【摘 要】
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惯性陀螺寻北仪可以全天候不受外界限制完成自主寻北,并且可以做到快速、高效、高精度、连续工作。受陀螺自身精度及漂移误差等影响,目前用于寻北的大多为造价很高的光纤陀螺、动调型陀螺等高精度陀螺仪。新兴的微机电系统（MicroElectro Mechanical System,MEMS）陀螺是一类构造简易的惯性陀螺,它具有造价低、体积小、抗高冲击振动等优势。因此,MEMS陀螺仪非常适合用于井下寻北系统当中
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惯性陀螺寻北仪可以全天候不受外界限制完成自主寻北,并且可以做到快速、高效、高精度、连续工作。受陀螺自身精度及漂移误差等影响,目前用于寻北的大多为造价很高的光纤陀螺、动调型陀螺等高精度陀螺仪。新兴的微机电系统（MicroElectro Mechanical System,MEMS）陀螺是一类构造简易的惯性陀螺,它具有造价低、体积小、抗高冲击振动等优势。因此,MEMS陀螺仪非常适合用于井下寻北系统当中。MEMS陀螺仪用于井下寻北时,复杂的环境影响以及常用寻北方案受到限制,导致寻北精度变低。本文通过分析MEMS陀螺的系统误差、随机噪声、冲击振动特性及温度特性,提出了基于椭球拟合的标定方案,和改进二位置与四元素结合的井下寻北方案,并对冲击振动影响与温度变化下的MEMS陀螺仪输出进行了算法补偿。最终实现了井下随钻寻北系统的寻北功能,寻北精度控制在1°。论文主要从以下几个方面展开对井下随钻寻北系统的研究。1.首先将寻北的研究背景和意义进行了简单介绍,然后简述了国内及国外对于陀螺寻北和井下寻北的研究现状。紧接着对MEMS陀螺的工作原理进行了概述,介绍了与陀螺寻北相关的坐标系及其之间的转换,介绍了陀螺寻北方案及其优缺点对比。2.分析MEMS陀螺仪的误差及噪声来源,通过椭球拟合对MEMS陀螺仪的系统误差进行建模及标定,标定后陀螺最大误差绝对值减小了1-2个数量级。通过Allan方差分析了MEMS陀螺仪静止两小时的输出,得到各噪声系数。利用小波滤波进行滤波处理,五大噪声系数均有下降。针对MEMS陀螺仪井下寻北时,钻头对MEMS陀螺的冲击振动影响,提出通过基于多分辨率分析算法（Multi-Resolution Analysis,MRA）及按输出时间分段加权的算法进行补偿,补偿后MEMS陀螺输出的标准差和均方根误差均降低到1°。针对井下温度变化对其输出精度的影响,基于马尔可夫链进行了补偿,使MEMS陀螺寻北精度达到1°。3.提出一种新的寻北方案,首先利用改进二位置法,选取90°作为寻北方案的初始位置,完成二位置寻北获得初始北向和初始姿态角,在此基础上进行井下随钻寻北研究,通过四元素法更新姿态角,将横滚角、俯仰角调为0,获得最终的航向角。再通过航向角、磁北、真北的关系求得真北方向。搭建整个寻北系统,加入冲击振动和温度的补偿结果,最终寻北精度达到1°。
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