[go: up one dir, main page]

RU2472178C1 - Method and device for determining position of underwater pipeline - Google Patents

Method and device for determining position of underwater pipeline Download PDF

Info

Publication number
RU2472178C1
RU2472178C1 RU2011133527A RU2011133527A RU2472178C1 RU 2472178 C1 RU2472178 C1 RU 2472178C1 RU 2011133527 A RU2011133527 A RU 2011133527A RU 2011133527 A RU2011133527 A RU 2011133527A RU 2472178 C1 RU2472178 C1 RU 2472178C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pipeline
underwater
coordinate system
angle
echo signals
Prior art date
Application number
RU2011133527A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Руслан Касымович Хаметов
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг) filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг)
Application granted granted Critical
Publication of RU2472178C1 publication Critical patent/RU2472178C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: disclosed is a method and a device for determining coordinates of an inspected section of a pipeline lying on flat ground in the world geodetic system WGS-84, based on vertical distribution of sound speed in an aquatic medium, adjustments for the location of the antenna of a side-scanning sonar on board the vehicle, delay between output of navigation data and reception of echo signals reflected from the bottom, location and orientation of a self-contained unmanned underwater vehicle in the WGS-84.
EFFECT: high accuracy of determining altitude and horizontal position of an underwater pipeline.
2 cl, 12 dwg

Description

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено для определения планово-высотного положения подводного трубопровода, находящегося на дне над слоем грунта или на грунте.The invention relates to the field of hydroacoustics and can be used to determine the horizontal and vertical position of an underwater pipeline located at the bottom above a layer of soil or on the ground.

Задача определения точного положения подводного трубопровода важна для обеспечения его безопасной эксплуатации и продления срока службы.The task of determining the exact position of the underwater pipeline is important to ensure its safe operation and extend the service life.

Известно устройство, а также способ определения положения подводного трубопровода, состоящий в излучении акустических сигналов панорамным эхолокатором, приеме эхосигналов обратного рассеяния от отражателей, установленных на трубопроводе друг от друга на расстояниях, на которых прогиб трубопровода не должен превышать заданной величины, и расчете координат озвученных отражателей (патент РФ №27670 U1, МПК F17D 1/00, 2002 г.). Недостатком данного решения-аналога является необходимое требование установки на подводный трубопровод отражателей, расположенных относительно друг друга на заданных расстояниях, что требует проведения дополнительных работ, непосредственно предшествующих определению положения подводного трубопровода.A device is known, as well as a method for determining the position of an underwater pipeline, consisting of emitting acoustic signals with a panoramic sonar, receiving backscattering echo signals from reflectors installed on the pipeline from each other at distances at which the pipe deflection should not exceed a given value, and calculating the coordinates of the voiced reflectors (RF patent No. 27670 U1, IPC F17D 1/00, 2002). The disadvantage of this analog solution is the necessary requirement for the installation of reflectors on the underwater pipeline located relative to each other at predetermined distances, which requires additional work immediately preceding the determination of the position of the underwater pipeline.

Также известны способ и устройство определения трассы прокладки подводного трубопровода, основанные на измерении параметров вторичных электромагнитных полей, которые создаются токами, наведенными в трубопроводе дипольным источником излучения (патент РФ №2211464 С1, МПК G01V 3/08, G01V 3/165, 2002 г.). Данное решение-аналог обладает существенным недостатком: он пригоден лишь в частном случае, а именно только для моментов прохождения подводного носителя непосредственно над трубопроводом.Also known is a method and device for determining the route of laying an underwater pipeline, based on measuring the parameters of secondary electromagnetic fields that are created by currents induced in the pipeline by a dipole radiation source (RF patent No. 2211464 C1, IPC G01V 3/08, G01V 3/165, 2002 ) This analog solution has a significant drawback: it is suitable only in the particular case, namely, only for the moments of underwater carrier passing directly above the pipeline.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ вычисления высотного положения подводного трубопровода относительно линии дна и его планового положения в мировой геодезической системе координат с использованием гидролокатора бокового обзора (Фирсов Ю.Г. Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров. - СПб.: Нестор-История, 2010. - с.293). Способ основан на том, что с помощью приемопередающей антенны гидролокатора бокового обзора (ГБО), установленного на подводном носителе, в объем воды излучают акустические импульсы с заданным периодом зондирования, и последовательно принимают эхосигналы обратного рассеяния от элементарных участков дна и оголенного участка трубопровода, измеряют времена распространения эхосигналов и вычисляют наклонные дальности до каждого озвученного участка, определяют границы зоны акустической тени от оголенного участка трубопровода, по данным промерного эхолота с учетом предварительно измеренного линейного смещения начал «приборной» и «судовой» систем координат определяют отстояние антенны ГБО от дна, и затем определяют высотное положение трубопровода относительно линии дна путем деления произведения длины акустической тени от трубопровода на отстояние антенны ГБО от дна на величину наклонной дальности до конца тени, затем, проектируя наклонную дальность до точки трубопровода, определяющего высотное положение трубопровода на плоскость дна, определяют горизонтальную дальность до трубопровода в «приборной» системе координат, а затем с учетом линейного смещения начал «приборной» и «судовой» систем координат, координат подводного носителя и его курса в мировой геодезической системе, измеренных навигационными средствами подводного носителя, определяют плановое положение озвученного участка подводного трубопровода в мировой геодезической системе координат.The closest analogue in technical essence to the proposed method is a method for calculating the altitude position of an underwater pipeline relative to the bottom line and its planned position in the world geodetic coordinate system using side-scan sonar (Firsov Yu.G. Fundamentals of sonar and the use of hydrographic sonars. - St. Petersburg: Nestor-History, 2010 .-- p. 293). The method is based on the fact that using a transceiver antenna of side-scan sonar (HBO) mounted on an underwater carrier, acoustic pulses are emitted into the water volume with a predetermined sounding period, and backscattering echo signals are successively received from elementary sections of the bottom and exposed section of the pipeline, times are measured propagation of echo signals and calculate the slant ranges to each voiced section, determine the boundaries of the acoustic shadow zone from the exposed section of the pipeline, according to The measuring sonar taking into account the previously measured linear displacement of the beginnings of the “instrument” and “ship” coordinate systems determines the distance of the HBO antenna from the bottom, and then determines the height position of the pipeline relative to the bottom line by dividing the product of the length of the acoustic shadow from the pipeline by the distance of the HBO antenna from the bottom by the value inclined range to the end of the shadow, then, designing the inclined range to the point of the pipeline, which determines the height position of the pipeline on the bottom plane, determine the horizontal distance the distance to the pipeline in the “instrument” coordinate system, and then, taking into account the linear displacement of the beginnings of the “instrument” and “ship” coordinate systems, the coordinates of the underwater carrier and its course in the world geodetic system, measured by the navigation means of the underwater carrier, determine the planned position of the voiced section of the underwater pipeline in the world geodetic coordinate system.

Существенными недостатками данного способа-прототипа являются:Significant disadvantages of this prototype method are:

- допущение, что начало зоны акустической тени от оголенного участка трубопровода совпадает с вершиной трубопровода, что на самом деле не соответствует действительности;- the assumption that the beginning of the acoustic shadow zone from the exposed section of the pipeline coincides with the top of the pipeline, which is actually not true;

- отсутствует учет положения трубопровода относительно линии дна.- there is no accounting for the position of the pipeline relative to the bottom line.

Так при обследовании оголенного участка трубопровода акустический луч, определяющий границы зоны акустической тени, проходит по касательной к сечению трубопровода. Начало зоны акустической тени не совпадает с вершиной трубопровода, а лежит в точке касания акустического луча с сечением трубопровода. При обследовании провисающего участка трубопровода начало зоны акустической тени лежит не в точке касания акустического луча с сечением трубопровода, а в точке падения луча на линию дна.So, when examining a bare section of a pipeline, an acoustic beam defining the boundaries of the acoustic shadow zone passes along a tangent to the section of the pipeline. The beginning of the acoustic shadow zone does not coincide with the top of the pipeline, but lies at the point of contact of the acoustic beam with the cross section of the pipeline. When examining a sagging section of the pipeline, the beginning of the acoustic shadow zone does not lie at the point of contact of the acoustic beam with the cross section of the pipeline, but at the point where the beam falls on the bottom line.

