[发明专利]固态谐振陀螺自校准方法及系统

说明书

本发明提供了一种固态谐振陀螺自校准方法及系统，涉及地下钻井姿态测量技术领域，能够实现零偏误差与角速率的分离，从根本上解决重复性误差问题；该校准方法通过外部馈入激励信号，实时采集陀螺仪内部关键监测点在不同工作模式下的稳态信号，通过算法实现零偏误差和输入角速率的分离，从而校准陀螺仪的重复性误差；所述激励信号包括第一和第二激励信号；所述第一和第二激励信号分别与解调后的主模态检测信号D_‑x和次模态检测信号D_+y结合，实现馈入；关键监测点包括波腹控制器的输出点和波节控制器的输出点，并根据激励信号和监测点的采集信号实现零偏误差和输入角速率的分离。本发明提供的技术方案可适用于随钻测量系统或导航系统中。

【技术领域】

本发明涉及地下钻井姿态测量技术领域，尤其涉及一种固态谐振陀螺自校准方法及系统。

【背景技术】

采用由陀螺仪与加速度计组成的惯导系统进行初始对准或者寻北时，方位测量的精度取决于陀螺仪常值漂移在地理东向的可观测性分量大小，当完全处于水平段，如井斜角处于90°，在东西走向，地理东向的陀螺仪输出主要来自Z轴陀螺(如图1所示)，由于其常值漂移不可观测，也就无法消除，从而使得GMD(Gyro Measurement while Drilling，本文简称为GMD)无法在东西走向全姿态尤其是水平段达到满意的测量精度。

Gyro-Compass-Index方法是从外部增加旋转机构，通过改变陀螺仪的敏感轴方向，在假设转动过程的短时间内陀螺仪的零偏常值不变，只是改变了敏感轴的极性，从而达到消除漂移误差的目的。从现代控制理论角度来说，是通过转位增加了观测器(Observer)，从而实现最优估计。但是目前外部转位的双位置解析法，在东西走向井轨迹工况，方位测量精度随着井斜角的增加而变差。

若要实现在全姿态角(即井斜角涵盖了0°～90°，钻进方向是东西走向或者南北走向或者是任意组合的夹角方向)下，方位精度均优于1°，常规方法是增加另外一个自由度的转位，也就是沿着探管径向实现对Z轴陀螺仪的转位，实现Z轴陀螺常值漂移的分离，进而提高可观测性。但受制于井下的狭小空间，实现Z轴陀螺仪在水平方向的转位调制难度较大。此外，两套转位机构也会增加GMD设计的难度，并降低产品的可靠性。因此本发明尝试从其他技术纬度去解决陀螺仪常值漂移的校准问题。

固态谐振陀螺仪的漂移误差主要是来自于频率裂解、阻尼失衡和控制误差。角度随机游走系数主要取决于频率裂解以及PLL的控制精度，其大小决定了GMD寻北的快速性；控制误差主要是来自于维持谐振子能量的闭环控制器的误差，高Q值低阻尼带来的好处就是需要维持谐振的能量小，从而降低了控制误差带来的零偏误差，而阻尼失衡是零偏重复性误差的重要因素。

高温固态谐振陀螺仪的角度随机游走系数可以达到角度随机游走系数影响了对准的时间，其影响对准精度的量级远远小于目标值，通过高Q值的设计，降低驱动的能量，从而降低控制误差，这也是固态谐振陀螺仪的设计保障；由阻尼不匹配带来的零偏常值，是唯一需要辨识的漂移误差。该误差是和哥氏力同相位的，无法通过解调的方式分离，且由于时间或者温度带了谐振子的阻尼失衡误差的改变，故而，其也是陀螺仪重复性误差的主要源头。

因此，有必要研究一种固态谐振陀螺自校准方法及系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种固态谐振陀螺自校准方法及系统，能够实现零偏误差与角速率的分离，从根本上解决重复性误差问题，实现满足全井斜角下测量精度优于1°指标，甚至可达0.06゜。

一方面，本发明提供一种固态谐振陀螺自校准方法，其特征在于，所述方法通过外部馈入激励信号，实时采集陀螺仪内部关键监测点在不同工作模式下的输出信号，通过算法实现零偏误差和输入角速率的分离，从而校准陀螺仪的重复性误差。