一種用于浮托安裝實際測量的運動監控系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于浮托安裝實際測量的運動監控系統，包括：高精度慣性導航系統、差分GPS系統、數據處理及運動顯示系統；高精度慣性導航系統提供六個自由度的運動參數，高精度慣性導航系統和所述差分GPS系統通過無線信號傳輸數據給所述數據處理及運動顯示系統；數據處理及運動顯示系統用于測量的數據，通過組合測量算法，獲得可靠的厘米級位置精度及0.05°的姿態精度，同時顯示組塊的運動畫面及圖表。本發明的運動監控系統定位明晰，功能明確，結構組成容易實現，很好地解決了浮托安裝過程中運動監控的一系列難題。
【專利說明】一種用于浮托安裝實際測量的運動監控系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種船舶與海洋工程【技術領域】的裝置，具體涉及一種用于海洋平臺浮托安裝中實時監控組塊運動的系統。
【背景技術】
[0002]浮托安裝是一種新興的大型組塊海上安裝的方法，它具有成本低、作業時間短、起重能力大、適用范圍廣、操作方便安全等特點。海上浮托安裝過程涉及到上部模塊、駁船和導管架三者間的相對運動，包括進船、位置調整、載荷轉移、繼續加載和退船一系列復雜過程。
[0003]為了使浮托安裝順利進行，需要對浮托安裝前及浮托安裝過程的組塊運動、護舷受力和海洋環境條件等進行實時監測，為現場安裝指揮提供實時參考數據及監控畫面。此夕卜，海上實際測量作為船舶與海洋工程領域的一種重要研究手段，能夠真實反映實際情況中船舶以及海洋結構物的受力和運動響應。相對于模型試驗以及數值模擬，海上實測在數據真實性、可靠性上具有無可比擬的優點，因而，其廣泛應用于對數值模擬和模型試驗結果進行驗證。因而，海上實際測量對現場安裝和科研工作均具有十分重要的意義。
[0004]區別于一般的運動監控系統，海上浮托安裝過程中運動監控測量，具有大尺度、環境條件惡劣、數據傳輸不便、運動畫面實時顯示以及測量精度要求高等特點。這對運動監控測量系統提出了新的要求，要求能夠實現大尺度海洋結構物的運動測量、能夠實時顯示結構物的運動并且在海上環境中具有較佳的可操作性等。目前，應用于海洋工程模型試驗中的光學六自由度運動采集系統，測量尺度小，數據依賴有線傳輸，并且無法實時顯示物體運動動畫，不能應用到海上平臺的浮托安裝運動測量中。現有的其他運動監控系統均不能滿足上述海上實測的特殊要求。
[0005]因此，本領域的技術人員致力于開發一種用于浮托安裝實際測量的運動監控系統，解決浮托安裝過程中大尺度精確測量、實時運動動畫顯示以及環境惡劣等難題。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是設計提供一種能夠適用于海上浮托安裝實際測量要求的運動監控系統。該系統的功能在于在浮托安裝過程中實時測量駁船和組塊在風浪中的六自由度運動，樁腿對接緩沖裝置(LMU)及組塊支撐裝置(DSU)的運動幅值及速度，并通過三維動畫及圖表實時顯示監控結果，為施工者提供駁船及插肩處實時的運動信息。
[0007]為實現上述目的，本發明提供了一種用于浮托安裝實際測量的運動監控系統，包括:高精度慣性導航系統、差分GPS系統、數據處理及運動顯示系統；高精度慣性導航系統提供六個自由度的運動參數，高精度是指達到厘米級的位置精度；高精度慣性導航系統和差分GPS系統通過無線信號傳輸數據給數據處理及運動顯示系統；數據處理及運動顯示系統用于組合高精度慣性導航系統和差分GPS系統測量的數據，通過組合測量算法，獲得可靠的厘米級位置精度及0.05°的姿態精度，同時顯示組塊的運動畫面及圖表。
[0008]進一步地，高精度慣性導航系統包括光纖陀螺和石英加速度計；光纖陀螺用于測量載體運動的角速度；石英加速度計用于測量載體相對慣性坐標系的加速度。
[0009]更進一步地，其中石英加速度計通過測量載體的單位質量上的慣性力和引力的矢量和的大小，獲得載體相對慣性坐標系的加速度。
[0010]進一步地，差分GPS系統包括:雙頻GPS定位與定向系統和實時動態差分系統。[0011 ] 更進一步地，雙頻GPS定位與定向系統由基站和移動站組成，雙頻GPS定位與定向系統通過GPS天線接收衛星發布的信號，并根據星歷表信息，獲得每顆衛星發射信號時的位置；然后分別以三顆衛星為中心，以求得的三顆衛星分別到測點的距離為半徑，作三個球面，球面的交點就是觀測點。如果載體上裝有兩個天線，即可對這兩個天線位置分別定位，從而達到定向的目的。
[0012]更進一步地，實時動態差分系統利用載波相位動態實時差分技術，根據雙頻GPS定位與定向系統中兩臺接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置；實時動態差分系統能夠實時地提供測量點的三維坐標并能夠達到厘米級的精度。
