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CN111521178A - 基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法 - Google Patents

基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法 Download PDF

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CN111521178A
CN111521178A CN202010348930.1A CN202010348930A CN111521178A CN 111521178 A CN111521178 A CN 111521178A CN 202010348930 A CN202010348930 A CN 202010348930A CN 111521178 A CN111521178 A CN 111521178A
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Abstract

本发明属于地质勘探领域，公开了基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法。本发明结合长距离水平取芯钻机的工作特点，合理规划取芯器的工作模式，充分利用定位定向仪保存的全部测量数据，构建逆向测量数据序列，通过对钻探管道相邻连续接缝的检测，并利用已知的钻探管道长度，实现定位定向仪钻进长度的测算，基于管长信息约束的卡尔曼滤波器实现长距离水平取芯钻机的孔内精确定位，结合零速修正对定位误差进行抑制校正，并利用正向、逆向自主导航定位误差特性的差异互补性，以加权定位输出作为钻进路径轨迹，提高定位精度。本发明能够满足高原高寒地区地质勘探的需求，为全面、准确的掌握高原高寒地区铁路沿线的地质信息提供有力支撑。

Description

基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法
技术领域
本发明属于地质勘探领域，涉及勘探过程中取芯钻机的孔内定位方法，特别涉及基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法。
背景技术
高原高寒地区铁路隧道施工过程中，需要全面、准确的掌握沿线的地质信息，然而受高原高寒地区恶劣地面条件的限制，一般的竖向探测无法实施，不能满足高原高寒地区地质探测需求。长距离水平取芯钻机是一种适用于水平方向快速地质钻探、长距离水平取芯的装备，其能够满足铁路、公路、水利、矿山等领域各种岩石隧道施工的长距离地质取芯钻探，对于高原高寒地区铁路的建设具有十分重要的意义。为了精准的控制钻进路径，满足大埋深、长距离地质取芯钻探的需求，需要在孔内对水平取芯钻机进行精准定位定向，为此，长距离水平取芯钻机需要同时配置定位定向仪。定位定向仪包含惯性测量单元，由惯性测量单元计算输出水平取芯钻机的位置信息，进而对钻进路径进行调整和控制。然而，受惯性器件自身误差的影响，长距离水平钻探情况下，惯性测量单元的定位误差随着工作时间的延长将不断增大，影响钻进路径的控制精度。因此，需要借助辅助手段或者辅助信息对惯性测量单元的定位误差进行抑制或校正，进而实现钻进路径的精确控制。
实际作业环境下，受工况条件以及各型号水平取芯钻机配套设备的限制，定位定向仪能用的辅助定位手段或辅助信息十分有限，并且不尽相同，如何充分挖掘实际工况环境中的可用信息进而提高定位定向精度，成为地质勘探技术人员十分关注的问题。本发明针对高原高寒地区地质勘探的需求，研究基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法。考虑到水平取芯钻机在钻进过程中，每钻进一定长度将会布设钻探管道，钻探管道之间相互连接形成整段的钻进路径，钻探管道之间存在接缝，接缝可以作为检测标志使用。另外，由于布设的钻探管道的长度是固定的，通过对钻探管道接缝的连续检测，可以利用管长信息实现定位定向仪钻进长度的测算，最后可以基于管长信息约束的卡尔曼滤波器实现长距离水平取芯钻机的孔内精确定位，进而提高钻进路径的控制精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：结合长距离水平取芯钻机的工作特点，合理规划取芯器的工作模式，充分利用定位定向仪保存的全部测量数据，通过对钻探管道相邻连续接缝的检测，并利用已知的钻探管道长度，实现定位定向仪钻进长度的测算，最后基于管长信息约束的卡尔曼滤波器实现长距离水平取芯钻机的孔内精确定位，进而提高钻进路径的控制精度，满足高原高寒地区地质勘探的需求。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：
基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，包括以下步骤：
