CN108267135A - 用于轨道自动测量车的精确定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于轨道自动测量车的精确定位方法及系统，该方法包括以下步骤：测量车开始运行时，完成GNSS单元和IMU单元的初始化与对准；利用捷联惯性导航算法对IMU单元采集的IMU定位数据进行处理；判断GNSS单元是否有效，若是，则将处理后的IMU定位数据与GNSS单元采集的GNSS定位数据进行融合；利用卡尔曼滤波算法对融合后的定位数据的误差进行过滤；采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理，然后对GNSS定位和IMU定位数据进行组合解算得到高精度的定位坐标。本发明将GNSS单元和IMU单元相配合，定位精度高，在GNSS信号丢失的情况下，依靠IMU单元，也能对测量小车进行精确地定位。
Description
技术领域
本发明涉及导航定位领域，尤其涉及一种用于轨道自动测量车的精确定位方法及系统。
背景技术
在高速运营条件下，由于列车运行速度快，因而对轨道系统的平稳性、安全性及养护维修提出了更高的要求，特别是对于我国的铁路运营，由于线路利用率高、行车密度大，且在高速运营条件下，由于列车冲击、疲劳效应、温度效应、基础沉降、材料老化等因素的耦合作用，轨道结构不可避免地产生损伤积累、承载能力退化，故定期对铁路轨道的精度等数据进行检测是保障高速列车安全运行的基本条件。
现有技术对于轨道的检测一般使用安装有多种传感器的检测小车进行，同时检测小车需进行实时定位，以便为后续的数据分析，定位故障点提供参考，但现有检测小车一般仅使用单一的GPS进行定位，而轨道多铺设于山区位置，经常发生GPS信号丢失，使检测小车定位出现偏差，进而影响后续的数据分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于轨道自动测量车的精确定位方法及系统，旨在用于解决现有的现有轨道检测小车仅使用单一的GPS进行定位，容易出现偏差，影响后续数据分析的问题。
本发明是这样实现的：
本发明提供一种用于轨道自动测量车的精确定位方法，包括以下步骤：
S1，测量车开始运行时，完成GNSS单元和IMU单元的初始化与对准，GNSS单元和IMU单元开始同步采集定位数据；
S2，利用捷联惯性导航算法对IMU单元采集的IMU定位数据进行处理；
S3，判断GNSS单元是否有效，若是，则将处理后的IMU定位数据与GNSS单元采集的GNSS定位数据进行融合；
S4，利用卡尔曼滤波算法对融合后的定位数据的误差进行过滤；
S5，采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理，然后对GNSS定位和IMU定位数据进行组合解算得到高精度的定位坐标。
进一步地，所述GNSS单元在采集定位数据时，采用差分定位技术，利用伪距误差的空间相关性，通过对移动接收机接收到的观测量和基站接收机接收到的观测量作差，消除卫星钟差，部分消除电离层误差、对流层误差和卫星轨道误差。
进一步地，当移动接收机和基站接收机观测到的公共卫星数目不小于四颗时，GNSS单元开始采用差分定位技术进行即时的位置解算。
进一步地，GNSS观测量使用观测方程描述，伪距的观测方程如下:
载波相位的观测方程为：
其中，ρ、ϕ和r 分别表示伪距观测量、载波相位观测量和接收机到卫星的几何距离；I和T 分别表示电离层和对流层误差；δts 和O 分别表示卫星钟差和卫星轨道误差；M 和ε分别表示多径误差和接收机噪声；uδt表示接收机钟差；N 表示载波相位中所包含的整周模糊度。
进一步地，利用捷联惯性导航算法对IMU定位数据进行处理的流程如下：
将IMU单元的加速度计组件采集的沿机体系的加速度分量进行坐标转换，转换为沿导航系的加速度分量并传递给导航计算机，同时将陀螺组件采集的沿机体系的角速度进行姿态矩阵计算得到转动角速度并传递给导航计算机；
导航计算机根据沿导航系的加速度分量以及转动角速度解算出位置信息和速度信息并传递给控制显示器，同时，根据姿态矩阵计算后的转动角速度进行姿态角计算得到姿态航向并传递给控制显示器。
进一步地，采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理的流程如下：
