一种GNSS/SINS组合导航精确测速定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种GNSS/SINS组合导航精确测速定位方法及系统，将SINS与GNSS输出的导航数据进行融合，信号跟踪过程和数据融合是实时同步的，得到的数据每个时刻都是最准确的，充分利用SINS短期精度高，不受外界干扰和GNSS长期精度高，克服SINS长期精度低和GNSS易受干扰的缺陷，提高了测速定位的精度，解决了无实体轮轨传统列车采用传统测速方法无法精确测出列车速度的问题，对磁浮列车产业快速发展形成有力支撑，同时带动北斗卫星应用产业的发展，可推广于自动驾驶或无人驾驶等轨道交通运输。

An accurate positioning method and system for GNSS/SINS integrated navigation

The invention discloses a GNSS/SINS navigation precision velocity measurement method and system, the navigation data of SINS and GNSS output fusion, signal tracking process and data fusion is the real-time synchronization of data, each moment are the most accurate, full use of SINS short-term high precision, without external interference and long term precision GNSS to overcome the high, low precision and easy GNSS SINS long defect interference, improve the speed and position accuracy, solved the entity using the traditional measurement methods of traditional wheel rail train can accurately measure the train speed, the formation of a strong support on the maglev industry rapid development, and promote the development of the Beidou satellite application industry, can be applied in automatic driving or unmanned orbital transportation.

【技术实现步骤摘要】
一种GNSS/SINS组合导航精确测速定位方法及系统
本专利技术属于惯性技术应用领域。尤其涉及一种可用于城市轨道交通、自动驾驶的惯性组合导航技术。
技术介绍
中国首条自主产权的磁浮线长沙磁悬浮工程开通后，在运行中发现存在低速测速不准、停车定位不准确的问题。磁浮列车运行时车身悬浮在轨道之上，列车与轨道之间除了供电轨外无机械接触，因此传统列车上的基于机械接触的“轮轴脉冲传感器”“计轴”“信标”测速技术在磁浮列车无实体轮轨环境下，无法精确测出磁浮列车的速度，影响列车的停靠准确度，对磁浮列车的自动化程度及进一步发展造成制约。现有的GNSS/SINS组合导航技术适用于包括无机械接触的全部轨道交通行业，但普通分体式组合导航精度较差。国内一体式组合导航系统方面研究较少，大多处于理论仿真阶段，未见工程应用的报道。加拿大的NovAtel公司已研制出了一种基于惯性/GPS的组合导航系统，其IMU精度为：陀螺漂移小于0.75°/h，加速度计零偏1mg，组合系统输出精度为：横滚、俯仰姿态为0.015°，航向为0.041°，速度为0.02m/s，位置为1.8m左右。在城市轨道交通运行中，卫星定位容易受到外界环境的干扰,高楼、封闭式站台、隧道及立交桥等会使卫星信号会变得很差甚至中断而无法定位，严重影响轨道交通列车测速及定位精度。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种GNSS/SINS组合导航精确测速定位方法，解决无实体轮轨传统列车采用传统测速方法无法精确测出列车速度的问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种GNSS/SINS组合导航精确测速定位方法，包括以下步骤：1)利用卫星定位模块获得的列车位置信息、惯性测量装置实时监测的列车行驶过程中的行驶速度、姿态变化量、位置变化量以及多个差分基站组网获取的冗余数据进行数据的时间、空间同步和误差建模；2)利用信息融合算法完成导航参数的最优估计，得到IMU输出信息；所述导航参数包括上述列车位置信息、行驶速度、姿态变化量、位置变化量以及冗余数据；3)对IMU输出信息进行校准，从而得出校正后的精确位置、速度和行驶方向信息；所述行驶方向包含列车的横滚、方位、俯仰三个姿态量。步骤1)中，当前时刻列车位置信息计算公式为：其中，t1为运行延迟时间；λ、h分别为当前时刻测速系统输出的经度、纬度、高度；为当前时刻卫星定位模块输出的位置信息；[v1v2v3]为当前时刻的上一时刻惯性测量装置输出的东向、北向以及天向速度信息。本专利技术中，对IMU输出信息进行校准的具体实现过程包括：1)由惯性测量装置获取的实时列车信息与卫星获取的位置信息，经卡尔曼滤波后得到误差估计矩阵；2)由惯性测量装置实时提供的行驶速度、姿态变化量、位置变化量分别减去误差估计矩阵中所包含的速度误差信息、姿态误差信息、位置误差信息即为最终校准结果。相应地，本专利技术还提供了一种GNSS/SINS组合导航精确测速定位系统，其包括：采集模块，用于利用卫星定位模块获得的列车位置信息、惯性测量装置实时监测的列车行驶过程中的行驶速度、姿态变化量、位置变化量以及多个差分基站组网获取的冗余数据进行数据的时间、空间同步和误差建模；估算模块，用于利用信息融合算法完成导航参数的最优估计，得到IMU输出信息；所述导航参数包括上述列车位置信息、行驶速度、姿态变化量、位置变化量以及冗余数据；校准模块，用于对IMU输出信息进行校准，从而得出校正后的精确位置、速度和行驶方向信息。所述校准模块包括：滤波模块，用于对由惯性测量装置获取的实时列车信息与卫星获取的位置信息进行卡尔曼滤波后得到误差估计矩阵；计算模块，用于由惯性测量装置实时提供的行驶速度、姿态变化量、位置变化量分别减去误差估计矩阵中所包含的速度误差信息、姿态误差信息、位置误差信息，得到最终校准结果。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术将SINS与GNSS输出的导航数据进行融合，信号跟踪过程和数据融合是实时同步的，得到的数据每个时刻都是最准确的，充分利用SINS短期精度高，不受外界干扰和GNSS长期精度高，克服SINS长期精度低和GNSS易受干扰的缺陷，提高了测速定位的精度，解决了无实体轮轨传统列车采用传统测速方法无法精确测出列车速度的问题，对磁浮列车产业快速发展形成有力支撑，同时带动北斗卫星应用产业的发展，可推广于自动驾驶或无人驾驶等轨道交通运输。附图说明图1GNSS/SINS组合导航精确测速定位系统原理图；图2差分定位系统基本原理图；图3(a)机场至榔梨速度曲线图；图3(b)到榔梨站距离示意图。具体实施方式本专利技术GNSS/SINS组合导航技术采用一体式耦合设计，将惯性导航及卫星导航两种单纯的导航手段结合起来。将惯导系统给出的当前时刻的速度和位置信息作为主要的导航系统，采用经典的卡尔曼滤波算法进行数据的实时反馈校正，融入在线零位参数估计与零速修正功能，对两个系统进行校正。卫星信号基站采用差分卫星信息组网技术，按照卫星基准站动态匹配算法，自动选取出针对用户设备的最优匹配基准站，以保证卫星定位的最高精度。本专利技术式接收机内部不需要进行信号的跟踪，将SINS与GNSS输出的导航数据进行融合，信号跟踪过程和数据融合是实时同步的，得到的数据每个时刻都是最准确的，充分利用SINS短期精度高，不受外界干扰和GNSS长期精度高，克服SINS长期精度低和GNSS易受干扰的缺陷，提高测速定位的精度。测速定位系统由一台集成了卫星定位接收模块、惯性测量装置及用于匹配参数在线预估的算法、差分卫星信息组网和采集融合的数据处理部分组成。其中卫星定位接收模块对列车定位，惯性测量装置实时监测列车行驶过程中的行驶速度、姿态变化量等状态。所获得的数据通过相应的接口将测量数据传输到系统中心处理模块，并利用软件进行数据的时间、空间同步和误差建模，利用信息融合算法完成导航参数的最优估计。中心计算机的滤波器利用GPS接收机获得的原始测量信息作为观测量，对IMU输出信息进行校准，从而得出校正后的精确位置、速度和行驶方向信息。系统采用卡尔曼滤波方式进行组合导航，系统采用卫星位置信息作为量测量，用反馈方式校正捷联惯导姿态以及速度信息。卫星导航系统因为初始化卫星信号以及信息解算的原因，与惯性导航系统存在一个延时时间差。因此卫星导航系统所解算出来的位置信息需要修正后才能够提供给惯性导航系统进行滤波解算：系统运行并初始化后，卫星导航系统给出此次运行时间延迟t1，根据卫星系统特性，延迟时间在一次通电情况下不会改变。设在当前时刻，卫星导航系统输出位置信息为前一时刻惯组输出速度信息为[v1v2v3]，则当前时刻卫星导航系统位置信息为：具体的系统建模以及结算流程如下：量测量为：分别为经度、纬度、高度信息。系统的状态变量选取为0状态变量依次为三轴速度误差、三轴姿态误差、经度误差、纬度误差、高度误差、三轴陀螺零位误差、三轴加速度计零位误差共计15个状态变量。选取量测阵；H＝[000000111000000]T分别选取十五维的系统噪声矩阵Q以及三维的量测噪声矩阵R。系统噪声矩阵Q的初始值由惯组的系统精度以及加速计以及陀螺的器件精度所决定，量测噪声矩阵由卫星导航系统定位精度决定。状态矩阵X(t)的初始值为零，而预测矩阵X(t)的初始值由系统实际跑车试验得来。在列车进行过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GNSS/SINS组合导航精确测速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用卫星定位模块获得的列车位置信息、惯性测量装置实时监测的列车行驶过程中的行驶速度、姿态变化量、位置变化量以及多个差分基站组网获取的冗余数据进行数据的时间、空间同步和误差建模；2)利用信息融合算法完成导航参数的最优估计，得到IMU输出信息；所述导航参数包括上述列车位置信息、行驶速度、姿态变化量、位置变化量以及冗余数据；3)对IMU输出信息进行校准，从而得出校正后的精确位置、速度和行驶方向信息。

