一种基于厚尾鲁棒滤波的管线地理位置信息测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于厚尾鲁棒滤波的管线地理位置信息测量方法，为管线进行地理位置信息测量的技术。具体地说，利用MSINS与里程轮构成惯性/里程轮组合定位系统，通过系统动力装置驱动其在管线中运行获取与管线走向相关的传感器数据，并分别进行捷联惯性解算与航位推算；利用捷联惯性解算位置与航位推算位置差值作为量测信息，并针对里程轮打滑、滑行故障以及管线运动约束条件失效导致出现的位置量测野值信息利用厚尾鲁棒滤波器滤除，同时估计捷联惯性解算误差并校正管线地理位置信息输出，从而使系统提供连续、高精度的管线地理位置信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于厚尾鲁棒滤波的管线地理位置信息测量方法
本专利技术涉及一种管线地理位置信息测量方法，特别是一种基于厚尾鲁棒滤波的管线地理位置信息测量方法。
技术介绍
地下管线是城市基础设施的重要组成部分，给水、排水、燃气、供热等管线为人们日常生活输送物质以及能量，是保障城市正常有序生活的生命线。但随着管线运行时间增长与局部地质结构改变，如沉降、冻胀等各种环境因素易导致在役管线发生位移、形变，从而在局部管体产生较大弯曲应变，严重时导致管线失稳或材料破坏等管线失效问题，从而无法保障管线结构完整性与运行安全性。除此之外，管线腐蚀及焊缝材料失效等也会导致管线泄漏、爆炸等安全事故发生。所以，定期对管线运行状态检测、进行有效事故预防及维护对保障人民生命财产安全具有重大意义。管线地理位置信息测量是实现管线运行状态检测的关键技术之一。其作用主要包括：一、精确测量管线相对位移及形变，从而确定其结构力学是否正常；二、精确确定管线缺陷部位位置，以便维修作业，避免盲目开挖造成的人力、物力和财力浪费。传统地下管线定位方法主要包括电磁式管线探测仪、探地雷达等。但是，这些方法经常由于受管线深度或管线材质影响而无法精确得到已有非开挖管线的地理位置信息。基于惯性导航系统出色的测量能力，以及其完全自主、不依赖外界的测量原理，将微惯性捷联测量系统(MSINS)用于城市地下管线地理位置信息测量不仅能够克服现有管线定位方法的不足，而且可以满足城市地下管线地理位置信息测量在低成本、小尺寸、通用性等方面的需求。但是，由于MSINS采用微型惯性测量组件——微机械(MEMS)陀螺仪和加速度计作为其惯性测量单元，而微机械陀螺仪误差及稳定性较其他类型陀螺差，因此一般不宜单独使用而需用外传感器辅助。考虑到管线特殊地下应用环境，利用MSINS与里程轮构成组合定位系统是一种可行的组合定位方式。将里程轮提供的位置信息作为量测信息，利用滤波技术估计捷联惯性解算误差并校正，从而有效提高管线地理位置信息测量精度。但是，里程轮在管线内运行时经常会出现打滑或滑行故障等问题，而管道缺陷等因素也会使里程轮产生跳起等非管线运动模型约束动作，上述问题导致里程轮位置量测信息中存在野值，进而使量测噪声分布呈现明显的厚尾现象。现有惯性/里程轮组合定位系统中，通常利用传统卡尔曼滤波技术实现滤波状态估计。但是，传统卡尔曼滤波算法对于系统噪声和量测噪声的处理往往假设为高斯白噪声，这与实际系统中厚尾噪声存在明显建模误差，从而降低管线地理位置信息测量精度。因此，需要一种能够处理厚尾量测噪声的滤波方法解决里程轮打滑或跳起等问题，进而实现管线地理位置信息精确测量。在CNKI中关于惯性/里程轮管线组合定位技术的相关文章主要有5篇，分别是：《基于容积卡尔曼平滑滤波的管道缺陷定位技术》，主要研究利用MEMS捷联惯性测量系统与里程轮构成管线缺陷定位系统，其中使用的滤波算法是容积卡尔曼滤波器，而本专利技术中使用的滤波算法是厚尾鲁棒滤波器，所以与本专利技术中使用的滤波算法不一致。《采用MEMS惯导的小口径管道内检测定位方案可行性研究》，主要研究基于MEMS捷联惯性测量系统、管道里程计、地面标记器以及管道运动约束的管道组合定位技术，其中使用的滤波算法是扩展卡尔曼滤波器，与本专利技术中使用的组合器件以及滤波算法都不一致。