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1、10申请公布号CN102877830A43申请公布日20130116CN102877830ACN102877830A21申请号201210359462322申请日20120924E21B47/02420120171申请人清华大学地址100084北京市海淀区100084信箱82分箱清华大学专利办公室72发明人王伯雄刘涛罗秀芝74专利代理机构西安智大知识产权代理事务所61215代理人贾玉健54发明名称一种基于旋转磁场的地下导向定位方法57摘要一种基于旋转磁场的地下导向定位方法，在具有竖直旋转轴的无磁转台上安装水平圆柱形永磁体组成地面人工磁场发生装置，在地下钻具内安装由三轴加速度计和三轴磁场传感器组。
2、成的测量单元，先测量得到空间中一点的磁感应强度，钻具静止时永磁体绕Z轴旋转一周，旋转过程中每隔一定角度停止转动，记录三个方向的磁感应强度值，根据钻具当前倾角和工具面向角对磁感应强度值进行坐标变换，再进行曲线拟合得到坐标值约束关系，再次进行坐标变换和曲线拟合，得到两组坐标值，若两组坐标值的差在误差允许范围内，则得到钻具在参考坐标系下的坐标，同时得到钻具当前方位角，本发明可实现对地下钻具的精确导向和定位，满足水平定向钻进等地下工程进行导向定位的要求。51INTCL权利要求书2页说明书6页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图2页1/2页21一种基于旋转。
3、磁场的地下导向定位方法，其特征在于，在具有竖直旋转轴的无磁转台上安装水平的圆柱形永磁体组成地面人工磁场发生装置，在地下钻具内安装由三轴加速度计和三轴磁场传感器组成的测量单元，执行如下步骤步骤（1），测量永磁体的参数和当地地层参数，得到空间中一点的磁感应强度BX,BY,BZ；步骤（2），地下钻具静止时，将转台安放在预计钻具位置的上方，建立参考坐标系XYZ和永磁体坐标系XYZ，X轴沿永磁体轴向，指向N极方向，为永磁体绕Z轴逆时针转动的角度，两个坐标系的原点都在永磁体中心，且起始时重合，得到坐标原点在大地坐标系下的坐标X，Y,Z；步骤（3），利用转台使永磁体绕Z轴旋转一周，旋转过程中，每隔角度停止转。
4、动，由地下钻具测量单元记录三个方向的磁感应强度值，旋转完成后，得到一组测量数据I,BXI,BYI，BZI，I1，,N，N360/，其中I是每次记录时转台旋转的角度，BXI是I角度下磁场传感器X方向的磁感应强度值，BYI是I角度下磁场传感器Y方向的磁感应强度值，BZI是I角度下磁场传感器Z方向的磁感应强度值；步骤（4），利用测量单元内的加速度计测量钻具坐标系XYZ三个方向的重力场分量GX,GY,GZ，根据得到钻具当前的倾角和工具面向角步骤（5），利用倾角和工具面向角对步骤（3）得到的磁感应强度数据BXI,BYI,BZI进行坐标变换，将其转换到与水平面平行的平面内，变换后的磁感应强度数据记为BXI。
5、,BYI,BZI；步骤（6），根据公式BZFKSINBEZ对数据I,BZI进行最小二乘法曲线拟合，得到如公式所描述的坐标值约束关系，其中K、BEZ是拟合参数，X0是钻具在参考坐标系下的X坐标，Y0是钻具在参考坐标系下的Y坐标；步骤（7），假定当前方位角为，利用公式对BXI,BYI,BZI进行坐标变换得到BXI,BYI,BZI，从而得到钻具测量单元测量的磁感应强度在参考坐标系XYZ下的分量，该变换只改变X和Y方向的值，即BZIBZI；步骤（8），在满足步骤（6）得到的坐标值约束关系式前提下，分别利用和对转换后的数据I,BXI和I,BYI进行最小二乘法曲线拟合，拟合后得到两组坐标值X1，Y1,Z1。
6、和X2，Y2,Z2，其中为永磁体的属性，H为永磁体长度的一半，S为永磁体横截面权利要求书CN102877830A2/2页3积，M为永磁体磁化强度，BEX、BEY和BEZ是包括地磁场的周围环境磁场在参考坐标系XYZ三个坐标轴方向的分量；步骤（9），若X1，Y1,Z1和X2，Y2,Z2的差在误差允许范围内，则得到钻具在参考坐标系下的坐标为钻具方位角即为此时步骤（7）中使用的方位角，否则，取，重复步骤（7）（8），是方位角扫描步长；步骤（10），根据得到的钻具在参考坐标系下的坐标X0，Y0,Z0和参考坐标系原点在大地坐标系下的坐标X，Y,Z，得到钻具在大地坐标系下的坐标，根据钻具坐标和方位角，按照预。
