姿态数据校正方法和装置与流程
本申请涉及精密测量仪器技术领域，特别涉及一种姿态数据校正方法和装置。
背景技术：
精确姿态测量是石油勘探和航行器导航、制导与控制的基础，在国内外争夺越来越激烈的石油勘探和国防军事领域有着非常重要的地位。通常测量得到的姿态数据均存在各类系统误差，从而需要进行校正，以提高测量精度。
现有技术中，通常采用单轴最大值的方法对测量得到的姿态数据进行校正。具体地，以采用3个轴向安装、相互正交的加速度计实现钻井轨迹测量为例，通常在其中一个轴的加速度计为最大输出值、其它两个轴的加速度计为最小输出值的情况下，计算得到校正数据。如此，对于测量得到的姿态数据，可以使用所述校正数据进行校正。
在实现本申请过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
上述现有技术中，校正后的姿态数据，通常除本轴(指计算校正数据过程中具有最大输出值的轴)的误差较小外，其它轴的误差均较大。因此，上述现有技术中的校正方法，校正精度较低，导致校正后的姿态数据误差较大。
技术实现要素：
本申请实施例的目的是提供一种姿态数据校正方法和装置，以提高姿态数据的校正精度，减小校正后姿态数据的误差。
为实现上述目的，本申请实施例提供一种姿态数据校正方法，包括：提供有校正数据集合；其中，所述校正数据集合包括至少一个校正数据；每个校正数据对应有井斜角区间；确定指定姿态数据对应的指定井斜角；从所述校正数据集合中获取所述指定井斜角对应的校正数据，作为指定校正数据；其中，所述指定井斜角隶属于所述指定校正数据在所述校正数据集合对应的井斜角区间；使用所述指定校正数据，对所述指定姿态数据进行校正。
为实现上述目的，本申请实施例提供一种姿态数据校正装置，包括：确定单元，用于确定指定姿态数据对应的指定井斜角；获取单元，用于从所述校正数据集合中获取所述指定井斜角对应的校正数据，作为指定校正数据；其中，所述指定井斜角隶属于所述指定校正数据在所述校正数据集合对应的井斜角区间；校正单元，用于使用所述指定校正数据，对所述指定姿态数据进行校正。
由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例可以确定指定姿态数据对应的指定井斜角；可以从校正数据集合中获取所述指定井斜角对应的校正数据，作为指定校正数据；可以使用所述指定校正数据，对所述指定姿态数据进行校正。与现有技术相比，所述指定校正数据可以是通过至少3个工具面角对应的测量姿态数据和理论姿态数据计算得到；并且，所述至少3个工具面角可以具有适当的角度间隔，使得所述指定校正数据可以具有均衡的校正精度。因此，在本实施例中，在使用所述指定校正数据，对所述指定姿态数据进行校正后，可以减小校正后的指定姿态数据的误差，从而可以提高校正精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种姿态数据校正方法的流程图；
图2为本申请实施例一种校正数据计算方法的流程图；
图3a为采用现有技术对井斜角进行校正后的误差分布示意图；
图3b为采用现有技术对工具面角进行校正后的误差分布示意图；
图4a为采用本申请实施例对井斜角进行校正后的误差分布示意图；
图4b为采用本申请实施例对工具面角进行校正后的误差分布示意图；
图5为本申请实施例一种姿态数据校正装置的功能结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供一种姿态数据校正方法。请参阅图1。所述姿态数据校正方法可以包括如下步骤。
步骤s11：确定指定姿态数据对应的指定井斜角。
在本实施例中，所述指定姿态数据可以为通过测量得到的姿态数据。
在本实施例中，井斜角通常是指井中某点的中轴线与地球铅垂线之间的夹角，其范围通常为0°～180°，井斜角可以用来指示井眼轨迹的斜度。所述指定井斜角可以为所述指定姿态数据对应的井斜角。
在本实施例中，通常地，以采用3个轴向安装、相互正交的加速度计实现钻井轨迹测量为例，在北西天onws地理坐标系中建立井下导航钻井工具仪器坐标系，即，建立oxyz坐标系。将地球重力加速度g向仪器坐标系上投影，可得如下式(1)所示的理论姿态数据g1。
上式(1)中，gx为理论姿态数据g1在oxyz坐标系下x方向的分量，gy为理论姿态数据g1在oxyz坐标系下y方向的分量，gz为理论姿态数据g1在oxyz坐标系下z方向的分量；i为理论姿态数据g1对应的井斜角，t为理论姿态数据g1对应的工具面角。其中，所述工具面角可以为造斜工具下到井下后，工具面所在的角度。
如此，基于上式(1)的内容，通常可以通过如下公式(2)计算得到指定井斜角。
上式(2)中，i1为指定姿态数据b1对应的井斜角，即为指定井斜角；bz为指定姿态数据b1在oxyz坐标系下z方向的分量；g为地球重力加速度。
步骤s12：从校正数据集合中获取所述指定井斜角对应的校正数据，作为指定校正数据。
在本实施例中，所述校正数据集合中可以包括至少一个校正数据，每个校正数据可以对应有井斜角区间。
