电子地图，用于辅助海上平台的精就位。

Description

一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统及工作方法

技术领域

本发明公开了一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统及工作方法，属于GNSS海洋应用技术领域。

背景技术

卫星差分定位的方式能够得到厘米级和毫米级的定位精度，由于其极大的改变了传统测量行业，在多个领域已经逐步取代全站仪和水准仪等测量设备。随着海洋资源的勘探和开发，越来越多的海上平台开始投入使用。海上平台的就位作业是一项高风险的联合作业工作，要求平台之间的安全距离较短，这就要求海上平台的就位精度需要达到米级及以上。当前，海上平台精就位作业的平台位置确定方式多是基于全站仪或星站差分定位服务等方式，一方面自动化程度较低，距离的测量和拖船的操作都依靠人工，不能实时的掌握平台的位移变化信息，另一方面不能实时的结合勘测的海底地形数据进行安放工作，在无海底地形情形下进行就位存在安全隐患。因此需要一种定位精度高、具有高实时性和可视性的方法来辅助海上平台精就位工作。

发明内容

本发明提出了一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统及工作方法，解决现有技术的精就位作业位置获取自动化程度低、可视化程度差的问题。

一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统，包括数据采集端、数据融合处理端、应用端和通信链路；

所述数据采集端连通地形测绘传感器、RTK设备、GNSS设备和数据融合处理端，所述地形传感器采集海底地形信息，所述RTK设备进行海上平台的平面测量，所述GNSS设备安装在海上载体上并获取海上载体的实时位置；

所述数据融合处理端将海底地形信息、海上平台的平面测量信息和GNSS设备解算的实时位置信息进行融合处理并生成电子地图，通过通信链路实时向应用端发送海上平台当前所处的大地坐标系下的位置与该位置的海底地形；

所述应用端通过显示屏实时向用户展示海上平台的实时位置和该位置的海底地形信息；

所述通信链路用于数据采集端、数据融合处理端和应用端之间的数据传输，所述通信链路包括电台、LoRA、4G、有线网络和无线网络。

优选地，所述地形测绘传感器搭载在拖船的船底，对海上平台的目标就位区域进行地形和地质数据获取，所述地形测绘传感器包括浅刨仪、侧扫声呐、磁力计和激光测深仪；

所述数据采集端还包括INS设备和USBL定位设备，数据采集端根据GNSS设备和地形测绘传感器的相对位置关系，获取海底地形波束点在WGS84坐标系下的位置坐标；

所述数据采集端将采集的信息导入到数据融合处理端。

优选地，所述海上平台的平面测量具体为，利用RTK测量对海上平台的大小和尺寸进行测量，并结合海上平台的图纸信息构建数字平面矢量图；

RTK测量的点位包括海上平台各边的边缘线、平台拖拽点和GNSS接收机安装位置；

所述数字平面矢量图的内容包括：海上平台的俯视图简略图、平台的长度和宽度、平台拖拽点和GNSS接收机安装位置。

优选地，采用GNSS载波差分定位获取海上载体的实时位置；

在海上平台和拖船上架设GNSS基准站和多个GNSS监测站，所述GNSS监测站和基准站均由GNSS接收机和通信模块构成，GNSS接收机接收差分信息进行载波差分定位并实时输出定位结果，通信模块提供通信链路与GNSS接收机相连，实现接收机间的数据传输以及接收机和数据融合处理端的数据传输；

所述基准站的位置信息通过星站差分获取，所述基准站向外播发观测数据和位置信息，所述观测数据包括多频卫星系统的伪距、载波、多普勒、信噪比和广播星历；GNSS监测站接收观测数据和位置信息后，通过载波差分定位获取自身的位置信息和与基准站的相对位置关系，并通过通信链路发送给数据融合处理端。

优选地，所述海底地形信息和GNSS设备解算的实时位置信息为先验信息，通过文件的形式导入到数据融合处理端，所述海上平台的位置信息为实时信息，通过通信链路实时传输到数据融合处理端；

所述应用端将数据融合处理端发送的编码数据还原为带有拖船的位置和姿态信息、平台的坐标位置和姿态信息、海底的地形信息、拖船和平台的形状数据的电子地图，完成解码。

一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统的工作方法，采用所述的基于GNSS辅助的海上平台精就位系统，包括：

