基于惯性四元数建模的列车姿态精度保持方法研究

作     者：姜维 郝鹏琪 王剑 蔡伯根 邓陈喜 廖浩 

作者机构：北京交通大学自动化与智能学院 北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室 北京市电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心 中国铁路成都局集团有限公司成都电务维修段 

出 版 物：《铁道科学与工程学报》 (Journal of Railway Science and Engineering)

年 卷 期：2024年

学科分类：08[工学] 082302[工学-交通信息工程及控制] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金(T2422002) 国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(62027809) 国家重点研发计划(2022YFB4300501) 

主　　题：惯性四元数建模 姿态精度保持 惯性递推 滤波校正 列车状态感知 

摘      要：针对标准GNSS/INS定位模型在卫星失效时难以克服惯性器件误差累计从而列车状态感知精度降级问题，为保障卫星失效场景下列车空间精度与鲁棒性的需求。提出一种基于惯性四元数建模的列车姿态精度保持方法，探究惯性器件加速度与角速度的姿态解算机理，构建运动载体加速度辅助的惯性姿态四元数的反馈补偿解算模型。进一步为解决单一驱动模式对航位推算的可控性受限问题，建立基于姿态精度保持模型增强的列车状态感知模型，将内层融合解算的姿态信息作用在轮速传感器后与惯性递推值映射到外层状态空间完成系统的滤波校正并反馈到内层进行误差更新，最大限度保障卫星失效时惯性导航精度。采用实验室转台仿真数据与青藏线列车实测数据进行卫星失效场景下算法性能的验证与评估，结果表明：提出的姿态精度保持方法测姿精度显著优于惯性递推方法，青藏线30分钟动态测姿实验中，横滚角、俯仰角、航向角精度为0.801°、0.513°和4.494°；在无卫星场景下，提出的基于姿态精度保持模型增强的列车状态感知精度显著优于INS/ODO松组合方法，15分钟实车测试中，横滚角、俯仰角、航向角测姿精度为0.526°、0.493°和1.904°，水平定位精度提升86.66%、水平测速精度提升78.70%。综合证明该方法可以提升卫星失效场景下的基于惯性列车状态感知精度与鲁棒性。