(1)将定位定向仪安装到取芯器上，并放置于取芯钻机载车的基座上，向定位定向仪装订初始位置信息和初始速度信息，装订完成后定位定向仪静止15～25分钟，并进行初始自对准，获得初始姿态信息，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息；定位定向仪完成初始自对准后，基于管长信息约束的卡尔曼滤波器进行正向自主导航定位；其中，管长信息约束的卡尔曼滤波器按照如下步骤设计：
(1.1)以姿态误差φn、速度误差δvn、位置误差δpn、陀螺漂移εb、加速度计零偏
Figure BDA0002471170780000021
定位定向仪惯性测量单元的安装误差η为系统状态x(t)，分别确定姿态误差、速度误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差的微分方程如下：
Figure BDA0002471170780000022
Figure BDA0002471170780000023
Figure BDA0002471170780000024
Figure BDA0002471170780000025
Figure BDA0002471170780000026
Figure BDA0002471170780000027
其中，表示导航坐标系n相对于惯性坐标系i的旋转角速度，
Figure BDA0002471170780000029
表示载体坐标系b与导航坐标系n之间的姿态矩阵，fn表示导航坐标系下表示的比力，
Figure BDA00024711707800000210
表示地球自转角速度，
Figure BDA00024711707800000211
表示转移角速度，vn表示速度，
Figure BDA00024711707800000212
分别表示导航坐标系旋转角速度误差量、地球自转角速度误差量、转移角速度误差量，
Figure BDA00024711707800000213
表示陀螺组件测量误差，
Figure BDA00024711707800000214
表示加速度计组件测量误差，wg、wa分别表示陀螺组件测量噪声、加速度计组件测量噪声，η＝[ηθ ηΨ]T由俯仰角安装误差ηθ及航向角安装误差ηΨ构成；
(1.2)根据步骤(1.1)中确定的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差微分方程，构建系统状态方程如下：
Figure BDA00024711707800000215
其中，
Figure BDA00024711707800000216
表示系统状态矩阵；
Figure BDA00024711707800000217
Figure BDA0002471170780000031
Figure BDA0002471170780000032
Figure BDA0002471170780000033
式中，vE、vN、vU分别表示东向、北向、垂向速度，L表示当地纬度，h表示当地高度，RE、RN分别表示卯酉圈半径、子午圈半径，ωie表示地球自转角速度模值；
Figure BDA0002471170780000034
表示系统噪声矩阵；
w(t)＝[wg wa]T表示系统噪声；
(1.3)取芯器沿钻进路径推进时，其侧向速度及垂向速度为零，并且当取芯器推进至钻探管道接缝处时，接缝会导致振动加速度，利用定位定向仪的加速度计组件对接缝处的振动加速度进行检测，并记录加速度计组件通过钻探管道两端连续接缝时检测到振动的时刻ti、ti+1，在(ti+1-ti)时间段内，取芯器推进的距离为钻探管道的长度L，进而以(ti+1-ti)时间段内的位置增量构建观测量，并确定观测方程，其中，观测方程的确定通过以下步骤实现：
(1.3.1)确定定位定向仪的惯性测量单元在(ti+1-ti)时间段内输出的位置增量，将其表示为
Figure BDA0002471170780000035
其中
Figure BDA0002471170780000036
分别表示ti+1、ti时刻惯性测量单元解算得到的速度；
(1.3.2)确定在(ti+1-ti)时间段内基于管长信息约束的位置增量，将其表示为
Figure BDA0002471170780000037
(1.3.3)以位置增量误差
Figure BDA0002471170780000041
作为观测量，构建观测方程如下：
z(t)＝H(t)x(t)+υ(t)
其中，
Figure BDA0002471170780000042
H(t)＝[-M×(ti+1-ti)I3×3 03×3 03×3 03×3 03×2]，
Figure BDA0002471170780000043
I3×3表示单位矩阵，υ(t)表示观测噪声；
(2)由取芯钻机载车将取芯器推送至钻孔处并驻留，取芯器在钻孔处驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第一次零速修正，然后采用高压气推的方式将取芯器沿着钻进路径推进，定位定向仪在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息，其中，零速修正按照如下步骤进行：
