RU2152059C1 - Device for positioning of underground pipeline trajectory - Google Patents
Device for positioning of underground pipeline trajectory Download PDFInfo
- Publication number
- RU2152059C1 RU2152059C1 RU99110650A RU99110650A RU2152059C1 RU 2152059 C1 RU2152059 C1 RU 2152059C1 RU 99110650 A RU99110650 A RU 99110650A RU 99110650 A RU99110650 A RU 99110650A RU 2152059 C1 RU2152059 C1 RU 2152059C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- analog
- outputs
- component
- digital converter
- magnetometers
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для наземного позиционирования трассы ферромагнитного трубопровода, расположенного под землей. The invention relates to measuring technique, in particular, to devices for ground positioning of the route of a ferromagnetic pipe located underground.
Известно устройство для определения расположения магистральных трубопроводов (Пат. РФ 1804636А3 кл. G 01 V 3/11, БИ N 11, 1993), используемое для обнаружения, определения местоположения и глубины залегания магистральных трубопроводов, состоящее из датчика магнитного поля, входного усилителя, фильтра, логарифмического усилителя, выпрямителя, стрелочного индикатора, корпуса с меткой и линией для ориентации. Недостатками этого устройства является низкая точность измерений из-за применения одного однокомпонентного датчика магнитного поля, ориентация и координаты которого определяются приблизительно; кроме того, для применения этого устройства необходимо пропускать по отыскиваемому трубопроводу ток определенной частоты, на которую настраивается фильтр устройства. Во время эксплуатации устройства оператор должен перемещаться вместе с устройством поперек оси трубопровода в различные точки пространства для определения глубины залегания трубопровода. При таком методе точность определения глубины низка, а эксплуатация неудобна. A device for determining the location of main pipelines (Pat. RF 1804636A3 class G 01
Известно устройство для обнаружения разделителей или скребков в нефтепроводах (А.с. СССР 897324/29-14 кл. F 06 l 47 fl60 1964, БИ N 18, 1965 г.), выполненное с крестовиной в виде взаимноперпендикулярных штанг с установленными на их концах магниточувствительными элементами, каждая пара которых расположена на концах одной штанги, и в одну электрическую цепь включен по градиентометрической схеме индикатор, определяющий направление трубопровода, а в другую - индикатор, показывающий место нахождения разделителя или скребка. К недостаткам этого устройства относятся невозможность определения глубины залегания трубопровода и большие погрешности определения градиента магнитного поля из-за нарушения параллельности осей чувствительностей датчиков, расположенных на одной штанге, а также колебаний, возникающих при движении оператора с устройством. Эксплуатация этого устройства затруднена необходимостью перемещать крупногабаритную горизонтальную крестовину. Кроме того, оба устройства требуют дополнительных вычислений, производимых оператором по результатам измерения магнитного поля для определения численного значения глубины трубопровода и его координат.A device for detecting dividers or scrapers in oil pipelines (A.S. USSR 897324 / 29-14 class. F 06 l 47 fl 60 1964, BI N 18, 1965), made with a cross in the form of mutually perpendicular rods installed on them the ends with magnetically sensitive elements, each pair of which is located at the ends of one rod, and an indicator defining the direction of the pipeline is included in one electric circuit according to a gradiometric diagram, and an indicator indicating the location of the separator or scraper in the other is included. The disadvantages of this device include the inability to determine the depth of the pipeline and the large errors in determining the gradient of the magnetic field due to a violation of the parallelism of the sensitivity axes of sensors located on the same boom, as well as fluctuations that occur when the operator moves with the device. The operation of this device is complicated by the need to move a large horizontal cross. In addition, both devices require additional calculations performed by the operator according to the results of magnetic field measurements to determine the numerical value of the pipeline depth and its coordinates.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе является система для измерения смещения зарытого в землю трубопровода, т.е. система позиционирования трассы подземного трубопровода (Пат. США 4.727.329 кл. G 01 V 3/08. Изобретения стран мира, вып. 110, N 11, 1988). На движущемся транспортном средстве размещен датчик, регистрирующий напряженность магнитного поля в нескольких разнесенных друг от друга точках. Выходные сигналы регистрируются самописцем для определения точки максимальной напряженности магнитного поля на основании измерений, выполненных датчиком. Угол места транспортного средства относительно некоторой опорной точки измеряется устройством, определяющим любые изменения угла места земной поверхности непосредственно над проверяемой секцией трубопровода. На основе результатов измерений определяется расстояние по вертикали между датчиком и секцией трубопровода в точке, соответствующей максимуму напряженности магнитного поля. Недостатками этого устройства являются невозможность определения дальности до трубопровода на земной поверхности. Необходимо обязательно находиться над трубой, чтобы определять глубину ее залегания. Кроме того, система обладает большими массой и габаритами. Установка системы на транспортном средстве делает невозможным ее применение для многих участков трассы трубопроводов (например, в зонах слабых грунтов и т.