CN112824830B - 水下管道定位方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种水下管道定位方法及装置，属于管道定位技术领域。基于基准站的精确的第一坐标，通过定位装置的定位及修正，得到水面上任一第一目标点的精确的第四坐标。定位装置在水下信号微弱，不能直接用于定位，使定位装置以该第一目标点为起点向水下移动，并记录位移，当移动至管道上任一第二目标点的正上方的河床上时，通过第四坐标和位移，获取定位装置的坐标，结合该定位装置与第二目标点之间的高度差，获取第二目标点的精确坐标，在管道上标记多个第二目标点，基于每个第二目标点的精确坐标，获取水下管道的路由，相对于使用传统的DGPS定位技术或者水下声定位系统测得的路由，该路由精度比较高，能够满足水下高精度定位的要求。

Description

水下管道定位方法
技术领域
本公开涉及管道定位技术领域，特别涉及一种水下管道定位方法及装置。
背景技术
在水下管道的敷设、维修及风险预判工作中，需要首先对水下管道定位，由于水下环境中的遮掩物或磁场干扰通常会影响卫星信号的传输，无法直接利用DGPS(Differential Global Position System，差分全球定位系统)卫星技术定位水下管道。因此，目前在水下管道定位技术方面普遍使用水下声定位系统。
水下声定位系统是指用水声设备确定水下载体或设备的方位、距离的技术，例如超短基线、短基线以及长基线技术等。
上述通过水下声定位系统来进行水下管道定位方法定位的精度低，无法满足水下高精度定位的要求。
发明内容
本公开实施例提供了一种水下管道定位方法及装置，能够解决目前常用的管道定位方法及装置定位的精度低，无法满足水下高精度定位的要求的问题。
该技术方案如下：
一方面，提供了一种水下管道定位方法，该方法包括：
获取基准站的第一坐标；
对该基准站进行检测，得到该基准站的第二坐标；
获取将该第二坐标修正为该第一坐标所需的修正值；
定位装置漂浮在管道上方水面上的任一第一目标点时，获取该第一目标点的第三坐标；
基于该修正值，对该第三坐标进行修正，得到该第一目标点的第四坐标；
以该第一目标点为起点向水下移动，实时记录位移；
当该定位装置移动至该管道上任一第二目标点的正上方的河床上时，基于该第四坐标、该定位装置的位移和该定位装置与该第二目标点之间的高度差，获取该第二目标点的第五坐标；
基于每个该第二目标点的第五坐标，获取该水下管道的路由。
在一种可能实现方式中，以该第一目标点为起点向水下移动，实时记录位移包括：
以该第一目标点为起点向水下移动；
该陀螺仪实时获取基于第一坐标系的俯仰角、翻滚角以及航向角；
加速度计实时获取基于第一坐标系的加速度；
基于第一坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，根据旋转矩阵，获取第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度；
基于该第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，获取位移。
在一种可能实现方式中，该旋转矩阵为：
其中，b为该第一坐标系；n为该第二坐标系；为该旋转矩阵；ψ为绕z轴旋转的角度；θ为绕y轴旋转的角度；/>为绕x轴旋转的角度。
在一种可能实现方式中，基于该第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，通过下述公式(1)～公式(3)获取位移：
其中，N、E、U分别表示第二坐标系中的三个坐标轴；v表示速度，单位为m/s；a表示加速度，单位为m/s2；S表示位移，单位为m。
在一种可能实现方式中，该定位装置与该第二目标点之间的高度差的获取过程包括：
该定位装置中设有能够感应该管道的磁感应线圈，基于该磁感应线圈的感应信号，该定位装置获取该高度差。
在一种可能实现方式中，该基于该第四坐标、该定位装置的位移和该定位装置与该第二目标点之间的高度差，获取该第二目标点的第五坐标包括：
将该第四坐标和该定位装置的位移相加，得到该定位装置的坐标；
在该定位装置的坐标中，将高度方向上的坐标值与该高度差相减，得到该第五坐标。
在一种可能实现方式中，该第一坐标和该第二坐标之间的修正值为伪距修正值。
在一种可能实现方式中，该修正值用于修正由于大气层延迟、卫星星历或卫星钟产生的误差。
在一种可能实现方式中，获取基准站的第一坐标包括：
接收该基准站中的无线电台发射的该第一坐标。
一方面，提供了一种水下管道定位装置，该定位装置包括：信号接收机、陀螺仪、加速度计及控制单元；
该信号接收机用于接收卫星信号，基于该卫星信号获取坐标；
该陀螺仪用于输出移动过程中的俯仰角、翻滚角以及航向角；
