CN114111767B - 基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法 - Google Patents

基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，该基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法包括：选取惯性导航系统、里程计、卫星和RFID传感器构成的组合导航系统状态构成系统状态向量；根据系统状态向量计算获取组合导航系统的概率分布函数；对概率分布函数进行高斯分布变换，根据高斯分布变换后的概率分布函数获取测量与观测差值函数；采用因子图算法对测量与观测差值函数进行表达；对测量与观测差值函数求导以获取对组合导航系统状态的融合结果；基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中惯性轨道检测系统的测量精度低的技术问题。

Description

基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法
技术领域
本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法。
背景技术
传统轨道检测系统一般采用全站仪+里程计的测量方式，站点间的轨道参数通过拟合获取，无法准确反映轨道真实的平顺性。加入惯导系统后，通过高频输出的惯导姿态信息，可以得到密集的轨道特征，从而提高轨道平顺性计算的准确性。但由于惯导系统的漂移特性，长时间连续工作后，系统精度下降严重，制约了惯性轨道检测系统的测量效率。
发明内容
本发明提供了一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，能够解决现有技术中惯性轨道检测系统的测量精度低的技术问题。
本发明提供了一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法包括：选取惯性导航系统、里程计、卫星和RFID传感器构成的组合导航系统状态构成系统状态向量；根据系统状态向量计算获取组合导航系统的概率分布函数；对概率分布函数进行高斯分布变换，根据高斯分布变换后的概率分布函数获取测量与观测差值函数；采用因子图算法对测量与观测差值函数进行表达；对测量与观测差值函数求导以获取对组合导航系统状态的融合结果；基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化。
进一步地，基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化具体包括：当设计线型信息为直线且在卫星处于有效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为直线且在卫星处于无效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的俯仰角误差θ、惯性导航系统的横滚角误差γ、惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位▽对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为缓和曲线且在卫星处于有效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态/>惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>以及陀螺漂移ε对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为缓和曲线且在卫星处于无效状态时，根据惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位/>对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为圆曲线且在卫星处于有效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态/>惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为圆曲线且在卫星处于无效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的俯仰角误差θ、惯性导航系统的横滚角误差γ、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位/>对线路设计线型进行优化。
进一步地，组合导航系统状态的系统状态向量为其中，/> 为惯性导航系统的姿态，θ为俯仰角误差，γ为横滚角误差，ψ为航向角误差，v为惯性导航系统在导航坐标系下的速度，v＝[ve vn vu]T，ve为惯性导航系统在导航坐标系下的东向速度，vn为惯性导航系统在导航坐标系下的北向速度，vu为惯性导航系统在导航坐标系下的天向速度，p＝[L λh]T，p为惯性导航系统的位置，L为惯性导航系统的纬度，λ为惯性导航系统的经度，h为惯性导航系统的高度，ε＝[εx εy εz[T，ε为陀螺漂移，εx为沿x方向的陀螺漂移，εy为沿y方向的陀螺漂移，εz为沿z方向的陀螺漂移，/> 为加速度计零位，/>为沿x方向的加速度计零位，/>为沿y方向的加速度计零位，/>为沿z方向的加速度计零位，pRFID＝[LRFIDλRFID hRFID]T，pRFID为RFID传感器的位置误差，LRFID为RFID传感器沿纬度方向的位置误差，λRFID为RFID传感器沿经度方向的位置误差，hRFID为RFID传感器沿高度方向的位置误差，δK为里程计的刻度系数误差，αθ为里程计与惯性导航系统之间的沿俯仰方向的安装误差，αψ为里程计与惯性导航系统之间的沿航向的安装误差。
