本發(fā)明屬于慣性測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測量地下管道空間位置的方法。

背景技術(shù)：

地下管道越來越密集，許多管道需要維護、診斷和修理，臨近其它管道的維護和檢測時常會影響到鄰近管道的正常運行。這些管道隸屬于不同的公司和產(chǎn)權(quán)單位，需要各管道部門之間交換管道準(zhǔn)確信息，以確保臨近管道施工時，不會損壞到自己的管道。管道空間位置技術(shù)是當(dāng)前城市規(guī)劃建設(shè)的重要發(fā)展方向，國內(nèi)多個大城市已相繼出臺政策加強對管道驗收要求相關(guān)規(guī)定。

目前，主要的管道測量方法有探地雷達、地下管道探測儀等。其中探地雷達易受雜散電波、地質(zhì)環(huán)境等因素的影響，在目標(biāo)管道周圍有空洞、水穴、電纜干擾的情況下易產(chǎn)生誤指示，對于埋設(shè)較深或管徑小于100mm的管道難以探明。地下管道探測儀不能完全滿足非開挖等施工公司的需要，尤其是實際探測深度受到很大限制，很難在10米以下的深度準(zhǔn)確測量地下管道的埋設(shè)位置。

管道慣性測量技術(shù)是一種國際上領(lǐng)先的三維精確定位管道新技術(shù)，將陀螺儀原理與計算機三維計算技術(shù)整合在一起，巧妙地綜合利用陀螺儀導(dǎo)航技術(shù)、重力場、計算機矢量計算等交叉學(xué)科原理，自動生成基于X、Y、Z三維坐標(biāo)的地下管道空間位置曲線圖，從而實現(xiàn)精確定位大埋深管道而不再受管道材質(zhì)、管道埋深或周圍環(huán)境地質(zhì)條件限制，其定位精度達2.5‰。該技術(shù)可應(yīng)用于非開挖、燃?xì)?、排水、電力、化工、通訊等領(lǐng)域，可彌補傳統(tǒng)管道定位方法的不足，達到快速、準(zhǔn)確、安全定位地下管道的目的。除器件小型化、器件精度等技術(shù)限制，高精度的測量數(shù)據(jù)處理方法是主要的技術(shù)瓶頸。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的為：提出一種高精度且工程實用的測量地下管道空間位置測量的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種測量地下管道空間位置的方法，其特征為：所述的方法根據(jù)獲得的管道兩端的空間位置信息和管道的里程數(shù)據(jù)、慣性數(shù)據(jù)，分別以管道兩端的空間位置為初值，進行時間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計算，并融合獲得的兩組處理結(jié)果，獲得管道的空間位置。

作為本技術(shù)方案的一種改進，所述的方法包括如下步驟：

步驟一，獲取管道兩端的空間位置信息，以及管道的里程數(shù)據(jù)和慣性數(shù)據(jù)，慣性數(shù)據(jù)包括角增量、速度增量；

步驟二，分別以管道兩端的空間位置為初值，進行時間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計算，獲得兩組測量結(jié)果及精度評估；

步驟三，融合步驟二中獲得的兩組處理結(jié)果，獲得管道的空間位置。

作為本技術(shù)方案的一種改進，濾波的狀態(tài)為：

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為組合濾波濾波狀態(tài)向量，x_SINS為與慣導(dǎo)對應(yīng)的15維狀態(tài)狀態(tài)向量，φ為三維慣導(dǎo)姿態(tài)誤差，δvⁿ為三維慣導(dǎo)速度誤差，δP為三維慣導(dǎo)位置誤差，ε^b為三軸陀螺漂移，▽^b為三軸加速度計零位，x_OD為里程計相關(guān)的三維誤差狀態(tài)，δK_od為里程儀刻度系數(shù)誤差，δα_θ為里程儀俯仰方向的安裝角偏差，δα_ψ為里程儀航向方向的安裝角偏差。

