JJF(冀) 257-2026 地下管道三维轨迹惯性定位测量仪校准规范

河北 省地 方计 量技 术规 范

JJF(冀)257—2026

地下管道三维轨迹惯性定位测量仪

校准规范

Calibration Specification for Inertial Positioners of 3D Trajectory of

Underground Pipeline

2026-05-28 发布 2026-07-29 实施

河北 省市 场监 督管 理局 发布

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地下管道三维轨迹惯性定位测量仪

校准规范

Calibration Specification for

Inertial Positioners of 3D Trajectory of

Underground Pipeline

 

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归口 单位 : 河北省市场监督管理局

主要起草单位 : 唐山市计量测试所

河北省计量监督检测研究院

参加起草单位 : 衡水市综合检验检测中心

唐山市中宇科技发展有限公司

唐山学院

华北理工大学

北京理工大学

本规范委托唐山市计量测试所负责解释

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本规范主要起草人：

张健 (唐山市计量测试所)

卞伟 (河北省计量监督检测研究院)胥蕾 (唐山市计量测试所)

参加起草人：

李嘉明 (唐山市计量测试所)

高倩 (衡水市综合检验检测中心)

张俊卿 (唐山市中宇科技发展有限公司)朱军 (唐山市计量测试所)

王勇华 (唐山学院)

阎少宏 (华北理工大学)

曹慧亮 (北京理工大学)

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目录

引言 (Ⅱ)

1 范围 ( 1)

2 引用文件 ( 1)

3 术语 ( 1)

4 概述 ( 1)

5 计量特性 ( 2)

5.1 平面定位误差 ( 2)

5.2 高程定位误差 ( 2)

5.3 平面定位重复性 ( 2)

5.4 高程定位重复性 ( 2)

6 校准条件 ( 2)

6.1 环境条件 ( 2)

6.2 测量标准及其他设备 ( 3)

6.3 校准使用的软件 ( 3)

7 校准项目和校准方法 ( 3)

7.1 校准项目 ( 3)

7.2 校准方法 ( 4)

8 校准结果的表达 ( 6)

9 复校时间间隔 ( 6)

附录 A 使用全站仪测量平面坐标参考值的方法 ( 7)

附录 B 使用水准仪测量高程参考值的方法 ( 8)

附录 C 空间离散线的拟合采样流程 ( 10)

附录 D 地下管道三维轨迹惯性定位测量仪校准记录参考格式 ( 12)

附录 E 地下管道三维轨迹惯性定位测量仪校准证书参考格式 ( 20)

附录 F 平面定位误差不确定度评定示例 ( 22)

附录 G 高程定位误差不确定度评定示例 ( 28)

I

引言

JJF 1071—2010《国家计量校准规范编写规则》、 JJF 1001—2011《通用计量术语及定义》、 JJF 1094—2002《测量仪器特性评定》和 JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》共同构成支撑本校准规范制定工作的基础性系列规范。

本规范为首次发布。

II

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地下管道三维轨迹惯性定位测量仪校准规范

1 范围

本规范适用于基于惯性导航原理(含陀螺仪、加速度计)，用于测量地下管道三维轨迹坐标的地下管道三维轨迹惯性定位测量仪(以下简称定位仪) 的校准。

2 引用文件

本规范引用下列文件：

GB 50026—2020 工程测量标准

GB/T 16831—2013基于坐标的地理点位置标准表示法

GB/T 50228—2011 工程测量基本术语标准

T/CAS 452—2020 地下管道三维轨迹惯性定位测量技术规程

凡是注明日期的引用文件， 仅注明日期的版本适用于本规范; 凡是不注明日期的引用文件， 其最新的版本(包括所有的修改单)适用于本规范。

3 术语

3.1 定位 positioning

确定某点在坐标系中的位置， 用三维坐标 (x, y, z) 表示。

3.2 定位误差 positioning error

定位仪计算得到的位置与实际位置之间的偏差。

3.3 高程 height

某点沿一条垂直于基准面的垂线到该基准面的距离。

注:低于基准面的高程为负值。

3.4 坐标参考值 coordinate reference value

使用标准器测得的标准管道测量点的坐标值。

4 概述

定位仪是一种利用惯性导航原理， 测量地下管道三维空间轨迹的精密测量仪器。它在牵引力(人工或电力驱动)的作用下在管道内部移动并实时测量自身姿态与位置，经过配套软件计算得到其运动轨迹。在给定管道起终点坐标后， 经坐标转换计算出管道各点连续三维坐标。

