北斗-INS组合视野之铁路站列车定位方式概述

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  1引言

  1.1研究背景及意义

  《铁路“十二五”发展规划》中对我国铁路硬件发展的定位目标为:路网布局更加完善,技术装备先进适用,运输安全持续稳定,信息化水平全面提高,运输能力大幅提升⑴。根据《规划》,到2015年,全国铁路营业里程要达到12万公里左右,其中快速铁路网营业里程达4万公里以上,中西部地区铁路5万公里左右,初步形成便捷、安全、经济、高效、绿色的铁路运输网络,以适应经济社会发展需要。2013年1月9日发布的《铁路主要技术政策》要求全面推进铁路信息化建设,大力发展数字化、智能化铁路,积极发展应用物联网、云计算、地理信息、卫星导航、下一代互联网等现代信息技术[2]。在提高铁路运输效率、减少运营维护成本、保障铁路运输安全方面,铁路信号系统尤其是列车运行控制系统的信息化起着至关重要的作用,而实现基于GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem,全球卫星导航系统)的列车自主定位是列车运行控制系统的信息化的重要一环。青藏线ITCS(IncrementalTrainControlSystem,增强型列车控制系统)中对GPS(GlobalPositioningSystem,全球定位系统)的应用证明基于GNSS的列车自主定位己经成为信号系统发展的重要推手PI。我国在参照欧洲ETCS(EuropeanTrainControl,欧洲列车运行控制系统)技术规范的基础上制定了适合我国铁路运行情况的中国列车运行控制系统CTCS(ChinaTrainControlSystem)技术规范,其中CTCS-4级列控系统设计基于无线传输信息,釆取目标距离控制模式,地面可取消轨道电路,由RBC和车载定位系统进行列车定位和完整性监测,从而实现真正意义上的移动闭塞,主要面向将来的高速新线及特殊线路,其车载子系统拟利用全球卫星定位提供列车位置及速度信息,实现列车自主定位。

  1.2国内外研究现状

  传统列控系统中主流列车定位方法主要有三种:一是采用基于速度传感器(包括轮轴传感器、多普勒雷达和测速电机等)的定位方法积分推算列车实时位置,二是应用地面点式应答设备更新列车当前位置,三是使用轨道电路进行列车的区间占用检测。以美国GPS为代表的GNSS系统近年在铁路定位领域得到极大发展,其应用也愈加广泛基于GNSS实现列车自主定位是目前列出定位领域研究关注的热点。由于GPS定位所得直接结果是定位目标在大地坐标系下的三维坐标,其定位结果在三维空间内产生误差,针对列车定位的性能需求,目前的研究和应用大多采用多传感器构成组合系统,或者结合地图匹配的方法,以校正定位误差,并且将定位结果转换为铁路应用所需的形式。GE公司的ITCS系统通过差分GPS与里程计组合,实现列车动态位置跟踪,目前我国青藏线列车的区间定位正是采用此项技术。法国ALSTOM公司的ATLAS-400采用GNSS定位技术实现低密度线路的列车控制,正成为ETCS规范的一个重要组成部分。欧盟研究机构针对基于GNSS列车自主定位及其在低密度线路应用开展了一系列项目研宄。GARDEROS、RUNE、INTEGRAIL应用基于Kalman滤波的组合导航技术,基于GNSS并利用陀螺仪、加速度计、里程计等辅助信息进行融合定位,并通过地图匹配获得更加精确的定位结果。LOCOPROL采用基于卫星伪距的一维列车定位算法,进行列车的区段定位,定位结果精度比一般卫星定位低,但满足定位安全完整性需求,如图1-1所示。

  2基于北斗-INS的多传感器组合列车定位方法

  2.1列车组合定位原理

  列车定位在列车运行控制系统中的地位至关重要,是列控系统对列车运行速度、安全防护距离和制动方式进行监督、控制和调整的核心参数。能否准确、及时地获得列车位置信息,是保障列控系统安全、高效运行的首要问题,因而列车定位必须满足以下几项基本要求[7]:(1)精确性:定位信息的精度需满足两种不同要求,一是列车在同一轨道上纵向的定位精确性,二是列车在不同轨道之间的横向的定位精确性;(2)连续性:定位信息必须连续输出,即在时间上有良好的可用性;(3)覆盖性:定位信息应不受环境影响,即在空间上有良好的可用性。列车定位与航空、航海、公路交通定位的最大不同在于,列车运行的轨迹严格取决于轨道走向,通过轨道占用与公里标可以直接确定列车所在位置。线路所或者车站会存在多条并行轨道或者分叉轨道,列车走向在这一区域发生变化,通过轨道占用可以判断列车行进路线。在非并线区段轨道占用不会更改,而且公里标与线路上的点一一对应,在轨道占用确定不变的情况下,公里标是判断列车精确位置的唯一依据。因而在现代铁路应用中,获取定位目标(列车)的公里标与轨道占用是定位的最终目的。公里标是一维的位置的表达形式,通过线路上某一点距参照点的距离表征该点的绝对位置。公里标的获取方法有两大类:推算法和匹配法。推算法基于线路一维延伸的特性,只要将已知公里标的某一点作为参考点,即可通过推算目标点与参考点之间的有向距离获得目标点的公里标。匹配法实际上是坐标系转换的方法,通过匹配将测量坐标系中的点转换为公里标。