《组合导航技术在油气管道测绘系统中的应用》，主要研究利用光纤陀螺捷联惯导系统、里程仪以及定距离磁标信号构成长输油气管线测绘系统，其中使用的滤波算法是L-D改进卡尔曼滤波器，与本专利技术中使用的组合器件以及滤波算法都不一致。《基于惯性导航的管道中心线测量方法》，主要研究利用激光陀螺捷联惯导系统、里程仪以及GPS构成管道中心线测量系统，而本专利技术主要是利用MEMS捷联测量系统和里程轮进行组合，所以和本专利技术中使用的组合器件不一致。《基于逆向解算的管道检测高精度定位方法》，主要研究基于捷联惯性导航系统、里程计以及位置标记点的管道定位方法，其中无论是正向解算还是逆向解算使用的滤波算法都是卡尔曼滤波器，与本专利技术中使用的滤波算法都不一致。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种可以在里程轮打滑、滑行故障或管线运动约束条件遭到破坏而导致非高斯厚尾量测噪声时将位置量测野值滤除，进而有效提高管线地理位置信息测量精度与稳定性的基于厚尾鲁棒滤波的管线地理位置信息测量方法。为解决上述技术问题，本专利技术的一种基于厚尾鲁棒滤波的管线地理位置信息测量方法，包括以下步骤：步骤1：将微惯性捷联测量系统以及里程轮固定安装于管线地理位置信息测量仪上，并将管线地理位置信息测量仪置于被测量管线入口处；步骤2：将待测量管线入口位置信息手工装订至微惯性捷联测量系统的导航计算机，所述的初始位置信息包括初始纬度初始经度λ0以及初始高度h0；步骤3：微惯性捷联测量系统进行预热以及初始对准；步骤4：将管线地理位置信息测量仪启动，利用测量仪上的动力装置驱动其在管线中运行，从而获取与管线走向相关的传感器数据，所述的传感器数据包括陀螺仪角速度输出加速度计比力输出fb以及里程轮里程增量输出ΔS；步骤5：利用陀螺仪与加速度计实时输出数据进行捷联惯性解算，得到捷联姿态矩阵沿地理坐标系东向、北向和天向的速度以及位置信息所述的位置信息包括纬度经度以及高度步骤6：基于管线运动约束条件，利用步骤5中获得的捷联姿态矩阵将里程轮的里程增量信息ΔS转换到地理坐标系，即步骤7：利用步骤6中获得的地理坐标系里程增量信息进行航位推算，得到航位推算位置信息所述的航位推算位置信息包括纬度经度以及高度步骤8：将步骤5中获得的捷联惯性解算位置信息以及与步骤7中获得的航位推算位置信息以及作差，得到系统量测信息Z，即步骤9：建立管线地理位置信息测量系统状态方程和量测方程；步骤10：启动厚尾鲁棒滤波器，估计微惯性捷联测量系统沿地理坐标系东向、北向和天向的速度误差δVE,δVN,δVU以及位置误差δλSINS,δhSINS；步骤11：利用步骤10中估计得到的微惯性捷联测量系统沿地理坐标系东向、北向和天向的速度误差δVE,δVN,δVU，反馈回微惯性捷联测量系统的导航计算机并校正微惯性捷联测量系统测量的沿地理坐标系东向、北向和天向的速度即利用步骤10中估计得到的微惯性捷联测量系统位置误差δλSINS以及δhSINS，反馈回微惯性捷联测量系统的导航计算机并校正微惯性捷联测量系统解算位置信息纬度经度以及高度即校正后的位置λSINS以及hSINS作为管线地理位置信息输出。本专利技术还包括：1.步骤9中建立管线地理位置信息测量系统状态方程具体为：系统的状态变量为其中：φ＝[φEφNφU]T为微惯性捷联测量系统姿态角误差；δVn＝[δVEδVNδVU]T为微惯性捷联测量系统速度误差；为微惯性捷联测量系统位置误差；为里程轮航位推算位置误差；εb＝[εxεyεz]T为载体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于厚尾鲁棒滤波的管线地理位置信息测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：将微惯性捷联测量系统以及里程轮固定安装于管线地理位置信息测量仪上，并将管线地理位置信息测量仪置于被测量管线入口处；/n步骤2：将待测量管线入口位置信息手工装订至微惯性捷联测量系统的导航计算机，所述的初始位置信息包括初始纬度

