CN202928582U - 一种浮船式钻井平台姿态监控及定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种浮船式钻井平台姿态监控及定位装置，安装于钻井平台上，包括捷联惯性导航系统、天文导航系统、测深测潜仪、多普勒声纳以及信息融合模块。本实用新型不仅钻井平台姿态控制及导航定位的精度高，而且其系统可用性和可靠性高。

Description

一种浮船式钻井平台姿态监控及定位装置

技术领域

本实用新型涉及一种监控及定位装置，尤其涉及一种远海域、深海域作业和高精度姿态控制要求的浮船式钻井平台姿态监控及定位装置。 

背景技术

目前，钻井船是浮船式钻井平台，它通常是在激动船货驳船上不知钻井设备。平台是靠锚泊或动力定位系统定位。按其推进能力，分为自航式和和非自航式；按船型分，有端部钻井、舷侧钻井、船中钻井和双体船钻井；按定位分，有一般锚泊式、中央转盘锚泊式和动力定位式。浮船式钻井装置船身浮于海面，但是容易受到波浪影响口向。但是它可以用现有的船只进行改装。因而能以最快的速度投入使用。高精度导航定位是海洋开发活动和海洋高技术发展的基本前提，海洋开发需要获取大范围、高精度的海洋环境数据，需要进行海底勘探、水下测量及水下工程等，现代海洋开发也逐渐发展成为涉及太空、天空、陆地、海面、水下及海底多层空间的立体开发。所有这些都需要有海面与水下高精度姿态控制与导航定位的支撑。 

导航技术是钻井平台所面临的技术挑战之一。导航定位系统必须提供远距离及长时间的高度位置、速度和姿态信息。精确导航技术是钻井平台有效作业和安全开采的关键，但是受海洋环境的复杂性、平台自身体积、重量、能源等因素的影响，现有的平台姿态控制及导航定位装置的实现平台姿态控制及导航定位的精度均不高。 

实用新型内容

本实用新型针对上述问题的不足，提出一种钻井平台姿态控制及导航定位精度高的浮船式钻井平台姿态监控及定位装置。 

本实用新型为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种浮船式钻井平台姿态监控及定位装置，安装于钻井平台上，包括捷联惯性导航系统、天文导航系统、测深测潜仪、多普勒声纳以及信息融合模块， 

所述捷联式惯性导航系统用于测量钻井平台的位置、速度以及姿态航向信息，并将该位置、速度以及姿态航向信息输送给信息融合模块，同时所述捷联式惯性导航系统为天文导航系统提供水平姿态航向信息； 

所述天文导航系统根据水平姿态航向信息通过星敏感器获取天文导航系统的位置、速度以及姿态导航信息，并将水平位置导航信息输送给信息融合模块； 

所述测深测潜仪用于测量海洋钻井平台垂直方向的高度信息，并将该高度信息输送给信息融合模块； 

所述多普勒速度声纳用于测量海洋钻井平台的速度信息，并将该速度信息输送给信息融合模块； 

所述信息融合模块用于根据位置、速度、姿态航向信息、水平位置导航信息、高度信息以及速度信息融合计算出精度较高的新导航信息，同时将该新导航信息反馈给捷联惯性导航系统，校正捷联系统的时间积累误差。 

优选的：所述捷联惯性系统的敏感元件为惯性测量单元，所述惯性测量单元包括三轴光纤陀螺仪、三轴加速度计；所述三轴光纤陀螺仪用于测量输出钻井平台角度信息形成姿态航向信息，并将该姿态航向信息转换成数字信号传送给信息融合模块；所述三轴加速度计用于测量钻井平台的位置信息，该位置信息经过滤波电路、放大电路、模数转换电路后输送到微处理器单元，而微处理器单元输出数字信号到信息融合模块。 

所述捷联惯性导航系统、天文导航系统均为无源定位系统。 

本实用新型的浮船式钻井平台姿态监控及定位装置，相比现有技术，具有以下有益效果：1.由于设置有捷联惯性导航系统、天文导航系统、测深测潜仪、多普勒声纳以及信息融合模块，所述信息融合模块用于根据位置、速度、姿态航向信息、水平位置导航信息、高度信息以及速度信息融合计算出精度较高的新导航信息，同时将该新导航信息反馈给捷联惯性导航系统，校正捷联系统的时间积累误差，也就是其结合借助星体敏感器技术的天文导航系统可以给出精确的航向角、经纬度信息的优势，对信息融合模块输入输出水平位置导航信息，从而对浮船使钻井平台组合导航进行改进，提高了组合导航系统的姿态控制精度和长时间导航定位精度，极大提高了系统可用性和可靠性。2.由于捷联惯性系统和在垂直方向可观测度低，垂直方向高度信息输出不稳定，因此所述测深测潜仪提供钻井平台垂直方向的高度信息，确保了信息采集的精确，因而其姿态控制及导航定位的精度高。。 