S1.在拖船上安装GNSS接收机和地形测绘传感器，测量GNSS接收机和地形测绘测量传感器的相对位置关系；

S2.对海上平台的目标就位区域进行海底数据采集，获取海底地形数据；

S3.解析海底地形数据并转换到WGS84坐标系下；

S4.利用海上平台和拖船的图纸信息结合实地测量获取拖船和海上平台的二维平面尺寸信息，构建数字平面矢量图；

S5.在海上平台和拖船上安装GNSS接收机，实时获取GNSS差分定位结果；

S6.根据GNSS接收机的安装位置、拖船与海上平台的二维平面尺寸信息求解拖船和海上平台的整体定位信息；

S7.进行数据融合，得到拖船和海上平台所处的位置和该位置的海底地形信息；

S8.将S7中的信息整合为电子地图，为施工人员提供平台的实时状态和精就位辅助信息。

优选地，通过计算海上平台的实时位置信息与海上平台的预设目标位置的差值，生成辅助信息，所述辅助信息包含平台位置信息、速度信息、姿态信息、平台距离预设位置的位置差异和姿态差异值。

优选地，步骤S2包括：

S2.1.在拖船上安装多台GNSS设备,在船底、船侧安装地形测绘传感器；

S2.2.利用全站仪、RTK测量和图纸信息获取GNSS设备和地形测绘传感器的相对位置；

S2.3.控制船舶在海上平台的目标就位区域进行海底地形探测并记录数据，同时利用GNSS记录船舶的运动轨迹和船身姿态；

S2.4.在GNSS位置已知的情况下，根据坐标传递的方式以及GNSS设备和地形测绘传感器的相对位置，求出地形测绘传感器的运动轨迹和姿态，进而求出所测海底地形数据的坐标；

S2.5.将含有坐标信息的海底地形数据进行二次处理，生成高程模型、水平模型和平面地图，绘制等高线，所述高程模型为数字高程模型，等高线为海底地形矢量等高线，平面地图为带有坐标轴、方向、比例尺和等高线的海底平面地图。

优选地，所述海上平台的位置信息的处理过程包括：

B1.根据采集到的海底地形数据和海上平台的平面测量信息，确定海上平台安放位置的具体坐标区域；

B2.求出GNSS接收机的目标坐标点；

B3.根据GNSS接收机提供的实时位置信息，计算出各个GNSS接收机距离目标坐标点的距离，利用多台接收机之间的位置关系求出海上平台的安装偏差距离和角度；

B4.生成电子地图，以海底地形图为底图，实时绘制海上平台、拖船的位置和形状信息，提供给各个拖船和平台施工人员使用。

与现有技术对比，本发明的有益效果是：

通过在海底地形数据采集时加装GNSS设备的方法，获取并生成带有位置信息的海底地形数据，为海上平台的精就位施工提供了更为详细的海底地形信息，确保就位安全；提出在拖船和海上平台GNSS接收机来辅助海上平台精就位的工作模式，实现了海上平台位置和方位的实时获取和显示，提高了海上平台就位作业的自动化程度，提升了现场施工的效率和就位精度；构建了基于GNSS的海上平台精就位辅助系统，通过融合海底地形与海上平台的位置信息，并在位于拖船和平台的多个应用终端实时同步展示，使得各个施工船只和平台的施工人员能够更为高效的掌握当前的施工状态。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明的精就位辅助系统实施例的作业示意图；

附图标记包括：1-第一拖船，2-第二拖船，3-第三拖船，4-第四拖船，5-已固定平台，6-待就位平台。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统，包括数据采集端、数据融合处理端、应用端和通信链路；

所述数据采集端连通地形测绘传感器、RTK设备、GNSS设备和数据融合处理端，所述地形传感器采集海底地形信息，所述RTK设备进行海上平台的平面测量，所述GNSS设备安装在海上载体上并获取海上载体的实时位置；

所述数据融合处理端将海底地形信息、海上平台的平面测量信息和GNSS设备解算的实时位置信息进行融合处理并生成电子地图，通过通信链路实时向应用端发送海上平台当前所处的大地坐标系下的位置与该位置的海底地形；