读取观测数据和星历数据；
计算卫星位置、钟差、高度角、方位角以及对流层改正；
对移动站数据进行单点定位；
对观测数据进行处理，进行周跳探测，并剔除质量较差的卫星；
对站间求差，并剔除差值较大的数据，然后对星间求差；
通过卡尔曼滤波，求取模糊度，并进行用户速度、位置解算；
依次判断前向滤波和向后滤波是否结束，若都结束，则逐一历元对前向和后向滤波的结果进行加权。
本发明还提供一种用于轨道自动测量车的精确定位系统，包括GNSS单元、IMU单元、捷联惯性导航解算模块、数据融合模块、卡尔曼滤波模块、动态后处理模块以及组合解算模块；
所述GNSS单元和所述IMU单元用于分别采集定位数据；
所述捷联惯性导航解算模块用于利用捷联惯性导航算法对IMU单元采集的IMU定位数据进行处理；
所述数据融合模块用于将处理后的IMU定位数据与GNSS单元采集的GNSS定位数据进行融合；
所述卡尔曼滤波模块利用卡尔曼滤波算法对融合后的定位数据的误差进行过滤；
所述动态后处理模块用于采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理；
组合解算模块用于对GNSS定位和IMU定位数据进行组合解算得到高精度的定位坐标。
进一步地，所述GNSS单元包括差分定位模块，所述差分定位模块用于采用差分定位技术，利用伪距误差的空间相关性，通过对移动接收机接收到的观测量和基站接收机接收到的观测量作差，消除卫星钟差，部分消除电离层误差、对流层误差和卫星轨道误差。
进一步地，所述捷联惯性导航解算模块包括坐标转换子模块、姿态矩阵计算子模块、导航计算机以及姿态角计算子模块；
所述坐标转换子模块用于将IMU单元的加速度计组件采集的沿机体系的加速度分量进行坐标转换，转换为沿导航系的加速度分量并传递给导航计算机；
所述姿态矩阵计算子模块用于将陀螺组件采集的沿机体系的角速度进行姿态矩阵计算得到转动角速度并传递给导航计算机；
所述导航计算机用于根据沿导航系的加速度分量以及转动角速度解算出位置信息和速度信息并传递给控制显示器；
所述姿态角计算子模块用于根据姿态矩阵计算后的转动角速度进行姿态角计算得到姿态航向并传递给控制显示器。
进一步地，所述动态后处理模块包括数据读取子模块、卫星计算子模块、单点定位子模块、观测数据处理子模块、求差处理子模块、速度位置解算子模块以及加权子模块；
所述数据读取子模块用于读取观测数据和星历数据；
所述卫星计算子模块用于计算卫星位置、钟差、高度角、方位角以及对流层改正；
所述单点定位子模块用于对移动站数据进行单点定位；
所述观测数据处理子模块用于对观测数据进行处理，进行周跳探测，并剔除质量较差的卫星；
所述求差处理子模块用于对站间求差，并剔除差值较大的数据，然后对星间求差；
所述速度位置解算子模块用于通过卡尔曼滤波，求取模糊度，并进行用户速度、位置解算；
所述加权子模块用于依次判断前向滤波和向后滤波是否结束，若都结束，则逐一历元对前向和后向滤波的结果进行加权。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种用于轨道自动测量车的精确定位方法及系统，将GNSS单元和惯性测量单元IMU相配合，定位精度高，即使在GNSS信号丢失的情况下，依靠惯性测量单元IMU，也能对测量小车进行精确地定位，为后续的数据分析提供保障。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于轨道自动测量车的精确定位方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的利用捷联惯性导航算法对IMU定位数据进行处理的流程图；
图3为本发明实施例提供的采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理的流程；
图4为本发明实施例提供的用于轨道自动测量车的精确定位系统的方框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统），它泛指所有的卫星导航系统。为叙述方便，本文中， GNSS指代GPS或BDS。
实施例1：
如图1所示，本发明实施例提供一种用于轨道自动测量车的精确定位方法，包括以下步骤：
