基于光纤陀螺仪的动力定位在海洋石油的应用研究

高 山 徐 植 刘锦伟

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300450；2.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452)

基于光纤陀螺仪的动力定位在海洋石油的应用研究

高 山1徐 植2刘锦伟2

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300450；2.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452)

基于光纤陀螺仪的基本原理与动力定位的结构和原理，通过光纤陀螺仪的数学模型和动力定位的基本数学模型，分析该设备在海洋石油动力定位中应用的可行性。结果表明：在近海范围，光纤陀螺仪自身就可以实现作业船只的姿态测量和动力定位；而在深海地区，光纤陀螺仪可以作为位置测量系统的核心器件，实现更加复杂的船舶动力定位。

光纤陀螺仪 海洋石油 动力定位

在海洋石油开采领域，动力定位(Dynamic Positioning，DP)主要应用于海上平台、钻井平台、浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)和海上作业船只(如平台支持船、穿梭油轮及铺管船等)的定点定位。动力定位无需使用传统的锚系，因此更加灵活，适用于多种海况和海域，逐渐成为海洋石油作业必不可少的支持系统。而陀螺仪(Gyroscope)作为一种惯性器件，具有自主导航功能，从投入使用便受到各界的广泛关注，并被应用于导航定位、制导控制等领域，在各国的重点扶持下得以飞速发展[1]。

随着全球油气需求的增长和陆地石油的减少，海洋石油开采对行业和经济发展有着重要的意义。近年来，海油的发展重心也逐渐向深海油田转移，这也对海洋石油的开发技术提出了更高的要求。传统的海上定位系统，准确性和灵活性较差，对海上石油作业的安全性和高效性存在一定的影响[2]。笔者针对陀螺仪中的光纤陀螺(Fiber Optic Gyro，FOG)，分析研究它在海洋石油领域的应用状况，在充分保证平台作业安全的同时提升海洋石油勘探的开发能力，为后期海上石油定位系统的发展和完善提供一定的理论支持。

1 基本原理①

1.1 光纤陀螺的基本原理

光纤陀螺是一种角速率传感器，基于萨格奈克(Sagnac)效应，其基本原理如图1所示。萨格奈克效应指的是：在一个闭合的环形光路中，沿光路的顺时针方向和逆时针方向，两束光相向传播，经过传输后再次回到出发点，叠加并产生干涉效应[3]。环形光路进行旋转时将会产生一个正比于旋转速率ω的相位差Δφ。

图1 理想光路中光纤陀螺的基本原理

如图1a所示，一个相对惯性空间静止的环形光路，对于顺时针或者逆时针传播的光来说，其光程是一致的，都是从A点出发最终又回到A处汇合，并且叠加干涉。因此，从光纤线圈两端出来的两束光的光程差为零，相位差也为零[4]。如图1b所示，如果这个环形光路相对惯性空间有一个转动角速度ω(垂直于环形平面，并且为逆时针方向)，则沿逆时针方向传播的光a，比环形光路静止时多走过一个附加光程；而沿顺时针方向传播的光b则会少经过一个与它相等长度的附加光程。因此。相反方向传播的两束光产生了光程差ΔL，进而导致两束光产生Δφ的相位差。因此，只要能将光纤陀螺的非互易相移Δφ准确检测出来，那么光纤环的旋转速率信号ω也就知晓了。

1.2动力定位的结构与原理

完整的动力定位是一个由位置测量部分、控制部分和推力部分组成的系统，如图2所示。

图2 动力定位系统的组成

位置测量系统实现动力定位的基本条件，只有精准地监测到自身姿态和位置的变化，才能为船舶的控制提供准确的参数数据。控制系统是核心，通过对测量系统得到的船舶姿态和位置信息进行分析计算，得到船舶的运动速度，再根据海洋环境条件计算此时受到的环境力，最后由此环境力、船舶速度和预定的位置信息计算出推力系统应产生的作用力。推力系统是执行机构，一般由主推进器、全回转推进器、隧道推进器及侧向推进器等安装在船体不同位置的多个推进器组成，通过联合调控，实现船体的准确控制和定位作业[5]。

位置测量系统用于测量海上平台或者作业船舶相对于一个参考点的位置。完整的位置测量系统由定位参考单元(水声定位系统、张紧索及差分GPS等)、艏向测量单元(电罗经等)、环境参考单元(测风仪等)和垂直参照单元(惯性测量单元、加速度计等)组成[6]。光纤陀螺就是一种典型的惯性测量器件，笔者研究的就是以光纤陀螺为核心的位置测量系统在海洋石油领域动力定位作业中的应用情况。

2 模型计算

2.1光纤陀螺的数学模型

如图1所示，假设光纤环制作材料为石英，折射率为n，光的传播速率为c，则当光纤环相对惯性空间静止并且是理想环境时，两束光在光纤纤芯中的速度是c/n。环形光路以角速度ω逆时针相对惯性空间转动时，两束光以不相等的速度传播。根据洛伦兹-爱因斯坦的速度变换式，可得沿顺时针方向和逆时针方向传输的光分别以ca、cb速度传播[7]：

