基于北斗CORS系統的海上鉆井平臺精確站樁導航系統的設計與開發

于　雙， 董光利， 劉　壯， 潘紅章， 黃華文

(上海普適導航科技股份有限公司，上海 201112)

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基于北斗CORS系統的海上鉆井平臺精確站樁導航系統的設計與開發

于雙， 董光利， 劉壯， 潘紅章， 黃華文

(上海普適導航科技股份有限公司，上海 201112)

由于海洋環境的復雜性與不可預測性，海上石油平臺站樁或拖船是一項相當艱難的作業。海上鉆井平臺精確站樁導航系統是針對上海外高橋造船有限公司的JU-2000E型石油鉆井平臺開發設計，利用北斗CORS系統實時獲得平臺厘米級精度的位置信息，為移動平臺精確站樁提供了可靠保障。

精確站樁；北斗CORS；導航定位；海上鉆井平臺；坐標轉換

隨著人類深化油氣資源的開發利用，油氣勘探開發從陸地轉入海洋。海上石油鉆井平臺上裝有鉆井、動力、通訊、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施，是海上油氣勘探開發不可缺少的手段。由于海上氣候的多變、海上風浪和海底暗流的破壞，平臺在鉆井過程中引起移位需要重新復位、就位或在深水海域進行拖船是相當復雜的作業，涉及到操縱性、耐波性以及水動力理論等多個學科，是一個系統工程[1]，而且拖航過程中極其易受設備、航道、天氣等多方面因素的影響，同時考慮到工作人員的過度疲勞、緊張及其他人為原因，提供準確及時的導航定位技術服務對降低作業成本、提高安全性起非常關鍵的作用。

在GPS還沒有成熟地應用到打樁定位的時候，主要是使用經緯儀交會等方法來確定樁的方位和坐標。由于采用的是交會的方法，需要兩臺或者多臺儀器的協調，其計算復雜，且對儀器設站的位置也有很高的要求。鉆井平臺在水中會有一定的波動，因此，傳統上的打樁定位工作的效率和定位的精度都不理想，而對于離岸較遠的定位測量，經緯儀交會的角度和儀器安置的位置選擇都受到了限制，沒有辦法達到很好的精度。

隨著GPS定位技術的發展，實時載波差分定位技術不斷成熟，為打樁定位提供了新的研究手段[2]。因此，近年來基于GPS RTK技術和基于網絡RTK技術的打樁定位系統得到了發展和應用[3]。本系統使用了2套網絡RTK設備并通過連接CORS網實時獲得厘米級精度的位置信息，滿足了定樁工程的高精度要求，并且實時監測拖航平臺和船舶運行狀況，可以及時定位平臺及船舶位置，直觀顯示航向、航速、船舶距離等重要拖航信息，有效保證拖航過程中鉆井平臺在站樁或拖船過程中的安全。該系統的建成能夠有效減小海上鉆井平臺拖船或定樁的操作復雜性，提高對海上鉆井平臺及船舶的現代化管理水平，及早發現隱患、最大程度地避免事故的發生。

1　北斗CORS系統

北斗連續運行參考系統(BD-CORS)是指利用網絡RTK(實時動態差分)技術，將多個連續運行參考站組合而成的定位服務綜合系統作為新一代的高精度地基增強系統，具有作業覆蓋范圍更廣、定位精度更高、使用更方便等優勢。從2012年起，我國的上海、重慶、河北等地的北斗CORS系統相繼建成。北斗CORS系統的相繼建成，不僅可以大幅提升北斗衛星導航系統空間信號精度，為用戶提供厘米級甚至毫米級定位服務，而且可以滿足測繪、國土、氣象、城建等高精度行業用戶的需求，同時，對于拓展北斗高精度應用領域、創新北斗高精度應用模式、推動北斗導航與位置服務產業化發展都具有重要意義[4]。BD-CORS的工作過程如圖1所示[5]。

