[发明专利]基于速度信息辅助的钻探用定位定向仪孔内定位方法

说明书

本发明属于地质勘探领域，公开了基于速度信息辅助的钻探用定位定向仪孔内定位方法。本发明结合长距离水平取芯钻机的工作特点，合理规划取芯器的工作模式，充分利用定位定向仪保存的全部测量数据以及卷扬机上光电编码器的位置增量信息，构建逆向测量数据序列，基于速度信息辅助的完整约束卡尔曼滤波器进行正向、逆向自主导航定位，结合零速修正对定位误差进行抑制校正，并利用正向、逆向自主导航定位误差特性的差异互补性，以加权定位输出作为钻进路径轨迹，提高定位精度。本发明能够满足高原高寒地区地质勘探的需求，为全面、准确的掌握高原高寒地区铁路沿线的地质信息提供有力支撑。

技术领域

本发明属于地质勘探领域，涉及勘探过程中取芯钻机的孔内定位方法，特别涉及基于速度信息辅助的钻探用定位定向仪孔内定位方法。

背景技术

高原高寒地区铁路隧道施工过程中，需要全面、准确的掌握沿线的地质信息，然而受高原高寒地区恶劣地面条件的限制，一般的竖向探测无法实施，不能满足高原高寒地区地质探测需求。长距离水平取芯钻机是一种适用于水平方向快速地质钻探、长距离水平取芯的装备，其能够满足铁路、公路、水利、矿山等领域各种岩石隧道施工的长距离地质取芯钻探，对于高原高寒地区铁路的建设具有十分重要的意义。为了精准的控制钻进路径，满足大埋深、长距离地质取芯钻探的需求，需要在孔内对水平取芯钻机进行精准定位定向，为此，长距离水平取芯钻机需要同时配置定位定向仪。定位定向仪包含惯性测量单元，由惯性测量单元计算输出水平取芯钻机的位置信息，进而对钻进路径进行调整和控制。然而，受惯性器件自身误差的影响，长距离水平钻探情况下，惯性测量单元的定位误差随着工作时间的延长将不断增大，影响钻进路径的控制精度。因此，需要借助辅助信息对惯性测量单元的定位误差进行抑制或校正，进而实现钻进路径的精确控制。

实际作业环境下，受工况条件以及各型号水平取芯钻机配套设备的限制，定位定向仪能用的辅助定位手段或辅助信息十分有限，并且不尽相同，如何充分挖掘实际工况环境中的可用信息进而提高定位定向精度，成为地质勘探技术人员十分关注的问题。本发明针对高原高寒地区地质勘探的需求，研究基于速度信息辅助的钻探用定位定向仪孔内定位方法，结合长距离水平取芯钻机的工作特点，充分利用取芯钻机配套设备的可用辅助信息，实现速度信息辅助情况下长距离水平取芯钻机的孔内精确定位，进而提高钻进路径的控制精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：结合长距离水平取芯钻机的工作特点，合理规划取芯器的工作模式，充分利用取芯钻机配套设备的可用辅助信息以及定位定向仪保存的全部测量数据，实现基于速度信息辅助的钻探用定位定向仪孔内定位，进而提高钻进路径的控制精度，满足高原高寒地区地质勘探的需求。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：

基于速度信息辅助的钻探用定位定向仪孔内定位方法，包括以下步骤：

(1)将定位定向仪安装到取芯器上，并放置于取芯钻机载车的基座上，并在卷扬机上加装光电编码器，进一步向定位定向仪装订初始位置信息和初始速度信息，装订完成后定位定向仪静止15～25分钟，并进行初始自对准，获得初始姿态信息，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息，同时存储卷扬机上光电编码器的位置增量信息；定位定向仪完成初始自对准后，基于速度信息辅助的完整约束卡尔曼滤波器进行正向自主导航定位；其中，基于速度信息辅助的完整约束卡尔曼滤波器按照如下步骤设计：

(1.1)以姿态误差φⁿ、速度误差δvⁿ、位置误差δpⁿ、陀螺漂移ε^b、加速度计零偏定位定向仪惯性测量单元的安装误差η为系统状态x(t)，分别确定姿态误差、速度误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差的微分方程如下：