CN105203993A - 地下管道三点定位仪及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种地下管道三点定位仪，包括发射机、三个接收机和控制站。所述发射机在地下管道内发射甚低频信号。所述三个接收机在地面接收所述甚低频信号，并将自身位置以及所接收的甚低频信号的强度传递给控制站。所述控制站根据三个接收机的位置以及所接收的甚低频信号的强度计算出发射机的三维坐标。或者，所述三个接收机在地面接收所述甚低频信号并计算出各自与发射机之间的距离，再将自身位置以及各自与发射机之间的距离传递给控制站。所述控制站根据三个接收机的位置以及各自与发射机之间的距离计算出发射机的三维坐标。本申请的测绘结果准确，特别适用于地下管道穿越河流下方，穿越建筑物下方等特殊环境的测绘。

Description

地下管道三点定位仪及其工作方法

技术领域

本申请涉及一种非开挖式的地下管道测绘装置。

背景技术

在城市及乡村的地下，密布着电力、给水、排水、燃气、热力、通讯等管道。这些地下管道分属于不同单位建设和管理，建设时间有早有晚，有些仍在使用而有些已经废弃。出于建设城市地下空间的目的，有必要彻底了解各类地下管道的分布情况。

现有的非开挖式的地下管道测绘装置包括水平定向钻进定位仪(也称导向仪)、地质雷达、基于电磁感应的地下管线探测仪等。

以现有的水平定向钻进导向仪为例，其主要包括发射机和接收机。发射机在地下管道内运动，其上设有多种传感器，将采集到的倾角、位置、温度等测量结果以无线电波形式传递给地面上的接收机。接收机由此得以确定地下管道的轨迹。然而，水平定向钻进导向仪是与水平定向钻机配合工作的，所测量的是水平定向钻机的钻孔轨迹。如果应用于地下管道的测量，由于水平定向钻进导向仪在地下管道内没有支撑和固定装置，因而无法完成对地下管道的精确定位。此外，现有的非开挖式的地下管道测绘装置都必须在地表进行跟踪，如果遇到地下管道穿越障碍物(例如河流、铁路、隧道等)的环境，在地表就无法准确地测量出地下管道穿越障碍物位置的轨迹。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种成本低廉、简便可行的非开挖式的地下管道测绘装置，能够用于穿越障碍物下方的地下管道的测绘。为此，本申请还要提供所述地下管道测绘装置的工作方法。

为解决上述技术问题，本申请地下管道三点定位仪包括发射机、三个接收机和控制站；所述发射机在地下管道内发射甚低频信号；

所述三个接收机不在一条直线上，在地面接收所述甚低频信号，并将自身位置以及所接收的甚低频信号的强度传递给控制站；所述控制站根据三个接收机的位置以及所接收的甚低频信号的强度计算出发射机的三维坐标；

或者，所述三个接收机在地面接收所述甚低频信号并计算出各自与发射机之间的距离，再将自身位置以及各自与发射机之间的距离传递给控制站；所述控制站根据三个接收机的位置以及各自与发射机之间的距离计算出发射机的三维坐标。

本申请地下管道三点定位仪的工作方法包括如下步骤：

第1步，发射机在地下管道内从测绘起点前进一段距离，然后停止运动；

第2步，发射机在地下管道的当前停止位置发射甚低频信号；

第3步，三个接收机分别得到所接收的甚低频信号强度，它们计算出与发射机之间的距离，然后将卫星定位装置所得的自身位置、与计算出的与发射机之间的距离一起传递给控制站；

或者，三个接收机分别得到所接收的甚低频信号强度，它们将卫星定位装置所得的自身位置、与所接收的甚低频信号强度一起传递给控制站；由控制站根据各个接收机所接收的甚低频信号强度计算出各个接收机与发射机之间的距离；

第4步，控制站以三个接收机的坐标为圆心，以各个接收机与发射机之间的距离为半径得到三个球面；控制站计算这三个球面的相交点，并屏蔽掉地平面之上的一个相交点，将地平面之下的另一个相交点作为发射机的当前停止位置的三维坐标并予以记录；

