管道中心線的慣性導航測量方法
【專利摘要】本發明是一種埋地管道的管道中心線的慣性導航測量方法。它采用慣性導航檢測定位器進行測量，該慣性導航檢測定位器由移動載體單元、慣性測量單元、里程輪、數據存儲單元、數據下載及處理單元、速度控制單元、地面跟蹤定位及電源管理單元構成；其流程為：先對檢測設備設置參數；結合GPS系統完成初始坐標設置；設備自檢及歸零；如未完成，則轉回對檢測設備設置參數；如完成，則將慣性導航系統搭載至檢測器或其他載體上；檢測并實時采集數據；檢測完畢；GPS系統對末端位置進行標定；下載數據并進行后處理，解算中心線數據；誤差修正并完成坐標繪制；結束。本發明能夠精確描繪出管道中心線三維坐標、走向、位移甚至管道變形。
【專利說明】管道中心線的慣性導航測量方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種適用于埋地管道中心線位置高精度定位的測試方法。涉及管道位移監測及油氣管道安全運行【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著國內油氣行業的不斷發展，長距離埋地油氣管道越來越多的應用于油氣產品的運輸之中。由于地質災害等的影響會導致管道發生位移、變形，從而在局部管體產生較大的彎曲應變，嚴重時導致管道失穩或材料破壞，局部彎曲應變處的管體除承受正常的內壓載荷外，還承受彎曲應變附加的彎曲應力載荷，因此管道彎曲應變的存在嚴重影響管道的結構完整性與運行安全，特別是彎曲應變處存在嚴重缺陷時更容易導致管道失效使得管道的安全性得不到保障。管道的安全性在油氣傳輸中有著非常重要的地位，一旦管道出現問題，油氣的輸送就會受到影響。為了避免管道失效事故的發生，需要對管道的中心線位置進行定位測量，以確定管道當前的具體位置，并對比以往數據進行位移、變形計算。根據測繪數據評價管道結構完整性，查找管道發生較大變形的高風險點，從而提前采取有效的措施。
[0003]目前對于管道位置的檢測，主要采用衛星定位系統、管道探測儀、地探雷達等方法，但是由于管道掩埋于地下，使得這些技術對定位管道中心線位置存在很大的局限性，難以做到全面、系統地檢測管道的位移甚至變形。
[0004]慣性導航系統是一種先進的導航方法，它利用慣性元件(陀螺儀、加速度計)測量出運動載體的加速度等參數，經過計算后便可以獲得物體速度和位置，供導航使用。由于它的完全自主性，慣性導航已經廣泛用于航天、航空、航海和許多民用領域，成為目前各種航行體上應用的一種主要導航設備，能夠提供精確的姿態和多種導航信息。但還未應用于管道中心線的測量上。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是發明一種能夠精確描繪出管道中心線三維坐標、走向、位移甚至管道變形的管道中心線的慣性導航測量方法。
[0006]基于慣性導航的管道中心線測量方法如圖1和圖2所示。用于測量的慣性導航檢測定位器由移動載體單元、慣性測量單元、里程輪、數據存儲單元、數據下載及處理單元、速度控制單元、地面跟蹤定位及電源管理單元構成。其流程為:
[0007]在檢測開始后，對檢測設備設置參數；
[0008]結合GPS系統完成初始坐標設直；
[0009]設備自檢及歸零；
[0010]如未完成，則轉回對檢測設備設置參數；如完成，則將慣性導航系統搭載至檢測器或其他載體上；
[0011]檢測并實時采集數據；
[0012]檢測完畢；[0013]GPS系統對末端位置進行標定；
[0014]下載數據并進行后處理，解算中心線數據；
[0015]誤差修正并完成坐標繪制；
[0016]結束。
[0017]在檢測開始后，對檢測設備設置參數；結合GPS系統完成初始坐標設置；完成里程輪的歸零及設備自檢。其后將慣性導航單元搭載管道內檢測器或其他載體上，通過驅動結構依靠管道內液體或氣體的壓力，推動檢測器或載體在管道內進行速度較穩定的運動。定位內檢測器或載體在管道中長時間行走、檢測，由導航計算機實時采集慣性測量單元內加速度計、陀螺儀以及外置里程輪的數據，進行慣性導航姿態、速度等參數采集，通過濾波和迭代估計出導航誤差并修正，從而得到高精度的位置、姿態角和速度信息。軌跡測繪系統原理示意圖如圖2所示。