1

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4

3

1

2

5

。

其由惯性测量单元(IMU)、里程计、数据通信及存储单元、供电系统、行走轮系以及配套数据处理软件组成(如图 1 所示)。目前广泛应用于电力管线、燃气管线、信息管线等地下隐蔽管线的竣工测量

图 1 定位仪结构示意图

1—行走轮系; 2—里程计; 3—供电系统;4—惯性测量单元; 5—数据通信及存储单元

5 计量特性

5.1 平面定位误差

在空间直角坐标系中某点平面坐标测量值与真实值之间的偏差， 用该点坐标测量值与坐标参考值在 X - Y 平面上的投影距离 dxy 表示(如图 2 所示)。

5.2 高程定位误差

在空间直角坐标系中某点高程测量值与真实值之间的偏差， 用该点高程测量值与高程参考值在 Z 轴上的投影距离 dz 表示(如图 2 所示)。

Z

坐标参考值

坐标测量值P ’

P dz

O

Y

X dxy

图 2 平面定位误差和高程定位误差示意图

5.3 平面定位重复性

平面坐标测量值的离散程度， 用 X - Y 平面坐标测量值实验标准差sxy 表示。

5.4 高程定位重复性

高程测量值的离散程度， 用高程测量值实验标准差 sz 表示。

6 校准条件

6.1 环境条件

2

6.1.1 校准工作在常温下进行， 气象条件应相对稳定。

6.1.2 校准过程中应不受到强磁场、电场的电磁波干扰;不受到障碍物的阻挡以及反光物反光和阳光直射等光干扰。

6.1.3 管道材质为钢质，内壁光滑洁净;管道应充分固定，内径应能容纳被校仪器通过。

6.2 测量标准及其他设备

测量标准及其他设备见表 1，允许使用满足测量不确定度要求的其他测量标准及设备进行校准。

表 1 测量标准及其他设备

序号

测量标准及其他设备

技术参数

校准项目

1

全站仪

测距准确度等级Ⅱ级，测角准确度等级Ⅱ级

平面定位误差、

平面定位重复性

2

水准仪

DS3 级

高程定位误差、

3

水准尺

MPE：±1mm/m

高程定位重复性

4

标准管道

测量长度大于 100m; 应包含直线、俯仰以

及 S 形和 U 形弯道姿态。测量点分布应均

匀， 间隔应不大于 50cm。

平面定位误差、高程定位误差、平面定位重复

5

钢卷尺

Ⅱ级

性、高程定位重复性

6.3 校准使用的软件

校准过程中应使用定位仪的配套软件计算拟合坐标。无配套软件时， 使用校准实验室选定的软件。

校准证书中应注明使用的软件名称、生产商和版本号。

7 校准项目和校准方法

7.1 校准项目

校准项目详见表 2。

表 2 校准项目

序号

校准项目

1

平面定位误差

2

平面定位重复性

3

高程定位误差

3

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校准前应检查定位仪的外观， 确定没有影响计量特性的因素。

7.2 校准方法

7.2.1 平面定位误差

用钢卷尺量出定位仪惯性测量单元在管道中运行时的起点和终点位置。对标准管道顶部包括起点、终点在内的所有测量点进行标记， 起点和终点应与定位仪惯性测量单元在管道中运行时的起点、终点水平位置相同， 其他测量点应均匀分布(如图 3 所示)。

卷扬机

起点终点

卷扬机

牵引线

惯性测量单元

定位仪

惯性测量单元

图 3 定位仪测量管道坐标示意图

使用全站仪测出每一测量点的平面坐标参考值 xs ,k、 ys ,k ( k 为测量点序号， k = 1, 2,..., K )(方法参照附录 A，或参照 GB 50026—2020 中 3.3 的规定按照一级导线测量要求使用测回法进行测量)。使用水准仪和水准尺测出每一测量点的高程参考值zs ,k( k = 1, 2,..., K )(方法参照附录 B，或参照 GB 50026—2020 中 4.2 的规定按照四等水准测量要求进行测量)。

将定位仪置入标准管道管口，轮组应贴紧管道内壁。将定位仪静置(2～3)分钟后，以恒定、低速(0.5 米/秒～3.0 米/秒)牵引定位仪在管道中正向行进。当定位仪到达终点时静置(2～3)分钟，再以相同的速度牵引定位仪在管道中反向行进至起点，再次静置(2～3)分钟。

将定位仪采集的原始数据以及起点、终点的坐标参考值导入定位仪数据处理系统，得到一组管道坐标测量值 Pj (xt ,j , yt ,j ,zt ,j)(j = 1, 2,..., J )。