进一步地，组合导航系统的概率分布函数为其中，p(Vk|Zk)测量为Zk条件下Xk的概率分布函数，Zk为初始时刻到tk时刻为止获得的里程计输出的里程、GPS的位置以及RFID传感器输出的位置测量信息，Vk为初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合，Vj为初始时刻到当前时刻tj为止系统导航状态的集合，/>为i-1时刻的惯性导航系统IMU的位置信息，zj为tj时刻的里程计输出的里程、GPS的位置以及RFID传感器输出的位置测量信息，xi为ti时刻的系统导航状态，xi-1为ti-1时刻的系统导航状态，ci为ti时刻的组合导航系统误差状态，ci-1为ti-1时刻的组合导航系统误差状态，p(V0)为先验概率，为xi-1,ci-1,/>条件下xi的概率分布函数，p(zj|Vj)为一次观测zj所对应的系统状态，p(ci|ci-1)为ci-1条件下ci的概率分布函数。
进一步地，初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk可根据来获取，其中，Xk表示k时刻的系统导航状态，系统导航状态包括惯导系统导航信息和RFID定位信息，Ck表示k时刻的组合导航系统误差状态。
进一步地，高斯分布变换后的概率分布函数为其中，zi为ti时刻的里程计输出的里程，h(·)为量测函数，h(Vk)为初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk的量测函数。进一步地，初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk的量测函数h(Vk)为系统观测矩阵，h(Vk)＝[-[v×] I3 O3×9 -I3 M]，其中[v×]表示速度矢量v的构成的反对称阵/>vx为组合导航系统沿x方向的速度，vy为组合导航系统沿y方向的速度，vz为组合导航系统沿z方向的速度，I3表示单位阵，O3×9表示零矩阵，M是由系统里程计测量值组成的矩阵，/> 为惯性导航系统与导航系之间的安装关系矩阵，/>为里程计在载体坐标系下沿x方向输出的里程，为里程计在载体坐标系下沿y方向输出的里程，/>为里程计在载体坐标系下沿z方向输出的里程。
进一步地，测量与观测差值函数J(Vk)为zi为ti时刻的里程计输出的里程、GPS的位置以及RFID传感器输出的位置测量信息，R为观测噪声协方差矩阵。
进一步地，采用因子图算法对测量与观测差值函数进行表达具体包括：当因子图中的边为惯导分量时，采用xi-Fxi-1作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为GPS分量时，采用zi,GPS-hGPS(xi)作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为里程计分量时，采用作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为RFID分量时，采用zi,RFID-hRFID(xi)作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；其中，F为惯导系统导航递推方程，zi,GPS表示ti时刻GPS的位置,hGPS表示GPS分量观测矩阵，/>表示由载体坐标系转换为导航坐标系的姿态矩阵，zi,ODO表示ti时刻的里程计位置，hODO表示里程计分量观测矩阵，zi,RFID表示ti时刻的RFID位置，hRFID表示RFID分量观测矩阵。
进一步地，惯导系统导航递推方程F为F1为惯性及RFID相关状态转移矩阵，具体表达形式为/>其中，FINS为惯导系统标准状态转移矩阵。
应用本发明的技术方案，提供了一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，该方法综合利用测量过程中能够获取的各类信息，基于惯性导航系统、里程计、卫星和RFID传感器所获取的信息，并对各类信息进行多信息融合，根据系统状态向量计算获取组合导航系统的概率分布函数，采用因子图算法对测量与观测差值函数进行表达，对测量与观测差值函数求导以获取对组合导航系统状态的融合结果，基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化，此种方式能够实现抑制惯导系统误差、消除里程累计误差的能力，提高长时间连续工作情况下的测量精度。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的具体实施例提供的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法的流程框图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，该基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法包括：选取惯性导航系统、里程计、卫星和RFID传感器构成的组合导航系统状态构成系统状态向量；根据系统状态向量计算获取组合导航系统的概率分布函数；对概率分布函数进行高斯分布变换，根据高斯分布变换后的概率分布函数获取测量与观测差值函数；采用因子图算法对测量与观测差值函数进行表达；对测量与观测差值函数求导以获取对组合导航系统状态的融合结果；基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化。
