本發(fā)明屬于慣性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種測(cè)量地下管道空間位置的方法。
背景技術(shù)：
地下管道越來(lái)越密集，許多管道需要維護(hù)、診斷和修理，臨近其它管道的維護(hù)和檢測(cè)時(shí)常會(huì)影響到鄰近管道的正常運(yùn)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(shí)，不會(huì)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(guó)內(nèi)多個(gè)大城市已相繼出臺(tái)政策加強(qiáng)對(duì)管道驗(yàn)收要求相關(guān)規(guī)定。
目前，主要的管道測(cè)量方法有探地雷達(dá)、地下管道探測(cè)儀等。其中探地雷達(dá)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(duì)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(cè)儀不能完全滿足非開挖等施工公司的需要，尤其是實(shí)際探測(cè)深度受到很大限制，很難在10米以下的深度準(zhǔn)確測(cè)量地下管道的埋設(shè)位置。
管道慣性測(cè)量技術(shù)是一種國(guó)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(jì)算機(jī)三維計(jì)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(chǎng)、計(jì)算機(jī)矢量計(jì)算等交叉學(xué)科原理，自動(dòng)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(shí)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(dá)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(bǔ)傳統(tǒng)管道定位方法的不足，達(dá)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(cè)量數(shù)據(jù)處理方法是主要的技術(shù)瓶頸。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的為：提出一種高精度且工程實(shí)用的測(cè)量地下管道空間位置測(cè)量的方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種測(cè)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(jìn)行時(shí)間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計(jì)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(jìn)，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(jìn)行時(shí)間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計(jì)算，獲得兩組測(cè)量結(jié)果及精度評(píng)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(jìn)，濾波的狀態(tài)為：
xSINS＝[(φ)T (δvn)T (δP)T (εb)T (▽b)T]
xOD＝[δKod δαθ δαψ]T
其中，x為組合濾波濾波狀態(tài)向量，xSINS為與慣導(dǎo)對(duì)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，εb為三軸陀螺漂移，▽b為三軸加速度計(jì)零位，xOD為里程計(jì)相關(guān)的三維誤差狀態(tài)，δKod為里程儀刻度系數(shù)誤差，δαθ為里程儀俯仰方向的安裝角偏差，δαψ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(jìn)，通過(guò)后向捷聯(lián)慣性算法進(jìn)行時(shí)間逆序的慣導(dǎo)解算。
作為本技術(shù)方案的一種改進(jìn)，通過(guò)后向慣性/里程組合模型進(jìn)行時(shí)間逆向?yàn)V波計(jì)算。
作為本技術(shù)方案的一種改進(jìn)，根據(jù)以下公式，對(duì)進(jìn)行時(shí)間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計(jì)算后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，
其中，為時(shí)間順序測(cè)量的三維坐標(biāo)結(jié)果，Pf為時(shí)間順序組合濾波的方差陣，為時(shí)間逆序測(cè)量的三維坐標(biāo)結(jié)果，Pb為時(shí)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(cè)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(cè)定管道空間位置，計(jì)算方法架構(gòu)簡(jiǎn)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(bǔ)傳統(tǒng)管道定位方法的不足，達(dá)到快速、準(zhǔn)確、安全定位地下管道的目的。
具體實(shí)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(jìn)行時(shí)間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計(jì)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(cè)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(jìn)行時(shí)間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計(jì)算，獲得兩組測(cè)量結(jié)果及精度評(píng)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：
xSINS＝[(φ)T (δvn)T (δP)T (εb)T (▽b)T]
xOD＝[δKod δαθ δαψ]T
這里，x為組合濾波濾波狀態(tài)向量；xSINS為與慣導(dǎo)對(duì)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；εb為三軸陀螺漂移；▽b為三軸加速度計(jì)零位；xOD為里程計(jì)相關(guān)的三維誤差狀態(tài)；δKod為里程儀刻度系數(shù)誤差；δαθ為里程儀俯仰方向的安裝角偏差；δαψ為里程儀航向方向的安裝角偏差。
在步驟2中，通過(guò)后向捷聯(lián)慣性算法進(jìn)行時(shí)間逆序的慣導(dǎo)解算。在后向捷聯(lián)算法中，首先進(jìn)行姿態(tài)更新得到然后進(jìn)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(shí)刻姿態(tài)四元數(shù)表示；為前一時(shí)刻姿態(tài)四元數(shù)表示；為從當(dāng)前時(shí)刻到前一時(shí)刻的導(dǎo)航系姿態(tài)變化，一般管道測(cè)量距離僅幾百米，導(dǎo)航系的變化可忽略；
為前一時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的機(jī)體系姿態(tài)變化；φk為根據(jù)陀螺采樣計(jì)算得到的旋轉(zhuǎn)矢量。
在步驟2中，通過(guò)后向慣性/里程組合模型進(jìn)行時(shí)間逆向?yàn)V波計(jì)算。具體后向組合濾波的量測(cè)方程與時(shí)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(shí)間變量為；x為濾波狀態(tài)；F為時(shí)間順序?yàn)V波的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；w為時(shí)間順序?yàn)V波的系統(tǒng)噪聲。
進(jìn)一步的，在步驟3中，根據(jù)以下公式，對(duì)進(jìn)行時(shí)間順序和逆序的慣導(dǎo)解算及慣性/里程儀組合濾波計(jì)算后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，
其中，為時(shí)間順序測(cè)量的三維坐標(biāo)結(jié)果，Pf為時(shí)間順序組合濾波的方差陣，為時(shí)間逆序測(cè)量的三維坐標(biāo)結(jié)果，Pb為時(shí)間逆序組合濾波的方差陣。