CN207816290U - 航姿测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于测量领域，涉及一种测量装置，尤其涉及一种海上石油单点系泊系统所用的航姿测量装置。航姿测量装置包括现场可编程门阵列FPGA以及与现场可编程门阵列FPGA相连的至少两个测量传感器组；每个测量传感器组均包括双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器；双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器分别与现场可编程门阵列FPGA相连。本实用新型提供了一种可提供长期连续可靠的航姿测量数据的航姿测量装置。

Description

航姿测量装置

技术领域

本实用新型属于测量领域，涉及一种测量装置，尤其涉及一种海上石油单点系泊系统所用的航姿测量装置。

背景技术

FPSO(Floating Production Storage and Offloading，海上浮式生产储油船(简称系泊船))，是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地。与其他形式石油生产平台相比，FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大，以及可转移、重复使用的优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，已成为海上油气田开发的主流生产方式。根据不同海域/海况条件，目前世界上的FPSO主要采用如下的系泊方式：单点-转塔系泊系统、多点-伸展系泊系统，其中以单点软钢臂系泊系统的应用最为普遍。

近年来随着海上石油产量的不断提高，FPSO的吨位也在不断增加，同时其系泊结构出现破坏的可能性也就会越大。系泊结构的失效事故不仅延误了海上油气生产开发，造成了重大的经济损失，还有可能对海洋环境造成污染，威胁到海上人员的安全。因此能够保证软刚臂系泊结构的安全运行，实时的了解到系泊结构的运行情况，对FPSO软刚臂系泊系统提供一个全面、安全、稳定的安全监测系统，对系泊结构破坏原因的分析、以及系泊结构的改进设计至关重要。

现有的单点系泊系统为了测量单点系塔、软钢臂以及船体的长期姿态信息，FPSO在横向相对于单点的位置的变化，一般采用基于GPS系统的测量方式。但是，GPS系统精确定位受气候、电离层、对流层、空气、电磁波等因素的影响会存在一定的偏差，同时GPS系统在恶劣气候条件下，设备的工作可靠性大大降低。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种可提供长期连续可靠的航姿测量数据的航姿测量装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种航姿测量装置，其特征在于：所述航姿测量装置包括现场可编程门阵列FPGA以及与现场可编程门阵列FPGA相连的至少两个测量传感器组；每个测量传感器组均包括双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器；所述双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器分别与现场可编程门阵列FPGA相连。

上述测量传感器组还包括电源输入端以及电源稳压器；所述电源输入端通过电源稳压器分别与双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器相连。

上述测量传感器组还包括与电源输入端相连的加电控制器；所述电源输入端通过加电控制器分别与双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器相连。

上述倾角传感器是基于微陀螺仪和微加速度计的测量传感器。

上述倾角传感器的测量范围是±90°；所述倾角传感器的分辨率是0.01°；所述倾角传感器的精度是±0.1°。

上述电子罗盘的测量范围是360°；所述电子罗盘的航向分辨率是0.1°；所述电子罗盘的航向精度是±0.3°。

上述双天线卫星导航接收机的定位精度是1.5m；所述双天线卫星导航接收机的侧向精度是±0.2°。

本实用新型的优点是：

本实用新型提供了一种航姿测量装置，包括现场可编程门阵列FPGA以及与现场可编程门阵列FPGA相连的至少两个测量传感器组；每个测量传感器组均包括双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器；双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器分别与现场可编程门阵列FPGA相连。倾角传感器为主要基于微陀螺仪和微加速度计的测量传感器，在横滚和俯仰方向具有较好的测量性能，但无法保证水平航向角度测量数据的长期稳定性；电子罗盘能够提供载体的水平航向角度测量结果的稳定性，但基于地理磁场测量的原理决定了其存在抗干扰能力较差的缺点；双天线卫导接收机虽然能提供完整的航姿和位置等信息，但存在受天气变化等恶劣环境的影响较大，不能保证全天候提供完整的测量信息。由于固定点的位置已知，根据运动载体的实时位置信息可以在导航坐标系中实时计算载体相对于固定点的位置变化，并且根据位置参数可以计算船体相对于载体的实时航向角，这样即可以实时显示船体相对于固定点的位置，又可以根据历史数据的不断积累显示相对于固定点的历史航迹得变化。

附图说明

图1是本实用新型所提供的航姿测量装置的结构简图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型提供了一种航姿测量装置，一种航姿测量装置，其特征在于：航姿测量装置包括现场可编程门阵列FPGA以及与现场可编程门阵列FPGA相连的至少两个测量传感器组；每个测量传感器组均包括双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器；双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器分别与现场可编程门阵列FPGA相连。

测量传感器组还包括电源输入端、电源稳压器以及加电控制器；电源输入端通过电源稳压器分别与双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器相连。加电控制器与电源输入端相连；电源输入端通过加电控制器分别与双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器相连。