д). Closest to the technical nature of the claimed system is a system for measuring the displacement of a pipeline buried in the ground, i.e. underground pipeline route positioning system (US Pat. 4.727.329 class G 01
Задачей изобретения является снижение массы и габаритов системы для обеспечения возможности ее переноски и использования человеком-оператором, а также расширение функциональных возможностей за счет автоматизированного определения не только глубины залегания трубы, но и дальности оператора до нее, магнитного курса оператора и трубы, а также географических координат оператора и трассы трубопровода. The objective of the invention is to reduce the mass and dimensions of the system to ensure the possibility of its transportation and use by a human operator, as well as expanding functionality by automatically determining not only the depth of the pipe, but also the distance of the operator to it, the magnetic course of the operator and pipe, as well as geographical coordinates of the operator and pipeline route.
Поставленная задача решается тем, что в систему позиционирования трассы подземного трубопровода, состоящую из датчика напряженности магнитного поля с усилителем, системы обработки информации и устройства ориентации, дополнительно внесены немагнитная штанга, приемник спутниковой навигационной системы, бортовой компьютер с аналого-цифровым преобразователем и системой индикации, а также восемь датчиков напряженности магнитного поля так, что датчики напряженности магнитного поля в совокупности выполнены в виде трех трехкомпонентных магнитометров, укрепленных на жесткой немагнитной штанге, соединенной с корпусом, причем магнитометры разнесены вдоль ее оси, так что три триэдра измерительных осей параллельны соответственно друг другу и измерительным осям датчиков устройства ориентации, в качестве которого применена бесплатформенная инерциальная система, состоящая из трехкомпонентного блока измерителей кажущихся ускорений и трехкомпонентного блока гироскопических датчиков угловых скоростей, жестко установленных на корпусе, в качестве системы обработки информации использован бортовой компьютер с аналого-цифровым преобразователем и системой индикации, выходы трехкомпонентных магнитометров, а также выходы трехкомпонентного блока измерителей кажущегося ускорения и трехкомпонентного блока гироскопических датчиков угловых скоростей соединены со входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены со входами бортового компьютера, к выходу которого присоединена система индикации, к порту бортового компьютера присоединен выход приемника спутниковой навигационной системы, элементы системы позиционирования прикреплены к общему корпусу, который имеет лямки для закрепления на человеке-операторе. The problem is solved in that a non-magnetic rod, a satellite navigation receiver, an on-board computer with an analog-to-digital converter and an indication system are added to the positioning system of the underground pipeline route, which consists of a magnetic field strength sensor with an amplifier, an information processing system and an orientation device, as well as eight magnetic field sensors so that the magnetic field sensors in the aggregate are made in the form of three three-component m agnitometers mounted on a rigid non-magnetic rod connected to the housing, and the magnetometers are spaced along its axis, so that the three trihedra of the measuring axes are parallel to each other and the measuring axes of the sensors of the orientation device, which is used as a strapdown inertial system consisting of a three-component block of apparent meters accelerations and a three-component block of gyroscopic angular velocity sensors, rigidly mounted on the housing, as an information processing system and an on-board computer with an analog-to-digital converter and indication system was used, the outputs of the three-component magnetometers, as well as the outputs of the three-component block of apparent acceleration meters and the three-component block of gyroscopic angular velocity sensors are connected to the inputs of the analog-to-digital converter, the outputs of which are connected to the inputs of the on-board computer, to the output which the display system is connected to, the output of the satellite navigation system receiver is connected to the on-board computer port, The positioning system tapes are attached to a common case, which has straps for fastening on a human operator.
