Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса, постановка задачи исследования 15
1.1. Анализ траєкторних особенностей трасс магистральных трубопроводов и определение предельных параметров движения внутритрубных снарядов 15
1.2. Внутритрубная диагностика и навигационное обеспечение магистральных трубопроводов в настоящее время 16
1.3. Особенности применения автономных навигационных систем для определения местоположения внутритрубных инспекционных снарядов 23
1.4. Анализ способов коррекции инерциальной навигационной системы внутритрубного инспекционного снаряда 25
1.5. Анализ возможности использования СРНС для коррекции инерциальной навигационной системы изолированного трубопроводом внутритрубного снаряда 28
Выводы по первой главе, постановка задачи исследования 30
Глава 2. Разработка принципов построения, схемы и алгоритма функционирования системы. Разработка методов формирования шкалы времени и определения координат маркеров 32
2.1. Разработка функциональной схемы и алгоритма функционирования системы определения местоположения внутритрубного снаряда с использованием СРНС 32
2.2. Разработка метода синхронизации шкал времени пространственно разнесенных 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
2.3.1. Основные уравнения и схема алгоритма БИНС 44
2.3.2. Анализ погрешностей БИНС 49
2.4. Алгоритм счисления пути, одометрическая система внутритрубного снаряда 53
2.4.1. Основные уравнения и погрешности одометрической системы 53
2.4.2. Основные уравнения алгоритма счисления пути 56
2.5. Разработка метода определения координат маркерных пунктов по сигналам СРНС 58
2.5.1. Анализ методов определения координат маркерных пунктов по сигналам СРНС с повышенной точностью 58
2.5.2. Анализ погрешности определения координат базы между маркерами 60
2.5.3. Относительные фазовые измерения и методы разрешения неоднозначностей фазовых измерений 62
2.5.4. Разработка методики вычисления абсолютных и относительных координат маркеров по относительным фазовым измерениям 66
Выводы по второй главе 73
Глава 3. Разработка схемы и алгоритма комплексировапия данных автономных измерителей внутритрубного снаряда сданными СРНС. Разработка алгоритма сглаживания траекторных измерений 75
3.1. Анализ схем и алгоритмов комплексировапия 75
3.2. Схема и основные уравнения рекуррентного фильтра Калмана 78
3.3. Разработка схемы комплексировапия, формирование вектора состояния 81
3.4. Разработка модели состояния и наблюдений 84
3.4.1. Математическая модель погрешностей БИНС 84
3.4.2. Математическая модель погрешностей алгоритма счисления пути 87
3.4.3. Формирование матричного уравнения состояния в непрерывном времени 88
3.4.4. Формирование рекуррентного матричного уравнения состояния 90
3.4.5. Формирование вектора наблюдений на основании данных СРНС и одометра 94
3.5. Оценка наблюдаемости и управляемости разработанной модели состояния и наблюдений 102
3.6. Разработка алгоритма сглаживания траекторных измерений по участкам между маркерами 103
Выводы по третьей главе 106
Глава 4. Моделирование, экспериментальные исследования 108
4.1. Моделирование алгоритма сглаживания траекторных измерений 108
4.2. Экспериментальные исследования 110
4.2.1. Подготовка экспериментов, описание аппаратуры 110
4.2.2. Исследование погрешности синхронизации шкал времени пространственно разнесенных маркеров по сигналам СРНС 110
4.2.3. Исследование погрешности синхронизации шкалы времени внутри-трубного снаряда и шкалы времени наземных маркеров по сигналам СРНС 112
4.2.4. Исследование погрешности определения координат базы между маркерами по сигналам СРНС методом относительных фазовых измерений и по отсчетам кодовых псевдодальностей 115
Выводы по четвертой главе 119
Заключение 120
Литература 123
Основные сокращения и обозначения 133
Приложения 134
- Внутритрубная диагностика и навигационное обеспечение магистральных трубопроводов в настоящее время
- Разработка метода синхронизации шкал времени пространственно разнесенных маркеров и изолированного трубопроводом внутритрубного снаряда
- Формирование вектора наблюдений на основании данных СРНС и одометра
- Исследование погрешности синхронизации шкалы времени внутри-трубного снаряда и шкалы времени наземных маркеров по сигналам СРНС
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 экологичности 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 на дефект 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, пучини-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, не 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 внутритрубной 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 неинерциальными датчиками (одометры, ультразвуковые измерители скорости ВИС и другие датчики.) позволяет определять координаты ВИС со среднеквадратической погрешностью до 300м при длине диагностируемого участка 100км [37]. Анализ нормативной документации [38-43] показал, что для достоверного контроля пространственного положения МТ не-
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, Ю.А. Соловьева других ученых. В данных работах показано, что при непрерывном комплексировании 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, т.к. 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
цель диссертационной работы.
