专利名称：适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提高全光纤数字测斜仪测量精度的信息处理控制装置，更特别地说，是指一种利用外部多传感器采集的传感信息与光纤陀螺采集的惯性信息进行信息融合处理，该捷联惯性组合测量控制装置能够有效地提高全光纤数字测斜仪长时间工作的测量精度。
背景技术：
随着石油资源的贫化，开采的难度越来越大。在石油钻采的过程中，迫切需要能够精确测量井眼轨迹参数的高精度测斜仪器为工业部门提供可靠的设计、开发信息。尤其是对于超深井，当发生深的高压地层井喷事件时，需要根据精确的井眼轨迹钻减压井来终止井喷。此外，现代钻采技术的发展，使随钻测量(MWD)成为现实，理想测斜仪是能在钻头钻进的过程中实时监测和显示钻头的位置，以便于操作人员及时调整钻头，使其按预先设计轨迹达到目标靶区。这都需要有高精度的井眼轨迹测量仪器。
目前，在石油工业领域使用的此类测斜仪器主要是由磁通门传感器或机械陀螺作为角速度传感器与加速度计结合，测量井眼的方位角和井斜角。磁通门式测斜仪具有结构简单、价格低、性能稳定的优点，但其无法实现对有磁性干扰的被测油井进行的井眼轨迹测量；而机械陀螺式测斜仪可弥补这一缺憾，但机械陀螺内部固有的转动机构使其存在着结构复杂、易损坏、抗振性差、漂移大等缺陷。
全光纤数字测斜仪是一种基于光纤陀螺捷联惯性测量原理的井眼轨迹测量仪器，由于光纤陀螺和加速度计组成的惯性测量误差会随时间的增长而增大，导致了测斜仪在长时间工作环境下的测量精度较低，难以满足石油测井实际使用时长时间的高精度测量要求。根据惯性测量模式在短时间具有高精度的优点并结合石油、天然气测井作业的实际工作环境和工作条件，本发明专利申请提出了一种适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量控制装置。
发明内容
本发明是一种适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量控制装置，该捷联惯性组合测量控制装置，采用磁通门测量信息、有线测井时的缆长信息以及下井探管停止时的零速信息分别与捷联惯性测量输出的下井探管的姿态信息和速度信息进行比较，得到差值信号；然后将所述差值信号作为KALMAN滤波器的观测量进行多种测量信息数据融合获得补偿信号，所述补偿信号用于对捷联惯性测量产生的误差信息进行估计和在线修正，限制捷联惯性测量的误差发散，从而实现了全光纤数字测斜仪长时间工作的高精度测量。
本发明是一种适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量控制装置，包括用于存储惯性组合测量任务控制程序的计算机；用于输入角速度信息的光纤陀螺；用于输入比力信息的加速度计；用于输入地磁分量信息的磁通门；用于输入零速修正信息的下井探管；用于输入缆长信息的计数器，计数器安装在光缆绞盘上，光缆的一端连接在光缆绞盘上，另一端固定在下井探管上；还包括捷联惯性测量、磁测量、光缆运行速度测量、卡尔曼滤波器和信息比较A单元、信息比较B单元、信息比较C单元，所述捷联惯性测量首先接收 A)所述光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的角速度信息；和B)所述加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出 C)下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz；和D)下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ；最后将E)所述速度信息Vx、Vy、Vz输出给所述信息比较B单元和所述信息比较C单元；将F)所述姿态信息输出给信息比较A单元；所述磁通门测量首先接收A)磁通门组件输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的地磁分量信息；和
B)加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述地磁分量信息和所述比力信息采用磁测量计算，并将计算出的相对于磁北的方位角转换为相对于真北的方位角ψc后，输出所述下井探管姿态信息的方位角ψc、横滚角φc、倾斜角θc；最后将C)所述姿态信息输出给信息比较A单元；所述光缆运行速度测量是采用所述计数器测量得到的光缆长度在单位时间内光缆长度增量得到下井探管运行时在其机体坐标系ObXbYbZb下的速度信息；所述卡尔曼滤波器接收A)信息比较A单元输出的姿态差值ZKA=ψ-ψcθ-θcφ-φc,]]>和B)信息比较B单元输出的速度差值ZKB=Vx-VxcVy-VycVz-Vzc]]>和C)信息比较C单元输出的速度差值ZKC=Vx-0Vy-0Vz-0,]]>利用离散型卡尔曼滤波器对接收信息进行数据融合实现对状态变量X＝[δrx，δry，δrz，δvy，δvz