浅析 GPS在海洋平台定位中的应用

浅析 GPS在海洋平台定位中的应用

刘海军

中石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司

摘要：利用GPS为海洋平台提供高精度的定位服务,可以取代传统的定位方法,它不仅可以提高精度,而且能使定位所需的时间大大缩短。将其用于浮动钻井平台的定位,可以作为动力定位系统的一部分快速而精确地测定钻机相对井眼的偏移量,为保证海上钻采的顺利进行提供更高质量的定位服务。本文主要是对GPS在海洋平台定位中的应用展开相关探讨

关键词：GPS；海洋平台；定位

随着社会的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的需求越来越大。海洋油气资源开发逐渐成了能源工业中投资高、风险大、高新技术密集的新领域。海洋石油开发是海洋资源开发利用的一部分。由于海洋钻井平台与陆地基地之间的超视距通信,受传统通信手段的限制,很难实现大容量数据共享,严重影响了海上油田的运行效率,以及海上油田的数字化建设，而RTK GPS通信技术较好地解决了这一问题，本文就RTK GPS通信技术在海洋钻井平台中的应用进行探讨。

1、RTK GPS通信技术的工作原理

RTK GPS技术即实时动态载波相位差分技术，是目前精度最高的卫星导航定位方式。它基于实时处理两个测站的载波相位,实时提供观测点的三维坐标和速度。其工作原理是由基站通过数据链实时将某载波相位观测量和站坐标信息一同传递给移动站,移动站接收GPS卫星的载波相位与来自基站的载波相位进行实时处理,给出用户的高精度位置坐标。目前RTK GPS实时差分定位精度可达2cm。RTK GPS提供的两点间的高精度向量,即保持基站和移动站两点间的高精度基线长和方位,具备了光学测量仪器(全站仪、经纬仪)的测距和测角功能,可取代传统的光学测量仪器进行海上相对位置测量和水下地形测量。

2、应用于海上油田相对定位测量

2.1 操作方法

将RTK GPS基准站安装在导管架上,在钻井平台上安装两个以上的移动台,导航计算机实时接收各移动台的三维坐标和速度等信息,采用大地主题反算公式求解出两个移动台的大地方位角或用两个移动台的基线向量中的一个法截面方位角作为钻井平台实时航向基本量；同时求解出一个移动台或两个移动台与导管架上的基准站所构成的基线长度和法截面方位角,用平面几何解析法解算出钻井平台与导管架的相对位置参数,实现海上高精度动态定位测量和引导。

利用RTK GPS完全能够实现海上局域高精度定位测量引导。它克服了传统交会测量定位工作难度大,外业测量人员艰苦,且成图时间长的缺点,大大减少了测量人员的劳动强度,自动化程度高,省工省时,精度高,全天候,提高了工作效率,使得测量工程更加方便、快捷、轻松、高效、经济,是一种先进的测量技术,在海上油田调查、开发及工程施工等测量定位领域中有广泛的应用前景,实现无验潮方式水深测量、油田海底管线调查、检测、导管架安装定向等。

2.2 实例分析

采用上述办法实施钻井平台与导管架对接的定位引导并获得成功。以某钻井平台与导管架对接为例，对接设计技术要求是:以二、三列井口中心的中点为中点与船体中心线对中；钻井平台艏向及偏差353.3°±1°；纵向距及偏差5.4±0.20m(距第一排井口中心)；横向偏差±0.10m。最终就位结果:平台艏向:353.42°；纵向距离:5.168m(距第一排井口中心)；横向偏差:0.178m(左)。定位数据显示最终就位结果满足设计要求和钻井平台的作业要求。实际定位引导过程中定位数据稳定、可靠,实时反映出钻井平台与导管架的相对位置,定位误差在5cm以内。

2.3 主要特点

第一，高精度三维定位。GPS点是直接从GPS卫星讯号中获取三维定位信息,因此各点之间不存在逐点推算和误差积累。GPS点位不仅比常规大地测量的精度高(达0.1×10^-6~0.01×10^-6),而且精度均匀。这对高差和钻井平台方位测量是十分有益的；第二，设计和布点方便灵活,受通视和高度角的限制小,消除了传统光学测量对作业环境的要求；第三，对地理条件和作业条件要求低,工作效率高。GPS观测基本上不受气象条件的影响,这是常规手段难以比拟的。传统光学交会测量无法完成载体的动态测量且动态精度难以保证,即便采用全自动的全站仪进行跟踪测量也要受最大测量距离、进入角度和高度角的限制,无法实现连续测量；第四，采用RTK GPS可实现载体的姿态测量,满足工程测量的精度要求,可取代不利运输和安装且造价昂贵的电罗经或方位水平仪,系统成本低；第五，作用距离远。尽管RTK GPS也受作用距离的限制,但目前通常可达20Km,而传统光学测量的最大距离为8Km,相比之下,RTK GPS的优势是相当突出的。

3、应用于海洋钻井平台水下地形测量

RTK GPS无验潮水下地形测量能自动导航，可按距离或时间间隔，自动采集RTK 确定的三维位置及水深数据，只要将GPS天线高量至水面，对测深仪进行吃水深度改正，便可高精度、实时、高效地测定海洋钻井平台水下地形点的三维坐标。利用2台或2台以上的GPS接收机同时接收卫星信号,其中1台安置在已知坐标点以作为基准站,其它作为流动站,这样基准站的电台连续发射数据,流动站上连续接收数据,流动站上就可实时计算出其准确位置,通过计算机中软件获取测深仪的数据,并自动滤波,形成水下地形原始数据,这种方法测量的平面位置精度能够达到厘米级,高程精度一般能够达到小于10cm,对于测量水底地貌完全足够。这样大大减少了测量人员的劳动强度，自动化程度高，省工省时，精度高，全天候，提高了工作效率，使工程变得更经济。

RTK无验潮测深技术虽已逐步被使用，但是要想得到精确的水深测量图成果，需要考虑诸多因素的影响，只有有效控制每一项影响精度的因素，最终的成果质量才能得到保障。在使用RTK 进行无验潮水深测量时有以下几点注意事项：

（1）利用RTK 在海上进行无验潮水深测量时根据测区离岸的距离远近，选择不同的RTK 高程改正参数的测定方法。离岸5Km以内的项目一般在陆上2个以上已知控制点上进行RTK 参数测定即可。离岸5Km以上的项目一般应在海上设置临时验潮站，临时验潮站数量应根据测区范围的大小满足《水运工程测量规》的要求，再利用临时验潮站进行高程改正参数的测定。进行无验潮水深测量时一般应选择1～2天进行潮位观测，与有验潮数据进行比较，满足测量精度要求后，方可在后续的测量中采用无验潮水深测量。

（2）为了保证水深测量精度，在无验潮水深测量中，除注意以上影响因素的改正之外，对测深仪器本身误差的改正、声速改正、船速效应等都要进行仔细的处理，避免误差的积累。

参考文献

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[2]黄必桂,雷方辉,李家钢,石新刚,王俊勤,李强.海洋石油平台附近已建海底管道探测方法概述[J].中国海洋平台,2016,31(03):1-6.