CN114136310A - 一种惯性导航***误差自主抑制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种惯性导航***误差自主抑制***及方法,包括建立惯性导航误差自主抑制状态方程、建立惯性导航误差自主抑制观测方程、卡尔曼滤波等步骤。本发明在卫星、里程计等辅助信息无效情况下,可以利用轨道检测车快速行驶过程中惯性导航***解算得到的侧向位移、侧向速度与实际侧向位移、侧向速度做差,利用侧向位移为零的特点进行滤波计算,实现对惯性导航***误差的准确估计与修正,提高惯性测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种惯性导航***误差自主抑制***及方法,特别是涉及一种轨道检测***用惯性导航***误差自主抑制***及方法,属于轨道检测应用技术领域。属于技术领域。
背景技术
随着我国铁路建设的不断发展,既有线路的改建、扩建以及新建项目越来越多,线路测绘在工程建设中起着决定性的作用,它直接影响到工程的质量、成本及工期。为保障轨道交通的运营安全,近年来,轨道精密检测技术得到快速发展,多个国家投入了大量的人力物力来研制和更新各种轨道检测方法,以满足当今铁路高速和重载的要求。由于车载式动态检测方式对正常运营影响小、效率高、速度快,且真实地反映了在列车运行条件下的基础设施状态,已经成为铁路和城轨交通基础设施安全状态的主要检测手段之一。
车载式轨道检测***以惯性测量核心,通过惯性、里程计、卫星、激光测距等多个传感器的信息融合,实现轨道几何参数的高精度测量。其中,惯性导航***可以连续提供高精度的位置、速度、姿态等信息,是不可或缺的测量设备,但是惯导***误差随时间累积,需要借助里程计、卫星定位等辅助信息抑制惯导***的误差增长。
卫星信号易受干扰,在隧道、丛林等卫星信号拒止的环境,卫星信息不可用。轨道检测车行驶速度较快,由于振动、磨损等原因,里程计会被损坏,导致惯性导航***没有辅助信息可用,因此,如何实现惯性导航***误差的自主抑制,则显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足之一,提供一种惯性导航***误差自主抑制***及方法。
本发明的技术解决方案:一种惯性导航***误差自主抑制方法,包括以下步骤:
建立惯性导航误差自主抑制状态方程,
其中,X(t)为t时刻的状态变量,状态变量以惯性导航***的侧向位置误差δSpz,侧向速度误差δVpz,载体坐标系X、Y、Z三个轴向的失准角φpx、φpy、φpz,X、Y、Z三个轴向的陀螺漂移εx、εy、εz为滤波状态变量,F为t时刻状态变量对应的连续状态方程状态转移矩阵,w(t)为t时刻***随机噪声向量;
建立惯性导航误差自主抑制观测方程,
Zk=H·Xk+Vk
其中,Zk为tk时刻的滤波观测量,选取轨道检测车行驶坐标系下惯性导航***侧向位移误差δSpz和侧向速度误差δVpz作为滤波观测量,Xk为tk时刻状态变量,H为观测矩阵,Vk为tk时刻观测量噪声;
设置卡尔曼滤波自适应因子αi,
卡尔曼滤波,根据卡尔曼滤波自适应因子αi的值来调整卡尔曼滤波参数的更新,实现惯性导航***误差的估计。
一种惯性导航***误差自主抑制***,包括存储器和处理器,所述的存储器存储有计算机程序,所述的处理器执行计算机程序时实现惯性导航***误差自主抑制方法。
本发明与现有技术相比的有益效果:
(1)本发明在卫星、里程计等辅助信息无效情况下,可以利用轨道检测车快速行驶过程中惯性导航***解算得到的侧向位移、侧向速度与实际侧向位移、侧向速度做差,利用侧向位移为零的特点进行滤波计算,实现对惯性导航***误差的准确估计与修正,提高惯性测量精度;
(2)本发明确定卡尔曼滤波自适应因子,通过自适应因子来调整滤波器参数,提高滤波精度。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
本发明如图1所示,提供一种惯性导航***误差自主抑制方法,包括以下步骤:
建立惯性导航误差自主抑制状态方程,
其中,X(t)为t时刻的状态变量,状态变量以惯性导航***的侧向位置误差δSpz,侧向速度误差δVpz,载体坐标系X、Y、Z三个轴向的失准角φpx、φpy、φpz,X、Y、Z三个轴向的陀螺漂移εx、εy、εz为滤波状态变量;
F为t时刻状态变量对应的连续状态方程状态转移矩阵;
w(t)为t时刻***随机噪声向量。
轨道检测车在行驶过程中,受铁路轨道约束,航向变化较小,短时间内可认为轨道检测车的航向不变,只有沿铁路轨道的纵向速度、纵向位移,沿铁路轨道的侧向速度、侧向位移为零。因此,本发明利用轨道检测车行驶过程中惯性导航***解算得到的侧向位移、侧向速度与实际侧向位移、侧向速度做差,利用侧向位移为零的特点进行滤波计算,实现对惯性导航***误差的准确估计与修正,提高惯性测量精度。
本步骤具体如下:
1、采用惯性导航***的侧向位置误差δSpz、侧向速度误差δVpz、三个轴向的失准角φpx、φpy、φpz、三个轴向的陀螺漂移εx、εy、εz为滤波状态变量,得到***状态变量X,X=[δSpz δVpz φpx φpy φpz εx εy εz]T。
侧向速度误差方程:
式中,为惯性导航***载体坐标系到导航坐标系的状态转移矩阵,为导航坐标系到轨道检测车行驶坐标系的状态转移矩阵,fn、fu、fe分别表示北向、天向和东向加速度,p21、p22、p23、p11、p12、p13分别为的元素。