应用此种配置方式，提供了一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，该方法综合利用测量过程中能够获取的各类信息，基于惯性导航系统、里程计、卫星和RFID传感器所获取的信息，并对各类信息进行多信息融合，根据系统状态向量计算获取组合导航系统的概率分布函数，采用因子图算法对测量与观测差值函数进行表达，对测量与观测差值函数求导以获取对组合导航系统状态的融合结果，基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化，此种方式能够实现抑制惯导系统误差、消除里程累计误差的能力，提高长时间连续工作情况下的测量精度。
在本发明中，车辆在行驶过程中，会经常行驶进隧道、山区等环境，导致卫星信号不能一直保持有效，RFID位置传感器可以在铁路沿线按照一定间隔要求布设，定位周期也不确定，因此采用具有即插即用能力的因子图算法：当卫星有效时，通过惯性/卫星/里程计/RFID达到毫米级的定位精度,并对RFID位置误差进行修正；当卫星失效时，依靠惯性/里程计保持短时间的高精度自主导航，防止定位误差过快增长；当RFID有效时，利用惯性/里程计/RFID实现轨检系统位置误差修正；当卫星恢复有效时，能够利用前后卫星有效段的信息，对中间卫星失效期间惯性/里程计组合的位置精度进行优化，使得整体测量轨迹连续有效。
基于此，为了实现对轨道线型的优化，首先需要选取组合导航系统状态构成19维系统状态向量。组合导航系统状态的系统状态向量为其中，/> 为惯性导航系统的姿态，θ为俯仰角误差，γ为横滚角误差，ψ为航向角误差，v为惯性导航系统在导航坐标系下的速度，v＝[ve vn vu]T，ve为惯性导航系统在导航坐标系下的东向速度，vn为惯性导航系统在导航坐标系下的北向速度，vu为惯性导航系统在导航坐标系下的天向速度，p＝[L λ h]T，p为惯性导航系统的位置，L为惯性导航系统的纬度，λ为惯性导航系统的经度，h为惯性导航系统的高度，ε＝[εx εy εz]T，ε为陀螺漂移，εx为沿x方向的陀螺漂移，εy为沿y方向的陀螺漂移，εz为沿z方向的陀螺漂移， 为加速度计零位，/>为沿x方向的加速度计零位，/>为沿y方向的加速度计零位，/>为沿z方向的加速度计零位，pRFID＝[LRFID λRFID hRFID]T，pRFID为RFID传感器的位置误差，LRFID为RFID传感器沿纬度方向的位置误差，λRFID为RFID传感器沿经度方向的位置误差，hRFID为RFID传感器沿高度方向的位置误差，δK为里程计的刻度系数误差，αθ为里程计与惯性导航系统之间的沿俯仰方向的安装误差，αψ为里程计与惯性导航系统之间的沿航向的安装误差。
在获取了系统状态向量之后，当假设各组变量的概率分布独立不相关时，则可以将联合概率密度函数进行因式分解，根据定义，当一个具有多变量的全局函数可以表示多个局部函数的乘积形式时，可以将多项式表示为因子图的形式。因此，将系统状态向量中的变量进行分组：
其中，Xk表示k时刻的系统导航状态，系统导航状态包括惯导系统导航信息和RFID定位信息，Ck表示k时刻的组合导航系统误差状态。
对系统状态向量中的变量进行分组之后，根据系统状态向量计算获取组合导航系统的概率分布函数。组合导航系统的概率分布函数(Probability DistributionFunction，PDF)为其中，p(Vk|Zk)测量为Zk条件下Xk的概率分布函数，Zk为初始时刻到tk时刻为止获得的里程计输出的里程、GPS的位置以及RFID传感器输出的位置测量信息，Vk为初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合，Vj为初始时刻到当前时刻tj为止系统导航状态的集合，/>为i-1时刻的惯性导航系统IMU的位置信息，zj为tj时刻的里程计输出的里程、GPS的位置以及RFID传感器输出的位置测量信息，xi为ti时刻的系统导航状态，xi-1为ti-1时刻的系统导航状态，ci为ti时刻的组合导航系统误差状态，ci-1为ti-1时刻的组合导航系统误差状态，p(V0)为先验概率，/>为xi-1,ci-1,/>条件下xi的概率分布函数，p(zj|Vj)为一次观测zj所对应的系统状态，p(ci|ci-1)为ci-1条件下ci的概率分布函数。
进一步地，考虑概率分布函数中的各组变量独立不相关，并符合高斯分布，因此，对概率分布函数进行高斯分布变换，高斯分布变换后的概率分布函数为其中，zi为ti时刻的里程计输出的里程，h(·)为量测函数，h(Vk)为初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk的量测函数。初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk的量测函数h(Vk)为系统观测矩阵，h(Vk)＝[-[v×] I3O3×9 -I3 M]，其中[v×]表示速度矢量v的构成的反对称阵/>vx为组合导航系统沿x方向的速度，vy为组合导航系统沿y方向的速度，vz为组合导航系统沿z方向的速度，I3表示单位阵，O3×9表示零矩阵。M是由系统里程计测量值组成的矩阵，具体形式为 为惯性导航系统与导航系之间的安装关系矩阵，/>为里程计在载体坐标系下沿x方向输出的里程，/>为里程计在载体坐标系下沿y方向输出的里程，为里程计在载体坐标系下沿z方向输出的里程。
