一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统及方法，包括依次连接的打捞头、上扶正器、光纤陀螺测斜仪、导航解算处理机构、下扶正器和六轴惯性传感器，所述上扶正器的圆周侧和所述下扶正器的圆周侧均呈中心对称布置有4个测速组件；所述测速组件包括滚轮、用于将所述滚轮紧贴到井壁上的三角弹性扶正器和用于采集所述滚轮转速的轮速采集器，所述轮速计和所述六轴惯性传感器均可与所述导航解算处理机构实现通信，所述导航解算处理机构可获得由地面系统提供的电缆长度信息。本发明专利技术采用上述结构的光纤陀螺测斜仪组合导航系统，具有抗磁干扰能力强、可靠性高以及可长时间抑制导航姿态误差发散等优点，从而实现了长时间的高精度连续测量。续测量。续测量。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种套管井油井测斜技术，尤其涉及一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统及方法。

技术介绍

[0002]为提高油气生产产量，一方面要求以更高的精度实现老油田的二次开发，另一方面，要实现复杂油井、丛式井、大斜度井等的高中靶率。无论是从安全考虑，还是测量精度，最终都要实现井眼轨迹的高精度测量。
[0003]现有技术中分别具有以下缺点：
[0004]1、纯惯性测量方案长航时下，姿态角因传感器误差积分呈发散趋势，影响井眼轨迹高精度重构，无法保证长时间的高精度测量。
[0005]2、高精度光纤陀螺尺寸较大，无法满足使用要求。
[0006]3、传统磁通门测斜仪受工作环境电磁干扰影响，测量精度劣化，需借助无磁套管才能满足使用要求。

