管道中心线的惯性导航测量方法
【专利摘要】本发明是一种埋地管道的管道中心线的惯性导航测量方法。它采用惯性导航检测定位器进行测量，该惯性导航检测定位器由移动载体单元、惯性测量单元、里程轮、数据存储单元、数据下载及处理单元、速度控制单元、地面跟踪定位及电源管理单元构成；其流程为：先对检测设备设置参数；结合GPS系统完成初始坐标设置；设备自检及归零；如未完成，则转回对检测设备设置参数；如完成，则将惯性导航系统搭载至检测器或其他载体上；检测并实时采集数据；检测完毕；GPS系统对末端位置进行标定；下载数据并进行后处理，解算中心线数据；误差修正并完成坐标绘制；结束。本发明能够精确描绘出管道中心线三维坐标、走向、位移甚至管道变形。
【专利说明】管道中心线的惯性导航测量方法
【技术领域】
[0001]本发明是一种适用于埋地管道中心线位置高精度定位的测试方法。涉及管道位移监测及油气管道安全运行【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着国内油气行业的不断发展，长距离埋地油气管道越来越多的应用于油气产品的运输之中。由于地质灾害等的影响会导致管道发生位移、变形，从而在局部管体产生较大的弯曲应变，严重时导致管道失稳或材料破坏，局部弯曲应变处的管体除承受正常的内压载荷外，还承受弯曲应变附加的弯曲应力载荷，因此管道弯曲应变的存在严重影响管道的结构完整性与运行安全，特别是弯曲应变处存在严重缺陷时更容易导致管道失效使得管道的安全性得不到保障。管道的安全性在油气传输中有着非常重要的地位，一旦管道出现问题，油气的输送就会受到影响。为了避免管道失效事故的发生，需要对管道的中心线位置进行定位测量，以确定管道当前的具体位置，并对比以往数据进行位移、变形计算。根据测绘数据评价管道结构完整性，查找管道发生较大变形的高风险点，从而提前采取有效的措施。
[0003]目前对于管道位置的检测，主要采用卫星定位系统、管道探测仪、地探雷达等方法，但是由于管道掩埋于地下，使得这些技术对定位管道中心线位置存在很大的局限性，难以做到全面、系统地检测管道的位移甚至变形。
[0004]惯性导航系统是一种先进的导航方法，它利用惯性元件(陀螺仪、加速度计)测量出运动载体的加速度等参数，经过计算后便可以获得物体速度和位置，供导航使用。由于它的完全自主性，惯性导航已经广泛用于航天、航空、航海和许多民用领域，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备，能够提供精确的姿态和多种导航信息。但还未应用于管道中心线的测量上。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是发明一种能够精确描绘出管道中心线三维坐标、走向、位移甚至管道变形的管道中心线的惯性导航测量方法。
[0006]基于惯性导航的管道中心线测量方法如图1和图2所示。用于测量的惯性导航检测定位器由移动载体单元、惯性测量单元、里程轮、数据存储单元、数据下载及处理单元、速度控制单元、地面跟踪定位及电源管理单元构成。其流程为:
[0007]在检测开始后，对检测设备设置参数；
[0008]结合GPS系统完成初始坐标设直；
[0009]设备自检及归零；
[0010]如未完成，则转回对检测设备设置参数；如完成，则将惯性导航系统搭载至检测器或其他载体上；
[0011]检测并实时采集数据；
[0012]检测完毕；[0013]GPS系统对末端位置进行标定；
[0014]下载数据并进行后处理，解算中心线数据；
[0015]误差修正并完成坐标绘制；
[0016]结束。
[0017]在检测开始后，对检测设备设置参数；结合GPS系统完成初始坐标设置；完成里程轮的归零及设备自检。其后将惯性导航单元搭载管道内检测器或其他载体上，通过驱动结构依靠管道内液体或气体的压力，推动检测器或载体在管道内进行速度较稳定的运动。定位内检测器或载体在管道中长时间行走、检测，由导航计算机实时采集惯性测量单元内加速度计、陀螺仪以及外置里程轮的数据，进行惯性导航姿态、速度等参数采集，通过滤波和迭代估计出导航误差并修正，从而得到高精度的位置、姿态角和速度信息。轨迹测绘系统原理示意图如图2所示。
