CC BY
173
УДК 621.396.96.001(07)
А. В. Андропов
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ВНУТРИТРУБНЫХ СНАРЯДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ГЛОНАСС/ОР8
Рассмотрено комплексирование данных бесплатформенной инерциальной навигационной системы внутритрубного снаряда и координатных данных пунктов коррекции (маркеров), оснащенных приемниками ГЛОНАСС/ОРБ, с использованием алгоритмов фильтрации и сглаживания.
Реализуемые в настоящее время крупные проекты по строительству магистральных трубопроводов (МТ), старение старых, повышение объемов добычи и транспортировки углеводородного сырья на фоне ужесточающихся требований по безопасности и экологичности заставляют по-новому взглянуть на аспекты мониторинга и диагностики состояния магистральных трубопроводов. Получившая в последнее время широкое распространение технология внутритрубной неразрушающей дефектоскопии с использованием автономных внутритрубных инспекционных снарядов (ВИС) позволила многократно повысить надежность и безаварийность магистральных трубопроводов [1]. При этом наряду с высокими достижениями в области внутритрубной дефектоскопии имеются очевидные проблемы навигационного обеспечения данных измерений и контроля пространственного положения подземных и подводных трубопроводов. В частности, должны быть решены следующие задачи:
- определены с высокой точностью географических координат дефекты ВИС, при этом вскрытие трубопровода должно быть минимальным;
- определены с высокой точностью географических координат траектории ВИС для контроля пространственного положения МТ.
Контроль пространственного положения МТ с целью своевременного обнаружения оползней, провалов, пучинистостей и других трубопроводными операторами России в настоящее время не проводится из-за отсутствия эффективных методик и аппаратуры. В середине 90-х гг. развитие технологий инерциальной навигации позволило создавать ВИС на борту с бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС). Однако основная задача системы - ориентации снаряда - высокая точность - не решается из-за низкой точности автономных БИНС. Значения основных инструментальных среднеквадратиче-
ских погрешностей некоторых серийно выпускаемых инерциальных навигационных систем (ИНС) (полуаналитической ИНС «Маршрут», выполненной на поплавковых гироскопах, бесплат-форменных «Ьа8етау», созданных на лазерных гироскопах, и «ЫТЕБ», в основу которых легли динамически настраиваемые гироскопы), приведены в табл. 1.
В таблице приводятся только значения тг в связи с идентичностью характера влияния погрешностей в и погрешностей коэффициентов тг, а также их примерного равенства в « тг. Результаты расчета погрешностей координат, вызванных различными инструментальными погрешностями ИНС (табл. 1), с использованием аналитических выражений, полученных в [2], приведены в табл. 2. Расчет проведен на основе исходных данных:
- погрешности координат вызванные в и тг рассчитаны для максимальной амплитуды угловых движений ВИС А = 2 град;
- интервал корреляции ткор смещения нуля акселерометра, характеризующий его изменчивость, принят равным 2 ч;
- временные интервалы движения Т приняты 300 и 500 с, что при средней скорости движения ВИС V ~ 4 м/с соответствует длине траектории пройденных участков Ь0 1,2 и 2 км, что соответствует типовому расстоянию между маркерными пунктами при внутритрубной диагностике;
- принимается непрямолинейность траектории т. е. Ь]_ = Ь = Ь0/2, где Ь]_ - длина траектории в поперечном направлении, Ь - длина траектории в продольном направлении.
Значение ошибки начальной выставки по курсу а и отвечающая ей погрешность начальной выставки по курсу соответствуют режиму двойного гирокомпасирования или использования промежуточной реперной точки (числитель) и режиму гирокомпасирования (знаменатель) (табл. 1, 2).