技术实现思路

[0007]为解决上述问题，本专利技术提供一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统及方法，使用中精度光纤陀螺，解决了尺寸限制问题，避免了传统磁测方式的缺陷，为抑制导航解发散，通过滚轮增加了轴向速度信息、同时依托缆长增加了位置信息，协同辅助信息进行组合导航解算，保持长时间下的导航精度，弥补了地下条件无辅助信息可用的缺陷。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统，包括依次连接的打捞头、上扶正器、光纤陀螺测斜仪、导航解算处理机构、下扶正器和六轴惯性传感器，所述上扶正器的圆周侧和所述下扶正器的圆周侧均呈中心对称布置有多个测速组件；
[0009]所述测速组件包括滚轮、用于将所述滚轮紧贴到井壁上的三角弹性支撑架和用于采集所述滚轮转速的轮速计，所述轮速计和所述六轴惯性传感器均可与所述导航解算处理机构实现通信，所述导航解算处理机构还可通过地面系统获得电缆长度信息。
[0010]优选的，所述上扶正器的圆周侧和所述下扶正器的圆周侧均呈中心对称设置有四组所述测速组件。
[0011]优选的，所述六轴惯性传感器包括呈工字型依次排开的三轴加速度计和三轴光纤陀螺。
[0012]优选的，所述三轴加速器包括三个相互正交设置的石英挠性加速度计；所述三轴光纤陀螺包括三个相互正交设置的光纤陀螺。
[0013]优选的，所述导航解算机构包括光纤陀螺数字处理模块、加速度计数字处理模块、导航解算模块和电源管理模块；
[0014]所述光纤陀螺和所述石英挠性加速度计分别经所述光纤陀螺数字处理模块和所述加速度计数字处理模块与导航解算模块相连；
[0015]所述导航解算模块经非线性滤波器分别与所述轮速计和所述电缆长度测量机构相连。
[0016]一种光纤陀螺测斜仪组合导航方法，包括以下步骤：
[0017]S1、石英挠性加速计和光纤陀螺均经过零偏及标度因数补偿输出后，分别通过坐标变换与姿态更新进入导航解算模块，而后通过地球自转角速度和重力加速度信息共同解算出仪表的位置、速度和姿态角信息；
[0018]S2、分别由轮速计和电缆长度测量机构采集的轮速信息和缆长信息进入非线性滤波器与导航解算得出的位置、速度构成观测方程，进行滤波解算；
[0019]S3、输出组合导航解算结果。
[0020]优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
[0021]S11、利用加权求平均，获得仪器的轴向速度：
[0022][0023]其中，为轴向速度，N为速度量输出个数，v
i
为第i个轮速计采集的速度，w
i
为加权系数，
[0024]S12、建立卡尔曼滤波速度观测方程抑制轴向速度误差发散：
[0025][0026]其中，v
b
为导航解算的轴向速度，z
v
为速度误差观测。
[0027]优选的，步骤S2具体包括以下步骤：
[0028]S21、通过获取电缆在某段时间内的缆长变化量Δl，通过最小曲率近似几何方法得出北向ΔN、东向ΔE和地向Δd的位置变化
[0029]S22、通过光纤陀螺输出的经度、纬度和高度信息，记录某段时间内的经纬度和高度信息的变化，获得该时间段内的导航解算变化量；
[0030]S23、以该段时间的缆长变化量为参考基准，建立卡尔曼滤波位置观测方程抑制位置误差发散：
[0031]z
p
＝[ΔL*R
m
‑
ΔN；Δλ*R
n
‑
ΔE；Δh
‑
Δd][0032]其中，ΔL为导航解算的纬度变化量，Δλ为导航解算的经度变化量，Δh为导航解算的高度变化量，R
m
和R
n
分别是子午圈半径和卯酉圈半径，z
p
为位置误差观测值。
[0033]优选的，所述非线性滤波器采用Kalman滤波、UKF滤波、EKF滤波或者CKF滤波。
[0034]本专利技术具有以下有益效果：
[0035]1)抗磁干扰能力强
[0036]基于光纤陀螺的测量方案，不受磁场干扰，可实现全天候高可靠的测量。
[0037]2)轮速计测量结果可靠性高
[0038]仪器在井眼内运动易发生轮速打滑现象，从而影响真实速度测量，为提高速度测量可靠性，采用8轮速正交设计，而后利用加权平均方法提高速度输出的准确性，可靠性。
[0039]3)抑制长时间导航姿态误差发散
[0040]采用轮速辅助，提供可靠速度信息纠正惯性导航速度输出，抑制速度累积误差对姿态角的影响，满足井眼轨迹测量长航时的需求。
[0041]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0042]图1为本专利技术的光纤陀螺测斜仪组合导航系统的结构示意图；
[0043]图2为本专利技术的光纤陀螺测斜仪组合导航系统的信息处理原理图；
[0044]图3为最小曲率近似几何方法图。
[0045]其中：1、测速组件；11、三角弹性支撑架；12、滚轮；2、导航解算处理机构；3、上扶正器；4、打捞头；5、下减振器；6、下扶正器。
具体实施方式
[0046]以下将结合附图对本专利技术作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围并不限于本实施例。
[0047]一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统，包括依次连接的打捞头4、上扶正器3、六轴惯性传感器、导航解算处理机构2、下扶正器6和下减振器5，六轴惯性传感器、导航解算处理机构2构成标准IMU实现加速度和角速度测量，输出惯导解算参数，上扶正器3的圆周侧和下扶正器6的圆周侧均呈中心对称布置有多个测速组件1；
[0048]测速组件1包括滚轮12、用于将滚轮12紧贴到井壁上的三角弹性支撑架11和用于采集滚轮12转速的轮速计，轮速计可与导航解算处理机构2实现通信，导航解算处理机构2还可从地面系统获得电缆长度测量测量信息。
[0049]优选的，上扶正器3的圆周侧和下扶正器6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统，包括依次连接的打捞头、上扶正器、光纤陀螺测斜仪、导航解算处理机构、下扶正器和六轴惯性传感器，其特征在于：所述上扶正器的圆周侧和所述下扶正器的圆周侧均呈中心对称布置有4个测速组件；所述测速组件包括滚轮、用于将所述滚轮紧贴到井壁上的三角弹性扶正器和用于采集所述滚轮转速的轮速计，所述轮速计和所述六轴惯性传感器均可与所述导航解算处理机构实现通信，所述导航解算处理机构可获得由地面系统提供的电缆长度信息。2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统，其特征在于：所述上扶正器的圆周侧和所述下扶正器的圆周侧均呈中心对称设置有四组所述测速组件。3.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统，其特征在于：所述六轴惯性传感器包括呈工字型依次排开的三轴加速度计和三轴光纤陀螺。4.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统，其特征在于：所述三轴加速器包括三个相互正交设置的石英挠性加速度计；所述三轴光纤陀螺包括三个相互正交设置的光纤陀螺。5.根据权利要求4所述的一种光纤陀螺测斜仪组合导航系统，其特征在于：所述导航解算机构包括光纤陀螺数字处理模块、加速度计数字处理模块、导航解算模块和电源管理模块；所述光纤陀螺和所述石英挠性加速度计分别经所述光纤陀螺数字处理模块和所述加速度计数字处理模块与导航解算模块相连；所述导航解算模块使用非线性滤波算法可与所述轮速计输出的速度信息和地面系统提供的电缆长度信息构成量测方程实现误差抑制。6.一种光纤陀螺测斜仪组合导航方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、石英挠性加速计和光纤陀螺均经过零偏及标度因数补偿输出后，分别通过坐标变换与姿态更新进入导航解算模块，而后通过地球自转角速度和重力加速度信息共同解算出仪表的位置、速度和姿态角信息；S2、分别由轮速计和电缆长度测量机构采集...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春熹，纪少文，冉龙俊，高爽，宋来亮，马孟奇，秦雪馨，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：