海上石油钻井平台对接测量系统关键技术研究

摘要

随着海上石油资源开发的精度与安全可靠性要求越来越高，而传统的海上石油钻井平台对接测量定位精度低、可靠性一般，无法满足当前应用的新需求。因此为避免海损事故，防止石油管线在对接过程中的刮碰，本文设计了一种具有高冗余度的海上石油钻井平台对接测量系统方案，详细介绍了多种航向与相对位置测量方法；然后详细地对系统方案误差进行了分析，建立传感器与系统模型，并针对所提出的方案进行了系统仿真与分析；同时为保证系统的可靠性，展开了故障检测技术的研究。
　　本文首先设计了一种海上石油钻井平台对接测量系统方案。该方案采用了光纤陀螺捷联惯导系统、载波相位差分GPS定位系统、电罗经以及全站仪四种传感器设备，充分利用传感器自身以及优势互补的特点，利用多传感器的无重置式联邦卡尔曼滤波算法进行信息融合，实现对接过程中三维速度、姿态、航向及相对位置等变化信息的监测。多传感器的使用保证了系统的高冗余度与可靠性：光纤陀螺捷联惯导系统、差分GPS、电罗经、全站仪辅助差分GPS共同测量钻井平台的航向信息最多可保证航向信息存在3套冗余；采用差分GPS与全站仪共同测量钻井平台与采油平台的相对位置可保证相对位置至少存在一套冗余。然后分析了海上石油钻井平台对接测量系统方案误差，分析了光纤陀螺捷联惯导系统安装误差与补偿方法；对数据奇异值以及跳点的情况，可以采用汤姆松奇异值剔除方法与5点拉格朗日插值跳点修复法进行处理。
　　然后针对系统方案的各部分传感器进行了误差建模。首先建立了光纤陀螺捷联惯导的速度和位置误差模型、姿态误差模型、惯性器件误差模型，并在惯导的仿真中验证光纤陀螺捷联惯导系统运行的正确性，在误差曲线中能够明显地看到傅科周期振荡、舒勒周期振荡、地球周期振荡，且由于经度的开环特点导致惯导误差随时间积累发散；然后利用了解析式粗对准与卡尔曼滤波精对准进行初始对准研究；建立了载波相位差分GPS的单差输出与双差输出误差模型，考虑到在短基线条件下双差模型可彻底消除卫星与接收机钟差的特点，采用了双差定位的模式并进行了仿真，验证其高精度；最后建立了电罗经与全站仪的输出误差模型。
　　接着对信息融合实现算法进行了研究。首先介绍了联邦滤波器与加权观测融合算法；由于相对位置对光纤陀螺捷联惯导系统来说是间接非线性测量量，采用位置观测作为全站仪的量测量；然后提出了一种基于加权观测的信息融合的无重置式联邦卡尔曼滤波海上石油钻井平台对接信息融合算法，并利用状态与残差检验法进行系统故障检测。
　　最后本文在MATLAB平台进行了仿真。仿真结果表明；加权观测航向融合在静态及动态条件下的估计精度要高于单传感器；光纤陀螺捷联惯导系统与差分GPS的松组合精度优于单传感器；系统方案四种传感器的无重置式联邦卡尔曼滤波精度稍低于有重置式联邦滤波；无重置式联邦卡尔曼滤波初始信息分配对钻井平台对接时的航向及位置估计精度具有影响，应用时需要根据具体指标寻求二者的适宜值；状态及残差两种检验法都能检测出系统故障的发生，状态检验法较残差检验法对故障的敏感度低，其经自身滤波回归至正常检测阈值下的时间稍长。本文研究的内容不仅可应用于海上石油钻井平台对接测量系统，而且对于其它导航定位应用领域也具有一定的参考与研究价值。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景、目的和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 课题研究的主要内容及结构安排

第2章 海上石油钻井平台对接测量系统方案设计

2.1 总体方案设计

2.2 航向测量方法

2.3 相对位置测量方法

2.4 方案误差分析

2.5 光纤陀螺捷联惯导系统误差分析

2.6 奇异值及跳点数据处理

2.7 本章小结

第3章 多源传感器误差建模

3.1 光纤陀螺捷联惯导系统误差模型

3.2 初始对准分析

3.3 载波相位差分GPS误差模型

3.4 电罗经输出误差模型

3.5 全站仪输出误差模型

3.6 本章小结

第4章 信息融合技术研究

4.1 联邦滤波器

4.2 加权观测融合算法

4.3 全站仪相对位置测距信息融合分析

4.4 基于加权观测的无重置式联邦滤波器

4.5 故障检测技术

4.6 本章小结

第5章 系统仿真与结果分析

5.1 加权观测信息融合仿真

5.2 组合系统信息融合仿真

5.3 故障检测技术仿真

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