刘德骏
上海非开挖信息技术工程有限公司
摘要：本文将从当前地下管道探测定位的概况出发，阐述惯性陀螺仪工作的基本原理，对ABM-30微型惯性陀螺仪在地下管道探测定位中的主要运用进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助和建议，更好地开展地下管道探测定位工作。
关键词：惯性陀螺仪；探测定位；地下管道
引言：伴随国内科技水平和管道探测定位需求的不断提高，惯性陀螺仪探测定位法应运而生。惯性陀螺仪探测定位法的出现，弥补了传统管道探测定位法的缺陷和不足之处，提高了探测定位精准度和效率，有必要对其进行推广与应用。因此，研究地下管道探测定位中惯性陀螺仪运用具有一定现实意义。
一、当前地下管道探测定位的概况
现阶段，城市地下管线系统通常难以将管道深度、管道位置等信息数据准确提供出来，这对国内日益复杂的地下管道网络维护与管理产生了一定负面影响。城市中的排水系统、排污系统、燃气管路、供暖系统、供水系统、电力管线等地下管道和线路错综复杂，加上历史遗留问题和科技水平限制，地下管道埋藏深度及位置的探测定位成为了人们面临的重要问题。
地下管道传统的探测定位工作主要采用电磁场感应法、物理探测法等，这些探测定位方法各具优势，但会在不同程度上受到附近干扰、地下管道埋深、地下管道材质所影响，降低定位的准确度，不利于工程施工。另外，国内电力管道一般为定向非开挖穿越，这样一来，埋入深度便会远超现有仪器检测范围，导致以上探测定位方法难以得到有效运用。
近些年，惯性陀螺仪探测定位技术出现并投入使用，适用于地下管道的相关探测定位工作。惯性陀螺仪先向待探测的地下管道中拖入定位装置，再借助陀螺仪进行定位，对计算机技术、惯性导航技术加以整合，自动记录和跟踪定位装置整体运动轨迹，装置三维坐标能够显示于计算机屏幕上，并将地下管道中心、标记位置图纸等数据信息显示出来。具体管道探测的过程中，惯性陀螺仪几乎不会受到地质条件、附近环境、地下管道深度、地下管道材料等因素的影响，只需要在地下管道中放入惯性陀螺仪并使其移动即可，从而对地下管道进行高精度探测定位。
二、惯性陀螺仪工作的基本原理
（一）基本定向原理
惯性陀螺仪对矢量计算、重力场等不同学科的知识进行了交叉使用，惯性导航原理、陀螺仪定向原理是惯性陀螺仪的基本原理。通常来讲，陀螺基于特定支点进行高速旋转运动。处于高速旋转状态下，陀螺的旋转轴指向不会因外力影响而发生改变，根据此原理，人们将陀螺仪制造出来。按照角动量守恒的主要原则，陀螺仪具备定轴性、进动性两大特性。定轴性表现在陀螺转子处于高速旋转状态下能够形成惯性，该惯性的产生能够让旋转轴始终以固定方向为指向，并且能够对所有轴向改变力量进行反抗。进动性表现在陀螺转子处于高速旋转状态下，如果外力矩在外环轴产生作用，陀螺仪的转动会围绕内环轴进行，如果外力矩在内环轴产生作用，陀螺仪的转动会围绕外环轴进行，并且外力矩和转动角速度二者方向彼此垂直。按照陀螺仪这两个特性，能够对惯性参照系内物体的姿态与方向进行确定。
（二）基本惯性原理
在惯性陀螺仪中，惯性导航系统主要有计算机、加速度仪、陀螺仪构成。使用惯性导航系统时，需要外界对初始速度、初始位置等初始数据提供出来，随后借助系统对自身瞬时加速度、瞬时角速度的持续检测，能够对自身姿态变化、自身速度变化、自身位置变化等数据进行确定，不断进行当前速度、当前位置的更新。
惯性参照系内的陀螺仪主要进行系统角速度的测量工作，基于初始方位条件，分析系统角速度数据信息，从而得到实时的系统方向。惯性参照系内的加速度仪主要进行系统线加速度的测量工作，通常来讲，加速度仪会固定在系统中跟随系统一同转动，无法明确自身方向，只可对系统加速度进行测量。
根据实时的系统方向与线加速度，能够对实时的惯性加速度向量进行明确，通过惯性加速度积分，能够获取惯性速度，再对初始位置基本条件进行积分，从而获取惯性速度。
（三）惯性陀螺仪
借助以上基本定向原理、基本惯性原理，惯性陀螺仪得以生产和研制。系统的瞬时方向通过陀螺仪来确定，系统前进加速度值通过加速度仪来确定，据此能够获得一个瞬时加速度向量，经过积分计算，得到实时的系统位置坐标[1]。电子单元能够对系统的运动轨迹信息数据展开不间断记录，经由数据链向计算主机进行传输，按照起点三维坐标和终点三维坐标的信息数据，对实时的系统运动三维坐标进行计算。
三、惯性陀螺仪在地下管道探测定位中的主要运用
（一）工程概况
