惯性测量（inertial survey）是惯性导航与测绘学科的交叉研究领域，利用惯性及惯性组合导航技术（aided inertial navigation system, A-INS）解决传统测绘中的技术难题。惯性测量单元或组合导航系统搭载在特殊设计的测量载体上（如轨检小车和管线测量仪），用于感知和测量载体的运动状态，通过数据后处理解算出载体的运动轨迹、速度和姿态信息，进而直接或间接地计算出被测目标参量，如铁路轨道形状、路面平整度和地下管线的三维位置等。其优点在于实现了静态目标参数的移动精密测量，显著提升了测量效率和精度。

惯性测量的主要研究内容为惯性测量及多传感器组合导航算法、组合导航的相对测量精度及其评估方法、组合导航结果与被测目标参数之间的反演方法。

 

图 1 惯性导航与惯性测量的区别：惯性导航往往关注三维空间下的绝对定位与导航，而惯性测量更强调相对测量精度，面向的应用主要包括位移测量、二维曲线形状测量及三维曲线和曲面的平顺度测量等。

  

目前，课题组开展了两项典型的惯性测量应用研究：高铁轨道几何状态的惯性精密测量和地下管道三维位置的惯性测量。

（1）高铁轨道几何状态的惯性精密测量

高速铁路要求其轨道具有极好的平顺性，为了满足这一要求，需要对轨道的几何形位进行精密测量和调整，几何变形测量精度须达到1 mm。在此之前，采用传统测量手段以“走走停停”的方式进行低速静态测量，作业效率非常低，难以满足运营线路维护的精测要求。

 

图 2 铁路轨道几何状态惯性精密测量示意图

高铁轨道几何状态的惯性精密测量技术将惯性测量单元、GNSS接收机、里程计、全站仪、轨距尺和轨枕识别器等多种传感器集成在特殊设计的精密轨检小车上，替换原有的经典大地测量手段，实现移动精密测量，即“边走边测”，甚至跑起来测。系统在移动过程中快速测量轨道的三维位置坐标、姿态和轨距，据此解算轨道的内部和外部几何参数，包括轨道中线坐标、轨距、超高、水平、轨向、高低、三角坑和精确里程等。测量成果可直接用于高铁无砟轨道精调、有砟轨道的捣固和既有线几何形位的测定等。高铁轨道几何状态的惯性精密测量方案具有测量精度高、作业速度快、操作简单、不易受测量环境影响等优点。测量数据可实现一键式自动处理，在保证精度的同时，作业效率有了数量级的提升。

 

图 3 铁路轨道几何状态惯性测量系统结构

（2）地下管线三维位置的惯性测量

随着城市地下空间的信息化精细管理，地下管道的位置测量精度要求越来越高。现有的电磁类管线仪和探地雷达等设备的测量精度易受电磁干扰和管道埋深等因素的影响，面对过河管道更是难以施测。课题组利用低成本微机电（MEMS）惯性组合技术，解决了城市地下管线三维位置的非开挖精确测量问题。

 

图 4 地下管道惯性测量示意图

将MEMS惯导、里程计和磁力计等传感器集成于全封闭的壳体内，形成管线测量仪硬件系统。测量作业时，管线测量仪穿管而过，记录各传感器的原始数据；结合被测管道入口和出口的三维坐标，通过数据后处理可解算出管线测量仪的运动轨迹和姿态，进而推算出管道中线的位置坐标、管道的曲率和坡度等信息。相比于传统物探方法，管线惯性测量方案具有速度快、精度高和不受电磁干扰影响等优点，能为地下管线的地理信息数字化提供精准的定位解决方案。

该课题的主要研究内容是惯导/里程/坐标修正组合导航算法，挑战在于如何利用低成本的MEMS惯导实现高精度的定位定姿解算。课题组提出了不依赖专业设备的惯导安装误差角简易精确标定方法，消除了影响管线仪测量精度的关键误差因素，使其定位精度显著提升：平面位置误差<0.25%×管长，高程误差<0.1%×管长。 

图 5 地下管线惯性测量仪的实测平面精度

 

图 6 地下管线惯性测量仪的实测高程精度

相关论文：

1. 陈起金 (2016)，基于A-INS组合导航的铁路轨道几何状态精密测量技术研究，博士，武汉大学

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)