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一种红外光电传感器辅助的MEMS轨道定位方法

一种红外光电传感器辅助的mems轨道定位方法
技术领域
1.本发明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技术领域，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。

背景技术：

2.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。

技术实现要素：

3.发明问题：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，本发明提出一种红外光电传感器辅助的mems轨道定位方法。
4.技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下
5.一种红外光电传感器辅助的mems轨道定位方法，包含以下步骤：
6.(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；
7.(2)、构建观测量及观测方程；
8.(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；
9.(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。
10.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：
11.xm·
m＝xn·
(m-1)，n＞＞m
12.δx
m，n
＝xn/m
13.axi＝(i-1)
·
δx
m，n
＝[xn·
(i-1)]/m，i∈[2，m]
[0014][0015]
其中xm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，xn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ti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]
ve、vn、vu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
、ph为该系下对应的纬度、经度、高度信息；v
x
、vy、vz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
、py、pz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]
zk＝hk·
xk+nk[0021]
其中hk是k时刻的量测矩阵，满足矩阵形式hk＝[03×
6 i
6 06×6]，nk是k 时刻红外光电传感器的量测噪声矩阵，xk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]wcg
、w
ca
分别为陀螺仪和加速度计的过程白噪声，wg、wa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，本发明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，同时本发明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为本发明实施例的方法流程图；
[0034]
图2为本发明的红外光电传感器安装示意图；
[0035]
图3为本发明的红外光电传感器t2时刻示意图；
[0036]
图4为本发明的红外光电传感器t
m+1
时刻示意图。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
[0038]
实施例1：参见图1-图4，如图1所示，本发明实施例公开的一种红外光电传感器辅助的mems轨道定位方法，主要包括以下步骤：
[0039]
s1：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；
[0040]
s1-1：红外光电传感器在运载体与轨道上的安装方式如图2所示，轨道一侧按照间距xn等距安装n+1个接收器，运载体一侧按照间距xm等距安装m+1个发射器，运载体侧间距与轨道侧间距满足关系：
[0041]
xm·
m＝xn·
(m-1)，n＞＞m
[0042]
在运载体尚未运动时，运载体上第1个发射器与轨道上第1个接收器光轴重合，运载体上第m+1个发射器与轨道上第m个接收器光轴重合，轨道上其余接收器均接收不到红外信号，此时运载体上第2个发射器与轨道上第2个接收器光轴的差值为
[0043]
δx
m，n
＝x
n-xm[0044]
xn为预设值，则
[0045]
δx
m，n
＝xn/m
[0046]
则此时运载体上第i个发射器与轨道上第i个接收器光轴的差值为
[0047]
δxi＝(i-1)
·
δx
m，n
＝[xn·
(i-1)]/m
[0048]
当运载体开始移动时，轨道上所有接收器不再接收红外信号，当轨道上第1 个接收器刚好不再接收红外信号时，记录该时刻为t1，该时刻为运载体开始运动时间节点，直至某一时刻t2，运载体运动至运载体上第2个发射器与轨道上第2 个接收器光轴重合，如图3所示，此时运载体运动距离为δx
m，n
，由此得出第1 个速度信息为
[0049][0050]
此时运载体上第3个发射器与轨道上第3个接收器光轴的差值为δx
m，n
，余下各光轴差值均减小δx
m，n
，运载体继续运动，轨道上所有接收器不再接收红外信号，直至某一时刻t3，运载体运动至运载体上第3个发射器与轨道上第3个接收器光轴重合，由此得出第2个速度信息为
[0051][0052]
运载体继续运动，重复上述t2至t3时段内接收器信号接收状态，直至某一时刻t
m+1
，运载体运动至运载体上第m+1个发射器与轨道上第m+1个接收器光轴重合，如图4所示，此时运载体上第1个发射器与轨道上第2个接收器光轴恰好重合，由此得出第m个速度信息为
[0053][0054]
