导管架平台下水过程的运动实测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种导管架平台下水过程的运动实测系统和方法，包括组合测量模块、水密模块、数据储存模块、供电模块、实时监控计算机、GPS天线和射频信号传输线；其中所述组合量测模块包括GPS量测系统和惯性导航系统，所述组合量测模块、所述数据存储模块和所述供电模块设置于所述水密模块中。本发明采用了组合测量系统，将GPS系统和惯性导航系统组合，当GPS系统有信号时，它可以实时的将位置信号输出给惯性导航系统，修正惯性导航系统由于二次积分引起的误差，保证了测量精度，解决了导管架下水过程中实际参数测量的难题。
【专利说明】导管架平台下水过程的运动实测方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及船舶与海洋工程领域，尤其涉及一种导管架平台下水过程中导管架和驳船运动的测量和采集方法和系统。
【背景技术】
[0002]海上实际测量作为船舶与海洋工程领域的一种重要的研究手段，近年来愈发受到重视。实测结果真实的反应出船舶以及海洋结构物在实际海况中运动，它往往作为最原始和可靠的数据，广泛的用于科研工作中数值模拟和模型试验结果的验证工作。或者在船舶与海洋结构物的设计阶段，实测数据也往往能提供很好的参考价值。
[0003]钢质导管架式结构是目前海上油气田使用最广泛的一种平台结构，相对于其他类型的海洋平台，它的优点是:结构简单、安全可靠、造价相对低廉、适应性强。导管架平台有很长的应用历史，其相关的设计，建造等工艺技术都十分成熟。导管架平台自身的体积都比较大，重量从几千吨到几万吨不等。导管架平台都是现在陆地上进行制造和总装，然后由驳船运输到安装地点进行导管架下水。
[0004]滑移下水是安装导管架平台一种常见的方式。导管架的滑移下水是将导管架平台放置在驳船上，调节驳船的压载水，使驳船产生一定的纵倾，再通过其他辅助设施(牵引系统)引导导管架平台靠自重滑移入水，直至与驳船分离并在水中达到稳定状态的过程。在下水的过程中驳船和导管架的运动方向相反。
[0005]导管架下水系统包括:导管架、运输驳船、驳船滑道和摇臂、牵引系统、驳船压载系统等。
[0006]与其他海洋结构物实际测量不同，导管架下水过程的测量十分特殊，其难点主要在于，首先，导管架下水过程十分短暂，一般一个导管架下水从开始到导管架和驳船都静止大约持续1-2分钟，所以其运动的测量系统必须具备相当的灵敏度和精度；其次，由于导管架在下水前期是在水面以上，之后导管架会没入水中，这就要求了测量系统既能在陆上使用，还能在水下使用。根据现有的技术资料检索，暂未发现用于导管架下水过程实际测量系统的相关专利。
[0007]因此，本领域的技术人员致力于开发一种导管架平台下水过程的运动实测方法及系统，解决导管架下水过程中实际参数测量的难题。
【发明内容】
[0008]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种导管架平台下水过程的运动实测方法及系统，使得导管架下水过程的测量成为可能，解决导管架下水过程中实际参数测量的难题。
[0009]为实现上述目的，本发明提供了一种导管架平台下水过程的运动实测系统，包括组合测量模块、水密模块、数据储存模块、供电模块、实时监控计算机、GPS天线和射频信号传输线；其中所述组合量测模块包括GPS量测系统和惯性导航系统，所述组合量测模块、所述数据存储模块和所述供电模块设置于所述水密模块中，所述数据储存模块与所述组合量测模块相连接，用于储存所述组合测量模块的量测结果，所述供电模块与所述组合量测模块相连接，为所述组合测量模块及所述数据储存模块提供电力，所述实时监控计算机与所述组合量测模块相连接，用于实时读取和显示所述组合测量模块测得的所述导管架平台下水过程的数据，所述射频信号传输线分别与所述GPS天线和所述组合量测模块相连接，用于将所述GPS天线接收的GPS信号传输给所述组合量测模块的所述GPS量测系统。
