基于非完整测量向量的航姿解算方法技术

本发明专利技术属于航姿解算技术领域，尤其基于非完整测量向量的航姿解算方法，包括当传感器故障或干扰造成a

【技术实现步骤摘要】
基于非完整测量向量的航姿解算方法
本专利技术涉及航姿解算
，尤其涉及基于非完整测量向量的航姿解算方法。
技术介绍
在石油定向钻井过程中需要检测井眼轨迹，以确保按预定轨迹向预定目标点钻进。检测井眼轨迹需要在多点进行航姿解算，航姿参数包括坐标变换矩阵、欧拉角、四元数等，它描述了物体坐标系在某一参考坐标系中的角位置。检测井眼轨迹时的航姿解算是指利用装载于钻柱测量单元的加速度计以及磁传感器测量重力加速度向量以及地磁向量，并利用向量测量值解算得到一组欧拉角。向量法是一种基本航姿解算方法。它利用空间向量在参考坐标系与物体坐标系中坐标值计算航姿参数。空间向量在参考坐标系中坐标值是已知的，因此向量在物体坐标系中的测量效果是影响向量法应用的关键。在一些应用中，环境对测量造成的干扰以及传感器故障会导致向量测量值的一个或多个分量严重失真，不能用于航姿解算，造成测量向量不完整，从而使传统向量法无法使用。因此，解决非完整测量向量条件下航姿解算问题具有重要的实际意义。针对这一问题，文献1（范光第，蒲文学，赵国山.磁力随钻测斜仪轴向磁干扰校正方法[J].石油钻探技术,2017,45(4):121-126.）利用模值约束估计缺失分量进而完成航姿解算，这种方法不能确定航姿参数唯一解，且只能用于缺失一个分量的情况。文献2（SOOYB,SUNGHM,HYUNWOOKW.Sensor-faulttolerantattitudedeterminationusingtwo-stageestimator[J].AdvancesinSpaceResearch,2019,63,3632-3645.）利用陀螺测量信息复原向量测量缺失信息，这种方法需要使用陀螺传感器，一方面增加了应用成本，另一方面陀螺测得的角速度信息仅含有相对航姿信息且存在累积误差，不宜长时间使用。为解决上述问题，本专利技术提出基于非完整测量向量的航姿解算方法；本专利技术提供了一种仅使用加速度计及磁传感器测量信息，在重力加速度向量或地磁向量测量分量缺失条件下实现航姿解算的方法，该方法可用于测量向量缺失一个或两个分量的情况，且具有成本低、计算简单、实用性强的优点。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了基于非完整测量向量的航姿解算方法，包括以下方法步骤：设重力加速度向量a在参考坐标系中的坐标值为：ar=[arx,ary,arz]T，在物体坐标系中坐标值即加速度计测量值为：ab=[abx,aby,abz]T；地磁向量m在参考坐标系中的坐标值为：mr=[mrx,mry,mrz]T，在物体坐标系中坐标值即磁传感器测量值为：mb=[mbx,mby,mbz]T，以上各向量分量的角标x,y,z分别表示向量的x轴分量、y轴分量及z轴分量；首先计算参考坐标系中的一组单位正交基向量rx,ry,rz：计算物体坐标系中对应的单位正交基向量bx,by,bz：最后计算坐标变换矩阵C：将C转变为一组欧拉角，即航向角Ψ、俯仰角θ、横滚角γ，计算公式如下：式中cij表示c的第i行第j列元素；当传感器故障或干扰造成ab或mb不完整时，重力加速度向量与地磁向量在物体坐标系中的测量值与相应向量在参考坐标系中的坐标值满足三维笛卡尔坐标变换关系，该变换为等积变换，即变换不改变向量的模值以及不同向量间的点积，具体关系式可写为：其中，符号表示相应向量的模值，式（11）与（12）为模值约束关系式，（13）为点积约束关系式；ar与mr为已知量，因此式（11）、（12）及（13）右端已知，从而构成对测量向量值的约束条件。所述重力加速度向量与地磁向量在航姿解算过程中具有对等的计算关系，且同一向量的不同分量也具有对等的计算关系。假设mbz缺失，航姿解算方法如下：将mb分量代入模值约束关系式（12），并取平方可得：将mb、ab分量带入点积约束关系式（13）可得：设为mbz的估计值，分别由式（14）、（15）可得：式（16）无法唯一确定，而式（17）的不足是当abz绝对值接近零时将导致较大的计算误差；为此，将两式结合使用，利用式（16）确定的绝对值，利用式（17）确定的符号，即：上式中sign为符号函数，其功能是取得自变量的符号；首先判断式（18）中根号下取值是否为负，若为负数说明干扰或测量误差影响较大，不能求解；若能求解则将abz的绝对值与阈值T1比较，当|abz|≥T1时，按式（18）确定符号，否则的符号分别取正负两种情况；得到后首先构建磁传感器测量向量，然后进行航姿解算。当mby与mbz缺失，航姿解算方法如下：由式（14）、（15）构成方程组，mby与mbz为未知量，其解分别为与，求解方程组可得：式中△为二次方程根的判别式，为进一步分析解的情况，将向量分量代入式（21）可得：注意式（22）中出现未知量，不能求解计算但可用于理论分析；由式(22)可知判别式的理论值为非负数，采取以下两项措施构建缺失分量的实用解算方法：第一，设置一负数阈值T2，由式（21）计算判别式，若△<T2，说明干扰或测量误差影响较大，不能求解；第二，与无法求解条件对应并避免较大计算误差造成无效解，设置阈值T3，若aby2+abz2<T3，则方程不做求解；否则将判别式值取为其绝对值然后求解。优选的，当aby2+abz2>T2时，满足该条件的解对称分布于由ab与锥面中心轴确定平面的两侧，对应缺失分量的两组解。优选的，当地磁向量测量估计值处于由ab与锥面中心轴确定的平面内时才能满足与ab的夹角要求时，对应缺失分量存在唯一解的情况。优选的，所述重力加速度向量和所述地磁向量任意一个或两个分量缺失的情况下，均适用于航姿解算方法进行计算。本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：1、本专利技术不仅可以在缺失一个分量情况下使用，还可处理缺失两个分量的情况，且在多数应用条件下可将解的数量限定为至多两组，特别是在一些情况下可求得唯一解;2、本专利技术对航姿解算存在唯一解、两组解、无法求解及干扰或误差过大造成不能求解的情况进行区分可以给出全面的求解分析，有效提升解算方法的实用性，并便于与其它方法结合使用;3、本专利技术航姿解算仅使用向量传感器数据不需要陀螺仪等其它传感器，且计算过程不包含迭代运算，这使得解算方法的实施成本低且计算过程耗时短。附图说明图1为mbz缺失时航姿解算方法流程图；图2为mby与mbz缺失时航姿解算方法流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。如图1-2所示，本专利技术提出的基于非完整测量向量的航姿解算方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于非完整测量向量的航姿解算方法，其特征在于，包括以下方法步骤：设重力加速度向量a在参考坐标系中的坐标值为：a