S1，测量车开始运行时，完成GNSS单元和IMU单元的初始化与对准，GNSS单元和IMU单元开始同步采集定位数据；
S2，利用捷联惯性导航算法对IMU单元采集的IMU定位数据进行处理；
S3，判断GNSS单元是否有效，若是，则将处理后的IMU定位数据与GNSS单元采集的GNSS定位数据进行融合；
S4，利用卡尔曼滤波算法对融合后的定位数据的误差进行过滤；
S5，采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理，然后对GNSS定位和IMU定位数据进行组合解算得到高精度的定位坐标。
本发明用于轨道自动测量车的精确定位方法，IMU单元是作为主子系统，惯导的误差方程将作为卡尔曼滤波的状态方程，组合系统的输出是以惯导输出的导航参数作为基准，再用卡尔曼滤波估值校正的结果。将GNSS单元和惯性测量单元IMU相配合，定位精度高，即使在GNSS信号丢失的情况下，依靠惯性测量单元IMU，也能对测量小车进行精确地定位，为后续的数据分析提供保障。
作为本实施例的优选，所述GNSS单元在采集定位数据时，采用差分定位技术，利用伪距误差的空间相关性，通过对移动接收机接收到的观测量和基站接收机接收到的观测量作差，消除卫星钟差，部分消除电离层误差、对流层误差和卫星轨道误差。电离层误差、对流层误差和卫星轨道误差消除的效果依赖于基线的长短。
进一步优选地，当移动接收机和基站接收机观测到的公共卫星数目不小于四颗时，GNSS单元开始采用差分定位技术进行即时的位置解算。
进一步优选地，GNSS观测量使用观测方程描述，伪距的观测方程如下:
载波相位的观测方程为：
其中，ρ、ϕ和r 分别表示伪距观测量、载波相位观测量和接收机到卫星的几何距离；I和T 分别表示电离层和对流层误差，属于传输误差；δts 和O 分别表示卫星钟差和卫星轨道误差，属于控制段误差；M 和ε分别表示多径（Multipath）误差和接收机噪声，属于测量误差，这两种误差对于伪距和载波相位是不同的；uδt表示接收机钟差。
本实施例中IMU单元为捷联式惯性导航单元，是把陀螺仪和加速度计直接与运载体固联的惯性导航单元，它的各种导航信息都由计算机提供的。这种系统中的陀螺仪和加速度计要跟运载体一起转动，因而动态范围要比平台式系统的大得多。由于没有平台，所以结构简单，工作可靠。
IMU单元的数据预处理包括：
（1）该惯IMU单元使用的光纤陀螺仪，噪声较大，由于应用环境为铁轨，陀螺三轴出现急剧角度变化的可能性较低，滑动平均滤波可有效降低噪声、且对数据的动态响应影响不大，故陀螺数据根据采样频率最终选取窗口长为200的滑动平均滤波。
（2）加速度计输出为速度增量，由于载体加减速是固然存在的，为了尽可能小的影响动态响应，加速度计平滑窗口不能太长；为了尽可能大的降低噪声，滑动窗应该较大，在实时滤波的情况下，加速度计的滑动窗口长应比陀螺仪小。考虑到应用环境为后处理，不需要实时滤波，加速度计最终选取五点三次法滤波、并进行三次平滑，在降低噪声下的尽可能不影响动态响应。
如图2所示，作为本实施例的优选，利用捷联惯性导航算法对IMU定位数据进行处理的流程如下：
将IMU单元的加速度计组件采集的沿机体系的加速度分量进行坐标转换，转换为沿导航系的加速度分量并传递给导航计算机，同时将陀螺组件采集的沿机体系的角速度进行姿态矩阵计算得到转动角速度并传递给导航计算机；
导航计算机根据沿导航系的加速度分量以及转动角速度解算出位置信息和速度信息并传递给控制显示器，同时，根据姿态矩阵计算后的转动角速度进行姿态角计算得到姿态航向并传递给控制显示器。
PPK定位技术是一种后处理的动态定位方法，其PPK 的定位算法与RTK 基本相同，所不同的是在整周模糊度解算上，RTK 定位作为一种实时定位方法只能使用前向滤波，而PPK 定位除了可以使用前向滤波之外，还可以使用后向滤波以及前向和后向组合滤波来实现整周模糊度解算。
如图3所示，作为本实施例的优选，采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理的流程如下：
读取观测数据和星历数据；
计算卫星位置、钟差、高度角、方位角以及对流层改正；
对移动站数据进行单点定位；
对观测数据进行处理，进行周跳探测，并剔除质量较差的卫星；
对站间求差，并剔除差值较大的数据，然后对星间求差；
通过卡尔曼滤波，求取模糊度，并进行用户速度、位置解算；
