慣性陀螺儀定位三維測量技術在非開挖電力管線探測中的應用

任廣振，羅進圣，胡 偉

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310000）

0 引言

隨著現代都市的飛速發展，地下管道網絡系統日益發達，電力、電信、燃氣、給排水、雨污水等各類管道蛛網密布，錯綜復雜。然而由于歷史與技術原因，已建成的地下管線很少能夠提供準確的管線位置與埋深，影響到日漸龐大的管網系統的管理與維護。如何精準的探測地下管線如電力管線的位置與埋深，已成為急需解決的問題。

傳統管線探測方法多采用物探方法[1-2]，或利用電磁場感應金屬管線的位置與埋深（如管線儀探測），或利用管線與周邊介質的物性差異進行探查（如地質雷達探測）。這些方法雖有其優勢之處，但往往受制于管線材質、埋設深度、環境干擾、定位精度等因素，使其測量精度大打折扣。而電力管線常采用非開挖定向穿越，其埋深往往超越現有儀器的探測范圍，更是使得這些方法英雄無用武之處。

慣性陀螺定位儀三維定位技術是近年來出現的一項管線測量新技術。它結合了陀螺儀定向、慣性導航、計算機三維計算等技術，拖曳慣性陀螺定位儀穿行于待測管線，自動追蹤記錄其在管線內的運動軌跡，生成管道中心軸線的三維坐標與位置圖。測量時受管線材質、管線埋深、周圍環境和地質影響較小，只要慣性陀螺定位儀能夠穿行于待測電力管線，即可實現高精確度的管線測量。

1 慣性陀螺定位儀工作原理

1.1 陀螺儀定向原理

慣性陀螺定位儀交叉利用了重力場、計算機矢量計算等多學科知識，其核心原理為陀螺儀定向及慣性導航。

陀螺是一個繞某一支點作高速旋轉的剛體。當陀螺高速旋轉時，其旋轉軸所指方向在不受外力影響的情況下是不會改變的，人們由此制造出了陀螺儀。陀螺儀在角動量守恒原則下，具有兩大特性：

（1）定軸性。當陀螺轉子高速旋轉時，就產生了慣性，這慣性使得陀螺轉子的旋轉軸保持在空間指向一固定方向，同時反抗任何改變轉子軸向的力量，如圖1所示。

圖1 陀螺儀的定軸性

（2）進動性。當陀螺轉子高速旋轉時，若外力矩作用于外環軸，陀螺儀將繞內環軸轉動；若外力矩作用于內環軸，陀螺儀將繞外環軸轉動。其轉動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直，如圖2所示。

圖2 陀螺儀的進動性

根據陀螺儀的定軸性和進動性，可確定運動物體在慣性參照系中的方向和姿態。

1.2 慣性導航原理

慣性導航系統包括陀螺儀、加速度計及計算機。開始時，外界給系統提供初始位置及初始速度，此后系統通過不斷檢測自身的瞬時角速度和瞬時加速度，可以確定自身的位置變化（如向東或向西的運動）、速度變化（速度大小或方向）和姿態變化（繞各個軸的旋轉），通過積分不斷更新系統當前位置及速度。

陀螺儀在慣性參照系中用于測量系統的角速度。通過以慣性參照系中系統初始方位作為初始條件，對角速度進行積分，就可以得到系統的當前方向。

加速度計在慣性參照系中用于測量系統的線加速度，由于加速度計與系統固定并隨系統轉動，不知道自身的方向，只能測量相對于系統運動方向的加速度。

通過系統的當前運動方向及相對于系統運動方向的當前線加速度，就可以確定參照系中系統當前的慣性加速度向量。以起始速度作為初始條件，對慣性加速度進行積分就可得到系統慣性速度，然后以起始位置作初始條件再次積分就可得到慣性位置。

