CN119466748A 基于惯性导航的井斜角度测量方法及系统 （青岛智腾科技有限公司）

17号青岛市工业技术研究院A区A1楼设备井下运行实时监测和惯性状态卡尔曼滤波速度滤波数据以及惯性状态三轴角速度滤波数据进行三轴姿态角度积分运算和三轴姿态空间获取井下惯性导航初始参考点并进行三轴姿态惯性导航系统内相对应的传感器输出进行误差斜校准角度。本发明能够实现对井斜角度的实2步骤S1：通过井下惯性导航系统内置的三轴加速度计步骤S2：对惯性状态三轴加速度滤波数据以及惯性状态三轴步骤S3：获取井下惯性导航初始参考点，并基于井下步骤S4：通过温度传感器对井下惯性导航系统进行传感内相对应的传感器输出进行误差补偿推导计算，以得到惯性导航传感器输出误差补偿因子；根据惯性导航传感器输出误差补偿因子对惯性导航系统井斜角度进行井斜校准处理，步骤S11：通过井下惯性导航系统内置的三轴加速度计对钻井设备运行过程进行设备步骤S12：通过井下惯性导航系统内置的三轴陀螺仪对钻井设备运行过程进行设备井步骤S13：对设备惯性导航三轴加速度数据以及设备惯性导航三轴角速度数据进行传感噪声筛选划分，以得到设备惯性导航三轴标准参数集以及设备惯性导航三轴噪声参数步骤S15：基于设备惯性导航三轴噪声参数集对设备惯性动态状态预测变量内相对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角速度状态预测变量进行惯性状态卡尔曼滤波处理，得到惯性状态三轴加速度滤波数据以及惯性状态三轴角速度滤波数3.根据权利要求2所述的基于惯性导航的井斜角度3;;;;积分时间变量参数，X(t)为设备惯性导航三轴标准参数集内在时刻处的三轴动态状态向函数，为设备惯性状态三轴噪声干扰增益矩阵，n(t)为设备惯性状态三轴噪声向量，dz(x(t),u(t),t)为x轴惯性状态依赖项，d,(x(it),u(t),t)为y轴惯性状态依赖项，4.根据权利要求2所述的基于惯性导航的井斜角度测量方法步骤S151：对设备惯性导航三轴噪声参数集进行时序点步骤S152：对每一个时序点位对应的设备惯性三轴步骤S153：基于每一个时序点位对应的设备惯性三步骤S154：基于设备惯性导航三轴噪声协方差矩阵对设备惯对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角速度状态预测变量进行卡4步骤S155：基于设备惯性三轴加速度状态卡尔曼增益尔曼增益分别对相对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角速度状步骤S21：对惯性状态三轴加速度滤波数据以及惯性状态三轴角速度滤波数据进行三步骤S22：对惯性状态三轴加速度归一化数据以及惯性状态三轴角速度归一化数据进轴加速度与三轴角速度之间的正交解耦状态数学关系对惯性状态三轴加速度归一化数据步骤S25：基于惯性状态三轴姿态角度角点集对相对应的惯性状态三轴姿态角度数据6.根据权利要求5所述的基于惯性导航的井斜角度步骤S231：获取惯性状态采样时间步长，并基于惯步骤S232：基于惯性状态三轴加速度与三轴角速度之间步骤S233：基于惯性状态三轴加速度归一化数据对步骤S234：基于惯性状态三轴加速度正交解耦影响移影响因子对相对应的惯性状态三轴初始姿态角度估计数据进行姿态角度影响补偿计算，5步骤S33：基于惯性导航参考点空间几何特性参数对相对应的井下惯性导航初始参考步骤S34：基于惯性导航参考点空间几何约束条件对惯性状态三轴姿态角度仿真空间步骤S35：基于惯性参考点与三轴姿态角度之间的空间几何关系利用井斜角度计算公8.