慣性測量（inertial survey）是慣性導航與測繪學科的交叉研究領域，利用慣性及慣性組合導航技術（aided inertial navigation system, A-INS）解決傳統測繪中的技術難題。慣性測量單元或組合導航系統搭載在特殊設計的測量載體上（如軌檢小車和管線測量儀），用于感知和測量載體的運動狀態，通過數據后處理解算出載體的運動軌跡、速度和姿態信息，進而直接或間接地計算出被測目標參量，如鐵路軌道形狀、路面平整度和地下管線的三維位置等。其優點在于實現了靜態目標參數的移動精密測量，顯著提升了測量效率和精度。

慣性測量的主要研究內容為慣性測量及多傳感器組合導航算法、組合導航的相對測量精度及其評估方法、組合導航結果與被測目標參數之間的反演方法。

 

圖 1 慣性導航與慣性測量的區別：慣性導航往往關注三維空間下的絕對定位與導航，而慣性測量更強調相對測量精度，面向的應用主要包括位移測量、二維曲線形狀測量及三維曲線和曲面的平順度測量等。

  

目前，課題組開展了兩項典型的慣性測量應用研究：高鐵軌道幾何狀態的慣性精密測量和地下管道三維位置的慣性測量。

（1）高鐵軌道幾何狀態的慣性精密測量

高速鐵路要求其軌道具有極好的平順性，為了滿足這一要求，需要對軌道的幾何形位進行精密測量和調整，幾何變形測量精度須達到1 mm。在此之前，采用傳統測量手段以“走走停?！钡姆绞竭M行低速靜態測量，作業效率非常低，難以滿足運營線路維護的精測要求。

 

圖 2 鐵路軌道幾何狀態慣性精密測量示意圖

高鐵軌道幾何狀態的慣性精密測量技術將慣性測量單元、GNSS接收機、里程計、全站儀、軌距尺和軌枕識別器等多種傳感器集成在特殊設計的精密軌檢小車上，替換原有的經典大地測量手段，實現移動精密測量，即“邊走邊測”，甚至跑起來測。系統在移動過程中快速測量軌道的三維位置坐標、姿態和軌距，據此解算軌道的內部和外部幾何參數，包括軌道中線坐標、軌距、超高、水平、軌向、高低、三角坑和精確里程等。測量成果可直接用于高鐵無砟軌道精調、有砟軌道的搗固和既有線幾何形位的測定等。高鐵軌道幾何狀態的慣性精密測量方案具有測量精度高、作業速度快、操作簡單、不易受測量環境影響等優點。測量數據可實現一鍵式自動處理，在保證精度的同時，作業效率有了數量級的提升。

 

圖 3 鐵路軌道幾何狀態慣性測量系統結構

（2）地下管線三維位置的慣性測量

隨著城市地下空間的信息化精細管理，地下管道的位置測量精度要求越來越高?，F有的電磁類管線儀和探地雷達等設備的測量精度易受電磁干擾和管道埋深等因素的影響，面對過河管道更是難以施測。課題組利用低成本微機電（MEMS）慣性組合技術，解決了城市地下管線三維位置的非開挖精確測量問題。

 

圖 4 地下管道慣性測量示意圖

將MEMS慣導、里程計和磁力計等傳感器集成于全封閉的殼體內，形成管線測量儀硬件系統。測量作業時，管線測量儀穿管而過，記錄各傳感器的原始數據；結合被測管道入口和出口的三維坐標，通過數據后處理可解算出管線測量儀的運動軌跡和姿態，進而推算出管道中線的位置坐標、管道的曲率和坡度等信息。相比于傳統物探方法，管線慣性測量方案具有速度快、精度高和不受電磁干擾影響等優點，能為地下管線的地理信息數字化提供精準的定位解決方案。

該課題的主要研究內容是慣導/里程/坐標修正組合導航算法，挑戰在于如何利用低成本的MEMS慣導實現高精度的定位定姿解算。課題組提出了不依賴專業設備的慣導安裝誤差角簡易精確標定方法，消除了影響管線儀測量精度的關鍵誤差因素，使其定位精度顯著提升：平面位置誤差<0.25%×管長，高程誤差<0.1%×管長。 

圖 5 地下管線慣性測量儀的實測平面精度

 

圖 6 地下管線慣性測量儀的實測高程精度

相關論文：

1. 陳起金 (2016)，基于A-INS組合導航的鐵路軌道幾何狀態精密測量技術研究，博士，武漢大學

2. Chen, Q., X. Niu, Q. Zhang, and Y. Cheng (2015), Railway track irregularity measuring by GNSS/INS integration, Navigation, Journal of the Institute of Navigation, 62(1), 83-93

3. Chen, Q., X. Niu, L. Zuo, T. Zhang, F. Xiao, Y. Liu, and J. Liu (2018), A Railway Track Geometry Measuring Trolley System Based on Aided INS, Sensors, 18(2), 26

4. Chen, Q., Q. Zhang, and X. Niu (2020), Estimate the Pitch and Heading Mounting Angles of the IMU for Land Vehicular GNSS/INS Integrated System, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, doi:10.1109/TITS.2020.2993052.

5. Chen, Q., X. Niu, J. Kuang, and J. Liu (2020), IMU Mounting Angle Calibration for Pipeline Surveying Apparatus, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 69(4), 1765-1774

6. Chen, Q. J., Q. Zhang, X. J. Niu, and Y. Wang (2019), Positioning Accuracy of a Pipeline Surveying System Based on MEMS IMU and Odometer: Case Study, IEEE Access, （SCI，IF：4.96)

7. Zhou Y, Chen Q, Niu X (2019). Kinematic measurement of the railway track centerline position by GNSS/INS/odometer integration[J]. IEEE Access, 2019, 7: 157241-157253.

8. Zhang, Q., Q. Chen*, X. Niu, and C. Shi (2019), Requirement assessment of the relative spatial accuracy of a motion-constrained GNSS/INS in shortwave track irregularity measurement, Sensors, 19(23)