(2.1)定位定向仪根据角速度、速度信息自主检测到其零速状态，零速状态下的观测量为
Figure BDA0002471170780000044
(2.2)以
Figure BDA0002471170780000045
的x、y、z分量作为零速状态下的观测量zZUPT(t)，其中，将
Figure BDA0002471170780000046
表示为：
Figure BDA0002471170780000047
上式中，
Figure BDA0002471170780000048
表示定位定向仪速度输出在惯性测量单元坐标系m下的投影，vm表示真实的m坐标系下表示的定位定向仪速度，
Figure BDA0002471170780000049
表示载体坐标系b与惯性测量单元坐标系m之间的安装关系矩阵，ζ＝[ηθ ηγ ηΨ]T表示安装误差角，
Figure BDA00024711707800000410
表示导航坐标系n与载体坐标系b之间的姿态矩阵；由于横滚角安装误差ηγ不会影响前向速度投影，将其赋值为0，即ηγ＝0；
进一步，构建观测方程如下：
zZUPT(t)＝HZUPT(t)x(t)+μ(t)
其中，
Figure BDA00024711707800000411
μ(t)表示观测噪声；
(2.3)根据步骤(2.1)、(2.2)所述对零速状态下的定位定向仪完成量测更新；
(3)当取芯器推进至钻进路径末端的钻机处，由取芯器完成取芯作业，然后取芯器在钻进路径末端再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第二次零速修正；此外，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息；
(4)第二次零速修正完成后，通过卷扬机将取芯器从孔内拖出，当取芯器被拖至钻孔处时再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第三次零速修正；第三次零速修正完成后，将取芯器拖动至取芯钻机载车的基座上，再次静止15～25分钟；此外，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息；
(5)将陀螺组件测量角速度
Figure BDA0002471170780000051
加速度计组件测量比力fb及地球自转角速度
Figure BDA0002471170780000052
取反，并按照从后至前的时间顺序反转步骤(1)-(4)中保存的角增量信息、速度增量信息，构成逆向测量数据序列，最后基于管长信息约束的卡尔曼滤波器对逆向测量数据序列进行逆向自主导航定位，其中，逆向导航解算如下式所述：
Figure BDA0002471170780000053
Figure BDA0002471170780000054
Figure BDA0002471170780000055
其中，
Figure BDA0002471170780000056
Figure BDA0002471170780000057
分别表示逆向时序d、d-1时刻的姿态矩阵，
Figure BDA0002471170780000058
分别表示逆向时序d、d-1时刻的速度，
Figure BDA0002471170780000059
分别表示逆向时序d、d-1时刻的位置，gn、
Figure BDA00024711707800000510
分别表示正向解算、逆向解算当地重力加速度，I3表示三阶单位矩阵，△T表示采样间隔；
逆向自主导航定位包括如下步骤：
(5.1)利用逆向测量数据的第一个15～25分钟的静态阶段完成初始对准，获得初始姿态信息；
(5.2)按照步骤(1.1)-(1.3)所述的基于管长信息约束的卡尔曼滤波器进行逆向滤波，姿态误差方程、速度误差方程、位置误差方程、陀螺漂移、加速度计零偏及定位定向仪惯性测量单元的安装误差的微分方程保持不变，观测方程也保持不变；
(5.3)逆向自主导航定位过程中，当取芯器处于驻留状态时，按照步骤(2.1)-(2.3)所述零速修正方式进行误差校正；
(6)以时间对齐后的正向自主导航定位结果pn与逆向自主导航定位结果
Figure BDA00024711707800000511
的加权结果作为定位输出，加权方式采用下式所述：
Figure BDA00024711707800000512
其中，ps为加权结果，Ps、Pf、Pb分别为平滑方差、正向方差、逆向方差；
最后将取芯器推进段的定位结果作为钻进路径轨迹，并根据钻进路径轨迹计算其相对于设计路径的偏差，进而对钻进路径进行调整。
进一步的，所述步骤(1)、(4)中取芯器在取芯钻机载车基座上的静止时长分别为15分钟。
进一步的，所述步骤(1)、(4)中取芯器在取芯钻机载车基座上的静止时长分别为25分钟。