Таблица 1
Название ИНС Значение основных инструментальных погрешностей (СКО)
Дю, град/ч V,, град/ч V,, угл. с Да, угл. с Va, угл. с та, рад тг, рад а, угл. с / угл. мин
«Маршрут» 5 -10-3 - 1 0,5 2 10-5 10-4 30 / 2,5
«Ьаєетау» 8 -10-3 2 -10-3 - 3 2 5 -10-5 5 -10-6 30 / 3,5
«ЬІТЕБ» 3 -10-2 1-10-2 — 10 1 10-4 10-4 30 / 13
Таблица 2
Инструментальная погрешность БИНС Выражение для оценки влияния Погрешность координат на времени Т («Маршруm»/«Lasernav»/«LITEF»), см
Т = 300 с Т = 500 с
Постоянная скорость ухода (Дю) ~Т3 Дюй 6 110 / 173 / 675 495 / 792 / 2969
Белошумная скорость ухода гироскопа (Уш) ~Т 5/2 " л/20 - / 3 / 16 - / 11 / 59
Белошумная ошибка гироскопической следящей системы V) V ~т3/2 8 л/3 13 / - / - 50 / - / -
Погрешность установки р и масштаба тг гироскопа ~ т3 тг £ — 6 платформенная 40 / - / - 204 / - /-
т2 тг а^"2 - / 8/160 - / 21 / 428
Нестабильность смещения нуля акселерометра (Да) ~Т 5/2 Да * х1/2л/т кор » 16 / 94 / 312 56 / 340 / 1134
Белошумная ошибка акселерометра (Уа) ~Т 3/2 V га л/3 16 80
Погрешность масштаба акселерометра (та) таь 1 / 3/ 6 1 / 5/ 10
Погрешность начальной выставки по курсу а гЬ± Г151 [45/63/234] Г501 [75/105/390]
Исходя из результатов расчетов (табл. 2), можно сделать вывод, что автономные ИНС без коррекции не позволяют достичь требуемой точности определения координат трубопровода. Известно, что при проектировании и эксплуатации магистральных трубопроводов большое значение имеет точность координатной информации, например в приложениях, касающихся измерений пространственного положения МТ и изменений пространственного положения, а также при проведении обследования состояний подводных участков МТ требуемая точность определения координат составляет ±0,5 м [3]. Для достижения такой точности и решения поставленных задач могут быть использованы спутниковые радионавигационные системы в комплексе с оборудованием ИНС внутритрубного инспектирующего снаряда (рис. 1).
Система представляет собой комплекс для определения координат продольной оси МТ с использованием ВИС, оснащенного интегрированной БИНС, корректируемой с использованием наружных аппаратных средств (маркеров). Система функционирует в двух режимах: режиме сбора данных и режиме последующей обработки. Она может быть охарактеризована как система с обзорно-сравнительным методом коррекции, использующим априорные сведения о координатах отдельных точек трубопровода, определенных в данном случае по сигналам СРНС ГЛОНАСС/ОРБ [4]. Специфика внутритрубной
диагностики МТ на основе применения ВИС заключается в том, что измерительная информация на борту ВИС не обрабатывается, записываются только показания датчиков для последующей обработки на ЭВМ. Таким образом, разделяются во времени операция сбора и обработки диагностической информации. Предлагается также разделить по времени операцию сбора показаний датчиков ИНС и операцию их постобработки в наземной подсистеме, функциональная схема которой приведена на рис. 2. Для комплексирования данных БИНС, показаний системы одометров снаряда и данных спутниковой радионавигационной системы (СРНС) используется расширенный фильтр Калмана и сглаживающий алгоритм. Задачей фильтра Калмана является оценка вектора погрешностей БИНС и одометра.
Вектор состояния 5, оцениваемый фильтром Калмана (рис. 3) описывается выражением
5 = (Т, SV, 8k, 8а, 8р, Дга, ДА)Т,
где Т - вектор погрешности пространственного положения снаряда, определенного по данным ИНС; 8V - вектор погрешности скорости; ДА - нестабильность смещения нуля акселерометров; Дга - постоянная скорость ухода гироскопов; 8k - погрешность корректирующего коэффициент масштаба одометра; 8а, 8р - погрешность корректирующих коэффициентов учитывающих погрешность установки гироскопических элементов по осям снаряда.
Навигационные спутники
/////////////////////////////////У
Наземная
подсистема
(пост-
обработка)
У // У / / /
/
Марекерный
передатчик
Одометр
БИНС
Ах1 Ах2 Ах3 ю х1 ю х2 ю х3
V і г 1 Г 1 г 1 Г ' Г 1
АЦП
ТГ
\
\
Ж
Модуль
дефектоскопии
ж
системная шина
~П~
Бортовой
процессор
Регист-
ратор
Синхронизируемый опорный генератор
^_ВИС________■_______________■
I
I
] I I
1_ I I
трубопровод
іпров<
Рис. 1. Структурная схема системы комплексного обследования магистральных трубопроводов: НП - навигационный приемник; БОиС - блок обработки и сопряжения; МПм - маркерный приемник; НД - накопитель данных
Эталонные
координаты
маркеров камеры Хж ,7ж, Хж. пуска и камеры приема
Г Накопитель
I
Хж, ¥пм , Хт
I К~к 1
данных маркера р
|_ _камерьі пуска___| І™-
Г Накопитель I ~
II ІЛ.ПМ
маркера камеры |_________
\________приема_______J ,ПМ
| Накопители |
| маркеров ..