Объект исследований. Определение координат внутритрубных инспекционных снарядов.
Предмет исследований. Повышение точности определения координат внутритрубных инспекционных снарядов за счет использования спутниковых
радионавигационных систем.
Цель работы. Целью диссертации является разработка системы для определения координат внутритрубпого инспекционного снаряда с повышенной точностью за счет использования спутниковых радионавигационных систем.
Задами. 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 комплексирования 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 Калмана, 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 комплексирования 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: 1. 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.
Впервые разработан алгоритм комплексировання, по участкам ограниченным маркерами, массивов данных СРНС, массивов данных БИНС и одометра ВИС, позволяющий учитывать погрешности БИНС и одометра ВИС, получать прямые и обратные оценки координат и оценки погрешности координат ВИС на участке. Схема комплексировання основана на расширенном фильтре Калмана, для которого разработаны модель состояния и модель измерений. Измерения формируются с учетом скорости измеряемой одометром и координат базы между маркерами участка, определенных по данным СРНС.
Для сглаживания траектории ВИС на участке МТ, ограниченном маркерами с известными координатами, применены методы двусторонней интерполяции на фиксированном интервале, что позволило уменьшить погрешность координат сглаженной траектории ВИС в 2 раза по отношению 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 среднеквадратической 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
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 на 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-
ма комплексирования данных СРНС с данными навигационных измерителей снаряда (БИНС и одометр). Разрабатываются рекуррентные модели состояния и наблюдений необходимые для реализации фильтра Калмана, 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.
Внутритрубная диагностика и навигационное обеспечение магистральных трубопроводов в настоящее время
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 схема комплексирования данных СРНС с данными навигационных измерителей снаряда (БИНС и одометр). Разрабатываются рекуррентные модели состояния и наблюдений необходимые для реализации фильтра Калмана, 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.
Среднее расстояние между перекачивающими станциями (ПС) для МТ большого диаметра составляет 150-200 км. Средняя скорость транспортировки продуктов по трубопроводу в зависимости от типа продукта может составлять I м/с для нефтепроводов и 7 м/с для газопроводов [40]. Скорость движения ВИС в трубопроводе обычно не превышает 4-5 м/с, данный предел скорости определяется прочностными характеристиками ВИС. Большой объем информации, собираемой аппаратурой ВИС, и ограничение быстродействия бортовой аппаратуры ВИС приводят к тому, что при диагностике реальная скорость ВИС составляет порядка 2-4 м/с. Время движения ВИС внутри трубы определяется его средней скоростью и длиной диагностируемого участка, которая определяется расстоянием между ПС и составляет 100-150 км. Следовательно, время движения может составлять до 20 часов. Очевидно, что время движения определяет требования к энергопотреблению и точности навигационного оборудования ВИС. Траектория и параметры движения ВИС определяются особенностями трасс МТ, которые в свою очередь зависят от рельефа местности. Анализ документов [8, 38, 39, 42, 58,59], нормирующих параметры трасс магистральных трубопроводов и описывающих особенности внутритрубной диагностики, позволил определить пределы изменения основных параметров движения ВИС по трубопроводу, которые приведены в таблице 1.1.
