自升式钻井平台定位系统的设计与应用

姚连璧，赵紫良，谢义林，王 芳

(1. 同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092； 2. 江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017； 3. 上海宝天信息科技有限公司，上海 201206)

自升式钻井平台定位系统的设计与应用

姚连璧1，赵紫良1，谢义林2，王 芳3

(1. 同济大学测绘与地理信息学院，上海 200092； 2. 江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017； 3. 上海宝天信息科技有限公司，上海 201206)

基于卫星实时载波相位差分技术、坐标转换理论及软硬件的结合，设计了一种辅助自升式钻井平台导航和海底插桩的定位系统。经试验和工程案例验证，在近海区域，该系统可有效保障插桩作业的精度和时效，避免因延误工期而引发安全问题，有一定的实用价值。

自升式钻井平台；插桩定位；实时载波相位差分；坐标转换

自升式钻井平台是目前应用最为广泛的海洋移动钻井设施之一，可分为船体平台、桩腿、升降装置、钻井装置及生活楼等部分。自升式钻井平台一般无自航能力，钻井作业前，需用拖船将钻井平台上拖至钻井区域，并使桩腿插入海底设计工程坐标位置(插桩作业)，船体依靠升降装置可顺着桩腿上升，离开海面工作时不受海水运动的影响[1]。

本文自升式钻井平台海底插桩位置位于上海外高桥造船海洋工程公司码头周边近海区域，码头岸线长度约1.1 km，该海域内有多条自升式钻井平台停靠，同时需要保证相邻钻井平台间距22 m左右，便于扶梯及后续设备的搭建工作，这对插桩定位提出了更高的精度要求。为避免潮汐、风浪带来的动力作用，插桩定位作业时间段有明确的限制。因此，提高插桩作业的效率同样十分重要。

由于传统拖船导航定位多采用信标差分机[2]，其定位原理为伪距差分，定位精度最优也只能达到米级，无法满足自升式钻井平台实际插桩定位作业的精度要求。鉴于RTK技术具备全天候、实时动态和高精度测量等优点[3]，采用该技术可实时获取厘米级精度的点位坐标。在实际工程应用中，GNSS接收机无法直接安装在桩腿位置。姚连璧等提出建立船固坐标系[4](如图1所示)，通过坐标转换[5]间接推算出桩腿点的工程坐标。

图1 自升式钻井平台平面

基于以上工程背景，本文采用RTK技术，建立船固坐标系并利用坐标转换等理论，研发了一套汇集数据采集、处理、存取和可视化显示等功能的自升式钻井平台定位系统软件。

1 系统设计与功能

本文自升式钻井平台定位辅助系统软件基于Visual C++ 6.0开发，通过串口通信技术[6]实现原始数据的实时同步，软件对原始数据进行加工、存取和可视化显示，为插桩定位工作人员提供实时、直观的定位辅助信息，从而实现桩腿的快速、精确定位。此外，软件具有较强的稳健性，包含数据判读及异常处理机制。如图1所示。

如图2所示，主界面相关区域功能如下：

(1) A区为菜单及工具栏，提供建立项目文件、参数配置、图形平移、放大和缩小、导航定位显示界面切换、船体适当比例尺居中等功能。

(2) B区为定位显示界面，提供导航及定位的底图显示、船体实时位置、方位及轨迹显示、GPS接收机解状态、移船旋转信息等功能。

(3) C区为GNSS接收机数据，提供接收机时间、大地坐标、工程坐标、解状态和距离检核差等功能。

(4) D区可切换定位和导航模式视图，定位模式提供桩腿设计与实测距离差值信息；导航模式提供实时航速显示、航迹记录、加载和清除历史航迹、输出CAD航迹图等功能。

(5) E区和F区提供移船方位和距离信息，便于船体指挥人员判断当前位置与目标位置的距离，指导移船、插桩工作；同时，定位过程数据可输出至文本文件保存。

图2 自升式钻井平台定位辅助系统主界面

2 系统测试

船体移动过程的模拟：船体平台中轴线上确定两台流动站GNSS接收机位置，即可定义出船固坐标系。因此，通过保持两台流动GNSS接收机基线长不变，同时移动两台流动站GNSS接收机，其效果相当于船体的整体移动。

2.1 试验思路

选取地势平坦、空旷的场地，使用全站仪测量图3中GPS1、GPS2、Z1、Z2、Z3、GPS1′、GPS2′ 7点平面坐标，将其坐标作为工程坐标。

图3 试验点位分布

其中GPS1、GPS2、Z1、Z2、Z3表示两台流动站GNSS接收机及3条桩腿搬站前位置，并构建船固坐标系。GPS1′、GPS2′表示两台流动站GNSS接收机(保持基线长不变，模拟船移过程)搬站后对应位置。Z1′、Z2′、Z3′点位坐标实际并未测量，其坐标位置由坐标转换推算或钻井平台定位系统软件解算。

两种桩腿工程坐标解算方法：钻井平台定位系统软件解算过程如图4所示；利用全站仪坐标转换推算桩腿理论值，只需通过公共点求取船固坐标系至工程坐标转换参数，再将桩腿船固坐标转至工程坐标即可。

图4 钻井平台定位系统解算实时桩腿坐标原理

将全站仪坐标转换推算的Z1′、Z2′、Z3′工程坐标作为理论值，并与钻井平台定位系统软件解算坐标作差，通过差值大小来检验本系统的精度和可行性。

2.2 试验结果及分析

表1为系统实测与理论差值。试验结果表明，在小区域范围内，基于RTK技术设计的自升式钻井平台系统的定位精度理论条件下能达到厘米级精度,完全满足实际插桩定位工作的精度要求。

