Содержание к диссертации
Введение , 5
Глава 1. Анализ состояния вопроса, постановка задачи исследова
ния 15
Анализ траекторных особенностей трасс магистральных трубопроводов и определение предельных параметров движения внутритрубных снарядов 15
Внутрнтрубная диагностика и навигационное обеспечение магистральных трубопроводов в настоящее время 16
Особенности применения автономных навигационных систем для определения местоположения внутритрубных инспекционных снарядов 23
Анализ способов коррекции инерциальной навигационной системы внутритрубного инспекционного снаряда ,...,....,25
Анализ возможности использования СРНС для коррекции инерциальной навигационной системы изолированного трубопроводом внутритрубного снаряда 28
Выводы по первой главе, постановка задачи исследовании 30
Глава 2. Разработка принципов построения, схемы и алгоритма функ
ционирования системы. Разработка методов формирования шкалы вре
мени и определения координат маркеров 32
2.1, Разработка функциональной схемы и алгоритма функционирования
системы определения местоположения внутритрубного снаряда с ис
пользованием СРНС 32
2.2. Разработка метода синхронизации шкал времени пространственно раз
несенных маркеров и изолированного трубопроводом внутритрубного
снаряда 36
2.2.1. Синхронизация шкал времени снаряда и маркеров методом измерения
доплеровского сдвига частоты сигналов СРНС 40
2.2.2, Синхронизация шкал времени снаряда и маркеров методом накопления
фазового сдвига сигналов СРНС 41
2.3. Алгоритм БИНС 44
Основные уравнения и схема алгоритма БИНС 44
Анализ погрешностей БИНС 49
2.4. Алгоритм счисления пути, одометрическая система внутритрубного
снаряда , 53
Основные уравнения и погрешности одометрической системы 53
Основные уравнения алгоритма счисления пути 56
2.5. Разработка метода определения координат маркерных пунктов по сиг
налам СРНС 58
Анализ методов определения координат маркерных пунктов по сигналам СРНС с повышенной точностью , 58
Анализ погрешности определения координат базы между маркерами 60
Относительные фазовые измерения и методы разрешения неоднозначностей фазовых измерений 62
Разработка методики вычисления абсолютных и относительных координат маркеров по относительным фазовым измерениям 66
Выводы по второй главе 73
Глава 3. Разработка схемы и алгоритма комплексирования данных
автономных измерителей внутритрубного снаряда с данными СРНС.
Разработка алгоритма сглаживания траекторных измерений 75
Анализ схем и алгоритмов комплексирования 75
Схема и основные уравнения рекуррентного фильтра Калмана 78
33. Разработка схемы комплексирования, формирование вектора состояния
3.4. Разработка модели состояния и наблюдений 84
3,4.1. Математическая модель погрешностей БИНС 84
Математическая модель погрешностей алгоритма счисления пути 87
Формирование матричного уравнения состояния в непрерывном времени 88
Формирование рекуррентного матричного уравнения состояния 90
Формирование вектора наблюдений на основании данных СРНС и одометра , ,»,94
Оценка наблюдаемости и управляемости разработанной модели состояния и наблюдений.. 102
Разработка алгоритма сглаживания траекторных измерений по участкам менаду маркерами 103
Выводы по третьей главе 106
Глава 4, Моделирование, экспериментальные исследования 108
4Л. Моделирование алгоритма сглаживания траекторных измерений 108
4.2. Экспериментальные исследования ПО
Подготовка экспериментов, описание аппаратуры 110
Исследование погрешности синхронизации шкал времени пространственно разнесенных маркеров по сигналам СРНС ПО
Исследование погрешности синхронизации шкалы времени внутри-трубного снаряда и шкалы времени наземных маркеров по сигналам СРНС 112
Исследование погрешности определения координат базы между маркерами по сигналам СРНС методом относительных фазовых измерений и
по отсчетам кодовых пссвдодальностсй 115
Выводы но четвертой главе 119
Заключение 120
Литература 123
Основные сокращении и обозначения 133
Приложения 134
Введение к работе
В России общая протяженность магистральных, промысловых и распределительных трубопроводов составляет около 1 млн. км. На протяжении всего срока службы трубопровод подвергается различным механическим воздействиям, воздействиям на стенки трубы перекачиваемого продукта, коррозии, изменяется его пространственное положение из-за пучинистости, подвижек, оползней и провалов грунтов, что приводит к возникновению напряжений в конструкции и разрушению трубопровода. Реализуемые в настоящее время крупные проекты России по строительству магистральных трубопроводов (МТ), старение старых МТ, повышение объемов добычи и транспортировки углеводородного сырья, на фоне ужесточающихся требований по безопасности и экологичное трубопроводных магистралей, заставляют по-новому взглянуть на задачи мониторинга и диагностики состояния трубопроводов. Получившая в последнее время широкое распространение, среди трубопроводных операторов, технология внутритрубной неразрушающей дефектоскопии с использованием автономных внутритрубных инспекционных снарядов (ВИС) позволила многократно повысить надежность и безаварийность магистральных трубопроводов [1-7]. При этом, наряду с высокими достижениями в области внутритрубной дефектоскопии имеются, нерешенные в настоящее время, проблемы в координатной привязке результатов дефектоскопии, а также в контроле пространственного положения подземных и подводных трубопроводов.
