[发明专利]一种磁力计零偏校准方法

说明书

本发明公开了一种磁力计零偏校准方法，钻柱转动前，采集三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计初始数据；钻柱匀速转动时，采集三轴磁力计实时输出数据；通过三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计的初始数据计算井下测量系统初始姿态；通过初始姿态和三轴磁力计匀速旋转时的实时输出校准磁力计的零偏。本发明详细分析了井下旋转测量时磁力计零偏和磁力计输出的数学关系，并基于分析提出了一种单自由度旋转下随钻磁力计零偏实时校准方法，从而提高井下磁航向角测量精度。

技术领域

本发明属于惯性测量技术领域，尤其涉及一种磁力计零偏校准方法。

背景技术

石油钻井技术要求采用精确的轨迹控制技术，以满足定向井、水平井和大位移井等应用的需要。旋转导向钻井可以在钻柱旋转时实现井眼轨迹的导向控制。然而，井下控制系统对不同时刻的环境非常敏感。因此，井下姿态参数的实时测量至关重要。目前的随钻姿态测量系统是磁力计、加速度计和陀螺仪的不同组合。此外，惯性传感器在使用前需要进行校准，以补偿自身误差对测量结果的影响。

目前，磁力仪的校准方法主要分为多位置校准、椭球拟合和其他传感器辅助等。多位置校准方法不是实时的，校准步骤需要在测量之前进行。而旋转钻井时，传感器只能绕着旋转轴旋转，不能提供多个自由度，这种方法在井下不适用。椭球拟合法也需要磁力计任意旋转，这对于只有一个自由度的旋转钻井测量系统来说是很难实现的。其他传感器辅助校准方法同样不能在只有一个自由度的情况下实现磁力计零偏的实时校准。

针对以上问题，本发明详细分析了井下旋转测量时磁力计零偏和磁力计输出的数学关系，提出一种单自由度旋转下随钻磁力计零偏实时校准方法，从而提高井下磁航向角测量精度。

发明内容

为了解决针对现有方法不能实现单自由度旋转下随钻磁力计零偏校准的问题，本发明分析了井下旋转测量时磁力计零偏和磁力计输出的数学关系，提出一种单自由度旋转下随钻磁力计零偏实时校准方法，能够提高井下磁航向角测量精度。本发明的具体技术方案如下：

一种磁力计零偏校准方法，通过井下姿态测量系统提供三轴加速度计和三轴陀螺仪的静态数据，所述校准包括以下步骤：

S1：定义坐标系；

定义当地地理坐标系为导航系，记为n系，其X，Y，Z轴分别指向朝东，北，以及天向即沿着重力反方向，分别记为Xn，Yn，Zn；

定义三轴磁力计坐标系为本体系，记作b系，其X，Y，Z轴分别沿重心指向右、前及上方，构成右手系，分别记为Xb，Yb，Zb；

三轴加速度计，三轴陀螺仪各个轴指向均与三轴磁力计相同；

S2：钻柱旋转前，采集三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪的静态数据；

S3：通过三轴加速度计的数据计算初始横滚角γ和初始倾斜角β，计算方法为：

其中，A_x,out、A_y,out、A_z,out分别为X方向、Y方向和Z方向上的加速度计的输出，g为当地重力矢量；

S4：通过三轴磁力计的数据计算初始航向角，计算方法为：

其中，H_xb、H_yb、H_zb分别为X方向、Y方向和Z方向上的三轴磁力计的初始

输出；

S5：通过步骤S3和步骤S4得到的初始姿态角，计算n系到b系的转移矩阵