，ηx，ηy，ηz，δfx，δfy，δfz，δωx，δωy，δωz]的进行最优估计，根据估计的状态变量对所述捷联惯性测量进行在线误差补偿，输出补偿后的下井探管姿态信息ψ0θ0φ0=ψ-ηxθ-ηyφ-ηz]]>给所述计算机显示界面；所述信息比较A单元，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ与所述磁测量输出的下井探管姿态信息的方位角ψc、横滚角φc、倾斜角θc相减输出姿态差值ZKA=ψ-ψcθ-θcφ-φc]]>给卡尔曼滤波器；所述信息比较B单元，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz与所述光缆运动速度测量输出的速度信息Vxc、Vyc、Vzc相减输出速度差值ZKB=Vx-VxcVy-VycVz-Vzc]]>给卡尔曼滤波器；
所述信息比较C单元，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz与所述下井探管静止量输出的零速度信息相减输出速度差值ZKC=Vx-0Vy-0Vz-0]]>给卡尔曼滤波器。
所述的捷联惯性组合测量控制装置，其具有捷联惯性测量+缆长的第一测量工作模式、或者捷联惯性测量+零速修正的第二测量工作模式、或者捷联惯性测量+磁测量的第三测量工作模式、或者捷联惯性测量+缆长+零速修正+磁测量的第四测量工作模式。
本发明捷联惯性组合测量控制装置的优点在于(1)多种测量模式的灵活切换，操作方便；(2)多种测量模式的使用为测斜仪提供了广阔的使用空间；(3)多传感器组件的同时使用，提高了测斜仪的使用可靠性；(4)对多传感器组件进行信息融合可有效提高测斜仪的测量精度，能够在使用中等精度惯性测量器件(光纤陀螺和加速度计)条件下实现高精度的组合测量系统，降低了测斜仪的加工成本。
图1是本发明捷联惯性组合测量控制装置的结构框图。
图2是信息测量切换为缆长信息与捷联惯性测量系统的结构框图。
图3是信息测量切换为下井探管停止时零速信息与捷联惯性测量系统的结构框图。
图4是信息测量切换为磁通门与捷联惯性测量系统的结构框图。
图5是捷联惯性组合测量控制装置的主控界面示意图。
具体实施例方式
下面将结合附图本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量控制装置，是对捷联惯性测量输出的姿态信息、速度信息分别与磁测量输出的磁姿态信息、光缆绞盘运动的速度信息和下井探管静止时的零速信息进行信息比较后，并对所述信息比较输出的差值进行卡尔曼滤波处理后，用于估计捷联惯性组合的相关误差并进行修正和补偿。经所述修正和补偿后的捷联惯性测量将输出的姿态信息给计算机进行精确的井眼轨迹绘图及显示。
全光纤数字测斜仪由公知计算机、捷联惯性组合测量控制程序、信号采集器、光缆铰盘、井架和下井探管组成，捷联惯性组合测量控制程序存储于计算机的存储器中，信号采集器安装于计算机的主板插槽上，信号采集器与光缆铰盘采用有线连接，光缆铰盘上的光缆一端与下井探管连接，光缆在井架上滑动实现将下井探管放入井眼中。
参见图1所示，本发明捷联惯性组合测量控制装置包括捷联惯性测量、磁通门测量、光缆运行速度测量、卡尔曼滤波处理、三个信息比较模块(信息比较A、信息比较B和信息比较C)和零速修正模块(下井探管静止时信息)，下面将从各部分能够实现的功能进行说明。
一、捷联惯性测量惯性测量分为平台式惯性测量和捷联式惯性测量，捷联式惯性测量是将陀螺和加速度计直接固连在机体上的一种惯性测量方式。捷联式惯性测量是用数学平台取代平台式惯性测量中的物理平台而进行的一种测量模式。该捷联式惯性测量具有机械结构简单、尺寸小、相对造价较低，但由于陀螺和加速度计直接固连在机体上，导致陀螺和加速度计的输入动态范围较大，则在对使用合适的陀螺和加速度计提出了更高的要求，此外选用数学平台代替物理平台对数据处理用的计算机要求较高。
在本发明中，捷联惯性测量首先接收A)光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的角速度信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz；和D)下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ；最后，将E)所述速度信息Vx、Vy、Vz输出给信息比较B单元和信息比较C单元；将F)所述姿态信息输出给信息比较A单元。
卡尔曼滤波器输出的所述状态变量X用于在线补偿所述捷联惯性测量的误差，其补偿后的表示下井探管姿态信息的输出为方位角ψ0、横滚角φ0、倾斜角θ0。并将这些姿态信息输出给计算机显示界面(参见图5所示)上绘图显示(井眼轨迹绘制)，以方便操作者实时监测。
垂直井深计算单元用于计算井眼的垂直井深，并将井深参数输出给计算机显示界面显示，以方便操作者实时监测。垂直井深计算单元的井深计算是通过将接收的缆长信息与下井探管倾斜角θ0的余弦相乘得到被测点的垂直井深。