Здесь и далее по тексту под навигационным обеспечением понимается измерение координат продольной оси, определение координат дефектов и контроль пространственного положения магистральных трубопроводов. Можно обозначить несколько подходов к навигационному обеспечению МТ: - с использованием наземных средств измерения; - с использованием внутритрубных инспекционных снарядов; - комбинированный - с использованием внутритрубных инспекционных снарядов и наземных вспомогательных средств. Анализ нормативной документации [38-43] по вопросам эксплуатации и строительства МТ показал, что для достоверного контроля пространственного положения МТ необходимо проводить измерение его координат со среднеквадратической погрешностью не более 1 м. Требования к точности определения координат дефектов менее жесткие для однозначного выхода на дефект на местности и исключения ложных вскрытий МТ, достаточно определять координаты дефектов с погрешностью 10 м.
Для обнаружения дефектов магистральных трубопроводов применяются периодические обследования трубопровода внутритрубными инспекционными снарядами. В настоящее время трубопроводными операторами используется несколько ВИС различного назначения: очистные поршни, задача которых заключается в очистке внутренней поверхности трубопровода от различных отложений углеводородов; профиломеры - аппараты, предназначенные для контроля геометрии трубопровода как в плане, так и в вертикальном сечении, привязка результатов осуществляется в режиме линейного позиционирования измерением расстояния до маркера; ультразвуковые (рис. 1.1) и магнитные дефектоскопы (рис. 1.2), предназначенные для выявления различного типа дефектов трубопровода, привязка результатов осуществляется измерением расстояния до маркера;
Разработка метода синхронизации шкал времени пространственно разнесенных маркеров и изолированного трубопроводом внутритрубного снаряда
Специфика внутритрубной диагностики МТ с использованием ВИС заключается в том, что обработки собираемой информации на борту ВИС не происходит, происходит только запись показаний датчиков снаряда с последующей обработкой оператором на ЭВМ в лаборатории [9]. Происходит разделение во времени операции сбора и обработки диагностической информации, поэтому в ряде работ [23, 22, 36] предлагается также разделить во времени операции сбора и обработки показаний датчиков БИНС. При применении БИНС, в отличии от ПИНС, это легко осуществить, т.к. отсутствует необходимость реализовывать навигационные алгоритмы на борту снаряда. В ПИНС происходит непрерывная ориентация платформы, для чего требуется реализация навигационных алгоритмов в ЭВМ ПИНС, в БИНС этого не требуется. Поэтому навигационный алгоритм БИНС может реализовываться в лабораторных условиях но показаниям датчиков БИНС ВИС зафиксированных с требуемым шагом при диагностике. Это сокращает и упрощает приборный состав ВИС. При таком подходе при движении ВИС по трубопроводу на бортовую ЭВМ достаточно возложить только функции регистратора сигналов бортовых диагностических и навигационных датчиков. Вычисление координат будет проводиться в стационарных условиях по накопленным данным. При такой постобработке в навигационном алгоритме может принимать участие человек, для запуска тех или иных алгоритмов коррекции с использованием доступной оператору (человеку) априорной информации о диагностируемом участке. Такой метод коррекции описан в литературе применительно к другим приложениям и называется обзорно-сравнительным методом коррекции. Априорными сведениями о диагностируемом участке могут являться известные координаты отдельных элементов и участков МТ, а также информация с маркерных пунктов, высокоточные координаты которых известны [23, 24, 57].
Способ определения координат ВИС, в котором БИНС корректируется после прохождения снарядом МТ с использованием наружных аппаратных средств (маркеров), является наиболее оптимальным. Использование спутниковых радионавигационных систем в этой ситуации в качестве наружных аппаратных средств для коррекции БИНС представляется наиболее целесообразным.
Обобщая результаты предыдущих разделов, можно кратко сформулировать общий принцип работы разрабатываемой системы. Оборудование ВИС содержит в своем составе бесплатформенную инерциальную навигационную систему, одометрическую систему измерения скорости поступательного движения и перемещений, диагностические датчики дефектоскопии.