трассы
Ь —тг--і
К1
Т
I Регистратор
ВИС
ИI,
н
Б
Хпм, ¥пм , ^ПМ
ИI,
м
Вычислитель
параметра
К,-1 Вычислитель поправок ДЯпк \Мпм'
Кпм 1 , І , 1 ІПК ,ІПМ
Л. пм 1пк . 1ПМ
Алгоритм 14 Алгоритм счисления пути ІК Фильтр
БИНС Калмана
Вычислитель
координат
маркеров
Мх(ш),Му(ш),М/(ш)
Сглаживающий
алгоритм
|5|
Яопт(и)
І
т
Рис. 2. Функциональная схема наземной подсистемы
Рис. 3. Структура оптимального фильтра
Вектор измерений 2 представляет собой вектор погрешностей и формируется как разность одноименных показаний ИНС и одометра, ИЙСрО ГН 0. СРНС. Вектор измерений на основе данных одометра определяется по выражению
| V • 1хі^і - к А (1)
,1 -1
О
|V • 1х2dt -аАя(1)
,1 -1
ІV • 1хзdt -рАя (1)
І1 -1
где V - вектор скорости, полученный по результатам измерений БИНС, к - корректирующий коэффициент масштаба одометра; а, в - корректирующие коэффициенты, учитывающие погрешность установки гироскопических элементов;
- временное соответствие началу 1-го интервала замеров; ,1 - временное соответствие концу 1-го интервала замеров, Ая(1) - показания одометра - расстояние, пройденное за 1-й интервал замеров; 1х1, 1х2, 1х3 - единичные векторы, определяющие 3 ортогональных оси снаряда, положение которых в географической системе координат характеризуется строками матрицы направляющих косинусов С. При формировании вектора измерений с использованием данных СРНС применяется разность координат двух соседних маркеров (относительные координаты). Вектор измерений, полученный на основе данных о координатах маркеров, определенных по сигналам СРСН, в первом случае представляет собой погрешность счисления и формируется как разность счисленного положения маркера и положения маркера, определенного СРНС, или в относительных координатах:
2 4
З5
2 6
Кх(т) - Кх(т -1) Ку(т) - Ку(т -1) К2(т) - К2(т -1)
Мх(т) - Мх(т -1) Му(т) - Му(т -1) Мз(т) - Мз(т -1)
где Кх(т), Ку(т), К2(т) - счисленные координаты ВИС, соответствующие маркеру т; Мх(т), Му(т),
Мх(т) - координаты маркера т, определенные по данным СРСН.
Во втором случае координаты, соответствующие положению маркеров т и т - 1, полученные по данным БИНС (интегрированием инерциаль-ного вектора скорости V), сравниваются с координатами маркеров, полученных подданным! ЄНИ С СРНС или, в относительных координатах,
2 =
2 7
28
29
І Vxdt
,Ы-1
| Vydt
,Ы-1
І Vzdt
-1
Мх(т) - Мх(т -1) Му(т) - Му(т -1) М2(т) - М2(т -1)
Полученный вектор погрешностей £ используется в сглаживающем алгоритме, где происходит коррекция показаний БИНС, пересчет матрицы направляющих косинусов С, и на основании откорректированных данных заново запускается алгоритм счисления пути. Счисление для каждого участка между маркерами т и т - 1 начинается с точно известного положения маркера т - 1. Очевидно, что погрешность счисления нарастает по мере удаления от маркера т - 1 и достигает максимального значения в точке т. Запуск в блоке оптимального сглаживания алгоритма счисления пути в обратном направлении с точно известного положения маркера т, формирует траекторию, погрешность которой минимальна у маркера т и максимальна в точке т - 1. Оптимальная, комбинированная из прямого и обратного счисления пути оценка координат снаряда в каждой из
п точек меду маркерами к и к + 1 определится по выражению
Копт (п) = (Рпрям (п)+ Робр (п)-1 ) Х Х (Кпрям (п)Рпрям (п)-1 + К обр (п)робр (п) 'X
где Кпрям(п), Кобр(п) - векторы счисленных координат во внутренней точке п меду маркерами к и к + 1 для прямого и обратного счисления соответственно; Рпрям(п), Робр(п) - ковариационные матрицы погрешности для прямого и обратного счисления соответственно.
