PROSPECTS AND PROBLEMS OF THE ELECTROMAGNETIC LOCATION OF ROUTES OF UNDERGROUND EXTENDED OBJECTS BY MEANS OF UNMANNED AERIAL VEHICLES

Full Text

Введение За последнее десятилетие технологии, использующие беспилотные летательные аппараты (БПЛА) или, по-другому, дроны, играют все большую роль в различных областях деятельности человеческого общества. Если на первых порах БПЛА рассматривали в основном с точки зрения военных приложений [1], то в настоящее время их широко используют в нефтегазодобывающей промышленности, геологоразведке, сельском и лесном хозяйстве, строительстве, оказании медицинской помощи, поисково-спасательных и аварийно-спасательных работах и др. [2-8]. Области их использования включают обеспечение безопасности, управление чрезвычайными ситуациями, аэрофотосъемка, дистанционное зондирование, видеосъемка. Перечень задач, решаемых с помощью БПЛА, расширяется год от года. Одним из востребованных направлений применения дронов является строительство и эксплуатация таких объектов, как трубопроводы, кабельные линии и т.п., для которых, учитывая большую протяженность и обширность территории объектов, воздушный мониторинг является наиболее эффективным средством контроля и дистанционного сбора данных о состоянии. Очевидно, что применение БПЛА станет полезным и при поиске трасс прокладки, составления схем подземных коммуникаций. Технические решения радиолокационного поиска трасс подземных коммуникаций известны [9-14]. Как уже было сказано, технологии применения дронов пришли из военной практики, где именно радиолокационные методы поиска и обнаружения объектов наиболее востребованы и распространены [1; 15-16]. Такие системы позволяют получить картину распределения подземных кабелей и труб в различных видах грунта. Однако даже в благоприятных условиях применение радиолокационных методов требует использования достаточно сложных методов обработки результатов измерений, чтобы получить необходимую для специалиста интерпретацию этой картины. По сложности, стоимости, зависимости от условий применения они проигрывают в традиционной наземной практике методу электромагнитной локации [17]. При реализации метода электромагнитной локации на базе БПЛА он получает дополнительное преимущество по сравнению методами радиолокации. Из полезной нагрузки исключается наиболее массогабаритная и энергопотребляющая составляющая - радиопередатчик. Это позволяет уменьшить массогабаритные параметры и, соответственно, стоимость собственно летательного аппарата. Вместе с тем, очевидно, что реализация электромагнитной локации подземных коммуникаций на базе дронов имеет существенные особенности по сравнению с традиционным наземным применением, которые в итоге и определяют перспективы и проблемы внедрения. Попытка анализа потенциальных возможностей применения БПЛА для электромагнитной локации подземных коммуникаций и предпринята авторами в данной работе. Основы электромагнитной локации Электромагнитная локация - это универсальный метод локации и трассировки подземных линий, который обеспечивает поиск с поверхности земли границ трасс подземных кабелей и труб, измерение глубины залегания линии непосредственно с поверхности Земли, трассировку и идентификацию определенных линий, локализацию повреждений. Он отличается портативностью и небольшим весом оборудования, возможностью использовать оборудование при всех типах грунта и даже воды, а также низкой стоимостью. К основным недостаткам данного метода относится то, что с его помощью невозможно обнаружить неметаллические кабели и трубы. В основе метода - измерения уровней магнитного поля и анализ их распределения над объектом. Различают пассивный и активный поиск. В первом случае измеряют уровни магнитного поля, создаваемого в однопроводных цепях подземного объекта (кабеля или трубопровода) наведенными в них внешними источниками токами. Эти токи могут наводиться за счет влияния линий электропередачи, электрифицированных железных дорог, радиостанций и т.п. Более эффективен активный поиск. В этом случае, к цепи «провод-земля» подземного объекта подключают генератор низких частот и с поверхности земли над объектом измеряют уровни магнитного поля, создаваемого током, протекающим в этой цепи. В качестве проводника цепи «провод-земля» используют жилу, оболочку или броню кабеля, металлическую трубу трубопровода и т.п. При выборе частоты активной электромагнитной локации руководствуются следующим. Чем выше частота, тем выше ЭДС, наводимая в антенне приемника. Однако с увеличением частоты возрастает затухание однопроводной линии. Как следствие, сигнал в цепи «провод-земля» распространяется на более короткие расстояния. Необходимо также учитывать, что потери в однопроводной цепи зависят как от типа трубы или кабеля, так и от характера и состояния грунта. С увеличением диаметра трубы или кабеля потери возрастают. Существенную роль играет тип покровов трубы или кабеля. Чем меньше переходное сопротивление цепи «провод-земля», тем больше затухание. При этом, затухание этой цепи возрастает с увеличением проводимости грунта. Кроме того, с увеличением частоты возрастает уровень помех, наводимых внешними источниками. Возрастает уровень токов, наводимых в рядом проходящих цепях, что значительно затрудняет локализацию искомого объекта в зонах с большим числом коммуникаций. Таким образом, выбор