CN106855911A - 一种测量地下管道空间位置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于惯性测量技术领域，涉及一种测量地下管道空间位置的方法。所述的方法根据获得的管道两端的空间位置信息和管道的里程数据、惯性数据，分别以管道两端的空间位置为初值，进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算，并融合获得的两组处理结果，获得管道的空间位置。该技术不受管道材质、管道埋深或周围环境地质条件限制，可弥补传统管道定位方法的不足，达到快速、准确、安全定位地下管道的目的。

Description

一种测量地下管道空间位置的方法

技术领域

本发明属于惯性测量技术领域，涉及一种测量地下管道空间位置的方法。

背景技术

地下管道越来越密集，许多管道需要维护、诊断和修理，临近其它管道的维护和检测时常会影响到邻近管道的正常运行。这些管道隶属于不同的公司和产权单位，需要各管道部门之间交换管道准确信息，以确保临近管道施工时，不会损坏到自己的管道。管道空间位置技术是当前城市规划建设的重要发展方向，国内多个大城市已相继出台政策加强对管道验收要求相关规定。

目前，主要的管道测量方法有探地雷达、地下管道探测仪等。其中探地雷达易受杂散电波、地质环境等因素的影响，在目标管道周围有空洞、水穴、电缆干扰的情况下易产生误指示，对于埋设较深或管径小于100mm的管道难以探明。地下管道探测仪不能完全满足非开挖等施工公司的需要，尤其是实际探测深度受到很大限制，很难在10米以下的深度准确测量地下管道的埋设位置。

管道惯性测量技术是一种国际上领先的三维精确定位管道新技术，将陀螺仪原理与计算机三维计算技术整合在一起，巧妙地综合利用陀螺仪导航技术、重力场、计算机矢量计算等交叉学科原理，自动生成基于X、Y、Z三维坐标的地下管道空间位置曲线图，从而实现精确定位大埋深管道而不再受管道材质、管道埋深或周围环境地质条件限制，其定位精度达2.5‰。该技术可应用于非开挖、燃气、排水、电力、化工、通讯等领域，可弥补传统管道定位方法的不足，达到快速、准确、安全定位地下管道的目的。除器件小型化、器件精度等技术限制，高精度的测量数据处理方法是主要的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的为：提出一种高精度且工程实用的测量地下管道空间位置测量的方法。

本发明的技术方案为：一种测量地下管道空间位置的方法，其特征为：所述的方法根据获得的管道两端的空间位置信息和管道的里程数据、惯性数据，分别以管道两端的空间位置为初值，进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算，并融合获得的两组处理结果，获得管道的空间位置。

作为本技术方案的一种改进，所述的方法包括如下步骤：

步骤一，获取管道两端的空间位置信息，以及管道的里程数据和惯性数据，惯性数据包括角增量、速度增量；

步骤二，分别以管道两端的空间位置为初值，进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算，获得两组测量结果及精度评估；

步骤三，融合步骤二中获得的两组处理结果，获得管道的空间位置。

作为本技术方案的一种改进，滤波的状态为：

x_SINS＝[(φ)^T (δvⁿ)^T (δP)^T (ε^b)^T (▽^b)^T]

x_OD＝[δK_od δα_θ δα_ψ]^T

其中，x为组合滤波滤波状态向量，x_SINS为与惯导对应的15维状态状态向量，φ为三维惯导姿态误差，δvⁿ为三维惯导速度误差，δP为三维惯导位置误差，ε^b为三轴陀螺漂移，▽^b为三轴加速度计零位，x_OD为里程计相关的三维误差状态，δK_od为里程仪刻度系数误差，δα_θ为里程仪俯仰方向的安装角偏差，δα_ψ为里程仪航向方向的安装角偏差。

作为本技术方案的一种改进，通过后向捷联惯性算法进行时间逆序的惯导解算。

作为本技术方案的一种改进，通过后向惯性/里程组合模型进行时间逆向滤波计算。

作为本技术方案的一种改进，根据以下公式，对进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算后得到的数据进行融合，

其中，为时间顺序测量的三维坐标结果，P_f为时间顺序组合滤波的方差阵，为时间逆序测量的三维坐标结果，P_b为时间逆序组合滤波的方差阵。

本发明的有益效果为：本发明是一种地下管道空间位置的测量方法。本发明采用双向惯性解算及组合滤波处理及融合的方法测定管道空间位置，计算方法架构简单可靠，具有较好的工程适用性。该技术不受管道材质、管道埋深或周围环境地质条件限制，可弥补传统管道定位方法的不足，达到快速、准确、安全定位地下管道的目的。

具体实施方式

根据获得的管道两端的空间位置信息和管道的里程数据、惯性数据，分别以管道两端的空间位置为初值，进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算，并融合获得的两组处理结果，获得管道的空间位置。本发明提供了一种地下管道空间位置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取管道两端的空间位置信息，以及管道的里程数据和惯性数据，惯性数据包括角增量、速度增量；