二、磁通门测量磁通门现象是一种普遍存在的电磁感应现象，它是利用高导磁材料在传感器线圈系统中的磁饱和特性而测量磁场的仪器，是应用最广泛的弱磁测量仪器之一，其测量范围为10-12～10-3T，这种仪器结构简单、体积小、重量轻、功耗低、抗震性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、稳定性好、适于测量恒定磁场或缓慢变化的磁场。
在本发明中，磁通门组件包括三个正交安置的磁通门，即X轴磁通门、Y轴磁通门和Z轴磁通门。
在本发明中，磁通门测量首先接收A)磁通门组件输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的地磁分量信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述地磁分量信息和所述比力信息采用磁测量计算，并将计算出的相对于磁北的方位角转换为相对于真北的方位角ψc后，输出下井探管姿态信息的方位角ψc、横滚角φc、倾斜角θc；最后将C)所述姿态信息输出给信息比较A单元。
三、光缆运行速度光缆的一端连接在光缆绞盘上，另一端固定在下井探管上。在本发明中，对下井探管在井中运行的速度可通过计数器测量得到的光缆长度在单位时间内光缆长度增量得到下井探管运行时在其机体坐标系ObXbYbZb下的速度信息。
全光纤数字测斜仪在测量过程中涉及两个坐标系，一个是当地地理坐标系OtXtYtZt，一个是下井探管机体坐标系ObXbYbZb。这两个坐标系存在的坐标转换关系为xbybzb=Ctbxtytzt,]]>Ctb示坐标转换矩阵。通过这个坐标转换矩阵Ctb可将下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的光缆运行速度信息转换为当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度信息Vxc、Vyc、Vzc，所述速度信息Vxc、Vyc、Vzc输出给信息比较B单元进行速度差值比较。
下井探管机体坐标系ObXbYbZb与当地地理坐标系OtXtYtZt之间的转换矩阵为Ctb=cosψcosφ+sinψsinθsinφ-sinψcosφ+cosψsinθsinφ-cosθsinθsinψcosθcosψcosθsinθcosψsinθ-sinψsinθcosφ-sinψsinφ-cosψsinθcosφcosθcosφ,]]>这个矩阵中的角度分别有下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ。
四、卡尔曼滤波器卡尔曼滤波器接收A)信息比较A单元输出的姿态差值ZKA=ψ-ψcθ-θcφ-φc,]]>和
B)信息比较B单元输出的速度差值ZKB=Vx-VxcVy-VycVz-Vzc]]>和C)信息比较C单元输出的速度差值ZKC=Vx-0Vy-0Vz-0,]]>利用离散型卡尔曼滤波器对接收信息进行数据融合实现对状态变量X＝[δrx，δry，δrz，δvx，δvy，δvz，ηx，ηy，ηz，δfx，δfy，δfz，δωx，δωy，δωz]的进行最优估计，根据估计的状态变量对所述捷联惯性测量进行在线误差补偿，输出补偿后的下井探管姿态信息ψ0θ0φ0=ψ-ηxθ-ηyφ-ηz]]>给所述计算机显示界面。状态变量X＝[δrx，δry，δrz，δvx，δvy，δvz，ηx，ηy，ηz，δfx，δfy，δfz，δωx，δωy，δωz]，式中，δrx表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的位置误差X轴分量，δry表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的位置误差Y轴分量，δrz表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的位置误差Z轴分量，δvx表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度误差X轴分量，δvy表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度误差Y轴分量，δvz表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度误差Z轴分量，ηx表示方位角ψ误差，ηy表示倾斜角θ误差，ηz表示横滚角φ误差，δfx表示X轴加速度计误差，δfy表示Y轴加速度计误差，δfz表示Z轴加速度计误差，δωx表示X轴光纤陀螺误差，δωy表示Y轴光纤陀螺误差，δωz表示Z轴光纤陀螺误差。
本发明中的卡尔曼滤波器的滤波处理采用离散型卡尔曼滤波基本方程，其各状态变量初值均设为零。