оптимальной для эффективной локации частоты зависит от типа трубы или кабеля, способа и условий поиска. Однако очевидно, что при активном поиске в подавляющем большинстве случаев целесообразна работа на низких частотах. При этом, естественно, рабочая частота локации не должна быть равна промышленной частоте 50 Гц и ее гармоникам. В общем случае теория, описывающая электромагнитное поле, создаваемое током одиночного горизонтального проводника, уложенного вблизи поверхности земли над землей, на земле или под землей, подробно описана в работе [18]. Для низких частот, при условии, что расстояние от точки наблюдения до объекта пренебрежимо мало по сравнению с протяженностью объекта и значительно больше поперечных размеров проводника формула для расчета напряженности магнитного поля существенно упрощается. Можно полагать, что напряженность магнитного поля на некотором отсчитываемом вдоль линии расстоянии xот места подключения генератора и на расстоянии r от проводника равна [19]: . (1) При традиционном наземном поиске методом электромагнитной локации с помощью кабелеискателя местоположение объекта в зависимости от ориентации антенны определяют либо по максимуму сигнала, либо по минимуму сигнала, перемещая антенну перпендикулярно трассе. При поиске по максимуму антенна располагается согласовано с силовыми линиями магнитного поля непосредственно над объектом. При поиске по минимуму антенна располагается так, чтобы непосредственно над объектом она не была согласована с силовыми линиями магнитного поля. Погрешности определения трассы подземных коммуникаций определяются в основном двумя факторами. Во-первых, погрешностями определения местоположения максимума (или минимума) напряженности магнитного поля, которые, в частности, зависят от разрешающей способности локатора. Во-вторых, искажениями силовых линий магнитного поля искомого объекта за счет влияния соседних цепей. Большинство ошибок при определении трассы подземного объекта связано именно с искажением магнитных полей. Существует практически бесконечное множество причин, по которым другие проводники вызывают искажение магнитного поля исследуемого сооружения. Это и расположение их под разными углами к проводнику исследуемого сооружения, и наличие в них различных сигналов и другие факторы. Эффективным способом снижения погрешностей локализации является применение сдвоенных антенн, которые обеспечивают подавление помех, позволяют улучшить разрешающую способность, упрощают измерения глубины залегания [17]. В условиях сложной электромагнитной обстановки (сложная трасса исследуемого объекта, внешние источники электромагнитных воздействий, большое число сторонних подземных коммуникаций рядом с исследуемым объектом) для этих целей более эффективны способы, согласно которым, в отличие от традиционной методики применения кабелеискателя, трассу прокладки и глубину залегания подземного сооружения определяют в результате анализа распределения электромагнитного поля по участку над сооружением [20-24]. Особенности электромагнитной локации на базе БПЛА Специфика реализации электромагнитной локации на базе БПЛА связана в основном с тем, что антенна с приемником устанавливается на дроне и, как следствие, значительно удаляются от исследуемого подземного сооружения по сравнению с выполнением наземных измерений обычным кабелеискателем. Расстояние может быть увеличено на порядок и более. Это приводит при прочих равных условиях к ослаблению принимаемого сигнала и сглаживанию измеряемых распределений уровней магнитного поля над объектом. Кроме того, добавляется еще составляющие погрешностей локации, обусловленные погрешностями позиционирования БПЛА и изменениями положения корпуса дрона относительно исследуемого сооружения во время полета. Предварительный анализ показывает, что из-за ослабления принимаемого сигнала вследствие значительно удаления антенны от проводника с током при реализации электромагнитной локации на базе БПЛА целесообразно рассматривать только активный поиск. К основным способам, позволяющим принимать сигнал и производить измерения на необходимых для полета дрона расстояниях до исследуемого подземного сооружения следует отнести: - уменьшение потерь в цепи «провод-земля»; - увеличение мощности сигнала; - увеличение чувствительности приемника. Затухание однопроводной цепи определяет длину участка подземного сооружения, на котором при заданном расстоянии антенны приемника от сооружения можно определить его местоположение и глубину залегания. Затухание однопроводной цепи, как правило, для определенной линии и частоты сигнала есть величина постоянная, определяемая проводимостью, емкостью и индуктивностью относительно земли и соседних металлических конструкций. Конструктивные параметры для отдельных кабелей и типовых стальных труб, методики расчетов первичных и вторичных параметров их однопроводных цепей и их оценки приведены в работах [24-27]. В частности, отмечено, что типичные значения затухания однопроводной цепи для стальных труб лежат в пределах от 10-4 до 10-31/м. При этом можно полагать, что затухание однопроводных цепей на низких частотах прямо пропорционально , где ω - круговая частота. Пусть частота генератора изменяется от значения ω1 до значения ω2. Обозначим . Тогда, поскольку наводимая в антенне под действием магнитного поля ЭДС