依次判断前向滤波和向后滤波是否结束，若都结束，则逐一历元对前向和后向滤波的结果进行加权。
实施例2：
如图4所示，本发明实施例还提供一种用于轨道自动测量车的精确定位系统，包括GNSS单元、IMU单元、捷联惯性导航解算模块、数据融合模块、卡尔曼滤波模块、动态后处理模块以及组合解算模块；
所述GNSS单元和所述IMU单元用于分别采集定位数据；
所述捷联惯性导航解算模块用于利用捷联惯性导航算法对IMU单元采集的IMU定位数据进行处理；
所述数据融合模块用于将处理后的IMU定位数据与GNSS单元采集的GNSS定位数据进行融合；
所述卡尔曼滤波模块利用卡尔曼滤波算法对融合后的定位数据的误差进行过滤；
所述动态后处理模块用于采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理；
组合解算模块用于对GNSS定位和IMU定位数据进行组合解算得到高精度的定位坐标。
作为本实施例的优选，所述GNSS单元包括差分定位模块，所述差分定位模块用于采用差分定位技术，利用伪距误差的空间相关性，通过对移动接收机接收到的观测量和基站接收机接收到的观测量作差，消除卫星钟差，部分消除电离层误差、对流层误差和卫星轨道误差。
作为本实施例的优选，所述捷联惯性导航解算模块包括坐标转换子模块、姿态矩阵计算子模块、导航计算机以及姿态角计算子模块；
所述坐标转换子模块用于将IMU单元的加速度计组件采集的沿机体系的加速度分量进行坐标转换，转换为沿导航系的加速度分量并传递给导航计算机；
所述姿态矩阵计算子模块用于将陀螺组件采集的沿机体系的角速度进行姿态矩阵计算得到转动角速度并传递给导航计算机；
所述导航计算机用于根据沿导航系的加速度分量以及转动角速度解算出位置信息和速度信息并传递给控制显示器；
所述姿态角计算子模块用于根据姿态矩阵计算后的转动角速度进行姿态角计算得到姿态航向并传递给控制显示器。
作为本实施例的优选，所述动态后处理模块包括数据读取子模块、卫星计算子模块、单点定位子模块、观测数据处理子模块、求差处理子模块、速度位置解算子模块以及加权子模块；
所述数据读取子模块用于读取观测数据和星历数据；
所述卫星计算子模块用于计算卫星位置、钟差、高度角、方位角以及对流层改正；
所述单点定位子模块用于对移动站数据进行单点定位；
所述观测数据处理子模块用于对观测数据进行处理，进行周跳探测，并剔除质量较差的卫星；
所述求差处理子模块用于对站间求差，并剔除差值较大的数据，然后对星间求差；
所述速度位置解算子模块用于通过卡尔曼滤波，求取模糊度，并进行用户速度、位置解算；
所述加权子模块用于依次判断前向滤波和向后滤波是否结束，若都结束，则逐一历元对前向和后向滤波的结果进行加权。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于轨道自动测量车的精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，测量车开始运行时，完成GNSS单元和IMU单元的初始化与对准，GNSS单元和IMU单元开始同步采集定位数据；
S2，利用捷联惯性导航算法对IMU单元采集的IMU定位数据进行处理；
S3，判断GNSS单元是否有效，若是，则将处理后的IMU定位数据与GNSS单元采集的GNSS定位数据进行融合；
S4，利用卡尔曼滤波算法对融合后的定位数据的误差进行过滤；
S5，采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理，然后对GNSS定位和IMU定位数据进行组合解算得到高精度的定位坐标。
2.如权利要求1所述的用于轨道自动测量车的精确定位方法，其特征在于：
所述GNSS单元在采集定位数据时，采用差分定位技术，利用伪距误差的空间相关性，通过对移动接收机接收到的观测量和基站接收机接收到的观测量作差，消除卫星钟差，部分消除电离层误差、对流层误差和卫星轨道误差。
3.如权利要求2所述的用于轨道自动测量车的精确定位方法，其特征在于：
当移动接收机和基站接收机观测到的公共卫星数目不小于四颗时，GNSS单元开始采用差分定位技术进行即时的位置解算。
4.如权利要求2所述的用于轨道自动测量车的精确定位方法，其特征在于：
GNSS观测量使用观测方程描述，伪距的观测方程如下:
载波相位的观测方程为：