圖1　CORS工作過程示意圖

2　海上鉆井平臺精確站樁導航系統簡介

海上鉆井平臺精確站樁導航系統是針對上海外高橋造船有限公司的JU-2000E型石油鉆井平臺[6]開發設計的，主要解決石油鉆井平臺如何在海中準確定位、精確打樁問題。該系統使用了2套網絡RTK設備并通過連接北斗CORS網實時獲得厘米級精度的位置信息，通過數學計算實時顯示鉆井平臺的當前姿態及位置信息，并通過文字列表顯示及語音播報助航系統為用戶提供精確的導航信息；同時系統配備了電子海圖，為用戶航海提供了豐富的導航接口。經多次海試，系統為移動平臺精確站樁提供了可靠保障。系統結構如圖2所示。

圖2　系統結構

3　海上鉆井平臺精確站樁導航系統中心軟件的設計

3.1系統概況

海上鉆井平臺精確站樁導航系統是針對上海外高橋造船有限公司的JU-2000E 型石油鉆井平臺而開發設計的，利用北斗CORS系統實時獲得平臺厘米級精度的位置信息。JU-2000E 型平臺基本上是1個三角形，其3個站樁分布在3個角上(見圖3)。由于3個站樁是在平臺上，而平臺是浮在動態的水面上，要想能夠在動態的水面上進行高精度的定位，還應考慮平臺的姿態，因此，站樁導航系統需要具備平臺的實時定位與定向功能。

圖3　JU-2000E 型平臺示意圖

3.2系統設計關鍵問題及解決策略

站樁導航系統主要實現兩項功能：①實時確定平臺艏向角；②實時確定3個樁點的測量坐標系坐標。在設備平臺上，可以定義1個相對獨立的平臺坐標系，進而得到3個樁點及2個接收機設備安置點的平臺坐標，同時，利用北斗CORS系統，實時得到2個接收機設備的測量坐標系坐標。

因此，本站樁導航系統需要解決的關鍵問題是如何實時進行平臺坐標系與測量坐標系的轉換，進而實時得到平臺的艏向角及3個樁點的測量坐標系坐標。

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

2)設備平臺坐標系。設備平臺坐標系為一獨立坐標系，如圖4中X′O′Y′所示，以平臺中心線與平臺底部的交點為原點，X軸與平臺幾何中心線重合，指向船艏向，X軸按順時針旋轉90°得到Y軸。

圖4　坐標系示意圖

(1)

在測量坐標系下，設定位點天線坐標為(xp,yp)，定向點天線坐標為(xh,yh)，3個樁點的坐標為(xi,yi)，則從定位點到定向點在測量坐標系下的方位角

(2)

根據圖4，可以得到平臺坐標系與測量坐標系的夾角α(平臺艏向角)，

(3)

根據坐標系旋轉變換，可以得到3個樁點的測量坐標系坐標

(4)

通過北斗CORS系統，可以實時得到定位及定向點在CGCS2000測量坐標下的坐標，利用式(3)、式(4)，即可以實時得到平臺的艏向及3個樁點的測量坐標系坐標。

3.3中心軟件總體架構

系統總體架構如圖5所示。 系統采用自上而下的總體規劃和自下而上的應用開發的策略設計開發，在應用系統技術路線選擇、主機系統選型、網絡設備、線路、帶寬、傳輸協議選擇，以及重要系統節點的內部結構設計時，都需要權衡現有需求和未來發展需要之間、現有技術的可獲得性和未來技術發展方向之間的矛盾。

圖5　系統總體架構

3.4系統功能

該系統的軟件主要包括電子海圖、精確站樁導航和導航信息展示三大功能。

1)電子海圖功能：集成了我國全部海域的海圖數據顯示，實現了海圖的放大、縮小、平移、測距、居中等基本功能，可以展示目標的動態航跡線信息。

2)精確站樁導航功能：對實時測量數據進行處理，將測量的點位數據實時換算為樁點位置信息，通過繪圖技術將定位結果實時展現出來，給用戶直觀的顯示，動態繪制出移動樁與目標樁的位置關系。

3)導航信息展示功能：對艏向、航向、流向角、偏航、航速、平臺相對目標腳印前后偏的距離、平臺相對目標腳印中心線左右偏的距離以及各樁與相對目標腳印的距離等信息進行直觀數值展示。