прямо пропорциональна частоте [28], получаем, что при таком изменении частоты сигнал на входе приемника, расположенного на расстоянии l от генератора по трассе, изменится прямо пропорционально параметру Ck, где: (2) На рис. 1 приведены результаты вычисления параметра Ck в зависимости от суммарных потерь в однопроводной цепи для ряда значений параметра χ. Видно, что за счет снижения частоты в принципе можно частично скомпенсировать уменьшение уровня сигнала за счет потерь в однопроводной цепи - можно, но только частично. Рис. 1. Изменение уровня детектируемого сигнала при снижении рабочей частоты Таким образом, при активном поиске, ослабление сигнала за счет удаления дрона с антенной на значительное по сравнению с расположением кабелеискателя при обычном наземном выполнении измерений, частично может быть компенсировано за счет снижения рабочей частоты комплекта. Вместе с тем, при сложной помеховой обстановке, целесообразно иметь набор частот и выбор частоты осуществлять экспериментально. Увеличение мощности детектируемого сигнала можно осуществить тремя способами: - за счет выполнения качественного заземления (а при низких частотах надо заземлить однопроводную цепь и на дальнем конце); - согласованием импеданса за счет управления выходным сопротивлением генератора; - за счет увеличения мощности генератора. Последний способ наиболее непрактичный и дорогой. Ток в однопроводной цепи, а значит и принимаемый приемником сигнал, изменяются пропорционально квадратному корню от мощности генератора. В частности, увеличение мощности генератора в четыре раза приводит лишь к удвоению величины сигнала. При этом, подключение высокого напряжения к проводникам объекта требует особого внимания к вопросам техники безопасности. Исключительно важным параметром комплекта с точки зрения осуществления поиска с антенной на дроне, удаленном на большее по сравнению с приемником наземного кабелеискателя расстояние от подземного сооружения, является чувствительность приемника на рабочей частоте. Приемлемое отношение «сигнал/шум» достигается за счет сочетания высокого усиления и фильтрации сигнала помехи при частотах, отличных от частоты генератора. В [29] приводятся данные кабелеискателя, приемник которого на частоте 1,0 кГц с режекторным гребенчатым фильтром, подавляющим не только первую гармонику частотой 50 Гц, но и высшие гармоники, в режиме спектрального разрешения 16 Гц, имеет чувствительность -70 дБ, причем в режиме спектрального разрешения 4 Гц чувствительность достигает -130 дБ. Увеличить чувствительность можно еще больше, выбирая оптимальные форматы модуляции, кодовые последовательности и формы сигнала. Ослабление сигнала при подъеме антенны на высоту 10 м с поверхности земли при заглублении провода 1,0 м составляет около 20 дБ. Очевидно, что такое ослабление может быть скомпенсировано вышеперечисленными мерами. По грубым оценкам в подавляющем большинстве случаев прокладки кабелей и металлических трубопроводов возможен поиск трассы методами электромагнитной локации с БПЛА на участках протяженностью до 20 км и более. Погрешности, обусловленные изменениями положения дрона в полете можно уменьшить, применяя трехкоординатные магнитные антенны и стабилизируя положение антенны относительно земли, например, как в круглых электронных маркерах [30]. Известно, что системы управления позволяют перемещать дрон по заданным сложным траекториям[31-38], что дает возможность получать данные о распределениях уровней электромагнитного поля на участках на некоторой площади над исследуемым подземным сооружением. Причем можно получать эти распределения для разных высот. Анализ таких распределений, полученных с помощью трехкоординатной магнитной антенны, позволяет снизить влияние помех сторонних источников, улучшить разрешающую способность и снизить погрешность локации трассы и определения глубины прокладки из-за сглаживания распределений уровней магнитного поля при удалении от провода с током, снизить погрешности из-за ошибок позиционирования БПЛА [17; 20-23]. Кроме того, для снижения погрешностей позиционирования БПЛА совместно со спутниковой навигацией используют другие средства навигации (гироскопы, дальномеры, высотомеры, датчики перемещений и т.п.). Эффективным средством повышения точности позиционирования является применение роя дронов [32-38]. Очевидно, что использование роя дронов в целом перспективно для регистрации распределений электромагнитного поля при реализации электромагнитной локации. Однако это тема отдельной статьи. Здесь же, отметим, что обработку данных целесообразно вести на наземной станции, что допускает применение необходимых вычислительных ресурсов. Заключение В работе представлены результаты анализа потенциальных возможностей электромагнитной локации с использованием БПЛА. Рассмотрены особенности реализации поиска трассы подземного сооружения данным методом с применением БПЛА. Показано, что применение БПЛА для электромагнитной локации вполне реально, а возникающие при этом проблемы имеют технические решения.

About the authors

Vladimir Alexandrovich Burdin

Povolzhskiy State University of Telecommunication and Informatics

Email: burdin@psati.ru

Viktor Pavlovich Kubanov

Povolzhskiy State University of Telecommunication and Informatics

Email: kubanov@psati.ru

References

Supplementary files