[0018]慣導數據經慣性導航解算，獲取載體的姿態矩陣和速度向量，結合里程輪數據，采用航位推算算法，求算出載體的位置向量，即載體在管道內的位置變化量，加上初始坐標既可得到載體在管道內的瞬時位置，所有位置連接起來，獲得管道中心線數據。
[0019]由于慣性導航系統依靠推算方法確定載體位置，誤差隨時間累積，需要通過GPS系統對慣導進行校正。首先，采用差分GPS獲取高精度的標定坐標，將一臺GPS接收機放置在一個已知點上，一臺放置在待測點上，同時接受來自GPS衛星星座的信號，由于兩臺接收機具有相同的星歷誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差等，經過差分解算消除測量點誤差，獲取高精度的GPS位置。然后，將慣導位置數據、速度向量、里程計數據和GPS坐標采用優化濾波(前卡爾曼濾波)算法，獲取慣導裝置的姿態矩陣誤差，里程計誤差等誤差估計值，再次經航位推算解算，從數據中減去所有誤差值。最后，反轉數據，采用后向數據解算方法，模擬測量裝置在管線內反方向運行，經過同樣處理過程解算出載體在管線內的位置，將正向計算結果和反向計算結果合并，經優化濾波平滑算法，獲取載體在管線內任一位置的最優估計值，完成標定計算。
[0020]慣性導航測量裝置向速度控制環節傳遞內檢測器實時速度，構成控制閉環，達到速度控制目的；通過地面跟蹤定位確定內檢測器位置，保持和地面的聯系；將慣性導航測量裝置、地面跟蹤定位單元測得的數據信息進行存儲。當內檢測器或載體從管道中出來以后，再次利用GPS系統對末端位置進行標定，并將存儲的數據和里程輪的里程信息融合，利用地面跟蹤定位單元已知的高精度位置信息結合里程計航位推算結果對系統的導航誤差進行修正，以進一步提高定位精度從而完成對管道軌跡的精確測量，繪制管道中心線軌跡，確定管道中心線具體位置。
[0021]通過使用高精度的慣性導航單元，可以使得地面參考點距離為Ikm時定位誤差小于2m。本測量方法完全能夠滿足埋地管道中心線定位需要。
[0022]本發明根據慣性導航系統的特性提出了一種管道中心線的慣性測量方法。將其搭載至管道內檢測器上對油氣管道進行檢測，可以在管道正常運行狀態下，使用慣性測量單元測繪出管道的三維相對位置坐標，結合地面高精度參考點GPS坐標定位及修正，能夠精確描繪出管道中心線三維坐標與走向。利用管道慣性測繪內檢測獲得的管道中心線曲率變化數據，能夠有效識別出由于環境因素等所誘發的管道局部變形與位移區域，并評價相應區域管道的結構完整性，為管道事故的預防和合理維護提供科學依據，對保證管道的安全運行具有重要作用。今后，將管道慣性測繪數據與變形、漏磁、超聲內檢測數據結合起來，能夠解算出管道所有參考環焊縫的GPS坐標，并繪制成工程圖，極大方便管道維修方案制定與開挖定位，提高維修效率，節省維修費用。另外，管道位移檢測技術獲取的管道中心線坐標還是管道完整性管理的重要基礎數據，結合GIS、GPS等技術可實現管道的數字化、可視
化管理。
[0023]本發明能夠測繪埋地管道的中心線位置、走向、位移甚至管道變形。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1管道中心線慣性導航測試方法流程圖
[0025]圖2軌跡測繪系統原理示意圖
[0026]圖3第一次檢測器運動軌跡(管道測繪曲線)
[0027]圖4第二次檢測器運動軌跡(管道測繪曲線)
[0028]圖5三次測試檢測器軌跡比較(管道測繪曲線)
[0029]圖6三次測試檢測器軌跡“經度-高度”曲線
【具體實施方式】
[0030]實例例.用于測量的慣性導航檢測定位器由移動載體單元、慣性測量單元、里程輪、數據存儲單元、數據下載及處理單元、速度控制單元、地面跟蹤定位及電源管理單元構成。其流程為:
[0031]在檢測開始后，對檢測設備設置參數；
[0032]結合GPS系統完成初始坐標設直；
[0033]設備自檢及歸零；
[0034]如未完成，則轉回對檢測設備設置參數；如完成，則將慣性導航系統搭載至檢測器或其他載體上；
