基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接方法技术

本发明专利技术公开了基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接方法，本方法首先根据矿井断面图，在井筒的上部不同方向的特征点上布设多个伪卫星发射器，利用全站仪确定伪卫星发射器坐标；将惯性测量系统分别固定在罐笼的顶部的两端，采用全站仪测定惯性测量单元的初始坐标，用全站仪分别精确测量相对于惯性测量单元中心的杆臂值；通过布设在井筒内壁上的伪卫星发射器获得伪距和载波相位观测值，利用惯性测量单元得到角速度和加速度信息，利用PC终端对保存的惯性数据和伪卫星数据进行紧组合数据解算，本发明专利技术能够利用罐笼装置，快速高精度地获得观测值，克服传统方法受温度、湿度和施工制约的劣势，节省人力和物力，保证生产。

Connection method for upper and lower coordinates of deep mining wells based on pseudorange and inertial information

The invention discloses a method for connecting the upper and lower coordinate systems of deep mining wells based on pseudo-satellite and inertial information. Firstly, according to the mine cross-sectional map, a plurality of pseudo-satellite launchers are arranged at the characteristic points of different directions on the upper part of the wellbore, and the coordinates of pseudo-satellite launchers are determined by the total station. At the top of the cage, the initial coordinates of the inertial measurement unit (IMU) are measured by the total station, and the bar arm values relative to the center of the IMU are accurately measured by the total station. The pseudo-range and carrier phase observations are obtained by the pseudo-satellite transmitter located on the inner wall of the wellbore, and the angular velocity and acceleration are obtained by the inertial measurement unit. Speed information, the PC terminal is used to calculate the tightly combined data of inertia data and pseudo-satellite data. The invention can use cage device to obtain observation values quickly and accurately, overcome the disadvantages of traditional methods restricted by temperature, humidity and construction, save manpower and material resources, and ensure production.