进一步的，所述步骤(2)、(3)、(4)中取芯器在钻孔处及钻进路径末端的驻留时长分别为10秒。
进一步的，所述步骤(2)、(3)、(4)中取芯器在钻孔处及钻进路径末端的驻留时长分别为20秒。
进一步的，所述步骤(2)中采用高压液推的方式将取芯器沿着钻进路径推进。
进一步的，所述步骤(2.3)中采用序贯更新的方式完成量测更新。
进一步的，所述步骤(1.1)、(1.2)中的陀螺漂移、加速度计零偏状态采用反馈校正。
进一步的，所述步骤(1.1)、(1.2)中的安装误差状态采用开环校正。
进一步的，所述步骤(1)中惯性测量单元测量角增量信息和速度增量信息时其采样间隔不大于0.01s。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明结合长距离水平取芯钻机的工作特点，合理规划取芯器的工作模式，充分利用定位定向仪保存的全部测量数据，通过对钻探管道相邻连续接缝的检测，并利用已知的钻探管道长度，实现定位定向仪钻进长度的测算，提高数据利用率，以保证长距离水平取芯钻机的孔内精确定位；
(2)本发明充分利用正向、逆向自主导航定位误差特性的差异互补性，以加权定位输出结果作为钻进路径轨迹，提高定位精度。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明实施过程示意图；
图3为本发明中钻探管道接缝检测的示意图；
图4为本发明正逆向解算示意图；
图5为本发明正逆向自主导航定位示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，结合长距离水平取芯钻机的工作特点，合理规划取芯器的工作模式，充分利用定位定向仪保存的全部测量数据，通过对钻探管道相邻连续接缝的检测，并利用已知的钻探管道长度，实现定位定向仪钻进长度的测算，最后基于管长信息约束的卡尔曼滤波器实现长距离水平取芯钻机的孔内精确定位，进而提高钻进路径的控制精度，满足高原高寒地区地质勘探的需求。
如图2所示，结合具体应用实例，对本发明的具体流程进行说明：
基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，包括以下步骤：
(1)将定位定向仪安装到取芯器上，并放置于取芯钻机载车的基座上，向定位定向仪装订初始位置信息和初始速度信息，装订完成后定位定向仪静止15～25分钟，并进行初始自对准，获得初始姿态信息，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息；定位定向仪完成初始自对准后，基于管长信息约束的卡尔曼滤波器进行正向自主导航定位；其中，管长信息约束的卡尔曼滤波器按照如下步骤设计：
(1.1)以姿态误差φn、速度误差δvn、位置误差δpn、陀螺漂移εb、加速度计零偏
Figure BDA0002471170780000061
定位定向仪惯性测量单元的安装误差η为系统状态x(t)，分别确定姿态误差、速度误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差的微分方程如下：
Figure BDA0002471170780000071
Figure BDA0002471170780000072
Figure BDA0002471170780000073
Figure BDA0002471170780000074
Figure BDA0002471170780000075
Figure BDA0002471170780000076
其中，
Figure BDA0002471170780000077
表示导航坐标系n相对于惯性坐标系i的旋转角速度，
Figure BDA0002471170780000078
表示载体坐标系b与导航坐标系n之间的姿态矩阵，fn表示导航坐标系下表示的比力，
Figure BDA0002471170780000079
表示地球自转角速度，
Figure BDA00024711707800000710
表示转移角速度，vn表示速度，
Figure BDA00024711707800000711
分别表示导航坐标系旋转角速度误差量、地球自转角速度误差量、转移角速度误差量，
Figure BDA00024711707800000712
表示陀螺组件测量误差，
Figure BDA00024711707800000713
表示加速度计组件测量误差，wg、wa分别表示陀螺组件测量噪声、加速度计组件测量噪声，η＝[ηθ ηΨ]T由俯仰角安装误差ηθ及航向角安装误差ηΨ构成；
(1.2)根据步骤(1.1)中确定的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差微分方程，构建系统状态方程如下：
Figure BDA00024711707800000714
其中，
Figure BDA00024711707800000715
表示系统状态矩阵；
Figure BDA00024711707800000716
Figure BDA00024711707800000717
