[发明专利]轨道巡检系统时空同步信息测量方法

权利要求书

1.轨道巡检系统时空同步信息测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将惯性测量单元安装到轨道巡检系统上，轨道巡检系统保持静止10分钟，在完成初始位置信息的装订后，惯性测量单元进行初始对准过程，获得初始姿态信息；

(2)完成初始对准后，轨道巡检系统开始进入测量作业模式，在测量模式作业模式下，利用惯性测量单元中陀螺组件、加速度计组件输出的角增量、速度增量信息完成惯性导航解算，获得速度、位置信息，同时构建卡尔曼滤波器系统状态方程，对速度误差、位置误差进行预测更新，其中，卡尔曼滤波器的系统状态方程的构建方式如下：

(2.1)以姿态误差φⁿ、优化速度误差优化位置误差δrⁿ、陀螺漂移ε^b、加速度计零偏惯性测量单元的安装误差η、列车测速信号标度因数误差δk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、标度因数误差的微分方程，其中：

(2.1.1)姿态误差微分方程为：

式中，表示导航坐标系n相对于惯性坐标系i的旋转角速度，表示载体坐标系b与导航坐标系n之间的姿态矩阵，表示导航坐标系旋转角速度误差量，表示陀螺组件测量误差，w_g表示陀螺组件测量噪声；

(2.1.2)优化速度误差微分方程确定步骤如下：

(2.1.2.1)将优化速度误差定义为t系下表示的p系速度解算值与真实速度v^t之间的差值，即

式中，为p系下的速度解算值，vⁿ＝v^t即真实速度，δvⁿ为t系下的速度扰动值；

(2.1.2.2)对优化速度误差进行微分，确定其微分方程：

式中，

其中，f^b表示比力，表示地球自转角速度，表示转移角速度，分别表示地球自转角速度误差量、转移角速度误差量，表示加速度计组件测量误差，w_a表示加速度计组件测量噪声，表示加速度计组件实际输出值，表示姿态矩阵解算值，分别表示地球自转角速度解算值、转移角速度解算值，表示根据计算位置通过重力模型确定的重力；

(2.1.2.3)将式(1)、式(4)、式(5)代入式(3)并整理，确定优化速度误差的微分方程为：

式中，gⁿ、δgⁿ分别表示重力真值及其误差；

(2.1.3)优化位置误差δrⁿ微分方程为：

式中，δθ为位置误差角，其分量为：

其中，δθ_x、δθ_y、δθ_z分别为δθ的x、y、z轴分量，R_e为地球半径，h为高度，δλ为经度误差，L为纬度；δr_x、δr_y分别为δrⁿ的x、y轴分量；

(2.1.4)陀螺漂移ε^b、加速度计零偏的微分方程为：

(2.1.5)惯性测量单元的安装误差η的微分方程为：

其中，η＝[η_θ η_Ψ]^T由俯仰角安装误差η_θ及航向角安装误差η_Ψ构成，w_η为安装误差噪声，用以反映安装误差的变化；

(2.1.6)列车测速信号标度因数误差的微分方程为：

其中，w_k为标度因数噪声，用以反映标度因数的变化；

(2.2)根据步骤(2.1)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、标度因数误差微分方程，构建系统状态方程；

其中，F(t)表示系统状态矩阵，G(t)表示系统噪声矩阵，w(t)＝[w_g w_a w_η w_k]^T表示系统噪声；

(3)轨道巡检系统沿轨道行进时，其侧向速度及垂向速度为零，以前向速度误差δv_y、侧向速度误差δv_x及垂向速度误差δv_z构建观测量z(t)＝[δv_x δv_y δv_z]^T，并确定观测方程，其中，观测方程的确定通过以下步骤实现：

(3.1)将惯性测量单元的速度输出投影到轨道巡检系统坐标系m，按照如下方式：

其中，表示惯性测量单元速度输出在轨道巡检系统坐标系m下的投影，v^m表示m坐标系下表示的真实的轨道巡检系统速度，表示载体坐标系b与轨道巡检系统坐标系m之间的安装关系矩阵，表示安装误差角，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η_γ不会影响前向速度投影，将其赋值为0，即η_γ＝0；

(3.2)以作为观测量z(t)，构建观测方程如下：

z(t)＝H(t)x(t)+υ(t) (14)

其中，v^m＝[0 v_f 0]^T，且v_f的数值等于列车提供的速度信息，H(t)表示观测矩阵，υ(t)表示观测噪声；

(3.3)当轨道巡检系统接收到列车提供的位置信息时，将位置误差δrⁿ增广为观测量；

(3.4)根据步骤(3.1)、(3.2)、(3.3)所述对卡尔曼滤波器系统状态方程完成量测更新；

(4)按照轨道巡检系统的速度估计值，以1毫米为基准设置等效触发脉冲频率的数值，并以此分别触发不同的传感器完成采样；同时以相邻三个解算周期的位置信息为拟合采样点，以相对时间t为自变量，以位置信息为因变量，基于样条函数拟合获得本区间的位置曲线，并且拟合区间的最后一个拟合采样点为下一个拟合区间的初始拟合采样点，以保持拟合曲线的连续性，而在本区间内各采样时刻的位置信息通过拟合插值获得。