一种用于浮托安装实际测量的运动监控系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于浮托安装实际测量的运动监控系统，包括：高精度惯性导航系统、差分GPS系统、数据处理及运动显示系统；高精度惯性导航系统提供六个自由度的运动参数，高精度惯性导航系统和所述差分GPS系统通过无线信号传输数据给所述数据处理及运动显示系统；数据处理及运动显示系统用于测量的数据，通过组合测量算法，获得可靠的厘米级位置精度及0.05°的姿态精度，同时显示组块的运动画面及图表。本发明的运动监控系统定位明晰，功能明确，结构组成容易实现，很好地解决了浮托安装过程中运动监控的一系列难题。
【专利说明】一种用于浮托安装实际测量的运动监控系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种船舶与海洋工程【技术领域】的装置，具体涉及一种用于海洋平台浮托安装中实时监控组块运动的系统。
【背景技术】
[0002]浮托安装是一种新兴的大型组块海上安装的方法，它具有成本低、作业时间短、起重能力大、适用范围广、操作方便安全等特点。海上浮托安装过程涉及到上部模块、驳船和导管架三者间的相对运动，包括进船、位置调整、载荷转移、继续加载和退船一系列复杂过程。
[0003]为了使浮托安装顺利进行，需要对浮托安装前及浮托安装过程的组块运动、护舷受力和海洋环境条件等进行实时监测，为现场安装指挥提供实时参考数据及监控画面。此夕卜，海上实际测量作为船舶与海洋工程领域的一种重要研究手段，能够真实反映实际情况中船舶以及海洋结构物的受力和运动响应。相对于模型试验以及数值模拟，海上实测在数据真实性、可靠性上具有无可比拟的优点，因而，其广泛应用于对数值模拟和模型试验结果进行验证。因而，海上实际测量对现场安装和科研工作均具有十分重要的意义。
[0004]区别于一般的运动监控系统，海上浮托安装过程中运动监控测量，具有大尺度、环境条件恶劣、数据传输不便、运动画面实时显示以及测量精度要求高等特点。这对运动监控测量系统提出了新的要求，要求能够实现大尺度海洋结构物的运动测量、能够实时显示结构物的运动并且在海上环境中具有较佳的可操作性等。目前，应用于海洋工程模型试验中的光学六自由度运动采集系统，测量尺度小，数据依赖有线传输，并且无法实时显示物体运动动画，不能应用到海上平台的浮托安装运动测量中。现有的其他运动监控系统均不能满足上述海上实测的特殊要求。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于浮托安装实际测量的运动监控系统，解决浮托安装过程中大尺度精确测量、实时运动动画显示以及环境恶劣等难题。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是设计提供一种能够适用于海上浮托安装实际测量要求的运动监控系统。该系统的功能在于在浮托安装过程中实时测量驳船和组块在风浪中的六自由度运动，桩腿对接缓冲装置(LMU)及组块支撑装置(DSU)的运动幅值及速度，并通过三维动画及图表实时显示监控结果，为施工者提供驳船及插肩处实时的运动信息。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种用于浮托安装实际测量的运动监控系统，包括:高精度惯性导航系统、差分GPS系统、数据处理及运动显示系统；高精度惯性导航系统提供六个自由度的运动参数，高精度是指达到厘米级的位置精度；高精度惯性导航系统和差分GPS系统通过无线信号传输数据给数据处理及运动显示系统；数据处理及运动显示系统用于组合高精度惯性导航系统和差分GPS系统测量的数据，通过组合测量算法，获得可靠的厘米级位置精度及0.05°的姿态精度，同时显示组块的运动画面及图表。
[0008]进一步地，高精度惯性导航系统包括光纤陀螺和石英加速度计；光纤陀螺用于测量载体运动的角速度；石英加速度计用于测量载体相对惯性坐标系的加速度。
[0009]更进一步地，其中石英加速度计通过测量载体的单位质量上的惯性力和引力的矢量和的大小，获得载体相对惯性坐标系的加速度。
[0010]进一步地，差分GPS系统包括:双频GPS定位与定向系统和实时动态差分系统。[0011 ] 更进一步地，双频GPS定位与定向系统由基站和移动站组成，双频GPS定位与定向系统通过GPS天线接收卫星发布的信号，并根据星历表信息，获得每颗卫星发射信号时的位置；然后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。
[0012]更进一步地，实时动态差分系统利用载波相位动态实时差分技术，根据双频GPS定位与定向系统中两台接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置；实时动态差分系统能够实时地提供测量点的三维坐标并能够达到厘米级的精度。
