基于惯性导航的管道中心线数据误差修正方法研究

 彭  浩¹，刘  畅¹，钟  琦²，朱杨可¹，何  沫¹，赵  帅¹

（^1. 中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院，四川 成都 610041；

^2. 中国石油西南油气田公司物资分公司，四川 成都 610041）

摘  要：管道测绘检测器运行速度过高、定标盒设置间距过大、或由于定标盒自身故障、检测器信号发射器故障、干扰信号等因素导致定标盒不能有效激活，都会导致管道中心线坐标数据误差增大。首先针对惯性导航算法的误差不断累积、数据解算模型误差不确定的问题，对中心线坐标数据误差主要影响因素进行分析，并总结出一种人工定标点数据编辑插入的误差修正方法。该方法应用于工程实际中，结果表明采用人工定标点加密的方法，可将中心线坐标定位精度修正在米级范围内。

关键词：惯性检测器；中心线坐标；人工定标点；误差修正

中图分类号：TE832　    文献标识码: A    

Research on Rectification Method for Pipeline Centerline Trajectory Based on IMU Survey

PENG Hao1, LIU Chang1, Zhong Qi2, Zhu Yang-ke1, HE Mo1, ZHAO Shuai1

（1. Safety, Environment and Technology Supervision Research Institute of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu 610041, China

2. PetroChina Southwest Oil & Gas Field Materials Branch, Chengdu 610041, China）

Abstract: There are several factors which decease the accuracy of pipeline centerline coordinates in pipeline inline IMU survey, such as over speed of inspection tool during the run, large interval distance of above ground markers abbreviated as AGM, AGM malfunctioning, inspection tool transmitter malfunctioning, or signal noise. Firstly, to analyze main effecting factors of centerline coordinate accuracy in response to the continuous accumulation of errors in inertial navigation algorithms and the uncertainty of data solution model errors, then find a method to rectify pipeline centerline coordinates by manual marker point editing and insertion. The method was applied into engineering practice, and the results show that the manual marker point inserting method can rectify pipeline centerline coordinates within the meter level.

Key words: IMU inspection; Pipeline centerline coordinates; Manual marker; Accuracy rectification

1 引言

在不断发展的软件平台和互联网信息的支持下，埋地管道地理信息系统逐渐成为管道运营商的重要管理手段。管道中心线轨迹及特征点位置在电子地图上的展示，使管道运营商可以直观地掌握管道及其特征位置等相关信息，这也使其成为地理信息系统的核心组成部分之一^[1-2]。

管道测绘内检测器装载惯性测量单元、里程轮、环焊缝识别探头、供电电池舱、数据处理器和存储器等，组成了完整的惯性导航系统，综合IMU、地面定标盒等数据，使其能够通过一次管道收发球运行即可获取整条管道的中心线轨迹坐标和特征坐标^[3-4]。目前，国外许多知名管道检测公司利用惯性导航系统实现了对管道的定位分析，但是由于国外公司对此项技术的垄断，国内机构在这方面的研究起步较晚，多数研究还处在试验阶段^[5]。管道测绘内检测器中惯性测量单元装载的陀螺仪精度可达到0.01°/h，随着时间推移而发生漂移，定标盒校准信息的时间间隔越大，陀螺仪的误差也越大，惯导算法的误差不断累积^[6]。此外，在固定采样频率下，运行速度越高的设备将会加大两个采样数据之间的距离，相应也会产生越大的误差。测绘内检测器在管道内的运行过程中，通常会给以固定的运行工况，但因为管道介质流量调配问题、检测器由于通过弯头或管道变形限制点等发生停顿，产生速度波动或突然高速启动的情况时有发生。定标盒设置间距过大或在监测测绘检测器通过时，定标盒因为其自身故障、检测器信号发射器故障以及干扰信号等原因，容易导致定标盒不能有效激活，从而无法准确记录检测器通过的时间^[7-13]。此外，里程轮是重要的辅助导航器件，在管道实际工程应用中，经过长距离的复杂运行环境下，里程轮打滑、磨损等诸多因素都会导致后期的测量误差增大^[9-10]。