К недостаткам данного способа-прототипа также относятся:The disadvantages of this prototype method also include:

- отсутствует корректировка наклонных дальностей до каждого озвученного участка и границы зоны акустической тени от оголенного участка трубопровода по предварительно построенному вертикальному профилю скорости звука в воде;- there is no adjustment of the inclined ranges to each voiced section and the boundary of the acoustic shadow zone from the exposed section of the pipeline according to a previously constructed vertical profile of the speed of sound in water;

- при определении горизонтальной дальности до трубопровода в «приборной» системе координат используют высотное положение трубопровода относительно линии дна, определение которого обладает недостатками, описанными выше;- when determining the horizontal distance to the pipeline in the "instrument" coordinate system, use the height position of the pipeline relative to the bottom line, the definition of which has the disadvantages described above;

- при определении планового положения трубопровода в мировой геодезической системе координат отсутствует учет углового рассогласования «приборной» и «судовой» систем координат и задержки между выдачей навигационных данных и приемом отраженных от дна сигналов;- when determining the planned position of the pipeline in the world geodetic coordinate system, there is no account of the angular mismatch of the “instrument” and “ship” coordinate systems and the delay between the issuance of navigation data and the reception of signals reflected from the bottom;

- при определении планового положения трубопровода в мировой геодезической системе координат отсутствует учет ориентации подводного носителя, определяемой углами крена и дифферента.- when determining the planned position of the pipeline in the world geodetic coordinate system, there is no accounting for the orientation of the underwater carrier, determined by the roll and trim angles.

Отсутствие учета данных явлений дает большую погрешность при определении высотного положения трубопровода относительно линии дна и планового положения трубопровода в мировой геодезической системе координат.Lack of accounting for these phenomena gives a large error in determining the height position of the pipeline relative to the bottom line and the planned position of the pipeline in the world geodetic coordinate system.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является ГБО «Tritech SeaKing ROV/AUV DST» (адрес сайта в Интернете http://www.tritech.co.uk/). Указанный ГБО размещен на подводном носителе, содержит две приемоизлучающие антенны и приемопередающий блок, включающий генераторное устройство (ГУ), аппаратуру предварительной обработки (АПО) эхосигналов, модуль цифровой обработки сигнала (ЦОС), блок питания (БП), при этом выводы от антенн соединены с АПО эхосигналов, при этом БП имеет разъем для получения напряжения питания с борта подводного носителя, а модуль ЦОС разъем для двустороннего обмена данными с вычислительным комплексом (ВК) подводного носителя, по которому в модуль ЦОС передаются начальные параметры работы аппаратуры ГБО, а обратно в ВК подводного носителя передаются гидроакустические данные и диагностическая информация о текущем состоянии ГБО для последующей их обработки, при этом первый, второй и третий выходы БП соединены с входами АПО эхосигналов, ГУ и модуля ЦОС соответственно, выход ГУ соединен с входом АПО эхосигналов, при этом ГУ имеет двустороннюю связь с модулем ЦОС, который в свою очередь имеет двустороннюю связь с АПО эхосигналов, при этом выход модуля ЦОС соединен с входом БП.The closest analogue to the proposed device is HBO "Tritech SeaKing ROV / AUV DST" (website address on the Internet http://www.tritech.co.uk/). The specified HBO is located on an underwater carrier, contains two transceiving antennas and a transceiver unit, including a generator (GU), pre-processing equipment (APO) for echo signals, a digital signal processing module (DSP), a power supply unit (PSU), while the terminals from the antennas are connected with APO of echo signals, while the PSU has a connector for receiving supply voltage from the board of the underwater carrier, and the DSP module is a connector for two-way data exchange with the computer complex (VK) of the underwater carrier, through which the DSP module is The initial parameters of operation of the HBO equipment are given, and hydroacoustic data and diagnostic information about the current state of the HBO are transferred back to the VC of the underwater carrier for subsequent processing, while the first, second and third outputs of the power supply are connected to the inputs of the APO of the echo signals, the GU and the DSP module, respectively, the output The GU is connected to the input of the APO of the echo signals, while the GU has two-way communication with the DSP module, which in turn has two-way communication with the APO of the echo signals, while the output of the DSP module is connected to the input of the PSU.

Устройство-прототип обладает следующими недостатками:The prototype device has the following disadvantages:

- отсутствует устройство накопления и хранения первичной гидроакустической информации и диагностической информации о текущем состоянии аппаратуры ГБО, а также данных, поступающих от навигационных устройств подводного носителя, необходимых для определения высотного положения трубопровода относительно линии дна, и планового положения трубопровода в мировой геодезической системе координат.- there is no device for accumulating and storing primary hydroacoustic information and diagnostic information about the current state of HBO equipment, as well as data coming from navigation devices of underwater media necessary to determine the height position of the pipeline relative to the bottom line, and the planned position of the pipeline in the world geodetic coordinate system.

Задачей изобретения является повышение точности определения высотного и планового положения подводного трубопровода. Технический результат заключается в учете геометрии сечения озвученного участка трубопровода, положения трубопровода относительно линии дна, корректировке наклонных дальностей и границ зоны акустической тени по предварительно построенному профилю скорости звука в воде, учете систематических ошибок по углам дифферента, рыскания, крена и ошибки задержки между выдачей навигационных данных и приемом отраженных от дна эхосигналов, ориентации подводного носителя, определяемой углами крена и дифферента, что обеспечивает точное измерение высотного положения трубопровода относительно линии дна и положения трубопровода в мировой геодезической системе координат.The objective of the invention is to improve the accuracy of determining the height and planned position of the underwater pipeline. The technical result consists in taking into account the geometry of the section of the voiced section of the pipeline, the position of the pipeline relative to the bottom line, adjusting the inclined ranges and boundaries of the acoustic shadow zone according to a pre-built profile of the speed of sound in water, taking into account systematic errors in the angles of trim, yaw, roll and delay errors between issuing navigation data and reception of echo signals reflected from the bottom, the orientation of the underwater carrier, determined by the roll and trim angles, which ensures accurate measurement the height position of the pipeline relative to the bottom line and the position of the pipeline in the world geodetic coordinate system.

Для обеспечения указанного технического результата в способ определения положения подводного трубопровода, при котором с помощью приемопередающей антенны ГБО, установленного на подводном носителе, в объем воды излучают акустические импульсы с заданным периодом зондирования, и последовательно принимают эхосигналы обратного рассеяния от элементарных участков дна и оголенного участка трубопровода, измеряют времена распространения эхосигналов и вычисляют наклонные дальности до каждого озвученного участка, определяют границы зоны акустической тени от оголенного участка трубопровода, по данным промерного эхолота с учетом предварительно измеренного линейного смещения начал «приборной» и «судовой» систем координат определяют отстояние антенны ГБО от дна. В известный способ введены новые признаки, а именно: предварительно на специально оборудованном полигоне производят калибровку ГБО, определяя постоянные систематические ошибки по углу дифферента α, углу рыскания γ, углу крена θ и ошибки задержки между выдачей навигационных данных и приемом отраженных от дна эхосигналов, выйдя в рабочий район акватории, производят замер распределения скорости звука в воде, по которому корректируют наклонные дальности до каждого озвученного участка и границы зоны акустической тени от оголенного участка трубопровода, а во время съемки осуществляют запись координат положения и углов ориентации подводного носителя (угла дифферента β, угла курса φ, угла крена η) в мировой геодезической системе координат WGS-84, а координаты

Figure 00000001
,
Figure 00000002
,
Figure 00000003
оси озвученного участка оголенного трубопровода в «приборной» системе координат и его высотное положение den относительно линии дна рассчитывают по формуламTo ensure the indicated technical result, a method for determining the position of an underwater pipeline, in which acoustic pulses are emitted into the water volume using a HBO transceiver antenna mounted on an underwater carrier with a predetermined sounding period, and backscattered echo signals are received sequentially from elementary sections of the bottom and exposed section of the pipeline , measure the propagation times of the echo signals and calculate the slant ranges to each voiced area, determine the boundaries of the ac zone -terrorist shade from the bared portion of the conduit, according sonar surveying given previously measured linear displacement began "dashboard" and "ship" coordinate systems is determined from the lag of the antenna HBO bottom. New features have been introduced into the known method, namely: HBO is calibrated first on a specially equipped training ground, determining constant systematic errors by the trim angle α, yaw angle γ, roll angle θ and the delay error between the output of navigation data and the reception of echoes reflected from the bottom, leaving to the working area of the water area, the distribution of the speed of sound in water is measured, according to which the inclined ranges to each voiced area and the boundary of the acoustic shadow zone from the exposed area are adjusted pipeline, and during shooting, the coordinates of the position and orientation angles of the underwater carrier (trim angle β, heading angle φ, roll angle η) are recorded in the world geodetic coordinate system WGS-84, and the coordinates
Figure 00000001
,
Figure 00000002
,
Figure 00000003
the axis of the voiced section of the exposed pipeline in the “instrument” coordinate system and its height position den relative to the bottom line are calculated by the formulas

