基于北斗CORS系統(tǒng)的海上鉆井平臺(tái)精確站樁導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

于　雙， 董光利， 劉　壯， 潘紅章， 黃華文

(上海普適導(dǎo)航科技股份有限公司，上海 201112)

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基于北斗CORS系統(tǒng)的海上鉆井平臺(tái)精確站樁導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

于雙， 董光利， 劉壯， 潘紅章， 黃華文

(上海普適導(dǎo)航科技股份有限公司，上海 201112)

由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性與不可預(yù)測(cè)性，海上石油平臺(tái)站樁或拖船是一項(xiàng)相當(dāng)艱難的作業(yè)。海上鉆井平臺(tái)精確站樁導(dǎo)航系統(tǒng)是針對(duì)上海外高橋造船有限公司的JU-2000E型石油鉆井平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，利用北斗CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得平臺(tái)厘米級(jí)精度的位置信息，為移動(dòng)平臺(tái)精確站樁提供了可靠保障。

精確站樁；北斗CORS；導(dǎo)航定位；海上鉆井平臺(tái)；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

隨著人類(lèi)深化油氣資源的開(kāi)發(fā)利用，油氣勘探開(kāi)發(fā)從陸地轉(zhuǎn)入海洋。海上石油鉆井平臺(tái)上裝有鉆井、動(dòng)力、通訊、導(dǎo)航等設(shè)備，以及安全救生和人員生活設(shè)施，是海上油氣勘探開(kāi)發(fā)不可缺少的手段。由于海上氣候的多變、海上風(fēng)浪和海底暗流的破壞，平臺(tái)在鉆井過(guò)程中引起移位需要重新復(fù)位、就位或在深水海域進(jìn)行拖船是相當(dāng)復(fù)雜的作業(yè)，涉及到操縱性、耐波性以及水動(dòng)力理論等多個(gè)學(xué)科，是一個(gè)系統(tǒng)工程[1]，而且拖航過(guò)程中極其易受設(shè)備、航道、天氣等多方面因素的影響，同時(shí)考慮到工作人員的過(guò)度疲勞、緊張及其他人為原因，提供準(zhǔn)確及時(shí)的導(dǎo)航定位技術(shù)服務(wù)對(duì)降低作業(yè)成本、提高安全性起非常關(guān)鍵的作用。

在GPS還沒(méi)有成熟地應(yīng)用到打樁定位的時(shí)候，主要是使用經(jīng)緯儀交會(huì)等方法來(lái)確定樁的方位和坐標(biāo)。由于采用的是交會(huì)的方法，需要兩臺(tái)或者多臺(tái)儀器的協(xié)調(diào)，其計(jì)算復(fù)雜，且對(duì)儀器設(shè)站的位置也有很高的要求。鉆井平臺(tái)在水中會(huì)有一定的波動(dòng)，因此，傳統(tǒng)上的打樁定位工作的效率和定位的精度都不理想，而對(duì)于離岸較遠(yuǎn)的定位測(cè)量，經(jīng)緯儀交會(huì)的角度和儀器安置的位置選擇都受到了限制，沒(méi)有辦法達(dá)到很好的精度。

隨著GPS定位技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)載波差分定位技術(shù)不斷成熟，為打樁定位提供了新的研究手段[2]。因此，近年來(lái)基于GPS RTK技術(shù)和基于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的打樁定位系統(tǒng)得到了發(fā)展和應(yīng)用[3]。本系統(tǒng)使用了2套網(wǎng)絡(luò)RTK設(shè)備并通過(guò)連接CORS網(wǎng)實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)精度的位置信息，滿(mǎn)足了定樁工程的高精度要求，并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)拖航平臺(tái)和船舶運(yùn)行狀況，可以及時(shí)定位平臺(tái)及船舶位置，直觀(guān)顯示航向、航速、船舶距離等重要拖航信息，有效保證拖航過(guò)程中鉆井平臺(tái)在站樁或拖船過(guò)程中的安全。該系統(tǒng)的建成能夠有效減小海上鉆井平臺(tái)拖船或定樁的操作復(fù)雜性，提高對(duì)海上鉆井平臺(tái)及船舶的現(xiàn)代化管理水平，及早發(fā)現(xiàn)隱患、最大程度地避免事故的發(fā)生。

1　北斗CORS系統(tǒng)

