一种基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法，属于非开挖技术领域，解决了现有技术中地下管线三维轨迹的测量精度差的问题。本发明专利技术步骤包括：步骤1：建立MEMS陀螺仪和加速度计的误差模型；步骤2：建立速度、位置、姿态的误差方程；步骤3：根据管线测量仪运动特征、MEMS传感器误差模型和速度、位置、姿态误差方程确定状态变量以及状态方程；步骤4：利用MEMS磁强计、里程仪和准零速信息作为外部量测量，建立卡尔曼滤波的量测方程；步骤5：将卡尔曼滤波连续系统离散化；步骤6：进行卡尔曼滤波方程解算，根据解算结果对陀螺、加速度计输出数据进行补偿，同时对速度、姿态和位置结果进行修正。本发明专利技术提高了管线三维轨迹的测量精度。量精度。量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法


[0001]本专利技术涉及非开挖
，尤其涉及一种基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法。

技术介绍

[0002]地下管线指在城镇中埋藏在地下的承担着城镇中供水、燃气、热力等传输工作的各种管道。随着城市发展，地下管线的数量逐年增多，由于地下管线破坏而引发的事故也时有发生，施工过程中破坏地下管线会造成爆炸、停水、停电、路面塌陷、污水上涌等事件，给居民生活带来极大不便，甚至会造成人员伤亡。因此，掌握地下管线的分布情况，对减少财产损失和保护群众的生命安全来说尤为重要，这就需要绘制出精确的地下管线三维轨迹。
[0003]目前地下管线的检测方法主要有地质雷达探测法、电阻率法、磁梯度法、红外辐射法等。但这些方法在测量范围和使用条件上都具有一些缺点：(1)测量误差随着深度的增加而增大，一般仅适用于测量埋深较浅的管道；(2)工作时都是在地面接收电磁信号或电流信号，测量结果易受环境的干扰；(3)不适用于所有管材，有的只适用于金属管材，有的只适用于非金属管材。
[0004]惯性管道定位法是近些年兴起的新型管线三维轨迹测量方法，是以加速度计和陀螺仪作为IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)，利用惯性测量算法对加速度计和陀螺仪测得的数据进行解算，从而得到地下管线的三维轨迹。在惯性测量过程中，由于惯性测量算法是对时间的积分，会导致误差随时间进行累计，因此现在的管道信息解算多利用IMU融合里程仪航位推算信息，或用管道内GPS标注位置信息进行误差修正。目前国际上最先进的是比利时Reduct公司生产的系列产品，对于几百米的管线，Reduct公司生产的惯性定位仪的测量误差可以控制在10cm以内，具有很高的测量精度。目前其售价约为百万，价格十分昂贵。
[0005]MEMS(Micro
‑
Electro
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Mechanical System，微机电系统)陀螺是近些年兴起的新型传感器，其精度虽不及光纤陀螺，但价格、体积、重量等较之光纤陀螺都有一定优势，这使得MEMS陀螺仪在惯性测量系统中逐渐占有一席之地。目前的管道轨迹解算多利用里程轮或管道内GPS标注位置信息来修正MEMS IMU解算的惯性测量误差。但里程轮易出现空转、打滑等情况，会影响航位推算精度；许多老旧管道内部并未设有GPS定位标注，而是只有管道起止口才能得到GPS信息。当没有GPS定位标注时，仅依靠里程仪测得的管线三维轨迹精度会大幅度降低。

