本发明专利技术属于海底油气管道检测定位领域，具体涉及一种海底油气管道检测定位系统地理坐标补偿方法。本发明专利技术包括：将采用电涡流传感器检测到的金属焊缝数来确定管道检测系统所处的钢管段实现粗定位；采用里程仪/超低频电磁波校正方法对管道定位的捷联惯性导航系统计算并进行误差补偿，里程增量和超低频电磁波定位信号作为观测值，将状态误差作为状态变量，运用Kalman滤波估计状态误差；二次贝叶斯曲线的方法来结合前向和后向滤波算法来降低最大误差。本专利所提出的方法适合于任何基于捷联惯性导航系统的管道检测定位系统的精确定位；可以大大降低单一滤波时捷联惯性导航系统误差随时间累积的效应，可使定位误差降低到原来的1/4。
【技术实现步骤摘要】
一种海底油气管道检测定位系统地理坐标补偿方法
本专利技术属于海底油气管道检测定位领域，具体涉及一种海底油气管道检测定位系统地理坐标补偿方法。
技术介绍
油气管线是实现各类油气资源远距离运输的最快捷和最经济的手段。但我国大部分油气管道服役都达到或超过了其服役期，成为了目前油气管道的一大隐患。而油气资源的泄漏，爆炸等不仅严重影响了油气资源的开采运输，造成巨大的经济损失，还会造成环境污染，甚至引发生态灾难。因此，油气管道的定期检测、安全评估和及时维修对确保其安全、高效运行，促进油气产业持续高速地发展，防止环境污染具有十分重要的意义。管道检测定位系统主要由检测系统和定位系统组成。定位系统是实现管道检测的关键从上世纪六十年代起，美、英、德等国已投入数十亿美元，不断开发出新型高精度管道缺陷检测装置，研究和制定管道检测及安全评价的技术标准，并由政府制定了相关的法律、法规。我国也对油气管道各类检测设备研究开发工作已经有二十年的历史，部分研究成果已经处于实用阶段。但在管道检测定位系统研究关键技术方面，国外一直对关键技术保持封锁状态，为实现管道检测系统的精确定位研究带来了极大的困难。惯性导航系统分平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两类。平台式惯性导航系统因其体积大、成本高等缺点不适于管道检测定位系统中的应用。捷联惯性导航技术的出现为实现管道检测定位系统的精确定位带来了曙光。捷联惯性导航系统集体积小、能耗低、稳定性好、精度高、成本低等优点于一体，成为了传统平台式惯性导航系统的替代者。惯性导航系统的定位误差存在随时间累积的固有特性，成为影响系统定位精度的最主要因素。基于Kalman滤波的组合导航技术是提高系统定位精度的重要方法，因此根据管道固有的特性，研究相关的组合导航定位技术为提高管道检测定位系统的精度提供了便利。同时，根据管道检测定位系统离线数据处理的特点，分别采用前向滤波和后向滤波的方法估计系统定位误差曲线，研究两曲线补偿方法是目前实现管道检测定位系统高精度定位的重点方向。目前在核心期刊与专利查询中均未发现与此专利技术类似的方法介绍。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前管道检测定位系统中单一的捷联惯性导航系统与其他辅助定位方法不能实现长输油气管道高精度定位的问题，提出一种实现长输油气管道中的缺陷检测高精度定位的油气管道定位系统地理坐标补偿方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)将采用电涡流传感器检测到的金属焊缝数来确定管道检测系统所处的钢管段实现粗定位；(2)采用里程仪/超低频电磁波校正方法对管道定位的捷联惯性导航系统计算并进行误差补偿，里程增量和超低频电磁波定位信号作为观测值，将状态误差作为状态变量，运用Kalman滤波估计状态误差；(3)建立Kalman滤波方程后，将地理系下的姿态、速度和位置误差，三个轴陀螺仪漂移误差和三个轴加速度计误差作为状态量X：X＝[φxφyφzδvnxδvnyδvnzδλδLδhεxεyεz▽x▽y▽z]φx，φy，φz为管道检测系统的姿态误差；δvnx，δvny，δvnz为管道检测系统在地理系的速度误差；δλ，δL，δh为经度，纬度和高度误差；εx，εy，εz为陀螺仪漂移误差；▽x，▽y，▽z为加速度计零偏误差；(4)管道检测系统在载体系中速度矢量可表示成[0v00]T，转换到导航系下为：式中，v0是里程仪速度；Vn0是里程仪速度在导航系下的速度；根据超低频电磁波得到位置为PELF，与惯性导航计算的速度和位置的差值作为观测值：其中，Vn和Pn是捷联惯性导航系统解算出的速度和位置。