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(wèn)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(yùn)行密度高、車站間距近、安全性要求高，列車需要實(shí)時(shí)了解列車在線路中的精確位置，從而實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地對(duì)每一列車進(jìn)行監(jiān)督、控制、調(diào)度及安全防護(hù)，在保證列車運(yùn)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(wù)。

列車定位方法的精度和可靠性是影響列車安全防護(hù)距離的重要因素之一，會(huì)關(guān)系到列車的運(yùn)行間隔，會(huì)影響到軌道交通系統(tǒng)的效率；列車定位方法的機(jī)理和采用的傳感器是影響列車運(yùn)行控制系統(tǒng)制式的重要因素之一，會(huì)關(guān)系到可采用的閉塞制式，會(huì)影響到列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的兼容性和生命周期費(fèi)用。所以列車運(yùn)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲得列車速度和位置信息是列車安全、高效運(yùn)行的保障。如何精確地檢測(cè)列車的速度和位置以對(duì)列車的運(yùn)行等進(jìn)行控制是軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的核心內(nèi)容。因此對(duì)列車測(cè)速定位方法的深入研究對(duì)于推動(dòng)列車運(yùn)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(yuǎn)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(dá)測(cè)速(3)查詢／應(yīng)答器的列車定位(4)里程計(jì)（5）擴(kuò)頻無(wú)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(shí)現(xiàn)列車定位，又可以檢測(cè)軌道的完好情況；但誤差是一個(gè)軌道電路區(qū)段長(zhǎng)度。2、基于里程計(jì)累加測(cè)距的列車定位通過(guò)累計(jì)車輪轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)算出列車行駛過(guò)的里程。但存在空轉(zhuǎn)、滑行輪徑磨耗帶來(lái)的誤差。二.目前存在的問(wèn)題3、基于測(cè)速的列車定位采用加速度傳感器(陀螺儀)測(cè)量列車在三維空間的加速度，然后通過(guò)積分計(jì)算獲得，也可以通過(guò)多普勒雷達(dá)測(cè)速方式測(cè)量。這是一種典型的增量式相對(duì)定位，缺點(diǎn)是積分造成累計(jì)誤差。4、基于查詢／應(yīng)答器的列車定位間隔設(shè)置在鐵路沿線上，列車經(jīng)過(guò)應(yīng)答器，車載查詢器就會(huì)讀取存儲(chǔ)其上的位置數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)定位。優(yōu)點(diǎn)是在地面應(yīng)答器安裝點(diǎn)的定位精度較高，缺點(diǎn)是只能給出點(diǎn)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(wèn)題5、基于無(wú)線通信的列車定位在列車和鐵路沿線上設(shè)置擴(kuò)頻無(wú)線電設(shè)備，利用先進(jìn)的無(wú)線擴(kuò)頻通信、偽碼測(cè)距和計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的實(shí)時(shí)定位、跟蹤。無(wú)線擴(kuò)頻列車定位的優(yōu)點(diǎn)是定位比較精確，但需要在沿線設(shè)置專用擴(kuò)頻基站，投資成本較高。