自升式鉆井平臺定位系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

姚連璧，趙紫良，謝義林，王 芳

(1. 同濟大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092； 2. 江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017； 3. 上海寶天信息科技有限公司，上海 201206)

自升式鉆井平臺定位系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

姚連璧1，趙紫良1，謝義林2，王 芳3

(1. 同濟大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092； 2. 江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017； 3. 上海寶天信息科技有限公司，上海 201206)

基于衛(wèi)星實時載波相位差分技術(shù)、坐標轉(zhuǎn)換理論及軟硬件的結(jié)合，設(shè)計了一種輔助自升式鉆井平臺導(dǎo)航和海底插樁的定位系統(tǒng)。經(jīng)試驗和工程案例驗證，在近海區(qū)域，該系統(tǒng)可有效保障插樁作業(yè)的精度和時效，避免因延誤工期而引發(fā)安全問題，有一定的實用價值。

自升式鉆井平臺；插樁定位；實時載波相位差分；坐標轉(zhuǎn)換

自升式鉆井平臺是目前應(yīng)用最為廣泛的海洋移動鉆井設(shè)施之一，可分為船體平臺、樁腿、升降裝置、鉆井裝置及生活樓等部分。自升式鉆井平臺一般無自航能力，鉆井作業(yè)前，需用拖船將鉆井平臺上拖至鉆井區(qū)域，并使樁腿插入海底設(shè)計工程坐標位置(插樁作業(yè))，船體依靠升降裝置可順著樁腿上升，離開海面工作時不受海水運動的影響[1]。

本文自升式鉆井平臺海底插樁位置位于上海外高橋造船海洋工程公司碼頭周邊近海區(qū)域，碼頭岸線長度約1.1 km，該海域內(nèi)有多條自升式鉆井平臺?？?，同時需要保證相鄰鉆井平臺間距22 m左右，便于扶梯及后續(xù)設(shè)備的搭建工作，這對插樁定位提出了更高的精度要求。為避免潮汐、風(fēng)浪帶來的動力作用，插樁定位作業(yè)時間段有明確的限制。因此，提高插樁作業(yè)的效率同樣十分重要。

由于傳統(tǒng)拖船導(dǎo)航定位多采用信標差分機[2]，其定位原理為偽距差分，定位精度最優(yōu)也只能達到米級，無法滿足自升式鉆井平臺實際插樁定位作業(yè)的精度要求。鑒于RTK技術(shù)具備全天候、實時動態(tài)和高精度測量等優(yōu)點[3]，采用該技術(shù)可實時獲取厘米級精度的點位坐標。在實際工程應(yīng)用中，GNSS接收機無法直接安裝在樁腿位置。姚連璧等提出建立船固坐標系[4](如圖1所示)，通過坐標轉(zhuǎn)換[5]間接推算出樁腿點的工程坐標。

圖1 自升式鉆井平臺平面

基于以上工程背景，本文采用RTK技術(shù)，建立船固坐標系并利用坐標轉(zhuǎn)換等理論，研發(fā)了一套匯集數(shù)據(jù)采集、處理、存取和可視化顯示等功能的自升式鉆井平臺定位系統(tǒng)軟件。

1 系統(tǒng)設(shè)計與功能

本文自升式鉆井平臺定位輔助系統(tǒng)軟件基于Visual C++ 6.0開發(fā)，通過串口通信技術(shù)[6]實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的實時同步，軟件對原始數(shù)據(jù)進行加工、存取和可視化顯示，為插樁定位工作人員提供實時、直觀的定位輔助信息，從而實現(xiàn)樁腿的快速、精確定位。此外，軟件具有較強的穩(wěn)健性，包含數(shù)據(jù)判讀及異常處理機制。如圖1所示。

如圖2所示，主界面相關(guān)區(qū)域功能如下：

(1) A區(qū)為菜單及工具欄，提供建立項目文件、參數(shù)配置、圖形平移、放大和縮小、導(dǎo)航定位顯示界面切換、船體適當比例尺居中等功能。

(2) B區(qū)為定位顯示界面，提供導(dǎo)航及定位的底圖顯示、船體實時位置、方位及軌跡顯示、GPS接收機解狀態(tài)、移船旋轉(zhuǎn)信息等功能。

