Повышение точности определения местоположения внутритрубных инспекционных снарядов за счет использования спутниковых радионавигационных систем

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 — 2500 т, 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 300 м при длине диагностируемого участка 100 км [37]. Анализ нормативной документации [38−43] показал, что для достоверного контроля пространственного положения МТ необходимо проводить измерение его координат со среднеквадратической погрешностью не более 1 м. 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, A.C. Девятисильного, М. С. Ярлыкова, А. И. Перова С.П. 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 внутритрубного инспекционного снаряда с повышенной точностью за счет использования спутниковых радионавигационных систем.

Задачи. В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1 Исследовать и провести сравнительный анализ применяемых и перспективных разработок, позволяющих определять координаты ВИС.

2 Разработать принципы построения, функциональную схему и алгоритм функционирования системы для определения координат ВИС с повышенной точностью за счет использования СРНС.

3 Разработать методику, позволяющую определять относительные и абсолютные координаты маркерных пунктов коррекции при постобработке, по данным приемников СРНС системы маркеров.

4 Разработать методику синхронизации шкал времени наземных пространственно разнесенных маркеров и изолированного трубопроводом ВИС за счет использования СРНС.

5 Разработать алгоритм комплексирования данных БИНС, одометра и СРНС, позволяющий получать оценки координат и оценки погрешностей координат ВИС.

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:

1 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.

2 Разработанный алгоритм комплексирования данных БИНС снаряда с данными СРНС маркеров и данными одометра, позволяет вычислять координаты внутритрубного снаряда со среднеквадратической погрешностью не более 1 м 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.

3 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.

2. Впервые разработан алгоритм комплексирования, 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 комплексирования 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.

3. 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 1 м, 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 опубликованы 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.

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ.

Выполнено моделирование алгоритма сглаживания траектории ВИС, с использованием метода двусторонней интерполяции на конечном интервале. Моделирование показало, что использование данного алгоритма позволяет уменьшить погрешность определения координат результирующей траектории в 2.5 раза по сравнению с исходной. При этом максимум погрешности приходится на середину участка.

Выполнены экспериментальные исследования погрешности синхронизации ШВ пространственно разнесенных маркеров по сигналам СРНС. Экспериментально подтверждено, что ШВ маркеров и соответственно измерения маркеров, могут быть синхронизированы между собой с погрешностью 200нс.

Выполнены экспериментальные исследования метода синхронизации, при помощи СРНС, ШВ ВИС и ШВ маркеров. Экспериментально подтверждена возможность синхронизации опорного генератора ВИС к системному ОГ СРНС с погрешностью 10″ 11. С учетом того, что на ВИС используются кварцевые опорные генераторы с относительной нестабильностью 10″ 8, можно сделать вывод, что при использовании СРНС для синхронизации ШВ ВИС и маркеров, погрешность синхронизации будет определятся нестабильностью опорного генератора ВИС.

Выполнены экспериментальные исследования погрешности определения относительных координат маркеров по псевдодальностям, измеренным по коду и по отсчетам фаз несущих частот с разрешением неоднозначности динамическим методом, основанным на вычислении разностей приращений фазовых сдвигов, накопленных за счет движения НКА. Экспериментально подтверждено, что фазовый метод позволит определять координаты стандартной базы между маркерами длиной 2−3км со среднеквадратической погрешностью 2 см при условии использования специальных антенн, уменьшающих погрешность, обусловленную неидентичностью фазовых характеристик антенн и переотражениями.

120 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных автором исследований, были решены основные задачи по разработке системы для высокоточного определения координат внутритрубного инспекционного снаряда, оснащенного бесплатформенной инерциальной навигационной системой за счет использования спутниковых радионавигационных систем. Основные результаты, полученные при выполнении данной работы, можно сформулировать следующим образом:

1 Выполнен анализ существующих и перспективных методик и разработок, предназначенных для определения координат магистральных трубопроводов и координат дефектов. Сделан вывод о перспективности использования ВИС для определения координат МТ. Показано отсутствие законченных решений, позволяющих определять координаты ВИС с высокой точностью. Показаны преимущества использования спутниковых радионавигационных систем для повышения точности определения местоположения внутритрубного инспекционного снаряда.

2 Разработана и защищена патентом РФ система для определения координат внутритрубного инспекционного снаряда (ВИС) с повышенной точностью за счет коррекции бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) ВИС по данным маркерных пунктов, оснащенных приемниками СРНС, а также за счет синхронизации шкал времени ВИС и маркеров с использованием СРНС.

3 Разработан алгоритм комплексирования данных БИНС и одометра ВИС с данными СРНС маркеров по участкам МТ, ограниченным маркерами, позволяющий получать оценки координат ВИС на участке между маркерами за счет учета погрешностей БИНС и одометра, которые оцениваются в расширенном фильтре Калмана.

4 Разработан алгоритм сглаживания траектории ВИС по участкам между маркерами с известными координатами, позволяющий уменьшить погрешность координат сглаженной траектории в 2 раза по сравнению с исходной за счет применения методов двусторонней интерполяции на фиксированном интервале, что подтверждается результатами моделирования.

5 Сформулирована и решена задача синхронизации шкал времени изолированного трубопроводом ВИС и системы наземных маркеров за счет использования СРНС. Методика синхронизации проверена экспериментальными исследованиями.

6 Предложен метод, позволяющий определять абсолютные координаты маркеров со среднеквадратической погрешностью не более 0.5м, что подтверждается проведенными экспериментальными исследованиями.

7 Результаты диссертации позволяют создать систему для определения координат ВИС, с требуемой для эксплуатации трубопроводов точностью, что решит ряд важных прикладных задач в эксплуатации магистральных трубопроводов, для решения которых необходимо определять координаты внутритрубного инспекционного снаряда с повышенной точностью.

Опираясь на результаты, полученные в диссертации можно сформулировать направление дальнейших исследований в области определения координат внутритрубных инспекционных снарядов: дальнейшее повышение точности определения координат ВИС за счет усложнения алгоритма ком-плексирования путем оценки всех составляющих погрешности БИНСразвитие результатов диссертации применительно к подводным магистральным трубопроводам большой протяженности.

Автор выражает особую благодарность руководителю диссертации Ко-корину Владимиру Ивановичу за помощь, постоянный интерес к работе, моральную поддержку, полезные советы и рекомендации, а также признательность сотрудникам НИИ Радиотехники КГТУ и кафедры Радиотехники КГТУ Фатееву Ю. Л., Алешечкину А. В, Казанцеву М. Ю., Сушкину И. Н., Ва-лиханову М. за полезные материалы и ценные советы при работе над диссертацией.

Автор благодарит «Российское общество инженеров нефти и газа» (РОСИНГ), а также ОАО «Транссибнефть» за предоставление материалов по особенностям внутритрубной диагностики и вопросам эксплуатации магистральных трубопроводов, использовавшихся в ходе работы над диссертацией.

123 .