该加速度计能够输出移动过程中的加速度。
本公开实施例提供的方法，基于基准站的精确的第一坐标，通过定位装置的定位及修正，得到水面上任一第一目标点的精确的第四坐标。由于定位装置在水下信号微弱，不能直接用于定位，使该定位装置以该第一目标点为起点向水下移动，并记录位移，当移动至管道上任一第二目标点的正上方的河床上时，通过第四坐标和位移，获取该定位装置的坐标，结合该定位装置与第二目标点之间的高度差，获取第二目标点的精确坐标，在管道上标记多个第二目标点，基于每个第二目标点的精确坐标，获取水下管道的路由，相对于使用传统的DGPS定位技术或者水下声定位系统测得的路由，该路由精度比较高，能够满足水下高精度定位的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施例提供的一种水下管道定位方法的流程图；
图2是本公开实施例提供的一种水下管道定位方法的流程图；
图3是本公开实施例提供的一种水下管道定位过程示意图；
图4是本公开提供的一种水下管道定位装置的定位原理图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
图1是本公开实施例提供的一种水下管道定位方法的流程图，请参见图1，该方法包括：
101、获取基准站的第一坐标。
102、对该基准站进行检测，得到该基准站的第二坐标。
103、获取将该第二坐标修正为该第一坐标所需的修正值。
104、定位装置漂浮在管道上方水面上的任一第一目标点时，获取该第一目标点的第三坐标。
105、基于该修正值，对该第三坐标进行修正，得到该第一目标点的第四坐标。
106、以该第一目标点为起点向水下移动，实时记录位移。
107、当该定位装置移动至该管道上任一第二目标点的正上方的河床上时，基于该第四坐标、该定位装置的位移和该定位装置与该第二目标点之间的高度差，获取该第二目标点的第五坐标。
108、基于每个该第二目标点的第五坐标，获取该水下管道的路由。
本公开实施例提供的方法，基于基准站的精确的第一坐标，通过定位装置的定位及修正，得到水面上任一第一目标点的精确的第四坐标。由于定位装置在水下信号微弱，不能直接用于定位，使该定位装置以该第一目标点为起点向水下移动，并记录位移，当移动至管道上任一第二目标点的正上方的河床上时，通过第四坐标和位移，获取该定位装置的坐标，结合该定位装置与第二目标点之间的高度差，获取第二目标点的精确坐标，在管道上标记多个第二目标点，基于每个第二目标点的精确坐标，获取水下管道的路由，相对于使用传统的DGPS定位技术或者水下声定位系统测得的路由，该路由精度比较高，能够满足水下高精度定位的要求。
在一种可能实现方式中，以该第一目标点为起点向水下移动，实时记录位移包括：以该第一目标点为起点向水下移动；该陀螺仪实时获取基于第一坐标系的俯仰角、翻滚角以及航向角；加速度计实时获取基于第一坐标系的加速度；基于第一坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，根据旋转矩阵，获取第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度；基于该第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，获取位移。
在一种可能实现方式中，该旋转矩阵为：
其中，b为该第一坐标系；n为该第二坐标系；为该旋转矩阵；ψ为绕z轴旋转的角度；θ为绕y轴旋转的角度；/>为绕x轴旋转的角度。
在一种可能实现方式中，基于该第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，通过下述公式(1)～公式(3)获取位移：
其中，N、E、U分别表示第二坐标系中的三个坐标轴；v表示速度，单位为m/s；a表示加速度，单位为m/s2；S表示位移，单位为m。
在一种可能实现方式中，该定位装置与该第二目标点之间的高度差的获取过程包括：该定位装置中设有能够感应该管道的磁感应线圈，基于该磁感应线圈的感应信号，该定位装置获取该高度差。
在一种可能实现方式中，该基于该第四坐标、该定位装置的位移和该定位装置与该第二目标点之间的高度差，获取该第二目标点的第五坐标包括：将该第四坐标和该定位装置的位移相加，得到该定位装置的坐标；在该定位装置的坐标中，将高度方向上的坐标值与该高度差相减，得到该第五坐标。
在一种可能实现方式中，该第一坐标和该第二坐标之间的修正值为伪距修正值。
在一种可能实现方式中，该修正值用于修正由于大气层延迟、卫星星历或卫星钟产生的误差。
在一种可能实现方式中，获取基准站的第一坐标包括：接收该基准站中的无线电台发射的该第一坐标。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。