(3) C區(qū)為GNSS接收機數(shù)據(jù)，提供接收機時間、大地坐標、工程坐標、解狀態(tài)和距離檢核差等功能。

(4) D區(qū)可切換定位和導(dǎo)航模式視圖，定位模式提供樁腿設(shè)計與實測距離差值信息；導(dǎo)航模式提供實時航速顯示、航跡記錄、加載和清除歷史航跡、輸出CAD航跡圖等功能。

(5) E區(qū)和F區(qū)提供移船方位和距離信息，便于船體指揮人員判斷當前位置與目標位置的距離，指導(dǎo)移船、插樁工作；同時，定位過程數(shù)據(jù)可輸出至文本文件保存。

圖2 自升式鉆井平臺定位輔助系統(tǒng)主界面

2 系統(tǒng)測試

船體移動過程的模擬：船體平臺中軸線上確定兩臺流動站GNSS接收機位置，即可定義出船固坐標系。因此，通過保持兩臺流動GNSS接收機基線長不變，同時移動兩臺流動站GNSS接收機，其效果相當于船體的整體移動。

2.1 試驗思路

選取地勢平坦、空曠的場地，使用全站儀測量圖3中GPS1、GPS2、Z1、Z2、Z3、GPS1′、GPS2′ 7點平面坐標，將其坐標作為工程坐標。

圖3 試驗點位分布

其中GPS1、GPS2、Z1、Z2、Z3表示兩臺流動站GNSS接收機及3條樁腿搬站前位置，并構(gòu)建船固坐標系。GPS1′、GPS2′表示兩臺流動站GNSS接收機(保持基線長不變，模擬船移過程)搬站后對應(yīng)位置。Z1′、Z2′、Z3′點位坐標實際并未測量，其坐標位置由坐標轉(zhuǎn)換推算或鉆井平臺定位系統(tǒng)軟件解算。

兩種樁腿工程坐標解算方法：鉆井平臺定位系統(tǒng)軟件解算過程如圖4所示；利用全站儀坐標轉(zhuǎn)換推算樁腿理論值，只需通過公共點求取船固坐標系至工程坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)，再將樁腿船固坐標轉(zhuǎn)至工程坐標即可。

圖4 鉆井平臺定位系統(tǒng)解算實時樁腿坐標原理

將全站儀坐標轉(zhuǎn)換推算的Z1′、Z2′、Z3′工程坐標作為理論值，并與鉆井平臺定位系統(tǒng)軟件解算坐標作差，通過差值大小來檢驗本系統(tǒng)的精度和可行性。

2.2 試驗結(jié)果及分析

表1為系統(tǒng)實測與理論差值。試驗結(jié)果表明，在小區(qū)域范圍內(nèi)，基于RTK技術(shù)設(shè)計的自升式鉆井平臺系統(tǒng)的定位精度理論條件下能達到厘米級精度,完全滿足實際插樁定位工作的精度要求。

表1 系統(tǒng)實測與理論差值 mm

3 精度與可靠性

3.1 精度分析

自升式鉆井平臺輔定位系統(tǒng)的精度主要由RTK測量誤差、船固坐標系點位測定誤差和施工誤差等因素決定。

3.1.1 RTK測量誤差

由于GNSS接收機在接收衛(wèi)星信號時受衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘鐘差、信號傳播誤差(電離層、對流層誤差)、觀測誤差和接收設(shè)備誤差等影響[7]，導(dǎo)致WGS-84原始坐標也有一定的誤差。

設(shè)GNSS接收機平面精度為1 m，鉆井平臺上GNSS接收機及3個樁腿的船固坐標見表2，現(xiàn)分析GNSS接收機誤差及鉆井平臺上GNSS接收機位置對樁腿定位精度的影響。