步骤2、分别以管道两端的空间位置为初值，进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算，获得两组测量结果及精度评估；

步骤3、融合步骤二中获得的两组处理结果，获得管道的空间位置。

在步骤2中，惯性/里程仪组合滤波方法采用卡尔曼滤波算法，滤波状态选用如下18维状态向量：

x_SINS＝[(φ)^T (δvⁿ)^T (δP)^T (ε^b)^T (▽^b)^T]

x_OD＝[δK_od δα_θ δα_ψ]^T

这里，x为组合滤波滤波状态向量；x_SINS为与惯导对应的15维状态状态向量；φ为三维惯导姿态误差；δvⁿ为三维惯导速度误差；δP为三维惯导位置误差；ε^b为三轴陀螺漂移；▽^b为三轴加速度计零位；x_OD为里程计相关的三维误差状态；δK_od为里程仪刻度系数误差；δα_θ为里程仪俯仰方向的安装角偏差；δα_ψ为里程仪航向方向的安装角偏差。

在步骤2中，通过后向捷联惯性算法进行时间逆序的惯导解算。在后向捷联算法中，首先进行姿态更新得到然后进行速度更新和位置更新。具体后向捷联姿态算法为：

这里，为当前时刻姿态四元数表示；为前一时刻姿态四元数表示；为从当前时刻到前一时刻的导航系姿态变化，一般管道测量距离仅几百米，导航系的变化可忽略；

为前一时刻到当前时刻的机体系姿态变化；φ_k为根据陀螺采样计算得到的旋转矢量。

在步骤2中，通过后向惯性/里程组合模型进行时间逆向滤波计算。具体后向组合滤波的量测方程与时间顺序组合一样，后向组合系统模型如下：

这里，τ后向组合的时间变量为；x为滤波状态；F为时间顺序滤波的状态转移矩阵；w为时间顺序滤波的系统噪声。

进一步的，在步骤3中，根据以下公式，对进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算后得到的数据进行融合，

其中，为时间顺序测量的三维坐标结果，P_f为时间顺序组合滤波的方差阵，为时间逆序测量的三维坐标结果，P_b为时间逆序组合滤波的方差阵。

Claims (6)

1.一种测量地下管道空间位置的方法，其特征为：所述的方法根据获得的管道两端的空间位置信息和管道的里程数据、惯性数据，分别以管道两端的空间位置为初值，进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算，并融合获得的两组处理结果，获得管道的空间位置。

2.根据权利要求1所述的一种测量地下管道空间位置的方法，其特征为：所述的方法包括如下步骤：

步骤一，获取管道两端的空间位置信息，以及管道的里程数据和惯性数据，惯性数据包括角增量、速度增量；

步骤二，分别以管道两端的空间位置为初值，进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算，获得两组测量结果及精度评估；

步骤三，融合步骤二中获得的两组处理结果，获得管道的空间位置。

3.根据权利要求1所述的一种测量地下管道空间位置的方法，其特征为，滤波的状态为：

$x={\left[\begin{array}{cc}{x}_{SINS}^T& x_{OD}^T\end{array}\right]}^T$

$x_{SINS}=\left[\begin{array}{ccccc}{\left(\mathrm{\φ}\right)}^T& {\left({\mathrm{\δv}}^n\right)}^T& {\left(\mathrm{\δ}P\right)}^T& {\left({\mathrm{\ϵ}}^b\right)}^T& {\left({\▿}^b\right)}^T\end{array}\right]$

x_OD＝[δK_od δα_θ δα_ψ]^T

其中，x为组合滤波滤波状态向量，x_SINS为与惯导对应的15维状态状态向量，φ为三维惯导姿态误差，δvⁿ为三维惯导速度误差，δP为三维惯导位置误差，ε^b为三轴陀螺漂移，为三轴加速度计零位，x_OD为里程计相关的三维误差状态，δK_od为里程仪刻度系数误差，δα_θ为里程仪俯仰方向的安装角偏差，δα_ψ为里程仪航向方向的安装角偏差。

4.根据权利要求1所述的一种测量地下管道空间位置的方法，其特征为：通过后向捷联惯性算法进行时间逆序的惯导解算。

5.根据权利要求1所述的一种测量地下管道空间位置的方法，其特征为：通过后向惯性/里程组合模型进行时间逆向滤波计算。

6.根据权利要求1所述的一种测量地下管道空间位置的方法，其特征为：根据以下公式，对进行时间顺序和逆序的惯导解算及惯性/里程仪组合滤波计算后得到的数据进行融合，

$\hat{x}=P_{FUSED}(P_f^{-1}{\hat{x}}_f+P_b^{-1}{\hat{x}}_b)$

$P_{FUSED}={(P_f^{-1}+P_b^{-1})}^{-1}$

其中，为时间顺序测量的三维坐标结果，P_f为时间顺序组合滤波的方差阵，为时间逆序测量的三维坐标结果，P_b为时间逆序组合滤波的方差阵。