五、信息比较在本发明中，信息比较由信息比较A单元、信息比较B单元和信息比较C单元组成，其中，信息比较A单元，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ与所述磁测量输出的下井探管姿态信息的方位角ψc、横滚角φc、倾斜角θc相减输出姿态差值ZKA=ψ-ψcθ-θcφ-φc]]>给卡尔曼滤波器；
信息比较B单元，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz与所述光缆运动速度测量输出的速度信息Vxc、Vyc、Vzc相减输出速度差值ZKB=Vx-VxcVy-VycVz-Vzc]]>给卡尔曼滤波器；信息比较C单元，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz与所述下井探管静止量输出的零速度信息相减输出速度差值ZKC=Vx-0Vy-0Vz-0]]>给卡尔曼滤波器。
六、零速修正零速修正是指全光纤数字测斜仪中下井探管处于静止位置时，其速度为零的现象来修正捷联惯性测量输出的速度误差。该“零速修正”通过设置的一按键实现，参见图5所示。采用所述零速修正模式时，下井探管实际的运行速度为零作为输出给信息比较C单元的比较信息。
本发明捷联惯性组合测量控制装置可以提供四种组合测量工作模式，各个模式通过在图5的界面中按下相应的键实现。其中，模式一捷联惯性测量+缆长(测量模式中按键设定为①)该组合测量模式用于常规有线测井的快速连续测量，尤其适用于套管井或有磁性物质干扰的井眼轨迹测量。其结构参见图2所示组合测量所需的信息流程为第一路信息，捷联惯性测量首先接收A)光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的角速度信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz；最后将所述速度信息Vx、Vy、Vz输出给信息比较B单元。第二路信息，通过计数器对光缆缆长的记录，再经坐标转换获得的表示井下探管的运行速度信息Vxc、Vyc、Vzc输出给信息比较B单元。在信息比较B单元中第一路信息与第二路信息进行速度差值比较后输出给卡尔曼滤波器处理。第三路信息，经卡尔曼滤波输出的所述状态变量X用于在线补偿所述捷联惯性测量的误差，其补偿后表示下井探管姿态信息的输出为方位角ψ0、横滚角φ0、倾斜角θ0。所述姿态信息输出给计算机显示界面绘图显示，以方便操作者实时监测。第四路信息，所述姿态信息输出给垂直井深计算单元进行垂直井深计算，并输出井深参数给计算机显示界面显示，以方便操作者实时监测。
模式二捷联惯性测量+零速修正(测量模式中按键设定为②)该组合测量模式用于不要求连续测量的测井过程中，可用在随钻测井(MWD)过程中，实时监测钻头的钻进方向。其结构参见图3所示组合测量所需的信息流程为第一路信息，捷联惯性测量首先接收A)光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的角速度信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz；最后将所述速度信息Vx、Vy、Vz输出给信息比较C单元。第二路信息，下井探管实际的运行速度为零作为输出给信息比较C单元的比较信息。在信息比较C单元中第一路信息与第二路信息进行速度差值比较后输出给卡尔曼滤波器处理。第三路信息，经卡尔曼滤波输出的所述状态变量X用于在线补偿所述捷联惯性测量的误差，其补偿后表示下井探管姿态信息的输出为方位角ψ0、横滚角φ0、倾斜角θ0。所述姿态信息输出给计算机显示界面绘图显示，以方便操作者实时监测。第四路信息，所述姿态信息输出给垂直井深计算单元进行垂直井深计算，并输出井深参数给计算机显示界面显示，以方便操作者实时监测。
模式三捷联惯性测量+磁测量(测量模式中按键设定为③)该组合测量模式用于无磁环境干扰的测井作业，实现高精度连续测量。其结构参见图4所示组合测量所需的信息流程为第一路信息，捷联惯性测量首先接收A)光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的角速度信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)表示下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ；最后将所述姿态信息输出给信息比较A单元。第二路信息，磁通门测量首先接收A)磁通门组件输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的地磁分量信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述地磁分量信息和所述比力信息采用磁测量计算，并将计算出的相对于磁北的方位角转换为相对于真北的方位角ψc后，输出表示下井探管姿态信息的方位角ψc、横滚角φc、倾斜角θc；最后将所述姿态信息输出给信息比较A单元。在信息比较A单元中第一路信息与第二路信息进行姿态差值比较后输出给卡尔曼滤波器处理。第三路信息，经卡尔曼滤波输出的所述状态变量X用于在线补偿所述捷联惯性测量的误差，其补偿后表示下井探管姿态信息的输出为方位角ψ0、横滚角φ0、倾斜角θ0。所述姿态信息输出给计算机显示界面绘图显示，以方便操作者实时监测。第四路信息，所述姿态信息输出给垂直井深计算单元进行垂直井深计算，并输出井深参数给计算机显示界面显示，以方便操作者实时监测。
