GNSS/MEMS IMU车载组合导航中IMU比例因子误差的影响分析

从系统状态模型出发,分析比例因子误差对组合导航精度和计算量的影响,同时基于车载运动的特点分析比例因子误差的观测性,提出一种仅保留航向陀螺仪和水平加速度计比例因子误差的降维状态模型。实验结果表明,当比例因子误差大于6×10^(-3)时,增广比例因子误差有助于提高导航精度,但计算量增加约170%;降维模型能够达到高维模型的导航精度,与不增广比例因子误差相比,计算量仅增加约70%。

GNSS拒止环境下的手机车载定位研究

针对地下车库这类卫星定位失效场景下的手机端车辆定位问题,本文研究了利用车辆非完整性约束(nonholonomic constraints,NHC)和磁航向辅助惯导自主推算的定位方案。基于智能手机传感器,比较了在没有全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)辅助的条件下,补偿手机安装角和NHC杆臂、在线估计手机安装角和非完整性约束杆臂以及磁航向修正对定位精度的影响,并在2种典型的地下车库(多转弯和长直线)中进行了测试实验。实验结果表明:多转弯轨迹相比长直线轨迹更有利于非完整性约束性能的发挥;在多转弯场景中,在线估计手机安装角和非完整性约束杆臂并进行补偿的方案取得了最好的定位精度;在卫星信号中断500 m条件下,终点平面位置相对测量误差仅为1.66%;在长直线场景中,加入磁航向修正的方案定位精度最高;在卫星信号中断800 m条件下,终点平面位置相对测量误差为10.56%。

城市地下管线惯性测量仪管道接缝探测算法及其对定位精度的影响分析

城市地下管道对惯性测量仪运动的非完整性约束(Non-Holonomic Constraint,NHC)可有效提升惯导和里程计组合的定位精度,然而管道接缝会破坏NHC的成立条件,影响组合定位效果。提出一种管道接缝探测算法,并在组合算法上采取相应措施降低接缝对定位精度的影响。根据IMU原始数据准确探测管线测量仪经过接缝的时间段,当惯导和里程计组合时,过接缝时段用于调整NHC修正策略,实现稳健的组合定位解算。实测表明,该算法对432个接缝的检测正确率达到98.6%,通过调整接缝处NHC修正策略有效提高了组合算法的绝对定位精度。

采用MEMS惯导的小口径管道内检测定位方案可行性研究

针对小口径管线测量仪对低成本、小尺寸惯性导航定位方案的迫切需求,本文设计了一种融合了MEMS惯导、管道里程计、地面标记器以及管道运动约束的组合定位方案及其导航定位算法。基于该方案,本文以一款典型MEMS惯性器件(STIM300)为例评估了其定位精度,并对里程计、运动约束以及反向平滑算法在提高定位精度方面的贡献做了定量分析。模拟实验结果表明,里程计以及运动约束是保证系统精度的必要条件,反向平滑算法能够进一步提高定位精度;MEMS方案对长度为2 km的管道测量精度可达10-3量级,能够满足小口径管道内检测定位的精度需求。

铁路轨道线形智能分段

轨道实测线形分段是不平顺检测计算的首要步骤。针对当前铁路线形分段主要依据正矢或曲率的现状,提出一种基于轨道姿态角的线形分段方法;即将GNSS/INS组合测量系统提供的轨道姿态角信息和轨道各元线形固有的几何特征结合起来进行分段。对比实测数据分段结果和轨道设计文件,平面和纵断面线形分界点里程识别误差均不大于6 m,证明该线形分段方法行之有效。

MEMS惯性高度尺测量精度分析

研究了基于微电子机械系统(micro-electro-mechanical systems,MEMS)的惯性导航系统的短时相对高程测量精度,设计了“惯性高度尺”算法,进行了桌面测高和楼层测高两个验证性实验。分析了不同运动条件和运动时间下“惯性高度尺”的测高精度。基于零速修正技术提出了一种分段测量的方法。实验结果表明,桌面测高可实现毫米级精度(相对误差0.17%),楼层测高可实现多层厘米级和单层毫米级测量精度(相对误差分别为0.22%,0.06%)。测量误差与载体的姿态动态和运动时长成正相关。实验验证了MEMS惯导用于高度测量具有较高可行性,稳定的运动条件和较快的测量时间能够提高测量精度。