倾角传感器是基于微陀螺仪和微加速度计的测量传感器，倾角传感器的测量范围是±90°；倾角传感器的分辨率是0.01°；倾角传感器的精度是±0.1°。

电子罗盘的测量范围是360°；电子罗盘的航向分辨率是0.1°；电子罗盘的航向精度是±0.3°。

双天线卫星导航接收机的定位精度是1.5m；双天线卫星导航接收机的侧向精度是±0.2°。

本实用新型为了解决现有GPS系统在本应用中的不足，设计了一种姿态测量传感器和卫导接收机组合的航姿测量装置，其中姿态测量传感器用于提供载体三自由度姿态角度信息，与提供船体位置和航向信息的卫导接收机组成共存互补的航姿测量装置，以提高系泊系统航姿测量信息的长期稳定性。本实用新型的工作原理是：本方案航姿测量装置主要包括5组测量传感器和一个现场可编程门阵列FPGA，其中每组测量传感器均主要包括以下几个组成部分：三轴MEMS惯性器件、高精度电子罗盘以及双天线卫星导航接收机。

其中，三轴MEMS惯性器件测量载体的横滚、俯仰信息，电子罗盘测量载体航向角度信息，卫导接收机输出载体位置和航向角度信息，这些原始测量信息统一由串口输入至现场可编程门阵列FPGA，由现场可编程门阵列FPGA中的数据融合处理软件完成各测量传感器的数据融合功能，最终为系泊系统各预定监测点提供长期稳定的最优位置和角度等测量信息。

测量传感器之间无直接交联需求，均输出测量结果信息至现场可编程门阵列FPGA，由现场可编程门阵列FPGA负责根据需求完成测量结果数据的接收、数据融合处理、显示以及对各传感器控制功能。

MEMS惯性器件工作原理：目前基于MEMS惯性器件的姿态测量技术已经比较成熟，在工业测控领域的应用也极其广泛，其工作原理是利用三轴微机械加速度计和微机械陀螺仪测量安装载体的加速度和角速率原始实时信息，经捷联解算后即可获得所需的载体三维姿态信息。MEMS传感器的姿态测量原理是根据牛顿提出的相对惯性空间力学定律，利用微陀螺仪和微加速度来感测载体相对于地理坐标系的运动加速度和角速率，经过积分运算可以计算出载体的姿态。其中，姿态信息的解算一般采用捷联惯性导航系统力学解算理论的标准计算方法。

电子罗盘工作原理：电子罗盘作为磁航向测量设备是目前应用最广，以地磁场与磁阻传感器相互作用为基础的一种数字化磁罗盘，主要实现对地理磁极方向的指示功能，从功能应用方面可以分为平面电子罗盘和三维电子罗盘，由于平面电子罗盘在使用时存在必须保持罗盘安装面水平的限制条件，因此目前在工业测量应用中多使用三维电子罗盘。因为三维电子罗盘在其内部也加入了倾角传感器，如果电子罗盘发生倾斜时可以对罗盘进行倾斜补偿，这样即使罗盘发生倾斜，依然能够保持航向数据的准确性，并且为了克服温度漂移，通过内置温度补偿的方法，最大限度减少倾斜角和航向角测量值的温度漂移。三维电子罗盘主要由三维磁阻传感器(磁力计)、双轴倾角传感器和信号采集与处理单元构成，其中三维磁阻传感器用来测量地球磁场，三轴微加速度计进行倾斜角度的实时测量，在载体安装面非水平状态时进行补偿。三维磁阻传感器互相垂直安装，用来测量地球磁场，三轴加速度计实时测量非水平状态下的侧倾和俯仰角度，信号处理主要完成磁方位解算和软磁、硬磁、温度补偿。

当安装面平行时，仅用地磁场在水平面内(二维X/Y轴)的两个分矢量值便可确定方位值：

Az＝arcTan(Y/X)

当载体发生倾斜时，方位值的准确性将要受到很大的影响，该误差的大小取决于传感器所处的位置和倾斜角的大小。为减少该误差的影响，采用基于加速度计为基础的双轴倾角传感器来测量载体俯仰和侧倾角，用于将磁传感器在三个轴向上的矢量在原来的位置投影到水平面坐标系中。

标准的转换计算方法如下：

Xr＝Xcosα+Ysinαsinβ-Zcosβsinα

Yr＝Ycosβ+Zsinβ

其中，Xr和Yr为要转换到水平位置的值，α、β分别为俯仰角和侧倾角。在整个补偿技术中Z轴向的矢量扮演一个非常重要的角色，要正确运用这些值，俯仰和侧倾角的数据必须实时更新，并且需要经过内部电路板上的温度传感器补偿后给出。