在获取了高斯分布变换后的概率分布函数之后，根据高斯分布变换后的所述概率分布函数获取测量与观测差值函数。测量与观测差值函数J(Vk)为zi为ti时刻的里程计输出的里程、GPS的位置以及RFID传感器输出的位置测量信息，R为观测噪声协方差矩阵。由此，可将求取概率的最大值可以转化为求取测量与观测差值函数的最小值。
进一步地，在获取了测量与观测差值函数之后，采用因子图算法对所述测量与观测差值函数进行表达。具体地，在本发明中，初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk中的各个分量根据数据达到时刻，组成因子图中的各个节点，测量与观测差值函数J(Vk)中的分量则组成了因子图中的边，这样就将问题由求取系统最优融合定位结果的问题转换为了求取测量与观测差值函数J(Vk)最小值的问题。
在本发明中，采用因子图算法对测量与观测差值函数进行表达具体包括：当因子图中的边为惯导分量时，采用xi-Fxi-1作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为GPS分量时，采用zi,GPS-hGPS(xi)作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为里程计分量时，采用作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为RFID分量时，采用zi,RFID-hRFID(xi)作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；其中，F为惯导系统导航递推方程，惯导系统导航递推方程F为/>F1为惯性及RFID相关状态转移矩阵，具体表达形式为/>其中，FINS为惯导系统标准状态转移矩阵。zi,GPS表示ti时刻GPS的位置,hGPS表示GPS分量观测矩阵，/>表示由载体坐标系转换为导航坐标系的姿态矩阵，zi,ODO表示ti时刻的里程计位置，hODO表示里程计分量观测矩阵，zi,RFID表示ti时刻的RFID位置，hRFID表示RFID分量观测矩阵。
进一步地，在采用因子图算法对所述测量与观测差值函数进行表达之后，对测量与观测差值函数求导以获取对组合导航系统状态的融合结果。具体地，由此可以得到对系统状态Vk的融合结果。
在得到对系统状态Vk的融合结果之后，基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化。在本发明中，基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化具体包括：当设计线型信息为直线且在卫星处于有效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为直线且在卫星处于无效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的俯仰角误差θ、惯性导航系统的横滚角误差γ、惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为缓和曲线且在卫星处于有效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态/>惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>以及陀螺漂移ε对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为缓和曲线且在卫星处于无效状态时，根据惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位/>对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为圆曲线且在卫星处于有效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态/>惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为圆曲线且在卫星处于无效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的俯仰角误差θ、惯性导航系统的横滚角误差γ、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位/>对线路设计线型进行优化。
作为本发明的一个具体实施例，利用设计线型信息，对当前所处路线的类型进行判断，并根据判断结果和参考信息有效性，对不同类型的状态进行估计。当系统工作状态符合某一条件时，将不进行估计和修正的变量状态设置为“固定”，即不参与估计更新运算，反之则设置为“非固定”，对状态量估计值进行更新。例如，当设计线型为直线时，当卫星处于有效状态时，将惯性导航系统的姿态惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ设置为“非固定”，参与估计更新运算，并利用估计的变量对线路设计线型进行优化；当卫星处于无效状态时，将俯仰角误差θ、惯性导航系统的横滚角误差γ、惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位/>设置为“非固定”，将航向角误差ψ、陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ设置为“固定”，不参与估计更新运算，根据估计的变量以及组合导航系统获取的测量值对线路设计线型进行优化。
