[发明专利]一种基于组合导航系统的地下管线三维轨迹测量方法

说明书

本发明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。本发明提高了管线三维轨迹的测量精度。

技术领域

本发明涉及非开挖技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

MEMS(Micro-Electro-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。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明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。

本发明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：

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；