[0018]惯导数据经惯性导航解算，获取载体的姿态矩阵和速度向量，结合里程轮数据，采用航位推算算法，求算出载体的位置向量，即载体在管道内的位置变化量，加上初始坐标既可得到载体在管道内的瞬时位置，所有位置连接起来，获得管道中心线数据。
[0019]由于惯性导航系统依靠推算方法确定载体位置，误差随时间累积，需要通过GPS系统对惯导进行校正。首先，采用差分GPS获取高精度的标定坐标，将一台GPS接收机放置在一个已知点上，一台放置在待测点上，同时接受来自GPS卫星星座的信号，由于两台接收机具有相同的星历误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差等，经过差分解算消除测量点误差，获取高精度的GPS位置。然后，将惯导位置数据、速度向量、里程计数据和GPS坐标采用优化滤波(前卡尔曼滤波)算法，获取惯导装置的姿态矩阵误差，里程计误差等误差估计值，再次经航位推算解算，从数据中减去所有误差值。最后，反转数据，采用后向数据解算方法，模拟测量装置在管线内反方向运行，经过同样处理过程解算出载体在管线内的位置，将正向计算结果和反向计算结果合并，经优化滤波平滑算法，获取载体在管线内任一位置的最优估计值，完成标定计算。
[0020]惯性导航测量装置向速度控制环节传递内检测器实时速度，构成控制闭环，达到速度控制目的；通过地面跟踪定位确定内检测器位置，保持和地面的联系；将惯性导航测量装置、地面跟踪定位单元测得的数据信息进行存储。当内检测器或载体从管道中出来以后，再次利用GPS系统对末端位置进行标定，并将存储的数据和里程轮的里程信息融合，利用地面跟踪定位单元已知的高精度位置信息结合里程计航位推算结果对系统的导航误差进行修正，以进一步提高定位精度从而完成对管道轨迹的精确测量，绘制管道中心线轨迹，确定管道中心线具体位置。
[0021]通过使用高精度的惯性导航单元，可以使得地面参考点距离为Ikm时定位误差小于2m。本测量方法完全能够满足埋地管道中心线定位需要。
[0022]本发明根据惯性导航系统的特性提出了一种管道中心线的惯性测量方法。将其搭载至管道内检测器上对油气管道进行检测，可以在管道正常运行状态下，使用惯性测量单元测绘出管道的三维相对位置坐标，结合地面高精度参考点GPS坐标定位及修正，能够精确描绘出管道中心线三维坐标与走向。利用管道惯性测绘内检测获得的管道中心线曲率变化数据，能够有效识别出由于环境因素等所诱发的管道局部变形与位移区域，并评价相应区域管道的结构完整性，为管道事故的预防和合理维护提供科学依据，对保证管道的安全运行具有重要作用。今后，将管道惯性测绘数据与变形、漏磁、超声内检测数据结合起来，能够解算出管道所有参考环焊缝的GPS坐标，并绘制成工程图，极大方便管道维修方案制定与开挖定位，提高维修效率，节省维修费用。另外，管道位移检测技术获取的管道中心线坐标还是管道完整性管理的重要基础数据，结合GIS、GPS等技术可实现管道的数字化、可视
化管理。
[0023]本发明能够测绘埋地管道的中心线位置、走向、位移甚至管道变形。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1管道中心线惯性导航测试方法流程图
[0025]图2轨迹测绘系统原理示意图
[0026]图3第一次检测器运动轨迹(管道测绘曲线)
[0027]图4第二次检测器运动轨迹(管道测绘曲线)
[0028]图5三次测试检测器轨迹比较(管道测绘曲线)
[0029]图6三次测试检测器轨迹“经度-高度”曲线
【具体实施方式】
[0030]实例例.用于测量的惯性导航检测定位器由移动载体单元、惯性测量单元、里程轮、数据存储单元、数据下载及处理单元、速度控制单元、地面跟踪定位及电源管理单元构成。其流程为:
[0031]在检测开始后，对检测设备设置参数；
[0032]结合GPS系统完成初始坐标设直；
[0033]设备自检及归零；
[0034]如未完成，则转回对检测设备设置参数；如完成，则将惯性导航系统搭载至检测器或其他载体上；