4　海上鉆井平臺精確站樁導航系統的實現

4.1軟件開發環境

軟件開發基于.NET平臺，采用完全的面向對象語言C#編寫，引用二維GIS開發采用電子海圖引擎，底層采用Access進行數據庫存儲和集群。軟件支持Windows 2000、XP、Vista和Windows7等系統，軟件需要在Access2007環境下運行。

4.2軟件主要模塊

根據軟件功能需求分析，該軟件包含電子海圖模塊、精確站樁導航模塊、參數及樁點設置模塊以及定位信息展示模塊。4個模塊之間的關系如圖6所示。

1)電子海圖模塊：加載海圖數據至海圖模塊，在屏幕匯總繪制電子海圖，可以對海圖進行放大、縮小、平移等操作。

2)精確站樁導航模塊：對測量設備上報的實時位置信息進行解析并處理實時計算3個樁點的位置坐標，并將實時計算的樁點位置信息繪制在屏幕上。

3)參數及樁點設置模塊：設置系統參數并保存至注冊表，設置首腳印、左腳印及右腳印的坐標值及方向角等信息并保存至本地數據庫。

4)定位信息展示模塊：對艏向、航向、流向角、偏航、航速、平臺相對目標腳印前后偏的距離、平臺相對目標腳印中心線左右偏的距離以及各樁與相對目標腳印的距離等信息進行直觀數值展示。

圖6　模塊關系圖

4.3軟件界面

軟件界面如圖7所示。

圖7　軟件界面

本系統的軟件界面包括標題欄、菜單欄、工具欄、定位信息顯示欄、站樁顯示欄和導航狀態欄。其中，定位信息顯示欄為圖6左側的顯示框，能夠實時顯示導航信息、點位質量和設備實時信息；站樁顯示欄包括電子海圖和精確站樁導航兩種顯示模式，以便于用戶在不同空間尺度里查看平臺地理位置；導航狀態欄顯示站樁過程中樁離“首腳印”的位置，便于平臺操作人員精確停泊。

拖航和插樁過程中，船長根據實時顯示的圖像和相關數據指導拖輪作業。當平臺站樁進入設計位置范圍圈后，范圍圈呈綠色，此狀態下表明平臺已到位。

5　結束語

目前，海上鉆井平臺精確站樁導航系統已多次利用上海長江口北斗CORS 系統成功將JU-2000E型自升式鉆井平臺導航至預定位置，順利完成站樁定位作業，完全滿足了定樁工程的高精度要求，并且全部過程實現實時可視化顯示，直觀清晰，有效保障了鉆井平臺在站樁或拖船過程中的安全。該系統的建成能夠有效減小海上鉆井平臺拖船或定樁的操作復雜性，提高對鉆井平臺的現代化管理水平，同時拓展了北斗CORS高精度的應用領域，積極推動了北斗導航與位置服務產業化的發展。

[1] 蔣鵬，秦敏.北斗衛星導航系統在海上石油鉆井平臺拖船定位中的應用[C]//楊義先.2011年全國通信安全學術會議論文集.北京：國防工業出版社，2011.

[2]仲樹明，姚連壁.無反射棱鏡全站儀打樁定位的方法與數學模型[J].測繪工程，2008，17(1):24-27.

[3]楊帆，林吉兆，謝義林，等.基于GPS-RTK的海上打樁遠程監控系統設計[J].測繪工程，2014,23(12):76-80.

[4]侯倩，蔣勇，李東俊.構建北斗地基增強系統 打造智慧城市基礎設施[J].衛星應用，2014(11):29-33.

[5]連續運行衛星定位綜合服務系統建設與應用[M].北京：科學出版社，2009.

[6]白慶虹.為海上石油鉆井平臺提供厘米級定位[N].中國水運報， 2014-07-04(001).

[7]林國利，張文言，於永東，等.上海北斗連續運行參考站系統(SHBD-CORS)的建設與精度測試[J].測繪通報，2013(11):136-137.

[8]劉宇宏，陳龍，王亞鳴. 基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺設計及其應用[J].上海航空，2014，38(1):37-43.

[責任編輯：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