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
где RE, RD - наклонные дальности до точек конца и начала зоны акустической тени соответственно, Rтр - внешний радиус трубы, H - отстояние антенны ГБО от дна, а координаты
Figure 00000001
,
Figure 00000002
,
Figure 00000003
оси озвученного участка провисающего трубопровода в «приборной» системе координат и его высотное положение sag относительно линии дна рассчитывают по формулам
Figure 00000005
where R E , R D are the inclined ranges to the points of the end and beginning of the acoustic shadow zone, respectively, R Tr is the outer radius of the pipe, H is the distance of the HBO antenna from the bottom, and the coordinates
Figure 00000001
,
Figure 00000002
,
Figure 00000003
the axis of the voiced section of the sagging pipeline in the "instrument" coordinate system and its height position sag relative to the bottom line is calculated by the formulas

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
где RE, RA - наклонные дальности до точек конца и начала зоны акустической тени соответственно, а координаты озвученного участка подводного трубопровода в «судовой» системе координат с учетом линейного смещения начал «приборной» и «судовой» систем координат и с учетом постоянных систематических ошибок по углу дифферента α, углу рыскания γ, углу крена θ и ошибок задержки между выдачей навигационных данных и приемом отраженных от дна эхосигналов определяют на основе пространственных преобразований составляющих векторов, а затем с учетом координат положения и углов ориентации подводного носителя (угла дифферента β, угла курса φ, угла крена η) в системе координат WGS-84, а также положения оси озвученного участка подводного трубопровода в «судовой» системе координат на основе пространственных преобразований составляющих векторов определяют положение оси подводного трубопровода в мировой геодезической системе координат WGS-84.
Figure 00000007
where R E , R A are the inclined ranges to the points of the end and beginning of the acoustic shadow zone, respectively, and the coordinates of the voiced section of the underwater pipeline in the “ship” coordinate system, taking into account the linear displacement of the “instrument” and “ship” coordinate systems, and taking into account constant systematic errors in trim angle α, yaw angle γ, roll angle θ and delay errors between the output of navigation data and the reception of echo signals reflected from the bottom are determined based on spatial transformations of the component vectors, and then taking into account the coordinates of the position and orientation angles of the underwater carrier (trim angle β, heading angle φ, roll angle η) in the WGS-84 coordinate system, as well as the axis position of the voiced section of the underwater pipeline in the “ship” coordinate system based on the spatial transformations of the component vectors determine the axis position subsea pipeline in the world geodetic coordinate system WGS-84.

Для достижения указанного технического результата в устройство определения положения подводного трубопровода, размещенное на подводном носителе, содержащее две приемоизлучающие антенны и приемопередающий блок, включающий ГУ, АПО эхосигналов, модуль ЦОС, БП, при этом выводы от антенн соединены с АПО эхосигналов, при этом БП имеет разъем для получения напряжения питания с борта подводного носителя, а модуль ЦОС разъем для двустороннего обмена данными с ВК подводного носителя, по которому в модуль ЦОС передаются начальные параметры работы аппаратуры ГБО, а обратно в ВК подводного носителя передаются гидроакустические данные и диагностическая информация о текущем состоянии ГБО для последующей их обработки, при этом первый, второй и третий выходы БП соединены с входами АПО эхосигналов, ГУ и модуля ЦОС соответственно, выход ГУ соединен с входом АПО эхосигналов, при этом ГУ имеет двустороннюю связь с модулем ЦОС, который в свою очередь имеет двустороннюю связь с АПО эхосигналов, при этом выход модуля ЦОС соединен с входом БП. В устройство введены следующие новые признаки: в приемопередающий блок включено устройство накопления и хранения первичной гидроакустической информации и диагностической информации о текущем состоянии аппаратуры ГБО, а также данных, поступающих от навигационных устройств подводного носителя, выход которого соединен с модулем ЦОС.To achieve the specified technical result, the device for determining the position of the underwater pipeline, located on the underwater carrier, containing two transceiver antennas and a transceiver unit, including the GU, the APO of the echo signals, the DSP module, the PSU, while the conclusions from the antennas are connected to the APO of the echo signals, while the PSU has a connector for receiving supply voltage from the board of the underwater carrier, and the DSP module a connector for two-way data exchange with the VC of the underwater carrier, through which the initial parameters of the work are transferred to the DSP module HBO equipment, and back to the VC of the underwater carrier hydroacoustic data and diagnostic information about the current state of the HBO are transmitted for subsequent processing, while the first, second and third outputs of the PSU are connected to the inputs of the APO of the echo signals, the GU and the DSP module, respectively, the GU output is connected to the input APO of the echo signals, while the GU has two-way communication with the DSP module, which in turn has two-way communication with the APO of the echo signals, while the output of the DSP module is connected to the PSU input. The following new features have been introduced into the device: a device for storing and storing primary sonar information and diagnostic information about the current state of the HBO equipment, as well as data from navigation devices of the underwater carrier, the output of which is connected to the DSP module, is included in the transceiver unit.

Покажем возможность достижения указанного технического результата.We show the ability to achieve the specified technical result.

В качестве подводного носителя используется автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА). При движении АНПА - носителя ГБО - вдоль трубопровода происходит последовательное озвучивание участков поверхности дна и оголенного трубопровода акустическими импульсами малой длительности и прием отраженных от них сигналов.An autonomous uninhabited underwater vehicle (AUV) is used as an underwater carrier. When moving AUA - the carrier of HBO - along the pipeline, the sections of the bottom surface and the exposed pipeline are sequentially dubbed with acoustic pulses of short duration and the reception of signals reflected from them.

Если размеры озвученного участка поверхности трубы превышают разрешение ГБО по наклонной дальности, то за ним образуется зона акустической тени. В результате на гидролокационном изображении вслед за «яркой» отметкой от трубопровода получается изображение его тени в виде зоны с пониженной интенсивностью.If the dimensions of the voiced section of the pipe surface exceed the resolution of the HBO in an inclined range, then an acoustic shadow zone is formed behind it. As a result, in the sonar image after the “bright” mark from the pipeline, an image of its shadow is obtained in the form of a zone with reduced intensity.

Анализируя изображение акустической тени можно определить координаты озвученного участка трубы и оценить величину оголения и провисания (высотное положение трубопровода относительно линии дна). Рассмотрим две возможные ситуации:By analyzing the image of the acoustic shadow, it is possible to determine the coordinates of the voiced pipe section and evaluate the amount of exposure and sagging (the height position of the pipeline relative to the bottom line). Consider two possible situations:

- гидролокационная съемка оголенного участка трубопровода;- sonar survey of the exposed section of the pipeline;

- гидролокационная съемка провисающего участка трубопровода.- sonar survey of the sagging section of the pipeline.

Графическое изображение первой ситуации представлено на фиг.1. Начало правосторонней «приборной» системы координат (системы координат антенны ГБО) XГБОYГБОZГБО расположено в фазовом центре антенны (точка 0). Ось XГБО лежит в активной плоскости приемоизлучающей поверхности антенны. Плоскость YГБО0ZГБО проходит через сечение характеристики направленности (ХН) в вертикальной плоскости по направлению главного максимума. Вследствие того, что ширина ХН ГБО в горизонтальной плоскости составляет 0.5-2 град, будем рассматривать двумерную задачу оценки размеров зоны акустической тени. Зафиксируем координату

Figure 00000008
и примем ее равной нулю.A graphical representation of the first situation is presented in figure 1. The beginning of the right-hand “instrument” coordinate system (coordinate system of the HBO antenna) X HBO Y HBO Z HBO is located in the phase center of the antenna (point 0). The X axis of the HBO lies in the active plane of the receiving surface of the antenna. The plane of HBO 0Z HBO passes through the cross section of the directivity (CH) in the vertical plane in the direction of the main maximum. Due to the fact that the width of the HB HBO in the horizontal plane is 0.5-2 degrees, we will consider the two-dimensional problem of estimating the size of the acoustic shadow zone. Fix the coordinate
Figure 00000008
and take it equal to zero.