[0035]检测并实时采集数据；
[0036]检测完毕；
[0037]GPS系统对末端位置进行标定；
[0038]下载数据并进行后处理，解算中心线数据；
[0039]误差修正并完成坐标绘制；
[0040]结束。
[0041]使用本测量方法对某管道进行了多次测量。第一次测试使管道保持统一水平高度进行测量。在正式检测之前，首先对管道起点中心位置进行定位，经度为116.731304、纬度为39.489336、高度为25.0m，设定载体速度为lm/s，由于检测器或载体以旋转方式在管道中前进，所以对载体车轮侧偏3度。待系统自检完毕后，开始进行测试。如图3为检测器运动轨迹图。从图3中及检测数据可以得到，检测器在管道中旋转约2.5圈，前进距离为96.5946m，且完全得到整条管道中心线的坐标。检测完毕后对管道长度进行测量，实际长度为96.6m,与检测器测试结果基本一致。
[0042]第二次进行重复测量，比较数据的可重复性。如图4，为第二次充分测量数据。
[0043]第三次测试将管道中部沉降0.25m，通过本测试方法进行测量。如图5所示，第三次测试轨迹与前两次测试数据对比。如图6所示为三次测试检测器轨迹“经度-高度”曲线，从图中可以明显看出第三次测量与前两次测量的中部高度相差约0.23m，这与实际管道下沉高度一致，证明了本测试方法的准确性。
[0044]本例经试验，能够测绘埋地管道的中心线位置、走向、位移甚至管道变形。
【权利要求】
1.一种适用于埋地管道的管道中心线的惯性导航测量方法，其特征在于采用惯性导航检测定位器进行测量，该惯性导航检测定位器由移动载体单元、惯性测量单元、里程轮、数据存储单元、数据下载及处理单元、速度控制单元、地面跟踪定位及电源管理单元构成；其流程为: 在检测开始后，对检测设备设置参数； 结合GPS系统完成初始坐标设置； 设备自检及归零； 如未完成，则转回对检测设备设置参数；如完成，则将惯性导航系统搭载至检测器或其他载体上； 检测并实时采集数据； 检测完毕； GPS系统对末端位置进行标定； 下载数据并进行后处理，解算中心线数据； 误差修正并完成坐标绘制； 结束。
2.根据权利要求1所述的管道中心线的惯性导航测量方法，其特征在于所述检测并实时采集数据是由导航计算机实时采集惯性测量单元内加速度计、陀螺仪以及外置里程轮的数据，进行惯性导航姿态、速度参数采集。 通过滤波和迭代估计出导航误差并修正，从而得到高精度的位置、姿态角和速度信息。
3.根据权利要求1所述的管道中心线的惯性导航测量方法，其特征在于所述解算中心线数据是获取载体的姿态矩阵和速度向量，结合里程轮数据，采用航位推算算法，求算出载体的位置向量，即载体在管道内的位置变化量，加上初始坐标即可得到载体在管道内的瞬时位置，所有位置连接起来，获得管道中心线数据。
4.根据权利要求1所述的管道中心线的惯性导航测量方法，其特征在于所述误差修正是采用差分GPS获取高精度的标定坐标，将一台GPS接收机放置在一个已知点上，一台放置在待测点上，同时接受来自GPS卫星星座的信号，由于两台接收机具有相同的星历误差、电离层延迟误差、对流层延迟误差，经过差分解算消除测量点误差，获取高精度的GPS位置；然后，将惯导位置数据、速度向量、里程计数据、GPS坐标采用前卡尔曼滤波算法，获取惯导装置的姿态矩阵误差和里程计误差估计值，再次经航位推算解算，从数据中减去所有误差值；最后，反转数据，采用后向数据解算方法，模拟测量装置在管线内反方向运行，经过同样处理过程解算出载体在管线内的位置，将正向计算结果和反向计算结果合并，经优化滤波平滑算法，获取载体在管线内任一位置的最优估计值，完成标定计算。
【文档编号】G01B15/06GK103697886SQ201210367128
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2012年9月28日
【发明者】冯庆善, 王学力, 李睿, 张海亮, 韩小明, 靳宏远, 冯文兴, 戴联双, 燕冰川, 李保吉, 项小强, 任重, 刘成海, 贾光明, 于智博, 沙胜义, 赵晓明 申请人:中国石油天然气股份有限公司