本测绘项目位于普陀区中山北路普善路。涉及的图幅有IV15/8、IV15/7，本次共探测一段非开挖信息管道，该管道位于普陀区中山北路普善路路口西侧。上海非开挖信息技术工程有限公司受委托，于2020年08月11日对目标管道进行三维轨迹测量。本次探测的非开挖信息管线为一段东西走向的管道，对目标管道进行往返测量，共计测量两次。本项目的疑难点主要有三个，一是过河段非开挖深度大，探测信号不稳定，二是河道内轨迹数据常规探测仪器无法获取，三是成果数据精度要求高，需要确保既有管道的安全。
（二）惯性陀螺仪的应用优势
在本测绘项目中，先采用常规探测方式进行初步探测，再对河道内的非开挖管线探测，常规的手段为租船在河面进行探测，探测人员需要带好GPS测量仪器，在探测过程中进行坐标和高程的测量。由于需要在流动的河面上撑船作业，受水的流速和风速的影响，其探测精度无法得到保证，作用也仅仅只是为了指明非开挖轨迹的大概走向，因此决定使用惯性陀螺仪来完成该段管道的精确测量，陀螺仪的优势在于以下几点：一是不受管道材质影响，二是不受无线电干扰，三是自动生成三维曲线图，广泛用于非开挖电力、燃气、通信类管道的竣工测绘及精准探测。
（三）惯性陀螺仪的选取
鉴于目标管道内径仅为33mm，当时市面上最小口径陀螺仪为40mm-75mm的REDUCT ABM-40，仍不能满足其使用环境要求。因此决定使用上海非开挖信息技术工程有限公司与比利时REDUCT公司联合测试生产的口径更小的ABM-30陀螺仪来完成河道内轨迹数据的采集，同时完成该仪器在复杂环境下运作的最终测试。经过多次重复测试，其测量成果与导向仪探测的成果平面最大误差为±48cm，高程最大误差为±56cm，其精度满足目前规范所要求的隐蔽点平面<0.1h，高程<0.15h（h为管线点的中心埋深）的检测精度。该项目使用新型设备取得了满意的探测结果，同时通过与导向仪探测数据的比对，验证了其精度的可靠性。
（四）ABM-30陀螺仪的工作流程
运用ABM-30惯性陀螺仪开展定位测量工作时，需要进行多项工作，具体流程如下。第一，进行前期准备工作，包括地下管道现场踏勘、清理地下管道附近场地、检查ABM-30惯性陀螺仪等。第二，测量地下管道附近的纵断面、横断面、地形等。第三，测量地下管道的起始点和终点。第四，开展地下管道的探测定位工作。第五，判断地下管线质量并进行现场处理工作。第六，开展后期数据处理工作。第七，提交探测定位数据信息，对图片与报告进行编制，生成地下管道探测定位成果。本次管线探测时使用的平面基准为上海城市坐标系统，高程系统为吴淞高程系统。
（五）基于ABM-30陀螺仪的作业方法
本工程中管道探测采用自行研制技术领先的管道追踪仪即多元传感器融合的三维精确定位技术，将传感器探测手段与计算机三维技术整合在一起，综合利用陀螺定向、重力场、计算机矢量计算等交叉学科原理，自动生成基于X、Y、Z三维坐标的地下管线空间位置曲线图。管孔坐标采集采用全数字化测绘技术，由GPS、全站仪野外现场采集数据。项目数据处理采用针对系统特别研发的专用后处理软件，综合处理管线探测获取的数据及实测的管控三维数据，并最终得出相应的管线探测成果。
采用的主要仪器设备包括Trimble GPS、拓普康全站仪、ABM-30陀螺仪、MPT配套装置、专用计算机。ABM-30陀螺仪为本次作业的核心设备，该设备已在大量管线探测项目中应用并顺利完成，积累了丰富的相关工程经验。
（六）成果展示及质量分析
本工程质量目标要求为合格。经现场勘察并按照甲方要求，对目标信息管道进行测量，本段管线全长约179.69米。按照测绘产品检查验收的规定进行了两级检查，项目成果及相关成图资料符合规范规定及委托方提出的相关要求，成果合格。
结语：总而言之，研究地下管道探测定位中惯性陀螺仪运用具有重要的意义。相关人员应对当前地下管道探测定位的概况有一个全面了解，充分把握惯性陀螺仪工作的基本原理，能够将惯性陀螺仪探测定位法积极运用于地下管道探测定位中，从而更好地开展地下管道探测定位工作，提高管道探测定位精准度和效率。
参考文献：
[1]程铭宇,陈友良.三维惯性陀螺定位技术在非开挖地下管线高精度探测中的应用研究[J].城市勘测,2021，(01):182-184+189.
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[3]黄旭,刘俊伯,王鹏,等.对地下燃气电力等管线探测应用的研究——基于在南钦客运专线的勘察[J].能源与节能,2019，(09):42-43+132.