【技术特征摘要】
1.基于非完整测量向量的航姿解算方法，其特征在于，包括以下方法步骤：设重力加速度向量a在参考坐标系中的坐标值为：ar=[arx,ary,arz]T，在物体坐标系中坐标值即加速度计测量值为：ab=[abx,aby,abz]T；地磁向量m在参考坐标系中的坐标值为：mr=[mrx,mry,mrz]T，在物体坐标系中坐标值即磁传感器测量值为：mb=[mbx,mby,mbz]T，以上各向量分量的角标x,y,z分别表示向量的x轴分量、y轴分量及z轴分量；
首先计算参考坐标系中的一组单位正交基向量rx,ry,rz：



计算物体坐标系中对应的单位正交基向量bx,by,bz：



最后计算坐标变换矩阵C：



将C转变为一组欧拉角，即航向角Ψ、俯仰角θ、横滚角γ，计算公式如下：



式中cij表示c的第i行第j列元素；
当传感器故障或干扰造成ab或mb不完整时，重力加速度向量与地磁向量在物体坐标系中的测量值与相应向量在参考坐标系中的坐标值满足三维笛卡尔坐标变换关系，该变换为等积变换，即变换不改变向量的模值以及不同向量间的点积，具体关系式可写为：



其中，符号表示相应向量的模值，式（11）与（12）为模值约束关系式，（13）为点积约束关系式；ar与mr为已知量，因此式（11）、（12）及（13）右端已知，从而构成对测量向量值的约束条件；
所述重力加速度向量与地磁向量在航姿解算过程中具有对等的计算关系，且同一向量的不同分量也具有对等的计算关系；
假设mbz缺失，航姿解算方法如下：
将mb分量代入模值约束关系式（12），并取平方可得：



将mb、ab分量带入点积约束关系式（13）可得：



设为mbz的估计值，分别由式（14）、（15）可得：



式（16）无法唯一确定，而式（17）的不足是当abz绝对值接近零时将导致较大的计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：石岗，梁东鑫，陈洪帅，薛善强，
申请(专利权)人：中国石油大学胜利学院，东营同博石油电子仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37