6、基于GPS定位可實(shí)現(xiàn)全球、全天候連續(xù)地實(shí)時(shí)導(dǎo)航與定位，操作簡(jiǎn)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(wèn)題小結(jié)以上列車定位方式都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足，CBTC是車-地雙向通信，運(yùn)輸效率高，而列車定位是CBTC其中一項(xiàng)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(yùn)行環(huán)境比較復(fù)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(gè)定位傳感器優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，彌補(bǔ)各自的不足，通過(guò)冗余互補(bǔ)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(kāi)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(duì)多傳感器信息的處理技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、相關(guān)、和組合等方式以獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象更加精確的定位。優(yōu)點(diǎn)：1、提高可信度2、降低不確定度3、改善信噪比4、增強(qiáng)魯棒性5、降低成本

結(jié)構(gòu)蘋設(shè)計(jì)構(gòu)建節(jié)一個(gè)售多傳競(jìng)感器愉信息習(xí)融合足系統(tǒng)桂考慮貴以下三個(gè)著問(wèn)題:1、如后何組采合傳起感器,保證釀多傳所感器探信息珠融合士系統(tǒng)繳的輸輕入輸噴出滿端足要籌求;2、如沈何合抱理選票擇信恐息融閉合結(jié)暮構(gòu),保證堵信息脖融合專的有捧效匠性,最大晶限度暑地發(fā)換揮多恢傳感牽器信柄息融倆合的鈴優(yōu)勢(shì);3、大瞧量的魂輸入老數(shù)據(jù)間有助愁于信朱息融罰合,同時(shí)竹也會(huì)釋導(dǎo)致昌融臺(tái)合計(jì)服算量蓄呈級(jí)召數(shù)級(jí)姜增加,要考疤慮控途制計(jì)牧算量,降低尿處理尖負(fù)荷定性禾分析輪軸伏速度忙傳感喜器和尋多普配勒雷我達(dá)速晶度傳梢感器專的測(cè)襲速原柿理決溝然不擇同,它們侍的誤擾差來(lái)球源也奇有很腎大的妙區(qū)別,來(lái)自毯不同鋼的情飯況,互不鄉(xiāng)豐相干,輪軸茂速度逃傳感絞器和恐多勒招雷達(dá)呈速度鄭傳感設(shè)器能本地進(jìn)純行優(yōu)決勢(shì)互椅補(bǔ)"而加獵速度妖計(jì)更碼是與遲上述仆兩種恭傳感畏器有素較大播區(qū)別,上述欣兩種翁傳感扛器測(cè)拉量的謙是列逼車速慌度分輪量,而加衡速度茫計(jì)測(cè)悼量的揀是列堡車加斧速度棟分量,其隨胳機(jī)誤階差主損要是甚其固辭有測(cè)蛇量誤惕差和釘列車秀振動(dòng)乓引起智的測(cè)朋量誤慮差,不受鋤軌道川狀況號(hào)的影品響,所以冤加速火度計(jì)跨與上忘述兩爬種傳衣感器上進(jìn)行覽信息坑融合厲能進(jìn)沈一步蹤蝶提高尼測(cè)速伙定位交的精潔度"融合考方案信息育融合胸的結(jié)縫構(gòu)方拌案關(guān)散系到擱測(cè)速卻定位郊系統(tǒng)客的性棚能,對(duì)列所車狀險(xiǎn)態(tài)估頭計(jì)的必精度北和實(shí)削時(shí)性拒有很會(huì)大的淋影響,但是壺也不呆能忽凍視系亭統(tǒng)中警的處撐理算沾法模卻型?！叭诤仙杲Y(jié)構(gòu)小是框蒸架,處理哪算法揚(yáng)是內(nèi)寄容”，沒(méi)雹有好超的融碰合結(jié)鄭構(gòu),再好卡的處境理算絕法也勞力不無(wú)從心;沒(méi)有認(rèn)好的處處理憂算法,再好放的融站合結(jié)淡構(gòu)也撞無(wú)從帝發(fā)揮份，所贏以有法了適出當(dāng)?shù)淖尤诤习航Y(jié)構(gòu),還要途有適寸當(dāng)?shù)囊刑幚頂[算法釘。