技术实现思路

[0006]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法，用以解决现有地下管线三维轨迹的测量精度差的问题。
[0007]本专利技术提供了一种基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法，步骤包括：
[0008]步骤1：建立MEMS陀螺仪和加速度计的误差模型；
[0009]步骤2：建立速度、位置、姿态参数的误差方程；
[0010]步骤3：根据管线测量仪的运动特征、MEMS陀螺仪和加速度计的误差模型和速度、位置、姿态误差方程确定状态变量以及状态方程；
[0011]步骤4：利用MEMS磁强计、里程仪和准零速信息作为外部量测量，建立卡尔曼滤波的量测方程；
[0012]步骤5：将卡尔曼滤波连续系统离散化；
[0013]步骤6：进行卡尔曼滤波方程解算，根据解算结果对陀螺、加速度计输出数据进行补偿，得到姿态和位置信息。
[0014]进一步地，所述步骤1中，陀螺仪误差模型为：
[0015][0016]加速度计误差模型为：
[0017][0018]进一步地，所述步骤4中，采用准零速信息、磁通门信息和里程仪信息作为外部观测量，对惯性导航解算的结果进行修正。
[0019]进一步地，所述步骤4中，MEMS
‑
IMU解算速度与准零速度约束之差为：
[0020][0021]进一步地，所述步骤4中，里程仪信息更新解算得到的纬度、经度和高度信息为：
[0022][0023]进一步地，所述步骤4中，由三轴加速度计结合三轴磁通门计算俯仰角θ、横滚角γ及方位角的公式为：
[0024][0025][0026]进一步地，所述步骤4中，管道三维轨迹测组合测量方法的量测方程：
[0027][0028]进一步地，所述步骤5中，将卡尔曼滤波连续系统离散化得：
[0029][0030]进一步地，所述步骤6中，对加速度计数据补偿为：
[0031][0032]进一步地，所述步骤6中，对陀螺数据补偿为：
[0033][0034]与现有技术相比，本专利技术至少可实现如下有益效果之一：
[0035](1)本专利技术将MEMS
‑
IMU、MEMS磁强计、里程仪和准零速信息进行融合，利用卡尔曼滤波技术对管线三维轨迹参数进行最优估计，用来补偿IMU测量系统随时间快速发散的高度通道以及随积分计算不断积累的速度参数、位置参数等，从而提高管线三维轨迹的测量精度。
[0036](2)本专利技术采用正逆向Kalman滤波融合算法，按照时间逆序对IMU数据进行逆向解算，同时依旧融合MEMS磁强计、里程仪和准零速信息进行滤波，得到逆向测量的最优结果，最后将正逆向滤波得到的滤波结果进行融合，进一步提高管线测量精度；
[0037](3)本专利技术采用低价格的MEMS传感器，在降低成本的同时提高管线测量精度。
[0038]本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所
特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0039]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0040]图1为具体实施例的Kalman滤波器基本原理示意图；
[0041]图2为具体实施例的航位推算位置信息更新计算原理示意图；
[0042]图3为具体实施例的正、逆向滤波双向融合算法流程图。
具体实施方式
[0043]下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本专利技术一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理，并非用于限定本专利技术的范围。
[0044]本专利技术的一个具体实施例，公开了一种基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法。
[0045]离散线性系统的卡尔曼滤波状态方程和观测方程可表示为：
[0046][0047]Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)(2)
[0048]式中：X(t)为状态量，Z(t)为量测量，F(t)为状态转移矩阵，H(t)为观测矩阵，G(t)过程噪声转移矩阵，W(t)为过程噪声，V(t)为观测噪声。
[0049]进而将状态方程(1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法，其特征在于，步骤包括：步骤1：建立MEMS陀螺仪和加速度计的误差模型；步骤2：建立速度、位置、姿态参数的误差方程；步骤3：根据管线测量仪的运动特征、MEMS陀螺仪和加速度计的误差模型和速度、位置、姿态误差方程确定状态变量以及状态方程；步骤4：利用MEMS磁强计、里程仪和准零速信息作为外部量测量，建立卡尔曼滤波的量测方程；步骤5：将卡尔曼滤波连续系统离散化；步骤6：进行卡尔曼滤波方程解算，根据解算结果对陀螺、加速度计输出数据进行补偿。2.根据权利要求1所述的基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法，其特征在于，所述步骤1中，陀螺仪误差模型为：加速度计误差模型为：3.根据权利要求1所述的基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法，其特征在于，所述步骤4中，采用准零速信息、磁通门信息和里程仪信息作为外部观测量，对惯性导航解算的结果进行修正。4.根据权利要求3所述的基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法，其特征在于，所述步骤4中，M...

【专利技术属性】
技术研发人员：王璐，李平飞，胡远彪，白雪松，祖雨彤，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：