按上述操作重复 6 次， 得到6 组管道坐标测量值。

将定位仪测得的管道坐标测量值用专用软件进行拟合并重新采样(拟合采样流程参见附录 C)， 得到与测量点坐标参考值相对应的坐标测量值(xi ,k , yi ,k , zi ,k)(k 为测量点序号， k = 1, 2,..., K ; i 为测量次数， i = 1, 2,..., 6 )。

平面定位误差的计算如下：

xi ,k (1)

4

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yi ,k (2)

dxy = max (dxy ,1 , dxy ,2 ,..., dxy ,k ) (4)

式中：

xk， yk ——第 k 点平面坐标测量平均值，m;

xs ,k， ys ,k ——第 k 点平面坐标参考值，m;

dxy ,k ——第 k 点平面定位误差，m;

dxy ——定位仪平面定位误差，m;

n ——测量次数。

7.2.2 平面定位重复性

平面定位重复性的校准与平面定位误差的校准同时进行(见 7.2.1)， 其计算如下：

sxy = max (sxy ,1 , sxy ,2 ,..., sxy ,k ) (6)

式中：

sxy ,k ——第 k 点平面定位重复性，m;

sxy ——定位仪平面定位重复性，m。

7.2.3 高程定位误差

高程定位误差的校准与平面定位误差的校准同时进行(见 7.2.1)， 其计算如下：

zi ,k (7)

dz ,k = zk _ zs ,k (8)

5

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dz = max ( dz,1 , dz,2 ,..., dz ,k ) (9)

式中：

zk ——第 k 点高程测量平均值，m;

zs ,k ——第 k 点高程参考值，m;

ds ,k ——第 k 点高程定位误差，m;

dz ——定位仪高程定位误差，m;

n ——测量次数。

7.2.4 高程定位重复性

高程定位重复性的校准与平面定位误差的校准同时进行(见 7.2.1)，其计算如下：

sz = max (sz,1 , sz,2 ,..., sz ,k) (11)

式中：

sz ,k ——第 k 点高程定位重复性，m;

sz ——定位仪高程定位重复性，m。

8 校准结果的表达

经过校准的定位仪出具校准证书， 并给出各校准项目名称和测量结果及扩展不确定度。校准记录格式参见附录 D，校准证书内容及内页格式参见附录 E，不确定度评定示例参见附录 F 与附录 G。

9 复校时间间隔

建议复校时间间隔为 1 年。由于复校时间间隔的长短是由定位仪的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此，送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。

6

附录 A

使用全站仪测量平面坐标参考值的方法

A.1 测量前准备

测量前全站仪应充分预热， 标准管道测量区域应确保通视良好。在管道附近选择能够看到所有测量点的稳定架站位置架设全站仪， 精确整平。

A.2 测量平面坐标

若使用Ⅰ级全站仪采用一测回方式按顺序依次测出各测量点的水平角 HA 和平距HD，若使用Ⅱ级全站仪采用二测回方式按顺序依次测出各测量点的水平角 HA 和平距

HD。

各测量点的平面坐标参考值计算如下(示意图见图 A. 1)：

xs ,k = HDk × cos (HAk)

(A.1)

ys ,k = HDk ×sin(HAk)

(A.2)

式中：

HAk ——第 k 个测量点相对于后视点的水平角， ° ; HDk ——第 k 个测量点的平距，m;

xs ,k， ys ,k ——第 k 个测量点的平面坐标参考值，m。

Z

全站仪

O

HA Pk

HD ys

xs

Y

测量点

后视点A

X

图 A.1 全站仪测量某点平面坐标示意图

7

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附录 B

使用水准仪测量高程参考值的方法

B.1 测量前准备

测量前水准仪应充分预热， 标准管道测量区域应确保通视良好。在管道附近选择能够看到所有测量点的稳定架站位置架设水准仪， 精确整平。

B.2 测量高程

选择一个易观测、稳定的后视点，其高程为 H0。观测后视点读取并记录后视读数a1。按顺序依次对标记好的测量点进行测量，读取并记录前视读数 b11 , b12 , b13 ,..., b1k (如图 B.1 所示)， 按照公式(B. 1)计算第一次仪器高度各测量点高程z1k。

改变水准仪高度(变化大于 10cm)，重新精确整平。重新观测后视点，读取并记录新 的后 视读 数 a2。 按相 同顺 序， 重新 观测 各测 量点， 读取 并记 录前 视读 数b21 , b22 , b23 ,..., b2k， 按照公式(B. 1)计算第二次仪器高度各测量点高程z2k。