1.3 慣性陀螺定位儀

慣性陀螺定位儀正是運用了陀螺儀和慣性定位原理而研制的，其結構如圖3所示。

圖3 慣性陀螺定位儀結構

陀螺儀確定系統瞬時方向，加速度計確定系統瞬時前進方向加速度值，由此可求得定位系統的瞬時加速度向量α，將α分解到慣性坐標系X，Y，Z三軸上可得各自的加速度分量αx，αy，αz。分別積分并與X，Y，Z三方向上的初始速度Vx0，Vy0，Vz0相加即可得到定位系統的當前速度分量 Vx，Vy，Vz。 再將 Vx，Vy，Vz進行積分計算，與初始坐標相加即可得定位系統的當前坐標位置。電子單元不斷記錄其運動軌跡數據，通過數據鏈傳輸至計算主機，根據起終點三維坐標數據計算其運動實時三維坐標。

2 DuctRunnerTm DR-HDD-4.2慣性陀螺定位儀

Reduct公司生產的DuctRunnerTmDR-HDD-4.2系列慣性陀螺定位儀如圖4所示，是當前國際上最先進的慣性陀螺定位儀?？捎糜跍y量4～150cm管徑的各類管線，提供高精度、連續的管線三維坐標，平面測量精度可達0.25%L（測量管線的總長度），高程測量精度可達0.10%L，在國內已逐步應用于工程實例。

圖4 DUCT RunnerTmDR-HDD-4.2慣性陀螺定位儀

其主要結構包括：

（1）測量單元。以陀螺儀慣性定位為核心技術的三維定位裝置，用于穿行各類管線，連續測量管線的高精度三維坐標，并記錄于內部計算機。

（2）PC處理系統。內建專業處理軟件，分析計算測量單元所測量的數據。

（3）網絡線。測量單元所測數據，通過網絡線傳輸至PC處理系統。

（4）控制器。實現對測量單元的開啟關閉及監控。

（5）支架與輪組。通過不同尺寸的支架與輪組，可適應不同管徑的管線測量需要。

3 慣性陀螺定位儀工作流程

慣性陀螺定位測量主要包括前期準備、輔助測量、慣性陀螺定位測量、數據處理等工作，其主要工作流程見圖5。

（1）前期準備?，F場踏勘，確定測量方案；清理場地，滿足工作要求；檢查儀器，保證工作順利進行。

（2）地形測量及測區縱橫斷面測量。測繪測區地形圖及管線穿越路徑的地面縱、橫斷面，為管線測量成果提供地形資料。

（3）管線起終端點測量。精確測量待測管線起終端點的三維坐標，作為慣性陀螺定位測量的起算校核資料，計算校核管線的三維坐標。

（4）慣性陀螺定位測量。將測量單元直接置于管線內，采用置中技術使測量位置為管線中心軸線，設定參數，拖曳慣性定位陀螺儀測量主機由管線進口行至出口，由計算主機自動記錄計算其運動軌跡（見圖6）。

圖6 慣性陀螺定位儀工作示意

（5）現場處理及質量判斷?，F場數據處理，評估數據質量及精度，確定是否需復測。

（6）數據后處理。將測量單元所記錄的測量數據導入專用計算機系統，輸入管線進出口三維坐標，由軟件自動計算得到管道中心軸線的三維坐標。并生成XY，YZ，XZ視圖及三維視圖。

（7）成果提交。編制報告及圖件，提供管線測量成果。

在地面模擬試驗時，架設管線，模擬地下電力管線的形態，分別采用傳統全站儀測量及慣性陀螺定位測量方法，確定管線三維坐標。通過比較2種方法的測量結果，檢驗慣性陀螺定位測量的精度。慣性陀螺定位測量管線本身測量平面偏差在0.25%L以內，高程偏差在0.10%L以內，自符合精度較高。慣性陀螺定位測量與用全站儀測量，平面最大偏差為0.174 m，高程最大偏差為0.094 m，偏差較大的位置均出現在曲線彎曲較大的地方。

