一种红外光电传感器辅助的MEMS轨道定位方法技术

本发明专利技术公开了一种红外光电传感器辅助的MEMS系统轨道定位方法，该方法首先通过红外光电传感器搭建分布式光学测量平台，利用红外光电传感器中断的时间差及预先在测试轨道上标定好的子模块位置关系推算出运载体此时所处的位置与速度信息，然后以MEMS系统解算的位置、速度与分布式光学系统推算的位置、速度信息之差作为基本观测信息，采用扩展卡尔曼滤波进行误差估计，利用融合后的误差信息对MEMS误差反馈校正。本方法引入光电传感器中断测速通过扩展卡尔曼滤波算法与MEMS系统进行数据融合，在不依赖其他外部信息的前提下能较好地抑制低成本MEMS的随机误差与累积误差，适用于微弱信号、高动态等易出现卫星失锁场景下的城市高精度轨道定位系统。高精度轨道定位系统。高精度轨道定位系统。

【技术实现步骤摘要】
一种红外光电传感器辅助的MEMS轨道定位方法


[0001]本专利技术涉及红外传感器感应技术、多传感器数据融合以及轨道定位
，具体涉及一种红外光电传感器辅助的MEMS(Micro
‑
Electro Mechanical System，基于微机电的惯性传感器系统)轨道定位方法。

技术介绍

[0002]轨道列车大多数采用基于通信的列车控制系统，而高精度的轨道定位技术是列车控制系统的关键技术之一，其定位结果准确与否直接影响列车的运行效率和准确性。目前获得轨道定位的方法主要有信标定位、测速定位法、查询应答器法、电缆环线定位技术、计轴定位、全球卫星定位法、无线扩频定位。电缆环线定位技术是将钢轨分成不同的区段，在每个区段的始端和终端加上发送、接收器件构成一个信息传输回路，该方法精度不高。基于里程计的测速定位技术是较为常见的城市轨道定位方法，该方法通过安装的编码器采样周期性脉冲，从而推算出移动的距离，误差主要来自两个方面：计数误差，如空转、滑行、蠕滑，以及轮径磨耗。基于测速的列车定位可以采用加速度传感器、陀螺仪测量列车在三维空间的加速度然后通过积分计算获得列车运行速度，也可以通过多普勒雷达测速方式测量，缺点是存在累积误差，使用低成本的MEMS器件则会带来较高的随机噪声与累积误差，而多普勒现象在低速时不明显，精度不高。因此，在单一传感器精度受限的前提下，应当采用多传感器信息融合的方式，通过信息反馈校正定位结果，而基于城市轨道环境卫星信号易受遮蔽，电磁干扰较强的特点，卫星信号时有丢失，很难采用全球卫星定位技术校正里程计或惯性定位方法带来的的累积误差。