При проведении диагностики МТ показания датчиков БИНС, показания одо-метрической системы и показания диагностических датчиков с периодичностью Г регистрируются бортовой ЭВМ снаряда, при этом также фиксируется время измерения. Наземная часть системы состоит из комплекса маркерных пунктов, координаты которых определяются по сигналам СРНС. Наземный комплекс маркеров и оборудование ВИС синхронизированы между собой и работают в едином системном времени ґсист. По окончании диагностики массивы данных с ВИС и данные СРНС с системы маркеров обрабатываются комплексом вторичной обработки (постобработки) с целью оценки и учета погрешностей БИНС.
Анализ публикаций и работ по вопросам высокоточного определения координат дефектов и координат продольной оси магистральных трубопроводов, при внутритрубной диагностике, показал, что традиционным решением задачи навигации изолированного трубопроводом объекта, является использование автономных систем счисления координат, к которым относятся инерциальные навигационные системы.
Требования по ограничению потребляемой электроэнергии, габаритов и массы оборудования ВИС, а также экономические соображения определили применение на ВИС бесплатформенных инерциальных навигационных систем. Однако БИНС используются только как вспомогательное оборудование для определения геометрических параметров коротких участков МТ и углов ориентации ВИС, возможность определения координат не используется в связи с высокой погрешностью БИНС.
Законченные решения, позволяющие определять координаты МТ с требуемой для адекватного использования при эксплуатации МТ погрешностью 1 м, отсутствуют. Анализ особенностей внутритрубной диагностики в настоящее время, показывает, что система маркеров трассы может быть использована как сеть пунктов эпизодической коррекции БИНС. Оснащение маркеров приемниками СРНС позволит решить задачу определения с высокой точностью координат пунктов коррекции, а также важную задачу синхронизации измерений ВИС и маркеров. Существующие в настоящее время схемы и алгоритмы коррекции БИНС по данным СРНС не могут применяться для коррекции БИНС внутри-трубного снаряда. Показано отсутствие законченных решений по использованию СРНС и ВИС для высокоточного определения координат продольной оси и координат дефектов МТ. На основании проведенного в первой главе анализа основные задачи исследования сформулируются следующим образом: - Разработать общие принципы работы системы, функциональную схему и алгоритм функционирования системы; - Разработать структурные схемы и описать математические модели работы основных модулей системы, проанализировать их погрешности; - Разработать методику определения координат маркеров по сигналам СРНС с учетом особенностей функционального алгоритма системы; - Разработать методику синхронизации оборудования ВИС и оборудования наземных маркеров; - Разработать схему и алгоритм комплексирования БИНС и СРНС. - Разработать алгоритм сглаживания траекторных измерений; - Провести проверку основных результатов исследования при помощи вычислительного моделирования и экспериментально.
Формирование вектора наблюдений на основании данных СРНС и одометра
Разработаны общие принципы работы, функциональная схема и алгоритм функционирования системы, позволяющей определять координаты виутритрубного инспекционного снаряда с повышенной точностью, за счет комплексной обработки данных БИНС снаряда и данных наземного комплекса маркерных пунктов коррекции, оснащенных приемниками СРНС.
Разработана методика синхронизации шкал времени пространственно разнесенных маркеров и изолированного трубопроводом снаряда, с использованием СРНС. Показано, что использование приемников СРНС позволит синхронизировать шкалы времени маркеров с погрешностью 150нс, а погрешность синхронизации шкалы времени виутритрубного снаряда к шкапе времени маркеров перед пуском будет составлять 150нс. Во время движения снаряда погрешность синхронизации шкал времени снаряда и маркеров, будет определяться нестабильностью бортового опорного генератора ВИС.
Проанализированы погрешности БИНС, показано, что наибольший вклад в погрешность определения координат ВИС вносят постоянная скорость ухода гироскопов Дга и нестабильность смещения нуля акселерометров АА. Расчет погрешностей показал, что для БИНС среднего класса точности, погрешность определения координат ВИС обусловленная постоянной скоростью ухода гироскопов и нестабильностью смещении нуля акселерометров составит 792 и 340 см, соответственно на времени 500с, что соответствует 2км по МТ. Сделан вывод о необходимости коррекции данных дрейфов при постобработке с использованием корректирующей информации.