第5步，重复第1步～第4步，直至发射机抵达地下管道内的测绘终点；将发射机的每个停止位置的三维坐标连线便得到了整个地下管道的三维位置分布。

本申请地下管道三点定位仪及其工作方法的测绘结果准确，特别适用于地下管道穿越河流下方，穿越建筑物下方等特殊环境的测绘。

附图说明

图1是本申请的地下管道三点定位仪的整体结构示意图；

图2是发射机的主要结构示意图；

图3是接收机的主要结构示意图。

图中附图标记说明：

1为发射机；2为接收机；3为控制站；10为电源；11为信号发生器；12为信号功率放大器；13为匹配天线；20为电源；21为天线；22为接收放大电路；23为卫星定位装置。

具体实施方式

请参阅图1，这是本申请的地下管道三点定位仪的一个实施例，包括发射机1、三个接收机2和控制站3。所述发射机1在地下管道内发射甚低频信号。所述三个接收机2在地面接收所述甚低频信号，并将自身位置以及所接收的甚低频信号的强度传递给控制站3。所述控制站3根据三个接收机2的位置以及所接收的甚低频信号的强度计算出发射机1的三维坐标。

或者，所述三个接收机2在地面接收所述甚低频信号并计算出各自与发射机1之间的距离，再将自身位置以及各自与发射机1之间的距离传递给控制站3。所述控制站根据三个接收机2的位置以及各自与发射机1之间的距离计算出发射机1的三维坐标。

请参阅图2，所述发射机1包括电源10、信号发生器11、信号功率放大器12、匹配天线13等。所述电源10为发射机1内的其余各组成部分供电。所述信号发生器11产生甚低频信号，即频率在3kHz～30kHz之间。所述信号功率放大器12对信号发生器11产生的甚低频信号进行功率放大。所述匹配天线13将功率放大后的甚低频信号发射出去。

请参阅图3，所述接收机2包括电源20、天线21、接收放大电路22、卫星定位装置23等。所述电源20为接收机2内的其余各组成部分供电。所述天线21接收甚低频信号。所述接收放大电路22将天线21接收的甚低频信号进行放大。所述卫星定位装置23例如为GPS接收机、格洛纳斯接收机、北斗接收机等，用来为接收机2进行实时定位。接收机2还通过有线通讯、或无线通讯方式将自身位置、以及所接收的甚低频信号强度传递给控制站3。或者，接收机2根据所接收的甚低频信号强度计算出与发射机1的距离，再将自身位置、以及与发射机1之间的距离传递给控制站3。

可选地，在接收机2中还可根据实际地层情况，随时调整对应地磁系数，以便于从接收信号强度计算出与发射机之间距离的精确性。在接收机2还可具有滤波电路、混频器、去噪电路、整形电路、模数转换器等，对所接收的甚低频信号进行处理。

所述控制站3的计算原理如下：发射机1的位置可视为空间坐标系中的O点，三个接收机2可作为空间坐标系中的坐标已知的A、B、C三点(其坐标例如可由卫星定位装置23测量得到)。根据发射机1所发射的甚低频信号的强度、以及三个接收机2所接收到的甚低频信号强度，根据信号衰减的规律可以得到三个接收机2与发射机1的距离。转化到空间三维坐标系中，则是以A、B、C三点为球心、各自与发射机1的距离为半径的球面，这三个球面相交于两个交点。其中一个交点在A、B、C三点所构成的平面上方，即在地平面上方，可以舍弃。另一个交点在A、B、C三点所构成的平面下方，即在地平面下方，这就是O点即发射机1的位置。显然，为了达到测量目的，三个接收机2不能在一条直线上。

根据各个接收机2所接收的甚低频信号强度来计算各个接收机2与发射机1的距离，可以由各个接收机2自身完成计算，也可由控制站3进行计算。

本申请地下管道三点定位仪的工作方法为：

第1步，发射机在地下管道内从测绘起点(通常为地下管道的某一个出入口)前进一段距离，然后停止运动。这一步操作可以通过电机拖动系在发射机上的绳索自动实现，也可由人工以绳索拖动发射机实现，也可由人工手持发射机在地下管道内步行实现。优选地，发射机每次前进相同距离，例如为1米，然后停止运动。

第2步，发射机在地下管道的当前停止位置发射甚低频信号，该甚低频信号透过地层，到达地表。根据信号衰减的规律，距离发射机的当前停止位置越近，则甚低频信号的强度越大。

第3步，三个接收机分别得到所接收的甚低频信号强度，它们计算出与发射机之间的距离，然后将卫星定位装置所得的自身位置、与计算出的与发射机之间的距离一起传递给控制站。

或者，三个接收机分别得到所接收的甚低频信号强度，它们将卫星定位装置所得的自身位置、与所接收的甚低频信号强度一起传递给控制站。由控制站根据各个接收机所接收的甚低频信号强度计算出各个接收机与发射机之间的距离。