其中，ρ、ϕ和r 分别表示伪距观测量、载波相位观测量和接收机到卫星的几何距离；I和T 分别表示电离层和对流层误差；δts 和O 分别表示卫星钟差和卫星轨道误差；M 和ε分别表示多径误差和接收机噪声；uδt表示接收机钟差；N 表示载波相位中所包含的整周模糊度。
5.如权利要求1所述的用于轨道自动测量车的精确定位方法，其特征在于：利用捷联惯性导航算法对IMU定位数据进行处理的流程如下：
将IMU单元的加速度计组件采集的沿机体系的加速度分量进行坐标转换，转换为沿导航系的加速度分量并传递给导航计算机，同时将陀螺组件采集的沿机体系的角速度进行姿态矩阵计算得到转动角速度并传递给导航计算机；
导航计算机根据沿导航系的加速度分量以及转动角速度解算出位置信息和速度信息并传递给控制显示器，同时，根据姿态矩阵计算后的转动角速度进行姿态角计算得到姿态航向并传递给控制显示器。
6.如权利要求1所述的用于轨道自动测量车的精确定位方法，其特征在于：采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理的流程如下：
读取观测数据和星历数据；
计算卫星位置、钟差、高度角、方位角以及对流层改正；
对移动站数据进行单点定位；
对观测数据进行处理，进行周跳探测，并剔除质量较差的卫星；
对站间求差，并剔除差值较大的数据，然后对星间求差；
通过卡尔曼滤波，求取模糊度，并进行用户速度、位置解算；
依次判断前向滤波和向后滤波是否结束，若都结束，则逐一历元对前向和后向滤波的结果进行加权。
7.一种用于轨道自动测量车的精确定位系统，其特征在于：包括GNSS单元、IMU单元、捷联惯性导航解算模块、数据融合模块、卡尔曼滤波模块、动态后处理模块以及组合解算模块；
所述GNSS单元和所述IMU单元用于分别采集定位数据；
所述捷联惯性导航解算模块用于利用捷联惯性导航算法对IMU单元采集的IMU定位数据进行处理；
所述数据融合模块用于将处理后的IMU定位数据与GNSS单元采集的GNSS定位数据进行融合；
所述卡尔曼滤波模块利用卡尔曼滤波算法对融合后的定位数据的误差进行过滤；
所述动态后处理模块用于采用PPK技术对GNSS定位数据进行动态后处理；
组合解算模块用于对GNSS定位和IMU定位数据进行组合解算得到高精度的定位坐标。
8.如权利要求7所述的用于轨道自动测量车的精确定位系统，其特征在于：
所述GNSS单元包括差分定位模块，所述差分定位模块用于采用差分定位技术，利用伪距误差的空间相关性，通过对移动接收机接收到的观测量和基站接收机接收到的观测量作差，消除卫星钟差，部分消除电离层误差、对流层误差和卫星轨道误差。
9.如权利要求7所述的用于轨道自动测量车的精确定位系统，其特征在于：所述捷联惯性导航解算模块包括坐标转换子模块、姿态矩阵计算子模块、导航计算机以及姿态角计算子模块；
所述坐标转换子模块用于将IMU单元的加速度计组件采集的沿机体系的加速度分量进行坐标转换，转换为沿导航系的加速度分量并传递给导航计算机；
所述姿态矩阵计算子模块用于将陀螺组件采集的沿机体系的角速度进行姿态矩阵计算得到转动角速度并传递给导航计算机；
所述导航计算机用于根据沿导航系的加速度分量以及转动角速度解算出位置信息和速度信息并传递给控制显示器；
所述姿态角计算子模块用于根据姿态矩阵计算后的转动角速度进行姿态角计算得到姿态航向并传递给控制显示器。
10.如权利要求7所述的用于轨道自动测量车的精确定位系统，其特征在于：
所述动态后处理模块包括数据读取子模块、卫星计算子模块、单点定位子模块、观测数据处理子模块、求差处理子模块、速度位置解算子模块以及加权子模块；
所述数据读取子模块用于读取观测数据和星历数据；
所述卫星计算子模块用于计算卫星位置、钟差、高度角、方位角以及对流层改正；
所述单点定位子模块用于对移动站数据进行单点定位；
所述观测数据处理子模块用于对观测数据进行处理，进行周跳探测，并剔除质量较差的卫星；
所述求差处理子模块用于对站间求差，并剔除差值较大的数据，然后对星间求差；
所述速度位置解算子模块用于通过卡尔曼滤波，求取模糊度，并进行用户速度、位置解算；
所述加权子模块用于依次判断前向滤波和向后滤波是否结束，若都结束，则逐一历元对前向和后向滤波的结果进行加权。
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