列車定位技術(shù)

列車定位技術(shù)一.列車定位研究的意義及現(xiàn)狀二.目前存在的問題三.基于多傳感器信息融合的列車定位技術(shù)四.列車定位系統(tǒng)模型的建立五.卡爾曼濾波

內(nèi)容提要由于軌道交通列車運行密度高、車站間距近、安全性要求高，列車需要實時了解列車在線路中的精確位置，從而實時、動態(tài)地對每一列車進行監(jiān)督、控制、調(diào)度及安全防護，在保證列車運行安全的前提下，最大限度地提高系統(tǒng)的效率，為乘客提供最佳服務。

列車定位方法的精度和可靠性是影響列車安全防護距離的重要因素之一，會關(guān)系到列車的運行間隔，會影響到軌道交通系統(tǒng)的效率；列車定位方法的機理和采用的傳感器是影響列車運行控制系統(tǒng)制式的重要因素之一，會關(guān)系到可采用的閉塞制式，會影響到列車運行控制系統(tǒng)的兼容性和生命周期費用。所以列車運行控制系統(tǒng)的性能與列車定位子系統(tǒng)密不可分，在軌道交通行車安全和指揮系統(tǒng)中，實時、準確地獲得列車速度和位置信息是列車安全、高效運行的保障。如何精確地檢測列車的速度和位置以對列車的運行等進行控制是軌道交通運輸系統(tǒng)的核心內(nèi)容。因此對列車測速定位方法的深入研究對于推動列車運行控制系統(tǒng)的研究和軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展具有重大和深遠的意義。一、列車定位研究的意義及現(xiàn)狀(1)基于軌道電路(2)多普勒雷達測速(3)查詢／應答器的列車定位(4)里程計（5）擴頻無線

通信定位(6)GPS

常用列車定位方法1、基于軌道電路的列車定位可以實現(xiàn)列車定位，又可以檢測軌道的完好情況；但誤差是一個軌道電路區(qū)段長度。2、基于里程計累加測距的列車定位通過累計車輪轉(zhuǎn)數(shù)，計算出列車行駛過的里程。但存在空轉(zhuǎn)、滑行輪徑磨耗帶來的誤差。二.目前存在的問題3、基于測速的列車定位采用加速度傳感器(陀螺儀)測量列車在三維空間的加速度，然后通過積分計算獲得，也可以通過多普勒雷達測速方式測量。這是一種典型的增量式相對定位，缺點是積分造成累計誤差。4、基于查詢／應答器的列車定位間隔設(shè)置在鐵路沿線上，列車經(jīng)過應答器，車載查詢器就會讀取存儲其上的位置數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)定位。優(yōu)點是在地面應答器安裝點的定位精度較高，缺點是只能給出點式定位信息，存在設(shè)置間距和投資規(guī)模的矛盾二.目前存在的問題5、基于無線通信的列車定位在列車和鐵路沿線上設(shè)置擴頻無線電設(shè)備，利用先進的無線擴頻通信、偽碼測距和計算機信息處理技術(shù)，可以實現(xiàn)對列車的實時定位、跟蹤。無線擴頻列車定位的優(yōu)點是定位比較精確，但需要在沿線設(shè)置專用擴頻基站，投資成本較高。6、基于GPS定位可實現(xiàn)全球、全天候連續(xù)地實時導航與定位，操作簡單，抗干擾性能好，但城市軌道交通因其自身環(huán)境限制不能使用。二.目前存在的問題小結(jié)以上列車定位方式都有自己的優(yōu)點和不足，CBTC是車-地雙向通信，運輸效率高，而列車定位是CBTC其中一項關(guān)鍵的技術(shù)。列車定位精確性、可靠性、安全性事關(guān)重要。在城市軌道交通中，列車運行環(huán)境比較復雜，任何單一的定位方式難以獲得高精度、高可靠性的列車位置和速度信息。因而，可否利用多傳感器融合技術(shù)去把各個定位傳感器優(yōu)點結(jié)合起來，彌補各自的不足，通過冗余互補提供更加可靠、精確的列車位置和速度信息。以下就多傳感器信息融合技術(shù)展開討論。三、基于多傳感器信息融合的列車定位技術(shù)

定義：多傳感器信息融合（multi-sensordatafusion）是一種針對多傳感器信息的處理技術(shù)，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、相關(guān)、和組合等方式以獲得對被測對象更加精確的定位。優(yōu)點：1、提高可信度2、降低不確定度3、改善信噪比4、增強魯棒性5、降低成本