7、设轨迹要求调整钻具前进方向，到达下一测量点时再次利用步骤（2）（9）进行导向定位。2根据权利要求1所述基于旋转磁场的地下导向定位方法，其特征在于，用通电螺旋管代替所述永磁体。权利要求书CN102877830A1/6页4一种基于旋转磁场的地下导向定位方法技术领域0001本发明属信息科学领域，可应用于水平定向钻进过程中，对地下钻具进行准确导向定位，也可应用于其他地下导向或定位工程，涉及一种基于旋转磁场的地下导向定位方法。背景技术0002随着我国经济的发展和城市化进程的加快，不需要开挖地面的水平定向钻进技术得到越来越广泛的应用。在水平钻进技术中，如何对钻具进行准确的导向和定位是实现水平定向钻进的关键。
8、。目前常用的方法是基于地磁场的定向和地面跟踪式导向定位。0003其中，基于地磁场的随钻测量系统不需要地面的辅助探测设备，对于穿越河流等不适于地面跟踪的环境具有明显的优势。但是在穿越距离较长时，由于误差的积累，实际钻进轨迹与预设轨迹会产生较大偏差。另外，在地磁场受干扰的环境下，由于无法准确测量方位角，也无法进行导向。这时必须借助其他方法实现导向。地面跟踪式导向定位不存在积累误差问题，但是需要专业的操作人员在地面进行一定范围的扫描以确定钻具的位置，该方法定位效率低，且地面不能有过大的障碍物。0004随着施工量的不断增加和穿越距离的增长，迫切需要一种高效率、高精度、高抗干扰能力的地下导向定位方法。从。
9、而提高施工的效率，适应更加复杂的施工环境，并降低成本。研究地下导向定位技术将进一步提高我国在水平定向钻进领域的实力，为城市化发展提供更有力的支持。发明内容0005为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于旋转磁场的地下导向定位方法，具有效率高、精度高、抗干扰能力高的特点。0006为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是0007一种基于旋转磁场的地下导向定位方法，在竖直旋转轴的无磁转台上安装水平的圆柱形永磁体组成地面人工磁场发生装置，在地下钻具内安装由三轴加速度计和三轴磁场传感器组成的测量单元，执行如下步骤0008步骤（1），测量永磁体的参数和当地地层参数，得到空间中一点的磁感应强度B。
10、X,BY,BZ；0009步骤（2），地下钻具静止时，将转台安放在预计钻具位置的上方，建立参考坐标系XYZ和永磁体坐标系XYZ，X轴沿永磁体轴向，指向N极方向，为永磁体绕Z轴逆时针转动的角度，两个坐标系的原点都在永磁体中心，且起始时重合，得到坐标原点在大地坐标系下的坐标X，Y,Z；0010步骤（3），利用转台使永磁体绕Z轴旋转一周，旋转过程中，每隔角度停止转动，由地下钻具测量单元记录三个方向的磁感应强度值，旋转完成后，得到一组测量数据I,BXI，BYI，BZI，I1，,N，N360/，其中I是每次记录时转台旋转的角度，BXI说明书CN102877830A2/6页5是I角度下磁场传感器X方向的磁感。
11、应强度值，BYI是I角度下磁场传感器Y方向的磁感应强度值，BZI是I角度下磁场传感器Z方向的磁感应强度值；0011步骤（4），利用测量单元内的加速度计测量钻具坐标系XYZ三个方向的重力场分量GX,GY,GZ，根据得到钻具当前的倾角和工具面向角0012步骤（5），利用倾角和工具面向角对步骤（3）得到的磁感应强度数据BXI，BYI，BZI进行坐标变换，将其转换到与水平面平行的平面内，变换后的磁感应强度数据记为BXI,BYI,BZI；0013步骤（6），根据公式BZFKSINBEZ对数据I,BZI进行最小二乘法曲线拟合，得到如公式所描述的坐标值约束关系，其中K、BEZ是拟合参数，X0是钻具在参考坐标。