为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明所提供的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法进行详细说明。
如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，该方法具体包括如下步骤。
选取惯性导航系统、里程计、卫星和RFID传感器构成的组合导航系统状态构成系统状态向量。组合导航系统状态的系统状态向量为其中，/> 为惯性导航系统的姿态，θ为俯仰角误差，γ为横滚角误差，ψ为航向角误差，v为惯性导航系统在导航坐标系下的速度，v＝[ve vn vu]T，ve为惯性导航系统在导航坐标系下的东向速度，vn为惯性导航系统在导航坐标系下的北向速度，vu为惯性导航系统在导航坐标系下的天向速度，p＝[L λ h]T，p为惯性导航系统的位置，L为惯性导航系统的纬度，λ为惯性导航系统的经度，h为惯性导航系统的高度，ε＝[εx εy εz]T，ε为陀螺漂移，εx为沿x方向的陀螺漂移，εy为沿y方向的陀螺漂移，εz为沿z方向的陀螺漂移， 为加速度计零位，/>为沿x方向的加速度计零位，/>为沿y方向的加速度计零位，/>为沿z方向的加速度计零位，pRFID＝[LRFID λRFID hRFID]T，pRFID为RFID传感器的位置误差，LRFID为RFID传感器沿纬度方向的位置误差，λRFID为RFID传感器沿经度方向的位置误差，hRFID为RFID传感器沿高度方向的位置误差，δK为里程计的刻度系数误差，αθ为里程计与惯性导航系统之间的沿俯仰方向的安装误差，αψ为里程计与惯性导航系统之间的沿航向的安装误差。
根据所述系统状态向量计算获取组合导航系统的概率分布函数。组合导航系统的概率分布函数(Probability Distribution Function，PDF)为
对所述概率分布函数进行高斯分布变换，根据高斯分布变换后的所述概率分布函数获取测量与观测差值函数；高斯分布变换后的概率分布函数为其中，zi为ti时刻的里程计输出的里程，h(·)为量测函数，h(Vk)为初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk的量测函数。初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk的量测函数h(Vk)为系统观测矩阵，h(Vk)＝[-[v×] I3O3×9 -I3 M]，其中[v×]表示速度矢量v的构成的反对称阵/>vx为组合导航系统沿x方向的速度，vy为组合导航系统沿y方向的速度，vz为组合导航系统沿z方向的速度，I3表示单位阵，O3×9表示零矩阵。M是由系统里程计测量值组成的矩阵，具体形式为 为惯性导航系统与导航系之间的安装关系矩阵，/>为里程计在载体坐标系下沿x方向输出的里程，/>为里程计在载体坐标系下沿y方向输出的里程，/>为里程计在载体坐标系下沿z方向输出的里程。
采用因子图算法对所述测量与观测差值函数进行表达。在本实施例中，采用因子图算法对测量与观测差值函数进行表达具体包括：当因子图中的边为惯导分量时，采用xi-Fxi-1作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为GPS分量时，采用zi,GPS-hGPS(xi)作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为里程计分量时，采用作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为RFID分量时，采用zi,RFID-hRFID(xi)作为测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；其中，F为惯导系统导航递推方程，惯导系统导航递推方程F为/>F1为惯性及RFID相关状态转移矩阵，具体表达形式为/>其中FINS为惯导系统标准状态转移矩阵。zi,GPS表示ti时刻GPS的位置,hGPS表示GPS分量观测矩阵，/>表示由载体坐标系转换为导航坐标系的姿态矩阵，zi,ODO表示ti时刻的里程计位置，hODO表示里程计分量观测矩阵，zi,RFID表示ti时刻的RFID位置，hRFID表示RFID分量观测矩阵。
对测量与观测差值函数求导以获取对组合导航系统状态的融合结果。具体地，由此可以得到对系统状态Vk的融合结果。
基于所述组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化。在本实施例中，基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化具体包括：当设计线型信息为直线且在卫星处于有效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为直线且在卫星处于无效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的俯仰角误差θ、惯性导航系统的横滚角误差γ、惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位/>对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为缓和曲线且在卫星处于有效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