[0010]在本发明的较佳实施方式中，所述GPS测量系统GPS主站、GPS从站和GPS航向解算计算机。
[0011]在本发明的另一较佳实施方式中，所述GPS天线包括前天线和后天线，分别安装在所述导管架上。
[0012]在本发明的较佳实施方式中，所述GPS主站与所述前天线相连接，所述GPS从站与所述后天线相连接，所述GPS航向解算计算机与所述GPS主站和所述GPS从站分别相连接，用于获得GPS位置信息。
[0013]在本发明另一较佳实施例中，所述惯性导航系统包括陀螺数据采集单元及加速度计采集单元，所述组合量测模块还包括IMU航向解算计算机、数据存储单元及组合导航计算机；所述螺数据采集单元及所述加速度计采集单元与所述IMU航向解算计算机相连接，用于获得惯性导航位置信息；所述IMU航向解算计算机及所述GPS航向解算计算机分别与所述组合导航计算机相连接，用于向所述组合导航计算机传输所述惯性导航位置信息及所述GPS位置信息；所述组合导航计算机分别与所述数据存储单元及所述协议处理计算机相连接。
[0014]在本发明的较佳实施方式中，所述水密模块包括水密桶、水密插件、水密桶盖、前后天线连接线和串口连接线，所述水密桶为一端密封一端开口，且所述开口用所述水密桶盖密封，所述水密插件穿过所述水密桶盖并固定于所述水密桶盖，所述前后天线连接线和所述串口连接线穿过所述水密插件。
[0015]在本发明的另一较佳实施方式中，所述水密模块还包括硫化接头，所述硫化接头两端分别连接在所述水密桶盖外部的所述前后天线连接线上。
[0016]在本发明的较佳实施方式中，所述导管架平台下水过程的运动实测系统包括三个所述组合测量模块、三个所述水密模块、三个所述数据储存模块和三个所述供电模块；其中二个所述测量模块、二个所述数据储存模块和二个所述供电模块分别放置于所述二个水密模块中，安装在所述导管架上；另外一个所述测量模块、一个所述数据储存模块和一个所述供电模块放置于所述水密模块中，安装在下水驳船上。
[0017]在本发明的另一较佳实施方式中，所述安装在导管架平台上的两套组合测量模块分别安装在所述导管架固定滑道的两根桩腿上。
[0018]本发明提供一种导管架平台下水过程的运动实测方法，包括如下步骤:
[0019]安装步骤:在导管架下水前将两个所述水密模块分别安装固定在所述导管架上，一个所述水密模块安装在驳船上，所述水密模块各包括一个所述组合测量模块、一个所述数据存储模块和一个所述供电模块；
[0020]测试步骤:为了确保能采集到数据，在下水前对所述组合测量模块的所述GPS量测系统和所述惯性导航系统进行测试，保证其正常工作；[0021 ] 采集步骤:当所述GPS天线在水面以上时，通过所述组合量测模块的所述GPS量测系统及所述惯性导航系统对所述导管架平台进行定位；当所述导管架平台进入水里时，通过所述组合量测模块的所述惯性导航系统对所述导管架平台进行定位；以及
[0022]打捞回收步骤:完成采集后对所述水密模块进行打捞回收，并将采集到的位置信息导出到所述数据存储模块进行处理和分析。
[0023]在本发明的较佳实施方式中，所述采集步骤还包括当所述GPS天线在水面以上时，通过所述GPS量测系统及所述惯性导航系统分别采集GPS位置信息及惯性导航位置信息，并将所述GPS位置信息和所述惯性导航位置信息汇入到所述组合导航计算机中，并且用所述GPS位置信息对所述惯性导航位置信息进行修正，根据修正结果，对所述导管架平台进行定位。
[0024]本发明采用了组合测量系统，将GPS系统和惯性导航系统组合，当GPS系统有信号时，它可以实时的将位置信号输出给惯性导航系统，修正惯性导航系统由于二次积分引起的误差，保证了测量精度。
[0025]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明的一个较佳实施例的导管架平台下水过程运动实测系统结构示意图；
[0027]图2是本发明的一个较佳实施例的组合测量模块工作原理图；
