CN103017764A - 高速列车自主导航及姿态测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速列车自主导航及姿态测量装置。它包括三轴光纤陀螺、三轴加速度计、导航计算机、温控电路板、功放电路板和电源模块，将三轴光纤陀螺和三轴加速度计固联在载体上，因此捷联惯导系统没有结构平台为加速度计提供测量比力的基准，而是采用即时修正捷联矩阵作为“平台”，通过导航计算机采集光纤陀螺和加速度计输出的载体坐标系线加速度和角速度信息，通过坐标变换和捷联矩阵、速度、位置矩阵的即时修正单值地确定载体的姿态角信息、速度和位置信息。它结构简单，稳定性好，精度高。

Description

高速列车自主导航及姿态测量装置

技术领域

本发明涉及一种

背景技术

目前，载体姿态测量方法繁多、涉及到的领域广泛。

a)倾角传感器：采用一个三轴加速度计(三个单轴加速度计)敏感重力分量测得姿态角信息，倾角传感器姿态测量具有成本低、结构简单的优点，但是，其动态性能和温度性能差。

b)微型方位水平仪：利用微机电系统(MEMS)技术，设计了由微机电传感器组合而成的微型方位水平仪，该系统由三轴微加速度计和三轴微磁强计组成，利用大地磁场和重力场在地理坐标系和载体坐标系的方向余弦进行解算得到姿态角，该微型姿态测量系统具有体积小、重量轻功耗低启动快等优点，但其精度较差。

c)导航卫星技术姿态测量：在载体平台上适当配置两个以上非共线卫星天线，利用载波相位差分测量技术，即利用多个天线接收的载波相位差、测距码和导航电子信息，通过一定算法解算天线之间确定的基线向量，从而得到载体姿态，该方法精度较高，但其可靠性和稳定性较差。

d)其他还有采用光电测量技术测量姿态，如基于干涉技术的多自由度测量方法、基于衍射技术的多自由度测量方法、多CCD的视觉测量技术等，结构复杂、检测过程繁琐、动态性能较差，不易工程化。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种高速列车自主导航及姿态测量装置，它结构简单，稳定性好，精度高。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：它包括三轴光纤陀螺、三轴加速度计、导航计算机、温控电路板、功放电路板和电源模块，将三轴光纤陀螺和三轴加速度计固联在载体上，因此捷联惯导系统没有结构平台为加速度计提供测量比力的基准，而是采用即时修正捷联矩阵作为“平台”，通过导航计算机采集光纤陀螺和加速度计输出的载体坐标系(坐标原点o_b在高速列车重心处，x_b沿高速列车的纵轴指向前、y_b高速列车横轴指向右)线加速度和角速度信息，通过坐标变换和捷联矩阵、速度、位置矩阵的即时修正单值地确定载体的姿态角信息、速度和位置信息。

本发明可以很高的速率和精度以数字形式提供载体姿态信息，可以与GPS组合输出精度较高的定位信息(经度λ、纬度

)，在GPS信号受到干扰的时候还可以在纯惯导状态下进行定位。具有结构简单、稳定性好、精度高的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明捷联惯导系统原理框图；

图2为本发明平台坐标系与地球坐标系关系示意图。

具体实施方式

如附图所示，它包括三轴光纤陀螺、三轴加速度计、导航计算机、温控电路板、功放电路板和电源模块，将三轴光纤陀螺和三轴加速度计固联在载体上，因此捷联惯导系统没有结构平台为加速度计提供测量比力的基准，而是采用即时修正捷联矩阵作为“平台”，通过导航计算机采集光纤陀螺和加速度计输出的载体坐标系(坐标原点o_b在高速列车重心处，x_b沿高速列车的纵轴指向前、y_b高速列车横轴指向右)线加速度和角速度信息，通过坐标变换和捷联矩阵、速度、位置矩阵的即时修正单值地确定载体的姿态角信息、速度和位置信息。

工作原理：

1、姿态解算

由于捷联惯导系统没有机械平台，因而捷联矩阵起到了平台的作用，又叫做“数学平台”。由于捷联矩阵能够单值的确定载体姿态角，因此又叫做姿态矩阵。要对高速列车的姿态信息的实时测量，需要通对姿态矩阵的即时修正。本系统采用四元数法(四参数法)对姿态矩阵进行实时修正。

设高速列车坐标系相对平台坐标系的转动可用转动四元数Q＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k表示。其中i、j、k与高速列车坐标系的基一致。利用四元数微分方程表示四元数的即时修正，即：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{q}}_0\\ {\stackrel{\·}{q}}_1\\ {\stackrel{\·}{q}}_2\\ {\stackrel{\·}{q}}_3\end{array}\right)=\frac{1}{2}\left(\begin{array}{cccc}0& -{\mathrm{\ω}}_x& -{\mathrm{\ω}}_y& -{\mathrm{\ω}}_z\\ {\mathrm{\ω}}_x& 0& {\mathrm{\ω}}_z& {-\mathrm{\ω}}_y\\ {\mathrm{\ω}}_y& -{\mathrm{\ω}}_z& 0& {\mathrm{\ω}}_x\\ {\mathrm{\ω}}_z& {\mathrm{\ω}}_y& -{\mathrm{\ω}}_x& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{q}_0\\ q_1\\ q_2\\ q_3\end{array}\right)$

