Новое решение задачи фильтрации для внутритрубной навигации при применении в снаряде микромеханического инерциального модуля

В статье исследуется задача позиционирования первого в Тегеране магистрального газопровода (Тегеран–Кухнамак) с использованием бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС) на базе инерциального измерительного модуля (ИИМ) с микромеханическими чувствительными элементами (МЭМС), установленного на внутритрубном инспекционном (диагностическом) снаряде (далее – снаряд). Снаряд позволяет выработать координаты трубопровода протяженностью 111 км с дискретностью 4 мм. За основу решения навигационной задачи принят обобщенный фильтр Калмана (ОФК) с применением вариации Аллана для анализа и уточнения исходных данных. Одновременно используется специальный фильтр, данные которого комплексируются с данными ОФК, что обеспечивает коррекцию углов рыскания и тангажа, вырабатываемых снарядом. Для повышения надежности решения задачи вдоль трубопровода размещены 98 магнитных маркеров, координированные по данным GPS, а также в качестве измерений в ОФК привлекаются данные одометра. Полученные результаты свидетельствуют о том, что такой гибридный подход позволяет повысить точность позиционирования трубопровода примерно на 81% по сравнению с базовым алгоритмом ОФК. Кроме того, предложенный алгоритм позволяет повысить точность позиционирования на 32% и быстродействие на 55% по сравнению с разработанным в настоящее время другим интегрированным решением ОФК/РСТ, в котором также регистрируются соединения труб (РСТ).

1. Guan, L., Cong, X., Sun, Y., Gao, Y., Iqbal, U., and Noureldin, A., Enhanced MEMS SINS aided pipeline surveying system by pipeline junction detection in small diameter pipeline, IFAC-PapersOnLine, 2017, vol. 50, no. 1, pp. 3560–3565.

2. Murray, I. and Dawson, J., Evaluating pipeline integrity using ILI mapping data, Proc. 9th Pipeline Technology Conference 2014, Berlin, Germany, 2014.

3. Guan, l., Gao, Y., Osman, A., Iqbal, U. and Noureldin, A., Analysis of rolling motion effect on SINS error modeling in PIG, Proc. 2016 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium (PLANS), 2016, pp. 681–686.

4. Li, R., Cai, M., Shi, Y., Feng, Q. and Chen, P., Technologies and application of pipeline centerline and bending strain of In-line inspection based on inertial navigation, Transactions of the Institute of Measurement and Control, 2018, vol. 40, pp. 1554–1567.

5. Santana, D.D.S., Maruyama, N. and Furukawa, C.M., Estimation of trajectories of pipeline PIGs using inertial measurements and non linear sensor fusion, Proc. 9th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications – INDUSCON, 2010, pp. 1–6.

6. Arribas, J., Moragrega, A., Fernández-Prades, C. and Closas, P., Low-cost GNSS/INS/Odometric sensor fusion platform for ground intelligent transportation systems, Proc. 30th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2017), Portland, Oregon, 2017, pp. 436–455.

7. Jin, S. and Ping, Y., Research on the describing of trajectory for subsea pipeline based on inertial navigation system, Proc. IEEE Power Engineering and Automation Conference, 2011, pp. 463–468.

8. Yadav, S.M., Shastri, S.K., Chakravarthi, G.B., Kumar, V., Rao, A.D. and Agrawal, V.K., A fast, parallel algorithm for fully overlapped Allan variance and total variance for analysis and modeling of noise in inertial sensors, IEEE Sensors Letters, 2018, vol. 2, pp. 1–4.

9. El-Sheimy, N., Hou, H. and Niu, X., Analysis and modeling of inertial sensors using Allan variance, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2007, vol. 57, pp. 140–149.

10. Ghafil, H.N. and Jármai, K., Spatial representations, Optimization for Robot Modelling with MATLAB, Springer, 2020, pp. 55–68.

11. Hou, H., Modeling inertial sensors errors using Allan variance, Master of Science Thesis, University of Calgary, Department of Geomatics Engineering, Calgary, 2004.

12. Barreda Pupo, L., Characterization of errors and noises in MEMS inertial sensors using Allan variance method, Master of Science Thesis, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, 2016.

13. Sahli, H., MEMS-based aided inertial navigation system for small diameter pipelines, PhD Thesis, University of Calgary, 2016.

14. Sahli, H. and El-Sheimy, N., A novel method to enhance pipeline trajectory reconstruction using pipeline junctions, Sensors, 2016, vol. 16, no. 4, pp. 567.

15. El-Sheimy, N., Sahli, H. and Moussa, A., Methods and systems to enhance pipeline trajectory reconstruction using pipeline junctions, Patent of the US, no. US 2017/0138524 A1, 2017.

16. Guan, L., Xu, X., Gao, Y., Liu, F., Rong, H., Wang, M. et al., Micro-Inertial-Aided High-Precision Positioning Method for Small-Diameter PIG Navigation, IntechOpen, 2018.

17. Zhang, M., Li, K., Hu, B. and Meng, C., Comparison of Kalman filters for inertial integrated navigation, Sensors, 2019, vol. 19, no. 6, p. 1426.

18. Ji, M., Liu, J., Xu, X., Guo, Y. and Lu, Z., Improved pedestrian positioning with inertial sensor based on adaptive gradient descent and double-constrained extended Kalman filter, Complexity, 2020, vol. 2020, ID 4361812.

19. IEEE Standard 952-1997: Specification Format Guide and Test Procedure for Single-Axis Interferometric Fiber Optic Gyros, IEEE Standards Board, 1998.

20. Gonzalez, R., Giribet, J. and Patino, H., An approach to benchmarking of loosely coupled low-cost navigation systems, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, 2015, vol. 21, no. 3, pp. 272–287.

21. Noureldin, A., Karamat, T.B. and Georgy, J., Fundamentals of Inertial Navigation, Satellite-Based Positioning and Their Integration, Springer Science & Business Media, 2012.

22. Titterton, D.H. and Weston, J.L., Strapdown Inertial Navigation Technology, 2nd Edition, Stevenage: Institution of Electrical Engineers, The American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004.

23. Groves, P.D., Principles of GNSS, Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems, Artech House, 2013.

24. Vavilova, N., Golovan, A., Kozlov, A., Nikitin, I., Panyov and A., Parusnikov, N., A navigation system of a pipeline inspection system for oil and gas pipelines: the results of the development and testing, Proc. 22nd St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, St. Petersburg: Concern CSRI Elektropribor, 2015.

25. www.segaltech.com.

26. www.nigtc.ir.