【技术实现步骤摘要】
基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接方法
本专利技术涉及一种井上下坐标系连接方法，尤其是一种基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接方法。
技术介绍
对于深部精准开采而言，空间基准能够为井下开采的运行、安全预警以及灾害决策提供重要依据。矿井空间基准要求井上下坐标系统一致，将井上坐标系统引入井下，即联系测量。但对于深部竖井而言，矿井的深度较大，矿井内的温度、光线、湿度等因素为联系测量的进行带来了难度，测量的精度受限。传统的联系测量主要分为平面联系测量(定向)以及高程联系测量。平面联系测量主要包括连接三角形法和陀螺仪方位角法。前者首先下放带有垂球的2根钢丝进行投点，根据垂球静止与否，分为稳定投点法和摆动投点法；然后按照钢丝井上下坐标一致的原则，采用连接三角形法布设导线，利用全站仪测得连接角度，选择钢尺测量出两根钢丝之间的水平距离；最后，进行导线的整体平差，将平面坐标导入井下。后者首先下放带有垂球的1根钢丝进行投点；然后，采用陀螺仪测得井上近井点和钢丝连线的陀螺方位角；最后，利用陀螺仪测定井下点与钢丝连线的陀螺方位角，经过内业计算，获得井下点的平面坐标。高程联系测量主要采用长钢尺、长钢丝以及光电测距仪的方式进行。长钢丝和长钢尺原理类似，主要采用水准仪测得钢尺或钢丝水平标志处和井上下控制的高差，然后测得两标志之间的距离，最后进行高差计算，获得井下控制点高程；光电测距仪，利用反光镜测量的原理，获得井上下的高差，进而得到高程。传统方法对测量环境要求较高，连接三角形法，需井上下同时进行测量来保证精度，占用井筒的时间较长；陀螺仪方位角法对环境的要求更高，每次测量的时间较长，井筒附近的开采活动等必须停止进行，仪器比较昂贵，且测量精度与钢丝的稳定程度相关程度较高，对于深部开采而言，钢丝的稳定条件受到限制；高程联系测量面临同样的情况，井筒内的环境对长钢尺、长钢丝、以及光电测距仪的测量构成挑战，钢尺和钢丝的伸展和竖直程度和温度、材料有关，井筒内的粉尘、水汽等因素将加大光电测距仪的测距误差。因此，寻求一种能保证精度并且可靠性较高的井上下坐标连接方法至关重要。
技术实现思路
技术问题：本专利技术是克服上述传统坐标井上下联系测量的不足，提供一种高精度、快捷的井上下坐标连接方法。本专利技术提供具体的技术方案为：基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接系统，包括设于矿井上部的伪卫星，用于提供高精度的距离测量值，包括伪距和载波相位观测值；设于罐笼顶部的惯性测量系统，包括数个惯性传感器，用于提供高采样率的角速度和加速度信息；设于罐笼顶部和底部的伪卫星接收器，用于接收伪卫星数据；与惯性测量系统、伪卫星接收器连接的PC终端，用于对采集到的伪卫星数据和惯性测量系统数据进行存储，最后进行数据时钟同步，并采用紧组合卡尔曼滤波以及零速修正对数据进行处理和分析。进一步地，所述的惯性测量系统可通过GPS天线获得惯导数据的时间戳，因此应从井外进入罐笼，并且在井外已经开始采集数据。进一步地，所述的卡尔曼滤波指的是抗差卡尔曼滤波器和自适应卡尔曼滤波器。基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接方法，包括以下步骤：a、首先根据矿井断面图，在井筒的上部不同方向的特征点上布设多个伪卫星发射器，并利用全站仪精确确定伪卫星的坐标。b、提升罐笼，将2个惯性测量系统固定在罐笼顶部的两端；同时，将伪卫星接收器固定在罐笼的顶部和底部；用全站仪分别精确测量相对于惯性测量单元中心的杆臂值。c、将罐笼下放，进行惯性测量和伪卫星测量，利用PC终端对惯性数据和卫星数据进行存储，最后进行数据时钟同步。d、待罐笼到达井筒底端，采用全站仪测量井下控制点至两个惯性传感器中心点的距离和角度，以及任一惯性传感器和另一井下控制点之间的夹角和距离，通过布设在井筒内壁上的伪卫星发射器获得伪距和载波相位观测值，利用惯性测量单元得到角速度和加速度信息。e、利用PC终端对保存的惯性数据和伪卫星数据进行紧组合数据解算，同时加入零速修正方法，惯性信息辅助伪卫星粗差探测以及模糊度固定，利用抗差自适应滤波方法获得2个惯性测量系统的中心坐标。根据步骤d获得的角度和距离信息，进行平差解算，最终获得井下两个控制点的坐标，完成井上下坐标系连接。进一步地，步骤c中所述的时钟同步包括伪卫星的内部时钟和GPS时保持一致；伪卫星接收器的时钟和GPS时保持一致；惯性测量单元的时间戳应为GPS时钟。进一步地，步骤b中所述的杆臂值是伪卫星接收器中心相对于惯性测量单元中心三个轴方向的差值。进一步地，步骤d中所述的角速度和加速度信息既可以是角速率和角速率信息也可以是角速度增量和加速度增量信息。进一步地，步骤e中所述的紧组合是指基于伪距和载波相位原始观测值观测方程的紧组合导航。本专利技术具有如下优点：(1)不改变井筒原有的结构模式，操作简单易行。(2)不需要布设长钢丝、长钢尺，节省人力、物力，测量的结果精度较高。(3)测量依靠的是罐笼系统，不受外界环境的制约。(4)测量时，无需井下停止开采，保证生产的正常进行。附图说明图1是本专利技术基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接系统的方法流程图。图2是本专利技术基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接系统的数据处理流程图。具体实施方式下面结合附图1～2对本专利技术的具体实施方式进一步说明：本专利技术基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接系统中井上下坐标系连接方法包括4个部分，分别为伪卫星及接收器部分，惯性传感器部分，PC终端部分，坐标系连接部分。伪卫星和接收器包括双频卫星信号发射器和接收器，确定伪卫星坐标和伪卫星以及接收器时钟和GPS时保持一致；惯性传感器记录罐笼运动过程中惯性测量单元的加速度和角速度信息；PC终端进行惯性数据的储存和接收器模块伪卫星数据的存储以及最终的紧组合解算和井下控制点坐标的平差；坐标系连接部分对井下控制点和惯性测量单元中心点建立联系，获得最终井下控制点坐标。本实施例中，整个井上下坐标系连接测量的具体实施方式：a、首先根据矿井断面图，在井筒的上部不同方向的特征点上布设多个伪卫星发射器，并利用全站仪精确确定伪卫星的坐标。b、提升罐笼，将2个惯性测量系统固定在罐笼顶部的两端；同时，将伪卫星接收器固定在罐笼的顶部和底部；用全站仪分别精确测量相对于惯性测量单元中心的杆臂值。c、将罐笼下放，进行惯性测量和伪卫星测量，利用PC终端对惯性数据和卫星数据进行存储，最后进行数据时钟同步。d、待罐笼到达井筒底端，采用全站仪测量井下控制点至两个惯性传感器中心点的距离和角度，以及任一惯性传感器和另一井下控制点之间的夹角和距离，通过布设在井筒内壁上的伪卫星发射器获得伪距和载波相位观测值，利用惯性测量单元得到角速度和加速度信息。e、利用PC终端对保存的惯性数据和伪卫星数据进行紧组合数据解算，同时加入零速修正方法，惯性信息辅助伪卫星粗差探测以及模糊度固定，利用抗差自适应滤波方法获得2个惯性测量系统的中心坐标。根据步骤d获得的角度和距离信息，进行平差解算，最终获得井下两个控制点的坐标，完成井上下坐标系连接。作为本实施例较佳实施方案的是，步骤c中所述的时钟同步包括伪卫星的内部时钟和GPS时保持一致；伪卫星接收器的时钟和GPS时保持一致；惯性测量单元的时间戳应为GPS时钟。作为本实施例较佳实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接系统，其特征在于：包括设于矿井上部的伪卫星，用于提供高精度的距离测量值，包括伪距和载波相位观测值；设于罐笼顶部的惯性测量系统，包括数个惯性传感器，用于提供高采样率的角速度和加速度信息；设于罐笼顶部和底部的伪卫星接收器，用于接收伪卫星数据；与惯性测量系统、伪卫星接收器连接的PC终端，用于对采集到的伪卫星数据和惯性测量系统数据进行存储，最后进行数据时钟同步，并采用紧组合卡尔曼滤波以及零速修正对数据进行处理和分析。

