旋转MEMS惯性随钻测量技术研究

Aiming at the measurement accuracy of inertial measurement while drilling, the rotation modulation scheme for the drill,rotational error,error estimation and integrated measurement are studied. 1)According to the requirement of the measurement while drilling environment,the rotary inertial navigation is constructed using its power drill rotary motion for rotation modulation to achieve error self compensation; 2)From the point of the error characteristics of rotation modulation system under the interference motions,the rules of influence of the rotational errors caused by the different axial interference motions and rotary axial errors are analyzed; 3)Using the "Moving" and "Non-moving" in the drilling process,the observability of the sensor and the interference errors are improved,and mutation factor is introduced in Kalman filtering for the error estimation; 4)The attitudes of drilling tool is calculated by three-axis gyroscope,and inclination angle,tool face angle and azimuth calculated by three-axis accelerometer and three-axis magnetometer,then the integrated measurement are performed based on Kalman filter after removing estimation errors, simultaneously,reversing and estimating gyro errors and magnetic disturbance. Finally,the constructed rotary MEMS inertial measurement system is comparatively studied by the quantitative and qualitative theoretical analysis,numerical simulation and experiment to build applicable rotation scheme,error estimation and integrated measurement methods for obtaining better measurement accuracy while drilling. Therefore,this topic research provides a theoretical foundation for improving the accuracy of inertial measurement while drilling,and it has important scientific significance and application value.

针对惯性随钻测量精度问题，对构造钻用旋转调制方案、旋转误差、误差估计和组合测量进行研究。1)结合随钻测量的环境要求，利用动力钻具自身的运动构造旋转惯导，进行旋转调制，实现误差自补偿；2)在外界干扰运动情况下从旋转调制系统的误差特性出发，分析不同轴向干扰运动对旋转调制误差和旋转轴向误差的影响规律；3)利用钻进过程中的“动”和“不动”，提高器件和外界干扰误差的可观测性，在Kalman滤波中引入突变因子进行误差估计；4)通过三轴陀螺仪解算出钻具姿态，加速度计测量的倾斜角和工具面角、磁强计测量的方位角，去除估计误差后进行Kalman组合测量，同时估计反推陀螺仪误差和磁干扰。最后对构造旋转MEMS惯性随钻测量采用理论分析、仿真和实验对比研究，建立便于应用的旋转方案、误差估计和组合测量方法，以获得更好的随钻测量精度，因此本项目为提高惯性随钻测量系统精度提供了理论基础，具有重要的科学意义和应用价值。

惯性随钻测量具有广泛的应用领域，但由于近钻头运动和钻进环境十分复杂，还有国外对惯性随钻测量技术的封锁，因此提高随钻测量精度具有重要的科学意义和实际价值。本项目针对旋转调制系统方案设计、复杂干扰下的信号处理、误差估计和补偿、组合测量进行深入研究，完成了如下内容：.(1)为了满足钻进过程中测量数据的需要，设计了基于MEMS三轴磁强计、加速度计和陀螺仪的旋转式磁惯性随钻测量系统，并制作了旋转的随钻测量系统样机。.(2)为消除捷联惯导姿态误差，提出一种等效反向旋转惯导方案，构建一个在初始时刻与载体坐标系重合且绕导航坐标系的旋转矢量始终与载体坐标系绕导航坐标系的旋转矢量大小相等、方向相反的坐标系。在载体小角度晃动时，通过转台模拟实验估计补偿后的三个姿态误差均减小了72%以上。.(3)为获取真实随钻加速度，设计了一种基于Hammerstein(H)的加速度随机振动误差模型。利用改进的递推贝叶斯算法通过较少输入输出数据，在线辨识参数向量的估计值，同时引入条件阈值和调节系数，将MWD的钻头运动状态与调节系数关联来修正模型，提高辨识灵敏度。.(4)由于地磁数据易受到外界磁干扰和器件本身的影响，提出等效旋转调制和统计卡尔曼滤波的方法对地磁数据进行提取。实验结果表明提取的地磁精度模值能够准确的收敛到当地地磁模值，精度达到1.5uT，方位角误差精度提高至1.6°。.(5)针对强振下惯性随钻测量方位漂移的问题，提出一种基于PI控制的随钻方位漂移补偿方法，建立振动加速度存在下的方位陀螺漂移模型，递推积分PI控制方位陀螺漂移补偿，采用神经网络辨识模型的PI参数，实时跟踪误差趋向补偿角速度。钻井实验结果表明方位角误差由10.53°/h减小到1.53°/h。.(6)为减小随机的突变信号对姿态解算精度的影响，提出一种突变滤波算法。核心在于通过突变模型判断观测值是否发生突变并设计突变滤波算法。实验结果表明采用提出的突变滤波算法可以将方位角控制在0.37°以内，误差明显减小，提高了系统的动态测量精度。.(7)针对加速度计和磁强计数据易受外界环境干扰，角速度数据短时精度高的特性，提出一种基于EKF的信息融合姿态解算算法。实验结果表明基于EKF信息融合改进算法解算得到的方位角的波动范围在±0.2°之间。