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图； 

图2是图1的流程图； 

图3是三轴加速度计输出信号处理流程图； 

其中：1为捷联惯性导航系统，2为天文导航系统，3为测深测潜仪，4为多普勒声纳，5为PC104信息融合模块，6为三轴加速度计，7为滤波电路，8为放大电路，9为模数转换电路，10为功能开关，11为键盘，12为微处理器单元，13为电源模块。 

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。 

实施例 

本实施例的一种浮船式钻井平台姿态监控及定位装置如图1-3所示，安装于钻井平台上，包括捷联惯性导航系统、天文导航系统、测深测潜仪、多普勒声纳以及信息融合模块，所述信息融合模块使用PC104计算机进行滤波计算的PC104信息融合模块， 

所述捷联式惯性导航系统用于测量钻井平台的位置、速度以及姿态航向信息，并将该位置、速度以及姿态航向信息输送给PC104信息融合模块，同时所述捷联式惯性导航系统为天文导航系统提供水平姿态航向信息； 

所述天文导航系统根据水平姿态航向信息通过星敏感器获取天文导航系统的位置、速度以及姿态导航信息，并将水平位置导航信息输送给PC104信息融合模块； 

所述测深测潜仪用于测量海洋钻井平台垂直方向的高度信息，并将该高度信息输送给PC104信息融合模块； 

所述多普勒速度声纳用于测量海洋钻井平台的速度信息，并将该速度信息输送给PC104信息融合模块； 

所述PC104信息融合模块用于根据位置、速度、姿态航向信息、水平位置导航信息、高度信息以及速度信息融合计算出精度较高的新导航信息，该新导航信息包括井平台的新的位置、速度以及航向姿态的信息，同时将该新导航信息反馈给捷联惯性导航系统，校正捷联系统的时间积累误差。 

所述捷联惯性系统的敏感元件为惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，简称IMU），所述惯性测量单元（IMU）采用三轴光纤陀螺仪、三轴加速度 计，即惯性测量单元由三个单自由度光纤陀螺和三个石英加速度计构成；所述三轴光纤陀螺仪用于测量输出钻井平台角度信息形成姿态航向信息，并将该姿态航向信息转换成数字信号传送给PC104信息融合模块；所述三轴加速度计用于测量钻井平台的位置信息，该位置信息经过滤波电路、放大电路、模数转换电路后输送到微处理器单元，而微处理器单元输出数字信号到PC104信息融合模块。 

所述捷联惯性导航系统、天文导航系统均为无源定位系统。 

本实用新型的原理为： 

捷联惯性导航系统失准角误差方程、速度误差方程以及位置误差方程为： 

${\stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}}^n={\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ie}}^n+{\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{en}}^n-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}^n+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^n)\×{\mathrm{\φ}}^n-{\mathrm{\ϵ}}^p$

$\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{V}}^n=f^n\×{\mathrm{\φ}}^n+{\▿}^p-({2\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{ie}}+{\mathrm{\δ\ω}}_{\mathrm{en}})\×{\stackrel{\·}{V}}^n({2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}})\×{\mathrm{\δV}}^n$

$\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{L}=\frac{{\mathrm{\δV}}_N}{R_N}$ $\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=\frac{{\mathrm{\δV}}_E}{R_E}\sec L+\frac{V_E}{R_E}\sec L\tan \mathrm{L\δL}$

其中，λ、L分别为坐标系中的经度和纬度，V_E为东向速度，V_N为北向速度。 

天文导航系统中，通常选取地球固联坐标系OXYZ为参考系。该坐标系远点为地心，OX轴通过格林尼治经度线与赤道的交点，OZ轴指向地球自转方向。定位时坐标系中的位置以经纬度表示，则位置圆在该坐标系中的方程为 

$\left\{\begin{array}{c}\sinh =\sin L\sin {\mathrm{\δ}}_A+\cos L\cos {\mathrm{\δ}}_A\cos \mathrm{\ω}\\ \mathrm{\ω}=\mathrm{\λ}+t_G^A\end{array}\right.$

