способ определения ориентации объекта в точке останова

Формула изобретения

Способ определения ориентации объекта в точке останова, включающий измерение ускорения силы тяжести Земли по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y, Z, измерение угловой скорости Земли по тем же осям X, Y, Z и вычисление углов ориентации, отличающийся тем, что азимуты двух осей объекта _z и _x определяют по формулам





где g²=g²_x+g²_y+g²_z;

P=_xg_x+_yg_y+_zg_z;

g_x, g_y, g_z значения ускорения силы тяжести Земли по трем взаимно перпендикулярным осям X, Y, Z;

_x, _y, _z значения угловой скорости Земли по тем же осям X, Y, Z.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано для определения ориентации объекта в точке останова.

Этот способ может быть применен при определении ориентаций бура в точке останова с последующим определением направления смещения "ножей" бура и принудительным смещением в заданном направлении "ножей" бура дня корректировки направления бурения, а также в навигации с целью определения предстартовой угловой ориентации летательного аппарата.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения ориентации прямой пинии, имеющей произвольное пространственное положение. Прямой линией может быть касательная к траектории скважины в точна останова и совпадающая с ней (с касательной) ось Z гироскопического инклинометра (1).

Известный способ определения ориентации прямой линии, т.е. способ определения углов вертикали и азимута прямой линии, включает следующие последовательные операции:

горизонтирование трехстепенного гироскопа, определение угла между осью (ось Z) инклинометра и вектором кинетического момента трехстепенного гироскопа, т.е. определение угла азимута, и преобразование этого угла в электрический сигнал посредством индукционного датчика;

определение угла между осью (ось Z) игклинометра и маятником, т.е. определение угла вертикали, и преобразование этого угла в электрический сигнал.

Устройство для реализации способа содержит устройство определения вертикали места на базе маятника со съемом угла от индукционного датчикам, устройство определения азимута скважины на базе трехстепенного гироскопа с системой гидростабилизирования со съемом угла от индукционного датчика.

Недостатком известного способа на базе этого устройства является невозможность определения полной ориентации объекта (бура) в точке останова.

Этот недостаток устраняется тем, что азимуты двух осей объекта _z и _x определяют по формулам





где

g²= g²_x+g²_y+g²_z (3)

p = _xg_x+_yg_y+_zg_z (4)

g_x, g_x, g_x значения ускорения силы тяжести по трем взаимно перпендикулярным осям X, У, Z;

_x, _y, _z значения угловой скорости Земли по трем взаимно перпендикулярным осям X, У, Z.

Способ основан на определении ориентации объекта по следующим трем углам:

определение угла вертикали одной из осей (например, оси );

определение азимута этой же оси, т.е. определение угла между проекцией этой оси на плоскость горизонта и проекцией вектора угловой скорости Земли на плоскость горизонта;

определение азимута другой оси объекта (например, оси X).

Таким образом, в качестве метода ориентации объекта выбран метод определения угла вертикали одной из осей, определения азимута этой же оси и определение азимута другой оси.

На чертеже дано пояснение угла вертикали и угла азимута осей.

Способ осуществляется посредством измерителя ускорения и измерителя угловой скорости (либо измерителя напряженности магнитного поля), жестко связанных с объектом.

В качестве измерителя ускорения может быть использована триада акслерометров, измеряющих ускорение по трем взаимно перпендикулярным осям.

В качестве измерителя угловой скорости могут быть использованы два двухкоординатных гироскопических датчика угловой скорости (ДУС), измеряющих угловую скорость по трем взаимно перпендикулярным осям, например, первый ДУС измеряет угловую скорость по осям X и У, второй ДУС до оси Z

В качестве измерителя напряженности магнитного поля может быть использована триада магнитометров, измеряющих напряженность магнитного поля по трем взаимно перпендикулярным осям.