MEMS INS/GNSS组合导航系统在车辆和机器人载体上的性能对比分析

同一款MEMS INS/GNSS组合导航系统在不同运动载体上的定位定姿性能差异会显著影响应用效果,有必要做深入的定量研究。本文首先采用奇异值分解方法,分析了组合导航状态量在载体不同运动场景下的可观测度。然后,对比了车辆和轮式机器人载体在开阔场景和GNSS卫星失锁场景下的组合导航性能,并详细分析了两种载体在不同运动模式下的导航误差和卡尔曼滤波均方误差。实测结果表明,车载和轮式机器人组合导航性能的差异主要表现在航向角方面;载体的加减速和转弯有助于航向角和陀螺z轴零偏误差的收敛;轮式机器人采用自动指令控制,造成运动模式单一,加减速时段少,同时转弯过程中加速度变化幅度小,转弯对其航向角和陀螺z轴零偏误差的收敛作用不如车载明显,因此,轮式机器人航向角误差比车载大,差异显著。

基于A-INS组合导航的现代有轨电车轨道几何状态快速精密测量

铁路轨道是现代有轨电车运行的基础,其几何状态对于车辆的运行安全、行车速度、平稳舒适性起着决定性的作用。传统轻型轨道几何状态测量仪(轨检小车)以高精度全站仪为核心测量设备来检测轨道几何平顺性,测量效率低,难以满足线路维护的需求。提出基于带有辅助信息的惯性导航系统(A-INS),通过获取轨道的高精度三维坐标和姿态的方法,来实现有轨电车轨道几何平顺性的快速检测与准确评估。在武汉现代有轨电车轨道几何不平顺测量应用结果表明,轨向不平顺和高低不平顺重复测量误差小于0.2 mm,超高和轨距偏差的重复测量误差小于0.2 mm。实测结果说明:基于A-INS组合导航的轨道几何状态测量系统,可以满足现代有轨电车轨道不平顺检测的精度要求。

轨道几何特征匹配列车定位方法

轨道不平顺和轨距偏差等几何特征是直接反映轨道质量优劣的信息,它们均是轨道里程的函数,包含了丰富和低成本的位置信息,在重复观测中具有一致性。本文对轨道几何特征匹配列车定位方法的可行性进行了评估,建立了存储于计算机的背景数据库,然后通过采集待匹配数据和背景数据库进行匹配比对,获得了满足精度要求的列车位置。该方法为多传感器融合的列车控制系统提供了一种新的定位信息和思路,可以作为提高列车定位系统稳健性的辅助手段。

GNSS/INS组合的铁路轨道三维坐标快速精密测量

研究了利用GNSS/INS组合导航技术实现铁路既有线轨道绝对位置的快速精密测量方法,以便携式轨检小车作为移动平台搭载惯性测量单元、全球卫星导航系统、里程计和轨距尺模块,在运动过程中测量载体的三维坐标、姿态,结合轨距测量值推算轨道中线的精确三维坐标.该方法对高精度轨道控制网依赖程度低,采用移动测量模式,作业效率高。在徐郑无砟高速铁路的实测结果表明,GNSS/INS组合导航系统平面测量精度优于6mm(RMS),高程测量精度优于15mm(RMS),可用于既有线线型恢复。

利用北斗及多源传感器融合技术开展铁路轨道精密测量研究

铁路轨道是列车运行的基础,轨道的平顺性对于机车车辆的行车速度、平稳舒适性、运行安全起着决定性的作用。传统铁路轨道几何状态测量以高精度全站仪为核心测量设备实现检测,测量效率低,难以在天窗时间内完成线路维护。本文提出以北斗卫星导航系统为核心,结合惯性传感器,通过获取轨道的高精度三维坐标来实现高速铁路轨道平顺性的快速检测。在京沈高铁轨道不平顺应用结果表明,轨道不平顺测量误差小于0.3 mm。实测结果证明,BDS/INS组合的轨道不平顺测量系统可以满足高速铁路轨道不平顺检测的要求。

信号遮挡环境下融合TOA/AOD的5G/SINS组合导航算法模型与精度分析

为解决可观测基站受遮挡情况下仅采用到达时间(time of arrived,TOA)无法定位或精度较差的问题,将第5代移动通信技术(5th generation,5G)中多天线阵列提供的信号离开角(angle of departure,AOD)应用在定位解算中,通过卡尔曼滤波将5G定位与捷联惯性导航(strapdown inertial navigation system,SINS)融合,构成融合TOA/AOD的5G/SINS组合导航方案。通过模拟可观测5G基站数量充足、遮挡这两类场景下的仿真实验,对基于TOA的5G定位、基于TOA/AOD的5G定位、TOA组合导航、TOA/AOD组合导航这4种解算方法的位置误差进行了比较。仿真实验结果表明,当可观测基站受遮挡时,融合TOA/AOD进行5G/SINS组合导航能确保100%的定位成功率,并有效降低组合导航发散的概率,减小40%~70%的位置误差。