适用于长距离水平取芯钻机的定位定向仪孔内定位方法技术

本发明专利技术属于地质勘探领域，公开了适用于长距离水平取芯钻机的定位定向仪孔内定位方法。本发明专利技术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，构建逆向测量数据序列，基于非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，以平均定位结果作为钻进路径轨迹，提高定位精度。本发明专利技术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。

The method of orientation in hole of orientation instrument for long distance horizontal coring drill

【技术实现步骤摘要】
适用于长距离水平取芯钻机的定位定向仪孔内定位方法
本专利技术属于地质勘探领域，涉及勘探过程中取芯钻机的孔内定位方法，特别涉及适用于长距离水平取芯钻机的定位定向仪孔内定位方法。
技术介绍
川藏铁路是我国境内连接四川省与西藏自治区的快速铁路，施工过程中需要面对崇山峻岭、地形高差、复杂地质等建设难题，建设难度极大。为了消除地形高差，需要更多的采用高桥、隧道，使得川藏铁路的全线桥隧比达80％以上。为了确保施工质量，在隧道施工过程中，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，长距离水平钻探情况下，孔内无外界信息辅助时，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，针对高原高寒地区地质勘探的需求，需要研究适用于长距离水平取芯钻机的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，实现无外界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。
技术实现思路
本专利技术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，充分利用定位定向仪保存的全部测量数据，实现无外界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，满足高原高寒地区地质勘探的需求。为解决上述技术问题，本专利技术提出的解决方案为：适用于长距离水平取芯钻机的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，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；定位定向仪完成初始自对准后，基于非完整约束卡尔曼滤波器进行正向自主导航定位；其中，非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εb、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：其中，表示导航坐标系n相对于惯性坐标系i的旋转角速度，表示载体坐标系b与导航坐标系n之间的姿态矩阵，fn表示导航坐标系下表示的比力，表示地球自转角速度，表示转移角速度，vn表示速度，分别表示导航坐标系旋转角速度误差量、地球自转角速度误差量、转移角速度误差量，表示陀螺组件测量误差，表示加速度计组件测量误差，wg、wa分别表示陀螺组件测量噪声、加速度计组件测量噪声，η＝[ηθηΨ]T由俯仰角安装误差ηθ及航向角安装误差ηΨ构成；(1.2)根据步骤(1.1)中确定的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差微分方程，构建系统状态方程如下：其中，表示系统状态矩阵；式中，vE、vN、vU分别表示东向、北向、垂向速度，L表示当地纬度，h表示当地高度，RE、RN分别表示卯酉圈半径、子午圈半径，ωie表示地球自转角速度模值；表示系统噪声矩阵；w(t)＝[wgwa]T表示系统噪声；(1.3)取芯器沿钻进路径推进时，其侧向速度及垂向速度为零，以侧向速度误差δvx及垂向速度误差δvz构建非完整约束观测量z(t)＝[δvxδvz]T，并确定观测方程；(2)由取芯钻机载车将取芯器推送至钻孔处并驻留，取芯器在钻孔处驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第一次零速修正，然后采用高压气推的方式将取芯器沿着钻进路径推进，定位定向仪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；(3)当取芯器推进至钻进路径末端的钻机处，由取芯器完成取芯作业，然后取芯器在钻进路径末端再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第二次零速修正；此外，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；(4)第二次零速修正完成后，通过卷扬机将取芯器从孔内拖出，当取芯器被拖至钻孔处时再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第三次零速修正；第三次零速修正完成后，将取芯器拖动至取芯钻机载车的基座上，再次静止15～25分钟；此外，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；(5)将陀螺组件测量角速度加速度计组件测量比力fb及地球自转角速度取反，并按照从后至前的时间顺序反转步骤(1)-(4)中保存的角增量信息、速度增量信息，构成逆向测量数据序列，并基于非完整约束卡尔曼滤波器进行逆向自主导航定位，其中，逆向导航解算如下式所述：其中，分别表示逆向时序d、d-1时刻的姿态矩阵，分别表示逆向时序d、d-1时刻的速度，分别表示逆向时序d、d-1时刻的位置，gn、分别表示正向解算、逆向解算当地重力加速度，I3表示三阶单位矩阵，△T表示采样间隔；(6)以时间对齐后的正向自主导航定位结果pn与逆向自主导航定位结果的均值作为平均定位，将取芯器推进段的定位结果作为钻进路径轨迹，并根据钻进路径轨迹计算其相对于设计路径的偏差，进而对钻进路径进行调整。进一步的，所述步骤(1.3)中观测方程的确定通过以下步骤实现：(1.3.1)将定位定向仪速度输出投影到惯性测量单元坐标系m，按照如下方式：其中，表示定位定向仪速度输出在惯性测量单元坐标系m下的投影，vm表示真实的m坐标系下表示的定位定向仪速度，表示载体坐标系b与惯性测量单元坐标系m之间的安装关系矩阵，ζ＝[ηθηγηΨ]T表示安装误差角，表示导航坐标系n与载体坐标系b之间的姿态矩阵；由于横滚角安装误差ηγ不会影响前向速度投影，将其赋值为0，即ηγ＝0；(1.3.2)以的x、z分量作为非完整约束观测量z(t)，构建观测方程如下：z(t)＝H(t)x(t)+υ(t)(4)其中，且M1＝[100]，M3＝[001]，υ(t)表示观测噪声。进一步的，所述步骤(2)中的零速修正按照如下步骤进行：(2.1)定位定向仪根据角速度、速度信息自主检测到其零速状态，将前向速度误差δvy增广为观测量，零速状态下的观测量为zZUPT(t)＝[δvxδvyδvz]T；(2.2)以的x、y、z分量作为零速状态下的观测量zZUP本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.适用于长距离水平取芯钻机的定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(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，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；定位定向仪完成初始自对准后，基于非完整约束卡尔曼滤波器进行正向自主导航定位；其中，非完整约束卡尔曼滤波器按照如下步骤设计：/n(1.1)以姿态误差φ