根据权利要求7所述的基于惯性导航的井斜角度测量;向上的加速度分量，MY为在惯性状态三轴姿态角度仿真空间内沿轴方向上的加速度分间区间长度，u为反解计算时间变量参数，p(u)为惯性状态三轴姿态角度仿真空间u上绕x轴的滚转角，y(u)为惯性状态三轴姿态角度仿真空间内在时间u上绕y轴的俯仰角，y(u)为惯性状态三轴姿态角度仿真空间内在时间u上绕z轴的偏航角，n为惯性导航系步骤S43：基于惯性导航传感工作温度波动幅度对井下惯性导航系统内相对应的传感步骤S44：基于惯性导航传感工作温度变化与传感器输出之间的线性回归拟合关系模步骤S45：根据惯性导航传感器输出误差补偿因子对惯性导航系统井斜角度进行井斜设备惯性导航状态滤波模块，用于通过井下惯性导航系统内置的三轴6惯性状态三轴姿态空间转换模块，用于对惯性状态三轴加速度惯性导航井斜角度反解模块，用于获取井下惯性导航初始参考点，几何关系对惯性状态三轴姿态角度仿真空间内相对应的三轴姿态角度进行井斜角度反解井斜角度误差补偿校准模块，用于通过温度传感器对井下惯性导航7因子；根据惯性导航传感器输出误差补偿因子对惯性导航系统井斜角度进行井斜校准处8步骤S11：通过井下惯性导航系统内置的三轴加速度计对钻井设备运行过程进行步骤S12：通过井下惯性导航系统内置的三轴陀螺仪对钻井设备运行过程进行设步骤S13：对设备惯性导航三轴加速度数据以及设备惯性导航三轴角速度数据进步骤S15：基于设备惯性导航三轴噪声参数集对设备惯性动态状态预测变量内相对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角速度状态预测变量进行惯[0006]进一步的，步骤S14中所述的惯性状态预测计算通过惯性状态转移方程进行积分;9响函数，为设备惯性状态三轴噪声干扰增益矩阵，n(t)为设备惯性状态三轴噪声向量，dz(x(t),u(t),t)为x轴惯性状态依赖项，d,(x(it),u(t),t)为y轴惯性状态依赖项，内相对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角速度状态预测变量进态卡尔曼增益分别对相对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角速步骤S21：对惯性状态三轴加速度滤波数据以及惯性状态三轴角速度滤波数据进步骤S22：对惯性状态三轴加速度归一化数据以及惯性状态三轴角速度归一化数态三轴加速度与三轴角速度之间的正交解耦状态数学关系对惯性状态三轴加速度归一化步骤S25：基于惯性状态三轴姿态角度角点集对相对应的惯性状态三轴姿态角度度漂移影响因子对相对应的惯性状态三轴初始姿态角度估计数据进行姿态角度影响补偿步骤S33：基于惯性导航参考点空间几何特性参数对相对应的井下惯性导航初始步骤S34：基于惯性导航参考点空间几何约束条件对惯性状态三轴姿态角度仿真步骤S35：基于惯性参考点与三轴姿态角度之间的空间几何关系利用井斜角度计算公式对惯性状态三轴姿态角度仿真空间内相对应的三轴姿态角度进行井斜角度反解计时间区间长度，u为反解计算时间变量参数，p(u)为惯性状态三轴姿态角度仿真空时间u上绕x轴的滚转角，p(u)为惯性状态三轴姿态角度仿真空间内在时间u上绕y轴的俯仰角，y(u)为惯性状态三轴姿态角度仿真空间内在时间u上绕z轴的偏航角，n为惯性导航步骤S43：基于惯性导航传感工作温度波动幅度对井下惯性导航系统内相对应的步骤S44：基于惯性导航传感工作温度变化与传感器输出之间的线性回归拟合关步骤S45：根据惯性导航传感器输出误差补偿因子对惯性导航系统井斜角度进行状态三轴角速度滤波数据进行三轴姿态角度积分运算，以得到惯性状态三轴姿态角度数空间几何关系对惯性状态三轴姿态角度仿真空间内相对应的三轴姿态角度进行井斜角度于联合各个模块上运行的计算机程序之间的操作实现基于惯性导航的井斜角度测量方法，术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范每个轴向的加速度值，从而得到设备惯性导航三轴加速度数据。通过使用井下惯性导航系统内置的三轴陀螺仪对相对应的钻井设备运行过程进行三轴方向上运行角速度的实时监捕捉到设备的方位变化，从而得到设备惯性导航三轴角速度数据。