一种全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统，包括惯性测量单元、全站仪、时间同步器、里程计以及数据处理单元；工作时，全站仪本体实时跟踪反射棱镜，经过时间同步器进行时间同步后给出棱镜所在位置的观测信息，观测信息是指斜距、航向、俯仰角；惯性测量单元测量的惯性数据以及里程计的增量信息经过时间同步器进行时间同步后，与全站仪的观测信息处于统一时间基准，交由数据处理单元中的卡尔曼滤波器统一进行数据解算，得出定位信息。本发明专利技术面向港口、码头、机场跑道等特定使用环境，发明专利技术了一种高精度自动跟踪全站仪/惯性测量单元组合测量系统，实现了在复杂电磁环境下能够达到10厘米的导航定位精度。

A Dynamic Positioning System for Total Station Integrated Inertial Measurement Unit

【技术实现步骤摘要】
一种全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统
本专利技术涉及定位领域，尤其涉及一种自动跟踪全站仪同惯性测量单元进行组合，从而实现局部区域内车载动态条件下的高精度定位系统。
技术介绍
目前常用的动态高精度定位方法采用卫星定位和惯性定位组合的方式，实际应用中,如军事领域接收机常常面临高动态、弱信号、强干扰或信号遮挡等复杂多变的环境。同时，复杂电磁环境下，GPS/北斗等卫星导航定位系统极易受到压制和欺骗干扰(参见《卫星通信干扰技术的研究》、《卫星导航接收机抗欺骗干扰方法研究》)，这时接收机会失锁转而捕获欺骗信号或者跟踪中受到欺骗信号的影响增大从而整个系统受到影响，进而导致卫星/惯性组合导航系统定位误差逐渐变大，最终导致系统不可用。导航定位技术已经成为现今众多自动化系统中必不可少的设备，定位精度和系统可靠性都直接影响着所在系统的工作能力和应用潜力。GNSS及其惯性组合导航系统已得到广泛的应用，然而卫星导航方式过于依赖卫星系统的信息，在特种环境下(如城市高层楼群区、隧道、地下空间、室内、林冠下等卫星信号弱/无地区，大坝、桥梁等构筑物，灾变环境和卫星导航定位设备及人员不可到达地区，无法设置标志点地区)难以适用。
技术实现思路
基于上述技术问题，本专利专利技术了一种能工作于特种环境中，无需卫星信息的局部全自主综合定位导航系统。其通过引入激光跟踪定位/惯性组合导航理念，使系统在无卫星导航定位信号条件下依然能够实现高精度的定位、定姿。该系统引入激光跟踪棱镜获得的实时目标位置信息，基于传统的惯性误差模型，分析了系统组成中存在的各种误差项，引入系统时间延迟作为新的状态估计参数，建立了简化的，适用于局部坐标系运动的激光跟踪和惯性测量单元组合测量系统的误差传递方程和观测方程，最终采用扩展卡尔曼滤波器进行自动跟踪全站仪激光测距测角信息与惯性测量数据的融合处理，从而得到局部坐标系下的高精度的载体位置姿态信息。本专利技术面向港口、码头、机场跑道等特定使用环境，专利技术了一种高精度自动跟踪全站仪/惯性测量单元组合测量系统，实现了在复杂电磁环境下能够达到10厘米的导航定位精度。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统的原理示意图；图2是图1中全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统的信息流向图；图3是棱镜和GPS接收机相位中心的平面距离变化图；图4是时滞修正后棱镜和GPS接收机相位中心的平面距离变化图。具体实施方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。参考图1，全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统包括惯性测量单元、全站仪、时间同步器、里程计、数据处理单元五部分，数据处理单元可通过计算机实现。根据各部分的部署关系，全站仪和惯性测量单元组合导航系统可分为观测站和流动站两部分。其中，全站仪、时间同步器以及计算机做为观测站部分固定放置于已知控制点，惯性测量单元、全反射棱镜以及里程计部署在移动载体上，用以测量移动载体的位置、角速度及加速度。