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

• Автор: Андропов, Алексей Викторович
• Шифр специальности: 05.12.04, 05.12.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 137 с. : ил.

Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса, постановка задачи исследования.

1.1. Анализ траекторных особенностей трасс магистральных трубопроводов и определение предельных параметров движения внутритрубных снарядов.
1.2. Внутритрубная диагностика и навигационное обеспечение магистральных трубопроводов в настоящее время
1.3. Особенности применения автономных навигационных систем для определения местоположения внутритрубных инспекционных снарядов
1.4. Анализ способов коррекции инерциальной навигационной системы внутритрубного инспекционного снаряда
1.5. Анализ возможности использования СРНС для коррекции инерциальной навигационной системы изолированного трубопроводом внутритрубного снаряда.

Выводы по первой главе, постановка задачи исследования

Глава 2. Разработка принципов построения, схемы и алгоритма функционирования системы. Разработка методов формирования шкалы времени и определения координат маркеров.
2.1. Разработка функциональной схемы и алгоритма функционирования системы определения местоположения внутритрубного снаряда с использованием СРНС
2.2. Разработка метода синхронизации шкал времени пространственно разнесенных маркеров и изолированного трубопроводом внутритрубного снаряда
2.2.1. Синхронизация шкал времени снаряда и маркеров методом измерения доплеровского сдвига частоты сигналов СРНС.
2.2.2. Синхронизация шкал времени снаряда и маркеров методом накопления фазового сдвига сигналов СРНС.
2.3. Алгоритм БИНС
2.3.1. Основные уравнения и схема алгоритма БИНС
2.3.2. Анализ погрешностей БИНС.
2.4. Алгоритм счисления пути, одометрическая система внутритрубного снаряда.
2.4.1. Основные уравнения и погрешности одометрической системы
2.4.2. Основные уравнения алгоритма счисления пути
2.5. Разработка метода определения координат маркерных пунктов по сигналам СРНС
2.5.1. Анализ методов определения координат маркерных пунктов по сигналам СРНС с повышенной точностью.
2.5.2. Анализ погрешности определения координат базы между маркерами
2.5.3. Относительные фазовые измерения и методы разрешения неоднозначностей фазовых измерений
2.5.4. Разработка методики вычисления абсолютных и относительных координат маркеров по относительным фазовым измерениям
Выводы по второй главе
Глава 3. Разработка схемы и алгоритма комплсксировання данных
автономных измерителей внутритрубного снаряда с данными СРНС.
Разработка алгоритма сглаживания траскторпых измерений.
3.1. Анализ схем и алгоритмов комплексирования
3.2. Схема и основные уравнения рекуррентного фильтра Калмана
3.3. Разработка схемы комплексирования, формирование вектора состояния
3.4. Разработка модели состояния и наблюдений
3.4.1. Математическая модель погрешностей БИНС
3.4.2. Математическая модель погрешностей алгоритма счисления пути.
3.4.3. Формирование матричного уравнения состояния в непрерывном времени.
3.4.4. Формирование рекуррентного матричного уравнения состояния
3.4.5. Формирование вектора наблюдений на основании данных СРНС и одометра.
3.5. Оценка наблюдаемости и управляемости разработанной модели состояния и наблюдений
3.6. Разработка алгоритма сглаживания траекторных измерений по участкам между маркерами.
Выводы по третьей главе.
Глава 4. Моделирование, экспериментальные исследования
4.1. Моделирование алгоритма сглаживания траекторных измерений
4.2. Экспериментальные исследования.
4.2.1. Подготовка экспериментов, описание аппаратуры
4.2.2. Исследование погрешности синхронизации шкал времени пространственно разнесенных маркеров по сигналам СРНС.
4.2.3. Исследование погрешности синхронизации шкалы времени внутритрубного снаряда и шкалы времени наземных маркеров по сигналам СРНС
4.2.4. Исследование погрешности определения координат базы между маркерами по сигналам СРНС методом относительных фазовых измерений и
по отсчетам кодовых псевдодальностей
Выводы по четвертой главе.
Заключение
Литература


Целью диссертации является разработка системы для определения координат внутритрубного инспекционного снаряда с повышенной точностью за счет использования спутниковых радионавигационных систем. 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 трубопроводо. ВИС за счет использования СРНС. Разработать алгоритм комплексирования данных БИНС, одометра и СРНС, позволяющий получать оценки координат и оценки погрешностей координат ВИС. 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. Разработанная функциональная схема системы для определения координат внутритрубного снаряда позволяет осуществлять коррекцию БИНС внутритрубного снаряда и синхронизацию, со среднеквадратической погрешностью до 0нс, его шкалы времени и шкал времени пространственно разнесенных маркеров, за счет применения СРНС. Разработанный алгоритм комплексирования данных БИМС 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. 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 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. 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.