其中，ω_x、ω_y、ω_z为平台坐标系绕高速列车坐标系转动角速率。通过解以上四元数微分方程可以得到q₀、q₁、q₂、q₃。

根据姿态矩阵与四元数的关系，即：

$T=\left(\begin{array}{ccc}{T}_{11}& T_{12}& T_{13}\\ T_{21}& T_{22}& T_{23}\\ T_{31}& T_{32}& T_{33}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{q^2}_0+{q^2}_1-{q^2}_2-{q^2}_3& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)\\ 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& {q^2}_0-{q^2}_1+{q^2}_2-{q^2}_3& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)& 2(q_1{q}_3+q_0{q}_1)& {q^2}_0-{q^2}_1-{q^2}_2+{q^2}_3\end{array}\right)$

进而高速列车的姿态角为： $\left\{\begin{array}{c}\\ \mathrm{\β}=\arcsin \left(T_{32}\right)\\ \mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{-T_{31}}{T_{33}}\right)\\ \mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{-T_{12}}{T_{22}}\right)\end{array}\right.$

其中α为方位角，且α∈(0°，360°)；

β为俯仰角，且β∈(-90°，90°)；

γ为倾斜角，且γ∈(-180°180°)。

于是有：

a)β＝β

b)γ＝γ     当T₃₃＞0

γ＝γ+180° 当T₃₃＜0，γ＜0

γ＝γ-180° 当T₃₃＜0，γ＞0

c)α＝a      当T₂₂＞0，α＞0

α＝α+360° 当T₂₂＞0，α＜0

α＝α+180° 当T₂₂＜0

若选用游动方位系为导航坐标系，设游动方位角为α₀。则有^[5]：

α＝α+α₀

2、自主导航

设由地球坐标系Ox_ey_ez_e转换到平台坐标系Ox_py_pz_p的方向余弦阵C_e ^p，则有：

由图2所示地球坐标系Ox_ey_ez_e转换到平台坐标系Ox_py_pz_p的方向余弦阵可由经(λ)、纬

和游移方位角(α₀)表示，即为：

称C_e ^p为位置矩阵。可以解得

为了实时对高速列车位置进行测量，由方向余弦阵的即时修正实现。方向余弦阵C_e ^p的的改变由平台坐标系相对地球坐标系运动的角速率(位置速率)引起的。进而方向余弦矩阵的微分方程为：

$\left(\begin{array}{ccc}\stackrel{\·}{C_{11}}& \stackrel{\·}{C_{12}}& \stackrel{\·}{C_{13}}\\ \stackrel{\·}{C_{21}}& \stackrel{\·}{C_{22}}& \stackrel{\·}{C_{23}}\\ \stackrel{\·}{C_{31}}& \stackrel{\·}{C_{32}}& \stackrel{\·}{C_{33}}\end{array}\right)=-\left(\begin{array}{ccc}0& 0& {{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{epy}}}^p\\ 0& 0& -{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{epx}}}^p\\ -{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{epy}}}^p& {{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{epx}}}^p& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}{C}_{11}& C_{12}& C_{13}\\ C_{21}& C_{22}& C_{23}\\ C_{31}& C_{32}& C_{33}\end{array}\right)$

其中，由于导航坐标系选用游移方位系统，进而ω_epz ^p＝0，且有：

$\left(\begin{array}{c}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{epx}}}^p\\ {{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{epy}}}^p\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}}& -\frac{1}{R_{\mathrm{yp}}}\\ -\frac{1}{R_{\mathrm{xp}}}& \frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{V_x}^p\\ {V_y}^p\end{array}\right)$

上式中 $\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}}=(\frac{1}{R_{\mathrm{yt}}}-\frac{1}{R_{\mathrm{xt}}})\sin {\mathrm{\α}}_0\cos {\mathrm{\α}}_0$

$\frac{1}{R_{\mathrm{xp}}}=\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}_0}{R_{\mathrm{yt}}}+\frac{{\sin }^2{\mathrm{\α}}_0}{R_{\mathrm{xt}}}$

$\frac{1}{R_{\mathrm{yp}}}=\frac{{\sin }^2{\mathrm{\α}}_0}{R_{\mathrm{yt}}}+\frac{{\cos }^2{\mathrm{\α}}_0}{R_{\mathrm{xt}}}$

R_xt、R_yt分别为地球长半轴和短半轴半径。

通过解微分方程得C_e ^p，进而实现高速列车的位置信息的实时测量。

通过将捷联惯导系统于高速列车，可以实时测量高速列车的姿态和位置参数，可以对高速列车的运行状态实时监控。为高速列车安全、稳定的运行提供了支撑。

Claims (1)

1.一种高速列车自主导航及姿态测量装置，其特征在于：它包括三轴光纤陀螺、三轴加速度计、导航计算机、温控电路板、功放电路板和电源模块，将三轴光纤陀螺和三轴加速度计固联在载体上，因此捷联惯导系统没有结构平台为加速度计提供测量比力的基准，而是采用即时修正捷联矩阵作为“平台”，通过导航计算机采集光纤陀螺和加速度计输出的载体坐标系线加速度和角速度信息，通过坐标变换和捷联矩阵、速度、位置矩阵的即时修正单值地确定载体的姿态角信息、速度和位置信息。

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