[0013]進一步地，數據處理及運動顯示系統包括:組合導航計算機、協議處理計算機和數據存儲單兀。
[0014]更進一步地，其中組合導航計算機通過組合測量算法，處理來自高精度慣性導航系統和差分GPS系統測量的數據，解碼并進行坐標轉換處理，給出可靠的厘米級位置精度及0.05°的姿態精度。
[0015]更進一步地，其中協議處理計算機利用實時動畫顯示軟件將載體運動數據轉換為動畫，實現組塊運動，插尖及組塊支撐裝置的實時顯示。
[0016]更進一步地，其中數據存儲單元用于保存測量獲得的載體六自由度運動數據。
[0017]本發明的技術效果是:浮托安裝運動監控系統定位明晰，功能明確，結構組成容易實現。通過GPS與慣性導航系統(INS)的組合測量方式，提高了系統的可靠性以及測量的精度。同時，數據鏈通過無線電臺傳遞，很好地適應了海上苛刻的安裝環境。通過實時動畫與圖表顯示載體運動，為施工提供了直接的指導依據。因此，本發明很好地解決了浮托安裝過程中運動監控的一系列難題。
[0018]以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的一個較佳實施例的運動監控系統的結構示意圖；
[0020]圖2是圖1中所示運動監控系統的差分GPS系統的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0022]本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括:高精度慣性導航系統、差分GPS系統、數據處理及運動顯示系統。其中:高精度慣性導航系統主要包括高精度的光纖陀螺、石英加速度計，具有不依賴外界信息、隱蔽性好、抗干擾性強、全天候工作等優點，可自主的提供六個自由度的運動參數，但它的輸出誤差隨時間積累；差分GPS系統主要包括雙頻GPS定位與定向系統和實時動態差分(RTK)系統，它具有較高的測量精度，但具有易受干擾，輸出不連續，輸出信息不完整等劣勢；數據處理及運動顯示系統主要包括組合導航計算機、協議處理計算機和數據存儲單元，用于組合高精度慣性導航系統和差分GPS系統測量的數據，通過先進的組合測量算法，獲得可靠的厘米級位置精度及0.05°的姿態精度，同時，通過動畫模擬系統，實時顯示組塊的運動畫面及圖表。
[0023]高精度慣性導航系統包括:高精度的光纖陀螺、石英加速度計。其中，光纖陀螺用于測量載體運動的角速度；石英加速度計通過測量單位質量上的慣性力和引力的矢量和的大小，獲得載體相對慣性坐標系的加速度。當知道載體的初始位置及初始速度后，對加速度進行兩次積分先后獲得載體定位所需要的速度和位置信息。
[0024]差分GPS系統包括:雙頻GPS定位與定向系統和實時動態差分(RTK)系統。其中，雙頻GPS定位與定向系統由基站和移動站組成，其通過GPS天線接收衛星發布的信號，并根據星歷表信息，獲得每顆衛星發射信號時的位置。然后，分別以三顆衛星為中心，以求得的三顆衛星分別到測點的距離為半徑，作三個球面，球面的交點就是觀測點。如果載體上裝有兩個天線，即可對這兩個天線位置分別定位，從而達到定向的目的；實時動態差分系統的工作原理在于，利用載波相位動態實時差分技術，根據雙頻GPS定位與定向系統中兩臺接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置。它能夠實時地提供測量點在指定坐標系中的三維坐標(X，Y, Z),并能夠達到厘米級的精度。
[0025]數據處理及運動顯示系統包括:組合導航計算機、協議處理計算機和數據存儲單元。其中，組合導航計算機通過先進的組合測量算法，處理來自高精度慣性導航系統I和差分GPS系統測量的數據，解碼并進行坐標轉換處理，給出可靠的厘米級位置精度及0.05°的姿態精度；協議處理計算機利用自主編寫的實時動畫顯示軟件對將載體運動數據轉換為動畫，實現組塊運動及八個組塊支撐裝置(DSU)的實時顯示；數據存儲單元用于保存測量獲得的載體六自由度運動數據。
[0026]本發明采用GPS與慣性器件(INS)組合的測量方式，理由在于:利用高精度慣性導航系統可以獲得高精度的角速度，利用差分GPS系統可以獲得高精度的線速度，綜合兩種測量手段的優勢，增強系統的可靠性、可用性、環境適應性和動態性。
[0027]本發明GPS測量采用差分定位方式而非單點定位方式，理由在于:單點定位方式只能采用偽距觀測量，由于衛星導航定位時存在著衛星鐘差、大氣延遲(對流層延遲、電離層延遲)星歷誤差、傳播延遲誤差等因素，水平位置精度在I米左右，垂直位置精度更差，達不到浮托安裝時的要求。
[0028]圖1是本發明運動監控系統的結構示意圖，如圖1所示，運動監控系統主要包括高精度慣性導航系統、差分GPS系統、數據處理及運動顯示系統，其具體構成分別為:三軸陀螺儀、陀螺數據采集單元、三軸加速度計、加速度計采集單元、頂U航向解算計算機；GPS移動站(包括GPS主站和GPS從站)、RTK基站、GPS航向解算計算機；組合導航計算機、協議處理計算機和數據存儲單元。
