管道惯性测绘技术的发展历程

依托于管道内检测技术的发展，对管道内检测载体的定位技术随之展开。国外油气储运技术发展历史悠久，相关的研究和工程应用比较成熟。

从学术角度，Hanna等人在1990年的文献中分析了SINS在管道定位应用的可行性。同年Porter等人的文献中介绍了SINS集成速度、位置、倾角和焊缝检测等传感器的PIG系统应用。1992年的文献中介绍了北极地区管道的SINS应用，提出了自由方位系统的概念。Anderson在1994年的文献中研究了PIG在管道内滚转状态下的受力分析。在此之后，国外管道惯导技术的发展进入了比较成熟的应用研究阶段。

2004年之后，管道惯性测绘技术在韩国油气企业中得到了应用，韩国学者HanHyung Seok的文献中介绍了一个SINS结合多种传感器的天然气管道测量系统，为研究多传感器集成PIG提供了参考。2005年，首尔大学的JaejongYu等人提出基于离线计算的管道地理坐标固定点平滑滤波算法，解决了校正算法中的非线性问题。该算法使用反向的航迹推算数据与当前解算轨迹进行数据融合，但没有讨论修正轨迹之后速度矢量与姿态不匹配的问题。San-tana在2010年的文献中研究了管道惯导系统的非线性动力特征，采用扩展卡尔曼算法进行状态估计。A.A.Panev在2011年的文献中在常规SINS/Od算法基础上引入了部分经验数据修正位置误差，获得了较好的实验数据。

相对于上述的学术研究，国外工程研究的成果比较丰富。美国、英国、德国、俄罗斯等发达国家知名的管道公司及管道服务公司联合研究机构将惯性导航系统加装于管道内检测器中，实现陆地、海底管道内缺陷检测的同时，完成了管道地理信息、位置、位移变化、应力变化的测量，辅助管道内缺陷地理定位，极大地推动了管道内检测技术向着智能型方向发展。

1988年，美国Byron Jackson公司（BJ公司，2010年被Baker Hughes公司收购）研制出管道曲率内检测器，利用低精度惯性元件加载PIG对管道进行测量，结合测径器可以计算出管道的曲率和几何变形。BJ公司花费了20年的时间研究SINS技术在海底管线上的轨迹测量和管道缺陷的大地精确定位，已在加拿大北达科他州等地的管道上进行了测量。

REDUCT公司已研制出新一代可以重复使用，可调节检测孔径，不用其他辅助设备，自动下载数据的专用检测器，用于管道检测。

因为需要对时间累积误差进行校正，瑞士ROSEN公司在PIG上加装低频电磁波GPS信号接收器作为辅助检测手段，在管道中已知点处加入GPS位置信号，利用GPS对检测器的位置信号进行校正，这实际上相当于将一条长管道变成若干条短管道，GPS相当于每条缩短管道的初始的位置校正，并结合地理信息系统（GIS）将管道地理坐标测量信息提供给用户。

目前国外著名的管道公司GE-PII、BJ、Tuboscope等均采用在管道内检测器上加装惯性导航测量系统对管道进行地理坐标测量和管道位移、下沉、变形的测量，推算管道区域应力，辅助管道内缺陷定位。(www.xing528.com)

2004年，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司科研人员提出GPS与捷联惯性导航技术的组合导航定位方法，利用GPS标记管道地面部分的几个点的位置，并校正捷联惯导计算的结果。将组合导航应用到内检测中，可以校正错误的位置，但校正中出现了组合导航误差模型的非线性问题。

美国GE-PII使用由Honeywell公司提供的惯导测量系统对372800mile（1mile=1609.344m）的管道进行了检测，结合通过管线沿途的若干标识点的坐标信息，进行管道内缺陷定位和管道地理位置测量，测量精度达到每2mile误差为1.5m。

英国NOWSCO管道公司与SNAM公司合作，利用装有惯性导航系统的管道内检测器（GEOPIG）对SNAM公司从Rimini至San Sepolcro的管线进行管道轨迹测量，5km长管线的误差小于8.5m，以及测量管道弯曲，计算管道张力。

美国TUBOSCOPE管道服务公司和GE-PII公司利用管道铺设沿线一定距离设置的标志点，通过GPS精确测定各标志点坐标，当SMARTPIG在管内行进时，借助已知大地坐标的标志点（监测的始点、沿途参考点或焊缝、终点）的GPS数据作为辅助信息修正惯导解算的位置信息，绘制出高精度的管道轨迹图，其定位精度最高可达距参考点距离的0.025%。在实现对管道内缺陷检测的同时，确定管道地理坐标，进而精确地确定管道缺陷的大地地理位置，有效地提高管道检测智能化水平，极大地降低了开挖维护成本。

综上所述，管道惯性测绘内检测技术始终未脱离捷联惯性导航系统结合里程轮等各种传感器进行数据融合，再结合中间点修正的技术路线。但近年来，少量研究资料在位置误差处理和非线性滤波等方面有一定的参考价值。

国内在管道测绘内检测领域的研究较少，沈阳工业大学杨理践团队设计了通用SINS/Od组合惯导系统的实验载车平台和PIG实验、应用平台，构建了完整的研究框架，对系统相关要素建立了各种数学模型，初步掌握了相关传感器数据误差的传递规律和演化模型，在安装误差估计、静基座初始对准、各级数据去噪、速度融合、姿态修正、终止点校正、里程轮数据管理等领域取得了多项研究成果，使用较低精度的IMU达到了初步的工程应用目标，并且在实际管道上经受住了实测检验的考验。

此外2008年北京自动化控制设备研究所岳步江的文献中给出了经典组合惯导系统管道测绘的设计方案，即由SINS提供姿态信息，对加速度计积分速度和里程速度进行卡尔曼数据融合，再积分成位置信息。2010年西南石油大学王泽根团队在综述文献中给出了对管道缺陷定位几种解决方案的评价，介绍了惯性测绘技术的比较优势。