При внутритрубной неразрушающей дефектоскопии, ВИС перемещается по трубопроводу давлением перекачиваемого продукта при этом показания диагностических датчиков (магнитные, ультразвуковые и т.д.) одновременно с показаниями одометра записываются в бортовой накопитель, В дальнейшем по данным датчиков дефектоскопии определяют потенциально опасные дефекты [4,8,9]. Для привязки дефектов на местности используется одометр, измеряющий расстояние по оси МТ от маркерного пункта до дефекта.
Различие профиля продольной оси МТ и профиля земной поверхности приводит к погрешности выхода па дефеїсг на местности до 200 м, что обуславливает серьезные временные и экономические потери, связанные с ложными вскрытиями МТ. Применяемые методы повышения точности, которые заключаются в увеличении количества маркеров и в осуществлении повторных прогонов снарядов, трудоемки и ведут к дополнительным затратам.
Существующие в настоящее время способы контроля смещений МТ [4,10] с использованием инклинометров, глубинных реперов (экстензомет-ров) и тезодатчиков очень дороги, не позволяют охватить всю линейную часть МТ- По этой причине трубопроводные операторы России проводят контроль смещений МТ только на коротких участках, при этом на 90 процентах линейной части МТ контроль не обеспечивается. Смещения могут происходить как по причине нестабильности грунта (оползни, провалы, пучиии-стости), так и в результате перепада температур, в [10] показано, что перепад температуры в 60 градусов приводит к возникновению в трубопроводе продольного осевого усилия 1800 - 2500т, приводящего к смещениям и всплытиям нитки МТ из грунта на несколько метров. Зафиксировано много фактов когда несвоевременно обнаруженное изменение пространственного положения МТ приводило к появлению опасных гофр вмятин и разрушению трубопровода [10-13]. Контроль пространственного положения МТ позволит предотвращать аварии МТ, происходящие по причине его смещения.
Доступная в настоящее время трубопроводным операторам методика определения трехмерного пространственного положения МТ заключается в проведении комплексных полевых изысканий с применением приборов трас-соискателей совместно с традиционными приборами топогеодезической привязки к пунктам триангуляции или приемниками GPS [14-18]- Применение данной методики для контроля пространственного положения МТ обуславливает периодическое проведение всего комплекса поисково-геодезических измерений, что связано с большими временными и финансовыми издержками и не применяется на практике.
Актуальной задачей является координатная привязка дефектов, а также контроль пространственного положения подводных МТ. Согласно статистическим данным [12] по причине несвоевременного обнаружения смещений, размывов и оголений происходит 80% аварий на подводных участках МТ. Кроме этого, технологии привязки дефектов и определения пространственного положения, применяемые для наземных трубопроводов, нс могут применяться для подводных МТ,
В работах [19-24] показано, что определение с высокой точностью географических координат ВИС позволит осуществлять привязку дефектов, определяемых снарядом в географических координатах, а также позволит осуществлять контроль смещений МТ на всем диагностируемом участке путем сравнения текущей траекторий ВИС с результатами предыдущего обследования. Данная методика применима и для подводных трубопроводов.
Появление бесплатформенных инерциальных навигационных систем оптимальных (БИНС) по массогабаритным показателям и энергопотреблению позволило создавать ВИС с бесплатформенной инерциальной навигационной системой на борту, при помощи которой определяются параметры ориентации и координаты ВИС. Исследование работ по использованию БИНС во внутрнтрубной диагностике выявило ряд решений, которые могут использоваться для определения координат ВИС и, как следствие, координат трубопровода и дефектов [25-37]. Однако основной недостаток данных устройств, ограничивающий их использование, это низкая точность определения координат снаряда, обусловленная накапливающейся погрешностью свойственной инерциальным системам. В производимых за рубежом ВИС, оснащенных БИНС, БИНС при сложной постобработке данных и при комплекси-ровании с неинерциалыгыми датчиками (одометры, ультразвуковые измерители скорости ВИС и другие датчики.) позволяет определять координаты ВИС со среднекаадратической погрешностью до 300м при длине диагностируемого участка 100км [37], Анализ нормативной документации [38-43] показал, что для достоверного контроля пространственного положения МТ не-
8 обходимо проводить измерение его координат со среднеквадратической погрешностью не более 1м, Существующие ВИС, оснащенные БИНС, не позволяют обеспечить такую точность, поэтому данные бортовой БИНС используются в настоящее время для определения геометрических параметров, таких как радиусы кривизны, углы уклона и т.д., локальных участков трубопровода. Известным эффективным способом повышения точности БИНС является её коррекция по данным более высокоточной навигационной системы [44-47] или по данным спутниковых радионавигационных систем [48-54].
