[發明專利]軌道巡檢系統時空同步信息測量方法

在審

• 申請號: 202111085677.6
• 申請日: 2021-09-16
• 公開（公告）號: CN113602325A
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 南京矢量智能測控技術有限公司
• 主分類號: B61L25/02
• 分類號: B61L25/02;G01C23/00;G01C25/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.軌道巡檢系統時空同步信息測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將慣性測量單元安裝到軌道巡檢系統上，軌道巡檢系統保持靜止10分鐘，在完成初始位置信息的裝訂后，慣性測量單元進行初始對準過程，獲得初始姿態信息；

(2)完成初始對準后，軌道巡檢系統開始進入測量作業模式，在測量模式作業模式下，利用慣性測量單元中陀螺組件、加速度計組件輸出的角增量、速度增量信息完成慣性導航解算，獲得速度、位置信息，同時構建卡爾曼濾波器系統狀態方程，對速度誤差、位置誤差進行預測更新，其中，卡爾曼濾波器的系統狀態方程的構建方式如下：

(2.1)以姿態誤差φⁿ、優化速度誤差優化位置誤差δrⁿ、陀螺漂移ε^b、加速度計零偏慣性測量單元的安裝誤差η、列車測速信號標度因數誤差δk為系統狀態x(t)，分別確定姿態誤差、速度誤差、陀螺漂移、加速度計零偏、安裝誤差、標度因數誤差的微分方程，其中：

(2.1.1)姿態誤差微分方程為：

式中，表示導航坐標系n相對于慣性坐標系i的旋轉角速度，表示載體坐標系b與導航坐標系n之間的姿態矩陣，表示導航坐標系旋轉角速度誤差量，表示陀螺組件測量誤差，w_g表示陀螺組件測量噪聲；

(2.1.2)優化速度誤差微分方程確定步驟如下：

(2.1.2.1)將優化速度誤差定義為t系下表示的p系速度解算值與真實速度v^t之間的差值，即

式中，為p系下的速度解算值，vⁿ＝v^t即真實速度，δvⁿ為t系下的速度擾動值；

(2.1.2.2)對優化速度誤差進行微分，確定其微分方程：

式中，

其中，f^b表示比力，表示地球自轉角速度，表示轉移角速度，分別表示地球自轉角速度誤差量、轉移角速度誤差量，表示加速度計組件測量誤差，w_a表示加速度計組件測量噪聲，表示加速度計組件實際輸出值，表示姿態矩陣解算值，分別表示地球自轉角速度解算值、轉移角速度解算值，表示根據計算位置通過重力模型確定的重力；

(2.1.2.3)將式(1)、式(4)、式(5)代入式(3)并整理，確定優化速度誤差的微分方程為：

式中，gⁿ、δgⁿ分別表示重力真值及其誤差；

(2.1.3)優化位置誤差δrⁿ微分方程為：

式中，δθ為位置誤差角，其分量為：

其中，δθ_x、δθ_y、δθ_z分別為δθ的x、y、z軸分量，R_e為地球半徑，h為高度，δλ為經度誤差，L為緯度；δr_x、δr_y分別為δrⁿ的x、y軸分量；

(2.1.4)陀螺漂移ε^b、加速度計零偏的微分方程為：

(2.1.5)慣性測量單元的安裝誤差η的微分方程為：

其中，η＝[η_θ η_Ψ]^T由俯仰角安裝誤差η_θ及航向角安裝誤差η_Ψ構成，w_η為安裝誤差噪聲，用以反映安裝誤差的變化；

(2.1.6)列車測速信號標度因數誤差的微分方程為：

其中，w_k為標度因數噪聲，用以反映標度因數的變化；

(2.2)根據步驟(2.1)中確定的姿態誤差、速度誤差、位置誤差、陀螺漂移、加速度計零偏、安裝誤差、標度因數誤差微分方程，構建系統狀態方程；

其中，F(t)表示系統狀態矩陣，G(t)表示系統噪聲矩陣，w(t)＝[w_g w_a w_η w_k]^T表示系統噪聲；

(3)軌道巡檢系統沿軌道行進時，其側向速度及垂向速度為零，以前向速度誤差δv_y、側向速度誤差δv_x及垂向速度誤差δv_z構建觀測量z(t)＝[δv_x δv_y δv_z]^T，并確定觀測方程，其中，觀測方程的確定通過以下步驟實現：

(3.1)將慣性測量單元的速度輸出投影到軌道巡檢系統坐標系m，按照如下方式：

其中，表示慣性測量單元速度輸出在軌道巡檢系統坐標系m下的投影，v^m表示m坐標系下表示的真實的軌道巡檢系統速度，表示載體坐標系b與軌道巡檢系統坐標系m之間的安裝關系矩陣，表示安裝誤差角，表示導航坐標系n與載體坐標系b之間的姿態矩陣；由于橫滾角安裝誤差η_γ不會影響前向速度投影，將其賦值為0，即η_γ＝0；

(3.2)以作為觀測量z(t)，構建觀測方程如下：

z(t)＝H(t)x(t)+υ(t) (14)

其中，v^m＝[0 v_f 0]^T，且v_f的數值等于列車提供的速度信息，H(t)表示觀測矩陣，υ(t)表示觀測噪聲；

(3.3)當軌道巡檢系統接收到列車提供的位置信息時，將位置誤差δrⁿ增廣為觀測量；

(3.4)根據步驟(3.1)、(3.2)、(3.3)所述對卡爾曼濾波器系統狀態方程完成量測更新；

(4)按照軌道巡檢系統的速度估計值，以1毫米為基準設置等效觸發脈沖頻率的數值，并以此分別觸發不同的傳感器完成采樣；同時以相鄰三個解算周期的位置信息為擬合采樣點，以相對時間t為自變量，以位置信息為因變量，基于樣條函數擬合獲得本區間的位置曲線，并且擬合區間的最后一個擬合采樣點為下一個擬合區間的初始擬合采樣點，以保持擬合曲線的連續性，而在本區間內各采樣時刻的位置信息通過擬合插值獲得。