通過對比表明，與傳統方法比較，慣性陀螺定位儀測量精度仍能保持在較高水平，檢查誤差較小，數據準確可靠。

4 工程測量實例

4.1 管線概況

杭州市拱墅區沈半路桃源新區1號井—2號井段電力管線采用非開挖水平導向鉆進方法穿越敷設，長度約123 m，管線埋深由淺至深約在1.5～8 m。由于埋深較深、地質情況不佳，傳統探測方法較難測量其準確位置，因此擬采用慣性定位陀螺儀測量其位置?，F場環境較好，現有電力管線雖已運行，但預留有空管，可供慣性定位陀螺儀穿行測量。

4.2 輔助測量

非開挖電力管線起終端點均采用網絡RTK方法測量，測量歷元30次，平面收斂精度不大于0.01 m，高程收斂精度不大于0.03 m。表1中X表示該點的平面北坐標、Y表示該點平面東坐標、H表示該點高程，坐標為杭州市坐標系，高程為1985國家高程系統，其坐標值是通過陀螺儀進出口預先測定的坐標值計算得出的結果。

表1 非開挖電力管線起終端點

4.3 慣性定位作業

現場操作步驟：選擇適合于擬測量管道的測量主機及輪組，并將輪組編號輸入系統；測量主機開機；用牽引繩將主機拖入管道；從遠端拉動牽引繩，將測量主機從管道遠端拉出；將主機記錄的測量數據導入專用計算機系統，并將管道2個端點坐標輸入系統；自動計算得到管線中心軸線的三維坐標。

工作中將慣性陀螺定位儀從A至B選擇一孔（軌跡1）來回拖拉各測量2次，共測量4組數據，采樣間距1 m，4組測量成果分別連接擬合線位，比較誤差，計算其方差。選擇鄰近另外一孔（軌跡2）重復上述工作。若符合儀器限差（平面誤差：0.25%L，高程誤差：0.10%L），則由4組測量成果平差擬合為1組數據。

慣性陀螺定位作業完畢后，將測量數據傳輸至PC處理系統，計算校核管線軸線的三維坐標。慣性陀螺定位測量管線位置軌跡1見圖7。

4次測量成果平面最大較差0.08 m，高程最大較差0.07 m；平面相對中誤差0.03%L，高程相對中誤差0.03%L。

4.4 現場開挖驗證

圖7 慣性陀螺定位測量軌跡1管線位置圖

表2 開挖結果

為驗證慣性陀螺定位儀的實際測量精度，對所測的非開挖電力管線進行了2處開挖驗證，開挖深度分別為2 m和4.5 m。開挖結果見表2。

從工程實例中可以看出，慣性陀螺定位不受環境電磁波及地層等干擾因素影響，測量精度高，定位準確可靠，所測量數據，除入口與出口點坐標由傳統測量方法獲得，其余數據皆由設備自行運算，消除人為誤差，并可重復驗證，可以解決非開挖電力管道的準確測量問題。

5 結論

慣性陀螺定位測量采用陀螺導航定向技術，并將測量設備直接置入管內，采用置中技術測量管道中心軸線位置，所以在目前已知的非開挖測量技術中，其測量精度最高。

該系統工作時無須操作人員于地面進行追蹤定位，所以不受地面環境、交通、天氣、光線等影響，理論上講可以24 h全天候進行作業。

由于慣性陀螺定位儀采用的是管內直接測量法，要求必須能夠穿行于管線中，因此，較適合測量新建成未運行管線。對于現有運行管線，必須有預留空管方能測量，一些老舊管線如被淤泥堵塞而不能穿行時，同樣也不能進行測量。

慣性陀螺定位儀三維測量技術不受管線材質、管線埋深、周圍環境和地質情況等因素影響，特別適用于非開挖定向鉆入敷設管線的探測工作，能夠測量出待測管線的精確三維坐標，為管線管理及維護提供準確可靠的基礎資料。

[1]張漢春.非開挖特深管線的探測技術分析及展望[J].地球物理學進展，2010（6）∶1092-1093.

[2]黃遷輝，溫俊濤.非開挖技術在城市建設中的作用[J].非開挖技術，2010，4（1）∶81-82.