12、系下的X坐标，Y0是钻具在参考坐标系下的Y坐标；0014步骤（7），假定当前方位角为，利用公式对BXI,BYI,BZI进行坐标变换得到BXI,BYI,BZI，从而得到钻具测量单元测量的磁感应强度在坐标系XYZ下的分量，该变换只改变X和Y方向的值，即BZIBZI；0015步骤（8），在满足步骤（6）得到的坐标值约束关系式前提下，分别利用和对转换后的数据I,BXI和I,BYI进行最小二乘法曲线拟合，拟合后得到两组坐标值X1，Y1,Z1和X2，Y2,Z2，其中为永磁体的属性，H为永磁体长度的一半，S为永磁体横截面积，M为永磁体磁化强度，BEX、BEY和BEZ是包括地磁场的周围环境磁场在参考坐标系XY。
13、Z三个坐标轴方向的分量；0016步骤（9），若X1，Y1,Z1和X2，Y2,Z2的差在误差允许范围内，则得到钻具在参考坐标系下的坐标为钻具方位角即为步骤（7）中使用的方位角，否则，取，重复步骤（7）（8），是方位角扫描步长；0017步骤（10），根据得到的钻具在参考坐标系下的坐标X0，Y0,Z0和参考坐标系原点在大地坐标系下的坐标X，Y,Z，得到钻具在大地坐标系下的坐标，根据钻具坐标和方位角，按照预设轨迹要求调整钻具前进方向，到达下一测量点时再次利用步骤（2）（9）进行导向定位。0018与现有技术相比，本发明提供的导向定位方案，可以实现对地下钻具的精确导向和定位，且操作方便，定位效率高，导向定。
14、位算法由计算机完成，减少了对操作人员的依赖，满足了在水平定向钻进等地下工程进行导向定位的要求。说明书CN102877830A3/6页6附图说明0019图1是圆柱形永磁体的磁感线分布，在磁铁外空间中，磁感线由N极出发，指向S极；磁铁内部则由S极指向N极。整个空间中磁感线为一闭合回路。0020图2是旋转永磁体磁场模型，XYZ是参考坐标系，XYZ是永磁体坐标系，永磁体可绕Z轴沿逆时针方向旋转，是旋转角度。0021图3是永磁体绕Z轴旋转时空间一点Z方向磁场随旋转角度的变化关系。0022图4是利用旋转永磁体对地下钻具进行定位的模型，起始时，永磁体坐标系与参考坐标系重合。钻具测量单元由三轴加速度计和三轴磁。
15、场传感器组成，分别用于测量地球重力场分量和永磁体磁场分量。利用测量的数据进行钻具方位角和坐标的解算。0023图5是基于旋转永磁体的导向定位方法流程图，它描述了整个导向定位过程。具体实施方式0024下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。0025为了实现水平定向钻进等地下工程中对地下钻具进行准确的导向和定位，本发明提供了一种精确高效的导向定位方法。0026图1所示为本发明所使用的圆柱形永磁体的磁场模型，通电螺旋管具有与圆柱形永磁体类似的磁场空间分布，也可用于本发明提供的导向定位方法。永磁体可以看成是由磁偶极子组成的，均匀磁化情况下，永磁体的磁感应强度在空间的分布如图1所示。空间中一点PX，。
16、Y,Z的磁感应强度表达式为00270028式中，BX、BY和BZ为空间磁场在测量点PX，Y,Z的3个互相垂直方向的磁感应强度分量，单位为T（特斯拉）；R为磁偶极子到测量点PX，Y,Z的距离，单位为M；X、Y、Z为磁偶极子的坐标值，单位为M；MX、MY和MZ分别为永磁体磁化强度在坐标轴X，Y，Z方向上的分量，单位为A/M，0为磁场在地下岩层中的磁导率，单位为H/M；V为磁体体积变量，单位为M3。0029永磁体模型的长度为2H，横截面积为S。对于轴向磁化的圆柱形永磁体，由于磁化强度只有X方向的分量，所以MYMZ0。对式（1）进行积分即可得到直角坐标系下沿轴向均匀磁化的圆柱形永磁体在空间中一点的磁感。
17、应强度表达式为说明书CN102877830A4/6页700300031根据永磁体的磁场模型建立旋转永磁体的磁场模型如图2所示。建立地面参考坐标系XYZ，永磁体中心位于参考坐标系原点。在永磁体上建立永磁体坐标系XYZ，其中，X轴沿永磁体轴向，指向N极方向，为永磁体绕Z轴逆时针转动的角度。起始时，永磁体坐标系与参考坐标系重合。当永磁体绕Z（Z）轴转动时，根据式（2）和坐标旋转变换的关系，并考虑到周围的环境磁场，推出此时空间中一点的磁感应强度表达式为0032003300340035其中，为永磁体的属性，BEX、BEY和BEZ是包括地磁场的周围环境磁场在三个坐标轴方向的分量。注意到式（5）和三角函数的。
18、形状相似，且具有相同的周期，见图3，所以将其写为0036BZFKSINBEZ（6）0037利用式（5）和式（6）可以推得00380039式（3）式（6）建立了本发明所述的曲线拟合算法的数学模型。由于式（6）具有比式（5）更简单的形式和更明确的物理意义，所以在本发明所述的曲线拟合算法中用式（6）代替式（5）作为所述的曲线拟合模型。0040根据式（3）（6）描述的旋转永磁体产生的磁场的空间分布模型，本发明提供的导向定位模型如图4所示。图4所示的圆柱形永磁体安装在单轴无磁转台上，可以与转台一起绕Z轴旋转，从而产生所需的旋转磁场源。钻具测量单元由三轴加速度计和三轴磁场传感器组成。测量得到的三个方向的重。
19、力加速度分量为GX,GY,GZ，则钻具的倾角和工具面向角分别为0041说明书CN102877830A5/6页80042当永磁体绕Z轴旋转时，利用测量单元记录测量到的磁感应强度值，当旋转一周后利用记录的数据进行曲线拟合，即可得到待定系数X,Y,Z。0043如图3所示，在竖直旋转轴的单轴无磁转台1上安装水平的圆柱形永磁体2组成地面人工磁场发生装置，在地下钻具内安装由三轴加速度计和三轴磁场传感器组成的测量单元3，提出的导向定位方法实施步骤如下0044步骤（1），测量永磁体的参数和当地地层参数，从而得到式（3）（5）中的永磁体参数K。永磁体2可以和转台1一起在水平面旋转，旋转轴沿竖直方向。0045步骤。
20、（2），钻具停止前进，将转台1安放在预计钻具位置的上方，建立参考坐标系XYZ和永磁体坐标系XYZ，且两个坐标系起始时重合，坐标原点在永磁体中心，得到坐标原点在大地坐标系下的坐标X0，Y0,Z0。0046步骤（3），利用转台1使永磁体2绕Z轴旋转一周。旋转过程中，每隔停止转动，由地下钻具测量单元记录三个方向的磁感应强度值。旋转完成后，得到一组测量数据I,BXI，BYI，BZI，I1，,N，N360/。0047步骤（4），利用钻具测量单元内的加速度计测量钻具坐标系三个方向的重力场分量GX,GY,GZ，利用式（8）得到钻具当前的倾角和工具面向角。0048步骤（5），利用倾角和工具面向角对步骤（3）得。
21、到的磁感应强度数据BXI，BYI，BZI进行坐标变换，变换后的磁感应强度数据记为BXI,BYI,BZI。0049步骤（6），利用式（6）对数据I,BZI进行最小二乘法曲线拟合，得到式（7）所描述的坐标值约束关系。0050步骤（7），假定当前方位角为，利用式（9）对BXI,BYI,BZI进行坐标变换得到BXI,BYI,BZI，从而得到钻具测量单元测量的磁感应强度在坐标系XYZ下的分量。00510052该变换只改变X和Y方向的值，即BZIBZI。利用式（9）得到的BXI和BYI满足式（3）和式（4）。0053步骤（8），在满足步骤（6）得到的坐标值约束关系式（7）的前提下，分别利用式（3）和式（4。
22、）对转换后的数据I,BXI和I,BYI进行最小二乘法曲线拟合，拟合后得到两组坐标值X1，Y1,Z1和X2，Y2,Z2。0054步骤（9），若X1，Y1,Z1和X2，Y2,Z2的差在误差允许范围内，则得到钻具在参考坐标系下的坐标为钻具方位角即为步骤（7）中使用的方位角。否则，取，重复步骤（7）（8）。0055步骤（10），根据得到的钻具在参考坐标系下的坐标X0，Y0,Z0和参考坐标系原点说明书CN102877830A6/6页9在大地坐标系下的坐标X，Y,Z，得到钻具在大地坐标系下的坐标。根据钻具坐标和方位角，按照预设轨迹要求调整钻具前进方向。到达下一测量点时再次利用步骤（2）（9）进行导向定位。。
23、0056综上所述，通过以上技术方案，本发明提出一种实现对地下钻具精确导向定位的方法，在水平定向钻进等地下施工工程中，通过在地面安装旋转永磁体，利用地下钻具内的测量单元测量重力场和磁场分量，利用坐标旋转变换和曲线拟合方法可以实现对钻具方位角和坐标值的准确测量，该定位方法原理简单，操作方便，定位精度高，可以适应多种复杂施工环境，满足水平定向钻进施工对与定位精度和定位效率的要求。0057以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。说明书CN102877830A1/2页10图1图2图3图4说明书附图CN102877830A102/2页11图5说明书附图CN102877830A11。