Для повышения точности определения координат ВИС целесообразно использовать спутниковые радионавигационные системы (СРНС). Вопросы создания интегрированных БИНС-СРНС навигационных систем для наземных, воздушных, и морских подвижных объектов рассмотрены в работах В,Н. Харисова, А.С Девятисильного, М.С, Ярлыкова, А.И. Перова СП. Дмитриева, ЮА Соловьева других ученых. В данных работах показано, что при непрерывном комплектовании БИНС и СРНС погрешность определения координат объекта интегрированной системой уменьшается на несколько порядков по сравнению с БИНС без коррекции. Однако существующие алгоритмы комплексирования с использованием СРНС не могут использоваться для коррекции БИНС внутритрубного снаряда, тж. отсутствует возможность непрерывной коррекции из-за полной экранировки снаряда трубопроводом.
Определение географических координат ВИС с повышенной точностью позволит осуществлять привязку дефектов в географических координатах, и обеспечивать контроль смещений МТ на всем диагностируемом участке, путем сравнения текущей траекторий ВИС с результатами предыдущего обследования.
Анализ публикаций показал, что на сегодняшний день отсутствуют разработки, позволяющие определять координаты ВИС с повышенной точностью, а также отсутствуют законченные решения, позволяющие повысить точность определения координат ВИС за счет использования СРНС. Отмеченные обстоятельства определяют объект и предмет исследований, а также
9 цель диссертационной работы.
Объест исследований. Определение координат внутритрубных инспекционных снарядов.
Предмет исследований. Повышение точности определения координат внутритрубньтх инспекционных снарядов за счет использования спутниковых радионавигационных систем.
Цель работы. Целью диссертации является разработка системы для определения координат внутритрубного инспекционного снаряда с повышенной точностью за счет использования спутниковых радионавигационных систем.
Задачи. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
Исследовать и провести сравнительный анализ применяемых и перспективных разработок, позволяющих определять координаты ВИС,
Разработать принципы построения, функциональную схему и алгоритм функционирования системы для определения координат ВИС с повышенной точностью за счет использования СРНС.
Разработать методику, позволяющую определять относительные и абсолютные координаты маркерных пунктов коррекции при постобработке, по данным приемников СРНС системы маркеров,
Разработать методику синхронизации шкал времени наземных пространственно разнесенных маркеров и изолированного трубопроводом ВИС за счет использования СРНС.
Разработать алгоритм комплектования данных БИНС, одометра и СРНС, позволяющий получать оценки координат и оценки погрешностей координат ВИС.
10 6 Разработать алгоритм сглаживания траектории ВИС, позволяющий уменьшить погрешность сглаженной траектории по отношению к исходной.
Методы исследования. Для выполнения поставленных задач в работе использованы методы математического анализа, линейной алгебры, теории матриц, теории оптимальной фильтрации Калмапа, теории вероятности и случайных процессов, методы численного моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
Разработанная функциональная схема системы для определения координат внутритрубного снаряда позволяет осуществлять коррекцию БИНС внутритрубного снаряда и синхронизацию, со среднеквадрати-ческой погрешностью до 150нс, его шкалы времени и шкал времени пространственно разнесенных маркеров, за счет применения СРНС.
Разработанный алгоритм комплектования данных БИНС снаряда с данными СРНС маркеров и данными одометра, позволяет вычислять координаты внутритрубного снаряда со среднеквадратической погрешностью не более 1м за счет учета погрешностей БИНС и одометра, оцениваемых расширенным фильтром Калмана, измерения для которого формируются с учетом координат базы между маркерами участка, определенных по данным СРНС.
Алгоритм двустороннего сглаживания траектории ВИС, на участке ограниченном маркерами с известными координатами, позволяет уменьшить погрешность сглаженной траектории в два раза по отношению к исходной за счет использования методов двусторонней интерполяции на фиксированном интервале.
Научная новизна. Новыми являются следующие результаты работы: L Впервые предложено и обосновано использование СРНС в качестве
корректирующей системы для БИНС внутритрубного снаряда, а также для синхронизации его шкалы времени и шкал времени наземных маркеров. Разработана и защищена патентом РФ система для определения координат внутритрубного инспекционного снаряда, с повышенной точностью, использующая данные предложения.