[0013]进一步地，数据处理及运动显示系统包括:组合导航计算机、协议处理计算机和数据存储单兀。
[0014]更进一步地，其中组合导航计算机通过组合测量算法，处理来自高精度惯性导航系统和差分GPS系统测量的数据，解码并进行坐标转换处理，给出可靠的厘米级位置精度及0.05°的姿态精度。
[0015]更进一步地，其中协议处理计算机利用实时动画显示软件将载体运动数据转换为动画，实现组块运动，插尖及组块支撑装置的实时显示。
[0016]更进一步地，其中数据存储单元用于保存测量获得的载体六自由度运动数据。
[0017]本发明的技术效果是:浮托安装运动监控系统定位明晰，功能明确，结构组成容易实现。通过GPS与惯性导航系统(INS)的组合测量方式，提高了系统的可靠性以及测量的精度。同时，数据链通过无线电台传递，很好地适应了海上苛刻的安装环境。通过实时动画与图表显示载体运动，为施工提供了直接的指导依据。因此，本发明很好地解决了浮托安装过程中运动监控的一系列难题。
[0018]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】
[0019]图1是本发明的一个较佳实施例的运动监控系统的结构示意图；
[0020]图2是图1中所示运动监控系统的差分GPS系统的示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0022]本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括:高精度惯性导航系统、差分GPS系统、数据处理及运动显示系统。其中:高精度惯性导航系统主要包括高精度的光纤陀螺、石英加速度计，具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗干扰性强、全天候工作等优点，可自主的提供六个自由度的运动参数，但它的输出误差随时间积累；差分GPS系统主要包括双频GPS定位与定向系统和实时动态差分(RTK)系统，它具有较高的测量精度，但具有易受干扰，输出不连续，输出信息不完整等劣势；数据处理及运动显示系统主要包括组合导航计算机、协议处理计算机和数据存储单元，用于组合高精度惯性导航系统和差分GPS系统测量的数据，通过先进的组合测量算法，获得可靠的厘米级位置精度及0.05°的姿态精度，同时，通过动画模拟系统，实时显示组块的运动画面及图表。
[0023]高精度惯性导航系统包括:高精度的光纤陀螺、石英加速度计。其中，光纤陀螺用于测量载体运动的角速度；石英加速度计通过测量单位质量上的惯性力和引力的矢量和的大小，获得载体相对惯性坐标系的加速度。当知道载体的初始位置及初始速度后，对加速度进行两次积分先后获得载体定位所需要的速度和位置信息。
[0024]差分GPS系统包括:双频GPS定位与定向系统和实时动态差分(RTK)系统。其中，双频GPS定位与定向系统由基站和移动站组成，其通过GPS天线接收卫星发布的信号，并根据星历表信息，获得每颗卫星发射信号时的位置。然后，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；实时动态差分系统的工作原理在于，利用载波相位动态实时差分技术，根据双频GPS定位与定向系统中两台接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置。它能够实时地提供测量点在指定坐标系中的三维坐标(X，Y, Z),并能够达到厘米级的精度。
[0025]数据处理及运动显示系统包括:组合导航计算机、协议处理计算机和数据存储单元。其中，组合导航计算机通过先进的组合测量算法，处理来自高精度惯性导航系统I和差分GPS系统测量的数据，解码并进行坐标转换处理，给出可靠的厘米级位置精度及0.05°的姿态精度；协议处理计算机利用自主编写的实时动画显示软件对将载体运动数据转换为动画，实现组块运动及八个组块支撑装置(DSU)的实时显示；数据存储单元用于保存测量获得的载体六自由度运动数据。
[0026]本发明采用GPS与惯性器件(INS)组合的测量方式，理由在于:利用高精度惯性导航系统可以获得高精度的角速度，利用差分GPS系统可以获得高精度的线速度，综合两种测量手段的优势，增强系统的可靠性、可用性、环境适应性和动态性。
[0027]本发明GPS测量采用差分定位方式而非单点定位方式，理由在于:单点定位方式只能采用伪距观测量，由于卫星导航定位时存在着卫星钟差、大气延迟(对流层延迟、电离层延迟)星历误差、传播延迟误差等因素，水平位置精度在I米左右，垂直位置精度更差，达不到浮托安装时的要求。
[0028]图1是本发明运动监控系统的结构示意图，如图1所示，运动监控系统主要包括高精度惯性导航系统、差分GPS系统、数据处理及运动显示系统，其具体构成分别为:三轴陀螺仪、陀螺数据采集单元、三轴加速度计、加速度计采集单元、頂U航向解算计算机；GPS移动站(包括GPS主站和GPS从站)、RTK基站、GPS航向解算计算机；组合导航计算机、协议处理计算机和数据存储单元。