На фиг. 1 приведена функциональная схема системы позиционирования (СП) трассы подземного трубопровода; на фиг. 2 - схема поворотов корпуса и штанги с блоком акселерометров, блоком гироскопических датчиков угловой скорости (ДУС) и трехкомпонентных магнитометров (ТММ) в системе координат OU1U2U3, связанной с трубопроводом; на фиг. 3 - схема размещения системы позиционирования на операторе; на фиг. 4 - кинематическая схема блока акселерометров, блока ДУС и ТММ; на фиг. 5 - схема корпуса, к которому крепятся элементы СП.In FIG. 1 shows a functional diagram of a positioning system (SP) of an underground pipeline route; in FIG. 2 is a diagram of body and rod rotations with a block of accelerometers, a block of gyroscopic angular velocity sensors (TLS) and three-component magnetometers (TMM) in the coordinate system OU 1 U 2 U 3 associated with the pipeline; in FIG. 3 - layout of the positioning system on the operator; in FIG. 4 is a kinematic diagram of a block of accelerometers, a block of DUS and TMM; in FIG. 5 - diagram of the housing to which the elements of the joint venture are attached.
Система позиционирования трассы подземного трубопровода включает в свой состав бесплатформенную инерциальную систему ориентации (БИСО), состоящую из трехкомпонентного гироскопического измерителя угловой скорости в виде блока ДУС 1, состоящего, например, из двух двухкомпонентных роторных вибрационных гироскопов РВГ-1М (угловая скорость дрейфа 10 град/ч) производства Арзамасского НПП "Темп-Авиа", и трехкомпонентного измерителя кажущегося ускорения в виде блока акселерометров 2, состоящего, например, из миниатюрных твердотельных акселерометров АК-5 (класс точности 10-3 м/с2) производства Арзамасского НПП "Темп-Авиа". Два двухкомпонентных гироскопических ДУС 1 и три акселерометра 2 устанавливаются на корпусе так, что их измерительные оси образуют параллельные триэдры, и вместе с аналоговой электроникой гироскопов, аппаратурой термостатирования образуют инерциальный блок (ИБ) 3. Через разъемы ИБ 3 подключается к источнику питания в виде аккумуляторной батареи 4, а выходы ИБ 3 соединены с входами многоканального аналого-цифрового преобразователя АЦП 5 (например, 16-канальная 16-разрядная плата АЦП PCL-816). ИБ 3 вырабатывает в виде напряжения постоянного тока сигналы трех составляющих угловой скорости ИБ в проекциях на оси системы координат A1 X'1 X'2 X'3 и трех составляющих линейного ускорения в проекциях на те же оси. С оператором, ИБ и корпусом, на котором закреплены ИБ и штанга с ТММ, а также первым ТММ связана правая ортогональная СК A1 X'1 X'2 X'3, причем ось А1, X'1 направлена вперед по движению оператора вдоль продольной оси, ось A1X'2 - по нормали оператора. Ось A1X'3 образует с первыми двумя ортогональную тройку осей и направлена вправо по движению оператора. В СП используются 9 магнитометров, например, магниторезистивных датчиков, собранных как три ТММ 6 и подключенных к источнику питания 4. ТММ 6 вырабатывают сигналы трех составляющих вектора магнитного поля в точках установки в проекциях на оси Аi X'1X'2X'3 (i = 1,2,3). Выходы ТММ 6 подключены к блоку усилителей 7 (состоящих, например, из операционных усилителей К 140 УД7), которые усиливают сигналы ТММ 6 для подачи на АЦП 5. Все элементы СП установлены на общем корпусе 8 (например, из алюминиевого сплава Д16), представляющем собой горизонтальную пластину для установки ИБ, которая жестко соединена с вертикальным каркасом, прилегающем к спине оператора и с помощью лямок 9 крепящемся к оператору. ТММ 