Повышение точности позиционирования внутритрубных снарядов с использованием данных ГЛОНАСС/GPS

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 & quot- 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^& quot-2 — / 8/160 — / 21 / 428
Нестабильность смещения нуля акселерометра (Да) ~Т 5/2 Да * х½л/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& lt-
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- 1×1, 1×2, 1×3 — 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 Ту2 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.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой