CN111896026B - 固态谐振陀螺自校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

固态谐振陀螺自校准方法及系统

【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。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述激励信号包括第一激励信号和第二激励信号；所述第一激励信号和所述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。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，陀螺仪内部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；在波腹控制器的输出点和波节控制器的输出点分别设置状态观测器，通过状态观测器输出陀螺仪在第一工作模式和第二工作模式的稳态信号，并根据馈入的激励信号和输出的稳态信号实现零偏误差和输入角速率的估计。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，稳态信号的内容包括：维持波腹轴振动幅度的力、输入角速率引起的哥氏力、外部馈入激励产生的进动哥氏力和阻尼失衡引起的简谐力。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述校准方法的具体步骤包括：

S1、陀螺仪在第一工作模式下进行标度因子校准，根据外部馈入的已知激励信号得到第一位置标度因子自校准后的残差值δSF_p1；

S2、状态观测器输出第一工作模式下的稳态信号

和

S3、陀螺仪以自由进动的方式由第一工作模式转换到第二工作模式；

S4、陀螺仪在第二工作模式下进行标度因子校准，根据外部馈入的已知激励信号得到第二位置标度因子自校准后的残差值δSF_p2；

S5、状态观测器输出第二工作模式下的稳态信号

和

S6、根据步骤S1、S2以及S4、S5的结果，分离零偏误差和输入角速率，从而实现陀螺仪的自校准。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，第一工作模式为陀螺仪的波腹轴为X轴，波节轴为Y轴，进动角度参数θ＝0°；第二工作模式为陀螺仪的波腹轴为Y轴，波节轴为X轴，进动角度参数θ＝90°。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，θ＝2λ，λ是波腹轴相对初始位置的进动角度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3自由进动的过程包括：收到进动指令后，陀螺仪的波腹轴与波节轴按照预设的固定进动角速率进动，直到θ＝90°。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在步骤S5完成后，波腹轴复位，校准结束，波腹轴复位过程与步骤S6的计算过程互不干扰，执行顺序不分先后。

另一方面，本发明提供一种随钻测量系统，所述系统包括捷联惯导系统，所述捷联惯导系统包括若干陀螺仪、若干加速度计；其特征在于，所述捷联惯导系统采用如上任一所述的自校准方法进行陀螺仪的零偏自校准，提高定向钻进的随钻测量的精度。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述随钻测量系统判断钻铤是否处于静止状态，若处于静止状态，所述随钻测量系统向陀螺仪的MCU模块发送自校准命令开始进行自校准。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，判断钻铤是否处于静止状态的具体内容为第一判断方式和第二判断方式中的任意一种或两种；

所述第一判断方式具体为：判断敏感速度观测量和/或敏感角速率观测量是否小于判定阈值，若是，则判定钻铤处于静止状态，否则钻铤不处于静止状态；

所述第二判断方式具体为：判断外部泥浆的扰动量和/或振动传感器感应到的振动量是否小于设定的阈值；若是，则判定钻铤处于静止状态，否则钻铤不处于静止状态。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述敏感速度观测量为加速度数值；所述敏感角速率观测量为陀螺仪角速率的均方根值。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，对两个及以上陀螺仪进行自校准时采用实时轮询的方式进行；

具体为：逐一轮流对陀螺仪进行自校准，且正在自校准中的陀螺仪不参与捷联惯导系统的导航算法，其他陀螺仪正常工作。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述随钻测量系统最终的方位测量精度可达0.06゜。

再一方面，本发明提供一种连续导航测量系统，所述系统包括捷联惯导系统，所述捷联惯导系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度计；其特征在于，所述捷联惯导系统采用如上任一所述的自校准方法进行陀螺仪的零偏自校准，提高导航过程中的方位测量精度。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：通过自由进动，实现工作模式1和工作模式2之间的切换，避免切换时的能量损耗；在陀螺仪控制电路内部增加状态观测器，并通过循环自校准法实现漂移误差从角速率中分离，从而提升GMD的方位测量精度；采用自由进动的自校准方法可以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。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是陀螺仪转位置消除零偏原理图；

图2是本发明一个实施例提供的陀螺仪进行自校准的流程图；

图3是本发明一个实施例提供的陀螺仪闭环控制系统原理框图；

图4是本发明一个实施例提供的陀螺仪在工作模式1下的控制框图；

图5是本发明一个实施例提供的谐振子在工作模式1下的振型示意图；

图6是本发明一个实施例提供的陀螺仪在工作模式2下的控制框图；

图7是本发明一个实施例提供的谐振子在工作模式2下的振型示意图；

图8是本发明一个实施例提供的GMD陀螺仪自校准与自标定控制框图；

图9是本发明一个实施例提供的陀螺仪自校准过程示意图；

图10是本发明一个实施例提供的固态谐振陀螺仪的电极布置示意图；

图11是本发明一个实施例提供的全对称谐振子的简化傅科摆模型图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

哥式振动陀螺仪分为Type I和Type II型。Type I多采用音叉方案，如早期的MEMS梳齿式陀螺仪，石英音叉式陀螺仪。Type II型采用全对称结构，极大地改善了频率与阻尼的各项同性指标，并且正是由于对称结构的设计，使得陀螺仪的方便地实现了自校准与自标定，并能够实现力平衡速率模式与速率积分全角模式的统一，代表性的产品如MEMS环形陀螺仪，MEMS-Disk型陀螺仪，以及半球陀螺仪HRG。

本发明充分利用Type II型谐振陀螺仪的全对称结构以及高的品质因子特性，通过构建观测器的方式，在陀螺仪控制电路内部增加一套“Gyro Compass Index”算法，称之为“Index In Loop”，即内部谐振子自由进动的自校准方法(self-calibration)，实现漂移误差从角速率中分离，从而提升GMD的方位测量精度。

本发明的自校准方法，是通过自由进动使谐振子转动从而处于两个不同的位置，实现陀螺仪在工作模式1和工作模式2之间的切换，避免切换时的能量损耗。采用自由进动的自校准方法可以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。自校准方法的流程图如图2所示。

图3是陀螺仪闭环控制系统原理框图。在图3中，C_x、C_y是固定驱动轴的解调值正交分量，S_x、S_y是固定测量轴的解调值正交分量，C_x表征了驱动轴的幅度，S_x表征了驱动轴的相位相关，C_y是与检测轴的哥氏力相关，S_y表征正交耦合，四个系数作为四路闭环控制系统的输入，分别实现：

1)幅度闭环控制。通常采用自动增益控制回路(AGC)，使得谐振子在驱动轴上等幅度振荡，维持振荡幅度到预设值，即：

2)相位闭环控制。通常采用锁相环电路(PLL)通过PID控制使得相位差

趋于零，类似于幅度控制，设定

实现谐振子工作在固有工作频率ω_x；

3)哥氏力闭环控制。通过PID闭环控制，实现闭环反馈力实时平衡输入哥氏力，实现驻波被固定捆绑在固定电极上，也就是实现进动角θ＝θ₀，通常设定θ₀＝0，，表征实时进动角大小的误差量C_y是PID控制信号的输入，通过控制策略实施，从而实现误差量C_y＝θ₀＝0；

4)正交耦合闭环控制。类似于哥氏力闭环控制，表征正交耦合误差量的S_y作为PID控制信号的输入，通过闭环控制，实现正交耦合误差量的

本发明针对陀螺仪闭环控制电路，在其内部增加状态观测器进行观测，在外部激励的条件下对陀螺仪谐振子进行进动转位，实现漂移误差和角速率之间的分离，进而对零偏进行估计，实现自校准。在陀螺仪的闭环控制回路中嵌入MCU校准处理算法单元，接收到外部GMD指令后开始自校准，由该MCU校准处理算法单元发出激励信号实现馈入，并接收状态观测器的采集信号，根据激励信号和采集信号进行自校准算法的计算和处理。外部激励的外部是相对于原始陀螺仪的闭环控制回路来说的。

陀螺仪在工作模式1下的控制框图如图4所示。在分析中，设置两个状态观测器E₁与E₂，E₁与E₂分别是波腹控制器的输出值与波节控制器的输出值。为了方便介绍校准原理，在该控制框图中，忽略了PLL与正交耦合闭环控制回路。

图4和图6中，D_-x是指主模态的检测端，代表图10中的主模态的检测电极2A/2B，E_+x是指主模态的驱动端，代表主模态的驱动电极1A/1B；D_+y是指次模态的检测端，代表检测电极4A/4B，E_-y是指次模态的驱动端，代表驱动电极3A/3B；C_a是指波腹轴的闭环控制器，

是设定的波腹振动幅度；C_p是指波节轴的闭环控制器，C_y0是设定的波节振动幅度，在深度闭环负反馈模式下通常设置C_y0＝0。

在工作模式1，X轴(即图10中+x/-x轴)是波腹轴，Y轴(即图10中-y/+y轴)是波节轴，谐振子的工作模式1下的振型示意图如图5所示，此时的波腹轴控制器输出为：

波节控制器的输出为：

其中

与

为工作模式1下的波腹轴的测量增益系数与反馈增益系数，同样

与

为工作模式1下的波节轴的测量增益系数与反馈增益系数，测量增益通常是指将外部输入的哥氏力转换为电容变化(如石英半球式谐振子、MEMS谐振子)或者电荷变化(采用压电陶瓷的谐振子如金属CVG、Quapason^TM等)的比例系数，反馈增益系数，通常是指将电压输出转换为反馈力(力矩)的比例系数，如采用压电陶瓷的逆压电效应、或采用电容式的静电力反馈等。B是陀螺仪的零偏。Ω指输入角速率。

切换X/Y轴，使陀螺仪工作在状态2，即工作模式2，陀螺仪的控制框图如图6所示。

此时，波腹轴沿Y轴(即图10中-y/+y轴)方向，波节轴沿着X轴(即图10中+x/-x轴)方向，如图7所示，工作模式2下的波腹轴控制器输出为：

工作模式2下波节控制器的输出为：

式(4.52)与式(4.56)构成了陀螺仪零偏自校准、自标定的基本关系式。

可知，当陀螺仪工作在互成45度角的两个平衡位置时，并假设在两个位置状态切换时间很短，且陀螺仪的实际输入角速率保持不变，假设半球谐振子的波腹轴与波节轴的检测与驱动的电极材料完全一致，即G₁＝G₂＝G，则由式(4.52)与式(4.56)可求得零偏：

求得输入角速率值：

式中，SF是指陀螺仪的标度因子，

式(4.57)与式(4.58)构成了陀螺仪自校准原理的基本关系式。

自校准的建模与实现：为了保证陀螺仪在自校准过程中的正常工作，尤其是避免在状态切换中谐振子能量的损耗，采用驻波进动的方式更为有效和可靠；本发明结合GMD的工作流程，将全角自由进动模式与力平衡模式进行结合，通过波腹轴的进动实现两种状态(即两种工作模式)的切换；根据陀螺仪的控制策略，全角模式与深度负反馈速率模式的最大区别是后者通过反馈深度负反馈技术抑制自由进动，如图8所示，实质上，波腹控制与波节控制是一致的，唯一的区别是波腹轴设置固定幅度，波节轴设置0幅度；正是基于此考虑，通过给定的已知激励信号，使得驻波的波腹轴与波节轴按照设定的角速率自由进动，设置控制策略如图8所示。激励信号包括第一激励信号S_a和第二激励信号S_p；第一激励信号S_a和第二激励信号S_p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。

图8中，校准算法控制处理器模块产生简谐激励信号分别为：

S_a＝G_Acosθ...(4.59)

S_p＝G_Asinθ...(4.60)

S_a和S_p分别代表对应的简谐激励，G_A是激励的增益系数。

其中，θ＝2λ，λ是波腹轴相对初始位置的进动角度。

哥氏力与输入角速率成比例关系，故而设置进动角度按照一定的时间间隔T变化，对θ微分，得到等效角速率为：

此时，波腹轴与波节轴将自由进动，作用在控制器C_a、C_p的信号是波腹轴与波节轴输出信号的合成，由此得到观测器E_a与E_p输出分别为：

式(4.62)与式(4.63)中，状态观测器E_a、E_p采集的信号都包含了四个部分，分别是：维持波腹轴振动幅度的力、输入角速率引起的哥氏力、外部给定激励产生的进动哥氏力、阻尼失衡引起的简谐力，通过已知给定的激励，改变谐振子波腹轴位置，从而增加与阻尼失衡相关的常值漂移可观测性，实现常值漂移的估计。上标带有^号的，代表估计值，或者计算值，不带的，就是表示状态值。

Ω_C为由激励信号产生的激励哥氏力；k代表全对称哥氏振动陀螺仪的布兰恩系数，其值只和谐振子的形状相关；b表示由于阻尼失衡引起的零偏误差；θ_τ表示谐振子的阻尼失衡角，如图11所示，说明固态谐振陀螺仪的误差源，主要来自频率裂解与阻尼失衡，给出了对应的两个角度。

根据式(4.62)与式(4.63)，将该校准过程分为三个物理过程，如图9所示，通过处理器的控制时序实现。

1)初始位置(工作模式1)

陀螺仪处于工作模式1，此时的波腹轴为X，波节轴为Y，式(4.62)与(4.63)中的θ＝0°，此时的波腹轴驱动电极为：1A、1B，测量电极2A、2B，波节轴的驱动电极为3A、3B，测量电极4A、4B，并结合控制系统设计与计算方法，采集并存储观测器E_a与E_p的输出分别为式：

2)进动过程

发出指令，实现陀螺仪的波腹轴与波节轴按照固定进动角速率进动直到θ＝90°，此时的驱动轴与测量轴的稳态输出为式(4.62)与式(4.63)所示。

3)结束位置(工作模式2)

在位置θ＝90°时，停止进动，陀螺正常工作在位置2，此时的波腹轴为Y，波节轴为X，波腹轴驱动电极为：3A、3B，测量电极4A、4B，波节轴的驱动电极为1A、1B，测量电极2A、2B，陀螺仪稳态输出如式(4.66)与式(4.67)所示，采集并存储观测器E_a与E_p的输出分别为式：

同样，设定G₁与G₂可准确测得，同样为简单起见，G₁＝G₂＝G，则由公式(4.65)与(4.66)可估计校准后的陀螺仪输入角速率与零偏，原理与公式(4.52)与(4.56)类似。

上述分析了理想情况下，输入角速率与零偏的估计方法，实际上由于谐振子的非理想因素，尤其是波腹与波节的驱动和检测电极的材料等特性的差异性，在高温与振动的恶劣环境下，长时间的应力释放与温度影响，导致两个测量模式下的增益系数随时间与温度变化，从而使得标度因子存在误差，根据IEEE标准的定义，标度因子是指在给定的不同输入角速率(对于全角模式输入是角度)对应于不同陀螺仪的输出值(模拟量、数字量、频率量等)，输出值与输入值的比值(或者拟合值)称之为标度因子。标度因子的计算通常方法是通过外部输入给定信号如转台给定的角速率值去标定与计算的。一般是采用离线的方式，也就是在陀螺仪使用之前，通过模拟给定输入激励或者半实物仿真，实现标定与校准的。对于速率陀螺仪来说，给定的模拟输入激励包含：转台激发实现的精确的角速率、温度、角速率的变化(也称之为角加速度)，去标定与计算标度因子常值、线性度、稳定性、重复性、与温度相关的温度特性、带宽等关键指标，完成标定后，一般进行离线补偿算法，并通过程序输入从而固化了相关的核心参数。可以说，一旦出厂之后，相关的参数指标是固化的，不能改变。标度因子的精度或者稳定性直接决定了陀螺仪的精度，在实际应用中，往往由于陀螺敏感单元的应力释放、老化、环境的因素，使得出厂之前做的离线模型失效或者精度损失，即标度因子的重复性误差问题。

因此，如果开发一种在使用过程中(称之为在线in-line)，能够模拟地面的离线环境，实现标度因子的实时的标定与校准，是GMD校准算法研究的又一个重点。不同于GMD零偏校准方法，标度因子校准方法不需要切换波腹、波节轴，通过观测给定频率点的激励信号的响应，从而辨识前向通道增益(主要包含了敏感单元的驱动增益与测量增益)，因此，通过图8搭建的架构亦可以实现标度因子的实时测量与校准。本发明直接引用该方法，不再赘述。

由于布莱恩因子与谐振子的结构形式有关，是稳定值，在分析中可设置为1，定义工作模式1与工作模式2的标度因子分别为SF_p1与SF_p2根据式(4.68)与式(4.69)可得输入角速率与零偏误差的估计，

式(4.68)与式(4.69)中，SF_p1与SF_p2分别是第一位置与第二位置的标度因子，其值可以分解为：

SF_p1＝SF_p10+ΔSF_p1+δSF_p1...(4.70)

SF_p2＝SF_p20+ΔSF_p2+δSF_p2...(4.71)

式(4.70)与式(4.71)中，SF_p10与SF_p20是设计值指标，其值已知；ΔSF_p1与ΔSF_p2是可以用标度因子自校准手段辨识的误差值；δSF_p1与δSF_p2是校准后的残差值。SF_p1和SF_p2，定义为两个位置的标度因子的表达式，标度因子的计算获取方法为IEEE的标准，这里不做赘述。

设定残差值与设计值的关系式为：

δSF_p1≈δSF_p2≈εSF_p10≈εSF_p20...(4.72)

式(4.72)中，ε为标度因子残差的相对误差值，实际测试值ε＝1000ppm，则可以得到通过零偏自校准方法的输入角速率估计误差为：

对于MWD(随钻测量)停钻状态，由于陀螺仪的固定输入是地速分量，如在实验室的纬度是40°，地速分量约为12°/h，最终的自校准精度约是：

根据式(4.24)，最终的方位测量精度约为0.06゜，远优于设计目标值1°的指标。

至此，分析了陀螺仪的零偏自校准的基本原理，结合其在GMD中的应用，图2给出了相关的设计时序和操作流程。在静基座下，通过标度因子自校准与零偏自校准的结合，分别校准了三个陀螺的常值零偏，由于GMD工作在微小扰动或者完全静止的工作环境下，在包含水平段任何井斜角，都可以通过零偏自校准的方法估计陀螺仪的常值零偏与输入角速率，在GMD设计中，微处理器中设置相关的指令，实现在任何位置的零偏校准，并与转位机构的零偏校准方案构成互补设计。

本发明的自校准方法尤其适用于GMD系统，当陀螺仪接收到GMD自校准指令后即开始进行自校准。具体的校准步骤包括：

步骤1、启动自校准程序；

步骤2、陀螺仪在工作模式1下进行标度因子校准，校准公式为式(4.70)；陀螺仪处于工作模式1时的波腹轴为X，波节轴为Y，进动角度参数θ＝0°；

步骤3、陀螺仪输出工作模式1下的观测器数据，即采用式(4.64)和式(4.65)计算并输出设置的两个观测器E_a和E_p的数据；

步骤4、波腹轴进动控制；收到进动指令后，陀螺仪的波腹轴与波节轴按照预设的固定进动角速率进动，此时的驱动轴与测量轴的稳态输出为式(4.62)与式(4.63)，即观测器E_a和E_p在进动模式中的输出信号；

两个观测器的信号均包括：维持波腹轴振动幅度的力、输入角速率引起的哥氏力、外部给定激励产生的进动哥氏力以及阻尼失衡引起的简谐力，通过已知给定的激励，改变谐振子波腹轴位置，从而增加与阻尼失衡相关的常值漂移可观测性，实现常值漂移的估计；

步骤5、陀螺仪在工作模式2下进行标度因子校准，校准公式为式(4.71)；

陀螺仪处于工作模式2时的波腹轴为Y，波节轴为X，进动角度参数θ＝90°；

步骤6、陀螺仪输出工作模式2下的观测器数据，即采用式(4.66)和式(4.67)计算并输出设置的两个观测器E_p和E_p的数据；

步骤7、根据步骤2、3和步骤5、6的结果，以及式(4.70)和式(4.71)，求解式(4.68)和式(4.69)得到输入角速率与零偏误差的估计，完成输入角速率和零偏误差的分离，从而实现自校准。

在上述步骤6完成后，波腹轴复位，校准结束，波腹轴复位过程与步骤7的计算过程互不干扰，执行时不分先后，也可同时进行。

本发明的校准方法适用于捷联惯导系统，捷联惯导系统包括若干(比如三轴)陀螺仪、若干(比如三轴)加速度计。捷联惯导系统可以应用于随钻测量系统和连续导航测量系统，进行陀螺仪的零偏自校准，提高定向钻进的随钻测量的精度或者导航过程中的姿态测量精度。

多个陀螺仪的自校准与自标定过程中，可以使用实时轮询的方式，即，在校准和标定一个陀螺仪时，该陀螺仪不参加系统的导航算法(如姿态测量)，其余的陀螺仪正常工作，并由其余陀螺仪与加速度计的组合提供实时导航解算数据(或者姿态测量数据)直到全部的陀螺仪都得到校准，最终输出经过全部校准后的陀螺仪计算得到的导航数据(或者姿态测量、初始对准数据)。

本发明的自校准方法适用于各种陀螺仪，用于随钻系统时，可在钻铤静止和非静止状态下进行自校准，但是优选钻铤静止状态下进行自校准。钻铤静止状态下自校准的精度更高，其方位测量精度可达0.06゜。

钻铤是否处于静止状态的判断为：判断敏感速度观测量和/或敏感角速率观测量是否小于判定阈值，若是，则判定钻铤处于静止状态，否则不处于静止状态。敏感速度观测量可以是加速度数值；敏感角速率观测量可以是陀螺仪角速率的均方根值。判断钻铤是否处于静止状态还可通过判断外部扰动，即判断外部泥浆的扰动量和/或振动传感器感应到的振动量是否小于设定的阈值；若是，则判定钻铤处于静止，否则钻铤处于非静止状态。两种钻铤静止状态的判断方法可以任选其一或者两个同时使用。

以上对本申请实施例所提供的一种固态谐振陀螺自校准方法及系统，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (13)

1.一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，在激励信号的条件下对陀螺仪谐振子进行进动转位，实现漂移误差和角速率之间的分离；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，根据激励信号和采集的输出信号进行自校准算法的计算和处理从而校准陀螺仪的重复性误差；

所述激励信号包括第一激励信号和第二激励信号；所述第一激励信号和所述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；

陀螺仪内部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；在波腹控制器的输出点和波节控制器的输出点分别设置状态观测器，通过状态观测器输出陀螺仪在第一工作模式和第二工作模式的稳态信号；