表1 系统实测与理论差值 mm

3 精度与可靠性

3.1 精度分析

自升式钻井平台辅定位系统的精度主要由RTK测量误差、船固坐标系点位测定误差和施工误差等因素决定。

3.1.1 RTK测量误差

由于GNSS接收机在接收卫星信号时受卫星星历误差、卫星钟钟差、信号传播误差(电离层、对流层误差)、观测误差和接收设备误差等影响[7]，导致WGS-84原始坐标也有一定的误差。

设GNSS接收机平面精度为1 m，钻井平台上GNSS接收机及3个桩腿的船固坐标见表2，现分析GNSS接收机误差及钻井平台上GNSS接收机位置对桩腿定位精度的影响。

表2 平台各点船固坐标 m

相似变换求得坐标转换参数为

其协因数阵为

表3 桩腿定位坐标转换中误差 cm

钻井平台上两台GNSS接收机作为公共点，影响相似变换四参数[9]的解算精度，离公共点越远，转换误差越大，并且存在误差放大效应。

3.1.2 船固坐标系点位测定误差

平台上船固坐标点位测定误差采用多余观测值平差法[10]，可得到毫米级的点位测定精度。

3.2 可靠性

系统通过软件、硬件方面的设计来保障系统的可靠性。

3.2.1 软件方面

(1) 数据判读及异常处理机制。包含坐标转换参数检核、平台GNSS接收机基线检核、判定GNSS卫星信号状态、信号异常界面警示等，以增强系统的稳健性。

(2) 实时、可视化显示。让用户直观了解钻井平台当前位置信息及移船信息以指导定位工作。

(3) 数据存取。支持存储定位过程数据、导出CAD航迹图等数据存取功能，为定位技术报告的撰写提供数据。

3.2.2 硬件方面

(1) 采用工控机及串口通信技术[10]实现原始数据同步，提高数据传输的稳定性。

(2) GNSS接收机采用BDS、GPS、GLONASS等多星系统[11]，避免了恶劣定位环境下接收机锁定卫星难问题，可以提高接收机可用卫星数量、质量和稳定性。

(3) 其他质量稳定可靠的相应配件。

4 结 语

本文阐述了自升式钻井平台定位系统的工程应用背景、系统定位原理，通过软硬件集成研发了一套汇集数据采集、处理、存取和可视化显示等功能的自升式钻井平台定位系统软件。最后，设计试验验证了本系统定位模型、算法和精度的可靠性。

目前，该系统已被上海外高桥造船公司等单位长期用于辅助钻井平台的导航及插定位工作，可满足不同钻井平台船型、多种类型工程坐标的普适性需求，保障钻井插桩作业精度和时效，避免因延误工期而引发安全问题，具有一定的实用价值。

[1] 汪张棠,赵建亭.自升式钻井平台在我国海洋油气勘探开发中的应用和发展[J].船舶,2008(1):10-15.

[2] 汪超飞,李向新,汪奇生.基于船固坐标系的海底控制点定位方法研究[J].勘察科学技术,2014(6):13-16.

[3] 余小龙,胡学奎.GPS RTK 技术的优缺点及发展前景[J].测绘通报，2007(10):39-44.

[4] 姚连璧,刘春.打桩定位系统中设备船固坐标的测定和计算方法[J].工程勘察，2004(5): 53-54.

[5] 牛丽娟.测量坐标转换模型研究与转换系统实现[D].西安：长安大学,2010.

[6] 李景峰,潘恒,杨丽娜.Visual C++串口通信技术详解[M].北京:机械工业出版社,2013.

[7] 徐绍铨,张华海.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学出版社,2003.

[8] 武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础[M].武汉：武汉大学出版社,2009.

[9] 范新云.利用GPS测定地方坐标系转换的四参数法[J].海洋测绘，2005,7(4):35-37.

[10] 周小平,姚连璧,刘春.打桩定位的理论、方法与实现[M].西安:西安地图出版社,2008.

[11] 黎彬.浅谈北斗多星系统RTK测量坐标转换参数测设的质量控制[J].测绘通报,2015(10):69-71,93.

Design and Application of Jack-up Drilling Platform Positioning System

YAO Lianbi1，ZHAO Ziliang1，XIE Yilin2，WANG Fang3

(1. College of Surveying and Geo-Informatics,Tongji University,Shanghai 200092,China; 2. Jiangsu Hydraulic Research Institute, Nanjing 210017,China; 3. Shanghai Baotian Science and Technology Co. Ltd., Shanghai 201206,China)

Based on the technology of RTK, coordinate transformation and the combination of software and hardware, a positioning system for Jack-up drilling platform and pile legs penetration under the sea is designed. The experiment and engineering projects verified that the system possessed the advantages of high accuracy and efficiency to ensuring the safety of the project and has certain practical value.

jack-up drilling platform; pile legs penetration and positioning; RTK; coordinate transformation

姚连璧，赵紫良，谢义林,等.自升式钻井平台定位系统的设计与应用[J].测绘通报，2017(4)：101-103.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0130.

2016-07-11;

2017-01-08

上海自然科学基金(15ZR1443700)；“十三五”国家重点研发计划任务(2016YFB1200602-02)

姚连璧(1964—)，男，教授，主要研究方向为全球定位系统在道路、桥梁及隧道工程中的应用。E-mail:lianbi@tongji.edu.cn

P208

A

0494-0911(2017)04-0101-03