模式四捷联惯性测量+缆长+零速修正+磁测量(测量模式中按键设定为④)该组合测量模式用于有缆长辅助且无连续测量要求的各类测井环境，通过多种数据融合技术的应用，可提供精确估计和补偿捷联惯性的误差，能提供高精度的测量结果。其结构参见图1所示，组合测量所需的信息流程在说明书中已有相关详细介绍，此处不再说明了。
在本发明中，所述卡尔曼滤波器对状态变量进行实时在线估计。在四种不同的相关测量模式中，经卡尔曼滤波器处理输出的所述状态变量X是相同的，但使用的观测量是不同的。
当选取模式一时，其相应的量测阵H1=000000100000000000000010000000000000001000000,]]>则补偿后表示下井探管姿态信息的输出为ψ0θ0φ0=ψ-ηxθ-ηyφ-ηz.]]>当选取模式二时，其相应的量测阵H2,3=000100000000000000010000000000000001000000000,]]>则补偿后表示下井探管姿态信息的输出为ψ0θ0φ0=ψ-ηxθ-ηyφ-ηz.]]>本发明中，模式三与模式二的量测阵是相同的，则输出也相同，即模式三与模式二都是以速度差值作为观测量。
当选取模式四时，其相应的量测阵H4=000100000000000000001000000000000000010000000000000000100000000000000001000000000000000010000000,]]>则补偿后表示下井探管姿态信息的输出为ψ0θ0φ0=ψ-ηxθ-ηyφ-ηz.]]>光纤陀螺组件包括X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺和Z轴光纤陀螺，三个光纤陀螺输出角速度信息；加速度计组件包括X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计，三个加速度计输出比力信息；磁通门组件包括X轴磁通门、Y轴磁通门和Z轴磁通门，三个磁通门输出地磁分量信息。
本发明提出的捷联惯性组合测量方法是根据被测井不同的实际应用环境及现场条件，对所选取的传感器组件进行满足测量精度要求的选择，以确定全光纤数字测斜仪的测量模式，在选取的测量模式下对不同的测量值进行数据融合和系统误差最优估计，从而实现对捷联惯性测量进行在线补偿，提高全光纤数字测斜仪的测量精度，为全光纤数字测斜仪提供了更广阔的使用空间。
权利要求
1.一种适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量控制装置，包括用于存储惯性组合测量任务控制程序的计算机；用于输入角速度信息的光纤陀螺；用于输入比力信息的加速度计；用于输入地磁分量信息的磁通门；用于输入零速修正信息的下井探管；用于输入缆长信息的计数器，计数器安装在光缆绞盘上，光缆的一端连接在光缆绞盘上，另一端固定在下井探管上；其特征在于还包括捷联惯性测量、磁测量、光缆运行速度测量、卡尔曼滤波器和信息比较A单元、信息比较B单元、信息比较C单元，所述捷联惯性测量首先接收A)所述光纤陀螺输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的角速度信息；和B)所述加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述角速度信息和所述比力信息采用航迹推算处理后，输出C)下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz；和D)下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ；最后将E)所述速度信息Vx、Vy、Vz输出给所述信息比较B单元和所述信息比较C单元；将F)所述姿态信息输出给信息比较A单元；所述磁通门测量首先接收A)磁通门组件输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的地磁分量信息；和B)加速度计输出的下井探管机体坐标系ObXbYbZb下的比力信息；然后对所述地磁分量信息和所述比力信息采用磁测量计算，并将计算出的相对于磁北的方位角转换为相对于真北的方位角ψc后，输出所述下井探管姿态信息的方位角ψc、横滚角φc、倾斜角θc；最后将C)所述姿态信息输出给信息比较A单元；所述光缆运行速度测量是采用所述计数器测量得到的光缆长度在单位时间内光缆长度增量得到下井探管运行时在其机体坐标系ObXbYbZb下的速度信息；所述卡尔曼滤波器接收A)信息比较A单元输出的姿态差值ZKA=ψ-ψcθ-θcφ-φc,]]>和B)信息比较