载体垂直姿态的非正交测量与等精度模拟解算

精确小角度姿态测量是石油垂直钻井和飞弹垂直打击的基础；常规正交坐标系垂直测量方法存在信号极弱、信噪比低、非线性严重、误差大、解算精度低等不足。改进设计和校正补偿可提高精度、改善非线性，但无法解决垂直测量精度的根本难题。.提出垂直姿态非正交测量理论，充分利用传感器线性好的区域，减小非线性失真；获得较大幅度输出信号，增强原始信噪比，降低测量误差；结合误差分析，探索多自由度非正交组合理论和技术实现方法。揭示工程强干扰信号的频谱特征，研究混沌测量理论和噪声抑制方法，分析混沌测量的适应能力，提高信噪比。提出等精度参数模拟直接解算思路，研究多参数模拟解耦和参数直接模拟解算理论及方法，通过非线性电路模拟补偿和反函数模拟电路求解，消除量化误差、计算误差和非线性误差。.对高信噪比信号进行混沌测量和线性模拟解算，得到等精度的姿态参数，可大幅提升常规传感器的性能，为准确垂直钻井和飞弹垂直打击提供坚实的技术基础。

在国内外争夺越来越激烈的石油能源和国防军事领域，姿态传感器在垂直角度附近均存在分辨率不足、解算误差大等缺陷，“测不准则控不准”。在NSFC资助下，课题组进行了以下研究：.1．非正交坐标系.提出非正交坐标系测量思路，研究非正交变换机理，分析非正交大信号测量方式，选定一种最佳非正交旋转方式。.采用通用和石油专用惯性传感器，制作多套非正交坐标系和正交坐标系，进行垂直小角度测试。按非正交最小值/正交最大值比较，井斜角1°和3°时，X轴输出分别至少提高41和13倍，而Z轴输出虽有所降低，但X、Z轴输出均在传感器最大值的0.7倍左右。特别是可分辨出0.13°井斜时工具面角。.2．非正交性位置误差.测量装置存在轴不正交、轴不重合等非正交性位置误差，形成解算误差；研究其形成机理，提出一种基于虚拟独立变换的非正交性模型，定义9个安装误差角，得到含各非正交性误差的合成公式，探讨单/双误差角的G值曲线规律，逆向推导校正公式。.与常规校正比较，虚拟独立变换校正方法在垂直角度附近获得更高的精度；在0.5°刻度井斜处，井斜角精度提高14倍，工具面角精度提高5倍，且校正方差均在同一数量级范围，实现等高精度测量。.3．姿态解耦与模拟解算.针对小信号输入和数字计算误差，提出模拟电路解算思路。根据传感器输出与姿态参数之间的函数关系，设计一种反三角函数电路，实现对姿态参数的直接解算。离散测试采用多点拟合进行数据处理，角度误差为0.11°-2.87°；对连续输入输出信号进行时/频特征分析，测得输出波形的THD为8.14%。.4．微弱信号测量.研究应用对象的工作过程及其力学模型，分析微弱信号特征及其测量敏感性，针对井下信号特征，着重研究随机共振信号检测理论，利用已有的数据及其模型仿真，调节随机共振系统参数，验证了在强振动、冲击等干扰噪声背景下，利用随机共振效应可以有效地检测出微弱特征信号。.5．成果.创立一种适合垂直姿态侧量的非正交坐标系，建立姿态测量的多参数解耦和直接求解的基本理论及其模型，建立井下工具的力学模型，仿真验证随机共振实现弱信号检测的可行性，建立一种基于虚拟独立变换的非正交性误差模型。.培养硕士生8名。获授权发明专利2项、公布发明专利2项，发表期刊论文16篇。.实现原始信号大、信噪比高、解算准确的目的，在超深井石油导向钻井、军事武器精确制导方面有很大的应用价值。