[0029]在浮托安裝中，高精度慣性導航系統和差分GPS系統的移動站安裝在駁船船尾靠中線位置，RTK基站安裝在與地球固結的地點，如安裝在工作地點附近的導管架平臺上。由于駁船與組塊在對接完成前屬于剛性連接，因此駁船上該點的運動可以換算到組塊插尖的運動。
[0030]高精度慣性導航系統中的加速度計測出作用在單位質量上的慣性力和引力的質量和，通過內部的慣性元件即可獲得駁船與組塊在隨體坐標系下的加速度，對加速度進行
二次積分，可以先后獲得駁船與組塊的速度和位置信息。此外，光纖陀螺測量駁船與組塊運動在隨體坐標系下的角速度。經過采集單元采集數據，傳輸到MU航向解算計算機中，經過坐標轉換，獲得駁船與組塊的運動數據。
[0031]如圖2所示，差分GPS系統中RTK基站連續接收所有可視GPS衛星信號，RTK基站將測得的站點坐標、偽距觀測值、載波相位觀測值、衛星跟蹤狀態和接收機工作狀態等通過無線數據鏈發送給GPS移動站。GPS移動站先進行初始化，完成整周未知數的搜索求解后，進入動態作業。GPS移動站在接收來自RTK基站的數據時，同步觀測采集GPS衛星載波相位數據，通過系統內差分處理求解載波相位整周模糊度，根據RTK基站和GPS移動站的相關性，得出GPS移動站的平面坐標X，y和高程h。
[0032]高精度慣性導航系統和差分GPS系統均為相對獨立的測量系統，兩者通過數據處理及運動顯示系統中的組合導航計算機對測量數據進行進一步處理，獲得更精確、更可靠的運動信息，并予以實時動畫顯示及保存運動數據。
[0033]以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術領域】中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種用于浮托安裝實際測量的運動監控系統，其特征在于，包括:高精度慣性導航系統、差分GPS系統、數據處理及運動顯示系統；所述高精度慣性導航系統提供六個自由度的運動參數，高精度是指達到厘米級的位置精度；所述高精度慣性導航系統和所述差分GPS系統通過無線信號傳輸數據給所述數據處理及運動顯示系統；所述數據處理及運動顯示系統用于組合所述高精度慣性導航系統和所述差分GPS系統測量的數據，通過組合測量算法，獲得可靠的厘米級位置精度及0.05°的姿態精度，同時顯示組塊的運動畫面及圖表。
2.根據權利要求1所述的運動監控系統，其特征在于，其中所述高精度慣性導航系統包括光纖陀螺和石英加速度計；所述光纖陀螺用于測量載體運動的角速度；所述石英加速度計用于測量載體相對慣性坐標系的加速度。
3.根據權利要求2所述的運動監控系統，其特征在于，其中所述石英加速度計通過測量載體的單位質量上的慣性力和引力的矢量和的大小，獲得載體相對慣性坐標系的加速度。
4.根據權利要求1所述的運動監控系統，其特征在于，所述差分GPS系統包括:雙頻GPS定位與定向系統和實時動態差分系統。
5.根據權利要求4所述的運動監控系統，其特征在于，所述雙頻GPS定位與定向系統由基站和移動站組成，所述雙頻GPS定位與定向系統通過GPS天線接收衛星發布的信號，并根據星歷表信息，獲得每顆衛星發射信號時的位置；然后分別以三顆衛星為中心，以求得的三顆衛星分別到測點的距離為半徑，作三個球面，球面的交點就是觀測點。如果載體上裝有兩個天線，即可對這兩個天線位置分別定位，從而達到定向的目的。
6.根據權利要求4所述的運動監控系統，其特征在于，所述實時動態差分系統利用載波相位動態實時差分技術，根據所述雙頻GPS定位與定向系統中兩臺接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置；所述實時動態差分系統能夠實時地提供測量點的三維坐標并能夠達到厘米級的精度。
7.根據權利要求1所述的運動監控系統，其特征在于，所述數據處理及運動顯示系統包括:組合導航計算機、協議處理計算機和數據存儲單元。
8.根據權利要求7所述的運動監控系統，其特征在于，其中所述組合導航計算機通過組合測量算法，處理來自所述高精度慣性導航系統和所述差分GPS系統測量的數據，解碼并進行坐標轉換處理，給出可靠的厘米級位置精度及0.05°的姿態精度。
9.根據權利要求7所述的運動監控系統，其特征在于，其中所述協議處理計算機利用實時動畫顯示軟件將載體運動數據轉換為動畫，實現組塊運動，插尖及組塊支撐裝置的實時顯示。
10.根據權利要求7所述的運動監控系統，其特征在于，其中所述數據存儲單元用于保存測量獲得的載體六自由度運動數據。
【文檔編號】G01S19/53GK103760584SQ201410002601
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月2日 優先權日:2014年1月2日
【發明者】李欣, 張鼎, 許鑫, 吳驍, 鄧燕飛 申請人:上海交通大學