Наибольший интерес представляют точки: В - точка первого касания трубопровода фронтом волны; D и E - границы зоны акустической тени. При условии ровного дна, выделив указанные точки, например, с помощью методов пороговой обработки, можно определить координаты трубопровода в системе координат антенны ГБОThe points of greatest interest are: B - the point of first contact of the pipeline with the wave front; D and E are the boundaries of the acoustic shadow zone. Under the condition of a flat bottom, selecting the indicated points, for example, using threshold processing methods, it is possible to determine the coordinates of the pipeline in the coordinate system of the HBO antenna

Figure 00000009
Figure 00000009

где RE, RD - наклонные дальности до точек Е и D соответственно, м;where R E , R D - slant ranges to points E and D, respectively, m;

Rтp - внешний радиус трубы, м;R tp is the outer radius of the pipe, m;

Н - отстояние антенны ГБО от дна, м.N - the distance of the HBO antenna from the bottom, m

Величина оголения (высотное положение оголенного участка трубы относительно линии дна) определяется по формулеThe value of exposure (the height position of the exposed section of the pipe relative to the bottom line) is determined by the formula

Figure 00000010
Figure 00000010

Графическое изображение второй ситуации представлено на фиг.2. При этом должно выполняться условие

Figure 00000011
Теперь точка А характеризует начало зоны акустической тени.A graphical representation of the second situation is presented in figure 2. In this case, the condition
Figure 00000011
Now point A characterizes the beginning of the acoustic shadow zone.

Тогда при условии ровного дна координаты трубопровода в системе координат антенны ГБО определяются из выраженийThen, provided the bottom is even, the coordinates of the pipeline in the coordinate system of the HBO antenna are determined from the expressions

Figure 00000012
Figure 00000012

где RA - наклонная дальность до точки А, м.where R A is the slant range to point A, m

Величина провисания (высотное положение провисающего участка трубы относительно линии дна) определяется по формулеThe amount of sagging (the height position of the sagging pipe section relative to the bottom line) is determined by the formula

Figure 00000013
Figure 00000013

Выражения (1)-(4) позволяют автоматически вычислять координаты озвученного участка трубопровода в «приборной» системе координат, а также величину оголения и провисания.Expressions (1) - (4) allow you to automatically calculate the coordinates of the voiced section of the pipeline in the "instrument" coordinate system, as well as the amount of exposure and sagging.

Для определения координат озвученного участка трубы в мировой геодезической системе координат WGS-84 XWGS-84YWGS-84ZWGS-84 необходимо знать положение и ориентацию аппарата в этой системе, а также рассогласование (линейное и угловое) «приборной» и «судовой» систем координат (фиг.3). Центр правосторонней «судовой» системы координат (системы координат аппарата) XАНПАYАНПАZАНПА поместим в точку установки инерциальной навигационной системы (ИНС). Ось ХАНПА лежит в плоскости батокса (с положительным направлением в нос), ось YАНПА - в плоскости теоретической ватерлинии (с положительным направлением на правый борт).To determine the coordinates of the voiced pipe section in the world geodetic coordinate system WGS-84 X WGS-84 Y WGS-84 Z WGS-84, you need to know the position and orientation of the device in this system, as well as the mismatch (linear and angular) of the “instrument” and “ship "Coordinate systems (figure 3). The center of the right-hand “ship” coordinate system (coordinate system of the device) X ANPA Y ANPA Z ANPA will be placed at the installation point of the inertial navigation system (ANN). The X axis lies in the AUV buttock plane (the positive direction of the nose), Y axis AUV - theoretical waterline plane (the positive direction on the right side).

До проведения съемки определяют координаты начала «приборной» системы координат в системе координат аппарата. Затем проводят калибровку, целью которой является определение постоянных систематических ошибок по четырем параметрам: угловое рассогласование «приборной» и «судовой» систем координат (ошибки угла дифферента α, рыскания γ и крена θ) и запаздывание (задержка между выдачей навигационных данных и приемом отраженных от дна сигналов). Калибровка ГБО представляет собой выполнение специальной съемки на подготовленном полигоне в особых наиболее благоприятных внешних условиях.Prior to the survey, the coordinates of the beginning of the “instrument” coordinate system are determined in the coordinate system of the apparatus. Then, a calibration is carried out, the purpose of which is to determine constant systematic errors in four parameters: the angular mismatch of the “instrument” and “ship” coordinate systems (errors of the trim angle α, yaw γ and roll θ) and the delay (delay between the output of navigation data and the reception of reflected from bottom of the signals). Calibration of HBO is the performance of a special survey at a prepared training ground in special, most favorable external conditions.

После определения линейного смещения начал «приборной» и «судовой» систем координат и расчета поправок, координаты озвученного участка трубы в системе координат АНПА определяются с помощью пространственных преобразованийAfter determining the linear displacement of the beginnings of the “instrument” and “ship” coordinate systems and calculating the corrections, the coordinates of the announced pipe section in the AUV coordinate system are determined using spatial transformations

Figure 00000014
Figure 00000014

где

Figure 00000015
- координаты трубопровода в системе координат антенны ГБО, определяемые из выражений (1), (3);Where
Figure 00000015
- the coordinates of the pipeline in the coordinate system of the HBO antenna, determined from expressions (1), (3);

[T] - обобщенная матрица пространственных преобразований.[T] is the generalized matrix of spatial transformations.

Матрицу преобразований [T] можно представить в виде последовательности переносов и поворотовThe transformation matrix [T] can be represented as a sequence of transfers and rotations

Figure 00000016
Figure 00000016

где [Ti] являются комбинацией матриц линейного перемещения (учет линейного смещения начал «приборной» и «судовой» систем координат), переноса (коррекция запаздывания), вращения вокруг оси YАНПА (поправка на угол α), вращения вокруг оси zАНПА (поправка на угол γ), вращения вокруг оси XАНПА (поправка на угол θ).where [T i ] are a combination of linear displacement matrices (taking into account the linear displacement of the beginnings of the “instrument” and “ship” coordinate systems), transfer (delay correction), rotation around the Y-axis of the AUV (correction for the angle α), rotation around the z-axis of the AUV ( correction for the angle γ), rotation around the X axis of the AUV (correction for the angle θ).

Матрица линейного перемещения имеет вид (Д.Роджерс, Дж.Адамс. Математические основы машинной графики. Москва, «Мир» 2001. - c.128.)The linear displacement matrix has the form (D. Rogers, J. Adams. Mathematical foundations of computer graphics. Moscow, Mir 2001. - p. 128.)

Figure 00000017
Figure 00000017

где элементы l, m и n являются координатами центра «приборной» системы координат в системе координат аппарата в направлениях ХАНПА, YАНПА, ZАНПА соответственно.where the elements l, m and n are the coordinates of the center of the “instrument” coordinate system in the coordinate system of the device in the directions X ANPA , Y ANPA , Z ANPA, respectively.

Матрица преобразования, учитывающая коррекцию координат трубопровода по запаздыванию, описывается выражением (фиг.4)The transformation matrix, taking into account the correction of the coordinates of the pipeline delay, is described by the expression (figure 4)

Figure 00000018
Figure 00000018

где VАНПА - скорость движения АНПА при калибровке, м/с;where V AUV - the speed of movement of the AUV during calibration, m / s;

dT - поправка на запаздывание, с;dT — delay correction, s;

Figure 00000019
- координаты точки С после учета линейного смещения;
Figure 00000019
- coordinates of point C after taking into account linear displacement;

Figure 00000020
- координаты точки С после учета поправки на запаздывания.
Figure 00000020
- coordinates of point C after taking into account the delay correction.

Матрица преобразования, учитывающая ошибку угла дифферента, описывается выражением (фиг.5)The transformation matrix, taking into account the error of the angle of the trim, is described by the expression (figure 5)

Figure 00000021
Figure 00000021

где α - ошибка угла дифферента, град;where α is the error of the angle of the trim, deg;

Figure 00000022
- координаты точки С после учета ошибки угла дифферента.
Figure 00000022
- coordinates of point C after taking into account the error of the angle of the trim.

Матрица преобразования, учитывающая ошибку угла рыскания, описывается выражением (фиг.6)The transformation matrix, taking into account the error of the yaw angle, is described by the expression (Fig.6)

Figure 00000023
Figure 00000023

где γ - ошибка угла рыскания, град;where γ is the yaw angle error, deg;

Figure 00000024
- координаты точки С после учета ошибки угла рыскания.
Figure 00000024
- coordinates of point C after taking into account the yaw angle error.

Матрица преобразования, учитывающая ошибку угла крена (фиг.7)The transformation matrix, taking into account the error of the roll angle (Fig.7)

где γ - ошибка угла крена, град;where γ is the roll angle error, deg;

Figure 00000026
- координаты точки С после учета ошибки угла крена.
Figure 00000026
- coordinates of point C after taking into account the roll angle error.

Координаты озвученного участка трубопровода в системе координат WGS-84 определяются из следующего выражения:The coordinates of the voiced pipeline section in the WGS-84 coordinate system are determined from the following expression:

Figure 00000027
Figure 00000027

где [P] - обобщенная матрица пространственных преобразований.where [P] is the generalized matrix of spatial transformations.