图2是本公开实施例提供的一种水下管道定位方法的流程图，请参见图2，该方法包括：
201、获取基准站的第一坐标。
其中，该第一坐标为由全球定位系统测得并修正后的三维坐标，该定位装置包括：信号接收机、陀螺仪、加速度计及控制单元。
其中，该管道为一条由陆地延伸到水下，且水下的部分是埋设于河床中的管道。该基准站设置于管道的位于陆地上的部分上。
该基准站是对卫星导航信号进行长期连续观测，并由通信设施将观测数据实时或定时传送至数据中心的地面固定观测站。用于精准确定该点的经度、纬度和高程信息，也即是第一坐标，用于为后续的测量提供精确的基准，以供参照。
该信号接收机用于接收卫星信号，基于该卫星信号获取坐标；该陀螺仪用于输出移动过程中的俯仰角、翻滚角以及航向角；该加速度计能够输出移动过程中的加速度；在控制单元的带动下，该装置沿期望的轨迹行走。
该信号接收机可以是GPS(Global Positioning System，全球定位系统)的接收机，用于接收来自至少3颗卫星的信号，获取该信号接收机距离上述至少3颗卫星的距离，从而得到该信号接收机的坐标，值得注意的是，由信号接收机获得的坐标通常并不准确，需要通过各种方式去除误差，最终才能得到准确的坐标。
陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。主要用于该定位装置在移动时绕各个方向的轴的转动角度。
加速度计是测量运载体线加速度的仪表，由检测质量、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。
在一种可能实现方式中，接收该基准站中的无线电台发射的该第一坐标。也即是，该基准站可以是包括：一台GPS接收机和一台无线电台，利用差分GPS定位技术进行观测。GPS接收机获取到第二坐标，并将第二坐标发射给定位装置，由定位装置计算修正值。
或者，基于第二坐标，根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离修正值，并由基准站中的无线电台实时地将这一修正值发送出去，以便后续定位装置中的信号接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的修正值，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。
在一种可能实现方式中，该基准站也可以仅仅是已知第一坐标的点，在实际操作过程中，通过将定位装置移动到基准站的位置，来获取该基准站的第二坐标，这种方式可以节省建设基准站的费用。
202、对该基准站进行检测，得到该基准站的第二坐标。
根据步骤201中的基准站的结构的不同，该第二坐标可以是由基准站测出并发送给定位装置的，这样可以做到实时检测，实时接收，以便实时计算修正值，使数据的实效性更好，更准确。
该第二坐标也可以是由定位装置移动到基准站的位置来获取，本实施例对通过何种方式获取不作限定。
203、获取将该第二坐标修正为该第一坐标所需的修正值。
差分技术中使用修正值的目的是消除公共误差，提高定位精度。
在一种可能实现方式中，该修正值用于修正由于大气层延迟、卫星星历或卫星钟产生的误差。实际上，引起误差的因素还有很多，在此不再赘述。
在一种可能实现方式中，该第一坐标和该第二坐标之间的修正值为伪距修正值。
具体地，该伪距修正值可以通过下述公式(4)～公式(6)获取：
式中，(X0，Y0，Z0)表示基准站的第一坐标；(Xj,Yj,Zj)表示基准站的第二坐标，也即是测出的各卫星的地心坐标；Rj为每颗卫星每一时刻到基准站的真正距离；为伪距；dρj为伪距的变化率；Δρj为伪距修正值；Δt为观测的时长。
204、定位装置漂浮在管道上方水面上的任一第一目标点时，获取该第一目标点的第三坐标。
其中，该第一目标点可以是位于管道正上方的水面上，距离待测管道越近，则后续定位结果越准确。
该第三坐标的获取过程与定位装置在基准站的位置时，获取基准站的第二坐标的过程相似，在此不再赘述。
由于水下环境中的遮掩物或磁场干扰通常会影响卫星信号的传输，因此定位装置无法在水下直接用于定位。因此，获取第三坐标的目的在于，获取该第一目标点的准确坐标，基于该准确坐标，应用惯性导航系统记录该装置在水下的移动过程，获取该装置位移，从而获取该装置在水下的准确坐标。
205、基于该修正值，对该第三坐标进行修正，得到该第一目标点的第四坐标。
该第四坐标为在第三坐标的基础上，消除各种公共误差所得，较为精确，有利于后续的定位。
具体地，可以通过下述公式(7)和公式(8)来获取该第四坐标：
其中，和/>为经改正后的伪距；ρj(t)为伪距；Δρj(t)为伪距修正值；dρj(t-t0)为伪距的变化率；(Xp，Yp，Zp)表示第四坐标；(Xj,Yj,Zj)表示第三坐标；δt为钟差；V1为接收机噪声。