Δvi(i＝x,y,z)是速度误差，Δpi(i＝x,y,z)是位置误差；(5)根据状态量和观测量建立前向离散Kalman滤波模型：(6)通过估计误差状态来实现前向滤波的预测和更新：得到前向Kalman滤波补偿后的姿态、位置和速度信息；(7)采用背向Kalman滤波算法从当前时刻k往前一时刻k-1进行推导，背向Kalman滤波模型为：将动态转移矩阵的转置：背向Kalman滤波的预测和更新方程：(8)二次贝叶斯曲线的方法来结合前向和后向滤波算法来降低最大误差：(8.1)解算前向滤波地理曲线估计值。(8.2)获得后向滤波地理曲线估计值。(8.3)在两条曲线上分别找到一点，使二者距离最近，然后找到两点的中间点p1。(8.4)在两条曲线上分别找到一对点p0和p2，且与两个最近点有一段距离。(8.5)由p0，p1和p2构建二次贝叶斯曲线，如下式所示：pBezier(t)＝(1-t)2p0+2(1-t)tp1+t2p2,t∈[0,1]；(8.6)构建地理补偿曲线：本专利技术的有益效果在于：本专利所提出的海底管道检测定位系统地理坐标补偿方法适合于任何基于捷联惯性导航系统的管道检测定位系统的精确定位；通过结合前向Kalman滤波和后向Kalman滤波结合的方式，可以大大降低单一滤波时捷联惯性导航系统误差随时间累积的效应，可使定位误差降低到原来的1/4；在前向Kalman滤波和后向Kalman滤波的基础上，再结合本专利基于二次贝叶斯曲线的地理坐标补偿算法，能进一步降低系统定位误差；所采用的地理坐标补偿算法，大大降低了系统定位误差，能为长输油气管道的缺陷定位提供了精确的位置；与原有的检测定位系统相比，采用捷联惯性导航系统与其他方式组合的方式实现精确的定位，并且运用前向Kalman滤波和后向Kalman滤波相结合，以二次贝叶斯曲线实现系统地理坐标的精确补偿。从软件方法的角度能大大提高系统在长输油气管道中的定位精度。附图说明图1海底油气管道检测定位系统结构框图；图2基于Kalman滤波的里程仪/超低频电磁波校正算法框图；图3地理坐标补偿三维示意图；图4地理坐标补偿二维效果图；图5海底油气管道检测定位系统运行流程图。具体实施方式下面结合附图举例对本专利技术专利做更详细地描述，需要说明的是该系统所使用的陀螺仪、加速度计、管线缺陷检测系统、超低频电磁波定位、里程仪及系统控制电路均为典型器件和电路连接故不再对其原理图进行描述：首先将采用电涡流传感器检测到的金属焊缝数来确定管道检测系统所处的钢管段实现粗定位。然后采用里程仪/超低频电磁波校正方法对管道定位的捷联惯性导航系统计算并进行误差补偿，里程增量和超低频电磁波定位信号作为观测值，将状态误差作为状态变量，运用Kalman滤波估计状态误差。建立Kalman滤波方程后，将地理系下的姿态、速度和位置误差，三个轴陀螺仪漂移误差和三个轴加速度计误差作为状态量X：X＝[φxφyφzδvnxδvnyδvnzδλδLδhεxεyεz▽x▽y▽z](1)式中，φx，φy，φz为管道检测系统的姿态误差；δvnx，δvny，δvnz为管道检测系统在地理系的速度误差；δλ，δL，δh为经度，纬度和高度误差；εx，εy，εz为陀螺仪漂移误差；▽x，▽y，▽z为加速度计零偏误差。管道检测系统只能沿管道向前运动，无法向侧面和上方移动。管道检测系统在载体系y轴方向与里程仪速度相同，而x轴和z轴的方向为零，故管道检测系统在载体系中速度矢量可表示成[0v00]T，将其转换到导航系下为：式中，v0是里程仪速度；Vn0是里程仪速度在导航系下的速度。同时，根据超低频电磁波得到位置为PELF，将二者与惯性导航计算的速度和位置的差值作为观测值：本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种海底油气管道检测定位系统地理坐标补偿方法，其特征在于：(1)将采用电涡流传感器检测到的金属焊缝数来确定管道检测系统所处的钢管段实现粗定位；(2)采用里程仪/超低频电磁波校正方法对管道定位的捷联惯性导航系统计算并进行误差补偿，里程增量和超低频电磁波定位信号作为观测值，将状态误差作为状态变量，运用Kalman滤波估计状态误差；(3)建立Kalman滤波方程后，将地理系下的姿态、速度和位置误差，三个轴陀螺仪漂移误差和三个轴加速度计误差作为状态量X：X=φxφyφzδvnxδvnyδvnzδλδLδhϵxϵyϵz▿x▿y▿z]]>φx，φy，φz为管道检测系统的姿态误差；δvnx，δvny，δvnz为管道检测系统在地理系的速度误差；δλ，δL，δh为经度，纬度和高度误差；εx，εy，εz为陀螺仪漂移误差；为加速度计零偏误差；(4)管道检测系统在载体系中速度矢量可表示成[0 