2. Впервые разработан алгоритм комплексирования, по участкам ограни
ченным маркерами, массивов данных СРНС, массивов данных БИНС и
одометра ВИС, позволяющий учитывать погрешности БИНС и одомет
ра ВИС, получать прямые и обратные оценки координат и оценки по
грешности координат ВИС на участке. Схема комплексирования осно
вана на расширенном фильтре Калмана, для которого разработаны мо
дель состояния и модель измерений. Измерения формируются с учетом
скорости измеряемой одометром и координат базы между маркерами
участка, определенных по данным СРНС.
3, Для сглаживания траектории ВИС на участке МТ, ограниченном мар
керами с известными координатами, применены методы двусторонней
интерполяции на фиксированном интервале, что позволило уменьшить
погрешность координат сглаженной траектории ВИС в 2 раза по отно
шению к исходным прямой и обратной траекториям, сформированным
из прямых и обратных оценок координат ВИС на участке.
Практическая значимость работы и реализация результатов.
Разработанная система и алгоритмы позволяют определять географические координаты траектории ВИС со среднсквадратической погрешностью не более 1м, как следствие этого, позволят с указанной погрешностью определять координаты дефектов и координаты продольной оси МТ. Это обеспечит регулярный контроль пространственного положения протяженных участков МТ, и устранит ложные выходы на дефект на местности. Результаты исследований, проведенных в диссертационной работе, использованы в НИР и ОКР, выполненных в НИИ Радиотехники Красноярского государственного
12 технического университета: «Исследование вариантов использования спутниковых навигационных систем для определения уклона железнодорожного пути», «Исследование возможности использования АП СНС МРК-11 в качестве корректирующей системы в интегрированных инерциально-спутниковых системах».
Достоверность.
Достоверность основных научных и практических результатов работы подтверждается корректностью исходных алгоритмов, использованием адекватного апробированного математического аппарата, вычислительным моделированием, экспериментальными исследованиями и внедрением разработанных методик и алгоритмов.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались па Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» в г. Красноярске (2000, 2002, 2003, 2004 г.г.% на Всероссийской научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов» в г, Красноярске (2003г,), на научно-практической конференции третьего Сибирского международного авиационно-космического салона (САКС-2004) в г.Красноярске (2004г.), на 5-й научно-технической конференции ОАО «Транссибнефть» в г. Омске (2003г,)> на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие регионов Сибири» в г, Красноярске (2006г.), на 10-й международной научно практической конференции «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2006г.)
Публикации.
Основные результаты диссертации защищены патентом РФ и опубли-
13 кованы в 10 печатных работах, из которых 1 статья в журнале по списку ВАК, 9 статей в научных сборниках.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения, списка литературы из 92 наименований и 2 приложений. Общий объем работы составляет 120 страниц и иллюстрируется 38 рисунками.
Краткое содержание работы
Первая глава посвящена изучению состояния вопроса в настоящее время, анализу особенностей внутритрубной диагностики. Приводится обзор известных исследований и патентный анализ. Проанализированы особенности трасс магистральных трубопроводов с целью определения предельных параметров движения ВИС, Сформулированы выводы и основные задачи исследования
Вторая глава посвящена разработке общих принципов работы системы, функциональной схемы и алгоритма функционирования системы. Проанализированы алгоритмы работы и погрешности БИНС, одометра и алгоритма счисления пути. Разрабатывается методика синхронизации шкал времени пространственно разнесенных маркеров и изолированного трубопроводом ВИС по сигналам СРНС, проанализированы погрешности синхронизации. Разрабатывается методика определения абсолютных и относительных координат маркеров в постобработке по массивам данных фазовых измерений.
Третья глава посвящена разработке схемы комплексирования автономных измерителей внутритрубного снаряда с данными СРНС. Проводится анализ различных схем комплексирования. Разрабатывается структурная схе-
14 ма комплексирования данных СРНС с данными навигационных измерителей снаряда (БИНС и одометр). Разрабатываются рекуррентные модели состояния и наблюдений необходимые для реализации фильтра Калмапа, составляющего основу схемы комплексирования. Проводится оценка наблюдаемости и управляемости разработанных моделей состояния и наблюдения. Разрабатывается алгоритм сглаживания траекторных измерений по участкам между маркерами.
Четвертая глава посвящена моделированию алгоритма сглаживания траекторных измерений и экспериментальным исследованиям. Используя многофункциональную аппаратуру потребителя МРК-31, разработанную в НИИ Радиотехники КГТУ, экспериментально исследуются погрешности синхронизации шкал времени внутритрубного снаряда и пространственно разнесенных маркеров. Исследуется погрешность определения относительных координат маркеров с использованием относительных фазовых измерений на несущей частоте навигационного космического аппарата, а также с использованием измерений по дальномерному коду.