Учитывая, что Т, 8а, 8р, 8к меняются на интервале между маркерами медленно, принимается, что они постоянны. Ковариационные матрицы погрешности для прямого и обратного направления описываются выражениями
Рпрям (п) = м(8Кпрям (п)8КТ прям (п)) = Нпрям (п) X
X М( 22^ )НТ прям (п) = Нпрям (п) р(т)НТ прям (п);
Робр (п) = М(8Кобр (п)8КТобр (п))= Нобр (п) х
X М(22Т )НТ обр (п) = Н обр (п) р(т)НТ обр (п),
где М - оператор математического ожидания; Нпрям(п), Нобр(п) - матрицы измерения; 2 - вектор погрешности 2 = [Тх Ту ^2 8к 8а 8р]; р(^) - ковариационная матрица погрешности вектора 2.
Таким образом, на выходе блока оптимального сглаживания для каждого интервала между маркерами получаем исправленные координаты ВИС Копт(п) в каждой п точке интервала.
Кроме описанного выше алгоритма коррекции данных БИНС точность определения координат в системе повышается за счет привязки временной шкалы измерительной системы к временной шкале спутниковой радионавигационной системы Ь\...Ьп, тем самым повышается точность взаимной синхронизации меток времени системы маркеров и оборудования внутритрубного инспектирующего снаряда. Для этих целей перед пуском ВИС в камере пуска синхронизируемый опорный генератор соединяется с навигационным приемником камеры пуска на время, требуемое для синхронизации. Использование аппаратуры МРК-23 в составе комплекса маркеров позволит обеспечить синхронизацию временной шкалы снаряда и маркеров с погрешностью до 150 нс и определить координаты маркеров со среднеквадратической погрешностью ±5 см в относительном режиме. В качестве опорных станций используют маркер камеры приема и маркер камеры пуска при условии, что эталонные координаты фазовых
центров антенн навигационных приемников известны.
Для оценки погрешностей системы проводилось математической моделирование разработанных алгоритмов комплексирования с использованием пакета MathCAD 2001 Professional с соблюдением следующих условий:
- применялась система БИНС «Lasernav» с использованием лазерных гироскопов;
- расстояние между маркерами составляло 2 км;
- погрешность системы одометров равнялась ±0,5 %;
- погрешность определения координат маркеров составляла ±0,5 см.
По результатам моделирования погрешность определения координат трубопровода в области максимальной погрешности (в центре участка между маркерами) составила ±0,5 м. При уменьшении расстояния между маркерами до 500 м погрешность определяется погрешностью координат маркеров.
Разработанные алгоритмы и система могут быть использованы для определения пространственного положение подземного трубопровода с погрешностью менее 1 м. Это позволит применять результаты периодических траекторных измерений для контроля изменений пространственного положения трубопровода и оценки напряженных состояний, определения координат дефектов, а в комплексе с гидрографическими промерными системами - контролировать состояние подводных участков МТ.
Библиографический список
1. Шумайлов, А. С. Диагностика магистральных трубопроводов / А. С. Шумайлов, А. Г. Гу-меров, О. И. Молдаванов. М. : Недра, 1992. 251 с.
2. Дмитриев, С. П. Инерциальные методы в инженерной геодезии / С. П. Дмитриев ; ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор». СПб., 1997. 208 с.
3. Хренов, Н. Н. Применение аэрокосмических методов для диагностики трубопроводных геотехнических систем мониторинга окружающей среды / Н. Н. Хренов, С. А. Егурцов. М., 1996.
4. Пат. 22б1424 RU С1 Российская Федерация. Система для определения координат трассы и координат дефектов подземного трубопровода / А. В. Андропов, В. И. Кокорин ; опубл. 27.09.2005. Бюл. № 27.
A. V. Andropov
RAISE OF ACCURACY OF POSITIONING OF INTRATRUMPET INSPECTION GEARS WITH USE OF DATA GLONASS/GPS
It is considered the integration of data of the strapdown inertial navigational system of intratrumpet gear and coordinate data of points of correction (magloggers) equipped by receivers GLONASS/GPS with use of filtering and smoothing algorithms.