v0 0]T，转换到导航系下为：Vn0=Cbn·0v00T]]>式中，v0是里程仪速度；Vn0是里程仪速度在导航系下的速度；根据超低频电磁波得到位置为PELF，与惯性导航计算的速度和位置的差值作为观测值：其中，Vn和Pn是捷联惯性导航系统解算出的速度和位置，Δvi(i＝x,y,z)是速度误差，Δpi(i＝x,y,z)是位置误差；(5)根据状态量和观测量建立前向离散Kalman滤波模型：Xk=Fk-1Xk-1+Gk-1wWk-1Zk=HkXk+Vk;]]>(6)通过估计误差状态来实现前向滤波的预测和更新：X^f,k-=Fk-1X^f,k-1++Wk]]>Pf,k-=Fk-1Pf,k-1+Fk-1T+Tk-1Qk-1Tk-1T]]>Kf,k=Pf,k-HKT(HkPf,k-HKT+Rk)-1]]>X^f,k+=X^f,k-+Kf,k(Zk-HkX^f,k-)]]>Pf,k+(I-Kf,kHk)Pf,k-(I-Kf,kHk)T+Kf,kRkKf,kT]]>得到前向Kalman滤波补偿后的姿态、位置和速度信息；(7)采用背向Kalman滤波算法从当前时刻k往前一时刻k‑1进行推导，背向Kalman滤波模型为：X^b,k-1+=Fk-1-1X^b,k-1-+Fk-1-1Wk-1]]>Zk-1=Hk-1X^b,k-1++Vk-1]]>将动态转移矩阵的转置：Fb,k=Fk-1-1]]>背向Kalman滤波的预测和更新方程：X^b,k-=Fb,kX^b,k-]]>Pb,k-1-=Fb,k(Pb,k-1++Tk-1Qk-1Tk-1T)Fb,kT]]>Kb,k-1=Pb,k-1-Hk-1T(Hk-1Pb,k-1-Hk-1T+Rk-1)-1]]>X^b,k-1+=X^b,k-1-+Kb,k-1(Zk-1-Hk-1X^b,k-1-)]]>Pb,k-1+=(I-Kb,k-1Hk-1)Pb,k-1-(I-Kb,k-1Hk-1)T+Kb,k-1Rk-1Kb,k-1T;]]>(8)二次贝叶斯曲线的方法来结合前向和后向滤波算法来降低最大误差：(8.1)解算前向滤波地理曲线估计值；(8.2)获得后向滤波地理曲线估计值；(8.3)在两条曲线上分别找到一点，使二者距离最近，然后找到两点的中间点p1；(8.4)在两条曲线上分别找到一对点p0和p2，且与两个最近点有一段距离；(8.5)由p0，p1和p2构建二次贝叶斯曲线：pBezier(t)＝(1‑t)2p0+2(1‑t)tp1+t2p2,t∈[0,1]；(8.6)构建地理补偿曲线：pn=pForward Estimation[pstart,p0]pBezier[p0,p1]pBackward Estimation[p1,pEnd].]]>...
【技术特征摘要】
1.一种海底油气管道检测定位系统地理坐标补偿方法，其特征在于：(1)将采用电涡流传感器检测到的金属焊缝数来确定管道检测系统所处的钢管段实现粗定位；(2)采用里程仪/超低频电磁波校正方法对管道定位的捷联惯性导航系统计算并进行误差补偿，里程增量和超低频电磁波定位信号作为观测值，将状态误差作为状态变量，运用Kalman滤波估计状态误差；(3)建立Kalman滤波方程后，将地理系下的姿态、速度和位置误差，三个轴陀螺仪漂移误差和三个轴加速度计误差作为状态量X：φx，φy，φz为管道检测系统的姿态误差；δvnx，δvny，δvnz为管道检测系统在地理系的速度误差；δλ，δL，δh为经度，纬度和高度误差；εx，εy，εz为陀螺仪漂移误差；为加速度计零偏误差；(4)管道检测系统在载体系中速度矢量可表示成[0v00]T，转换到导航系下为：式中，v0是里程仪速度；Vn0是里程仪速度在导航系下的速度；根据超低频电磁波得到位置为PELF，与惯性导航计算的速度和位置的差值作为观测值：其中，Vn和Pn是捷联惯性导航系统解算出的速度和位置，Δvi，i＝x,y,z是速度误差，Δpi，i＝x,y,z是位置误差；(5)根据状态量和观测量建立前向离散Kalman滤波模型：(6)通过估计误差状态来实现前向滤波的预测和更新：
【专利技术属性】
技术研发人员：高延滨，管练武，孙云龙，马明远，丛晓丹，张帆，李抒桐，杨淳，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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