6 жестко установлены на немагнитной штанге 10 (выполненной, например, из алюминиевого сплава Д16), так что их измерительные оси образуют параллельные друг другу ортогональные трехгранники, причем штанга 10 жестко соединена с корпусом 8. В состав СП входит также бортовой компьютер (БК) 11 со встроенным источником питания и дисплеем. Кроме того, на руке оператора закрепляется дублирующая система индикации (ЖКИ) 12 (выполненная, например, на полупроводниковых знаковых индикаторах АЛС 340А, коммутация сегментов которых обеспечивается с помощью дешифраторов, например на микросхемах К155ИД1). Вход ЖКИ 12 подключен к выходу БК 11 (например, параллельному порту Centronix). ЖКИ 12 осуществляет вывод текущих параметров (магнитный курс оператора и трубы, дальность и глубина залегания трубопровода относительно оператора). К порту (например, последовательному RS-232) БК 11 подключен выход приемника спутниковой навигационной системы (СНС) 13. (Это, например, приемник GPS/ГЛОНАСС в виде электронной платы GG24 фирмы Ashtech). Выходы АЦП 5 подключены ко входам БК 11. В качестве БК 11 используется компьютер блокнотного или карманного классов, имеющий систему ввода информации и систему индикации 12 (клавиатуру, ЖК-дисплей), достаточные быстродействие и системные ресурсы, собственный источник питания. Например, типа Casio Cassiopeia (175х89х25 мм, 391 г, 2 батареи АА, время работы 15-30 ч, 2 Мбайт ОЗУ, порт RS-232, разъем PC-карты, ЖК-экран размера 114x64 мм) или NEC Mobile Pro 750 C (250x127x38 мм, 900 г, литиево-ионные батареи, время работы 7-9 ч, 16 Мбайт ОЗУ, разъем PC-карты, разъем флэш-памяти, экран 206 мм по диагонали).The underground pipeline route positioning system includes a strapdown inertial orientation system (BISO), consisting of a three-component gyroscopic angular velocity meter in the form of a
Предлагаемая система работает следующим образом. При движении оператора с блока ДУС 1 в виде напряжений постоянного тока на АЦП 5 поступают сигналы соответствующие оценкам угловых скоростей в проекциях на оси системы координат, связанной с основанием СП. Эти сигналы преобразуются АЦП 5 из аналоговой в цифровую форму и используются в реализуемых БК 11 алгоритмах БИ- CO:
где
причем Kθ, Kγ, Kψ, K
- оценка магнитного курса, определяемая по приведенным ниже формулам (5)-(6) в геомагнитной системе координат Oξηξ, где ось Oξ направлена на магнитный Север, Oη - по вертикали места. После первого поворота оператора относительно Oξηξ имеем СК A1X1X2X3, где поворот оси A1X1 на угол ψx относительно направления на Север (вокруг оси OU2) характеризует магнитный курс оператора. С трубопроводом связана правая ортогональная система координат OU1U2U3, где ось OU1 совпадает с осью трубы, ось OU2 направлена вертикально вверх.The proposed system works as follows. When the operator moves from the
Where
where K θ , K γ , K ψ , K
- an estimate of the magnetic course, determined by the following formulas (5) - (6) in the geomagnetic coordinate system Oξηξ, where the axis Oξ is directed to the magnetic North, Oη is the vertical of the place. After the first rotation of the operator relative to Oξηξ, we have SC A 1 X 1 X 2 X 3 , where the rotation of the axis A 1 X 1 by the angle ψ x relative to the direction to the North (around the axis OU 2 ) characterizes the magnetic course of the operator. The right orthogonal coordinate system OU 1 U 2 U 3 is connected to the pipeline, where the axis OU 1 coincides with the axis of the pipe, the axis OU 2 is directed vertically upward.