Figure BDA0002471170780000081
Figure BDA0002471170780000082
式中，vE、vN、vU分别表示东向、北向、垂向速度，L表示当地纬度，h表示当地高度，RE、RN分别表示卯酉圈半径、子午圈半径，ωie表示地球自转角速度模值；
Figure BDA0002471170780000083
表示系统噪声矩阵；
w(t)＝[wg wa]T表示系统噪声；
(1.3)取芯器沿钻进路径推进时，其侧向速度及垂向速度为零，并且当取芯器推进至钻探管道接缝处时，接缝会导致振动加速度，利用定位定向仪的加速度计组件对接缝处的振动加速度进行检测，并记录加速度计组件通过钻探管道两端连续接缝时检测到振动的时刻ti、ti+1，在(ti+1-ti)时间段内，取芯器推进的距离为钻探管道的长度L，如图3所示，进而以(ti+1-ti)时间段内的位置增量构建观测量，并确定观测方程，其中，观测方程的确定通过以下步骤实现：
(1.3.1)确定定位定向仪的惯性测量单元在(ti+1-ti)时间段内输出的位置增量，将其表示为
Figure BDA0002471170780000084
其中
Figure BDA0002471170780000085
分别表示ti+1、ti时刻惯性测量单元解算得到的速度；
(1.3.2)确定在(ti+1-ti)时间段内基于管长信息约束的位置增量，将其表示为
Figure BDA0002471170780000086
(1.3.3)以位置增量误差
Figure BDA0002471170780000087
作为观测量，构建观测方程如下：
z(t)＝H(t)x(t)+υ(t)
其中，
Figure BDA0002471170780000088
H(t)＝[-M×(ti+1-ti)I3×3 03×3 03×3 03×3 03×2]，
Figure BDA0002471170780000091
I3×3表示单位矩阵，υ(t)表示观测噪声；
(2)由取芯钻机载车将取芯器推送至钻孔处并驻留，取芯器在钻孔处驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第一次零速修正，然后采用高压气推的方式将取芯器沿着钻进路径推进，定位定向仪在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息，其中，零速修正按照如下步骤进行：
(2.1)定位定向仪根据角速度、速度信息自主检测到其零速状态，零速状态下的观测量为
Figure BDA0002471170780000092
(2.2)以
Figure BDA0002471170780000093
的x、y、z分量作为零速状态下的观测量zZUPT(t)，其中，将
Figure BDA0002471170780000094
表示为：
Figure BDA0002471170780000095
上式中，
Figure BDA0002471170780000096
表示定位定向仪速度输出在惯性测量单元坐标系m下的投影，vm表示真实的m坐标系下表示的定位定向仪速度，
Figure BDA0002471170780000097
表示载体坐标系b与惯性测量单元坐标系m之间的安装关系矩阵，ζ＝[ηθ ηγ ηΨ]T表示安装误差角，
Figure BDA0002471170780000098
表示导航坐标系n与载体坐标系b之间的姿态矩阵；由于横滚角安装误差ηγ不会影响前向速度投影，将其赋值为0，即ηγ＝0；
进一步，构建观测方程如下：
zZUPT(t)＝HZUPT(t)x(t)+μ(t)
其中，
Figure BDA0002471170780000099
μ(t)表示观测噪声；
(2.3)根据步骤(2.1)、(2.2)所述对零速状态下的定位定向仪完成量测更新；
(3)当取芯器推进至钻进路径末端的钻机处，由取芯器完成取芯作业，然后取芯器在钻进路径末端再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第二次零速修正；此外，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息；
(4)第二次零速修正完成后，通过卷扬机将取芯器从孔内拖出，当取芯器被拖至钻孔处时再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第三次零速修正；第三次零速修正完成后，将取芯器拖动至取芯钻机载车的基座上，再次静止15～25分钟；此外，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息；
(5)如图4、图5所示，将陀螺组件测量角速度
Figure BDA00024711707800000910
加速度计组件测量比力fb及地球自转角速度
Figure BDA00024711707800000911