还通过对先前经过实时监测得到的设备惯性导航三轴加速度数据以及设备惯性导航三轴角速度数据进行传感器噪声的筛选和划分，以利用数字信号处理技术应用带通滤波器对相对应的三轴加速度以及三轴角速度进行噪声抑制，剔除频率低于或高于设备运行状态所需频率范围的干扰噪声参并通过对先前经过筛选得到的三轴标准参数集进行惯性状态的预测计算，以将加速度和角速度的运行状态预测数据结合相应的随机干扰项进行动态建模，该预测计算考虑了设备惯性三轴加速度以及三轴角速度的初始状态变化变量，并结合时间步长、三轴动态状态向量转移方程对设备在未来时刻的加速度和角速度状态进行推算，以获取相应的三轴加速度状态预测变量以及三轴角速度状态预测变量。然后，通过对先前经过获取得到存在噪声的三轴噪声参数集进行时序点位的标注划分，以通过使用时间戳对每个数据点进行记录，编写程序自动提取每个时序点位对应的三轴噪声参数子集，以确保提取的噪声参数子集反映每一时序点位处真实的设备状态，也即相应的三轴加速度以及三轴角速度，并通过对先前提取的每个时序点位的噪声参数子集进行协方差的统计计算，以实现每一个时序点位内协方的两个随机变量，和是它们的均值，通过协方差矩阵利用卡尔曼滤波理论对先前经过状态转移方程分析得到三轴加速度状态预测变量以及三轴角速度状态预测变量进行增益参数的量化计算，以计算加速度状态和角速度状态的卡尔曼增益，在具体实现中依据卡尔现对每个时序点位的卡尔曼增益计算，同时，通过结合先前计算得到的卡尔曼增益对相对应的三轴加速度状态预测变量以及三轴角速度状态预测变量进行滤波处理，具体而言，如下CX=(I-KH)CXK-1，其中是更新后的状态估计， 状态三轴加速度滤波数据以及惯性状态三轴角速度滤波数据。标准差，并通过对先前归一化后得到的三轴加速度和三轴角速度数据进行正交解耦分析，过结合惯性状态采样时间步长以及惯性状态三轴加速度与三轴角速度之间的正交解耦状参考点的垂直距离并通过结合先前统计计算得到的空间几何特性参数对应的井下惯性成了一个合适的计算公式进行井斜角度的反解计算，以结合参考点的空间深度和姿态角因子；根据惯性导航传感器输出误差补偿因子对惯性导航系统井斜角度进行井斜校准处过统计包括计算温度数据的最大值、最小值和标准差，以量化温度波动的范围，并利用下惯性导航系统内相对应的传感器输出与温度变化之间的关系进行回归拟合分析，采用合分析得到的工作温度变化与传感器输出之间的线性回归拟合关系模型利用回归方程对对相对应的惯性导航系统井斜角度进行校准计算，以将补偿因子与井斜角度测量值结合，步骤S11：通过井下惯性导航系统内置的三轴加速度计对钻井设备运行过程进行[0026]步骤S12：通过井下惯性导航系统内置的三轴陀螺仪对钻井设备运行过程进行设[0027]步骤S13：对设备惯性导航三轴加速度数据以及设备惯性导航三轴角速度数据进惯性导航三轴标准参数集以及设备惯性导航三轴噪声参[0029]步骤S15：基于设备惯性导航三轴噪声参数集对设备惯性动态状态预测变量内相对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角速度状态预测变量进行惯G=E[(x-u)(x-)，其中表示协方差，和尔曼滤波理论对先前经过状态转移方程分析得到三轴加速度状态预测变量以及三轴角速度状态预测变量进行增益参数的量化计算，以计算加速度状态和角速度状态的卡尔曼增算得到的卡尔曼增益对相对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角,,其中是更新后的状态估计，为以及惯性状态三轴角速度滤波数据。[0031]进一步的，步骤S14中所述的惯性状态预测计算通过惯性状态转移方程进行积分;响函数，为设备惯性状态三轴噪声干扰增益矩阵，n(t)为设备惯性状态三轴噪声向量，dz(x(t),u(t),t)为x轴惯性状态依赖项，d,(x(it),u(t),t)为y轴惯性状态依赖项，动态特性及外部因素，使得预测更加符合实际情况。