[0035]檢測并實時采集數據；
[0036]檢測完畢；
[0037]GPS系統對末端位置進行標定；
[0038]下載數據并進行后處理，解算中心線數據；
[0039]誤差修正并完成坐標繪制；
[0040]結束。
[0041]使用本測量方法對某管道進行了多次測量。第一次測試使管道保持統一水平高度進行測量。在正式檢測之前，首先對管道起點中心位置進行定位，經度為116.731304、緯度為39.489336、高度為25.0m，設定載體速度為lm/s，由于檢測器或載體以旋轉方式在管道中前進，所以對載體車輪側偏3度。待系統自檢完畢后，開始進行測試。如圖3為檢測器運動軌跡圖。從圖3中及檢測數據可以得到，檢測器在管道中旋轉約2.5圈，前進距離為96.5946m，且完全得到整條管道中心線的坐標。檢測完畢后對管道長度進行測量，實際長度為96.6m,與檢測器測試結果基本一致。
[0042]第二次進行重復測量，比較數據的可重復性。如圖4，為第二次充分測量數據。
[0043]第三次測試將管道中部沉降0.25m，通過本測試方法進行測量。如圖5所示，第三次測試軌跡與前兩次測試數據對比。如圖6所示為三次測試檢測器軌跡“經度-高度”曲線，從圖中可以明顯看出第三次測量與前兩次測量的中部高度相差約0.23m，這與實際管道下沉高度一致，證明了本測試方法的準確性。
[0044]本例經試驗，能夠測繪埋地管道的中心線位置、走向、位移甚至管道變形。
【權利要求】
1.一種適用于埋地管道的管道中心線的慣性導航測量方法，其特征在于采用慣性導航檢測定位器進行測量，該慣性導航檢測定位器由移動載體單元、慣性測量單元、里程輪、數據存儲單元、數據下載及處理單元、速度控制單元、地面跟蹤定位及電源管理單元構成；其流程為: 在檢測開始后，對檢測設備設置參數； 結合GPS系統完成初始坐標設置； 設備自檢及歸零； 如未完成，則轉回對檢測設備設置參數；如完成，則將慣性導航系統搭載至檢測器或其他載體上； 檢測并實時采集數據； 檢測完畢； GPS系統對末端位置進行標定； 下載數據并進行后處理，解算中心線數據； 誤差修正并完成坐標繪制； 結束。
2.根據權利要求1所述的管道中心線的慣性導航測量方法，其特征在于所述檢測并實時采集數據是由導航計算機實時采集慣性測量單元內加速度計、陀螺儀以及外置里程輪的數據，進行慣性導航姿態、速度參數采集。 通過濾波和迭代估計出導航誤差并修正，從而得到高精度的位置、姿態角和速度信息。
3.根據權利要求1所述的管道中心線的慣性導航測量方法，其特征在于所述解算中心線數據是獲取載體的姿態矩陣和速度向量，結合里程輪數據，采用航位推算算法，求算出載體的位置向量，即載體在管道內的位置變化量，加上初始坐標即可得到載體在管道內的瞬時位置，所有位置連接起來，獲得管道中心線數據。
4.根據權利要求1所述的管道中心線的慣性導航測量方法，其特征在于所述誤差修正是采用差分GPS獲取高精度的標定坐標，將一臺GPS接收機放置在一個已知點上，一臺放置在待測點上，同時接受來自GPS衛星星座的信號，由于兩臺接收機具有相同的星歷誤差、電離層延遲誤差、對流層延遲誤差，經過差分解算消除測量點誤差，獲取高精度的GPS位置；然后，將慣導位置數據、速度向量、里程計數據、GPS坐標采用前卡爾曼濾波算法，獲取慣導裝置的姿態矩陣誤差和里程計誤差估計值，再次經航位推算解算，從數據中減去所有誤差值；最后，反轉數據，采用后向數據解算方法，模擬測量裝置在管線內反方向運行，經過同樣處理過程解算出載體在管線內的位置，將正向計算結果和反向計算結果合并，經優化濾波平滑算法，獲取載體在管線內任一位置的最優估計值，完成標定計算。
【文檔編號】G01B15/06GK103697886SQ201210367128
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月28日 優先權日:2012年9月28日
【發明者】馮慶善, 王學力, 李睿, 張海亮, 韓小明, 靳宏遠, 馮文興, 戴聯雙, 燕冰川, 李保吉, 項小強, 任重, 劉成海, 賈光明, 于智博, 沙勝義, 趙曉明 申請人:中國石油天然氣股份有限公司