B单元输出的速度差值ZKB=Vx-VxcVy-VycVz-Vzc]]>和C)信息比较C单元输出的速度差值ZKC=Vx-0vy-0Vz-0,]]>利用离散型卡尔曼滤波器对接收信息进行数据融合实现对状态变量X＝[δrx，δry，δrz，δrx，δry，δrz，ηx，ηy，ηz，δfx，δfy，δfz，δωx，δωy，δωz]的进行最优估计，根据估计的状态变量对所述捷联惯性测量进行在线误差补偿，输出补偿后的下井探管姿态信息ψ0θ0φ0=ψ-ηxθ-ηyφ-ηz]]>给所述计算机显示界面；式中，δrx表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的位置误差X轴分量，δry表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的位置误差Y轴分量，δrz表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的位置误差Z轴分量，δvx表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度误差X轴分量，δvy表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度误差Y轴分量，δvz表示当地地理坐标系OtXtYtZt下的速度误差Z轴分量，ηx表示方位角ψ误差，ηy表示倾斜角θ误差，ηz表示横滚角φ误差，ηzδfx表示X轴加速度计误差，δfy表示Y轴加速度计误差，δfz表示Z轴加速度计误差，δωx表示X轴光纤陀螺误差，δωy表示Y轴光纤陀螺误差，δωz表示Z轴光纤陀螺误差；所述信息比较A单元，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管姿态信息的方位角ψ、横滚角φ、倾斜角θ与所述磁测量输出的下井探管姿态信息的方位角ψc、横滚角φc、倾斜角θc相减输出姿态差值ZKA=ψ-ψcθ-θcφ-φc]]>给卡尔曼滤波器；所述信息比较B单元，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz与所述光缆运动速度测量输出的速度信息Vxc、Vyc、Vzc相减输出速度差值ZKB=Vx-VxcVy-VycVz-Vzc]]>给卡尔曼滤波器；所述信息比较C单元，用于完成对所述捷联惯性测量输出的下井探管的速度信息Vx、Vy、Vz与所述下井探管静止量输出的零速度信息相减输出速度差值ZKC=Vx-0Vy-0Vz-0]]>给卡尔曼滤波器。
2.根据权利要求1所述的捷联惯性组合测量控制装置，其特征在于具有捷联惯性测量+缆长的第一测量工作模式、或者捷联惯性测量+零速修正的第二测量工作模式、或者捷联惯性测量+磁测量的第三测量工作模式、或者捷联惯性测量+缆长+零速修正+磁测量的第四测量工作模式。
3.根据权利要求1所述的捷联惯性组合测量控制装置，其特征在于所述状态变量X中的初值设为零。
4.根据权利要求1所述的捷联惯性组合测量控制装置，其特征在于根据测量工作模式不同，其所述卡尔曼滤波器的观测量不同，从而量测阵有H1=000000100000000000000010000000000000001000000,]]>或者为H2,3=000100000000000000010000000000000001000000000,]]>或者为H4=000100000000000000001000000000000000010000000000000000100000000000000001000000000000000010000000.]]>
5.根据权利要求1所述的捷联惯性组合测量控制装置，其特征在于所述下井探管输入的零速修正信息是由所述惯性组合测量任务控制程序设置在计算机显示屏上的主控界面中的一按键实现。
6.根据权利要求1所述的捷联惯性组合测量控制装置，其特征在于所述卡尔曼滤波器对状态变量进行实时在线估计。
全文摘要
本发明公开了一种适用于全光纤数字测斜仪的捷联惯性组合测量控制装置，是用于对油井、气井井眼轨迹测量的，尤其适用于全光纤数字测斜仪的常规有线测量(WL)和随钻测量(MWD)。控制装置采用捷联惯性导航原理，利用光纤陀螺和抗震加速度计组成的主导航系统，在不同工作环境和测量精度要求时，分别利用测井缆绳缆长、磁通门传感器以及零速度几个外部信息，结合kalman滤波对主惯导系统进行系统误差估计和修正，从而限制了惯导系统的误差发散，组成一部高精度组合惯性测量仪器。多个外部信息与主惯导系统按不同测量要求组合使用，使仪器具有精度高、测速快、可靠性高、使用范围广的优点。
文档编号E21B47/02GK1888386SQ20061008977
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月17日 优先权日2006年7月17日
发明者张春熹, 高爽, 张小跃, 陈永奇, 颜廷洋, 乔鹏, 任磊 申请人:北京航空航天大学