取反，并按照从后至前的时间顺序反转步骤(1)-(4)中保存的角增量信息、速度增量信息，构成逆向测量数据序列，最后基于管长信息约束的卡尔曼滤波器对逆向测量数据序列进行逆向自主导航定位，其中，逆向导航解算如下式所述：
Figure BDA0002471170780000101
Figure BDA0002471170780000102
Figure BDA0002471170780000103
其中，
Figure BDA0002471170780000104
Figure BDA0002471170780000105
分别表示逆向时序d、d-1时刻的姿态矩阵，
Figure BDA0002471170780000106
分别表示逆向时序d、d-1时刻的速度，
Figure BDA0002471170780000107
分别表示逆向时序d、d-1时刻的位置，gn、
Figure BDA0002471170780000108
分别表示正向解算、逆向解算当地重力加速度，I3表示三阶单位矩阵，△T表示采样间隔；
逆向自主导航定位包括如下步骤：
(5.1)利用逆向测量数据的第一个15～25分钟的静态阶段完成初始对准，获得初始姿态信息；
(5.2)按照步骤(1.1)-(1.3)所述的基于管长信息约束的卡尔曼滤波器进行逆向滤波，姿态误差方程、速度误差方程、位置误差方程、陀螺漂移、加速度计零偏及定位定向仪惯性测量单元的安装误差的微分方程保持不变，观测方程也保持不变；
(5.3)逆向自主导航定位过程中，当取芯器处于驻留状态时，按照步骤(2.1)-(2.3)所述零速修正方式进行误差校正；
(6)以时间对齐后的正向自主导航定位结果pn与逆向自主导航定位结果
Figure BDA00024711707800001010
的加权结果作为定位输出，加权方式采用下式所述：
Figure BDA0002471170780000109
其中，ps为加权结果，Ps、Pf、Pb分别为平滑方差、正向方差、逆向方差；
最后将取芯器推进段的定位结果作为钻进路径轨迹，并根据钻进路径轨迹计算其相对于设计路径的偏差，进而对钻进路径进行调整。
进一步的，所述步骤(1)、(4)中取芯器在取芯钻机载车基座上的静止时长分别为15分钟。
进一步的，所述步骤(1)、(4)中取芯器在取芯钻机载车基座上的静止时长分别为25分钟。
进一步的，所述步骤(2)、(3)、(4)中取芯器在钻孔处及钻进路径末端的驻留时长分别为10秒。
进一步的，所述步骤(2)、(3)、(4)中取芯器在钻孔处及钻进路径末端的驻留时长分别为20秒。
进一步的，所述步骤(2)中采用高压液推的方式将取芯器沿着钻进路径推进。
进一步的，所述步骤(2.3)中采用序贯更新的方式完成量测更新。
进一步的，所述步骤(1.1)、(1.2)中的陀螺漂移、加速度计零偏状态采用反馈校正。
进一步的，所述步骤(1.1)、(1.2)中的安装误差状态采用开环校正。
进一步的，所述步骤(1)中惯性测量单元测量角增量信息和速度增量信息时其采样间隔不大于0.01s。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将定位定向仪安装到取芯器上，并放置于取芯钻机载车的基座上，向定位定向仪装订初始位置信息和初始速度信息，装订完成后定位定向仪静止15～25分钟，并进行初始自对准，获得初始姿态信息，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息；定位定向仪完成初始自对准后，基于管长信息约束的卡尔曼滤波器进行正向自主导航定位；其中，管长信息约束的卡尔曼滤波器按照如下步骤设计：
(1.1)以姿态误差φn、速度误差δvn、位置误差δpn、陀螺漂移εb、加速度计零偏
Figure FDA0002471170770000011
定位定向仪惯性测量单元的安装误差η为系统状态x(t)，分别确定姿态误差、速度误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差的微分方程如下：
Figure FDA0002471170770000012
Figure FDA0002471170770000013
Figure FDA0002471170770000014
Figure FDA0002471170770000015
Figure FDA0002471170770000016
Figure FDA0002471170770000017
其中，
Figure FDA0002471170770000018
表示导航坐标系n相对于惯性坐标系i的旋转角速度，
Figure FDA0002471170770000019
表示载体坐标系b与导航坐标系n之间的姿态矩阵，fn表示导航坐标系下表示的比力，
Figure FDA00024711707700000110
表示地球自转角速度，
Figure FDA00024711707700000111
表示转移角速度，vn表示速度，
Figure FDA00024711707700000112
分别表示导航坐标系旋转角速度误差量、地球自转角速度误差量、转移角速度误差量，