Разработана методика вычисления абсолютных и относительных координат маркеров при постобработке на основании массивов отсчетов фаз несущих частот НКА ГЛОНАСС. Использование эталонных координат камеры пуска и камеры приема позволит определять абсолютные координаты маркеров с двух сторон, при этом среднеквадратическая погрешность определения абсолютных координат маркеров составит около 50 см в середине диагностируемого участка МТ длиной 100км.
Комплексное использование различных по принципу действия и точности измерителей одного параметра получило в литературе название "ком-плексирование измерителей". Основу схем комплексирования составляют методы оптимальной линейной фильтрации [71].
Для одномерных задач в качестве оптимального метода линейной фильтрации применяется метод Винера [50]. Однако данный метод не подходит для применения в комплексных системах, содержащих целый ряд измерителей, что связано с трудностями решения уравнения Винера-Хопфа, составляющего основу оптимального алгоритма. В 1960г. Р.Е. Калманом и Р.С. Бьюси был предложен новый подход к проблеме линейной фильтрации, получивший название алгоритм фильтрации Калмана [72, 73]. С использованием фильтра Калмана принципиально можно получить оценки всего вектора состояния системы по измерению лишь одной его составляющей. Кроме этого, алгоритм представляет собой совокупность дифференциальных и алгебраических уравнений, что упрощает его реализацию на ЭВМ. Метод фильтрации Калмана применим для многомерных динамических систем, при этом они могут быть нестационарными и иметь нестационарные входные сигналы и помехи, а задача фильтрации может быть решена как при конечном, так и при бесконечном времени наблюдения. Применительно к решаемой задаче фильтр Калмана (ФК) позволит осуществить оптимальную обработку информации БИНС, системы счисления пути, одометра и СРНС при произволь 76 ных моментах включения корректирующих сигналов, что важно, т.к. корректирующие данные СРНС доступны только эпизодически, а именно, по достижении снарядом маркера. Преимущества фильтра Калмана, по сравнению с нейросетвыми и другими алгоритмами, в задачах комплексирования БИНС с другими измерительными системами, подтверждаются в ряде работ [63, 74, 75], и здесь подробно не рассматриваются.
В задачах комплексирования БИНС по данным более точных датчиков, функции ФК заключаются в оценке требуемого вектора БИНС с использованием показаний более точных датчиков. При этом необходимо выбрать в качестве компонентов вектора конкретные навигационные параметры, подлежащие оцениванию. Однако при решении задачи комплексирования БИНС и других датчиков в фильтре Калмана, в настоящее время находит применение способ формирования вектора измерений в виде разности выходных сигналов БИНС и сигналов более точных датчиков, содержащих информацию об одной и той же физической величине. Различают три основных схемы комплексирования разных измерителей с использованием ФК [50], разомкнутая схема (рис.3.1), замкнутая схема (рис.3.2) и комбинированная разомкнуто -замкнутая (рис.3.3).
В разомкнутой схеме не затрагиваются источники погрешностей и динамические процессы, происходящие в БИНС и датчиках. В такой схеме производится непосредственная коррекция навигационных параметров БИНС /?бинс по оценкам погрешностей данных параметров 5Дбинс, непременным условием обеспечения минимальных ошибок оценки погрешностей БИНС является непрерывное участие корректирующего датчика в алгоритме, что не подходит для разрабатываемой системы, т.к. часть датчиков участвует в алгоритме эпизодически. В замкнутой схеме оценки погрешностей БИНС вводятся в конкретные точки алгоритма БИНС, т.е. показания датчиков БИНС перед использованием в алгоритме корректируются с учетом оценок их погрешностей. ФК в этом случае оценивает погрешности гироскопов и акселерометров БИНС.