所述应用端通过显示屏实时向用户展示海上平台的实时位置和该位置的海底地形信息；

所述通信链路用于数据采集端、数据融合处理端和应用端之间的数据传输，所述通信链路包括电台、LoRA、4G、有线网络和无线网络。

所述地形测绘传感器搭载在拖船的船底，对海上平台的目标就位区域进行地形和地质数据获取，所述地形测绘传感器包括浅刨仪、侧扫声呐、磁力计和激光测深仪；

所述数据采集端还包括INS设备和USBL定位设备，数据采集端根据GNSS设备和地形测绘传感器的相对位置关系，获取海底地形波束点在WGS84坐标系下的位置坐标；

所述数据采集端将采集的信息导入到数据融合处理端。

所述海上平台的平面测量具体为，利用RTK测量对海上平台的大小和尺寸进行测量，并结合海上平台的图纸信息构建数字平面矢量图；

RTK测量的点位包括海上平台各边的边缘线、平台拖拽点和GNSS接收机安装位置；

所述数字平面矢量图的内容包括：海上平台的俯视图简略图、平台的长度和宽度、平台拖拽点和GNSS接收机安装位置。

采用GNSS载波差分定位获取海上载体的实时位置；

在海上平台和拖船上架设GNSS基准站和多个GNSS监测站，所述GNSS监测站和基准站均由GNSS接收机和通信模块构成，GNSS接收机接收差分信息进行载波差分定位并实时输出定位结果，通信模块提供通信链路与GNSS接收机相连，实现接收机间的数据传输以及接收机和数据融合处理端的数据传输；

所述基准站的位置信息通过星站差分获取，所述基准站向外播发观测数据和位置信息，所述观测数据包括多频卫星系统的伪距、载波、多普勒、信噪比和广播星历；GNSS监测站接收观测数据和位置信息后，通过载波差分定位获取自身的位置信息和与基准站的相对位置关系，并通过通信链路发送给数据融合处理端。

所述海底地形信息和GNSS设备解算的实时位置信息为先验信息，通过文件的形式导入到数据融合处理端，所述海上平台的位置信息为实时信息，通过通信链路实时传输到数据融合处理端；

所述应用端将数据融合处理端发送的编码数据还原为带有拖船的位置和姿态信息、平台的坐标位置和姿态信息、海底的地形信息、拖船和平台的形状数据的电子地图，完成解码。

一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统的工作方法，采用所述的基于GNSS辅助的海上平台精就位系统，包括：

S1.在拖船上安装GNSS接收机和地形测绘传感器，测量GNSS接收机和地形测绘测量传感器的相对位置关系；

S2.对海上平台的目标就位区域进行海底数据采集，获取海底地形数据；

S3.解析海底地形数据并转换到WGS84坐标系下；

S4.利用海上平台和拖船的图纸信息结合实地测量获取拖船和海上平台的二维平面尺寸信息，构建数字平面矢量图；

S5.在海上平台和拖船上安装GNSS接收机，实时获取GNSS差分定位结果；

S6.根据GNSS接收机的安装位置、拖船与海上平台的二维平面尺寸信息求解拖船和海上平台的整体定位信息；

S7.进行数据融合，得到拖船和海上平台所处的位置和该位置的海底地形信息；

S8.将S7中的信息整合为电子地图，为施工人员提供平台的实时状态和精就位辅助信息。

通过计算海上平台的实时位置信息与海上平台的预设目标位置的差值，生成辅助信息，所述辅助信息包含平台位置信息、速度信息、姿态信息、平台距离预设位置的位置差异和姿态差异值。

步骤S2包括：

S2.1.在拖船上安装多台GNSS设备,在船底、船侧安装地形测绘传感器；

S2.2.利用全站仪、RTK测量和图纸信息获取GNSS设备和地形测绘传感器的相对位置；

S2.3.控制船舶在海上平台的目标就位区域进行海底地形探测并记录数据，同时利用GNSS记录船舶的运动轨迹和船身姿态；

S2.4.在GNSS位置已知的情况下，根据坐标传递的方式以及GNSS设备和地形测绘传感器的相对位置，求出地形测绘传感器的运动轨迹和姿态，进而求出所测海底地形数据的坐标；