При отслеживании трубопровода траектория движения аппарата и его ориентация, определяемая углами курса, крена и дифферента, меняются в зависимости от внешних условий (течения, волновые нагрузки, препятствия по курсу движения АНПА). Тогда матрицу преобразований [P] можно представить в виде последовательности переносов и поворотовWhen tracking the pipeline, the trajectory of the apparatus and its orientation, determined by the course, heel and trim angles, vary depending on external conditions (currents, wave loads, obstacles in the direction of movement of the AUV). Then the transformation matrix [P] can be represented as a sequence of transfers and rotations

Figure 00000028
Figure 00000028

где [Pi] являются комбинацией матриц пространственного переноса (координаты АНПА в системе координат WGS-84), вращения вокруг оси YППМТ (поправка на дифферент АНПА), вращения вокруг оси ZППМТ (поправка на курс АНПА), вращения вокруг оси ХППМТ (поправка на крен АНПА).where [P i ] are a combination of spatial transport matrices (ANPA coordinates in the WGS-84 coordinate system), rotation around the Y-axis of the ISMT (correction for the ANPA trim), rotations around the Z-axis of the ISPM (correction for the ANPA course), rotation around the X-axis of the ISPM (adjustment for AUV roll).

Матрица пространственного переноса описывается выражением (7), где элементы l, m и n уже являются координатами аппарата в системе координат WGS-84 в направлениях XWGS-84, YWGS-84, ZWGS-84 соответственно.The spatial transport matrix is described by expression (7), where the elements l, m and n are already the coordinates of the apparatus in the coordinate system WGS-84 in the directions X WGS-84 , Y WGS-84 , Z WGS-84, respectively.

Матрица преобразования, учитывающая дифферент АНПА, описывается выражением (фиг.8)The transformation matrix, taking into account the AUV trim, is described by the expression (Fig. 8)

Figure 00000029
Figure 00000029

где β - дифферент АНПА, град;where β - trim AUV, deg;

Figure 00000030
- координаты точки С после учета линейного смещения начал «судовой» и мировой геодезической систем координат;
Figure 00000030
- coordinates of point C after taking into account the linear displacement of the beginnings of the “ship” and world geodetic coordinate systems;

Figure 00000031
- координаты точки С после учета дифферента АНПА.
Figure 00000031
- coordinates of point C after taking into account the AUV trim.

Матрица преобразования, учитывающая поправку на курс АНПА, описывается выражением (фиг.9)The transformation matrix, taking into account the correction for the AUV rate, is described by the expression (Fig. 9)

Figure 00000032
Figure 00000032

где φ - курс АНПА, град;where φ is the AUV rate, deg;

Figure 00000033
- координаты точки С после поправки на курс АНПА.
Figure 00000033
- coordinates of point C after correction for the AUV rate.

Матрица преобразования, учитывающая крен АНПА (фиг.10)The transformation matrix, taking into account the roll AUV (figure 10)

Figure 00000034
Figure 00000034

где η - крен АНПА, град;where η - roll AUV, city;

Figure 00000035
- координаты точки С после поправки на крен АНПА.
Figure 00000035
- the coordinates of point C after adjusting for the roll of the AUV.

Таким образом, зная диаметр обследуемого участка трубопровода, отстояние антенны ГБО от дна, расположение антенны ГБО на борту аппарата, местоположение и ориентацию АНПА в системе координат WGS-84 можно по длине отбрасываемой тени определить высотное (величина оголения и провисания) и плановое положение озвученного участка трубопровода в системе координат WGS-84.Thus, knowing the diameter of the examined section of the pipeline, the distance of the HBO antenna from the bottom, the location of the HBO antenna on board the device, the location and orientation of the AUV in the WGS-84 coordinate system, you can determine the height (exposure and sagging) and the planned position of the voiced section using the length of the cast shadow pipeline in the coordinate system WGS-84.

При определении наклонных дальностей необходимо корректировать выходные данные с учетом искривления траектории акустических лучей в водной среде.When determining the inclined ranges, it is necessary to adjust the output data taking into account the curvature of the trajectory of acoustic rays in the aquatic environment.

Для расчета траектории лучей в неоднородной среде применяется закон Снеллиуса, в соответствии с которым угол падения θ на глубине z находится по известному углу падения θi на глубине zi (К.Клей, Г.Медвин. Акустическая океанография. - М.: МИР, 1980. - с.95)To calculate the trajectory of rays in an inhomogeneous medium, the Snell law is applied, according to which the angle of incidence θ at depth z is found from the known angle of incidence θ i at depth z i (K. Clay, G. Medvin. Acoustic Oceanography. - M.: MIR, 1980. - p. 95)

Figure 00000036
Figure 00000036

где c(zi) - скорость звука на глубине zi;where c (z i ) is the speed of sound at a depth of z i ;

а - лучевой параметр. and - beam parameter.

Последовательное применение закона Снеллиуса к непрерывному распределению c(z) иллюстрируется на фиг.11, где 1 - траектория акустического луча до коррекции, 2 - траектория акустического луча после коррекции,

Figure 00000037
- наклонная дальность до трубопровода (точка D') до коррекции, RD - наклонная дальность до трубопровода (точка D) после коррекции.The sequential application of Snell's law to the continuous distribution c (z) is illustrated in Fig. 11, where 1 is the path of the acoustic beam before correction, 2 is the path of the acoustic beam after correction,
Figure 00000037
- slant range to the pipeline (point D ') before correction, R D - slant range to the pipeline (point D) after correction.

Горизонтальная дальность до озвученного участка трубопровода (точка D) является интегралом от dy при интегрировании вдоль траектории акустического луча в пределах от начальной глубины z0 до конечной zC (К.Клей, Г.Медвин. Акустическая океанография. - М.: МИР, 1980. - с.96)The horizontal distance to the announced section of the pipeline (point D) is the integral of dy when integrated along the path of the acoustic beam in the range from the initial depth z 0 to the final z C (K. Clay, G. Medvin. Acoustic Oceanography. - M .: MIR, 1980 . - p. 96)

Figure 00000038
Figure 00000038

Это уравнение может быть решено для определенного профиля c(z), если заданы начальные значения z0 и θ0.This equation can be solved for a certain profile c (z) if the initial values z 0 and θ 0 are given .

Наклонная дальность до участка трубопровода (точка D') до коррекции определяется соотношениемThe slant range to the pipeline section (point D ') before correction is determined by the ratio

Figure 00000039
Figure 00000039

где c0 - скорость звука у антенны ГБО, м/с;where c 0 is the speed of sound at the HBO antenna, m / s;

Δt - время задержки эхо-сигнала относительно момента излучения, с.Δt is the delay time of the echo signal relative to the radiation moment, s.

Угол падения θ0 определяется соотношениемThe angle of incidence θ 0 is determined by the relation

Figure 00000040
Figure 00000040

Наклонная дальность до озвученного участка трубопровода (точка D) после коррекции определяется выражениемThe slant range to the voiced pipeline section (point D) after correction is determined by the expression

Figure 00000041
Figure 00000041

Для вычисления интеграла (18) используются аппроксимации действительного профиля c(z). Применяется либо кусочно-линейная аппроксимация, либо ступенчатая аппроксимация профиля скорости звука.To calculate the integral (18), approximations of the real profile c (z) are used. Either piecewise linear approximation or stepwise approximation of the sound velocity profile is used.

При кусочно-линейной аппроксимации сложный профиль скорости звука заменяется несколькими участками, в каждом из которых градиент скорости звука по глубине остается постоянным.In a piecewise linear approximation, the complex profile of the speed of sound is replaced by several sections, in each of which the gradient of the speed of sound in depth remains constant.

