海上石油鉆井平臺對接測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著海上石油資源開發(fā)的精度與安全可靠性要求越來越高，而傳統(tǒng)的海上石油鉆井平臺對接測量定位精度低、可靠性一般，無法滿足當(dāng)前應(yīng)用的新需求。因此為避免海損事故，防止石油管線在對接過程中的刮碰，本文設(shè)計了一種具有高冗余度的海上石油鉆井平臺對接測量系統(tǒng)方案，詳細(xì)介紹了多種航向與相對位置測量方法；然后詳細(xì)地對系統(tǒng)方案誤差進(jìn)行了分析，建立傳感器與系統(tǒng)模型，并針對所提出的方案進(jìn)行了系統(tǒng)仿真與分析；同時為保證系統(tǒng)的可靠性，展開了故障檢測技術(shù)的研究。

2、>　　本文首先設(shè)計了一種海上石油鉆井平臺對接測量系統(tǒng)方案。該方案采用了光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、載波相位差分GPS定位系統(tǒng)、電羅經(jīng)以及全站儀四種傳感器設(shè)備，充分利用傳感器自身以及優(yōu)勢互補的特點，利用多傳感器的無重置式聯(lián)邦卡爾曼濾波算法進(jìn)行信息融合，實現(xiàn)對接過程中三維速度、姿態(tài)、航向及相對位置等變化信息的監(jiān)測。多傳感器的使用保證了系統(tǒng)的高冗余度與可靠性：光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、差分GPS、電羅經(jīng)、全站儀輔助差分GPS共同測量鉆井平臺的航向信息最

3、多可保證航向信息存在3套冗余；采用差分GPS與全站儀共同測量鉆井平臺與采油平臺的相對位置可保證相對位置至少存在一套冗余。然后分析了海上石油鉆井平臺對接測量系統(tǒng)方案誤差，分析了光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝誤差與補償方法；對數(shù)據(jù)奇異值以及跳點的情況，可以采用湯姆松奇異值剔除方法與5點拉格朗日插值跳點修復(fù)法進(jìn)行處理。
　　然后針對系統(tǒng)方案的各部分傳感器進(jìn)行了誤差建模。首先建立了光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)的速度和位置誤差模型、姿態(tài)誤差模型、慣性器件誤差

4、模型，并在慣導(dǎo)的仿真中驗證光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)運行的正確性，在誤差曲線中能夠明顯地看到傅科周期振蕩、舒勒周期振蕩、地球周期振蕩，且由于經(jīng)度的開環(huán)特點導(dǎo)致慣導(dǎo)誤差隨時間積累發(fā)散；然后利用了解析式粗對準(zhǔn)與卡爾曼濾波精對準(zhǔn)進(jìn)行初始對準(zhǔn)研究；建立了載波相位差分GPS的單差輸出與雙差輸出誤差模型，考慮到在短基線條件下雙差模型可徹底消除衛(wèi)星與接收機鐘差的特點，采用了雙差定位的模式并進(jìn)行了仿真，驗證其高精度；最后建立了電羅經(jīng)與全站儀的輸出誤差模型。<

5、br>　　接著對信息融合實現(xiàn)算法進(jìn)行了研究。首先介紹了聯(lián)邦濾波器與加權(quán)觀測融合算法；由于相對位置對光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)來說是間接非線性測量量，采用位置觀測作為全站儀的量測量；然后提出了一種基于加權(quán)觀測的信息融合的無重置式聯(lián)邦卡爾曼濾波海上石油鉆井平臺對接信息融合算法，并利用狀態(tài)與殘差檢驗法進(jìn)行系統(tǒng)故障檢測。
　　最后本文在MATLAB平臺進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明；加權(quán)觀測航向融合在靜態(tài)及動態(tài)條件下的估計精度要高于單傳感器；光纖陀螺

6、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)與差分GPS的松組合精度優(yōu)于單傳感器；系統(tǒng)方案四種傳感器的無重置式聯(lián)邦卡爾曼濾波精度稍低于有重置式聯(lián)邦濾波；無重置式聯(lián)邦卡爾曼濾波初始信息分配對鉆井平臺對接時的航向及位置估計精度具有影響，應(yīng)用時需要根據(jù)具體指標(biāo)尋求二者的適宜值；狀態(tài)及殘差兩種檢驗法都能檢測出系統(tǒng)故障的發(fā)生，狀態(tài)檢驗法較殘差檢驗法對故障的敏感度低，其經(jīng)自身濾波回歸至正常檢測閾值下的時間稍長。本文研究的內(nèi)容不僅可應(yīng)用于海上石油鉆井平臺對接測量系統(tǒng)，而且對于其它導(dǎo)