[发明专利]多自由度组合姿态测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明应用于石油工程、航天、航空和航海，属于精密测量仪器领域，特别涉及多自由度组合姿态测量方法及装置。

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，在国内外争夺愈来愈激烈的石油能源勘探和国防军事领域有着非常重要的地位。姿态惯性测量与控制技术是衡量一个国家尖端技术水平的重要标志，精度要求越来越高；而采用的常规正交坐标系在全角度范围内的相对误差奇点多、整体精度分布离散。改进设计和校正补偿可提高部分精度，但无法提高整体精度。

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地理坐标系中建立地下/井下导航(简称航地)钻井工具仪器坐标系(OXYZ坐标系)。

两个坐标系初始重合，N轴沿当地子午线指北，W轴沿当地纬线指西，S轴沿当地地垂线指天，NW面为当地水平面，NS面为当地子午面。定义方位角A为钻井工具在水平面内从地理北逆时针旋转到井轨迹在水平面投影的角，倾斜角I为井眼轴线与重力矢量之间的夹角，工具面角T为从重力高边逆时针旋转到钻井工具高边的夹角。

通常的欧拉旋转经过3次不同轴的旋转就可得到当前工具的仪器姿态。ONWS地理坐标系绕OS轴旋转角A到OX1Y1Z1，绕OY1轴旋转角I到OX2Y2Z2，再绕OZ2轴旋转角T到OX3Y3Z3，就得到仪器的当前坐标系。

将地球重力加速度g向仪器坐标系上投影，可得三轴加速度计输出为

G_x、G_y和G_z为加速度计在XYZ方向的分量输出。

由于三轴采用同类型传感器，它们的精度一致或非常接近，设受井斜角和工具面角变化所产生的相对误差相等，即dI/I＝dT/T，由公式(1)可推得三轴传感器输出的相对误差为：

从式(2)看来，三轴输出的相对误差分布存在一些奇点，即式(2)中分母为0的点：I＝0°、90°、180°和270°，T＝0°、90°、180°和270°。这些奇点附近，参与计算的1个或2个量的相对误差趋于无穷，数值整体分布范围从0到±∞，非线性很强。

对正交姿态测量误差进行分析，可知：小倾斜角姿态时，r_gx、r_gy很大，表明常规正交坐标系难以获得较高的整体测量精度；大倾斜角姿态时，r_gz很大，同时r_gx、r_gy交替存在奇点，表明常规正交坐标系也同样难以获得较高的整体测量精度；中间倾斜角姿态时，常规正交坐标系还存在奇点，部分区域误差仍然很大，仍需设法提高整体测量精度。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多自由度组合姿态测量方法及实现该方法的装置，该装置采用三个正交坐标系进行组合，使得在装置的任何姿态位置，至少有一个坐标系中的2个传感器的测量信号有较大的幅值，以此获得较大的原始信噪比，提高整体测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多自由度组合姿态测量方法，包含三个各自正交的仪器坐标系，其中第一个仪器坐标系与地理坐标系重合，与地理坐标系的重力方向平行的轴为Z轴，其他两个正交轴分别为X、Y轴，另外两个仪器坐标系是由地理坐标系旋转得到的，

首先，以位于待测装置中间位置的传感器检测元件中心O为原点，以地理坐标系中重力方向平行的轴为Z轴，与地理坐标系中非重力方向平行的其他两个轴为X、Y轴，建立第一个仪器坐标系OXYZ；

然后，将地理坐标系绕其重力方向平行的轴逆时针或顺时针旋转θ角，θ＝±45°或θ＝±135°，构成第二个仪器坐标系OMNZ，与Z轴正交的另外两个轴为M、N轴；

接着，将地理坐标系绕其非重力方向平行的X轴逆时针或顺时针旋转θ角，构成第三个仪器坐标系OXPQ，与X轴正交的另外两个轴为P、Q轴，或者将地理坐标系绕其非重力方向平行的Y轴逆时针或顺时针旋转θ角，成第三个仪器坐标系OSYT，与Y轴正交的另外两个轴为S、T轴；

最后，定义待测装置的倾斜角I为待测装置的中心轴线与地理坐标系中指向地心的重力矢量的夹角，工具面角T为从第一个仪器坐标系下待测装置的重力铅垂面指北方向逆时针旋转到待测装置中心轴线的铅垂面上高边方向的夹角，方位角A为第一个仪器坐标系下待测装置从地理北逆时针旋转到待测装置在非重力轴所组成的平面上投影的角度；