第一工作模式为陀螺仪的波腹轴为X轴，波节轴为Y轴，进动角度参数θ＝0°；第二工作模式为陀螺仪的波腹轴为Y轴，波节轴为X轴，进动角度参数θ＝90°。

2.根据权利要求1所述的固态谐振陀螺自校准方法，其特征在于，稳态信号的内容包括：维持波腹轴振动幅度的力、输入角速率引起的哥氏力、外部馈入激励产生的进动哥氏力和阻尼失衡引起的简谐力。

3.根据权利要求1-2任一所述的固态谐振陀螺自校准方法，其特征在于，所述校准方法的具体步骤包括：

S1、陀螺仪在第一工作模式下进行标度因子校准，根据外部馈入的已知激励信号得到第一位置标度因子自校准后的残差值δSF_p1；

S2、状态观测器输出第一工作模式下的稳态信号

和

S3、陀螺仪以自由进动的方式由第一工作模式转换到第二工作模式；

S4、陀螺仪在第二工作模式下进行标度因子校准，根据外部馈入的已知激励信号得到第二位置标度因子自校准后的残差值δSF_p2；

S5、状态观测器输出第二工作模式下的稳态信号

和

S6、根据步骤S1、S2以及S4、S5的结果，分离零偏误差和输入角速率，从而实现陀螺仪的自校准；

其中，输入角速率的计算公式为：

零偏误差的计算公式为：

SF_p1与SF_p2分别是第一工作模式与第二工作模式的标度因子。

4.根据权利要求1所述的固态谐振陀螺自校准方法，其特征在于，θ＝2λ，λ是波腹轴相对初始位置的进动角度。

5.根据权利要求3所述的固态谐振陀螺自校准方法，其特征在于，步骤S3自由进动的过程包括：收到进动指令后，陀螺仪的波腹轴与波节轴按照预设的固定进动角速率进动，直到θ＝90°。

6.根据权利要求3所述的固态谐振陀螺自校准方法，其特征在于，在步骤S5完成后，波腹轴复位，校准结束，波腹轴复位过程与步骤S6的计算过程互不干扰，执行顺序不分先后。

7.一种随钻测量系统，所述系统包括捷联惯导系统，所述捷联惯导系统包括若干陀螺仪、若干加速度计；其特征在于，所述捷联惯导系统采用权利要求1-6任一所述的自校准方法进行陀螺仪的零偏自校准，提高定向钻进的随钻测量的精度。

8.根据权利要求7所述的随钻测量系统，其特征在于，所述随钻测量系统判断钻铤是否处于静止状态，若处于静止状态，所述随钻测量系统向陀螺仪的MCU模块发送自校准命令开始进行自校准。

9.根据权利要求8所述的随钻测量系统，其特征在于，判断钻铤是否处于静止状态的具体内容为第一判断方式和第二判断方式中的任意一种或两种；

所述第一判断方式具体为：判断敏感速度观测量和/或敏感角速率观测量是否小于判定阈值，若是，则判定钻铤处于静止状态，否则钻铤不处于静止状态；

所述第二判断方式具体为：判断外部泥浆的扰动量和/或振动传感器感应到的振动量是否小于设定的阈值；若是，则判定钻铤处于静止状态，否则钻铤不处于静止状态。

10.根据权利要求9所述的随钻测量系统，其特征在于，所述敏感速度观测量为加速度数值；所述敏感角速率观测量为陀螺仪角速率的均方根值。

11.根据权利要求7所述的随钻测量系统，其特征在于，对两个及以上陀螺仪进行自校准时采用实时轮询的方式进行；

具体为：逐一轮流对陀螺仪进行自校准，且正在自校准中的陀螺仪不参与捷联惯导系统的导航算法，其他陀螺仪正常工作。

12.根据权利要求8所述的随钻测量系统，其特征在于，所述随钻测量系统最终的方位测量精度达到0.06°。

13.一种连续导航测量系统，所述系统包括捷联惯导系统，所述捷联惯导系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度计；其特征在于，所述捷联惯导系统采用权利要求1-6任一所述的自校准方法进行陀螺仪的零偏自校准，提高导航过程中的方位测量精度。

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