При ступенчатой аппроксимации профиля скорости звука горизонты, на которых производится ее измерение, считаются границами слоев, скорость звука в каждом слое считается постоянной и равной среднему значению результатов измерений, полученных на верхней и нижней границе слоя.In the stepwise approximation of the sound velocity profile, the horizons at which it is measured are considered the boundaries of the layers, the sound velocity in each layer is considered constant and equal to the average value of the measurement results obtained at the upper and lower boundary of the layer.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-12, где на фиг.1 изображено обследование оголенного участка трубы с помощью ГБО, на фиг.2 - обследование провисающего участка трубы с помощью ГБО, на фиг.3 - определение координат трубопровода в системе WGS-84, на фиг.4 - поправка на запаздывание, на фиг.5 - ошибка угла дифферента, на фиг.6 - ошибка угла рыскания, на фиг.7 - ошибка угла крена, на фиг.8 - учет дифферента АНПА, на фиг.9 - учет угла курса АНПА, на фиг.10 - учет крена АНПА, на фиг.11 - профиль скорости звука (слева) и траектория акустического луча справа, векторная диаграмма (снизу): элемент расстояния ds вдоль траектории, выраженный через горизонтальное и вертикальное смещения dy и dz, на фиг.12 - устройство, реализующее способ.The invention is illustrated figure 1-12, where figure 1 shows an examination of the exposed section of the pipe using HBO, figure 2 - examination of the sagging section of the pipe using HBO, figure 3 - determination of the coordinates of the pipeline in the system WGS-84, in Fig.4 - correction for delay, in Fig.5 - error of the trim angle, in Fig.6 - the error of the yaw angle, in Fig.7 - the error of the angle of heel, in Fig.8 - accounting trim AUA, in Fig.9 - accounting for the angle of the AUV course, in Fig.10 - accounting for the roll of the AUV, in Fig.11 - the profile of the speed of sound (left) and the trajectory of the acoustic beam on the right, vector di gram (bottom): ds distance element along the trajectory, expressed in terms of horizontal and vertical displacement dy and dz, Figure 12 - a device realizing the method.

Устройство, реализующее способ (фиг.12,б)), содержит две гидроакустические приемоизлучающие антенны 1, 2, приемопередающий блок 3 и вычислительный комплекс 4. Антенны устанавливаются с двух бортов АНПА (фиг.12,а)), при этом оси диаграмм направленностей антенн направлены вбок перпендикулярно вектору перемещения и несколько наклонены в сторону дна на угол 10-20 градусов относительно горизонта. Выводы от антенн соединяются с аппаратурой приемопередающего блока, размещенного в герметичном корпусе. Приемопередающий блок имеет также разъем для получения напряжения питания с борта аппарата и разъем для двустороннего обмена данными с ВК АНПА.The device that implements the method (Fig. 12, b)) contains two sonar transceiving antennas 1, 2, a transceiver unit 3 and a computer complex 4. Antennas are installed from two sides of the AUV (Fig. 12, a)), while the axes of the radiation patterns antennas are directed laterally perpendicular to the displacement vector and are slightly inclined towards the bottom by an angle of 10-20 degrees relative to the horizon. The findings from the antennas are connected to the equipment of the transceiver unit located in a sealed enclosure. The transceiver unit also has a connector for receiving power supply from the device and a connector for two-way data exchange with VKU AUV.

В состав приемопередающего блока ГБО входят: генераторное устройство 5; аппаратура 6 предварительной обработки эхосигналов; модуль 7 цифровой обработки сигналов; блок 8 питания; накопитель 9.The structure of the transceiver unit HBO includes: generator device 5; equipment 6 preliminary processing of echo signals; digital signal processing module 7; power supply unit 8; drive 9.

ГУ обеспечивает формирование зондирующего импульса одновременно для антенн левого и правого бортов. АПО усиливает эхосигналы антенн левого и правого бортов с полосовой фильтрацией в диапазоне рабочих частот ГБО, выполняет аналого-цифровое преобразование. Модуль ЦОС обеспечивает обмен данными с ВК АНПА, управление работой аппаратуры ГБО, формирования зондирующих сигналов, цифровую обработку сигналов, архивирование данных во время миссии, выкачку данных на внешний носитель, диагностику неисправности приемопередающего блока и входящих в его состав узлов. Блок питания обеспечивает прием питания с борта АНПА, преобразование бортового напряжения в напряжения питания электронных узлов блока и выдачу их потребителям при поступлении внешней команды на включение гидролокатора. Накопитель на flash-диске обеспечивает хранение первичной гидроакустической информации и диагностической информации о текущем состоянии аппаратуры ГБО, а также навигационных данных, поступающих с ВК АНПА. В ВК АНПА осуществляется определение высотного и планового положения трубопровода согласно способу.PG provides the formation of a probe pulse simultaneously for the left and right side antennas. APO amplifies the echo signals of the left and right side antennas with bandpass filtering in the operating frequency range of the HBO, and performs analog-to-digital conversion. The DSP module provides data exchange with the AUVP VK, control the operation of the HBO equipment, the formation of sounding signals, digital signal processing, archiving data during the mission, pumping data to an external medium, diagnosing a malfunction of the transceiver unit and its components. The power supply unit receives power from the AUV board, converts the on-board voltage into the supply voltage of the electronic components of the unit and issues them to consumers when an external command to turn on the sonar is received. The flash drive provides storage of primary sonar information and diagnostic information about the current state of the HBO equipment, as well as navigation data coming from the AUVP VK. In VK ANPA, the height and planned position of the pipeline are determined according to the method.

Описание способа целесообразно совместить с описанием работы устройства.The description of the method should be combined with a description of the operation of the device.

До определения положения подводного трубопровода определяют линейное смещение начал «приборной» и «судовой» систем координат, затем на специально оборудованном полигоне производят калибровку ГБО, определяя постоянные систематические ошибки по углу дифферента α, углу рыскания γ, углу крена θ и ошибки задержки между выдачей навигационных данных и приемом отраженных от дна эхосигналов (фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7). При подаче питания на ГБО питание подается на все электронные узлы приемопередающего блока. Настройка параметров (тип сигнала, мощность излучаемого сигнала, шкала, длительность импульса излучения) осуществляется как в автоматическом режиме, так и по командам, поступающим с ВК АНПА. При подаче внешнего сигнала начала работы ГБО и поступлении данных с ВК АНПА подается команда на запуск ГУ 5. После чего антенны 1 или 2 излучают зондирующие импульсы в водную среду (фиг.1, фиг.2). Одновременно с запуском ГУ поступает команда на АПО 6. Принятые антенной 1 или 2 эхосигналы усиливаются, выполняется полосовая фильтрация и далее сигналы поступают на аналого-цифровые преобразователи и, после преобразования, поступают в модуль ЦОС 7. В модуле ЦОС 7 сигналы фильтруют, формируют комплексные огибающие принятых сигналов. Сигналы, сформированные в модуле ЦОС 7, записывают в накопитель 9, а также передают в ВК АНПА для совместной обработки сигналов за несколько циклов «излучение-прием». В ВК АНПА поступают также данные от промерного эхолота и датчика скорости звука. В ВК АНПА вычисляют наклонные дальности до каждого озвученного участка, определяют границы зоны акустической тени от оголенного участка трубопровода, корректируют наклонные дальности до каждого озвученного участка и границы зоны акустической тени от оголенного участка трубопровода, по построенному распределению скорости звука в воде (фиг.11), производят автоматический расчет координат трубопровода в «приборной» системе и оценку его высотного положения относительно линии дна в режиме реального времени. Обработанные данные и принятые решения также записываются в накопитель 9, наряду с отстоянием АНПА от дна, скоростью движения АНПА, координатами и ориентацией АНПА в мировой геодезической системе координат, вертикальным распределением скорости звука в воде. Координаты трубопровода в мировой геодезической системе координат можно определять в режиме реального времени в ВК АНПА, либо в процессе камеральной обработки, подняв аппарат на борт судна обеспечения (СО). Во время нахождения АНПА на борту СО осуществляется съем записанных на накопитель данных с последующей их обработкой для расчета координат трубопровода в мировой геодезической системе координат WGS-84 по формулам (5)-(16) с учетом ориентации АНПА в системе координат WGS-84 (фиг.8, фиг.9, фиг.10) и построения гидролокационного изображения обследуемого участка трубопровода. Способ и устройство позволяют выявить аварийные участки трубопровода, выявить и идентифицировать опасные или неблагоприятные придонные объекты рядом с трубопроводом, обнаружить места истечения газа из микросвищей, определить геоморфологические особенности рельефа дна в районе прокладки трубопровода.Before determining the position of the underwater pipeline, the linear displacement of the beginnings of the “instrument” and “ship” coordinate systems is determined, then the HBO is calibrated at a specially equipped training ground, determining constant systematic errors by the trim angle α, yaw angle γ, roll angle θ and delay errors between issuing navigation data and receiving reflected from the bottom of the echo signals (Fig.4, Fig.5, Fig.6, Fig.7). When applying power to the HBO, power is supplied to all electronic nodes of the transceiver unit. Parameter settings (type of signal, power of the emitted signal, scale, duration of the radiation pulse) are carried out both in automatic mode and according to commands received from the AUVA VK. When an external signal is supplied to begin operation of the gas equipment and data is received from the AUVA VK, a command is issued to launch the PG 5. After that, the antennas 1 or 2 emit sounding pulses into the aqueous medium (Fig. 1, Fig. 2). Simultaneously with the start of the control unit, a command for APO 6 is received. Echo signals received by the antenna 1 or 2 are amplified, bandpass filtering is performed, and then the signals are fed to analog-to-digital converters and, after conversion, are fed to the DSP module 7. In the DSP module 7, the signals are filtered and form complex signals. envelopes of received signals. The signals generated in the DSP module 7 are recorded in the drive 9, and also transmitted to the AUV VK for joint signal processing for several radiation-reception cycles. The ANPA VK also receives data from a sounding fish finder and a sound velocity sensor. In ANPA VK, the inclined ranges to each voiced section are calculated, the boundaries of the acoustic shadow zone from the exposed section of the pipeline are determined, the inclined ranges to each voiced area and the boundaries of the acoustic shadow area from the exposed section of the pipeline are adjusted according to the constructed distribution of the speed of sound in water (Fig. 11) , automatically calculate the coordinates of the pipeline in the "instrument" system and evaluate its altitude relative to the bottom line in real time. The processed data and the decisions made are also recorded in drive 9, along with the separation of the AUV from the bottom, the speed of the AUV movement, the coordinates and orientation of the AUV in the world geodetic coordinate system, and the vertical distribution of the speed of sound in water. The coordinates of the pipeline in the world geodetic coordinate system can be determined in real time in VK ANPA, or in the process of cameral processing, lifting the device on board the support vessel (JI). While the AUV is onboard the JI, the data recorded on the storage device is removed and then processed to calculate the coordinates of the pipeline in the WGS-84 world geodetic coordinate system using formulas (5) - (16) taking into account the AUV orientation in the WGS-84 coordinate system (Fig. .8, Fig. 9, Fig. 10) and constructing a sonar image of the examined section of the pipeline. The method and device allows to identify emergency sections of the pipeline, to identify and identify dangerous or unfavorable bottom objects near the pipeline, to detect the outflow of gas from micro fistula, to determine the geomorphological features of the bottom topography in the area of the pipeline.