[0028]图3是本发明的一个较佳实施例的水密模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]如图1所示，导管架平台下水过程的运动实测系统包括组合测量模块1、水密模块
2、数据储存模块3、供电模块4、实时监控计算机5、GPS天线6和射频信号传输线7，组合量测模块I包括一套GPS量测系统和一套惯性导航系统，组合量测模块1、数据存储模块3和供电模块4设置于水密模块2中，确保了导管架平台下水时系统的各模块能正常工作，数据储存模块3与组合量测模块I相连接，用于储存组合测量模块I的测量结果，供电模块4与组合量测模块I相连接，为组合量测模块I和数据储存模块3提供电力，实时监控计算机5与组合量测模块I相连接，用于实时读取和显示组合测量模块I测得的导管架平台下水过程的数据，射频信号传输线7分别与所述GPS天线6和组合量测模块I相连接，用于将GPS天线6接收的GPS信号传输给组合量测模块I的GPS量测系统。
[0030]GPS测量系统包括GPS主站、GPS从站和GPS航向解算计算机。GPS天线6接收卫星发布的信号，通过射频信号传输线7传送给GPS量测系统的GPS主站和GPS从站，根据星历表信息，可求得每颗卫星发射信号时的位置。这时分别以三颗卫星为中心，以求得的三颗卫星分别到测点的距离为半径，作三个球面，球面的交点就是观测点。如果载体上装有两个天线，即可对这两个天线位置分别定位，从而达到定向的目的。对于导管架，可以将它看成刚体，两个点的位置信息即可描述它六自由度的运动。
[0031]惯性导航系统根据牛顿惯性定律，当载体相对惯性空间以加速度a运动时，可以用载体中的加速度计测出作用在单位质量上惯性力和引力的矢量和的大小，即比力的大小。通过载体上加速度计测出比力后，在载体内部不必依赖外界信息而只是通过惯性元件即可测得载体相对惯性坐标系的加速度。当知道了载体的初始位置和初始速度后，只要对该加速度进行两次积分便可以分别先后获取该载体定位所需要的速度和位置信息。
[0032]GPS量测系统定位信息精度高，价格便宜，但无法再水下工作；而惯性导航是自主的，不依赖于任何的外部帮助或视界条件，能够连续提供定位和姿态等多种导航信息，但误差随时间积累增加，无法单独长期工作，必须不断加以校准。因此，本较佳实施例同时使用了这两种系统，在GPS天线在水面以上，能够正常接收信号时，通过GPS量测系统对惯导系统进行修正，能达到较高精度；当GPS天线入水无法工作时，通过惯导记录的信息对轨迹进行计算。考虑到下水过程比较短，只有一分多钟，GPS失效的时间很短，该方法能够满足导管架下水的测量需求。
[0033]组合量测模块I的工作原理如图2所示。组合量测模块I包括陀螺数据采集单元、加速度计采集单元、IMU航向解算计算机、数据存储单元、组合导航计算机、GPS航向解算计算机、GPS主站及GPS从站。
[0034]当GPS有信号时，GPS主站和从站接受GPS信号，确定导管架位置并将所接收到的信号发送至GPS航向解算计算机，经计算后获得GPS位置信息，并将GPS位置信息传送至组合导航计算机。与此同时，惯性导航系统中陀螺数据采集单元和加速度计采集单元分别利用三轴陀螺和三轴加速度计分别获取位置信息，并将所获得的位置信息发送至IMU航向解算计算机，通过积分求得导管架的惯性导航位置信息，继而将惯性导航位置信息传送至组合导航计算机。GPS位置信息和惯性导航位置信息皆汇入到组合导航计算机中，并且用GPS位置信息对惯性导航位置信息进行修正，并将修正后的数据存入数据存储单元。
[0035]当GPS无信号时，整个组合量测模块I仅通过惯性导航位置信息测得导管架的位置。数据储存在数据储存模块单元内。