Исследование погрешности синхронизации шкалы времени внутри-трубного снаряда и шкалы времени наземных маркеров по сигналам СРНС
Экспериментальные исследования проводились с использованием многофункциональных навигационных приемников типа МРК-31 и МРК-23 разработанных в НИИ Радиотехники КГТУ совместно с ФГУП НПП «Радиосвязь» и производимых ФГУП НПП «Радиосвязь». Данная аппаратура обеспечивает прием и обработку сигналов НКА систем ГЛОНАСС и GPS одно-временно по шестнадцати НКА ГЛОНАСС и GPS в любой комбинации. В аппаратуре реализован режим прецизионного измерения фазы несущих частот НКА. Аппаратура может использоваться для определения расхождения шкалы времени потребителя относительно ГЭВЧ для определения нестабильности частот генераторов и сличения частот. Основные технические характеристики навигационных приемников, с помощью которых проводились экспериментальные исследования при выполнении диссертационной работы приведены в приложении 1. Экспериментальные исследования проводились на испытательных полигонах НИИ Радиотехники КГТУ и ФГУП НПП «Ра-диосвязь».
Исследование погрешности синхронизации шкал времени про странственно разнесенных маркеров по сигналам СРНС Как было показано во второй главе, для обеспечения синхронизации шкал времени маркеров используется возможность воспроизведения приемниками СРНС опорной шкалы времени СРНС в виде аппаратной метки времени (MB). В аппаратуре МРК-3,1 метка времени выводится на отдельный высокочастотный разъем. Сигнал метки времени представляет собой прямоугольные импульсы TTL-уровня длительностью 1 мкс и периодом повторения 1с. Среднеквадратическая погрешность привязки метки времени к шкале ГЭВЧ составляет 1 мкс. После специальной калибровки погрешность привязки метки времени можно уменьшить до величины 100-200 не , с использованием доплеровских или фазовых алгоритмов измерения навигационных параметров. С целью определения погрешности синхронизации ШВ маркеров проводились испытания с использованием приемника СРНС МРК-31 согласно схемы приведенной на рисунке 4.2
В качестве опорного генератора использовался водородный стандарт частоты. Для измерения временных интервалов использовался частотомер, работающий в режиме измерения временных интервалов. Запуск частотомера осуществлялся по импульсу с генератора, а остановка счета по импульсу с приемника СРНС МРК-31. Опорным генератором для счетчика частотомера, служил водородный генератор типа 41-1006. Результаты экспериментальных исследований показали, что в первых измерениях повышено значение погрешности синхронизации, это объясняется вхождением аппаратуры МРК-31в синхронизацию с СРНС ГЛОНАСС и GPS на начальном этапе продолжительностью около 10 минут. Поскольку в аппаратуре МРК-31 осуществляется дискретная перестройка выходной метки времени с дискретом около 20нс, это обуславливает ступенчатость выходного сигнала метки времени. В приборе МРК-31 предусмотрена калибровка систематической составляющей погрешности аппаратной метки времени, поэтому при проведении экспериментов была путем калибровки скомпенсирована систематическая составляющая погрешности синхронизации. Экспериментальные исследования показали что аппаратура МРК-31 обеспечивает среднеквадратическую погрешность синхронизации ШВ около 150 - 200 не, дальнейшее уменьшение погрешности можно достичь за счет уменьшения дискретности перестройки выходной метки времени МРК-31 до единиц наносекунд. Экспериментальные исследования специализированной аппаратуры типа МРК-23, разработанной в НИИ РТ КГТУ и ФГУП НПП «Радиосвязь» показали, что средне-квадратическая погрешность временной синхронизации составляет около 150 не [61]. Аналогичные результаты получены и с использованием аппаратуры GPS [59,87], и могут быть улучшены за счет использования алгоритмов оптимальной фильтрации. На рисунке 4.3 приведен график погрешности временной синхронизации по сигналам GPS с использованием алгоритмов оптимальной фильтрации [59].
В разработанной системе для обеспечения синхронизации шкал времени маркеров и ВИС производится синхронизация бортового хранителя времени ВИС к системной шкале времени СРНС. Цель проводимого экс-перимента оценить погрешность синхронизации бортового опорного генератора ВИС по сигналам СРНС с использованием доплеровского и фазового методов измерения навигационных параметров. Экспериментальные исследования проводились согласно схемы эксперимента приведенной на рисунке 4.4.