  2.2基于北斗-INS的列车组合定位方法功能框架

  基于北斗-INS的列车组合定位系统主要由三部分构成:输入子系统、逻辑子系统、输出子系统。功能设定如下:

  (1)输入子系统负责采集列车运行状态,并进行初步的数据处理,将釆集结果推送给逻辑子系统;

  (2)逻辑子系统负责进行定位运算,运用组合定位的方法,根据传感器信息解算列车位置,并把运算结果推送到输出子系统;

  (3)输出子系统根据不同数据需求方各自的需要将定位结果以协议固定形式对外发送。

  卫星定位解算数据以NMEA-0183格式直接发送给逻辑子系统。目标数据主要包括:位置数据(讳度、经度、高程)、动态数据(地面速度、地面航向)、定位完整性数据(定位状态、使用卫星数、DOP)。IMU釆集单元按照预设的采集速率进行列车动态参数(载体的三维角速度与三维加速度)的釆集,并进行数据预处理,将同一时刻的完整动态参数信息打包发送给逻辑子系统。假设列车以250Km/h的速度运行,每秒前进距离约70m对于运动检测来说,需要有一个较高的采样速率才能平滑的表征运动轨迹。一般来说,根据应用和成本需要,卫星定位釆样速率选择1-l0Hz,IMU采样速率选择50-500HZ。

  3基于句法结构模式识别的列车进路推理.........21

  3.1道岔特征.........21

  3.2列车在咽喉区运动状态的动力学特征模型.........23

  3.3句法结构模式识别.........25

  3.3.1句法分析作模式识别.........25

  3.3.2基于自动机的模式推理方法.........27

  3.4基于句法方法的列车进路推理.........28

  3.5本章小结.........33

  4基于惯性导航动态修正方法的列车定位.........35

  4.1捷联惯导基本算法.........35

  4.2捷联惯导的动态零速校正.........39

  4.3动态初始对准问题.........42

  4.4捷联惯导动态修正的Kalman滤波实现.........43

  4.5本章小结.........47

  5组合定位平台实现与试验验证.........49

  5.1组合定位试验平台实现.........49

  5.2算法仿真试验验证.........52

  5.3本章小结.........58

  5组合定位平台实现与试验验证

  5.1组合定位试验平台实现

  组合定位试验平台经历了两个阶段的设计实现。第一阶段是分离式设计,硬件部分主要是多传感器数据采集平台,采集软件运行在PC端,数据采集平台与PC之间采用串口通信,场景数据在线下进行处理分析。第二阶段建立在基于GNSS的列车测速定位单元系统基础上,整个组合定位过程在测速定位单元中实现。基于GNSS的列车测速定位单元是组合定位系统的第二阶段实现,整个组合定位过程在单元中完成,实现列车车载自主定位。单元主要功能设计是:从传感器釆集速度位置信息后进行数据融合和处理,为车载主机输出可靠的列车定位信息。单元由逻辑处理单元和多种类型的测速测距传感器单元组成。测速定位传感器单元包括速度传感器(VelocitySensor,SS)、惯性测量单元(InertialMeasurementUnit,IMU)和基于全球导航卫星系统的定位模块(GPS+BDS),负责采集列车的速度、位置信息。逻辑处理单元负贵传感器信息的融合处理、地图匹配、定位结果输出等功能,釆用研华PCM9362工控板卡加载LINUX系统以及上层应用程序实现。基于GNSS的测速测距单元对外接口采用兼容性设计,可直接替换既有列控系统中使用的测速定位单元,与车载主机通过总线相连接。图5-5是单元的简要构造框图。

  结论

  基于GNSS的列车自主定位是列车运行控制系统信息化的现实需求,北斗卫星定位系统的应用为列车定位系统的发展提供了新的思路和方向,未来北斗卫星定位系统必然将会深入渗透到铁路领域的定位应用中。本文基于以上背景,针对卫星定位局限性导致的应用瓶颈,讨论了基于组合定位的铁路站场列车自主定位方法,将INS与BDS结合,实现列车的全时自主定位。本文主要解决了以下三个问题:

  (1)组合定位实现方法的设计。文中提出并详细阐述了基于北斗卫星导航系统与MEMS捷联惯导的组合定位方法的功能框架与工作逻辑。

  (2)列车站内轨道占用的识别。针对卫星定位水平精度不足以进行站内平行股道下列车轨道占用识别的问题,设计了采用陀螺仪辅助的方法,利用句法结构模式识别,结合站场线路拓扑,对陀螺仪提供的列车运动的航向信息进行建模分析,有效的判断列车轨道占用。

  (3)在卫星定位失效条件下的列车自主定位。针对车站半封闭环境对卫星定位结果有效性的影响,设计了基于捷联惯导辅助的列车定位方法,保证卫星定位失效条件下定位数据的持续输出。对捷联惯导的误差修正方法进行了探索,设计了基于动态零速修正方法的Kalman滤波器进行误差修正。

  ……………

  参考文献(略)

  (责任编辑:gufeng)