Таким образом, предложены способ и устройство определения координат обследуемого участка трубопровода, уложенного на ровное дно, в мировой геодезической системе WGS-84 с учетом вертикального распределения скорости звука в водной среде, поправок на расположение антенны ГБО на борту аппарата, задержку между выдачей навигационных данных и приемом отраженных от дна эхосигналов, местоположение и ориентацию АНПА в системе WGS-84. Разработан математический аппарат для расчета высотного положения трубопровода относительно линии дна и положения трубопровода в мировой геодезической системе координат.Thus, the proposed method and device for determining the coordinates of the surveyed section of the pipeline, laid on a flat bottom, in the world geodetic system WGS-84, taking into account the vertical distribution of the speed of sound in the aquatic environment, corrections for the location of the HBO antenna on board the device, the delay between the issuance of navigation data and the reception of echoes reflected from the bottom, the location and orientation of the AUV in the WGS-84 system. A mathematical apparatus has been developed for calculating the height position of the pipeline relative to the bottom line and the position of the pipeline in the world geodetic coordinate system.

Интерпретация данных ГБО в режиме реального времени для определения высотного положения трубопровода относительно линии дна позволяет автоматически обнаружить наличие аварийной ситуации (провисающий участок) и передать координаты этого участка по гидроакустическому каналу связи на СО без подъема АНПА. Погрешность определения оголений и провисаний обследуемого участка трубопровода предложенным способом не превышает нескольких сантиметров, что позволяет оперативно провести дообследование аварийного участка и заблаговременно спланировать работы по устранению неисправности прежде, чем трубопроводная система будет повреждена.Real-time interpretation of HBO data to determine the height of the pipeline relative to the bottom line allows you to automatically detect the presence of an emergency (sagging section) and transmit the coordinates of this section through the sonar communication channel to the CO without raising the AUV. The error in determining the exposures and sagging of the surveyed section of the pipeline by the proposed method does not exceed several centimeters, which allows you to quickly conduct an additional examination of the emergency section and plan ahead to fix the problem before the pipeline system is damaged.

Включение разработанного метода определения положения трубопровода в мировой геодезической системе в состав программного обеспечения камеральной обработки данных комплекса поисково-обследовательских средств АНПА позволяет повысить производительность работ по инспекции технического состояния оголенного трубопровода, уложенного на ровное дно.The inclusion of the developed method for determining the position of the pipeline in the world geodetic system in the software for off-site data processing of the AUV search and research tools complex allows to increase the productivity of the inspection of the technical condition of a bare pipeline laid on a flat bottom.

Таким образом, технический результат изобретения достигнут.Thus, the technical result of the invention is achieved.

Claims (2)

1. Способ определения положения подводного трубопровода, при котором с помощью приемопередающей антенны гидролокатора бокового обзора, установленного на подводном носителе, в объем воды излучают акустические импульсы с заданным периодом зондирования и последовательно принимают эхо-сигналы обратного рассеяния от элементарных участков дна и оголенного участка трубопровода, измеряют времена распространения эхо-сигналов и вычисляют наклонные дальности до каждого озвученного участка, определяют границы зоны акустической тени от оголенного участка трубопровода, по данным промерного эхолота с учетом предварительно измеренного линейного смещения начал «приборной» и «судовой» систем координат определяют отстояние антенны гидролокатора бокового обзора от дна, отличающийся тем, что предварительно на специально оборудованном полигоне производят калибровку гидролокатора бокового обзора, определяя постоянные систематические ошибки по углу дифферента α, углу рыскания γ, углу крена θ и ошибки задержки между выдачей навигационных данных и приемом отраженных от дна эхо-сигналов, выйдя в рабочий район акватории, производят замер распределения скорости звука в воде, по которому корректируют наклонные дальности до каждого озвученного участка и границы зоны акустической тени от оголенного участка трубопровода, а во время съемки осуществляют запись координат положения и углов ориентации подводного носителя (угла дифферента β, угла курса φ, угла крена η) в мировой геодезической системе координат WGS-84, а координаты
Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000003
оси озвученного участка оголенного трубопровода в «приборной» системе координат и его высотное положение den относительно линии дна рассчитывают по формулам
Figure 00000044

Figure 00000045
,
где RE, RD - наклонные дальности до точек конца и начала зоны акустической тени соответственно, Rmp - внешний радиус трубы, Н - отстояние антенны гидролокатора бокового обзора от дна, а координаты
Figure 00000001
,
Figure 00000002
,
Figure 00000003
оси озвученного участка провисающего трубопровода в «приборной» системе координат и его высотное положение sag относительно линии дна рассчитывают по формулам
Figure 00000046

Figure 00000047

где RE, RA - наклонные дальности до точек конца и начала зоны акустической тени соответственно, а координаты озвученного участка подводного трубопровода в «судовой» системе координат с учетом линейного смещения начал «приборной» и «судовой» систем координат и с учетом постоянных систематических ошибок по углу дифферента α, углу рыскания γ, углу крена θ и ошибок задержки между выдачей навигационных данных и приемом отраженных от дна эхо-сигналов определяют на основе пространственных преобразований составляющих векторов, а затем с учетом координат положения и углов ориентации подводного носителя (угла дифферента β, угла курса φ, угла крена η) в системе координат WGS-84, а также положения оси озвученного участка подводного трубопровода в «судовой» системе координат на основе пространственных преобразований составляющих векторов определяют положение оси подводного трубопровода в мировой геодезической системе координат WGS-84.
1. A method for determining the position of an underwater pipeline, in which, using a side-scan sonar transceiver antenna mounted on an underwater carrier, acoustic pulses are emitted into the water volume with a given sounding period and the backscattered echo signals are successively received from elementary sections of the bottom and exposed section of the pipeline, measure the propagation times of the echo signals and calculate the slant ranges to each voiced area, determine the boundaries of the acoustic shadow zone from the bare According to the measured sonar, taking into account the previously measured linear displacement of the beginnings of the “instrument” and “ship” coordinate systems, the distance of the side-scan sonar antenna from the bottom is characterized by the fact that the side-scan sonar is preliminarily calibrated to determine the constant systematic errors in trim angle α, yaw angle γ, roll angle θ and delay errors between the output of navigation data and the reception of echo signals reflected from the bottom After entering the working area of the water area, they measure the distribution of the speed of sound in water, according to which the slant ranges to each voiced section and the boundary of the acoustic shadow zone from the exposed section of the pipeline are adjusted, and the position coordinates and orientation angles of the underwater carrier (angle trim β, heading angle φ, roll angle η) in the world geodetic coordinate system WGS-84, and the coordinates
Figure 00000042
Figure 00000043
Figure 00000003
the axis of the voiced section of the exposed pipeline in the “instrument” coordinate system and its height position den relative to the bottom line are calculated by the formulas
Figure 00000044