例如，所述校正数据集集合可以包括3组校正数据cm_1、cm_2和cm_3。其中，校正数据cm_1对应的井斜角区间可以为[0-60°)，校正数据cm_2对应的井斜角区间可以为[60°-120°)，校正数据cm_3对应的井斜角区间可以为[120°-180°)。
在本实施例中，可以将所述指定井斜角，与所述校正数据集集合中各个校正数据对应的井斜角区间进行匹配；可以将匹配的井斜角区间对应的校正数据作为指定校正数据。从而，所述指定井斜角可以隶属于所述指定校正数据在所述校正数据集合对应的井斜角区间。
例如，所述指定井斜角可以为90°。所述校正数据集集合可以包括3组校正数据cm_1、cm_2和cm_3。其中，校正数据cm_1对应的井斜角区间可以为[0°-60°)，校正数据cm_2对应的井斜角区间可以为[60°-120°)，校正数据cm_3对应的井斜角区间可以为[120°-180°)。那么，可以将指定井斜角90°，与所述校正数据集集合中各个校正数据对应的井斜角区间进行匹配，得到匹配的井斜角区间[60°-120°)；可以将匹配井斜角区间[60°-120°)对应的校正数据cm_2作为指定校正数据。
步骤s13：使用所述指定校正数据，对所述指定姿态数据进行校正。
在本实施例中，可以通过公式d＝c1×b1，对所述指定姿态数据进行校正。其中，d为校正后的指定姿态数据；c1为所述指定校正数据；b1为所述指定姿态数据。
具体地，所述校正后的指定姿态数据可以表示为矩阵
所述指定校正数据可以表示为矩阵
所述指定姿态数据可以表示为矩阵
那么，公式d＝c1×b1可以表示为公式
在一个实施方式中，请参阅图2。所述校正数据集合中的校正数据可以通过如下步骤得到。
步骤s21：将目标井斜角划分为至少一个井斜角区间。
在本实施方式中，所述目标井斜角可以为井中某点的中轴线与地球铅垂线之间的夹角。例如，所述目标井斜角可以为180°。
在本实施方式中，可以根据实际需要，将所述目标井斜角划分为至少一个井斜角区间。例如，可以根据校正后姿态数据的精度，将所述目标井斜角划分为2、3或5个井斜角区间。具体地，例如，所述目标井斜角的大小可以为180°，那么，可以将所述目标井斜角划分为5个井斜角区间，即，划分为[0°-40°)、[40°-60°)、[60°-90°)、[90°-150°)、[150°-180°)。
步骤s22：针对每个井斜角区间，确定该井斜角区间的代表井斜角，以及该代表井斜角对应的至少3个工具面角。
在本实施方式中，针对每个井斜角区间，可以从该井斜角区间内选取一个井斜角作为该井斜角区间的代表井斜角。具体地，可以从该井斜角区间任意选取一个井斜角作为代表井斜角。当然，也可以根据测量精度的需要，基于经验或算法从该井斜角区间内选取一个井斜角作为代表井斜角。例如，对于井斜角区间[0°-40°)，可以选取5°作为代表井斜角。
在本实施方式中，可以通过公式
例如，对于井斜角区间[0°-40°)，可以选取5°作为代表井斜角。如此，取k值分别为0、1和2。那么，可以得到3个工具面角，具体对应分别为45°、135°和225°。当然，也可以取k值分别为1、2和3，从而，可以得到3个工具面角，具体对应分别为130°、230°和300°。
步骤s23：针对所述至少一个工具面角中的每个工具面角，测量该工具面角对应的姿态数据，作为一个测量姿态数据；计算该工具面角对应的姿态数据，作为一个理论姿态数据。
在本实施方式中，以采用3个轴向安装、相互正交的加速度计实现钻井轨迹测量为例，在北西天onws地理坐标系中建立井下导航钻井工具仪器坐标系，即，建立oxyz坐标系。如此，针对所述至少一个工具面角中的每个工具面角，可以获取位于x轴的加速度计的输出值，作为该工具面角对应的测量姿态数据，在oxyz坐标系下x方向的分量；可以获取位于y轴的加速度计的输出值，作为该工具面角对应的测量姿态数据，在oxyz坐标系下y方向的分量；可以获取位于z轴的加速度计的输出值，作为该工具面角对应的测量姿态数据，在oxyz坐标系下z方向的分量。
在本实施例中，针对所述至少一个工具面角中的每个工具面角，可以通过前述公式(1)计算该工具面角对应的理论姿态数据。其中，前述公式(1)中，gx可以为该工具面角对应的理论姿态数据g1，在oxyz坐标系下x方向的分量；gy可以为该工具面角对应的理论姿态数据g1，在oxyz坐标系下y方向的分量；gz可以为该工具面角对应的理论姿态数据g1，在oxyz坐标系下z方向的分量；i可以为代表井斜角，t可以为该工具面角。
例如，所述代表井斜角可以为5°。所述至少一个工具面角分别可以为45°、135°和225°。
针对所述至少一个工具面角中的每个工具面角，可以测量该工具面角对应的姿态数据，作为一个测量姿态数据。从而，可以形成测量姿态数据矩阵
针对所述至少一个工具面角中的每个工具面角，可以计算该工具面角对应的姿态数据，作为一个理论姿态数据。从而，可以形成理论姿态数据矩阵
步骤s24：基于测量姿态数据和理论姿态数据，计算该井斜角区间对应的校正数据。
在本实施方式中，基于测量姿态数据和理论姿态数据，可以通过公式c2＝b2×g2-1，计算该井斜角区间对应的校正数据。其中，c2为该井斜角区间对应的校正数据，具体可以为一个校正矩阵；b2可以为测量姿态矩阵，具体可以包括所述至少一个工具面角中各个工具面角对应的测量姿态数据；g2为理论姿态矩阵，具体可以包括所述至少一个工具面角中各个工具面角对应的理论姿态数据。
