题目：光纤陀螺测斜仪动态测量研究

光纤陀螺测斜仪是面向石油工业领域的新型井眼定向测量装置。集成了光纤陀螺结构紧凑、体积轻便、不受磁性环境干扰、耐高温、抗冲击和振动等优良性能，具有良好的环境适应性，可适应各种复杂油田环境，同时具备捷联惯性导航的自主动态测量能力，可有效缩短测量时间、提高测量效率并节约测量成本。光纤陀螺测斜仪可作为国内现有磁通门测斜仪和动调陀螺测斜仪的更新换代产品，具有广阔的市场前景，极大的经济效益和社会效益。 实验室在国家高技术研究发展计划(863计划)项目“高精度光纤惯性组合测斜技术研究”支持下，创新性地开展基于光纤陀螺的井眼定向测量技术的研究，成功研制出具有自主知识产权的光纤陀螺测斜仪，实现了国产测斜仪的跨越式发展。 本论文结合光纤陀螺测斜仪的研制情况，针对光纤陀螺测斜仪的动态测量问题，展开深入的理论和实验研究。论文主要工作如下： 1、设计光纤陀螺测斜仪捷联惯性导航算法。 高精度的捷联惯性导航算法是实现光纤陀螺测斜仪动态测量的基础。为有效克服动态测量过程中的不可交换性误差，在姿态更新中引入圆锥误差补偿环节，并设计基于光纤陀螺角速度信息的圆锥误差补偿算法，而在速度更新中引入转动误差和划船误差补偿环节，并设计基于光纤陀螺角速度信息和加速度计比力信息的划船误差补偿算法，为光纤陀螺测斜仪动态测量提供算法基础。 2、构建光纤陀螺测斜仪随机误差模型。 光纤陀螺的随机误差是决定光纤陀螺测斜仪长时间动态测量精度的主要误差源，精确的随机误差模型是估计和补偿随机误差的前提。利用Allan方差和功率谱密度方法分析和辨识光纤陀螺静态随机误差特性。提出基于小波分解预处理和时间序列分析相结合的随机误差建模方法，利用小波分解方法抑制随机误差中的高频噪声，利用时间序列分析法建立低频随机误差的时间序列模型，为随机误差补偿奠定基础。 3、研究光纤陀螺测斜仪动态测量方法。 基于光纤陀螺测斜仪实际运行特点，提出基于运动学非完整性约束增强辅助的动态测量方案。根据运动学非完整性约束条件构造横向虚拟速度，当电缆速度失效时，利用虚拟速度作为外部辅助信息，设计组合滤波器，估计和校正惯性导航误差，抑制误差发散，提高光纤陀螺测斜仪的动态测量精度。 提出基于Unscented卡尔曼滤波器直接法组合滤波的动态测量方法。利用捷联惯性导航机械编排方程和惯性传感器误差方程构建状态方程，设计四元数Unscented卡尔曼滤波器，利用光纤陀螺角速率信息和加速度计比力信息以及外部辅助速度信息，直接估计出井斜角和方位角，实现光纤陀螺测斜仪的动态测量。 4、完成光纤陀螺测斜仪研制和现场实验。 为适应井下狭小空间和恶劣环境，设计小型化三轴一体式光纤陀螺以及基于DSP和FPGA架构的嵌入式导航计算机，构建核心硬件平台，基于模块化思想设计井下实时软件和地面测控软件，研制出具有自主知识产权的光纤陀螺测斜仪。开展室内静态测试和现场动态测量实验，验证光纤陀螺测斜仪设计的正确性以及利用光纤陀螺测斜仪进行井眼轨迹动态测量的可行性，为工程应用提供实验依据。