系统实际工作时，全站仪实时跟踪反射棱镜，经时间同步器同步后给出棱镜所在位置的斜距、航向、俯仰角。同时，惯性数据(角速度、加速度)以及里程计的增量信息经过时间同步后，与全站仪观测信息处于统一时间基准，交由卡尔曼滤波器统一进行数据解算，得到定位信息。在时间同步器以及计算机在进行数据处理时，还对数据进行误差补偿。实现高精度的组合导航定位，除了要研究合理的滤波器结构外，更重要的是要了解各传感器的误差模型以及各误差源的相互作用关系，对于系统级的误差，应从系统的角度予以标定及补偿，减小对传感器部件的精度指标要求。下述将详细说明各种误差的模型，在各模型的基础上，施加一个等大的方向补偿，从而实现误差的消除。a)惯性测量单元误差传递方程惯性测量单元属于捷联惯导系统，其误差方程表达形式如下所述：其中，δVN、δVE分别为惯性测量单元在北向和东向上的速度误差；ΨRN,ΨRE,ΨRD分别为惯性测量单元的航向角误差、俯仰角误差以及横滚角误差；Ω为地球自转角速度，Lc为惯性测量单元所处位置纬度，分别为等效北向和等效东向加速度计误差，εN、εE、εD分别为等效北向、等效东向、等效天向陀螺常值漂移；且，εN＝C11εX+C12εY+C13εZ；εE＝C21εX+C22εY+C23εZ；εD＝C31εX+C32εY+C313εZ；其中，εx，εy，εz代表惯性测量单元在导航计算坐标系下的陀螺漂移，及为惯性测量单元在导航计算坐标系下的加速度计零偏，C代表由于导航计算坐标系与实际导航坐标系之间的姿态误差偏差而引起的交叉耦合分量。对于本系统惯性测量单元而言，加速度计零偏为100μg±10％，陀螺随机漂移εx，εy，εz为0.1°/h±10％。b)全站仪动态定位精度在静态下，全站仪的测距测角的精度相当精确，且检测手段相当成熟。但对其动态性能的检测还处于空白状态。全站仪的动态测量性能的成因较为复杂。除了正常的大气影响改正，地球曲率改正，棱镜常数，倾斜误差外，动态测量的误差还包括时间延迟(时滞)，测角及测距误差、测量噪声和随机的跳变。由于没有可以剔除粗差的多余观测条件，只有通过数学处理的方法将粗差予以剔除。在观测数据满足精度要求的前提下，为了得到基于离散点的空间运动轨迹，可以采用最小二乘拟合和三次样条插值的方法对数据进行处理。由于动静态的时滞产生原因不同，需分开处理。静态的时滞较稳定，一般采用最小二乘估计出时延；动态时只能估计出平均的时延值。参考图3，其为本专利技术的棱镜和GPS接收机相位中心的平面距离变化图。对于高精度动态测量而言，全站仪的误差模型为：xi＝x0-[L(1+k)+ΔL]cos(α+Δα)sin(β+Δβ)yi＝y0+[L(1+k)+ΔL]cos(α+Δα)cos(β+Δβ)zi＝z0+[L(1+k)+ΔL]sin(α+Δα)Δα＝Δα1+Δα2Δβ＝Δβ1+Δβ2其中，x0及y0为全站仪坐标，xi、yi及zi为观测i时刻棱镜坐标，k为测距标度系数，ΔL为时间延迟导致的测距动态误差，Δα为俯仰角测量误差，其由Δα1、Δα2两部分组成，Δα1为光电码盘测角误差，其在动静态测量模式均存在，Δα2为时间延迟导致的俯仰角动态测量误差，Δβ为航向角测量误差，其由Δβ1、Δβ2两部分组成，Δβ1为光电码盘测角误差，其在动静态测量模式均存在，Δβ2为时间延迟导致的航向角动态测量误差。c)里程计误差捷联惯导系统通过里程计提供里程增量，实现基于航迹推算的导航定位解算，运动的初时位置为(x0、y0、z0)，通过不断地采集里程计的输出，假设Δli为里程计测量的里程增量，为第i次解算出的航向角，θi为对应的俯仰角，则利用下面的公式可推算出i时刻的即时位置为(xi、yi、zi)。里程计测量的是轮胎相对地面的速度、位置变化情况，通常其系数相对固定，使用前均已标定，但轮胎胎压及路面摩擦系数因素都会导致里程计系数出现微小变化。