其中，λ、L分别为坐标系中的经度和纬度，δ_A、ω分别代表恒星的赤纬、地方时角，其中地方时角ω为恒星的格林时角

与载体所在位置经度λ之和。δ_A、

可通过观测时间从星历表中获得，由δ_A、ω即可确定恒星投影点的位置。h为星敏感器观测得到的恒星的高度角，当有多个恒星的观测值时，可以建立一个方程组，求解该方程组即可获得飞行器的位置λ和L。 

SINS/CNS/DVS组合导航算法采用卡尔曼滤波算法。 

将SINS的数学平台误差角方程、速度误差方程和位置误差方程以及陀螺仪和加速度计综合可以得到组合导航系统状态方程： 

${\stackrel{\·}{X}}_k=F_k{X}_k+G_k{W}_k$

系统状态参数为 

其中，

为数学平台失准角；[δV_x δV_y δV_z]为速度误差；[δL δλ δh]为三个位置误差；[ε_x ε_y ε_z]为三个陀螺常值漂移；  $\left[\begin{array}{ccc}{\▿}_x& {\▿}_y& {\▿}_z\end{array}\right]$ 为三个加速度计常值漂移。 

以天文导航系统确定的位置信息以及姿态航向信息与捷联惯性导航系统输出的位置姿态航向西虚拟作差，作为组合导航系统的量测值。构造量测方程，有 

Z_k=[Z_k1;Z_k2;Z_k3] 

误差方程为 

$Z_k=H_k{\hat{X}}_k+V_k$

其中H_k为量测矩阵；V_k为残差向量；为状态参数向量估计值。 

经典Kalman滤波方程如下： 

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{X}}_{k,k-1}={\mathrm{\Φ}}_{k,k-1}{\hat{X}}_{k-1}\\ P_{k,k-1}={\mathrm{\Φ}}_{k,k-1}{P}_{k-1}{\mathrm{\Φ}}_{k,k-1}^T+{\mathrm{\Γ}}_{k-1}{Q}_{k-1}{\mathrm{\Γ}}_{k-1}^T\\ K_k=P_{k,k-1}{H}_k^T{[H_k{P}_{k,k-1}{H}_k^T+R_k]}^{-1}\\ {\hat{X}}_k={\hat{X}}_{k,k-1}+K_k[Z_k-H_k{\hat{X}}_{k,k-1}\\ P_k=[I-K_k{H}_k]P_{k,k-1}\end{array}\right.$

式中，Φ为状态矩阵；P为系统方差阵；Q为系统噪声阵；K为系统增益矩阵。 

得到捷联惯性导航系统误差状态的全局最优估计后，对捷联系统进行误差校正，从而提高整个组合导航系统的导航精度。 

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。 

Claims (3)

1.一种浮船式钻井平台姿态监控及定位装置，安装于钻井平台上，其特征在于:包括捷联惯性导航系统、天文导航系统、测深测潜仪、多普勒声纳以及信息融合模块，

所述捷联式惯性导航系统用于测量钻井平台的位置、速度以及姿态航向信息，并将该位置、速度以及姿态航向信息输送给信息融合模块，同时所述捷联式惯性导航系统为天文导航系统提供水平姿态航向信息；

所述天文导航系统根据水平姿态航向信息通过星敏感器获取天文导航系统的位置、速度以及姿态导航信息，并将水平位置导航信息输送给信息融合模块；

所述测深测潜仪用于测量海洋钻井平台垂直方向的高度信息，并将该高度信息输送给信息融合模块；

所述多普勒速度声纳用于测量海洋钻井平台的速度信息，并将该速度信息输送给信息融合模块。

2.根据权利要求1所述浮船式钻井平台姿态监控及定位装置，其特征在于：所述 捷联惯性系统的敏感元件为惯性测量单元，所述惯性测量单元包括三轴光纤陀螺仪、三轴加速度计；所述三轴光纤陀螺仪用于测量输出钻井平台角度信息形成姿态航向信息，并将该姿态航向信息转换成数字信号传送给信息融合模块；所述三轴加速度计用于测量钻井平台的位置信息，该位置信息经过滤波电路、放大电路、模数转换电路后输送到微处理器单元，而微处理器单元输出数字信号到信息融合模块。

3.根据权利要求2所述浮船式钻井平台姿态监控及定位装置，其特征在于：所述捷联惯性导航系统、天文导航系统均为无源定位系统。

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