基于光纤陀螺的井斜测量单元研究

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1、硕士学位论文基于光纤陀螺的井斜测量单元研究RESEARCHONMEASUREMENTWHILEDRILLINGSYSTEMBASEDONFIBEROPTICGYROSCOPE(FOG)马亚平哈尔滨工业大学2012年7月国内图书分类号：TE927学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文基于光纤陀螺的井斜测量单元研究硕士研究生：马亚平导师：魏国教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：自动化测试与控制系答辩日期：2012年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Cla

2、ssifiedIndex:TE927U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONMEASUREEMENTWHILEDRILLINGSYSTEMBASEDONFIBEROPTICGYROSCOPE(FOG)Candidate：YapingMaSupervisor：Prof.GuoWeiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：InstrumentSc

3、ienceandTechnologyAffiliation：Dept.ofAutomaticTestingandControlDateofDefence：July,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要井斜测量单元研究是基于捷联惯性导航原理，由三轴光纤陀螺和三轴加速度计构成惯性测量单元，通过数学平台实时地解算出载体的姿态角、位置和速度等参数。本课题以石油勘测和开采为背景，应用于长时

4、间、远距离和连续井斜测量的场合。从随钻井斜测量的原理出发，采用捷联惯性导航系统替代传统的平台惯性导航系统，利用光纤陀螺和加速度计构成的惯性敏感单元替代传统的磁通门和加速度计的结构，适用于具有磁场干扰的场合。本文详细地分析了井斜测量的工作原理和测量系统中存在的各种静态误差和动态误差，并对不同的误差补偿方法进行了讨论，通过24位置标定实验、速率标定实验、温度实验、两位置旋转闭环控制实验等进行误差补偿。井斜测量单元研究从其测量原理、测量误差分析与补偿、姿态解算方法和载体姿态信息显示等方面作为切入点，详细

5、分析和设计了井斜测量实验平台，主要完成的研究工作包括四个方面：（1）详细地阐述了井斜测量的工作原理，建立捷联姿态矩阵的数学表达式，并对三种不同的姿态解算方法（欧拉角法、方向余弦法和四元数法）进行分析讨论，确定采用四元数法进行姿态更新解算。（2）构建井斜测量单元实验平台，包括电源模块、数据采集和处理模块、电机闭环控制模块和通信模块等。（3）重点分析了测量系统中存在的动态和静态误差，对误差补偿方法进行分析与讨论，建立IMU误差模型，特别地对静态误差中的正交误差补偿提出了新的补偿方法，取得良好的补偿效果

6、。采用静基座初始对准方法，Kalman滤波算法进行初始对准中的精对准，以获得初始位置的精确的捷联姿态矩阵。采用两位置法方法改善系统的可观测性，以提高参数估计精度和速度。（4）完成了井斜测量系统的静态测试，并对产生的测量误差进行了分析，提出了可能存在的误差影响因素。通过静态位置实验，姿态角可获得较高的测量精度，基本满足井斜测量的指标。利用Labview进行数据采集界面和姿态信息显示界面设计，具有良好的交互性和实时性的特点。关键词：捷联惯性导航系统；光纤陀螺；随钻测量；正交标定；初始对准-I-哈尔滨工

7、业大学工学硕士学位论文AbstractMeasurementWhileDrilling(MWD)isbasedontheprinciplesofstrap-downinertialnavigation(SINS),whichconstitutesathree-axisfiberopticgyroscopeandtriaxialaccelerometercalledinertialmeasurementunit（IMU）.Theparametersofattitudeangle,positionan

8、dvelocityarecalculatedbymathematicalplatforminrealtime.Withoilexplorationandexploitationasthebackground,thesystemisusedinlongdistanceandcontinuousboreholedeviationmeasurementoccasions.FromtheprincipleofMWD,strapdowninertialnavigationsystemisan