基于垂荡加速度的半潜式海洋平台垂荡运动参量预报方法技术

本发明专利技术涉及一种基于垂荡加速度的半潜式海洋平台垂荡运动参量预报方法，在垂荡运动中，基于线性势流理论，忽略附加质量和辐射阻尼的耦合影响，对垂荡加速度进行表征；考虑实测海洋环境的噪声影响、环境缓慢变化引起的低频影响以及加速度传感器自身基线漂移误差引起的影响，引入噪声项、低频变化项、基线漂移误差项，并对噪声项、低频变化项、基线漂移误差项进行统一的普罗尼序列归一化表征；对归一化表征后的垂荡加速度进行漂移项去除，通过去除漂移项后剩余的普罗尼序列建立垂荡加速度与垂荡运动参量之间的关系式，对垂荡运动参量进行估计。相比于传统基于滤波器的方法，本发明专利技术通过普罗尼序列进行垂荡运动参量的估计，具有更高的计算精度。高的计算精度。高的计算精度。

【技术实现步骤摘要】
基于垂荡加速度的半潜式海洋平台垂荡运动参量预报方法


[0001]本专利技术属于半潜式平台的垂荡运动
，尤其涉及一种基于垂荡加速度的半潜式海洋平台垂荡运动参量预报方法。

技术介绍

[0002]在半潜式平台的运行过程中，许多海洋技术的应用都是基于结构的垂荡运动开展的，因此对半潜式平台的垂荡运动进行监测是至关重要的。例如，半潜式平台的垂荡运动是立管系统的重要外力之一，直接关系到立管系统的整体动力响应分析，并严重影响垂直运输系统的稳定性。另一个应用的例子是在海洋结构物的安装过程中，高精度的垂荡运动监测可以有效地提高海上结构物的安装效率。此外，对于半潜式平台来说，恶劣海况下平台的运动和水面的变化会引起平台气隙值的变化，而负气隙可能会对平台造成破坏，甚至是人员伤亡。
[0003]随着全球定位系统的发展，目前大多数半潜式平台的垂荡运动的定位和监测都是基于全球定位系统开展的。然而，全球定位系统的采样率较低，一般不超过20Hz，且精度较差。此外，在某些极端恶劣的条件下，可能会导致必要的运动信息的丢失。
[0004]虽然在理论上可以通过对垂荡加速度进行积分得到结构的垂荡速度信息，然后再次积分得到结构的垂荡运动参量信息，但是在实际测试时，结构的初始速度和初始位移通常是未知的，这两个未知项会使积分结果产生漂移的问题。同时，现场测试时的加速度传感器由于不可避免地基线误差，也会给结果带来较大的误差。为了从结构的垂荡加速度中估计结构的垂荡运动信息，Richter等人基于惯性测量单元，通过使用自适应的升沉滤波器，提出了三种减小积分误差的相位修正法。通过对每个滤波器进行误差分析，从而导出误差函数，然后将误差函数最小化从而获得每个滤波器的最佳参数。Kchler等人将惯性测量单元作为独立的运动传感器推导了一种用于垂荡运动参量估计的观测器。在该方法中，将垂荡运动近似为叠加的正弦波，然后通过快速傅里叶变换将精确近似的正弦波与相应的频率一起识别出来，再利用识别的参数建立估计垂荡运动的观测器模型。但是上述方法通过滤波对漂移项进行滤除，不可避免的会造成垂荡运动参量中的信息丢失，从而导致估计结果精度较差。