状态转移方程中的各项参数（如时刻t处的外部干扰噪声分量B(t)，外部干扰噪声影响函数g(x(t),u(t),t)，设备惯性状态dz(x(t),u(t),t)，y轴惯性状态依赖项dy,(x(t),u(t),t)，z轴惯性状态依赖项d,(x(t),u(t),t),在时刻处的设备惯性状态额外干扰项h(r)，其中，通过a(t)为在时刻t处的x轴加速刻t处的x轴角速度分量，为在时刻t处的y轴角速度分量，wz(t)为在时刻t处的z轴角速度分量以及时间变量参数构成了一个设备惯性导航三轴标准参数集内在时刻处的三轴动态状态向量x(t)的函数关系，通过结合设备惯性导航t处的三轴动态状态向量x(t)，时间变量参数t，在时刻t处的惯性状态外部控制影响分量量B(t)构成了一种惯性动态状态预测函数f(x(t),u(t),t)的函数关系dy,(x(t),u(t),t)，z轴惯性状态依赖项d,(x(t),u(t),t)，设备惯性导航三轴标准参数集内在时刻t处的三轴动态状态向量x(t)，时间变量参数t以及在时刻t处的惯性状态外部控制影响分量u(t)构成了外部干扰噪声影响函数g(x(t),u(t),t)的函数关系,根据设备惯性动态状态预测变量x(t+At)与以上各参数之X()+f(x(t),u(t),t)at+g(x(t),u(t),t)x"n(r)dc，该方程能够实现对设备惯性导析，以统计计算每个噪声参数子集的均值、方差及自相关函数，在具体实施时，可采用性三轴噪声统计特性参数对相对应时序点位处的设备惯性三轴噪声参数子集进行协方差的统计计算，以实现每一个时序点位内协方差的量化计算，利用以下公式使用先前量化计算得到的每一个时序点位对应的设备惯性三轴噪声协方差构建成协方差内相对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角速度状态预测变量进利用卡尔曼滤波理论对先前经过状态转移方程分析得到设备惯性动态状态预测变量内相对应的三轴加速度状态预测变量以及三轴角速度状态预测变量进行增益参数的量化计算，以计算加速度状态和角速度状态的卡尔曼增益，在具体实现中依据卡尔曼增益公式三轴角速度状态卡尔曼增益。态卡尔曼增益分别对相对应的设备惯性三轴加速度状态预测变量以及设备惯性三轴角速益以及设备惯性三轴角速度状态卡尔曼增益分别对相对应的设备惯性三轴加速度状态预式如下CX=(I-KH)CXK-1，其中是更新后的状态估步骤S21：对惯性状态三轴加速度滤波数据以及惯性状态三轴角速度滤波数据进[0040]步骤S22：对惯性状态三轴加速度归一化数据以及惯性状态三轴角速度归一化数态三轴加速度与三轴角速度之间的正交解耦状态数学关系对惯性状态三轴加速度归一化并通过结合惯性状态采样时间步长以及惯性状态三轴加速度与三轴角速度之间的正交解数据处理算法实现，确保提取的角点在后续的分析中能够充分反映姿态的主要变化特征，[0043]步骤S25：基于惯性状态三轴姿态角度角点集对相对应的惯性状态三轴姿态角度速度之间的正交解耦状态数学关系对先前经过归一化后得到的惯性状态三轴加速度归一以使用卡尔曼滤波等算法对加速度数据进行处理，从而剔除噪声的影响并提取出有效信度漂移影响因子对相对应的惯性状态三轴初始姿态角度估计数据进行姿态角度影响补偿影响因子以及惯性状态三轴姿态角度漂移影响因子对相对应的惯性状态三轴初始姿态角[0052]步骤S33：基于惯性导航参考点空间几何特性参数对相对应的井下惯性导航初始参数对应的井下惯性导航初始参考点进行空间几何的约束分析，以涉及构建几何约束模[0053]步骤S34：基于惯性导航参考点空间几何约束条件对惯性状态三轴姿态角度仿真条件对先前仿真构建得到的惯性状态三轴姿态角度仿真空间内相对应的三轴姿态角度进[0054]步骤S35：基于惯性参考点与三轴姿态角度之间的空间几何关系利用井斜角度计算公式对惯性状态三轴姿态角度仿真空间内相对应的三轴姿态角度进行井斜角度反解计;