Подвижная система координат X, У, Z выбрана таким образом, что ось Z совпадает с продольной осью инклинометра (совпадает с направлением бурений), положение оси X произвольное, ось Y перпендикулярна Х и Z).

В местной системе координат X, Y, Z посредством трех акселерометров и двух двухкоординатных гироскопичкских ДУС измеряют значения



Угол вертикали _z оси Z определяется по известной формуле:



Краткий вывод формулы определения азимута оси Z, т.е. определения угла _z$, по информаций об ускорения силы тяжести, по информации об угловой скорости Земли следующий.

Пусть в трехмерной декартовой системе координат , , заданы два вектора:

а) , где вектор ускорения свободного падения (вектор силы тяжести);

б) вектор угловой скорости Земли.

И пусть имеется вектор (направление оси Z инклинометра, направление бурения в данной точке скважины) с произвольной ориентацией.

С вектором n связана местная система координат (X, Y, Z) такая, что ось 2 направлена по вектору , положение оси X произвольно, ось Y перпендикулярна X и Z.

В местной системе координат измерены проекции векторов:





Требуется определить угол между проекциями и на плоскость горизонта векторов и .

Угол j и есть искомый азимут скважины.

Все построения ведут в местной системе координат (О, X, Y, Z).

Уравнение плоскости горизонта, проходящей через начало координат (0;0;0) и перпендикулярной , будет иметь вид:

g_xx + g_yy + g_zz 0 (7)

Определяют проекции на эту плоскость, т.е. .

Из точки (_x; _y; _z) проводят прямую, перпендикулярную плоскости горизонта, параллельную вектору тяжести , выраженную уравнением (8):



Откуда



Находят точку пересечения этой прямой (9) с плоскостью горизонта, подставив значения X, Y, Z (9) в уравнение плоскости горизонта (7):

g_x(_x+Kg_x)+g_y(_y+Kg_y)+g_z(_z+Kg_z) = 0 (10)

Откуда:



Подставляют (11) в уравнение прямой (9):



И так проекция на плоскость горизонта, т.е. будет иметь выражение (13):



Проекция вектора на плоскость горизонта, т.е. определяется аналогично (13) подстановкой _x=0, _y=0; _z=1.

Таким образом, имеем два вектора и , которые являются проекциями векторов и на плоскость горизонта.

Требуется определить угол азимута, т.е. угол между векторами и .

Воспользуемся формулами для двух векторов и .

Скалярное произведение равно:



Модуль векторного произведения равен:





Объединяя выражения (15) и (16), получают (17):



Применительно к икнлинометру a_x, a_y, a_z, b_x, b_y, b_z равны:



Подставляя значения a_x, a_y, a_z, b_x, b_y, b_z в выражение (17) и упростив его, получают формулу (1) определения азимута оси Z инклинометра (бура).

Определяют угол азимута оси X инклинометра (бура), т.е. определяют угол .

Заменяют систему координат X, У, Z на систему координат X", Y", Z" такую, что ось Z" совпадает с осью X, ось Y" совпадает с Z, ось X" совпадает Y. В новой местной системе координат (X", Y", Z") измерены значения





Формула определения азимута _z в системе координат X", Y", Z" будет иметь вид:



где

(g)²= g²_x+ g²_y+g²_z (22)

P = g_xx+g_yy+g_zz (23)

При этом



Подставляют выражение (24) в формулы (21, 22, 23).

В результате имеют азимут _x, вычисленный в системе координат X, У, Z



где

g²= g²_x+g²_y+g²_z

P = g_xx+g_yy+g_zz

Таким образом, определяется ориентация объекта в точно останова путем определения угла вертикали _z и двух углов азимута _z, _x.

Таким образом, способ определения ориентации объекта в точке останова посредством измерения ускорения силы тяжести по трем взаимно перпендикулярным осям и измерения угловой скорости земли по тем же осям (или измерения напряженности магнитного поля Земли по тем же осям) является средством для определения ориентации объекта, имеющего произвольное угловое положение.