[0036]如图3所不，水吴块2包括水S桶21、水乾'插件22和、硫化接头23、水乾'桶盖24、前后天线连接线25和串口连接线26，水密桶21外形为圆筒形，一端密封一端开口。整个水密桶用水密桶盖24密封起来。水密插件22在水下具有优秀的绝缘性能和接插可靠性，可以在水下环境中直接插拔，能有效防止水进入到水密桶21内部，水密接插件22穿过水密盖24，连接在水密桶21上。前后天线连接线25穿过水密插件22，与水密桶21内的组合量测模块I相连接，安装在导管架上的GPS前后天线6实时收集GPS信号通过前后天线连接线25传输到水密桶内组合量测模块I的GPS量测系统，并通过数据存储模块3储存起来，串口连接线26穿过水密插件22，与水密桶21内的组合测量模块I连接，将组合测量模块I的GPS量测系统和惯性导航系统采集的信息通过串口连接线26传送到实时监控计算机5上，以便测试水密桶内设备运行状态。硫化接头23两端与水密桶盖24外部的前后天线连接线25连接，防止导管架上的前、后天线在打捞回收过程中，防止导管架上的前、后天线6剪断后，水通过前后天线连接线25的内部流入水密桶I。水密桶21、水密接插件22以及硫化接头23三者共同保证了整个导管架平台下水过程运动实测的水密性。水密模块2确保了导管架在水下时，组合测量模块1、数据储存模块3和供电模块4能正常工作。
[0037]供电模块4采用锂电池为整套系统提供电力；组合测量模块I的结果储存在数据储存模块3中，从而完成了数据采集、储存、回收，很好的满足实际测量要求。[0038]本发明一较佳实施例提供的导管架平台下水运动实测系统包括三套组合测量模块1、水密模块2、数据储存模块3和供电模块4，每一套系统的测量模块1、数据储存模块3和供电模块4设置于水密模块2中，其中两套系统安装在导管架平台上，另外一套系统安装在下水驳船上。三套系统同时工作，确保最后能获得可靠的数据。
[0039]导管架平台上需要安装的两套系统的组合测量模块1、数据储存模块3和供电模块4放置于水密模块2的水密桶21中，水密桶21分别安装在导管架固定滑道的两根桩腿上。
[0040]导管架平台下水过程的运动测量方法步骤如下:
[0041]a)安装过程，在导管架下水前将两个水密模块2分别安装固定在导管架上，一个水密模块2放在驳船上，所述三个水密模块各包括一组合测量模块1、一数据存储模块3和一供电模块4，数据存储模块3分别与组合测量模块I和供电模块4相连接；
[0042]b)测试步骤，为了确保能采集到数据，在下水前对组合测量模块I的GPS量测系统和惯性导航系统进行测试，保证其正常工作；
[0043]c)采集过程，当GPS天线在水面以上时，通过GPS天线和组合量测模块I的GPS量测系统对导管架平台进行定位，当GPS天线入水无法工作时，通过组合量测模块I的惯性导航系统对导管架平台进行定位，并对导管架平台进入水里时，通过组合量测模块I的惯性导航系统对导管架平台运动估计进行计算，获取运动数据，并通过实时监控计算机5对获取的运动数据进行监控；
[0044]d)打捞回收过程，完成采集后对水密桶21进行打捞回收，并将采集到的运动数据导出到数据存储模块3进行处理和分析。
[0045]本发明提供的导管架平台下水过程的运动实测系统结构简单，功能明确:通过“GPS +惯性导航”的组合，使得驳船运动轨迹，以及导管架在水上水下的运动轨迹均可以被有效的测量。
[0046]本发明较佳实施例中提到的以上所有装置均已经过测试，并用于实际测量，结果显示，整个实测系统和方法均很好的满足要求。
[0047]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本【技术领域】中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种导管架平台下水过程的运动实测系统，其特征在于，包括组合测量模块、水密模块、数据储存模块、供电模块、实时监控计算机、GPS天线和射频信号传输线；其中所述组合量测模块包括GPS量测系统和惯性导航系统，所述组合量测模块、所述数据存储模块和所述供电模块设置于所述水密模块中，所述数据储存模块与所述组合量测模块相连接，用于储存所述组合测量模块的量测结果，所述供电模块与所述组合量测模块相连接，为所述组合测量模块及所述数据储存模块提供电力，所述实时监控计算机与所述组合量测模块相连接，用于实时读取和显示所述组合测量模块测得的所述导管架平台下水过程的数据，所述射频信号传输线分别与所述GPS天线和所述组合量测模块相连接，用于将所述GPS天线接收的GPS信号传输给所述组合量测模块的所述GPS量测系统。