技术实现思路

[0003]专利技术问题：针对单一传感器应用于轨道定位精度受限，采用卫星信号作为多传感器信息融合信息源受环境干扰易丢失的问题，为提高定位精度与系统的鲁棒性，本专利技术提出一种红外光电传感器辅助的MEMS轨道定位方法。
[0004]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下
[0005]一种红外光电传感器辅助的MEMS轨道定位方法，包含以下步骤：
[0006](1)、利用红外光电传感器中断的时间差及预先在测试轨道上标定好的子模块位置关系推算运载体位置、速度信息；
[0007](2)、构建观测量及观测方程；
[0008](3)、对观测方程进行线性化，并使用扩展卡尔曼滤波对MEMS的随机误差与累积误差进行估计；
[0009](4)、对MEMS输出的误差进行校正，输出校正后运载体位置、速度信息。
[0010]所述步骤(1)中，利用红外光电传感器中断的时间差及预先在测试轨道上标定好的子模块位置关系推算运载体位置、速度信息的方程为：
[0011]x
m
·
m＝x
n
·
(m
‑
1)，n＞＞m
[0012]Δx
m，n
＝x
n
/m
[0013]Ax
i
＝(i
‑
1)
·
Δx
m，n
＝[x
n
·
(i
‑
1)]/m，i∈[2，m][0014][0015]其中x
m
为运载体一侧两相邻红外光电发射器间距，m+1为运载体一侧等距安装的发射器个数，x
n
为轨道一侧两相邻红外光电接收器间距，n+1为轨道一侧等距安装的接收器个数，Δx
m，n
为最小位置分辨率，为第i个速度信息，t
i+1
与t
i
是前后两次红外光电传感器相邻中断记录的时刻信息。
[0016]所述步骤(2)中，观测量为
[0017][0018]v
E
、v
N
、v
U
分别表示东北天坐标系下MEMS解算得到的速度分量；P
L
、P
λ
、P
h
为该系下对应的纬度、经度、高度信息；v
x
、v
y
、v
z
为分布式光学系统测量的速度分量，转换到n系下得到的速度信息；P
x
、P
y
、P
z
为该系统测量得到的位移转换到n系下的位置信息。
[0019]所述步骤(2)中，观测方程为
[0020]z
k
＝H
k
·
x
k
+n
k
[0021]其中H
k
是k时刻的量测矩阵，满足矩阵形式H
k
＝[03×
6 I
6 06×6]，n
k
是k 时刻红外光电传感器的量测噪声矩阵，x
k
是k时刻系统的状态向量。
[0022]所述步骤(3)中，离散化后的系统运动方程为
[0023][0024]其中状态转移矩阵
[0025][0026]噪声控制矩阵
[0027][0028]噪声分布矩阵
[0029]w＝[w
g w
a w
cg w
ca
]T
[0030]w
cg
、w
ca
分别为陀螺仪和加速度计的过程白噪声，w
g
、w
a
分别为陀螺和加速度计的零
偏白噪声，x
k
‑1是k
‑
1时刻系统的状态向量，是k时刻系统状态向量关于时间的导数。
[0031]所述步骤(4)中，对MEMS系统输出的位置、速度信息误差的校正方法为间接反馈校正，以系统的姿态误差、速度误差、三轴位置误差、陀螺仪零偏和加速度计零偏作为状态量，估计出的误差量作为MEMS系统力学编排方程中参数，输出MEMS系统校正后的位置、速度信息。
[0032]有益效果：与现有技术对比，本专利技术引入了红外光电传感器作为信息源提供位置与速度信息，通过扩展卡尔曼滤波方法校正MEMS器件长航时误差累积与精度发散的问题，通过改进红外光电传感器的分布方式提高信息源的信号输出频率与定位精度，在不依赖卫星信号等外部信息源的前提下实现多信息源融合的轨道定位，同时本专利技术采用微机电惯性元件，采用红外传感器提供融合信息抑制低成本MEMS器件的随机噪声与累积误差，在降低技术成本的同时保证轨道定位精度，相较于原理较为类似应答器查询法，红外传感器的中断精度更高，更不易受环境干扰，响应时间更短，能够测量的速度上限值更高，相比于其他方法也提高了轨道定位系统的准确性与鲁棒性。
附图说明
[0033]图1为本专利技术实施例的方法流程图；
[0034]图2为本专利技术的红外光电传感器安装示意图；
[0035]图3为本专利技术的红外光电传感器t2时刻示意图；
[0036]图4为本专利技术的红外光电传感器t
m+1
时刻示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种红外光电传感器辅助的MEMS轨道定位方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、利用红外光电传感器中断的时间差及预先在测试轨道上标定好的子模块位置关系推算运载体位置、速度信息；(2)、构建观测量及观测方程；(3)、对观测方程进行线性化，并使用扩展卡尔曼滤波对MEMS的随机误差与累积误差进行估计；(4)、对MEMS输出的误差进行校正，输出校正后运载体位置、速度信息。2.根据权利要求1所述的一种红外光电传感器辅助的MEMS轨道定位方法，其特征在于，所述步骤(1)中，利用红外光电传感器中断的时间差及预先在测试轨道上标定好的子模块位置关系推算运载体位置、速度信息的方程为：x
m
·
m＝x
n
·
(m
‑
1),n＞＞mΔx
m,n
＝x
n
/mΔx
i
＝(i
‑
1)
·
Δx
m,n
＝[x
n
·
(i
‑
1)]/m,i∈[2,m]其原理类似于游标卡尺读数，在初始时刻光电接收器位于起始点，如图2所示，其中x
m
为运载体一侧两相邻红外光电发射器间距，m+1为运载体一侧等距安装的发射器个数，x
n
为轨道一侧两相邻红外光电接收器间距，n+1为轨道一侧等距安装的接收器个数，以上四个数值为预设，可按照实际安装情况进行调整，Δx
m,n
为最小位置分辨率，该值由预设值计算得出，为第i个速度信息，t
i+1
与t
i
是前后两次相邻红外接收器中断系统记录的时刻信息。3.根据权利要求1所述的一种红外光电传感器辅助的MEMS轨道定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中，观测量为v
E
、v
N
、v
U
分别表示东北天坐标系下MEMS解算得到的速度分量；P
L
、P
λ
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈熙源，江蓄扬，钟雨露，戈明明，方琳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：