2、建立惯性导航***自主误差抑制滤波的状态方程:
其中,X(t)为t时刻的状态变量,F为t时刻状态变量对应的连续状态方程状态转移矩阵,w(t)为t时刻***随机噪声向量。
根据上述推导的侧向位置误差方程、侧向速度误差方程以及失准角误差方程可以得到***状态矩阵F中各元素的值。
离散化可得到:
Xk=Φk,k-1Xk-1+Γk-1Wk-1
其中,Xk是tk时刻状态变量,为tk-1时刻到tk时刻的***一步状态转移矩阵,其中T为滤波周期,Tn为离散周期,Fi是***矩阵;Γk-1=I为***的噪声驱动矩阵;Wk为***的激励噪声序列,满足E[Wk]=0,其中当k=j时,δk,j=1,否则为0,Qk是Wk的方差阵,假设非负定。
建立惯性导航误差自主抑制观测方程,
Zk=H·Xk+Vk
本步骤具体如下:
1、选取轨道检测车行驶坐标系下惯性导航***侧向位移误差δSpz和侧向速度误差δVpz作为滤波观测量,得到滤波观测量Z。
2、建立惯性导航误差自主抑制观测方程。
***观测方程可以表示如下:
Zk=H·Xk+Vk
设置卡尔曼滤波自适应因子αi,
卡尔曼滤波,实现惯性导航***误差的估计。
本步骤中卡尔曼滤波根据卡尔曼滤波自适应因子αi的值来调整卡尔曼滤波参数的更新,当αi=1时观测值全部参与滤波器的更新,当αi≈0时观测值不参与滤波器更新,当0<αi<1,观测值参与滤波器更新的比重降低。
R为观测噪声协方差。
本发明通过确定自适应因子来调整滤波器参数,根据自适应因子αi的取值能够得到,当观测量误差较小时,αi=1观测值全部参与滤波器的更新;当观测量包含了较小预测值之外的观测误差时,即0<αi<1,观测值参与滤波器更新的比重降低;当观测量包含了较大预测值之外的观测误差时,αi≈0,观测值不参与滤波器更新。
设tk时刻的被估计状态受***噪声序列Wk-1驱动,状态方程由下式描述:
Xk=Φk,k-1Xk-1+Γk-1Wk-1
对于Xk的观测方程满足下述关系
Zk=HkXk+Vk
式中,Φk,k-1为tk-1时刻到tk时刻的***一步状态转移矩阵,Γk-1为***的噪声驱动矩阵,Wk为***的激励噪声序列,Hk是tk时刻***的观测矩阵,Vk是tk时刻***观测量噪声序列。
同时,Wk和Vk满足下述关系
可以得到对应的滤波算法
状态一步预测
一步预测均方误差阵
滤波增益
状态估计
估计均方误差阵
本步骤中具体的卡尔曼滤波为本领域公知技术。
进一步,本发明还提供一种实现上述惯性导航***误差自主抑制方法的***,包括存储器和处理器,存储器存储有计算机程序,处理器执行计算机程序时实现惯性导航***误差自主抑制。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (11)
1.一种惯性导航***误差自主抑制方法,其特征在于,包括以下步骤:
建立惯性导航误差自主抑制状态方程,
其中,X(t)为t时刻的状态变量,状态变量以惯性导航***的侧向位置误差δSpz,侧向速度误差δVpz,载体坐标系X、Y、Z三个轴向的失准角φpx、φpy、φpz,X、Y、Z三个轴向的陀螺漂移εx、εy、εz为滤波状态变量,F为t时刻状态变量对应的连续状态方程状态转移矩阵,w(t)为t时刻***随机噪声向量;
建立惯性导航误差自主抑制观测方程,
Zk=H·Xk+Vk
其中,Zk为tk时刻的滤波观测量,选取轨道检测车行驶坐标系下惯性导航***侧向位移误差δSpz和侧向速度误差δVpz作为滤波观测量,Xk为tk时刻状态变量,H为观测矩阵,Vk为tk时刻观测量噪声;
设置卡尔曼滤波自适应因子αi,
卡尔曼滤波,根据卡尔曼滤波自适应因子αi的值来调整卡尔曼滤波参数的更新,实现惯性导航***误差的估计。
6.根据权利要求1所述的一种惯性导航***误差自主抑制方法,其特征在于:所述惯性导航误差自主抑制状态方程建立如下,
步骤1,采用惯性导航***的侧向位置误差δSpz、侧向速度误差δVpz、三个轴向的失准角φpx、φpy、φpz、三个轴向的陀螺漂移εx、εy、εz为滤波状态变量,得到***状态变量X,X=[δSpz δVpz φpx φpy φpz εx εy εz]T;
步骤2,建立惯性导航***自主误差抑制滤波的状态方程。
10.根据权利要求1所述的一种惯性导航***误差自主抑制方法,其特征在于:所述卡尔曼滤波,
步骤1,设tk时刻的被估计状态受***噪声序列Wk-1驱动,状态方程由下式描述,
Xk=Φk,k-1Xk-1+Γk-1Wk-1
对于Xk的观测方程满足下述关系
Zk=HkXk+Vk
式中,Φk,k-1为tk-1时刻到tk时刻的***一步状态转移矩阵,Γk-1为***的噪声驱动矩阵,Wk为***的激励噪声序列,Hk是tk时刻***的观测矩阵,Vk是tk时刻***观测量噪声序列;
同时,Wk和Vk满足下述关系
步骤2,卡尔曼滤波,
状态一步预测
一步预测均方误差阵
滤波增益
状态估计
估计均方误差阵
11.一种惯性导航***误差自主抑制***,其特征在于:包括存储器和处理器,所述的存储器存储有计算机程序,所述的处理器执行计算机程序时实现权利要求1-10任一惯性导航***误差自主抑制方法。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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