北斗連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)(BD-CORS)是指利用網(wǎng)絡(luò)RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分)技術(shù)，將多個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站組合而成的定位服務(wù)綜合系統(tǒng)作為新一代的高精度地基增強(qiáng)系統(tǒng)，具有作業(yè)覆蓋范圍更廣、定位精度更高、使用更方便等優(yōu)勢(shì)。從2012年起，我國(guó)的上海、重慶、河北等地的北斗CORS系統(tǒng)相繼建成。北斗CORS系統(tǒng)的相繼建成，不僅可以大幅提升北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)精度，為用戶(hù)提供厘米級(jí)甚至毫米級(jí)定位服務(wù)，而且可以滿(mǎn)足測(cè)繪、國(guó)土、氣象、城建等高精度行業(yè)用戶(hù)的需求，同時(shí)，對(duì)于拓展北斗高精度應(yīng)用領(lǐng)域、創(chuàng)新北斗高精度應(yīng)用模式、推動(dòng)北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展都具有重要意義[4]。BD-CORS的工作過(guò)程如圖1所示[5]。

圖1　CORS工作過(guò)程示意圖

2　海上鉆井平臺(tái)精確站樁導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海上鉆井平臺(tái)精確站樁導(dǎo)航系統(tǒng)是針對(duì)上海外高橋造船有限公司的JU-2000E型石油鉆井平臺(tái)[6]開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，主要解決石油鉆井平臺(tái)如何在海中準(zhǔn)確定位、精確打樁問(wèn)題。該系統(tǒng)使用了2套網(wǎng)絡(luò)RTK設(shè)備并通過(guò)連接北斗CORS網(wǎng)實(shí)時(shí)獲得厘米級(jí)精度的位置信息，通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算實(shí)時(shí)顯示鉆井平臺(tái)的當(dāng)前姿態(tài)及位置信息，并通過(guò)文字列表顯示及語(yǔ)音播報(bào)助航系統(tǒng)為用戶(hù)提供精確的導(dǎo)航信息；同時(shí)系統(tǒng)配備了電子海圖，為用戶(hù)航海提供了豐富的導(dǎo)航接口。經(jīng)多次海試，系統(tǒng)為移動(dòng)平臺(tái)精確站樁提供了可靠保障。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3　海上鉆井平臺(tái)精確站樁導(dǎo)航系統(tǒng)中心軟件的設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)概況

海上鉆井平臺(tái)精確站樁導(dǎo)航系統(tǒng)是針對(duì)上海外高橋造船有限公司的JU-2000E 型石油鉆井平臺(tái)而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，利用北斗CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得平臺(tái)厘米級(jí)精度的位置信息。JU-2000E 型平臺(tái)基本上是1個(gè)三角形，其3個(gè)站樁分布在3個(gè)角上(見(jiàn)圖3)。由于3個(gè)站樁是在平臺(tái)上，而平臺(tái)是浮在動(dòng)態(tài)的水面上，要想能夠在動(dòng)態(tài)的水面上進(jìn)行高精度的定位，還應(yīng)考慮平臺(tái)的姿態(tài)，因此，站樁導(dǎo)航系統(tǒng)需要具備平臺(tái)的實(shí)時(shí)定位與定向功能。

圖3　JU-2000E 型平臺(tái)示意圖

3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題及解決策略

站樁導(dǎo)航系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)功能：①實(shí)時(shí)確定平臺(tái)艏向角；②實(shí)時(shí)確定3個(gè)樁點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)。在設(shè)備平臺(tái)上，可以定義1個(gè)相對(duì)獨(dú)立的平臺(tái)坐標(biāo)系，進(jìn)而得到3個(gè)樁點(diǎn)及2個(gè)接收機(jī)設(shè)備安置點(diǎn)的平臺(tái)坐標(biāo)，同時(shí)，利用北斗CORS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)得到2個(gè)接收機(jī)設(shè)備的測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)。

因此，本站樁導(dǎo)航系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)時(shí)進(jìn)行平臺(tái)坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)時(shí)得到平臺(tái)的艏向角及3個(gè)樁點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)。

1)測(cè)量坐標(biāo)系。此處測(cè)量坐標(biāo)系主要指高斯投影坐標(biāo)系，如圖4中XOY所示，以投影中央子午線(xiàn)與赤道的交點(diǎn)為原點(diǎn)，X軸與投影中央子午線(xiàn)重合，向北為正方向，Y軸平行于赤道，向東為正方向。