态/>惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>以及陀螺漂移ε对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为缓和曲线且在卫星处于无效状态时，根据惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位▽对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为圆曲线且在卫星处于有效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态/>惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为圆曲线且在卫星处于无效状态时，根据组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的俯仰角误差θ、惯性导航系统的横滚角误差γ、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位/>对线路设计线型进行优化。
综上所述，本发明提供了一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，该方法综合利用测量过程中能够获取的各类信息，基于惯性导航系统、里程计、卫星和RFID传感器所获取的信息，并对各类信息进行多信息融合，根据系统状态向量计算获取组合导航系统的概率分布函数，采用因子图算法对测量与观测差值函数进行表达，对测量与观测差值函数求导以获取对组合导航系统状态的融合结果，基于组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化，此种方式能够实现抑制惯导系统误差、消除里程累计误差的能力，提高长时间连续工作情况下的测量精度。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，其特征在于，所述基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法包括：
选取惯性导航系统、里程计、卫星和RFID传感器构成的组合导航系统状态构成系统状态向量；
根据所述系统状态向量计算获取组合导航系统的概率分布函数；
对所述概率分布函数进行高斯分布变换，根据高斯分布变换后的所述概率分布函数获取测量与观测差值函数；
采用因子图算法对所述测量与观测差值函数进行表达；
对所述测量与观测差值函数求导以获取对组合导航系统状态的融合结果；
基于所述组合导航系统状态的融合结果和设计线型信息对线路设计线型进行优化，具体包括：当设计线型信息为直线且在卫星处于有效状态时，根据所述组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为直线且在卫星处于无效状态时，根据所述组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的俯仰角误差θ、惯性导航系统的横滚角误差γ、惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位/>对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为缓和曲线且在卫星处于有效状态时，根据所述组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态/>惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>以及陀螺漂移ε对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为缓和曲线且在卫星处于无效状态时，根据惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位/>对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为圆曲线且在卫星处于有效状态时，根据所述组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的姿态/>惯性导航系统在导航坐标系下的速度v、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID、加速度计零位/>陀螺漂移ε、里程计的刻度系数误差δK、里程计与惯导系统之间的沿俯仰方向的安装误差αθ以及里程计与惯导系统之间的沿航向方向的安装误差αψ对线路设计线型进行优化；当设计线型信息为圆曲线且在卫星处于无效状态时，根据所述组合导航系统状态的融合结果所获取的惯性导航系统的俯仰角误差θ、惯性导航系统的横滚角误差γ、惯性导航系统的位置p、RFID传感器的位置误差pRFID和加速度计零位▽对线路设计线型进行优化。