下秧面就跑進(jìn)行新處理訊算法鋸模型撿的設(shè)養(yǎng)計(jì)算正法的收基本管思想盞。小結(jié)1.狀態(tài)寬方程松的建匆立在城孕市軌溝道交冊(cè)通中,列車發(fā)動(dòng)量幸較大,而且鋸列車材的運(yùn)刃作要盤遵循編相關(guān)切的準(zhǔn)耗則，沸規(guī)章,正常率情況縱下都堵是等篩速運(yùn)行行和免等加魚(yú)速運(yùn)呼行,而勻瞇速運(yùn)辮行動(dòng)脫模型擊可以朵認(rèn)為平是加鹿速度暮為高災(zāi)斯白亂噪聲猜的勻雙加速蕉運(yùn)動(dòng)塊模型"所以樂(lè)比較干適合攀用勻聽(tīng)加速材運(yùn)動(dòng)叢模型蹄來(lái)描脅述城危市軌倡道交躍通中舅的列圓車運(yùn)跨動(dòng)狀狹態(tài),即四.列車算定位鞋系統(tǒng)另模型決的建證立式中l(wèi)、v、a分別并為列并車的券位置覺(jué)、速美度和揪加速口度分仇量;設(shè)w(鏈t)是均知值為,方差言為?2,的高第斯白吉噪聲,相當(dāng)晨于隨理機(jī)擾免動(dòng)加夠速度“可以任看出,列車件的加灣速度悠是改驗(yàn)變列爽車狀頓態(tài)的光根源窩。令姐：則狀損態(tài)方烏程為劈燕：四.列車制定位羽系統(tǒng)辰模型趕的建弓立離散挽化，范取窮，根剃據(jù)速補(bǔ)度和朝加速別度的輔迭代霉公式式中l(wèi)(得k)、v(狼k)和a(糞k)分別尸為k時(shí)刻怨列車趙的位袍置、缺速度頂和加恨速度糟分量;分別信為在k時(shí)刻后影響卷列車肥位置銹、速豈度和脈加速媽度的握系統(tǒng)樸噪聲趣。用敵矩陣新表示扣為：四.列車拋定位唇系統(tǒng)禾模型伍的建辰立2.量測(cè)綢方程揭的建燥立輪軸鴉速度吸傳感瘡器的屢測(cè)量茫方程級(jí)為：加速正度計(jì)已的測(cè)宵量方膨程為兩：多普鄉(xiāng)豐勒雷穩(wěn)達(dá)速蒸度傳弓感器露的測(cè)幅量方弟程為奪：其中V(涼k)為測(cè)財(cái)量噪番聲，H(通k)為測(cè)拖量矩省陣。四.列車鉛定位押系統(tǒng)奶模型慎的建燦立綜上勸所述比的系郊統(tǒng)的糠公共娃狀態(tài)宵方程否為：各傳殺感器秘的觀坦測(cè)方犬程為榮：四.列車眾定位媽系統(tǒng)川模型荷的建糾立五、思卡爾百曼濾佛波簡(jiǎn)單燦來(lái)說(shuō)慎，卡底爾曼況濾波協(xié)器是番一個(gè)“o認(rèn)pt踢im燃al爽r塞ec桐ur剩si騰ve卷d嫩at治a冤pr蘋oc嘆es形si矮ng銳a家lg燃o(jì)r寄it首hm（最蹈優(yōu)化區(qū)自回延歸數(shù)退據(jù)處鉗理算磚法）”。對(duì)洲于解乞決很環(huán)大部冶分的家問(wèn)題眾，他光是最而優(yōu)，抬效率帳最高降甚至妥是最勇有用竭的。鈔卡爾銳曼濾撇波是渠以最撫小均伏方誤雹差為磁估計(jì)計(jì)的最粗佳準(zhǔn)東則，閑來(lái)尋盜求一夾套遞掏推估標(biāo)計(jì)的輛算法移，其平基本熟思想選是：肉采用麗信號(hào)坡與噪蜓聲的鉤狀態(tài)喜空間雙模型屆，利起用前茂一時(shí)毛刻地咬估計(jì)摧值和緒現(xiàn)時(shí)束刻的蝕觀測(cè)研值來(lái)轎更新汁對(duì)狀肉態(tài)變笑量的飄估計(jì)捉，求形出現(xiàn)爬時(shí)刻終的估上計(jì)值某。它睬適合費(fèi)于實(shí)患時(shí)處迅理和夏計(jì)算掙機(jī)運(yùn)析算。Ka某lm成an濾波憂器從惜有關(guān)磚的測(cè)嚷量值戒中,通過(guò)鵝算法泊估計(jì)瀉出所亭需信難號(hào)“其中茂被估礎(chǔ)計(jì)信彩號(hào)是百含有贈(zèng)由白各噪聲孫激勵(lì)柳引起沸的隨副機(jī)響擴(kuò)應(yīng)的掘信號(hào)海，它答十分仗適合錫于動(dòng)棗態(tài)測(cè)縮慧量,在列酸車測(cè)默速定和位中葡具有襲很好錢的應(yīng)爐用。六常用晝的Ka碌lm戲an濾波倚器有派線性Ka吩lm兵an濾波哥器、鍛擴(kuò)展Ka準(zhǔn)lm歡an濾波乎器和兔聯(lián)邦Ka疲lm法an濾波韻器等”。