海洋工程精确定位原理与误差分析 .pdf

海洋工程精确定位原理与误差分析

摘要：海洋工程作业中经常会有大型结构物靠近、对接等作业，此类作业对

定位的精度要求非常高，达到厘米级。结构精确定位（StructurePrecise

Positioning）就是海上高精度定位作业的一种类型，它的实质是相对定位，精

确地确定海上结构物之间位置和方向的相对关系。研究分析精确定位作业原理及

其过程中各环节产生的误差对提高定位精度有至关重要的作用。

关键词：精确定位；DGNSS；全站仪；电罗经；误差

大多数海上作业所应用的定位技术是众所周知的DGNSS（差分全球导航卫星

[1]

系统）技术。目前中海辉固公司Starfix.G2和Starfix.XP2差分定位系统的绝

对定位精度，在水平上达到10厘米，高程上达到15厘米。由于海洋工程作业中

结构物体积巨大，工程环境复杂及海洋风、涌、潮流等环境的不稳定性，传统的

DGNSS定位精度很难达到作业要求。例如钻井船靠采油导管架修井作业、海上设

施模块安装作业等。结构精确定位技术应用高精度的全站仪和稳定可靠的电罗经

可以实现此类工程作业要求，其相对定位精度在2厘米以内甚至更高。

此处所述的结构物可以是钻井船、大型浮吊船及各类海上平台等。

图1钻井船、浮吊船靠平台精确就位图

1、精确定位作原理

海洋工程结构精确定位作业用全站仪和电罗经等设备和相关定位软件组成定

位系统[2][4]。全站仪全称全站型电子速测仪，是集测距、测角、计算和数据存储等

多功能一体的测量仪器。电罗经又称陀螺罗经，利用陀螺仪的定轴性和进动性，

与地球自转矢量和重力矢量相结合，由相关设备制成以提供真北基准的仪器。全

站仪观测目标点距离、方位，电罗经确定艏向。通过高精度全站仪观测目标结构

物上的已知目标点获得结构物之间精确的相对位置关系。

图2精确就位示意图

构精确定位点位计算原理：

下图目标点A坐标（EA，NA）为已知点，通过全站仪观测得到测站点STN1

到已知目标点A的平面距离SA1和水平观测角αA1，以测站点所在结构物艏向

[2]

αheading计算测站点STN1的坐标（E1，N1）,根据测量学原理，公式如下：

(1)

基点（datum）坐标计算公式，X1、Y1为测站STN1与基点偏移量。

(2)

根据测量平差原理[3][6]，从两个站点观测不同目标点得到相应的距离和角度，

应用最小二乘法原理计算基点（datum）的坐标：

(3)

2、精确定位作业方法

作业前根据施工方案的设计要求，确定目标和定位结构物尺寸，就位距离和

方位，相关的测量参数等。为确保精确定位精度，需要对目标结构物进行现场复

[5]

测。目标结构物复测中使用DGNSS采集位置数据，观测太阳的方法确定艏向，

精确测量观测目标点坐标。

在定位结构物上寻找合适的全站仪观测点，理想的观测点是全站仪RO平行

或垂直于结构物的中心线。将两台全站仪分别安装在点位上，数据通过线Link

无线传输到定位系统数据接口。精确测量全站仪观测点与结构物基点偏移量，电

罗经指北方向相对结构物中心线的补偿值。开始正式作业前需要对定位系统进行

数据参数配置、数据接口配置，结构物模型和背景文件配置。系统配置完毕将外

部使用设备通过数据接口将数据输入到系统进行测试，数据测试、对比正常方可

进行作业。

初始定位采用Starfix.G2差分定位系统，将定位结构物拖航至设计进场初

就位位置。为确保结构物安全、平稳进行精确就位，定位人员与拖航组协调现场

抛锚作业。抛锚作业结束后通过调整锚缆，缓慢移动定位结构物靠近目标结构物，