在该时刻，轨道上接收器信号接收状态回到运载体开始运动时刻，运载体继续运动将重复上述t1至t
m+1
时段内接收器信号接收状态，速度、位置信息输出以轨道上相邻两接收器间隔xn为周期，在空间维度上循环，每次循环输出m个速度、位置信息。
[0055]
s2：构建观测量及观测方程；
[0056]
s2-1：观测量为：
[0057][0058]
ve、vn、vu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
、ph为该系下对应的纬度、经度、高度信息；v
x
、vy、vz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
、py、pz为该系统测量得到的位移转换到n系下的位置信息。
[0059]
s2-2：观测方程为：
[0060]
zk＝hk·
xk+nk[0061]
其中hk是k时刻的量测矩阵，满足矩阵形式hk＝[03×
6 i
6 06×6]，nk是k 时刻红外光电传感器的量测噪声矩阵，xk是k时刻系统的状态向量。
[0062]
s3：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；
[0063]
s3-1：利用mems陀螺仪测量的角速度信息解算载体由n系到b系(载体坐标系)的方向余弦矩阵通过转换得到姿态信息；再通过内置的加速度计测量得到比力，经过导航解算得到位置与速度信息。由于采用的mems器件成本较低，且稳定性差，噪声较大，所以在本文的计算中可以忽略地球自转角速度、车辆运动所造成的牵连角速度及速度划桨效应的影
响。则以n系作为参考系，忽略地球自转的姿态微分方程为：
[0064][0065]
式中(ω
×
)表示角速率的反对称矩阵形式，表示从b系旋转到n系的方向余弦矩阵，表示陀螺仪输出的角速率，为其中表示地球自转角速度，表示地球牵连角速度。同理速度微分方程可近似为：
[0066][0067]
其中vn代表n系下载体的速度，gn代表n系下当地的重力加速度，fb代表加速度计输出的比力。考虑到由于沿天向速度分量几乎为零，则位置更新方程可以表示为：
[0068][0069]
其中l，λ，h分别表示纬度，经度和高度；rm和rn分别表示子午圈和卯酉圈的主曲率半径。假设mems的采样时间间隔为ts，则离散后的更新方程可以表示为：
[0070][0071][0072][0073]
由此可以将陀螺仪和加速度计测量得到的数据解算得到mems器件输出的速度和位置信息。
[0074]
s3-2：选取地心坐标系i系作为惯性参考系，东北天坐标系n系作为导航坐标系，载体坐标系b系选择右前上坐标系，建立15维的状态向量运动模型为：
[0075]
x＝[φ δv
n δp b
g ba]
t
[0076]
其中φ为姿态误差向量，δvn为速度误差向量，δp为位置误差向量，bg为三轴陀螺仪零偏向量，ba为三轴加速度计零偏向量，陀螺和加速度计的零偏均符合一阶马尔科夫过程，即为：
[0077][0078]
其中w
cg
、w
ca
分别为陀螺仪和加速度计的过程白噪声。
[0079]
s3-3：系统的运动方程可以表示为：
[0080][0081]
离散化后的系统运动方程为：
[0082][0083]
其中状态转移矩阵
[0084][0085]
噪声控制矩阵
[0086][0087]
噪声分布矩阵
[0088]
w＝[w
g w
a w
cg w
ca
]
t
[0089]wcg
、w
ca
分别为陀螺仪和加速度计的过程白噪声，wg、wa分别为陀螺和加速度计的零偏白噪声。
[0090]
s3-4：根据s3-2的系统运动方程与s2-2的观测方程，融合系统的卡尔曼滤波器为：
[0091]
x
k/k-1
＝φ
k/k-1
·
x
k-1
[0092][0093][0094]
xk＝x
k/k-1
+kk(z
k-hkx
k/k-1
)
[0095]
pk＝(i-k
khk
)p
k/k-1
[0096]
其中k-1时刻系统过程噪声和量测噪声w
k-1
和nk互不相关，均服从均值为零的高斯白噪声分布，方差分别为qk、rk。记x
k/k-1
为k相对于k-1时刻最优状态估计p
k/k-1
为k相对于k-1时刻的预测方差矩阵，pk为k时刻的协方差矩阵。
[0097]
s4：对mems系统输出的位置、速度信息误差采用间接反馈校正，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，根据扩展卡尔曼滤波计算出的协方差矩阵pk，校正mems系统力学编排方程中的参数，输出mems系统校正后的位置、速度信息。
[0098]
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

技术特征：

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
、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(本地地理导航系)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。4.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，观测方程为z
k
＝h
k
·
x
k
+n
k
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。5.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(3)中，离散化后的系统运动方程为其中状态转移矩阵
噪声控制矩阵噪声分布矩阵w＝[w
g w
a w
cg w
ca
]
t
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。6.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(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。

技术总结

本发明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。