第4步，控制站以三个接收机的坐标为圆心(如采用笛卡尔坐标系，则以X轴、Y轴表示地平面，Z轴表示海拔高度；X轴、Y轴坐标由接收机中的卫星定位装置得到，Z轴坐标也可由接收机中的卫星定位装置得到或者近似地设为0)，以各个接收机与发射机之间的距离为半径得到三个球面。控制站接着计算这三个球面的相交点，相交点有两个。控制站屏蔽掉Z轴坐标大于0的一个相交点，将Z轴坐标小于0的另一个相交点作为发射机的当前停止位置的三维坐标并予以记录。

第5步，重复第1步～第4步，直至发射机抵达地下管道内的测绘终点(通常为地下管道的另一个出入口)。将发射机的每个停止位置的三维坐标连线便得到了整个地下管道的三维位置分布即地下管道的轨迹，这样便完成了地下管道的本次测绘任务。

与现有的地下管道测绘装置相比，本申请的地下管道三点定位仪具有如下优点：

其一，发射机与接收机之间采用甚低频信号进行通信，可以穿透地下30米的深度，实现透地信号传输。

其二，三个接收机采用三点定位的方式，其自身坐标可以准确得到，测量误差是随机均布的，由此计算出的地下管道坐标精准可信。

其三，特别适用于地下管道穿越河流下方，穿越建筑物下方等特殊环境的测绘。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种地下管道三点定位仪，其特征是，包括发射机、三个接收机和控制站；所述发射机在地下管道内发射甚低频信号；

所述三个接收机不在一条直线上，在地面接收所述甚低频信号，并将自身位置以及所接收的甚低频信号的强度传递给控制站；所述控制站根据三个接收机的位置以及所接收的甚低频信号的强度计算出发射机的三维坐标；

或者，所述三个接收机在地面接收所述甚低频信号并计算出各自与发射机之间的距离，再将自身位置以及各自与发射机之间的距离传递给控制站；所述控制站根据三个接收机的位置以及各自与发射机之间的距离计算出发射机的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的地下管道三点定位仪，其特征是，所述发射机包括电源、信号发生器、信号功率放大器、匹配天线；所述电源为发射机内的其余各组成部分供电；所述信号发生器产生甚低频信号；所述信号功率放大器对该甚低频信号进行功率放大；所述匹配天线将功率放大后的甚低频信号发射出去。

3.根据权利要求1所述的地下管道三点定位仪，其特征是，所述接收机包括电源、天线、接收放大电路、卫星定位装置；所述电源为接收机内的其余各组成部分供电；所述天线接收甚低频信号；所述接收放大电路将天线接收的甚低频信号进行放大；所述卫星定位装置为接收机进行实时定位。

4.一种如权利要求1所述的地下管道三点定位仪的工作方法，其特征是，包括如下步骤：

第1步，发射机在地下管道内从测绘起点前进一段距离，然后停止运动；

第2步，发射机在地下管道的当前停止位置发射甚低频信号；

第3步，三个接收机分别得到所接收的甚低频信号强度，它们计算出与发射机之间的距离，然后将卫星定位装置所得的自身位置、与计算出的与发射机之间的距离一起传递给控制站；

或者，三个接收机分别得到所接收的甚低频信号强度，它们将卫星定位装置所得的自身位置、与所接收的甚低频信号强度一起传递给控制站；由控制站根据各个接收机所接收的甚低频信号强度计算出各个接收机与发射机之间的距离；

第4步，控制站以三个接收机的坐标为圆心，以各个接收机与发射机之间的距离为半径得到三个球面；控制站计算这三个球面的相交点，并屏蔽掉地平面之上的一个相交点，将地平面之下的另一个相交点作为发射机的当前停止位置的三维坐标并予以记录；

第5步，重复第1步～第4步，直至发射机抵达地下管道内的测绘终点；将发射机的每个停止位置的三维坐标连线便得到了整个地下管道的三维位置分布。

5.根据权利要求4所述的地下管道三点定位仪的工作方法，其特征是，所述方法第1步中，发射机每次前进相同距离，然后停止运动。