2)設(shè)備平臺(tái)坐標(biāo)系。設(shè)備平臺(tái)坐標(biāo)系為一獨(dú)立坐標(biāo)系，如圖4中X′O′Y′所示，以平臺(tái)中心線(xiàn)與平臺(tái)底部的交點(diǎn)為原點(diǎn)，X軸與平臺(tái)幾何中心線(xiàn)重合，指向船艏向，X軸按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°得到Y(jié)軸。

圖4　坐標(biāo)系示意圖

(1)

在測(cè)量坐標(biāo)系下，設(shè)定位點(diǎn)天線(xiàn)坐標(biāo)為(xp,yp)，定向點(diǎn)天線(xiàn)坐標(biāo)為(xh,yh)，3個(gè)樁點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi,yi)，則從定位點(diǎn)到定向點(diǎn)在測(cè)量坐標(biāo)系下的方位角

(2)

根據(jù)圖4，可以得到平臺(tái)坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系的夾角α(平臺(tái)艏向角)，

(3)

根據(jù)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換，可以得到3個(gè)樁點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)

(4)

通過(guò)北斗CORS系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)得到定位及定向點(diǎn)在CGCS2000測(cè)量坐標(biāo)下的坐標(biāo)，利用式(3)、式(4)，即可以實(shí)時(shí)得到平臺(tái)的艏向及3個(gè)樁點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)系坐標(biāo)。

3.3中心軟件總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖5所示。 系統(tǒng)采用自上而下的總體規(guī)劃和自下而上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)的策略設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，在應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)選擇、主機(jī)系統(tǒng)選型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、線(xiàn)路、帶寬、傳輸協(xié)議選擇，以及重要系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，都需要權(quán)衡現(xiàn)有需求和未來(lái)發(fā)展需要之間、現(xiàn)有技術(shù)的可獲得性和未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向之間的矛盾。

圖5　系統(tǒng)總體架構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)的軟件主要包括電子海圖、精確站樁導(dǎo)航和導(dǎo)航信息展示三大功能。

1)電子海圖功能：集成了我國(guó)全部海域的海圖數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)了海圖的放大、縮小、平移、測(cè)距、居中等基本功能，可以展示目標(biāo)的動(dòng)態(tài)航跡線(xiàn)信息。

2)精確站樁導(dǎo)航功能：對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將測(cè)量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)換算為樁點(diǎn)位置信息，通過(guò)繪圖技術(shù)將定位結(jié)果實(shí)時(shí)展現(xiàn)出來(lái)，給用戶(hù)直觀(guān)的顯示，動(dòng)態(tài)繪制出移動(dòng)樁與目標(biāo)樁的位置關(guān)系。

3)導(dǎo)航信息展示功能：對(duì)艏向、航向、流向角、偏航、航速、平臺(tái)相對(duì)目標(biāo)腳印前后偏的距離、平臺(tái)相對(duì)目標(biāo)腳印中心線(xiàn)左右偏的距離以及各樁與相對(duì)目標(biāo)腳印的距離等信息進(jìn)行直觀(guān)數(shù)值展示。

4　海上鉆井平臺(tái)精確站樁導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

軟件開(kāi)發(fā)基于.NET平臺(tái)，采用完全的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言C#編寫(xiě)，引用二維GIS開(kāi)發(fā)采用電子海圖引擎，底層采用Access進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和集群。軟件支持Windows 2000、XP、Vista和Windows7等系統(tǒng)，軟件需要在Access2007環(huán)境下運(yùn)行。

4.2軟件主要模塊

根據(jù)軟件功能需求分析，該軟件包含電子海圖模塊、精確站樁導(dǎo)航模塊、參數(shù)及樁點(diǎn)設(shè)置模塊以及定位信息展示模塊。4個(gè)模塊之間的關(guān)系如圖6所示。

1)電子海圖模塊：加載海圖數(shù)據(jù)至海圖模塊，在屏幕匯總繪制電子海圖，可以對(duì)海圖進(jìn)行放大、縮小、平移等操作。

2)精確站樁導(dǎo)航模塊：對(duì)測(cè)量設(shè)備上報(bào)的實(shí)時(shí)位置信息進(jìn)行解析并處理實(shí)時(shí)計(jì)算3個(gè)樁點(diǎn)的位置坐標(biāo)，并將實(shí)時(shí)計(jì)算的樁點(diǎn)位置信息繪制在屏幕上。

3)參數(shù)及樁點(diǎn)設(shè)置模塊：設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)并保存至注冊(cè)表，設(shè)置首腳印、左腳印及右腳印的坐標(biāo)值及方向角等信息并保存至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