S2.5.将含有坐标信息的海底地形数据进行二次处理，生成高程模型、水平模型和平面地图，绘制等高线，所述高程模型为数字高程模型，等高线为海底地形矢量等高线，平面地图为带有坐标轴、方向、比例尺和等高线的海底平面地图。

所述海上平台的位置信息的处理过程包括：

B1.根据采集到的海底地形数据和海上平台的平面测量信息，确定海上平台安放位置的具体坐标区域；

B2.求出GNSS接收机的目标坐标点；

B3.根据GNSS接收机提供的实时位置信息，计算出各个GNSS接收机距离目标坐标点的距离，利用多台接收机之间的位置关系求出海上平台的安装偏差距离和角度；

B4.生成电子地图，以海底地形图为底图，实时绘制海上平台、拖船的位置和形状信息，提供给各个拖船和平台施工人员使用。

参照图3，本发明所提出的一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统的实现方法具体应用的一个实例包括如下步骤：

（1）在本实例中，图示1、2、3、4为四艘拖船，1-6上的圆圈表示GNSS接收机，拖船与待就位平台通过拖缆相连，图中用虚线表示，位于图中心的六边形虚线表示平台目标就位位置；

（2）在各个拖船、已固定平台5、待就位平台6上安装GNSS接收机，将其中一个GNSS接收机站作为基准站，通过通讯链路向外播发GNSS原始观测值和位置信息，其他接收机在接收到该基准站的数据后进行差分定位解算，获取相对于基准站的相对坐标，利用基准站播发的位置信息得到自身的真实坐标，并通过通讯链路将自身的坐标发送给数据融合处理端；

（3）数据融合处理端在接收到各个接收机发送的自身位置信息后，结合前期进行的平台测量数据，得到已固定平台5、船舶和待就位平台6的位置和姿态信息，通过计算得到当前平台就位所需的改正值，结合海底地形图绘制出电子地图；

（4）数据融合处理端将电子地图压缩通过通讯链路播发，位于已固定平台5、拖船和待就位平台6的多个应用终端接收数据并解码电子地图，利用显示器实时展示以供施工人员使用。

（5）施工人员根据电子地图提供的就位辅助信息，控制拖船的移动和缆绳的收放，实现待就位平台6按照计划放置在设计位置处，完成海上平台的精就位。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统，其特征在于，包括数据采集端、数据融合处理端、应用端和通信链路；

所述数据采集端连通地形测绘传感器、RTK设备、GNSS设备和数据融合处理端，所述地形测绘传感器采集海底地形信息，所述RTK设备进行海上平台的平面测量，所述GNSS设备安装在海上载体上并获取海上载体的实时位置；

所述数据融合处理端将海底地形信息、海上平台的平面测量信息和GNSS设备解算的实时位置信息进行融合处理并生成电子地图，通过通信链路实时向应用端发送海上平台当前所处的大地坐标系下的位置与该位置的海底地形；

所述应用端通过显示屏实时向用户展示海上平台的实时位置和该位置的海底地形信息；

所述通信链路用于数据采集端、数据融合处理端和应用端之间的数据传输，所述通信链路包括电台、LoRA、4G、有线网络和无线网络。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统，其特征在于，所述地形测绘传感器搭载在拖船的船底，对海上平台的目标就位区域进行地形和地质数据获取，所述地形测绘传感器包括浅刨仪、侧扫声呐、磁力计和激光测深仪；

所述数据采集端还包括INS设备和USBL定位设备，数据采集端根据GNSS设备和地形测绘传感器的相对位置关系，获取海底地形波束点在WGS84坐标系下的位置坐标；

所述数据采集端将采集的信息导入到数据融合处理端。

3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统，其特征在于，所述海上平台的平面测量具体为，利用RTK测量对海上平台的大小和尺寸进行测量，并结合海上平台的图纸信息构建数字平面矢量图；

RTK测量的点位包括海上平台各边的边缘线、平台拖拽点和GNSS接收机安装位置；

所述数字平面矢量图的内容包括：海上平台的俯视图简略图、平台的长度和宽度、平台拖拽点和GNSS接收机安装位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统，其特征在于，采用GNSS载波差分定位获取海上载体的实时位置；