针对上述问题，很多学者结合里程计、地面差分GPS信息和标记点信息进行数据融合，对管道的位置信息进行解算，解算算法中的扩展型卡尔曼滤波对各种传感器所产生的误差进行修正，定位测量精度优于3m，但模型误差不确定，定位误差仍未完全达到标准要求，有待得到进一步降低^{[5-6,9,14-16]}。综合上述管道检测器运行速度、定标盒设置间距和定标盒有效激活等影响因素，有必要探索出准确高效实用的中心线轨迹数据误差修正方法。采用该方法无需调整运行工况，也不是改进检测器信号发射器和定标盒激活效果的方法，而是在既有数据成果下，基于惯性导航数据与里程轮数据组合解算方式，引入地面定标点数据，采用人工定标数据编辑加密插入的方法，对IMU解算数据的累积误差进行修正，最终获取修正后的中心线轨迹坐标。

2 惯性导航技术原理简介

惯性导航系统通常由惯性测量单元（IMU）、计算机和控制显示器等组成，其中IMU包括陀螺仪和加速度计，作为惯性导航系统的核心装置。借助内置的加速度传感器和陀螺仪，以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系三个方向的线性加速度和旋转角速率，将它对时间进行一次积分，求得运动载体的速度、角速度，再进行二次积分求得运动载体瞬时的三维姿态位置，然后将其变换到导航坐标系，通过解算可获得运载体在导航坐标系中的速度、偏航角和位移等信息，从而达到对运载体精确测量定位的目的^[17-20]。

3 中心线轨迹数据误差主要影响因素

3.1 检测器运行速度

检测器不同的运行速度会直接影响检测结果的有效性，从而影响组合导航模型精度效果[9-10,13]。根据现场检测实施和试验情况发现，当检测运行速度高于4m/s时，会导致检测数据不完整，中心线轨迹数据误差显著增大，从而会影响检测结果的有效性，检测器最佳运行速度为1~4m/s。

3.2 定标盒设置间距

根据GB T 27699-2023《钢制管道内检测技术规范》，为保证惯性测绘数据准确，管道检测器运行实施前，应以里程桩、标志桩、测试桩为基础，定标盒设置在管道正上方，确保日常操作时定标盒摆放准确，间距满足标准要求，即设标点间距不应大于1km，设标点管道埋深不应大于3m。

在现场应用实际，当定标盒设置间距控制在0.5km以内，检测效果最佳、准确性最可靠，以实时监测检测器运行效果，并记录存储检测器经过时的坐标及时间信息，也可用于最终解算时进行数据校正。在解算不同定标盒间距的研究中，当定标盒设置间距在3km以上时，解算的IMU数据误差会大幅度的增加。总体而言，定标盒设置间距越小，中心线轨迹数据误差相对较小^[12,16]。

3.3 定标盒有效激活

在现场实际检测前，管道沿线埋设的定标盒出现自身故障、检测器信号发射机故障以及存在较强的干扰信号或未能正常启动等多种原因，会导致定标盒不能有效激活，从而无法监测记录检测器通过的时间等信息，这将会直接影响检测数据的完整性和准确性。因此，定标盒能否有效激活对于保证检测器精度具有重要作用^[3,5,16]。

3.4 传感器性能指标及融合算法

传感器的性能指标主要是指陀螺仪、加速度计、加速度计、定标盒的选型及指标精度，不同型号及材质的传感器精度各不相同，传感器精度也是影响检测器性能效果的重要因素。传感器数据融合采用的是卡尔曼滤波算法，该算法进行数据解算的过程是在惯性导航系统中实现的，因此在完成导航系统选型后，算法便已确定^[9-10,13-14]。

3.5 检测器初始安装和日常操作

在检测器初始安装时，必须保证惯性导航硬件设备与内检测器中心轴线重合，保证两者x、y、z方向一致。在日常操作时，需要保证定标盒摆放准确，坐标采集精确，利用高精度授时设备代替人工授时，完成初始对准后再进行测量工作^[10]。

4 中心线轨迹数据误差修正流程及效果

4.1 中心线轨迹数据误差修正流程

管道中心线轨迹数据误差修正流程见图1。

（彭浩）基于惯性导航的管道中心线数据误差修正方法研究.pdf