結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)建一個多傳感器信息融合系統(tǒng)考慮以下三個問題:1、如何組合傳感器,保證多傳感器信息融合系統(tǒng)的輸入輸出滿足要求;2、如何合理選擇信息融合結(jié)構(gòu),保證信息融合的有效性,最大限度地發(fā)揮多傳感器信息融合的優(yōu)勢;3、大量的輸入數(shù)據(jù)有助于信息融合,同時也會導致融合計算量呈級數(shù)級增加,要考慮控制計算量,降低處理負荷定性分析輪軸速度傳感器和多普勒雷達速度傳感器的測速原理決然不同,它們的誤差來源也有很大的區(qū)別,來自不同的情況,互不相干,輪軸速度傳感器和多勒雷達速度傳感器能地進行優(yōu)勢互補"而加速度計更是與上述兩種傳感器有較大區(qū)別,上述兩種傳感器測量的是列車速度分量,而加速度計測量的是列車加速度分量,其隨機誤差主要是其固有測量誤差和列車振動引起的測量誤差,不受軌道狀況的影響,所以加速度計與上述兩種傳感器進行信息融合能進一步提高測速定位的精度"融合方案

信息融合的結(jié)構(gòu)方案關(guān)系到測速定位系統(tǒng)的性能,對列車狀態(tài)估計的精度和實時性有很大的影響,但是也不能忽視系統(tǒng)中的處理算法模型?！叭诤辖Y(jié)構(gòu)是框架,處理算法是內(nèi)容”，沒有好的融合結(jié)構(gòu),再好的處理算法也力不從心;沒有好的處理算法,再好的融合結(jié)構(gòu)也無從發(fā)揮，所以有了適當?shù)娜诤辖Y(jié)構(gòu),還要有適當?shù)奶幚硭惴āＯ旅婢瓦M行處理算法模型的設(shè)計算法的基本思想。小結(jié)1.狀態(tài)方程的建立

在城市軌道交通中,列車動量較大,而且列車的運作要遵循相關(guān)的準則，規(guī)章,正常情況下都是等速運行和等加速運行,而勻速運行動模型可以認為是加速度為高斯白噪聲的勻加速運動模型"所以比較適合用勻加速運動模型來描述城市軌道交通中的列車運動狀態(tài),即四.列車定位系統(tǒng)模型的建立式中l(wèi)、v、a分別為列車的位置、速度和加速度分量;設(shè)w(t)是均值為,方差為?2,的高斯白噪聲,相當于隨機擾動加速度“可以看出,列車的加速度是改變列車狀態(tài)的根源。令：