双天线卫星导航接收机定位测向工作原理：卫星系统一般由三部分构成：空间星座部分、地面监控部分和用户终端部分。卫导接收机(全称：卫星导航接收机)，是诸多用户终端类型的一种，目前在国内应用最多的为GPS+GLONASS+北斗的多系统联合定位接收机，其输出信息格式符合NEMA-0183标准，主要包括用户终端的位置、速度、航向等信息。但是对于单点定位的卫星接收机，理论上只要载体的对地速度不为零就可以计算出载体的运动方向，即航向信息，但是在实际应用中由于受诸多因素的影响，定位和速度信息的测量均存在偏差，导致其输出的航向信息存在一定偏差，因此双天线定位测向技术得到了广泛的发展和应用。

以GPS系统为例，常用的GPS双天测向工作原理是，在基于接收机双天线定位数据的基础上，根据计算固定安装在运动载体上的双天线基线矢量，就可以计算出该基线矢量在地心坐标系中的投影分量，然后通过地心坐标系和载体水平坐标系的转换，就可以确定当前双天线基线矢量的偏航角。

本实用新型所提供的航姿测量装置的功能主要包括以下几个方面：

1)主要功能需求：为平台提供5个不同安装位置的静态三自由度姿态信息；为平台提供GPS三维位置信息，即经度、纬度和高度位置信息。

2)主要性能需求：三自由度姿态信息的精度不低于1°；三维位置信息的精度不低于1.5米(自主定位，无SA)。

3)接口需求：数据更新时间：不大于1s；数据接口：RS422/485串行通讯。

4)主要环境适用性需求：根据平台使用环境的要求，需具备抗腐蚀和密闭性等特性；具备连续工作时间不低于2年的高可靠性。工作温度：-40～80℃。

倾角传感器为主要基于微陀螺仪和微加速度计的测量传感器，在横滚和俯仰方向具有较好的测量性能，但无法保证水平航向角度测量数据的长期稳定性；电子罗盘能够提供载体的水平航向角度测量结果的稳定性，但基于地理磁场测量的原理决定了其存在抗干扰能力较差的缺点；双天线卫导接收机虽然能提供完整的航姿和位置等信息，但存在受天气变化等恶劣环境的影响较大，不能保证全天候提供完整的测量信息。

根据各传感器自身特性和在本项目平台中各预定安装点位置特点，可以看出倾角传感器原始测量数据可以保持横滚和俯仰方向的较好长期稳定性，进行必要的数据滤波处理后可以直接使用；电子罗盘的航向信息易被外界磁干扰的影响存在不确定性，卫导接收机受天气影响存在数据不连续性的缺点，因此必须进行数据融合和数据可信度判决后才能够保证系统的指标需求。

此外，在本系统中卫导接收机提供的定位信息主要用于计算固定点和船体之间的航迹变化，该位置信息与测姿设备的信息一起输入至现场可编程门阵列FPGA，由现场可编程门阵列FPGA负责完成符合设计要求的航迹计算和显示。由于固定点的位置已知，根据运动载体的实时位置信息可以在导航坐标系中实时计算载体相对于固定点的位置变化，并且根据位置参数可以计算船体相对于载体的实时航向角，这样即可以实时显示船体相对于固定点的位置，又可以根据历史数据的不断积累显示相对于固定点的历史航迹得变化。另外为保证系统长期工作的稳定性，本设备具备加电控制功能，在设备发生工作异常情况下，用于重启设备。

Claims (7)

1.一种航姿测量装置，其特征在于：所述航姿测量装置包括现场可编程门阵列FPGA以及与现场可编程门阵列FPGA相连的至少两个测量传感器组；每个测量传感器组均包括双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器；所述双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器分别与现场可编程门阵列FPGA相连。

2.根据权利要求1所述的航姿测量装置，其特征在于：所述测量传感器组还包括电源输入端以及电源稳压器；所述电源输入端通过电源稳压器分别与双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器相连。

3.根据权利要求2所述的航姿测量装置，其特征在于：所述测量传感器组还包括与电源输入端相连的加电控制器；所述电源输入端通过加电控制器分别与双天线卫星导航接收机、电子罗盘以及倾角传感器相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的航姿测量装置，其特征在于：所述倾角传感器是基于微陀螺仪和微加速度计的测量传感器。

5.根据权利要求4所述的航姿测量装置，其特征在于：所述倾角传感器的测量范围是±90°；所述倾角传感器的分辨率是0.01°；所述倾角传感器的精度是±0.1°。

6.根据权利要求5所述的航姿测量装置，其特征在于：所述电子罗盘的测量范围是360°；所述电子罗盘的航向分辨率是0.1°；所述电子罗盘的航向精度是±0.3°。

7.根据权利要求6所述的航姿测量装置，其特征在于：所述双天线卫星导航接收机的定位精度是1.5m；所述双天线卫星导航接收机的侧向精度是±0.2°。