【技术特征摘要】
1.一种GNSS/SINS组合导航精确测速定位方法，其特征在于，包括以下步骤：1)利用卫星定位模块获得的列车位置信息、惯性测量装置实时监测的列车行驶过程中的行驶速度、姿态变化量、位置变化量以及多个差分基站组网获取的冗余数据进行数据的时间、空间同步和误差建模；2)利用信息融合算法完成导航参数的最优估计，得到IMU输出信息；所述导航参数包括上述列车位置信息、行驶速度、姿态变化量、位置变化量以及冗余数据；3)对IMU输出信息进行校准，从而得出校正后的精确位置、速度和行驶方向信息。2.根据权利要求1所述的GNSS/SINS组合导航精确测速定位方法，其特征在于，步骤1)中，当前时刻列车位置信息计算公式为：其中，t1为运行延迟时间；λ、h分别为当前时刻测速系统输出的经度、纬度、高度；为当前时刻卫星定位模块输出的位置信息；[v1v2v3]为当前时刻的上一时刻惯性测量装置输出的东向、北向以及天向速度信息。3.根据权利要求1所述的GNSS/SINS组合导航精确测速定位方法，其特征在于，对IMU输出信息进行校准的具体实现过程包括：1)由惯性测量装置获取的实时列车信息与卫星获取的位置信息，经卡尔曼滤波后得到误差估计矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢劲励，刘三湘，彭锦波，谢松霖，阳卫平，金莹，
申请(专利权)人：湖南航天机电设备与特种材料研究所，
类型：发明
国别省市：湖南,43