2.如权利要求1所述的导管架平台下水过程的运动实测系统，其中，所述GPS测量系统包括GPS主站、GPS从站和GPS航向解算计算机。
3.如权利要求2所述的导管架平台下水过程的运动实测系统，其中，所述GPS天线包括前天线和后天线，分别安装在所述导管架上。
4.如权利要求3所述的导管架平台下水过程的运动实测系统，其中，所述GPS主站与所述前天线相连接，所述GPS从站与所述后天线相连接,所述GPS航向解算计算机与所述GPS主站和所述GPS从站分别相连接，用于获得GPS位置信息。
5.如权利要求4所述的导管架平台下水过程的运动实测系统，其中，所述惯性导航系统包括陀螺数据采集单元及加速度计采集单元，所述组合量测模块还包括IMU航向解算计算机、数据存储单元及组合导航计算机；所述陀螺数据采集单元及所述加速度计采集单元与所述MU航向解算计算机相连接，用于获得惯性导航位置信息；所述IMU航向解算计算机及所述GPS航向解算计算机分别与所述组合导航计算机相连接,用于向所述组合导航计算机传输所述惯性导航位置信息及所述GPS位置信息；所述组合导航计算机与所述数据存储单元相连接。
6.如权利要求1所述的导管架平台下水过程的运动实测系统，其中，所述水密模块包括水密桶、水密插件、水密桶盖、前后天线连接线和串口连接线，所述水密桶为一端密封一端开口，且所述开口用所述水密桶盖密封，所述水密插件穿过所述水密桶盖并固定于所述水密桶盖，所述前后天线连接线和所述串口连接线穿过所述水密插件。
7.如权利要求6所述的导管架平台下水过程的运动实测系统，其中，所述水密模块还包括硫化接头，所述硫化接头两端分别连接在所述水密桶盖外部的所述前后天线连接线上。
8.如权利要求1所述的导管架平台下水过程的运动实测系统，其中，所述导管架平台下水过程的运动实测系统包括三个所述组合测量模块、三个所述水密模块、三个所述数据储存模块和三个所述供电模块；其中二个所述测量模块、二个所述数据储存模块和二个所述供电模块分别放置于所述二个水密模块中，安装在所述导管架上；另外一个所述测量模块、一个所述数据储存模块和一个所述供电模块放置于所述水密模块中，安装在下水驳船上。
9.一种导管架平台下水过程的运动实测方法，其特征在于，使用了如权利要求5所述的运动实测系统，包括如下步骤: 安装步骤:在导管架下水前将两个所述水密模块分别安装固定在所述导管架上，一个所述水密模块安装在驳船上，所述水密模块各包括一个所述组合测量模块、一个所述数据存储模块和一个所述供电模块； 测试步骤:为了确保能采集到数据，在下水前对所述组合测量模块的所述GPS量测系统和所述惯性导航系统进行测试，保证其正常工作； 采集步骤:当所述GPS天线在水面以上时，通过所述组合量测模块的所述GPS量测系统及所述惯性导航系统对所述导管架平台进行定位；当所述导管架平台进入水里时，通过所述组合量测模块的所述惯性导航系统对所述导管架平台进行定位；以及 打捞回收步骤:完成采集后对所述水密模块进行打捞回收，并将采集到的位置信息导出到所述数据存储模块进行处理和分析。
10.根据权利要求9所述的运动实测方法，其特征在于，所述采集步骤还包括当所述GPS天线在水面以上时，通过所述GPS量测系统及所述惯性导航系统分别采集GPS位置信息及惯性导航位置信息，并将所述GPS位置信息和所述惯性导航位置信息汇入到所述组合导航计算机中，并且用所述GPS位置信息对所述惯性导航位置信息进行修正，根据修正结果，对所述导管架平台进 行定位。
【文档编号】G01S19/49GK103616709SQ201310548608
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年11月7日 优先权日:2013年11月7日
【发明者】杨建民, 陈忆宁, 张鼎, 李欣, 李俊, 许鑫, 熊凌志 申请人:上海交通大学