[发明专利]一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统及方法

权利要求书

1.一种基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统的定位方法，使用的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统，包括惯性导航系统（2）、井筒数据传输通讯子系统、地面数据处理及控制子系统；其中惯性导航系统（2）和井筒数据传输通讯子系统设置在罐笼（1）上，罐笼（1）上下运行过程中的井筒壁上设有井筒数据传输通讯子系统，井筒数据传输通讯子系统的末端与地面数据处理及控制子系统相连接；惯性导航系统（2）包括惯性单元、信号解调及采集模块、导航解算模块、数据处理模块、数据存储模块及通信模块，所述惯性单元包括三向光纤光栅加速度计、三个光纤光栅陀螺仪、一个光纤光栅测温装置；所述信号解调及采集模块包括相互连接的动态光纤光栅解调仪和单片机系统；

三向光纤光栅加速度计、三个光纤光栅陀螺仪、光纤光栅测温装置的输出端分别与动态光纤光栅解调仪的输入端相连接，动态光纤光栅解调仪通过光纤与单片机相互连接，单片机分别与导航解算模块和数据存储模块相连接，导航解算模块分别与数据存储模块和数据处理模块相连接，数据存储模块还与数据处理模块和通信模块相连接；

所述井筒数据传输通讯子系统包括多个通过光纤相互连接的网络射频分站（4），网络射频分站（4）由网络射频天线和移动射频收发器构成，所述惯性导航系统（2）中的通信模块由与网络射频分站（4）相匹配的网络射频天线和移动射频收发器构成；所述地面数据处理及控制子系统包括设置在地面相互连接的网络服务器（6）和监控服务器（7）；

其特征在于包括以下步骤：

a、将罐笼（1）提升至井筒顶部与地面于平齐，通过全站仪利用地面两个已知点测出设置在罐笼（1）顶部的光纤光栅惯性测量系统的坐标；

b、将惯性测量系统（2）固定于罐笼顶部处，罐笼（1）保持静止10分钟，惯性测量系统进行初始化，采集角速度和加速度值自对准，确定罐笼（1）的初始姿态；

c、启动罐笼（1），罐笼（1）随着提升钢丝绳（3）的运动向井下运行，光纤光栅加速度计和陀螺仪中光栅波长发生漂移，利用光纤光栅解调仪解调惯性测量系统此时的三轴角速度和三轴加速度各自的变化漂移量，单片机系统配合导航解算模块和数据处理模块将测量到的数据进行处理，并存储到数据存储模块最终通过通信模块发射出去；

d、设置在井筒壁上的网络射频分站（4）接收到通信模块发射的数据，将数据发送到网络服务器（6）中，网络服务器（6）对光纤光栅惯性测量系统信号处理为对应的加速度值和角速度值，同时记录接收到罐笼（1）顶部的光纤光栅惯性测量系统的坐标；

e、地面数据处理及控制子系统利用获取的罐笼（1）的坐标和自对准得到的初始姿态及采集的角速度和加速度值，采用四元数法建立罐笼姿态矩阵，通过角速度值计算罐笼运动的姿态角, 利用姿态信息对加速度数据进行坐标变换，通过SINS编排计算罐笼上下井过程的惯性测量系统运动轨迹，实现对罐笼位置的精确测量。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统的定位方法，其特征在于：所述多个网络射频分站（4）间隔50米沿井筒走势设置在井筒壁上，构成总线分布式结构的网络拓扑系统。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统的定位方法，其特征在于：所述的网络射频分站（4）同时兼做射频标定路标。

4. 根据权利要求1所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统的定位方法，其特征在于：所述数据处理模块系统采用AVR Atmega8L 单片机；所述导航解算及处理模块采用TI公司TMS320系列C6713 32位浮点型DSP。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅捷联惯导的矿井罐笼定位系统的定位方法，其特征在于：所述地面数据处理及控制系统的监控服务器内嵌罐笼定位软件系统应用UKF的设计原理，针对罐笼（1）定位系统的姿态估计问题设计了姿态最优估计滤波器；

对光纤光栅加速度计和光纤光栅陀螺仪的数据进行融合并对其产生的随机漂移误差进行补偿，得到了姿态的最优估计, 使得系统在短时间内能够保持足够的精度；

对于较长时间的积累误差则用射频标定路标进行校正，保证长时间的定位精度。