Figure FDA00024711707700000113
表示陀螺组件测量误差，
Figure FDA00024711707700000114
表示加速度计组件测量误差，wg、wa分别表示陀螺组件测量噪声、加速度计组件测量噪声，η＝[ηθ ηΨ]T由俯仰角安装误差ηθ及航向角安装误差ηΨ构成；
(1.2)根据步骤(1.1)中确定的姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺漂移、加速度计零偏、安装误差微分方程，构建系统状态方程如下：
Figure FDA00024711707700000115
其中，
Figure FDA00024711707700000116
表示系统状态矩阵；
Figure FDA00024711707700000117
Figure FDA0002471170770000021
Figure FDA0002471170770000022
Figure FDA0002471170770000023
式中，vE、vN、vU分别表示东向、北向、垂向速度，L表示当地纬度，h表示当地高度，RE、RN分别表示卯酉圈半径、子午圈半径，ωie表示地球自转角速度模值；
Figure FDA0002471170770000024
表示系统噪声矩阵；
w(t)＝[wg wa]T表示系统噪声；
(1.3)取芯器沿钻进路径推进时，其侧向速度及垂向速度为零，并且当取芯器推进至钻探管道接缝处时，接缝会导致振动加速度，利用定位定向仪的加速度计组件对接缝处的振动加速度进行检测，并记录加速度计组件通过钻探管道两端连续接缝时检测到振动的时刻ti、ti+1，在(ti+1-ti)时间段内，取芯器推进的距离为钻探管道的长度L，进而以(ti+1-ti)时间段内的位置增量构建观测量，并确定观测方程，其中，观测方程的确定通过以下步骤实现：
(1.3.1)确定定位定向仪的惯性测量单元在(ti+1-ti)时间段内输出的位置增量，将其表示为
Figure FDA0002471170770000025
其中
Figure FDA0002471170770000026
分别表示ti+1、ti时刻惯性测量单元解算得到的速度；
(1.3.2)确定在(ti+1-ti)时间段内基于管长信息约束的位置增量，将其表示为
Figure FDA0002471170770000027
(1.3.3)以位置增量误差
Figure FDA0002471170770000031
作为观测量，构建观测方程如下：
z(t)＝H(t)x(t)+υ(t)
其中，
Figure FDA0002471170770000032
H(t)＝[-M× (ti+1-ti)I3×3 03×3 03×3 03×3 03×2]，
Figure FDA0002471170770000033
I3×3表示单位矩阵，υ(t)表示观测噪声；
(2)由取芯钻机载车将取芯器推送至钻孔处并驻留，取芯器在钻孔处驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第一次零速修正，然后采用高压气推的方式将取芯器沿着钻进路径推进，定位定向仪在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息，其中，零速修正按照如下步骤进行：
(2.1)定位定向仪根据角速度、速度信息自主检测到其零速状态，零速状态下的观测量为
Figure FDA0002471170770000034
(2.2)以
Figure FDA0002471170770000035
的x、y、z分量作为零速状态下的观测量zZUPT(t)，其中，将
Figure FDA0002471170770000036
表示为：
Figure FDA0002471170770000037
上式中，
Figure FDA0002471170770000038
表示定位定向仪速度输出在惯性测量单元坐标系m下的投影，vm表示真实的m坐标系下表示的定位定向仪速度，
Figure FDA0002471170770000039
表示载体坐标系b与惯性测量单元坐标系m之间的安装关系矩阵，ζ＝[ηθ ηγ ηΨ]T表示安装误差角，
Figure FDA00024711707700000310
表示导航坐标系n与载体坐标系b之间的姿态矩阵；由于横滚角安装误差ηγ不会影响前向速度投影，将其赋值为0，即ηγ＝0；
进一步，构建观测方程如下：
zZUPT(t)＝HZUPT(t)x(t)+μ(t)
其中，
Figure FDA00024711707700000311
μ(t)表示观测噪声；
(2.3)根据步骤(2.1)、(2.2)所述对零速状态下的定位定向仪完成量测更新；
(3)当取芯器推进至钻进路径末端的钻机处，由取芯器完成取芯作业，然后取芯器在钻进路径末端再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第二次零速修正；此外，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息；