С блока акселерометров 2 измерителя кажущегося ускорения в виде напряжений постоянного тока на АЦП 5 поступают сигналы соответствующие оценкам линейных ускорений в проекциях на те же оси. Преобразованные АЦП 5 в цифровую форму эти величины согласно выражениям (2) используются как корректирующие члены в алгоритмах (1). С трех ТММ 6 через БЭ 7 в виде напряжений постоянного тока на АЦП 5 поступают сигналы соответствующие оценкам компонентов вектора напряженности магнитного поля в проекциях на оси системы координат, связанной с основанием СП в точках установки ТММ. Эти величины, преобразованные АЦП 5 в цифровую форму, пересчитываются в БК 11 по формуле (3) с использованием информации о крене и тангаже штанги 10 с ТММ 6 вычисленной БИСО:
где - матрицы направляющих косинусов оценок соответствующих углов.From the block of
Where - matrices of guide cosines of estimates of the corresponding angles.
В алгоритмы (1) вводится член азимутальной коррекции, значения которого вычисляются бортовым компьютером по приведенным ниже алгоритмам (5)-(6). An azimuthal correction term is introduced into the algorithms (1), the values of which are calculated by the on-board computer using the algorithms (5) - (6) below.
Для определения оценки угла в БК используются следующие соотношения:
Оценка угла магнитного курса оператора определяется как решение нелинейного уравнения с помощью интераций по формуле
где
Для определения используются соотношения
(7)
где
- полная напряженность МПТ в точках установки ТММ,
- оценки направляющих косинусов соответствующих поворотов,
l2, l3 - расстояния между ТММ,
- коэффициент, характеризующий магнитные свойства трубы.To determine the angle estimate in BC, the following relationships are used:
Estimation of the angle of the magnetic course of the operator defined as a solution to a nonlinear equation using interactions according to the formula
Where
For determining relations are used
(7)
Where
- the total tension MPT at the points of installation TMM,
- estimates of the guide cosines of the corresponding turns,
l 2 , l 3 - the distance between TMM,
- coefficient characterizing the magnetic properties of the pipe.
Полученные по выражению (3) значения используются для вычисления оценок магнитного курса ПО и трубопровода , глубины залегания и дальности трубы по алгоритмам (4)-(9). Эти значения, вычисленные БК 11, выводятся на ЖКИ 12. Составляющие магнитного поля Земли TξTη, а также значения магнитного склонения вдоль трассы трубопровода, занесены в память БК 11 с внешнего источника (магнитный или оптический диск) или с клавиатуры в виде локально кодированных бинарных карт (Белоглазов И.Н., Тарасенко В.П. Корреляционно-экстремальные системы. М.: Сов. радио, 1974.- 392 с.) на основе модели международного аналитического поля Магсат, AWC, IGS. Необходимые для вычислений начальные значения географических координат оператора ξ
(10)
Точность позиционирования трассы трубопровода при этом в основном зависит от точности определения координат оператора. Для проверки целесообразности использования системы позиционирования проводилось математическое моделирование ее работы на ЭВМ с учетом погрешностей датчиков (погрешности ДУС 5 град/ч, акселерометров 3•10-3 м/с2, ТММ 10 нТл). Моделирование проводилось при значениях Tξ= 30000 нТл, Tη= -50000 нТл, Fk = 200000 нТлм2, ε = 0,25 рад. По результатам математического моделирования дальность (≈ 5 м) и глубина (≈ 3 м) трубопровода относительно оператора определяется с погрешностью 10 - 20 см. Известно при этом, что погрешность определения координат оператора с помощью СНС, при работе ее в дифференциальном режиме, составляет единицы метров (СКО 1-4,5 м).The values obtained from expression (3) are used to calculate the magnetic course estimates and pipeline , depth and range of the pipe according to the algorithms (4) - (9). These values calculated by
(10)
The accuracy of the positioning of the pipeline route in this case mainly depends on the accuracy of determining the coordinates of the operator. To verify the appropriateness of using the positioning system, mathematical modeling of its operation on a computer was carried out taking into account the errors of the sensors (SDS errors of 5 deg / h,
Вычисленные при позиционировании участка трубопровода значения географических координат трубопровода ξ