B.3 计算高程

A

后视尺

水准仪

水平视线后视点 a

前视尺

测量点b

Pk

图 B.1 水准仪测量某点高程示意图

各测量点的高程参考值计算如下：

zik = (H0 +ai)一bik (B.1)

zs ,k (B.2)

式中：

H0 ——后视点的高程，m;

ai ——后视点第 i 次测量的后视读数，m;

bik ——第 k 个测量点第 i 次测量的前视读数，m;

zik ——第 k 个测量点第 i 次测量的高程值，m;

8

zs ,k ——第 k 个测量点的高程参考值，m。

9

附录 C

空间离散线的拟合采样流程

C.1 前提定义与坐标约定

C.1.1 数据定义

标准线：标准器测出的坐标点集，原始离散点集 Sraw = {Sraw,1 , Sraw,2 ,..., Sraw,K }，每个点坐标 Sraw,k = (xs ,k ,ys ,k , zs ,k) (k = 1,2,...,K )。

实测线：定位仪采集的坐标点集，原始离散点集Traw = {Traw,1 ,Traw,2 ,...,Traw,J }，每个点坐标Traw,j = (xt ,j , yt ,j , zt ,j) (j = 1, 2,...,J)。

C.1.2 坐标约定

高程方向： 约定为 3D 坐标系的 Z 轴方向;

水平平面： 垂直于高程方向的平面， 即 X - Y 平面;

空间三维距离计算统一基于该坐标系，平面距离基于 X - Y 平面， 高程误差基于Z 轴方向。

C.2 完整计算流程(共 3 步)

C.2.1 原始数据预处理

C.2.1.1 将离散点集T 拟合成连续曲线T(s) (s 为曲线参数)， 消除原始采样的随机性。

C.2.1.2 方向统一： 计算两条线首尾点的空间距离， 确保标准线与实测线的“起点→终点”逻辑走向一致，避免反向匹配偏差。

C.2.1.3 坐标基准统一： 确认标准线与实测线的平面坐标基准、高程基准完全一致，无坐标系偏移误差。

C.2.2 逐点空间距离计算

以预处理后的标准线点集 Sprep = {S1 , S2 ,...,SK }(Sk = (xs ,k ,ys ,k , zs ,k))为基准，对每个

标准线点 Sk，遍历预处理后的实测线点集Tprep = {T1 ,T2 ,...,TM }(Tm = (xt ,m , yt ,m , zt ,m))， 计算 Sk 到每个 Tm 的三维空间欧氏距离， 公式为 dk ,m 遍历全部实测线点后， 得到标准线点Sk对应的距离序列 {dk,1 , dk,2 ,..., dk ,M }。

C.2.3 最接近点对匹配

10

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针对标准线中单个点 Sk，在其对应的实测线距离序列 {dk ,1 , dk ,2 ,..., dk ,M } 中，找出数值最小的距离值， 该最小值对应的实测线点即为与 Sk 空间位置最接近的点Tm*。

将标准线点 Sk 与对应的实测线最接近点Tm*组成匹配点对，记为 (Sk , Tm* )。

对预处理后标准线点集 Sprep 中的所有点，依次完成上述“查找对应最接近实测线点、组成匹配点对 ” 的操作， 最终得到标准线与实测线的一一对应匹配点对集合

Pairs = {(S1 , T1) , (S2 , T2) ,..., (SK , TK)}。

采样后的测量值点集为T = {T1 , T2..., TK }， 每个点坐标Tk = (xk , yk , zk) (k = 1, 2,..., K )。

11

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附录 D

地下管道三维轨迹惯性定位测量仪校准记录参考格式

送校准单位： 地址： 型号规格：

出厂编号： 生产厂家： 校准地点：

校准依据： 温度： 相对湿度：

标准器信息：

设备名称

型号规格

出厂编号

测量范围

不确定度/准确

度等级/最大允

许误差

坐标参考值(m)：

序号

平面坐标

高程

序号

平面坐标

高程

x

y

z

x

y

z

1

11

2

12

3

13

4

14

5

15

6

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7

17

8

18

9

19

10

20

┉

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12

定位仪坐标测量值(m)：

第 1 次测量

序号

平面坐标

高程

序号

平面坐标

高程

x

y

z

x

y

z

1

26

2

27

3

28

4

29

5

30

6

31

7

32

8

33

9

34

10

35

11

36

12

37

13

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39

15

40

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18

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19

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48

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50 ┉

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13

第 2 次测量

序号

平面坐标

高程

序号

平面坐标

高程