【技术特征摘要】
1.适用于长距离水平取芯钻机的定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，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，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；定位定向仪完成初始自对准后，基于非完整约束卡尔曼滤波器进行正向自主导航定位；其中，非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εb、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：



其中，表示导航坐标系n相对于惯性坐标系i的旋转角速度，表示载体坐标系b与导航坐标系n之间的姿态矩阵，fn表示导航坐标系下表示的比力，表示地球自转角速度，表示转移角速度，vn表示速度，分别表示导航坐标系旋转角速度误差量、地球自转角速度误差量、转移角速度误差量，表示陀螺组件测量误差，表示加速度计组件测量误差，wg、wa分别表示陀螺组件测量噪声、加速度计组件测量噪声，η＝[ηθηΨ]T由俯仰角安装误差ηθ及航向角安装误差ηΨ构成；
(1.2)根据步骤(1.1)中确定的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差微分方程，构建系统状态方程如下：



其中，表示系统状态矩阵；












式中，vE、vN、vU分别表示东向、北向、垂向速度，L表示当地纬度，h表示当地高度，RE、RN分别表示卯酉圈半径、子午圈半径，ωie表示地球自转角速度模值；

表示系统噪声矩阵；
w(t)＝[wgwa]T表示系统噪声；
(1.3)取芯器沿钻进路径推进时，其侧向速度及垂向速度为零，以侧向速度误差δvx及垂向速度误差δvz构建非完整约束观测量z(t)＝[δvxδvz]T，并确定观测方程；
(2)由取芯钻机载车将取芯器推送至钻孔处并驻留，取芯器在钻孔处驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第一次零速修正，然后采用高压气推的方式将取芯器沿着钻进路径推进，定位定向仪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；
(3)当取芯器推进至钻进路径末端的钻机处，由取芯器完成取芯作业，然后取芯器在钻进路径末端再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第二次零速修正；此外，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；
(4)第二次零速修正完成后，通过卷扬机将取芯器从孔内拖出，当取芯器被拖至钻孔处时再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第三次零速修正；第三次零速修正完成后，将取芯器拖动至取芯钻机载车的基座上，再次静止15～25分钟；此外，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；
(5)将陀螺组件测量角速度加速度计组件测量比力fb及地球自转角速度取反，并按照从后至前的时间顺序反转步骤(1)-(4)中保存的角增量信息、速度增量信息，构成逆向测量数据序列，并基于非完整约束卡尔曼滤波器进行逆向自主导航定位，其中，逆向导航解算如下式所述：









其中，




分别表示逆向时序d、d-1时刻的姿态矩阵，分别表示逆向时序d、d-1时刻的速度，分别表示逆向时序d、d-1时刻的位置，gn、分别表示正向解算、逆向解算当地重力加速度，I3表示三阶单位矩阵，△T表示采样间隔；
(6)以时间对齐后的正向自主导航定位结果pn与逆向自主导航定位结果的均值作为平均定位，将取芯器推进段的定位结果作为钻进路径轨迹，并根据钻进路径轨迹计算其相对于设计路径的偏差，进而对钻进路径进行调整。


2.如权利要求1所述的适...

【专利技术属性】
技术研发人员：王林，张永健，高春峰，罗晖，袁保伦，魏国，李耿，樊振方，熊振宇，周盟孟，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43