[发明专利]一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统

说明书

本发明公开了一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，所述惯导系统的核心器件为三个陀螺和三个加表；所述惯导系统包括结构件部分、惯性器件部分以及电路部分；所述惯性器件部分安装于所述结构件部分的旋转单元体结构中的四腔室旋转框架上，框架上依次设置有相互正交排列的Y轴光纤陀螺仪、X轴光纤陀螺仪和Z轴光纤陀螺仪，X轴加表、Y轴加表和Z轴加表正交安装在X轴光纤陀螺仪腔体底侧，结构紧凑；所述电路部分位于三处，分别是X轴光纤陀螺仪的上方、Z轴光纤陀螺仪的下方和旋转框架尾端；三个部分轴向排列呈细长圆柱体；本发明基于旋转调制技术构造单轴旋转式惯性导航系统，自主性强、动态性能好、性价比高，且不易受磁场影响，适用于长距离小口径的应用环境，尤其在复杂地质取芯、石油钻井控制、非开挖式城市管廊建设等方面具有巨大的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，尤其涉及一种由单轴旋转单元体构成的结构紧凑、高精度捷联式惯性导航系统，属于惯性导航技术领域。

背景技术

高海拔地区的地质条件复杂恶劣，隧道建设面临勘探难度大、易发生活动断裂、地应力高、高原高寒等问题，因此在使用盾构机等大型自动化设备进行挖掘之前，亟需对前方待挖岩况进行超前预报，探查前方岩石强度、可钻性、水文、不良地质区域状况及规模等情况，进而最大程度保证工程进度，并可降低事故的发生。在众多超前地质预报方法中，超前水平取芯钻探法具有预报结果准确直观、预报范围广、易分析判断等优势，是一种使用最可靠的超前地质预报方法，但目前尚缺乏可满足长距离小口径取芯探测需求的高精度定位定向技术。此外，在石油钻井控制、非开挖式城市管廊建设等方面也有类似的小口径钻探定位定向系统的需求。

高精度定位定向技术的关键是掌握钻具姿态信息和确定钻进轨迹。在钻探环境中，常规的导航手段失效，通常使用以下三种测量方式：(1)基于单独的倾斜角、方位角和工具面向角传感器测量，(2)基于加表和磁性传感器测量，(3)基于陀螺仪和加表测量。方式(1)虽然测量原理简单，但是只能在静止条件下测量，并且无法获得轨迹信息；方式(2)中的磁性传感器易受到磁场的干扰；方式(3)通过陀螺仪和加表组建惯性导航系统，具有完全自主、全天候、不受外部磁场干扰、无信号丢失等优点，因此该种测量方式具有重要的应用价值和巨大的工程意义。尽管目前已经出现了少量基于捷联式惯导的陀螺测斜仪或钻探导向系统的研究和尝试，但其在精度、尺寸、动态性能以及性价比等方面，还无法满足长距离钻探应用场景的需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，旨在根据实际工程环境特点，在圆柱形仪器舱中合理布局各传感器和电路板，并结合径向运动被约束的特点，设计单轴旋转机构，通过单轴旋转调制技术有效提高系统导航精度。

本发明提供一种小口径钻探用旋转调制式惯性导航系统，所述惯导系统的核心器件为三个陀螺和三个加表；所述惯导系统包括结构件部分、惯性器件部分以及电路部分；它们之间的位置连接关系是：惯性器件部分安装于结构件部分的旋转单元体结构中的四腔室旋转框架上，框架上依次设置有相互正交排列的Y轴光纤陀螺仪、X轴光纤陀螺仪和Z轴光纤陀螺仪，X轴加表、Y轴加表和Z轴加表正交安装在X轴光纤陀螺仪腔体底侧，结构紧凑；电路部分位于三处，分别是X轴光纤陀螺仪的上方、Z轴光纤陀螺仪的下方和旋转框架尾端；三个部分轴向排列呈细长圆柱体。

所述结构件部分包括单轴旋转单元体结构，该旋转单元体结构是：如图1所示，具有四个腔室的圆柱体构型，如图2所示，中心旋转部件自下而上分别为：力矩直流电机、上轴承、惯性器件旋转台体、下轴承、绝对式光电码盘。