表2 平臺各點船固坐標 m

相似變換求得坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)為

其協(xié)因數(shù)陣為

表3 樁腿定位坐標轉(zhuǎn)換中誤差 cm

鉆井平臺上兩臺GNSS接收機作為公共點，影響相似變換四參數(shù)[9]的解算精度，離公共點越遠，轉(zhuǎn)換誤差越大，并且存在誤差放大效應(yīng)。

3.1.2 船固坐標系點位測定誤差

平臺上船固坐標點位測定誤差采用多余觀測值平差法[10]，可得到毫米級的點位測定精度。

3.2 可靠性

系統(tǒng)通過軟件、硬件方面的設(shè)計來保障系統(tǒng)的可靠性。

3.2.1 軟件方面

(1) 數(shù)據(jù)判讀及異常處理機制。包含坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)檢核、平臺GNSS接收機基線檢核、判定GNSS衛(wèi)星信號狀態(tài)、信號異常界面警示等，以增強系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

(2) 實時、可視化顯示。讓用戶直觀了解鉆井平臺當前位置信息及移船信息以指導(dǎo)定位工作。

(3) 數(shù)據(jù)存取。支持存儲定位過程數(shù)據(jù)、導(dǎo)出CAD航跡圖等數(shù)據(jù)存取功能，為定位技術(shù)報告的撰寫提供數(shù)據(jù)。

3.2.2 硬件方面

(1) 采用工控機及串口通信技術(shù)[10]實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)同步，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

(2) GNSS接收機采用BDS、GPS、GLONASS等多星系統(tǒng)[11]，避免了惡劣定位環(huán)境下接收機鎖定衛(wèi)星難問題，可以提高接收機可用衛(wèi)星數(shù)量、質(zhì)量和穩(wěn)定性。

(3) 其他質(zhì)量穩(wěn)定可靠的相應(yīng)配件。

4 結(jié) 語

本文闡述了自升式鉆井平臺定位系統(tǒng)的工程應(yīng)用背景、系統(tǒng)定位原理，通過軟硬件集成研發(fā)了一套匯集數(shù)據(jù)采集、處理、存取和可視化顯示等功能的自升式鉆井平臺定位系統(tǒng)軟件。最后，設(shè)計試驗驗證了本系統(tǒng)定位模型、算法和精度的可靠性。

目前，該系統(tǒng)已被上海外高橋造船公司等單位長期用于輔助鉆井平臺的導(dǎo)航及插定位工作，可滿足不同鉆井平臺船型、多種類型工程坐標的普適性需求，保障鉆井插樁作業(yè)精度和時效，避免因延誤工期而引發(fā)安全問題，具有一定的實用價值。

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Design and Application of Jack-up Drilling Platform Positioning System

YAO Lianbi1，ZHAO Ziliang1，XIE Yilin2，WANG Fang3

(1. College of Surveying and Geo-Informatics,Tongji University,Shanghai 200092,China; 2. Jiangsu Hydraulic Research Institute, Nanjing 210017,China; 3. Shanghai Baotian Science and Technology Co. Ltd., Shanghai 201206,China)

Based on the technology of RTK, coordinate transformation and the combination of software and hardware, a positioning system for Jack-up drilling platform and pile legs penetration under the sea is designed. The experiment and engineering projects verified that the system possessed the advantages of high accuracy and efficiency to ensuring the safety of the project and has certain practical value.

jack-up drilling platform; pile legs penetration and positioning; RTK; coordinate transformation

姚連璧，趙紫良，謝義林,等.自升式鉆井平臺定位系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].測繪通報，2017(4)：101-103.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0130.

2016-07-11;

2017-01-08

上海自然科學(xué)基金(15ZR1443700)；“十三五”國家重點研發(fā)計劃任務(wù)(2016YFB1200602-02)

姚連璧(1964—)，男，教授，主要研究方向為全球定位系統(tǒng)在道路、橋梁及隧道工程中的應(yīng)用。E-mail:lianbi@#edu.cn

P208

A

0494-0911(2017)04-0101-03