考虑到高精度导航系统需要，同时惯性测量单元在短时间内的位置精度较高，因此，可以使用惯性测量单元位置信息对轮胎胎压及路面摩擦系数进行校准，通常使用带遗忘因子的递推最小二乘法保证里程计系数的快速收敛，在精确已知两控制点坐标情况下，可以通过控制点或外界辅助信息本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统，其特征在于，包括惯性测量单元、全站仪、时间同步器、里程计以及数据处理单元，全站仪由全站仪本体以及全反射棱镜组成；全站仪本体、时间同步器以及数据处理单元作为观测站部分固定放置于已知控制点，惯性测量单元、全反射棱镜以及里程计作为移动站部分部署在移动载体上；工作时，全站仪本体实时跟踪反射棱镜，经过时间同步器进行时间同步后给出棱镜所在位置的观测信息，观测信息是指斜距、航向、俯仰角；惯性测量单元测量的惯性数据以及里程计的增量信息经过时间同步器进行时间同步后，与全站仪的观测信息处于统一时间基准，交由数据处理单元中的卡尔曼滤波器统一进行数据解算，得出定位信息。

【技术特征摘要】
1.一种全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统，其特征在于，包括惯性测量单元、全站仪、时间同步器、里程计以及数据处理单元，全站仪由全站仪本体以及全反射棱镜组成；全站仪本体、时间同步器以及数据处理单元作为观测站部分固定放置于已知控制点，惯性测量单元、全反射棱镜以及里程计作为移动站部分部署在移动载体上；工作时，全站仪本体实时跟踪反射棱镜，经过时间同步器进行时间同步后给出棱镜所在位置的观测信息，观测信息是指斜距、航向、俯仰角；惯性测量单元测量的惯性数据以及里程计的增量信息经过时间同步器进行时间同步后，与全站仪的观测信息处于统一时间基准，交由数据处理单元中的卡尔曼滤波器统一进行数据解算，得出定位信息。2.根据权利要求1所述的全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统，其特征在于，所述惯性数据由角速度数据和加速度数据组成。3.根据权利要求1所述的全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统，其特征在于，所述经过时间同步器进行时间同步是指根据下述全站仪时延模型进行一个同样大小的反向补偿：全站仪时延模型τ为：τ＝τb+τr+τω；其中，τb为全站仪的固定时间延迟，且满足τr为慢变漂移，且满足τω为快变漂移，满足条件E[τω(t)τω(τ)]＝qδ(t-τ)；t表示全站仪采集时间序列，上标·表示导数，ωr表示随机白噪声，E表示期望，q为固定值，且q∈[50，100]ms，δ表示单位脉冲函数。4.根据权利要求1所述的全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统，其特征在于，所述数据处理单元还用于对惯性测量单元的捷联惯导误差进行补偿，补偿的方式是根据下述捷联惯导系统的误差方程给出一个同样大小的反向补偿：其中，δVN、δVE分别为惯性测量单元在北向和东向上的速度误差；ΨN,ΨE,ΨD分别为惯性测量单元的航向角误差、俯仰角误差以及横滚角误差；Ω为地球自转角速度，Lc为惯性测量单元所处位置纬度，分别为等效北向和等效东向加速度计误差，εN、εE、εD分别为等效北向、等效东向、等效天向陀螺常值漂移；且，εN＝C11εX+C12εY+C13εZ；εE＝C21εX+C22εY+C23εZ；εD＝C31εX+C32εY+C313εZ；其中，εx，εy，εz代表惯性测量单元在导航计算坐标系下的陀螺漂移，及为惯性测量单元在导航计算坐标系下的加速度计零偏，C代表由于导航计算坐标系与实际导航坐标系之间的姿态误差偏差而引起的交叉耦合分量。5.根据权利要求1所述的全站仪组合惯性测量单元的动态定位系统，其特征在于，所述数据处理单元还用于对全站仪的误差进行补偿，补偿的方式是根据下述误差模型给出一个同样大小的反向补偿：xi＝x0-[L(1+k)+ΔL]cos(α+Δα)sin(β+Δβ)yi＝y0+[L(1+k)+ΔL]cos(α+Δα)cos(β+Δβ)zi...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆，
申请(专利权)人：武汉新瑞通达信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42