技术实现思路

[0005]本专利技术在上述现有方法不足的基础上提供了一种基于垂荡加速度的半潜式海洋平台垂荡运动参量预报方法，基于线性势流理论推导了结构垂荡方向上的运动方程，并通过普罗尼序列建立了半潜式海洋平台垂荡加速度与垂荡运动参量之间的关系，避免了传统基于滤波器方法带来的误差问题，具有较高的计算精度和实用性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种基于垂荡加速度的半潜式海洋平台垂荡运动参量预报方法，包括：
[0007]在半潜式海洋平台垂荡运动中，基于线性势流理论，忽略附加质量和辐射阻尼的
耦合影响，对半潜式海洋平台的垂荡加速度进行表征，确定垂荡加速度理论值；
[0008]考虑半潜式海洋平台垂荡运动实测海洋环境的噪声影响、环境缓慢变化引起的低频影响以及加速度传感器自身基线漂移误差引起的影响，引入噪声项、低频变化项、基线漂移误差项，确定垂荡加速度实测值；
[0009]对垂荡加速度实测值中的垂荡加速度理论值项、噪声项、低频变化项、基线漂移误差项进行统一的普罗尼序列归一化表征；
[0010]对归一化表征后的垂荡加速度进行漂移项去除，通过去除漂移项后剩余的普罗尼序列建立半潜式海洋平台垂荡加速度与垂荡运动参量之间的关系式，对半潜式海洋平台的垂荡运动参量进行估计。
[0011]优选的，在半潜式海洋平台垂荡运动中，基于线性势流理论，忽略附加质量和辐射阻尼的耦合影响，同时考虑在流体中受到的波浪力、回复力和辐射力的影响，将垂荡运动表示为：
[0012][0013]式中，m代表半潜式海洋平台的质量，代表半潜式海洋平台的垂荡加速度，f
w
(t)为半潜式海洋平台受到的波浪荷载，f
m
(t)代表半潜式海洋平台受到的系泊力，f
s
(t)代表半潜式海洋平台受到的回复力，f
r
(t)代表半潜式海洋平台受到的辐射力；
[0014]其中，回复力f
s
(t)表示为：
[0015]f
s
(t)＝
‑
c
z
z
o
(t)＝
‑
ρgA
w
z
o
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0016]式中，z
o
(t)代表半潜式海洋平台的垂向位移；c
z
是半潜式海洋平台在垂荡方向的回复刚度，与水线面面积A
w
，流体密度ρ以及重力加速度g有关；
[0017]辐射力f
r
(t)表示为：
[0018][0019]式中，代表半潜式海洋平台垂荡方向的速度，m
∞
和k
z
是无限频率处的垂荡方向的附加质量和脉冲响应函数；
[0020]由式(1)
‑
(3)，将半潜式海洋平台垂荡运动表示为：
[0021][0022]式中，f0(t)＝f
w
(t)+f
m
(t)；
[0023]则确定半潜式海洋平台垂荡加速度理论值表示为：
[0024][0025]理论上，半潜式海洋平台的垂向加速度可以建模为一组谐波的叠加的形式，则由式(5)，将垂荡加速度理论值表征为：
[0026][0027]式中，A
i
、f
i
和θ
i
分别代表垂向加速度中第i个分量的幅值、频率和相位，u
n
和v
n
为使用普罗尼序列对半潜式海洋平台垂荡加速度理论值进行拟合时使用的参数。
[0028]优选的，考虑半潜式海洋平台垂荡运动实测海洋环境的噪声影响、环境缓慢变化
引起的低频影响以及加速度传感器自身基线漂移误差引起的影响，引入噪声项、低频变化项、基线漂移误差项，确定垂荡加速度实测值为
[0029][0030]式中，n(t)代表噪声项，v(t)代表低频变化项，b代表基线漂移误差项。
[0031]优选的，引入普罗尼序列对垂荡加速度实测值中的噪声项、低频变化项、基线漂移误差项分别进行表征，即：
[0032][0033]式中，其中，A
n
、f
n
、ξ
n
和θ
n
分别代表噪声项中各个成分的幅值、频率、阻尼和相位；
[0034][0035]式中，D
v
＝
‑
ξ
v
+j2πf
v
，其中，A
v
、f
v
、ξ
v
和θ
v
分别代表低频变化项中各个成分的幅值、频率、阻尼和相位；
[0036]b＝Ee
Ft
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于垂荡加速度的半潜式海洋平台垂荡运动参量预报方法，其特征在于，包括：在半潜式海洋平台垂荡运动中，基于线性势流理论，忽略附加质量和辐射阻尼的耦合影响，对半潜式海洋平台的垂荡加速度进行表征，确定垂荡加速度理论值；考虑半潜式海洋平台垂荡运动实测海洋环境的噪声影响、环境缓慢变化引起的低频影响以及加速度传感器自身基线漂移误差引起的影响，引入噪声项、低频变化项、基线漂移误差项，确定垂荡加速度实测值；对垂荡加速度实测值中的垂荡加速度理论值项、噪声项、低频变化项、基线漂移误差项进行统一的普罗尼序列归一化表征；对归一化表征后的垂荡加速度进行漂移项去除，通过去除漂移项后剩余的普罗尼序列建立半潜式海洋平台垂荡加速度与垂荡运动参量之间的关系式，对半潜式海洋平台的垂荡运动参量进行估计。2.根据权利要求1所述的基于垂荡加速度的半潜式海洋平台垂荡运动参量预报方法，其特征在于：在半潜式海洋平台垂荡运动中，基于线性势流理论，忽略附加质量和辐射阻尼的耦合影响，同时考虑在流体中受到的波浪力、回复力和辐射力的影响，将垂荡运动表示为：式中，m代表半潜式海洋平台的质量，代表半潜式海洋平台的垂荡加速度，f
w
(t)为半潜式海洋平台受到的波浪荷载，f
m
(t)代表半潜式海洋平台受到的系泊力，f
s
(t)代表半潜式海洋平台受到的回复力，f
r
(t)代表半潜式海洋平台受到的辐射力；其中，回复力f
s
(t)表示为：f
s
(t)＝
‑
c
z
z
o
(t)＝
‑
ρgA
w
z
o
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，z
o
(t)代表半潜式海洋平台的垂向位移；c
z
是半潜式海洋平台在垂荡方向的回复刚度，与水线面面积A
w
，流体密度ρ以及重力加速度g有关；辐射力f
r
(t)表示为：式中，代表半潜式海洋平台垂荡方向的速度，m
∞
和k
z
是无限频率处的垂荡方向的附加质量和脉冲响应函数；由式(1)
‑
(3)，将半潜式海洋平台垂荡运动表示为：式中，f0(t)＝f
w
(t)+f
m
(t)；则确定半潜式海洋平台垂荡加速度理论值表示为：理论上，半潜式海洋平台的垂向加速度可以建模为一组谐波的叠加的形式，则由式(5)，将垂荡加速度理论值表征为：式中，A
i
、f

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福顺，高树健，纪翔，田哲，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：