多傳感器融合定位在高速鐵路的應(yīng)用
2009年在武廣、鄭西等客運專線中,C3列控系統(tǒng)的應(yīng)用,對高速鐵路列車定位技術(shù)提出了更高的要求。C3列控系統(tǒng)的主要技術(shù)原則中明確提出,列車的運營速度達到350 km/h,最小追蹤間隔為3 min,并且300 km/h及以上動車組不裝設(shè)列車運行監(jiān)控裝置,在300 km/h及以上線路,CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設(shè)備速度容限規(guī)定為超速2 km/h報警、超速5 km/h觸發(fā)常用制動、超速15 km/h觸發(fā)緊急制動。這些技術(shù)原則要求高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)必須在任何時刻、任何地方都能確定列車的準(zhǔn)確位置,包括列車的行車安全的相關(guān)間隔、速度、加速度及軌旁設(shè)備和車載設(shè)備資源的分配。由這些信息來確定是否需要采取制動措施,保證安全間隔。目前,陀螺、加速度計、里程儀、GPS接收機等傳感器已經(jīng)普遍應(yīng)用于列車測速定位系統(tǒng)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/162014.htm高速鐵路技術(shù)的發(fā)展是多種多樣的,各個國家根據(jù)其路況、地形、運營需求采用不同的定位技術(shù)。法國AS-TREE系統(tǒng)采用多普勒雷達進行測速定位;北美ARES,PTC,PTS系統(tǒng)采用GPS(全球定位系統(tǒng))進行定位;歐洲ETCS、日本CARAT系統(tǒng)采用查詢/應(yīng)答器和速度傳感器進行定位;德國LZB系統(tǒng)采用軌間電纜進行列車定位;美國AATC系統(tǒng)采用無線測距進行定位。
根據(jù)中國鐵路地形、線路的復(fù)雜狀況及高速鐵路對列車定位技術(shù)的要求,文中提出了多傳感器組合定位的方案,選用GPS/DR/MM組合定位的方式,利用多傳感器組合定位技術(shù)信息互補的特點,采用卡爾曼濾波將所得信息進行數(shù)據(jù)融合,得到比單一傳感器定位更精確的定位數(shù)據(jù)。
2 列車定位系統(tǒng)方案
該方案利用DR自主定位的特點,可以保證列車在任何地方、任何時候都可以輸出定位信息,而GPS的采用可以給DR提供初始位置數(shù)據(jù),MM的運用滿足了系統(tǒng)對定位精度的需求。融合算法部分采用聯(lián)邦濾波算法,解決了其他濾波算法計算負(fù)擔(dān)重,容錯性能差的缺點。
2.1 列車定位方式的選擇
2.1.1 定位方式介紹
GPS是一種無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。作為最早應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)的高新技術(shù),有著在全球范圍內(nèi)、在任意時刻、任意氣象條件下為用戶提供連續(xù)不斷的高精度三維位置、速度和時間信息的特點。采用GPS定位時只需要在機車上安裝接收機即可,但在周圍阻擋物多的地方列車的定位精度會受到影響。并且,GPS對衛(wèi)星故障十分敏感,一但一顆衛(wèi)星失效,就會出現(xiàn)GPS性能惡化的情況。所以,不能單一的將GPS定位信息作為列控系統(tǒng)的位置參數(shù)。
DR是車輛定位導(dǎo)航中采用的一種比較經(jīng)典的算法。它由測量航向的傳感器和測量距離的傳感器構(gòu)成。本方案中采用里程儀作為測量距離的傳感器,陀螺儀作為測量航向的傳感器。里程儀輸出的是脈沖信號。車輪每轉(zhuǎn)一圈,里程儀輸出固定數(shù)量的脈沖信號,通過累加一定時間內(nèi)的里程儀的脈沖數(shù)目,可以計算出車輛在這一段時間內(nèi)所駛過的距離,也可以計算出車輛行駛的速度。陀螺儀輸出航向角的角速率信息。將陀螺輸出的角速率信息積分可得到列車的相對轉(zhuǎn)角。與GPS相比,DR可以自主定位,不存在遮擋等問題引起的列車定位信息遺失。但DR系統(tǒng)的初始位置無法自主得到,并且航跡推算是一個累加的過程,不同時刻的測量誤差和計算誤差都會累積起來,隨著時間的推移,DR誤差是一個發(fā)散的過程。
2.1.2 定位方案
根據(jù)以上對GPS和DR定位特點的分析,本方案采取多傳感器組合定位技術(shù),即各種定位技術(shù)互相補充的方案。在鐵路線路區(qū)間,當(dāng)GPS信息連續(xù)時在機車頭部安裝的GPS接收機將GPS信息送給定位系統(tǒng),GPS信息作為主信息,DR信息和查詢應(yīng)答器信息作為校驗信息,三者聯(lián)合濾波后給出最優(yōu)的定位估計信息。
遇到“城市峽谷“等障礙區(qū)時,GPS信號會消失或減弱,這時采用DR信息作為主信息。GPS失效前一點位置正好可以作為DR的初始位置,有了初始位置以后,利用里程儀和陀螺儀就可以對下一時刻列車的位置做出估計。
列車進入車站后,由于股道線間距很小,GPS和DR的定位精度已經(jīng)不能很好的表現(xiàn)出股道的差異,因此采用查詢應(yīng)答器來獲得列車在站內(nèi)的定位信息。此時查詢應(yīng)答器信息作為主信息,而GPS信息和DR信息作為校驗信息。
2.2 數(shù)據(jù)融合方法
該方案最核心的問題就是系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)融合的定位算法的設(shè)計。在列車測速定位領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合方法有判斷檢測理論、估計理論、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等,而應(yīng)用最廣泛的就是估計理論中的卡爾曼濾波方法。與其他估計算法相比,卡爾曼濾波具有顯著的優(yōu)點:采用狀態(tài)空間法在時域內(nèi)設(shè)計濾波器,用狀態(tài)方程就可以描述任何復(fù)雜多維信號的動力學(xué)特性,避開了在頻域內(nèi)對信號功譜做分解帶來的麻煩,濾波器的設(shè)計簡單易行,采用遞推算法。所以卡爾曼濾波能適用于任何平穩(wěn)或非平穩(wěn)隨機向量過程的估計,所得估計在線性估計中精度最佳。目前已經(jīng)開發(fā)的濾波算法包括線性卡爾曼濾波,擴展卡爾曼濾波以及聯(lián)邦卡爾曼濾波。該方案采用聯(lián)邦卡爾曼濾波進行數(shù)據(jù)融合。
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