【技术特征摘要】
1.基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接系统，其特征在于：包括设于矿井上部的伪卫星，用于提供高精度的距离测量值，包括伪距和载波相位观测值；设于罐笼顶部的惯性测量系统，包括数个惯性传感器，用于提供高采样率的角速度和加速度信息；设于罐笼顶部和底部的伪卫星接收器，用于接收伪卫星数据；与惯性测量系统、伪卫星接收器连接的PC终端，用于对采集到的伪卫星数据和惯性测量系统数据进行存储，最后进行数据时钟同步，并采用紧组合卡尔曼滤波以及零速修正对数据进行处理和分析。2.根据权利要1所述的基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接系统，其特征在于：所述的惯性测量系统可通过GPS天线获得惯导数据的时间戳，因此应从井外进入罐笼，并且在井外已经开始采集数据。3.根据权利要求1所述的基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接系统，其特征在于：所述的卡尔曼滤波指的是抗差卡尔曼滤波器和自适应卡尔曼滤波器。4.基于伪卫星和惯性信息的深部开采井上下坐标系连接方法，其特征在于，包括以下步骤：a、首先根据矿井断面图，在井筒的上部不同方向的特征点上布设多个伪卫星发射器，并利用全站仪精确确定伪卫星的坐标。b、提升罐笼，将2个惯性测量系统固定在罐笼顶部的两端；同时，将伪卫星接收器固定在罐笼的顶部和底部；用全站仪分别精确测量相对于惯性测量单元中心的杆臂值。c、将罐笼下放，进行惯性测量和伪卫星测量，利用PC终端对惯性数据和卫星数据进行存储，最后进行数据时钟同步。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李增科，赵龙，王一帆，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32