在海上平台和拖船上架设GNSS基准站和多个GNSS监测站，所述GNSS监测站和基准站均由GNSS接收机和通信模块构成，GNSS接收机接收差分信息进行载波差分定位并实时输出定位结果，通信模块提供通信链路与GNSS接收机相连，实现接收机间的数据传输以及接收机和数据融合处理端的数据传输；

所述基准站的位置信息通过星站差分获取，所述基准站向外播发观测数据和位置信息，所述观测数据包括多频卫星系统的伪距、载波、多普勒、信噪比和广播星历；GNSS监测站接收观测数据和位置信息后，通过载波差分定位获取自身的位置信息和与基准站的相对位置关系，并通过通信链路发送给数据融合处理端。

5.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统，其特征在于，所述海底地形信息和GNSS设备解算的实时位置信息为先验信息，通过文件的形式导入到数据融合处理端，所述海上平台的位置信息为实时信息，通过通信链路实时传输到数据融合处理端；

所述应用端将数据融合处理端发送的编码数据还原为带有拖船的位置和姿态信息、平台的坐标位置和姿态信息、海底的地形信息、拖船和平台的形状数据的电子地图，完成解码。

6.一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统的工作方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一所述的一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统，包括：

S1.在拖船上安装GNSS接收机和地形测绘传感器，测量GNSS接收机和地形测绘测量传感器的相对位置关系；

S2.对海上平台的目标就位区域进行海底数据采集，获取海底地形数据；

S3.解析海底地形数据并转换到WGS84坐标系下；

S4.利用海上平台和拖船的图纸信息结合实地测量获取拖船和海上平台的二维平面尺寸信息，构建数字平面矢量图；

S5.在海上平台和拖船上安装GNSS接收机，实时获取GNSS差分定位结果；

S6.根据GNSS接收机的安装位置、拖船与海上平台的二维平面尺寸信息求解拖船和海上平台的整体定位信息；

S7.进行数据融合，得到拖船和海上平台所处的位置和该位置的海底地形信息；

S8.将S7中的信息整合为电子地图，为施工人员提供平台的实时状态和精就位辅助信息。

7.根据权利要求6所述的一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统的工作方法，其特征在于，通过计算海上平台的实时位置信息与海上平台的预设目标位置的差值，生成辅助信息，所述辅助信息包含平台位置信息、速度信息、姿态信息、平台距离预设位置的位置差异和姿态差异值。

8.根据权利要求7所述的一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统的工作方法，其特征在于，步骤S2包括：

S2.1.在拖船上安装多台GNSS设备,在船底、船侧安装地形测绘传感器；

S2.2.利用全站仪、RTK测量和图纸信息获取GNSS设备和地形测绘传感器的相对位置；

S2.3.控制船舶在海上平台的目标就位区域进行海底地形探测并记录数据，同时利用GNSS记录船舶的运动轨迹和船身姿态；

S2.4.在GNSS位置已知的情况下，根据坐标传递的方式以及GNSS设备和地形测绘传感器的相对位置，求出地形测绘传感器的运动轨迹和姿态，进而求出所测海底地形数据的坐标；

S2.5.将含有坐标信息的海底地形数据进行二次处理，生成高程模型、水平模型和平面地图，绘制等高线，所述高程模型为数字高程模型，等高线为海底地形矢量等高线，平面地图为带有坐标轴、方向、比例尺和等高线的海底平面地图。

9.根据权利要求8所述的一种基于GNSS的海上平台精就位辅助系统的工作方法，其特征在于，所述海上平台的位置信息的处理过程包括：

B1.根据采集到的海底地形数据和海上平台的平面测量信息，确定海上平台安放位置的具体坐标区域；

B2.求出GNSS接收机的目标坐标点；

B3.根据GNSS接收机提供的实时位置信息，计算出各个GNSS接收机距离目标坐标点的距离，利用多台接收机之间的位置关系求出海上平台的安装偏差距离和角度；

B4.生成电子地图，以海底地形图为底图，实时绘制海上平台、拖船的位置和形状信息，提供给各个拖船和平台施工人员使用。

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