4)定位信息展示模塊：對(duì)艏向、航向、流向角、偏航、航速、平臺(tái)相對(duì)目標(biāo)腳印前后偏的距離、平臺(tái)相對(duì)目標(biāo)腳印中心線(xiàn)左右偏的距離以及各樁與相對(duì)目標(biāo)腳印的距離等信息進(jìn)行直觀(guān)數(shù)值展示。

圖6　模塊關(guān)系圖

4.3軟件界面

軟件界面如圖7所示。

圖7　軟件界面

本系統(tǒng)的軟件界面包括標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、定位信息顯示欄、站樁顯示欄和導(dǎo)航狀態(tài)欄。其中，定位信息顯示欄為圖6左側(cè)的顯示框，能夠?qū)崟r(shí)顯示導(dǎo)航信息、點(diǎn)位質(zhì)量和設(shè)備實(shí)時(shí)信息；站樁顯示欄包括電子海圖和精確站樁導(dǎo)航兩種顯示模式，以便于用戶(hù)在不同空間尺度里查看平臺(tái)地理位置；導(dǎo)航狀態(tài)欄顯示站樁過(guò)程中樁離“首腳印”的位置，便于平臺(tái)操作人員精確停泊。

拖航和插樁過(guò)程中，船長(zhǎng)根據(jù)實(shí)時(shí)顯示的圖像和相關(guān)數(shù)據(jù)指導(dǎo)拖輪作業(yè)。當(dāng)平臺(tái)站樁進(jìn)入設(shè)計(jì)位置范圍圈后，范圍圈呈綠色，此狀態(tài)下表明平臺(tái)已到位。

5　結(jié)束語(yǔ)

目前，海上鉆井平臺(tái)精確站樁導(dǎo)航系統(tǒng)已多次利用上海長(zhǎng)江口北斗CORS 系統(tǒng)成功將JU-2000E型自升式鉆井平臺(tái)導(dǎo)航至預(yù)定位置，順利完成站樁定位作業(yè)，完全滿(mǎn)足了定樁工程的高精度要求，并且全部過(guò)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化顯示，直觀(guān)清晰，有效保障了鉆井平臺(tái)在站樁或拖船過(guò)程中的安全。該系統(tǒng)的建成能夠有效減小海上鉆井平臺(tái)拖船或定樁的操作復(fù)雜性，提高對(duì)鉆井平臺(tái)的現(xiàn)代化管理水平，同時(shí)拓展了北斗CORS高精度的應(yīng)用領(lǐng)域，積極推動(dòng)了北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

[1] 蔣鵬，秦敏.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在海上石油鉆井平臺(tái)拖船定位中的應(yīng)用[C]//楊義先.2011年全國(guó)通信安全學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[2]仲樹(shù)明，姚連壁.無(wú)反射棱鏡全站儀打樁定位的方法與數(shù)學(xué)模型[J].測(cè)繪工程，2008，17(1):24-27.

[3]楊帆，林吉兆，謝義林，等.基于GPS-RTK的海上打樁遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)繪工程，2014,23(12):76-80.

[4]侯倩，蔣勇，李東俊.構(gòu)建北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng) 打造智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2014(11):29-33.

[5]連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[6]白慶虹.為海上石油鉆井平臺(tái)提供厘米級(jí)定位[N].中國(guó)水運(yùn)報(bào)， 2014-07-04(001).

[7]林國(guó)利，張文言，於永東，等.上海北斗連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(SHBD-CORS)的建設(shè)與精度測(cè)試[J].測(cè)繪通報(bào)，2013(11):136-137.

[8]劉宇宏，陳龍，王亞鳴. 基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].上海航空，2014，38(1):37-43.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

Design and realization of offshore drilling platformprecise standing system based on BD-CORS

YU Shuang，DONG Guangli，LIU Zhuang，PAN Hongzhang，HUANG Huawen

(Shanghai Ubiquitous Navigation Technology Co.,Ltd., Shanghai 201112,China)

Because of the complexity and unpredictability of the marine environment, the standing or drafting of the offshore oil platforms is a very hard work. Designed for the JU-2000E oil drilling platform of Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., the offshore drilling platform precise standing system guarantees the accuracy of the offshore drilling platform standing based on the location information in real time provided by BD-CORS.

precise standing; BD-CORS; navigation and positioning; offshore drilling platform; coordinate transforming

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.11.014

2015-08-04

于雙(1989-)，女，碩士.

TN967.1

A

1006-7949(2016)11-0072-04