[0029]在浮托安装中，高精度惯性导航系统和差分GPS系统的移动站安装在驳船船尾靠中线位置，RTK基站安装在与地球固结的地点，如安装在工作地点附近的导管架平台上。由于驳船与组块在对接完成前属于刚性连接，因此驳船上该点的运动可以换算到组块插尖的运动。
[0030]高精度惯性导航系统中的加速度计测出作用在单位质量上的惯性力和引力的质量和，通过内部的惯性元件即可获得驳船与组块在随体坐标系下的加速度，对加速度进行
二次积分，可以先后获得驳船与组块的速度和位置信息。此外，光纤陀螺测量驳船与组块运动在随体坐标系下的角速度。经过采集单元采集数据，传输到MU航向解算计算机中，经过坐标转换，获得驳船与组块的运动数据。
[0031]如图2所示，差分GPS系统中RTK基站连续接收所有可视GPS卫星信号，RTK基站将测得的站点坐标、伪距观测值、载波相位观测值、卫星跟踪状态和接收机工作状态等通过无线数据链发送给GPS移动站。GPS移动站先进行初始化，完成整周未知数的搜索求解后，进入动态作业。GPS移动站在接收来自RTK基站的数据时，同步观测采集GPS卫星载波相位数据，通过系统内差分处理求解载波相位整周模糊度，根据RTK基站和GPS移动站的相关性，得出GPS移动站的平面坐标X，y和高程h。
[0032]高精度惯性导航系统和差分GPS系统均为相对独立的测量系统，两者通过数据处理及运动显示系统中的组合导航计算机对测量数据进行进一步处理，获得更精确、更可靠的运动信息，并予以实时动画显示及保存运动数据。
[0033]以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员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】
1.一种用于浮托安装实际测量的运动监控系统，其特征在于，包括:高精度惯性导航系统、差分GPS系统、数据处理及运动显示系统；所述高精度惯性导航系统提供六个自由度的运动参数，高精度是指达到厘米级的位置精度；所述高精度惯性导航系统和所述差分GPS系统通过无线信号传输数据给所述数据处理及运动显示系统；所述数据处理及运动显示系统用于组合所述高精度惯性导航系统和所述差分GPS系统测量的数据，通过组合测量算法，获得可靠的厘米级位置精度及0.05°的姿态精度，同时显示组块的运动画面及图表。
2.根据权利要求1所述的运动监控系统，其特征在于，其中所述高精度惯性导航系统包括光纤陀螺和石英加速度计；所述光纤陀螺用于测量载体运动的角速度；所述石英加速度计用于测量载体相对惯性坐标系的加速度。
3.根据权利要求2所述的运动监控系统，其特征在于，其中所述石英加速度计通过测量载体的单位质量上的惯性力和引力的矢量和的大小，获得载体相对惯性坐标系的加速度。
4.根据权利要求1所述的运动监控系统，其特征在于，所述差分GPS系统包括:双频GPS定位与定向系统和实时动态差分系统。
5.根据权利要求4所述的运动监控系统，其特征在于，所述双频GPS定位与定向系统由基站和移动站组成，所述双频GPS定位与定向系统通过GPS天线接收卫星发布的信号，并根据星历表信息，获得每颗卫星发射信号时的位置；然后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。
6.根据权利要求4所述的运动监控系统，其特征在于，所述实时动态差分系统利用载波相位动态实时差分技术，根据所述双频GPS定位与定向系统中两台接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置；所述实时动态差分系统能够实时地提供测量点的三维坐标并能够达到厘米级的精度。
7.根据权利要求1所述的运动监控系统，其特征在于，所述数据处理及运动显示系统包括:组合导航计算机、协议处理计算机和数据存储单元。
8.根据权利要求7所述的运动监控系统，其特征在于，其中所述组合导航计算机通过组合测量算法，处理来自所述高精度惯性导航系统和所述差分GPS系统测量的数据，解码并进行坐标转换处理，给出可靠的厘米级位置精度及0.05°的姿态精度。
9.根据权利要求7所述的运动监控系统，其特征在于，其中所述协议处理计算机利用实时动画显示软件将载体运动数据转换为动画，实现组块运动，插尖及组块支撑装置的实时显示。
10.根据权利要求7所述的运动监控系统，其特征在于，其中所述数据存储单元用于保存测量获得的载体六自由度运动数据。
【文档编号】G01S19/53GK103760584SQ201410002601
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月2日 优先权日:2014年1月2日
【发明者】李欣, 张鼎, 许鑫, 吴骁, 邓燕飞 申请人:上海交通大学