線性Ka句lm真an濾波秩器、當(dāng)擴(kuò)展Ka鏡lm層an濾波缺器都抵屬于仿集中娘式Ka抱lm饅an濾波陽(yáng)器,系統(tǒng)呼使用獲一個(gè)侮濾波熔器集竄中地隱處理構(gòu)所有搶動(dòng)態(tài)要定位揮子系孝統(tǒng)的互信息,其工躺作原虜理如滲前所紫述五、扶卡爾策曼濾斬波聯(lián)邦Ka州lm丸an濾波供器的迫結(jié)構(gòu)膏基本建上采梨用分洞布式董融合籌結(jié)構(gòu),是一陰種具證有兩謙級(jí)結(jié)蜂構(gòu)的菜分散簽化濾稠波算困法,它由潔若干致子濾納波器牢和一妻個(gè)主斗濾波百器組錦成,各子刃濾波撲器獨(dú)示立地眉進(jìn)行祥時(shí)間少更新脊和量級(jí)測(cè)更明新。聯(lián)邦Ka殼lm唉an濾波森器的集一般乞結(jié)構(gòu)般如圖常規(guī)Ka墓lm椅an濾波午可有沈兩種械方法:直接闊法和屠間接?jì)鸱?，例直接蚊法Ka即lm涼an濾波脖器接腰受各捕個(gè)傳避感器匆測(cè)量館的測(cè)列速定太位參籍?dāng)?shù),經(jīng)過(guò)陸濾波長(zhǎng)融合性計(jì)算,得到屢所有激測(cè)速亞定位標(biāo)參數(shù)施的最屆優(yōu)估虹計(jì)值偶，直落接法拖如下供圖由于習(xí)列車翠測(cè)速抄定位盛中的置觀測(cè)絡(luò)量較萍少,而且?guī)るx散禽化后抗方程旁是線似性方挺程,所以牛列車孝測(cè)速寒定位冤系統(tǒng)潛中的Ka丹lm蝦an濾波冬器采梅用直臟接法昨設(shè)計(jì):首先親每個(gè)埋傳感流器要說(shuō)單獨(dú)斑進(jìn)行惑常規(guī)Ka島lm養(yǎng)an濾波,K蓬al植ma史n濾波訊給出償?shù)南盗薪y(tǒng)狀傭態(tài)估計(jì)逃遞歸楚算法茂為狀態(tài)菌估計(jì)者值：狀態(tài)歲進(jìn)一殿步預(yù)糟測(cè)值:一步企預(yù)測(cè)載誤差延方差幸陣:濾波貧增益曬矩陣:估計(jì)潮誤差嚼方差天陣:式中偉的下挖標(biāo)表沸示對(duì)直應(yīng)的行時(shí)刻,每個(gè)粱傳感茶器經(jīng)屑過(guò)常巨規(guī)Ka超lm污an濾波怠后得搬到各頑自的掠最優(yōu)兄狀態(tài)蠻估計(jì)癥戈(k爹}k倉(cāng))及其街協(xié)方差箏矩陣砌月(k犬}k趟),再把恩各個(gè)撒局部晃濾波回器的貞最優(yōu)買狀態(tài)純估計(jì)旁及協(xié)兵方差倒一起騾送到腿主Ka撓lm張an濾波拘器,進(jìn)行繳全局蚊狀態(tài)羨的最樹(shù)優(yōu)估鉛計(jì)主濾略波器癢要進(jìn)坦行狀益態(tài)更細(xì)新和亮?xí)r間宋更新,同時(shí)截對(duì)每聞個(gè)局政部濾騙波器真進(jìn)行犯信息刮分配并與四最終哭的狀眠態(tài)估幕計(jì)一供起反僵饋到策各個(gè)長(zhǎng)局部謀濾波疊器"信息路分配維是按萍照信炸息守稱恒原支理在青各局窄部濾本波器鼠和主塔濾波巴器之秧間分田配整節(jié)體系繁統(tǒng)信釘息"這樣男可以景根據(jù)飾不同腐傳感斧器的瞧特性陵和工飼作狀雞態(tài)進(jìn)溉行信輸息分跑配,從而液能更扭好的基發(fā)揮酒不同趨傳感慈器的揪優(yōu)勢(shì)牽和減鹿少因滑某個(gè)閑傳感村器發(fā)仙生故卻障而谷給主毀濾波蒼器的每融合臨濾波乳帶來(lái)親的影聞響"在這關(guān)里,由于俊信息弟來(lái)源免主要燃是各反個(gè)傳政感器,主濾健波器夠只把虹各局生部濾叉波器恰的最慎優(yōu)估狀計(jì)進(jìn)戲行全頸局最指優(yōu)估忘計(jì)"所以宰把信憲息都很分配踏到各居個(gè)局擁部濾教波器,主濾只波器攏不返扶回任義何分掩配信爛息"要根醉?yè)?jù)輪煤軸速迫度傳窗感器!多普努勒雷級(jí)達(dá)速敏度傳醬感器耀和加鉤速度廳計(jì)的鍬特性,以及養(yǎng)各傳禍感器灑的工罷作狀勇態(tài)對(duì)左信息茅分配吧系數(shù)積進(jìn)行拐自適等應(yīng)分以配,具體僻原則腸如下:具休棍算法娘流程策如圖具體汽的基顫于聯(lián)余邦Ka瞎lm掩an濾波低的多