带有辅助信息的惯性导航（A-INS）用于精密工程测量的理论与方法研究

The large-scale infrastructure development in China brings vast demands of large-scale precise engineering surveying. The current surveying technique such as total station or GNSS survey cannot satisfy both the accuracy and efficiency requirements at the same time. Inertial navigation system with aiding information (A-INS) have unique continuous relative accuracy. It can be moved along the surveyed structure to achieve efficient precise geometry measurement, and gets more and more applications. This project studies the theory and method of A-INS based precise surveying. It will develop a comprehensive and practical error model specific for A-INS relative measuring error by regarding A-INS as a stochastic system excited by random noises. The output errors will be regard as stochastic processes (instead of random variables) so as to analyze the time-correlation and space/time relative accuracies. The quantitative relationships between the error sources of A-INS and the surveying accuracy of the system will be analyzed, which can guide the A-INS surveying system design and algorithm optimization. The derived error propagation model and optimization method will be verified in the application of high-speed railway track irregularities detection. Outcomes of this project will provide theoretical support and practical guidance for the development and promotion of A-INS precise surveying system.

我国大规模基础建设带来了对特殊大型精密工程进行快速测量的迫切需求，现有的光学或GNSS测量手段难以兼顾测量精度和效率。而带有辅助信息的惯性导航系统（A-INS）具有出色的连续相对测量能力，可通过将其遍历被测工程结构来实现快速高精度几何测量，正在获得越来越广泛的应用。本项目开展A-INS用于精密工程测量的理论与方法研究，针对A-INS精密测量所关注的相对测量精度建立一套完备精细的误差传播模型，将A-INS看作一个由噪声激励的随机系统，将其输出作为随机过程（而非随机变量）来研究，分析输出误差的时间相关性和时间/空间相对精度；建立A-INS各误差源与系统测量精度之间的定量映射关系，用于指导A-INS精密测量系统的方案设计（如惯性器件选型）和算法优化；最后以高铁轨道检测为例对该误差理论和优化方法做实验验证。本项目将为惯性测量技术在精密工程测量领域的应用和推广提供一套理论支撑和方法指导。

项目针对带有辅助信息的惯性导航系统（A-INS）在精密工程测量中所关注的相对测量精度，建立了一套完备的误差传播模型，提出了A-INS各误差源与系统测量精度之间的定量分析方法。首次实现了对A-INS相对测量误差的定量分析；论证了高精度A-INS组合导航系统实现亚毫米级相对测量精度的可行性。项目提出的误差传播模型为A-INS在精密工程测量中的应用提供了理论依据和实用分析手段，完善了惯性精密测量技术的研究方法。.项目设计并实现了高铁轨道几何状态A-INS精密测量系统。首次实现了移动测量模式下的高铁轨道不平顺亚毫米级测量精度，测量效率相比于现有传统手段提高15-20倍。该方案对轨道CPIII控制网的依赖程度低，不受气温、光照等环境因素影响；操作简单方便，对操作人员没有专业素质方面的要求。A-INS轨检小车原型系统已在多次轨道测量评估实验和多个实际工程项目中得到了全面而充分的验证。系统有力地支持了惯性精密测量误差研究的测试验证工作，是方兴未艾的惯性精密测量技术在工程实践上的成功案例。.综上，课题组圆满完成了项目的预定任务，提出了一套完备的A-INS测量误差传播模型来揭示各误差源与相对测量精度之间的定量关系，明确了在厘米级的GNSS位置修正下惯导能够实现亚毫米级相对测量精度，满足高铁轨道精测的要求；积累了一套铁路轨道几何状态A-INS软硬件平台，以及仿真和实测验证手段。培养了包括教师和研究生在内的十余人的学术梯队，在国内外形成一定知名度和影响力。