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99110650A RU2152059C1 (en) | 1999-05-11 | 1999-05-11 | Device for positioning of underground pipeline trajectory |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99110650A RU2152059C1 (en) | 1999-05-11 | 1999-05-11 | Device for positioning of underground pipeline trajectory |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2152059C1 true RU2152059C1 (en) | 2000-06-27 |
Family
ID=20220139
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99110650A RU2152059C1 (en) | 1999-05-11 | 1999-05-11 | Device for positioning of underground pipeline trajectory |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2152059C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006015310A2 (en) * | 2004-07-29 | 2006-02-09 | Metrotech Corporation, Inc. | Sensor fusion for model-based detection in pipe and cable locator systems |
US7113124B2 (en) | 2003-11-25 | 2006-09-26 | Metrotech Corporation, Inc. | Centerline and depth locating method for non-metallic buried utility lines |
US7834801B2 (en) | 2003-11-25 | 2010-11-16 | Metrotech Corporation, Inc. | Sensor fusion for model-based detection in pipe and cable locator systems |
CN114601264A (en) * | 2022-03-07 | 2022-06-10 | 江西鑫铂瑞科技有限公司 | Online real-time positioning method and system for master console |
-
1999
- 1999-05-11 RU RU99110650A patent/RU2152059C1/en active
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7113124B2 (en) | 2003-11-25 | 2006-09-26 | Metrotech Corporation, Inc. | Centerline and depth locating method for non-metallic buried utility lines |
US7834801B2 (en) | 2003-11-25 | 2010-11-16 | Metrotech Corporation, Inc. | Sensor fusion for model-based detection in pipe and cable locator systems |
WO2006015310A2 (en) * | 2004-07-29 | 2006-02-09 | Metrotech Corporation, Inc. | Sensor fusion for model-based detection in pipe and cable locator systems |
WO2006015310A3 (en) * | 2004-07-29 | 2006-04-20 | Metrotech Corp Inc | Sensor fusion for model-based detection in pipe and cable locator systems |
CN114601264A (en) * | 2022-03-07 | 2022-06-10 | 江西鑫铂瑞科技有限公司 | Online real-time positioning method and system for master console |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2558724C2 (en) | Diagnostic complex for determination of pipeline position, and method for determining relative displacement of pipeline as per results of two and more inspection passes of diagnostic complex for determination of pipelines position | |
US7730625B2 (en) | Gyroscopically-oriented survey tool | |
RU2395061C1 (en) | Method to determine position of movable objects and integrated navigation system to this end | |
EP3397923B1 (en) | Improved surveying pole | |
EP0496538A2 (en) | Vehicle heading correction apparatus | |
Wahdan et al. | Magnetometer calibration for portable navigation devices in vehicles using a fast and autonomous technique | |
CN103175529A (en) | Pedestrian inertial positioning system based on indoor magnetic field feature assistance | |
Miller | Indoor navigation for first responders: a feasibility study | |
CN101187568A (en) | Multi-position strapping north-seeking system direction effect calibration method | |
US20100088063A1 (en) | Method and Apparatus for Precision Azimuth Measurement | |
US7386942B2 (en) | Method and apparatus for mapping the trajectory in the subsurface of a borehole | |
CN110057356B (en) | Method and device for positioning vehicles in tunnel | |
Vydhyanathan et al. | The next generation Xsens motion trackers for industrial applications | |
CN102134989A (en) | Method for point measurement of well by gyroscopic inclinometer | |
US20140249750A1 (en) | Navigational and location determination system | |
CN201242443Y (en) | Calibration instrument for airplane magnetic compass | |
JP2006119144A (en) | Road linearity automatic survey device | |
RU2152059C1 (en) | Device for positioning of underground pipeline trajectory | |
AU2013203365A1 (en) | Apparatus for aligning drilling machines | |
US10006770B2 (en) | Remote location determination system | |
Meisina et al. | Choice of surveying methods for landslides monitoring | |
Karamat et al. | A tightly-coupled reduced multi-sensor system for urban navigation | |
CN110702102B (en) | Magnetic navigation system for navigation aircraft and navigation method thereof | |
RU2320963C2 (en) | Mode of mounting axles of mobile object | |
RU2507392C1 (en) | Method for zenith angle and drift direction determination and gyroscopic inclinometer |