則狀態(tài)方程為：四.列車定位系統(tǒng)模型的建立離散傭化，紛取秤，根追據(jù)速娛度和因加速脅度的養(yǎng)迭代踐公式式中l(wèi)(唐k)、v(訊k)和a(啞k)分別倘為k時刻燒列車尤的位逐置、奧速度淘和加犁速度卻分量;分別猾為在k時刻置影響疼列車北位置煙、速發(fā)度和物加速繞度的煙系統(tǒng)舟噪聲貌。用槍矩陣思表示劉為：四.列車引定位午系統(tǒng)樸模型宋的建搞立2.量測轉(zhuǎn)方程汪的建脊立輪軸推速度電傳感殺器的粒測量臟方程刻為：加速尋度計遍的測輛量方狼程為胸：多普雜勒雷磁達速趁度傳爪感器儀的測只量方幻玉程為介：其中V(潔k)為測視量噪牌聲，H(亦k)為測蓋量矩盾陣。四.列車千定位狐系統(tǒng)嘉模型堵的建廣立綜上愚所述譜的系藝統(tǒng)的縱公共湊狀態(tài)駝方程瘋為：各傳茄感器喪的觀脫測方查程為虧：四.列車剛定位飼系統(tǒng)塘模型庫的建賤立五、饞卡爾舟曼濾戀波簡單編來說夏，卡揪爾曼奮濾波乓器是臥一個“o債pt崇im牢al暢r亭ec達ur盆si查ve糕d稅at匆a乏pr耍oc張es腰si濟ng孩a旨lg庸or范it輕hm（最鈴優(yōu)化能自回雨歸數(shù)糠據(jù)處廚理算飛法）”。對符于解抓決很融大部憤分的辛問題功，他耽是最扁優(yōu)，睡效率淺最高愛甚至霜是最望有用必的。恩卡爾融曼濾寄波是相以最抵小均編方誤披差為禁估計斃的最句佳準廟則，袍來尋憲求一貨套遞伏推估秀計的宮算法余，其撤基本炮思想墨是：耳采用也信號聰與噪竟聲的絹狀態(tài)飽空間些模型垮，利押用前鼓一時飄刻地風估計筍值和縫現(xiàn)時從刻的庭觀測后值來涌更新輩對狀慣態(tài)變搏量的俯估計跳，求括出現(xiàn)稱時刻姜的估纖計值股。它值適合想于實帖時處手理和壇計算嶼機運蟻算。Ka姨lm荒an濾波柏器從迎有關(guān)視的測緞量值聞中,通過稈算法稀估計紡出所殖需信豎號“其中豆被估屢計信唐號是筆含有瓦由白辟噪聲怕激勵慚引起掛的隨叫機響潑應的荷信號衡，它顛十分戶適合羞于動箱態(tài)測愛量,在列蝕車測刻速定衡位中敲具有惠很好邀的應襲用。鐘常用蝕的Ka洗lm啞an濾波扭器有蕩線性Ka曉lm棵an濾波挺器、蕉擴展Ka音lm必an濾波晉器和敵聯(lián)邦Ka牧lm著an濾波隙器等”。線性Ka密lm米an濾波手器、綠擴展Ka悠lm拼an濾波臉器都暗屬于請集中販式Ka隙lm語an濾波距器,系統(tǒng)睛使用慘一個逝濾波弱器集沃中地崗處理塊所有絨動態(tài)偉定位從子系肌統(tǒng)的漫信息,其工默作原輩理如察前所庸述五、意卡爾澤曼濾淺波聯(lián)邦Ka紗lm臭an濾波飯器的須結(jié)構(gòu)嗚基本夸上采囑用分妖布式白融合懸結(jié)構(gòu),是一島種具險有兩膀級結(jié)聽構(gòu)的踐分散樸化濾命波算含法,它由勿若干間子濾移波器失和一信個主鋼濾波漁器組可成,各子仿濾波覆器獨零立地齊進行濫時間梅更新群和量攻測更目新。聯(lián)邦Ka每lm暮an濾波攝器的脊一般葉結(jié)構(gòu)討如圖常規(guī)Ka征lm吵an濾波資可有隆兩種漠方法:直接保法和拔間接叮法，幅直接旱法Ka羨lm董an濾波址器接故受各狂個傳長感器碼測量踏的測炕速定倘位參稼數(shù),經(jīng)過薦濾波愚融合匙計算,得到扭所有胖測速條定位匆參數(shù)鍬的最危優(yōu)估杏計值謊，直邊接法惑如下像圖由于適列車降測速哭定位終中的況觀測站量較撞少,而且夫離散類化后雅方程肌是線壓性方革程,所以專列車畫測速縣定位辜系統(tǒng)總中的Ka葬lm檢an濾波神器采收用直豈接法黎設(shè)計:首先倘每個雹傳感旁器要認單獨紅進行師常規(guī)Ka苗lm濤an濾波,K暴al循ma搭n濾波盲給出倦的系聾統(tǒng)狀跨態(tài)估計沿遞歸獻算法添為狀態(tài)笛估計寒值：狀態(tài)湊進一筐步預朋測值:一步盜預測傾誤差取方差矛陣:濾波懸增益轎矩陣:估計瓜誤差這方差滾陣:式中酬的下析標表瀉示對暫應的射時刻,每個希傳感步器經(jīng)圍過常姑規(guī)Ka減lm禍an濾波石后得術(shù)到各悉自的犬最優(yōu)陜狀態(tài)非估計行戈(k敘}k雜)及其裁協(xié)方差爭矩陣雪月(k武}k誕),再把艱各個恒局部細濾波屑器的甲最優(yōu)息狀態(tài)鎖估計米及協(xié)部方差盒一起秘送到酷主Ka袖lm盆an濾波倦器,進行慢全局藏狀態(tài)輕的最勺優(yōu)估下計主濾警波器匆要進獎行狀鉆態(tài)更巨新和銜時間憐更新,同時拘對每過個局命部濾拿波器暖進行乏信息乳分配并與姿最終閣的狀蜓態(tài)估爪計一杏起反隱饋到據(jù)各個竊局部煤濾波落器"信息肅分配防是按異照信歲息守啟恒原嚷理在音各局叨部濾歲波器碎和主池濾波律器之罰間分楚配整帽體系矮統(tǒng)信扛息"這樣曬可以碧根據(jù)健不同餐傳感漆器的爸特性兇和工蘆作狀恨態(tài)進傅行信卻息分箏配,從而察能更堵好的雅發(fā)揮銅不同考傳感夜器的開優(yōu)勢露和減強少因墻某個阻傳感竊器發(fā)致生故隔障而有給主永濾波掏器的忌融合勝濾波遼帶來序的影景響"在這室里,由于夾信息靠來源達主要亂是各開個傳生感器,主濾印波器栽只把莖各局箱部濾明波器瀉的最庭優(yōu)估燙計進嬌行全置局最津優(yōu)估呆計"所以賴把信盞息都弊分配孔到各獵個局陡部濾占波器,主濾騙波器艙不返獨回任速何分都配信決息"要根爪據(jù)輪以軸速想度傳黑感器!多普砍勒雷霧達速獻度傳數(shù)感器獨和加兩速度伏計的單特性,以及洽各傳何感器榜的工伍作狀彼態(tài)對案信息升分配疊系數(shù)零進行誰自適蟻應分吊配,具體盛原則漠如下:具休拿算法撓流程垂如圖具體蘇的基陵于聯(lián)午邦Ka貢lm街an濾波教的多戶傳感屢器信篩息融割合測骨速定送位系懶統(tǒng)的位結(jié)構(gòu)益如圖基于芽速度祝的測鍵距定線位存絨在誤祖差累主積的材問題,長期庭