例如，继续沿用上例，所述代表井斜角可以为5°，所述代表井斜角5°对应的井斜角区间可以为[0°-40°)。所述至少一个工具面角分别可以为45°、135°和225°。所述测量姿态矩阵
那么，通过公式c2＝b2×g2-1，可以计算得到井斜角区间[0°-40°)对应的校正数据
在本实施例中，可以确定指定姿态数据对应的指定井斜角；可以从校正数据集合中获取所述指定井斜角对应的校正数据，作为指定校正数据；可以使用所述指定校正数据，对所述指定姿态数据进行校正。与现有技术相比，所述指定校正数据可以是通过至少一个工具面角对应的测量姿态数据和理论姿态数据计算得到；并且，所述至少一个工具面角可以具有适当的角度间隔，使得所述指定校正数据可以具有均衡的校正精度。因此，在本实施例中，在使用所述指定校正数据，对所述指定姿态数据进行校正后，可以减小校正后的指定姿态数据的误差，从而可以提高校正精度。
本实施例的方法，在任意姿态位置均可以提高原始测量数据的校正精度，从而获得高精度的姿态数据，并可以拓展应用于石油深海深层勘探、机器人、导弹、飞机、舰艇、水下等载体姿态数据测量中。
图3a为井斜角为5°时，采用现有技术对该井斜角进行校正后的误差分布示意图。横坐标为工具面角，纵坐标为井斜角的校正误差。由图3a可知，在井斜角为5°时，采用现有技术对该井斜角进行校正后的误差范围为-0.222°～+0.039°。
图3b为在井斜角为5°时，采用现有技术对工具面角进行校正后的误差分布示意图。横坐标为工具面角，纵坐标为工具面角的校正误差。由图3b可知，在井斜角为5°时，采用现有技术对工具面角进行校正后的误差范围为-1.524°～+1.68°。
图4a为井斜角为5°时，采用本实施例对该井斜角进行校正后的误差分布示意图。横坐标为工具面角，纵坐标为井斜角的校正误差。由图4a可知，在井斜角为5°时，采用本实施例对该井斜角进行校正后的误差范围为-0.01°～+0.007°。
图4b为在井斜角为5°时，采用本实施例对工具面角进行校正后的误差分布示意图。横坐标为工具面角，纵坐标为工具面角的校正误差。由图4b可知，在井斜角为5°时，采用本实施例对工具面角进行校正后的误差范围为-0.168°～+0.066°。
对比图3a和图4a、图3b和图4b可知，本实施例可以有效地消除周期性系统误差；可以将井斜角校正精度提高22.2～5.7倍，将工具面角校正精度提高9.1～25.5倍。
请参阅图5。本申请实施例还提供一种姿态数据校正装置。所述姿态数据校正装置可以包括确定单元51、获取单元52和校正单元53。其中，
确定单元51，用于确定指定姿态数据对应的指定井斜角；
获取单元52，用于从所述校正数据集合中获取所述指定井斜角对应的校正数据，作为指定校正数据；其中，所述指定井斜角隶属于所述指定校正数据在所述校正数据集合对应的井斜角区间；
校正单元53，用于使用所述指定校正数据，对所述指定姿态数据进行校正。
在20世纪90年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(programmablelogicdevice,pld)(例如现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片pld上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片2。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logiccompiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(hardwaredescriptionlanguage，hdl)，而hdl也并非仅有一种，而是有许多种，如abel(advancedbooleanexpressionlanguage)、ahdl(alterahardwaredescriptionlanguage)、confluence、cupl(cornelluniversityprogramminglanguage)、hdcal、jhdl(javahardwaredescriptionlanguage)、lava、lola、myhdl、palasm、rhdl(rubyhardwaredescriptionlanguage)等，目前最普遍使用的是vhdl(very-high-speedintegratedcircuithardwaredescriptionlanguage)与verilog2。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络pc、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。
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