(4)第二次零速修正完成后，通过卷扬机将取芯器从孔内拖出，当取芯器被拖至钻孔处时再次驻留10～20秒钟，并完成定位定向仪的第三次零速修正；第三次零速修正完成后，将取芯器拖动至取芯钻机载车的基座上，再次静止15～25分钟；此外，定位定向仪要在线保存惯性测量单元测量得到的角增量信息和速度增量信息；
(5)将陀螺组件测量角速度
Figure FDA0002471170770000041
加速度计组件测量比力fb及地球自转角速度
Figure FDA0002471170770000042
取反，并按照从后至前的时间顺序反转步骤(1)-(4)中保存的角增量信息、速度增量信息，构成逆向测量数据序列，最后基于管长信息约束的卡尔曼滤波器对逆向测量数据序列进行逆向自主导航定位，其中，逆向导航解算如下式所述：
Figure FDA0002471170770000043
Figure FDA0002471170770000044
Figure FDA0002471170770000045
其中，
Figure FDA0002471170770000046
Figure FDA0002471170770000047
分别表示逆向时序d、d-1时刻的姿态矩阵，
Figure FDA0002471170770000048
分别表示逆向时序d、d-1时刻的速度，
Figure FDA0002471170770000049
分别表示逆向时序d、d-1时刻的位置，gn、
Figure FDA00024711707700000410
分别表示正向解算、逆向解算当地重力加速度，I3表示三阶单位矩阵，△T表示采样间隔；
逆向自主导航定位包括如下步骤：
(5.1)利用逆向测量数据的第一个15～25分钟的静态阶段完成初始对准，获得初始姿态信息；
(5.2)按照步骤(1.1)-(1.3)所述的基于管长信息约束的卡尔曼滤波器进行逆向滤波，姿态误差方程、速度误差方程、位置误差方程、陀螺漂移、加速度计零偏及定位定向仪惯性测量单元的安装误差的微分方程保持不变，观测方程也保持不变；
(5.3)逆向自主导航定位过程中，当取芯器处于驻留状态时，按照步骤(2.1)-(2.3)所述零速修正方式进行误差校正；
(6)以时间对齐后的正向自主导航定位结果pn与逆向自主导航定位结果
Figure FDA00024711707700000411
的加权结果作为定位输出，加权方式采用下式所述：
Figure FDA00024711707700000412
其中，ps为加权结果，Ps、Pf、Pb分别为平滑方差、正向方差、逆向方差；
最后将取芯器推进段的定位结果作为钻进路径轨迹，并根据钻进路径轨迹计算其相对于设计路径的偏差，进而对钻进路径进行调整。
2.如权利要求1所述的基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，所述步骤(1)、(4)中取芯器在取芯钻机载车基座上的静止时长分别为15分钟。
3.如权利要求1所述的基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，所述步骤(1)、(4)中取芯器在取芯钻机载车基座上的静止时长分别为25分钟。
4.如权利要求1所述的基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，所述步骤(2)、(3)、(4)中取芯器在钻孔处及钻进路径末端的驻留时长分别为10秒。
5.如权利要求1所述的基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，所述步骤(2)、(3)、(4)中取芯器在钻孔处及钻进路径末端的驻留时长分别为20秒。
6.如权利要求1所述的基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用高压液推的方式将取芯器沿着钻进路径推进。
7.如权利要求1所述的基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，所述步骤(2.3)中采用序贯更新的方式完成量测更新。
8.如权利要求1所述的基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，所述步骤(1.1)、(1.2)中的陀螺漂移、加速度计零偏状态采用反馈校正。
9.如权利要求1所述的基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，所述步骤(1.1)、(1.2)中的安装误差状态采用开环校正。
10.如权利要求1所述的基于管长约束的钻探用定位定向仪孔内定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中惯性测量单元测量角增量信息和速度增量信息时其采样间隔不大于0.01s。
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