2.根据权利要求1所述的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，其特征在于，所述组合导航系统状态的系统状态向量为其中，/> 为惯性导航系统的姿态，θ为俯仰角误差，γ为横滚角误差，ψ为航向角误差，v为惯性导航系统在导航坐标系下的速度，v＝[ve vn vu]T，ve为惯性导航系统在导航坐标系下的东向速度，vn为惯性导航系统在导航坐标系下的北向速度，vu为惯性导航系统在导航坐标系下的天向速度，p＝[L λ h]T，p为惯性导航系统的位置，L为惯性导航系统的纬度，λ为惯性导航系统的经度，h为惯性导航系统的高度，ε＝[εx εy εz]T，ε为陀螺漂移，εx为沿x方向的陀螺漂移，εy为沿y方向的陀螺漂移，εz为沿z方向的陀螺漂移，/> 为加速度计零位，/>为沿x方向的加速度计零位，/>为沿y方向的加速度计零位，/>为沿z方向的加速度计零位，pRFID＝[LRFID λRFIDhRFID]T，pRFID为RFID传感器的位置误差，LRFID为RFID传感器沿纬度方向的位置误差，λRFID为RFID传感器沿经度方向的位置误差，hRFID为RFID传感器沿高度方向的位置误差，δK为里程计的刻度系数误差，αθ为里程计与惯性导航系统之间的沿俯仰方向的安装误差，αψ为里程计与惯性导航系统之间的沿航向的安装误差。
3.根据权利要求2所述的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，其特征在于，所述组合导航系统的概率分布函数为其中，p(Vk|Zk)测量为Zk条件下Xk的概率分布函数，Zk为初始时刻到tk时刻为止获得的里程计输出的里程、GPS的位置以及RFID传感器输出的位置测量信息，Vk为初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合，Vj为初始时刻到当前时刻tj为止系统导航状态的集合，/>为i-1时刻的惯性导航系统IMU的位置信息，zj为tj时刻的里程计输出的里程、GPS的位置以及RFID传感器输出的位置测量信息，xi为ti时刻的系统导航状态，xi-1为ti-1时刻的系统导航状态，ci为ti时刻的组合导航系统误差状态，ci-1为ti-1时刻的组合导航系统误差状态，p(V0)为先验概率，/>为/>条件下xi的概率分布函数，p(zj|Vj)为一次观测zj所对应的系统状态，p(ci|ci-1)为ci-1条件下ci的概率分布函数。
4.根据权利要求3所述的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，其特征在于，初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk根据来获取，其中，Xk表示k时刻的系统导航状态，所述系统导航状态包括惯导系统导航信息和RFID定位信息，Ck表示k时刻的组合导航系统误差状态。
5.根据权利要求3所述的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，其特征在于，所述高斯分布变换后的所述概率分布函数为其中，zi为ti时刻的里程计输出的里程，h(·)为量测函数，h(Vk)为初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk的量测函数。
6.根据权利要求5所述的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，其特征在于，初始时刻到当前时刻tk为止系统导航状态的集合Vk的量测函数h(Vk)为系统观测矩阵，h(Vk)＝[-[v×] I3 O3×9 -I3 M]，其中[v×]表示速度矢量v构成的反对称阵vx为组合导航系统沿x方向的速度，vy为组合导航系统沿y方向的速度，vz为组合导航系统沿z方向的速度，I3表示单位阵，O3×9表示零矩阵，M是由系统里程计测量值组成的矩阵， 为惯性导航系统与导航系之间的安装关系矩阵，/>为里程计在载体坐标系下沿x方向输出的里程，/>为里程计在载体坐标系下沿y方向输出的里程，为里程计在载体坐标系下沿z方向输出的里程。
7.根据权利要求5所述的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，其特征在于，所述测量与观测差值函数J(Vk)为zi为ti时刻的里程计输出的里程、GPS的位置以及RFID传感器输出的位置测量信息，R为观测噪声协方差矩阵。
8.根据权利要求7所述的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，其特征在于，采用因子图算法对所述测量与观测差值函数进行表达具体包括：当因子图中的边为惯导分量时，采用xi-Fxi-1作为所述测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为GPS分量时，采用zi,GPS-hGPS(xi)作为所述测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为里程计分量时，采用作为所述测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；当因子图中的边为RFID分量时，采用zi,RFID-hRFID(xi)作为所述测量与观测差值函数中的zi-h(Vk)T；其中，F为惯导系统导航递推方程，zi,GPS表示ti时刻GPS的位置,hGPS表示GPS分量观测矩阵，/>表示由载体坐标系转换为导航坐标系的姿态矩阵，zi,ODO表示ti时刻的里程计位置，hODO表示里程计分量观测矩阵，zi,RFID表示ti时刻的RFID位置，hRFID表示RFID分量观测矩阵。
9.根据权利要求8所述的基于多信息融合对线路设计线型进行优化的方法，其特征在于，所述惯导系统导航递推方程F为F1为惯性及RFID相关状态转移矩阵，其中，FINS为惯导系统标准状态转移矩阵。
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