[发明专利]基于多传感器数据融合的钻具姿态测量系统的测量方法

权利要求书

1.基于多传感器数据融合的钻具姿态测量系统的测量方法，其特征在于，基于多传感器数据融合的钻具动态姿态测量系统包括钻具、三轴加速度计、三轴磁通门、角速率陀螺仪和滤波器；三轴加速度计、三轴磁通门、角速率陀螺仪和滤波器均安装在钻具上，三轴加速度计、三轴磁通门和角速率陀螺仪分别连接各自对应的滤波器；基于多传感器数据融合的钻具动态姿态测量系统的测量方法包括以下步骤：

步骤一：在姿态测量系统中建立理想正交的地理坐标系，根据欧拉定理，井下钻进过程中，钻具在空间的任一姿态可以用相对于地理坐标系的一系列旋转来表示，旋转的角度为井斜角、方位角和工具面角；根据四元数的定义和欧拉定理，把三维空间和四维空间联系起来，用四维空间的四元数性质和运算规则研究三维空间中的刚体定点转动问题；

步骤二：针对钻具安装三轴加速度计、三轴磁通门和角速率陀螺仪，实现导向钻井工具姿态组合测量，联合建立多传感器、动态测量系统的非线性数学模型，得到非线性状态方程和量测方程；

步骤三：根据近钻头振动信号特性，判断钻具运动状态，分析钻具运动状态与振动加速度之间的关系以及钻具振动的主要干扰因素；根据模型及噪声特性，分别采用局部滤波器，利用无迹卡尔曼滤波算法对干扰信号进行滤除，消除近钻头强振动对姿态参数测量的影响，采用矩阵加权数据融合理论进行全局估计，进而得到最优姿态估计；

步骤四：利用最优姿态估计，将滤波后的传感器参数进行姿态动态解算，从而得到滤波后的导向钻井工具精确的姿态参数；

步骤三中局部滤波消除近钻头强振动对动态姿态测量的影响包括以下步骤：

步骤1：对基于四元数的状态方程和量测方程进行离散化；

步骤2：在第一层中，三轴加速度信号、三轴磁通门信号和角速率陀螺信号分别通过三个局部滤波器，分别为第一局部滤波器、第二局部滤波器和第三局部滤波器，以并行的方式获得其局部最优状态估计值及误差协方差阵

步骤3：在第二层中，应用矩阵加权数据融合算法对得到的局部状态估计值进行融合，获得系统状态的全局最优估计；假设第一局部滤波器和第二局部滤波器得到的局部最优状态估计值为与在线性最小方差准则下，系统状态的全局最优状态估计为此时，的误差协方差阵小于等于和的误差协方差阵，即就是

系统状态的全局最优状态估计为

局部最优状态估计值和间的互协方差矩阵具有以下递推形式

步骤4：根据融合局部状态估值，进而求取强振动旋转钻具系统全局最优状态估计的方法；设N个局部滤波器得到的状态估值分别为对应的误差协方差矩阵分别为和间的互协方差矩阵为记基于矩阵加权多传感器系统状态全局最优估计为

其中，w_i(i＝1,2,...,N)为最优权值矩阵，可通过下式计算

2.根据权利要求1所述的基于多传感器数据融合的钻具姿态测量系统的测量方法，其特征在于，姿态参数动态提取，在第三层中，根据地理坐标系到钻具坐标系进行坐标转换后，将得到的矩阵加权多传感器系统状态全局最优估计进行钻具姿态解算；可得井斜角θ和工具面角φ：

根据式(5)，将滤波后得到的全局最优估计值通过钻具姿态解算，得到导向钻井工具动态姿态参数。

3.根据权利要求1所述的基于多传感器数据融合的钻具姿态测量系统的测量方法，其特征在于，所述地理坐标系为东北天坐标系，其旋转正方向由右手定则决定。