(1)

(2)

式中R——环形光路的半径，m。

此时，在环形光纤圈中，绕行一周两束光所需要的时间ta、tb应该满足下面的关系：

(3)

(4)

由于真空中的光速c为300Mm/s，而且光纤环的半径和旋转角速度ω不可能被设定的很大，因此有c2≫(Rω)2，故可忽略(Rω)2项。那么，绕行一周时两束光所经历的时间差Δt的计算式为：

(5)

忽略空气介质折射率n的影响，则两束光绕行一周后形成的光程差ΔL为：

(6)

式中A——由环形光路所围成的面积，m2。

设光源波长为λ，光纤环周长l=2πR，当环形光路是由N圈单模光纤组成时，两束光的相位差Δφ与光程差ΔL的关系为：

(7)

K=4πRlN/cλ

式(7)表明，在环形光路中沿逆时针和顺时针方向传播的光，两者的相位差Δφ与光纤环的旋转角速度ω呈线性关系。因此，只要将非互易相移Δφ准确检测出来，那么在检测信号的过程中，光纤环的旋转速率信号ω就也可以被准确检测。

2.2动力定位的基本数学模型

在复杂海况下，无约束的船舶在进行六自由度运动[8]。在建模时，只考虑3个自由度的运动即可：横荡、纵荡和艏摇。为了准确描述船舶的运动，建立两个参考坐标系，如图3所示。一个是地理坐标系oNxNyNzN，另一个是载体坐标系oBxByBzB。

图3 地理坐标与载体坐标

两个坐标系的z轴垂直指向地心，xy平面与平静海面重合。载体系的原点取在船舶中心线，离重心点的距离是xG，xB轴、yB轴和zB轴分别指向艏向、右舷和龙骨。在地理坐标系中选取船舶位置矢量η=(x,y,φ)T，(x,y)为船位，φ为航向；在载体坐标系中设定船舶速度矢量v=(u,v,r)T，分别为纵荡、横荡和艏摇[9]。则船舶的运动学和动力学方程如下：

(8)

(9)

结合光纤陀螺的数学模型和动力定位的基本数学模型，发现设定的船舶速度矢量v=(u,v,r)T可以由光纤陀螺精确测得，这说明光纤陀螺完全可以应用于动力定位中，作为位置测量系统中的核心惯性器件。

3 结束语

在近海范围(如渤海地区)，光纤陀螺自身就可以实现作业船只的姿态测量和动力定位。而在深海地区，光纤陀螺可以作为位置测量系统的核心器件，实现更加复杂的船舶动力定位，例如用于海上作业的海底施工船只、铺管船和布缆船，用于支持作业的穿梭油轮、拖轮等，这些船只都需要光纤陀螺或与之匹配的动力定位系统实现精准作业，从而减少作业失误率和返工率，提高作业效率，降低成本，减少工期，实现更好的经济性和性价比，达到改革创新、降本增效和重塑成本领先竞争优势的目的。

[1] 梁阁亭,惠俊军,李玉平.陀螺仪的发展及应用[J].飞航导弹,2006,(4):38～40.

[2] 沈锦康.船舶动力定位系统在海洋工程中的应用[J].船舶标准化工程师,2010,43(4):60～63.

[3] 余慧.光纤陀螺动态特性的测试与分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2009.

[4] 金杰,王玉琴.光纤陀螺研究综述[J].光纤与电缆及其应用技术,2003,(6):4～7.

[5] 袁伟, 俞孟蕻,朱艳.动力定位系统舵桨组合推力分配研究[J].船舶力学,2015,(4):397～404.

[6] 钱志广,毛奇林,张欢仁.船舶动力定位位置测量系统中数据通信接口设计[J].上海船舶运输科学研究所学报，2010,33(2):139～144.

[7] 梁晓鹏.基于光纤陀螺的寻北技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[8] 童进军,何黎明,田作华.船舶动力定位系统的数学模型[J].船舶工程,2002,(5):27～29.

[9] 张晓兰,王钦若,时丽丽.动力定位船舶纵向运动的反步法控制器设计[J].自动化与信息工程,2011,32(5):1～4.

ApplicationResearchofDynamicPositioningBasedonGyroinOffshoreOil

GAO Shan1, XU Zhi2, LIU Jin-wei2

(1.CNOOCTianjinCorporation,Tianjin300450,China; 2.CNOOCEner-TechEquipmentTechnologyCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

Basing on analyzing optical fiber gyroscope’s principle and both structure and principle of dynamic positioning and discussing gyroscope’s mathematical model and that of dynamic positioning, the feasibility of applying gyroscope-based dynamic positioning to offshore oil development was discussed to show that, in offshore areas, the gyroscope can implement attitude measurement and dynamic positioning of the work ships by itself; and in the deep sea, the gyroscope acting as the core component of position measurement system can benefit more complicated dynamic positioning of ships.

optical fiber gyroscope, offshore oil, dynamic positioning

TH89

B

1000-3932(2016)10-1091-04

2016-05-31(修改稿)