【技术特征摘要】
1.一种基于厚尾鲁棒滤波的管线地理位置信息测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将微惯性捷联测量系统以及里程轮固定安装于管线地理位置信息测量仪上，并将管线地理位置信息测量仪置于被测量管线入口处；
步骤2：将待测量管线入口位置信息手工装订至微惯性捷联测量系统的导航计算机，所述的初始位置信息包括初始纬度初始经度λ0以及初始高度h0；
步骤3：微惯性捷联测量系统进行预热以及初始对准；
步骤4：将管线地理位置信息测量仪启动，利用测量仪上的动力装置驱动其在管线中运行，从而获取与管线走向相关的传感器数据，所述的传感器数据包括陀螺仪角速度输出加速度计比力输出fb以及里程轮里程增量输出ΔS；
步骤5：利用陀螺仪与加速度计实时输出数据进行捷联惯性解算，得到捷联姿态矩阵沿地理坐标系东向、北向和天向的速度以及位置信息所述的位置信息包括纬度经度以及高度
步骤6：基于管线运动约束条件，利用步骤5中获得的捷联姿态矩阵将里程轮的里程增量信息ΔS转换到地理坐标系，即



步骤7：利用步骤6中获得的地理坐标系里程增量信息进行航位推算，得到航位推算位置信息所述的航位推算位置信息包括纬度经度以及高度
步骤8：将步骤5中获得的捷联惯性解算位置信息以及与步骤7中获得的航位推算位置信息以及作差，得到系统量测信息Z，即



步骤9：建立管线地理位置信息测量系统状态方程和量测方程；
步骤10：启动厚尾鲁棒滤波器，估计微惯性捷联测量系统沿地理坐标系东向、北向和天向的速度误差δVE,δVN,δVU以及位置误差δλSINS,δhSINS；
步骤11：利用步骤10中估计得到的微惯性捷联测量系统沿地理坐标系东向、北向和天向的速度误差δVE,δVN,δVU，反馈回微惯性捷联测量系统的导航计算机并校正微惯性捷联测量系统测量的沿地理坐标系东向、北向和天向的速度即



利用步骤10中估计得到的微惯性捷联测量系统位置误差δλSINS以及δhSINS，反馈回微惯性捷联测量系统的导航计算机并校正微惯性捷联测量系统解算位置信息纬度经度以及高度即



校正后的位置λSINS以及hSINS作为管线地理位置信息输出。


2.根据权利要求1所述的一种基于厚尾鲁棒滤波的管线地理位置信息测量方法，其特征在于：步骤9所述建立管线地理位置信息测量系统状态方程具体为：



系统的状态变量为



其中：
φ＝[φEφNφU]T为微惯性捷联测量系统姿态角误差；
δVn＝[δVEδVNδVU]T为微惯性捷联测量系统速度误差；

为微惯性捷联测量系统位置误差；

为里程轮航位推算位置误差；
εb＝[εxεyεz]T为载体系x,y,z三轴陀螺漂移；

为载体系x,y,z三轴加速度计零偏；
κD＝[αθδKαψ]T为里程轮误差，其中αθ为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李倩，赵显鹏，奔粤阳，赵玉新，陈立恒，吴磊，王洪星，戴平安，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23