作為本技術(shù)方案的一種改進，通過后向捷聯(lián)慣性算法進行時間逆序的慣導(dǎo)解算。

作為本技術(shù)方案的一種改進，通過后向慣性/里程組合模型進行時間逆向濾波計算。

作為本技術(shù)方案的一種改進，根據(jù)以下公式，對進行時間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計算后得到的數(shù)據(jù)進行融合，

其中，為時間順序測量的三維坐標(biāo)結(jié)果，P_f為時間順序組合濾波的方差陣，為時間逆序測量的三維坐標(biāo)結(jié)果，P_b為時間逆序組合濾波的方差陣。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明是一種地下管道空間位置的測量方法。本發(fā)明采用雙向慣性解算及組合濾波處理及融合的方法測定管道空間位置，計算方法架構(gòu)簡單可靠，具有較好的工程適用性。該技術(shù)不受管道材質(zhì)、管道埋深或周圍環(huán)境地質(zhì)條件限制，可彌補傳統(tǒng)管道定位方法的不足，達到快速、準(zhǔn)確、安全定位地下管道的目的。

具體實施方式

根據(jù)獲得的管道兩端的空間位置信息和管道的里程數(shù)據(jù)、慣性數(shù)據(jù)，分別以管道兩端的空間位置為初值，進行時間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計算，并融合獲得的兩組處理結(jié)果，獲得管道的空間位置。本發(fā)明提供了一種地下管道空間位置的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、獲取管道兩端的空間位置信息，以及管道的里程數(shù)據(jù)和慣性數(shù)據(jù)，慣性數(shù)據(jù)包括角增量、速度增量；

步驟2、分別以管道兩端的空間位置為初值，進行時間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計算，獲得兩組測量結(jié)果及精度評估；

步驟3、融合步驟二中獲得的兩組處理結(jié)果，獲得管道的空間位置。

在步驟2中，慣性/里程儀組合濾波方法采用卡爾曼濾波算法，濾波狀態(tài)選用如下18維狀態(tài)向量：

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

x_OD＝[δK_od δα_θ δα_ψ]^T

這里，x為組合濾波濾波狀態(tài)向量；x_SINS為與慣導(dǎo)對應(yīng)的15維狀態(tài)狀態(tài)向量；φ為三維慣導(dǎo)姿態(tài)誤差；δvⁿ為三維慣導(dǎo)速度誤差；δP為三維慣導(dǎo)位置誤差；ε^b為三軸陀螺漂移；▽^b為三軸加速度計零位；x_OD為里程計相關(guān)的三維誤差狀態(tài)；δK_od為里程儀刻度系數(shù)誤差；δα_θ為里程儀俯仰方向的安裝角偏差；δα_ψ為里程儀航向方向的安裝角偏差。

在步驟2中，通過后向捷聯(lián)慣性算法進行時間逆序的慣導(dǎo)解算。在后向捷聯(lián)算法中，首先進行姿態(tài)更新得到然后進行速度更新和位置更新。具體后向捷聯(lián)姿態(tài)算法為：

這里，為當(dāng)前時刻姿態(tài)四元數(shù)表示；為前一時刻姿態(tài)四元數(shù)表示；為從當(dāng)前時刻到前一時刻的導(dǎo)航系姿態(tài)變化，一般管道測量距離僅幾百米，導(dǎo)航系的變化可忽略；

為前一時刻到當(dāng)前時刻的機體系姿態(tài)變化；φ_k為根據(jù)陀螺采樣計算得到的旋轉(zhuǎn)矢量。

在步驟2中，通過后向慣性/里程組合模型進行時間逆向濾波計算。具體后向組合濾波的量測方程與時間順序組合一樣，后向組合系統(tǒng)模型如下：

這里，τ后向組合的時間變量為；x為濾波狀態(tài)；F為時間順序濾波的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；w為時間順序濾波的系統(tǒng)噪聲。

進一步的，在步驟3中，根據(jù)以下公式，對進行時間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計算后得到的數(shù)據(jù)進行融合，

其中，為時間順序測量的三維坐標(biāo)結(jié)果，P_f為時間順序組合濾波的方差陣，為時間逆序測量的三維坐標(biāo)結(jié)果，P_b為時間逆序組合濾波的方差陣。