惯性管道测绘仪(IPSS)设计与实现

　　0　引　　言

　　管道测绘仪是用于测量石油及天然气管道地理和几何信息的关键测量仪器。惯性管道测绘系统(IPSS)则是采用惯性导航技术的新一代管道测绘仪器。惯性导航系统是一种自主性强、隐蔽性好、精度高的导航定位系统。近年来,随着现代控制理论、计算机技术以及惯性测量技术的迅速发展,使得以惯性导航系统为主,采用其他外部信息来辅助都和加强自主式系统的组合测量技术得到了很大的发展,并获得了广泛的应用[1]。石油天然气管道铺设和监控的需要,使得对高精度管道测绘系统的需求越来越迫切,IPSS系统的研制可为解决此问题提供很好的解决方案。在管道测绘系统的研制过程中,不仅要考虑仪器的测量精度、使用条件,还要考虑野外工作时能降低劳动强度,测量方便可靠,测量数据有计算机处理等[2]。近年来,随着电子技术和传感器技术的迅猛发展,国内外研制管道测绘系统的单位也越来越多,但由于管道直径有限,使很多仪器的推广受到限制。本文针对上述存在的问题,将光纤组合惯性测量技术,用于管道测绘,设计了基于光纤陀螺的管道测绘系统,该系统结构小巧、技术先进、使用方便,特别适宜于小孔径管道测量,可广泛适宜于石油及天然气等管道的位置走向、管道状态等信息,为管道状态的监视和维护提供可靠依据。

　　1　管道测绘仪功能及结构组成

　　惯性管道测绘系统(IPSS)的构成可分为硬件部分和软件部分,硬件部分包括机械本体、惯导系统、电源模块、数据打包及存储单元、耐压仓固定仓、里程仪、I/O接口电路等,软件部分包括测量数据打包软件和测绘数据综合处理软件等。惯性管道测绘系统具有以下基本功能:

　　1)测量仪器运动的3个角速率和3个加速度量;

　　2)初始自对准功能;

　　3)根据里程仪和GPS地标信号进行组合修正;

　　4)海量数据存储功能;

　　5)具有系统自检功能;

　　6)温度测量功能等。

　　IPSS系统的核心组成部分-光纤陀螺惯性测量传感器组件如图1所示。

　　2　惯性管道测绘仪(IPSS)工作原理

　　IPSS系统采用以光纤捷联式INS为基本测量单元,以里程仪和GPS地标为辅助,进行组合测量的方式,完成系统测绘功能。

　　光纤捷联式INS是采用光纤陀螺的捷联式INS,其基本原理与其他捷联式INS相同,如图2所示。与其他各种导航方式相比,INS利用安装在载体上的惯性测量装置(加速度计和陀螺仪)敏感载体的运动,经过解算后即可得到载体的姿态和位置信息。它不需要任何外界的参考信息。因此,INS是一种完全自主的导航方式,它保密性强,并且机动灵活,具备多功能参数输出,但是存在误差随时间迅速积累的问题,导航精度随时间而发散,不能单独长时间工作,必须不断加以校准[3]。