206、以该第一目标点为起点向水下移动，实时获取基于第二坐标系的俯仰角、翻滚角、航向角以及加速度。
位移可以是基于陀螺仪和加速度计所输出的数据计算所得。
其中，该陀螺仪实时获取基于第一坐标系的俯仰角、翻滚角以及航向角；加速度计实时获取基于第一坐标系的加速度；基于第一坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，根据旋转矩阵，获取第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度；基于该第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，获取位移。
上述步骤中的俯仰角、翻滚角以及航向角为该装置相对于坐标系中的三个正交的轴所旋转的角度，而第一坐标系可以是运载体坐标系，也即是该基于该装置本身结构定义的坐标系，第二坐标系可以是导航坐标系，导航坐标是确定运载体位置的每个参数，典型参数为经度和纬度。在实施例中，将地理坐标系作为导航坐标系。地理坐标系是使用三维球面来定义地球表面位置，以实现通过经纬度对地球表面点位引用的坐标系。一个地理坐标系包括角度测量单位、本初子午线和参考椭球体三部分。
具体地，在一种可能实现方式中，该旋转矩阵为：
其中，b为该第一坐标系；n为该第二坐标系；为该旋转矩阵；ψ为绕z轴旋转的角度；θ为绕y轴旋转的角度；/>为绕x轴旋转的角度。
207、基于该第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，获取位移。
具体地，通过下述公式(1)～公式(3)获取位移：
其中，N、E、U分别表示第二坐标系中的三个坐标轴；v表示速度，单位为m/s；a表示加速度，单位为m/s2；S表示位移，单位为m。
在上述步骤中，使用惯性导航系统，计算该定位装置在水下实时的位移情况，为后续的定位过程提供了准确的数据，使定位结果更为精确。
208、当该定位装置移动至该管道上任一第二目标点的正上方的河床上时，基于该第四坐标、该定位装置的位移和该定位装置与该第二目标点之间的高度差，获取该第二目标点的第五坐标。
其中，该定位装置可以是在第一目标点的基础上，沿竖直方向向下移动到河床上，恰好位于管道的正上方。或者沿着其他路径移动至的管道的任意一点的正上方。
图3是本公开实施例提供的一种水下管道定位过程示意图，请参见图3，在实际操作过程中，该定位装置的行走路径可以是，水面上任一第一目标点，竖直下落至河床，在管道正上方沿河床行走一段距离，上升至水面；重复上述步骤。每一次上升至水面，都能获取到准确的坐标，因此使后续获取到的每第二目标点的坐标都更为精确。
在一种可能实现方式中，该定位装置与该第二目标点之间的高度差的获取过程包括：该定位装置中设有能够感应该管道的磁感应线圈，基于该磁感应线圈的感应信号，该定位装置获取该高度差。
该高度差用于与得到的定位装置的坐标叠加，得到管道上的第二目标点的实际坐标。该高度差还可以通过其他方式获取，本实施例对此不作限定。
在一种可能实现方式中，该基于该第四坐标、该定位装置的位移和该定位装置与该第二目标点之间的高度差，获取该第二目标点的第五坐标包括：将该第四坐标和该定位装置的位移相加，得到该定位装置的坐标；在该定位装置的坐标中，将高度方向上的坐标值与该高度差相减，得到该第五坐标。
上述过程消除了该装置在水下移动的过程中可能产生的误差，也消除了该装置所在的河床与管道实际位置之间的高度差，使得到的第五坐标更为精确。
209、基于每个该第二目标点的第五坐标，获取该水下管道的路由。
在实际操作过程中，在管道上标记多个第二目标点，基于每个第二目标点的精确坐标，获取水下管道的路由，该路由精度比较高，能够满足水下高精度定位的要求。其中，路由是指从管线的起点到通往每个目的地的路径，即管线的走向位置。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本公开的可选实施例，在此不再一一赘述。
本公开实施例提供的方法，基于基准站的精确的第一坐标，通过定位装置的定位及修正，得到水面上任一第一目标点的精确的第四坐标。由于定位装置在水下信号微弱，不能直接用于定位，使该定位装置以该第一目标点为起点向水下移动，并记录位移，当移动至管道上任一第二目标点的正上方的河床上时，通过第四坐标和位移，获取该定位装置的坐标，结合该定位装置与第二目标点之间的高度差，获取第二目标点的精确坐标，在管道上标记多个第二目标点，基于每个第二目标点的精确坐标，获取水下管道的路由，相对于使用传统的DGPS定位技术或者水下声定位系统测得的路由，该路由精度比较高，能够满足水下高精度定位的要求。
图4是本公开提供的一种水下管道定位装置的定位原理图，请参见图4，该定位装置包括：信号接收机401、陀螺仪402、加速度计403及控制单元404；