Figure 00000045
,
where R E , R D are the inclined ranges to the points of the end and beginning of the acoustic shadow zone, respectively, R mp is the outer radius of the pipe, N is the distance of the side-scan sonar antenna from the bottom, and the coordinates
Figure 00000001
,
Figure 00000002
,
Figure 00000003
the axis of the voiced section of the sagging pipeline in the "instrument" coordinate system and its height position sag relative to the bottom line is calculated by the formulas
Figure 00000046

Figure 00000047

where R E , R A are the inclined ranges to the points of the end and the beginning of the acoustic shadow zone, respectively, and the coordinates of the voiced section of the underwater pipeline in the “ship” coordinate system taking into account the linear displacement of the beginnings of the “instrument” and “ship” coordinate systems and taking into account constant systematic errors in trim angle α, yaw angle γ, roll angle θ and delay errors between the output of navigation data and the reception of echo signals reflected from the bottom are determined based on spatial transformations of the component vectors, and then taking into account coordinates of the position and orientation angles of the underwater carrier (trim angle β, course angle φ, roll angle η) in the WGS-84 coordinate system, as well as the axis position of the voiced section of the underwater pipeline in the “ship” coordinate system based on the spatial transformations of the component vectors determine the axis position subsea pipeline in the world geodetic coordinate system WGS-84.
2. Устройство определения положения подводного трубопровода, размещенное на подводном носителе, содержащее две приемоизлучающие антенны и приемопередающий блок, включающий генераторное устройство, аппаратуру предварительной обработки эхо-сигналов, модуль цифровой обработки сигналов, блок питания, при этом выводы от антенн соединены с аппаратурой предварительной обработки эхо-сигналов, при этом блок питания имеет разъем для получения напряжения питания с борта подводного носителя, а модуль цифровой обработки сигналов - разъем для двустороннего обмена данными с вычислительным комплексом подводного носителя, по которому в модуль цифровой обработки сигналов передаются начальные параметры работы аппаратуры гидролокатора бокового обзора, а обратно в вычислительный комплекс подводного носителя передаются гидроакустические данные и диагностическая информация о текущем состоянии гидролокатора бокового обзора для последующей их обработки, при этом первый, второй и третий выходы блока питания соединены с входами аппаратуры предварительной обработки эхо-сигналов, генераторного устройства и модуля цифровой обработки сигналов соответственно, выход генераторного устройства соединен с входом аппаратуры предварительной обработки эхо-сигналов, при этом генераторное устройство имеет двустороннюю связь с модулем цифровой обработки сигналов, который, в свою очередь, имеет двустороннюю связь с аппаратурой предварительной обработки эхо-сигналов, при этом выход модуля цифровой обработки сигналов соединен с входом блока питания, отличающееся тем, что в приемопередающий блок включено устройство накопления и хранения первичной гидроакустической информации и диагностической информации о текущем состоянии аппаратуры гидролокатора бокового обзора, а также данных, поступающих от навигационных устройств подводного носителя, выход которого соединен с модулем цифровой обработки сигналов. 2. The device for determining the position of the underwater pipeline, placed on an underwater carrier, containing two transceiver antennas and a transceiver unit, including a generator device, pre-processing of echo signals, a digital signal processing module, a power supply, while the conclusions from the antennas are connected to the pre-processing equipment echo signals, while the power supply has a connector for receiving voltage from the underwater carrier, and the digital signal processing module has a connector for two communication with the underwater carrier computer complex, through which the initial parameters of the side-scan sonar equipment are transmitted to the digital signal processing module, and hydroacoustic data and diagnostic information about the current state of the side-scan sonar are transmitted back to the underwater carrier computer complex for subsequent processing, this the first, second and third outputs of the power supply are connected to the inputs of the equipment for pre-processing of echo signals, the gene the generator device and the digital signal processing module, respectively, the output of the generator device is connected to the input of the pre-processing equipment for echo signals, while the generator device has two-way communication with the digital signal processing module, which, in turn, has two-way communication with the pre-processing equipment signals, while the output of the digital signal processing module is connected to the input of the power supply, characterized in that the storage device is included in the transceiver unit and wound primary sonar information and diagnostic information about the current state of the side-scan sonar equipment, and data received from the underwater vehicle navigation device, the output of which is connected with the module of digital signal processing.
RU2011133527A 2011-08-11 Method and device for determining position of underwater pipeline RU2472178C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2472178C1 true RU2472178C1 (en) 2013-01-10

Family

ID=

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2527136C1 (en) * 2013-02-19 2014-08-27 Региональный некоммерческий фонд поддержки и развития петербургской науки, культуры и спорта Method of measuring depth of object using sonar
RU2542625C1 (en) * 2013-07-31 2015-02-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский инстиут природных газов и газовых технологий-Газпром ВНИИГАЗ" Determination of spatial location of underwater pipeline by magnetometric survey
RU2692829C2 (en) * 2017-12-08 2019-06-28 Общество С Ограниченной Ответственностью "Газпром Трансгаз Краснодар" Method of positioning underwater equipment relative to surveyed underwater pipeline
RU2786847C2 (en) * 2021-03-29 2022-12-26 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Техносфера-МЛ" Method for determination of spatial position of pipeline at underwater transition section

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2527136C1 (en) * 2013-02-19 2014-08-27 Региональный некоммерческий фонд поддержки и развития петербургской науки, культуры и спорта Method of measuring depth of object using sonar
RU2542625C1 (en) * 2013-07-31 2015-02-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский инстиут природных газов и газовых технологий-Газпром ВНИИГАЗ" Determination of spatial location of underwater pipeline by magnetometric survey
RU2692829C2 (en) * 2017-12-08 2019-06-28 Общество С Ограниченной Ответственностью "Газпром Трансгаз Краснодар" Method of positioning underwater equipment relative to surveyed underwater pipeline
RU2786847C2 (en) * 2021-03-29 2022-12-26 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Техносфера-МЛ" Method for determination of spatial position of pipeline at underwater transition section
RU2794526C1 (en) * 2022-03-09 2023-04-20 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for navigational orientation of underwater floating vehicle on route of underwater cable or pipeline
RU2806876C1 (en) * 2023-01-10 2023-11-08 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for classifying underwater object
RU2823256C2 (en) * 2024-01-09 2024-07-22 Акционерное общество "Концерн "Научно-производственное объединение "Аврора" Method for developing and configuring on-board navigation system of autonomous uninhabited underwater vehicle

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102495420B (en) Underwater object precision positioning system and method
CN114488164B (en) Synchronous positioning and mapping method for underwater vehicle and underwater vehicle
EP2904426B1 (en) Device and method for steering seismic vessel
CN102692217A (en) Method for measuring river channel by use of ground effect aircraft
US8307705B2 (en) Laser hydrography
RU2610149C1 (en) Towed underwater vehicle, equipped with sonar equipment for detecting silting facilities and pipelines, and their subsequent monitoring
RU2563332C2 (en) Navigation method for autonomous unmanned underwater vehicle
EP2796901A2 (en) Remotely Operated Modular Positioning Vehicle and Method
CN105116372B (en) A kind of method of bottom of shallow sea horizontal linear hydrophone array direction calibration
Stateczny et al. Hydrodron—New step for professional hydrography for restricted waters
RU2629916C1 (en) Method and device for determining initial coordinates of independent unmanned underwater apparatus
RU2343502C2 (en) Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium
CN103969639A (en) Signal processing system and method of five-wave-beam fish finder
JP7390366B2 (en) Methods for determining depth or water depth profiles based on average sound velocity profiles, methods for determining such velocity profiles, and associated sonar systems
NO334516B1 (en) Procedure for Determining Average Sound Speed in an Amount of Water
Violante Acoustic remote sensing for seabed archaeology
RU2555479C2 (en) High-precision coordination of underwater complex for underwater navigation
Daramola et al. Fusion of AUV-Mounted 360-Degree Underwater LiDAR and Side Scan Sonar Data
CN114910024A (en) Underwater sludge thickness detection method and system
RU2472178C1 (en) Method and device for determining position of underwater pipeline
Wang et al. Measurement error analysis of multibeam echosounder system mounted on the deep-sea autonomous underwater vehicle
CN106556380B (en) A kind of Underwater Target Detection device
CN106153014A (en) The manufacturing system of trailing suction hopper dredger construction location 3D landform under water
RU2480790C1 (en) Method of determining position of measured depths of sound signals
CN106153015A (en) The manufacturing system of cutter suction dredger construction location 3D landform under water