该信号接401收机用于接收卫星信号，基于该卫星信号获取坐标；
该陀螺仪402用于输出移动过程中的俯仰角、翻滚角以及航向角；
该加速度计403能够输出移动过程中的加速度。
本公开实施例提供的装置，基于基准站的精确的第一坐标，通过定位装置的定位及修正，得到水面上任一第一目标点的精确的第四坐标。由于定位装置在水下信号微弱，不能直接用于定位，使该定位装置以该第一目标点为起点向水下移动，并记录位移，当移动至管道上任一第二目标点的正上方的河床上时，通过第四坐标和位移，获取该定位装置的坐标，结合该定位装置与第二目标点之间的高度差，获取第二目标点的精确坐标，在管道上标记多个第二目标点，基于每个第二目标点的精确坐标，获取水下管道的路由，相对于使用传统的DGPS定位技术或者水下声定位系统测得的路由，该路由精度比较高，能够满足水下高精度定位的要求。
上述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水下管道定位方法，其特征在于，所述方法包括：
获取基准站的第一坐标；
对所述基准站进行检测，得到所述基准站的第二坐标；
获取将所述第二坐标修正为所述第一坐标所需的修正值；
定位装置漂浮在管道上方水面上的任一第一目标点时，获取所述第一目标点的第三坐标；
基于所述修正值，对所述第三坐标进行修正，得到所述第一目标点的第四坐标；
以所述第一目标点为起点向水下移动，实时记录位移；
当所述定位装置移动至所述管道上任一第二目标点的正上方的河床上时，基于所述第四坐标、所述定位装置的位移和所述定位装置与所述第二目标点之间的高度差，获取所述第二目标点的第五坐标；
基于每个所述第二目标点的第五坐标，获取所述水下管道的路由。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以所述第一目标点为起点向水下移动，实时记录位移包括：
以所述第一目标点为起点向水下移动；
陀螺仪实时获取基于第一坐标系的俯仰角、翻滚角以及航向角；
加速度计实时获取基于第一坐标系的加速度，所述第一坐标系是运载体坐标系；
基于第一坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，根据旋转矩阵，获取第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，所述第二坐标系为导航坐标系；
基于所述第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，获取位移。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述旋转矩阵为：
其中，为所述第一坐标系；/>为所述第二坐标系；/>为所述旋转矩阵；/>为绕z轴旋转的角度；/>为绕y轴旋转的角度；/>为绕x轴旋转的角度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述第二坐标系中的俯仰角、翻滚角、航向角和加速度，通过下述公式（1）~公式（3）获取位移：
公式（1）
公式（2）
公式（3）
其中，、/>、/>分别表示第二坐标系中的三个坐标轴；/>表示速度，单位为m/s；/>表示加速度，单位为m/s2；/>表示位移，单位为m。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定位装置与所述第二目标点之间的高度差的获取过程包括：
所述定位装置中设有能够感应所述管道的磁感应线圈，基于所述磁感应线圈的感应信号，所述定位装置获取所述高度差。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第四坐标、所述定位装置的位移和所述定位装置与所述第二目标点之间的高度差，获取所述第二目标点的第五坐标包括：
将所述第四坐标和所述定位装置的位移相加，得到所述定位装置的坐标；
在所述定位装置的坐标中，将高度方向上的坐标值与所述高度差相减，得到所述第五坐标。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一坐标和所述第二坐标之间的修正值为伪距修正值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正值用于修正由于大气层延迟、卫星星历或卫星钟产生的误差。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取基准站的第一坐标包括：
接收所述基准站中的无线电台发射的所述第一坐标。
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