基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的列車組合定位技術(shù)研究的中期報(bào)告

基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的列車組合定位技術(shù)研究的中期報(bào)告摘要：本中期報(bào)告介紹了基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的列車組合定位技術(shù)研究的進(jìn)展情況，包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理算法開發(fā)、定位算法實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方面。通過對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)特性及列車運(yùn)行環(huán)境的分析，設(shè)計(jì)了基于GSM-R的組合定位系統(tǒng)架構(gòu)，并且開發(fā)了信號(hào)處理算法和定位算法。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并得出了符合要求的定位精度和魯棒性結(jié)果。關(guān)鍵詞：GSM-R網(wǎng)絡(luò)；列車組合定位；系統(tǒng)架構(gòu)；信號(hào)處理算法；定位算法；實(shí)驗(yàn)測(cè)試一、研究背景在列車運(yùn)行過程中，精準(zhǔn)的位置信息是保障運(yùn)行安全、提高效率、優(yōu)化調(diào)度的關(guān)鍵要素之一。目前，一般采用GPS和北斗等定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)列車定位。但由于GPS和北斗等定位系統(tǒng)存在信號(hào)覆蓋范圍限制、多徑效應(yīng)、遮擋影響等問題，在地下、城市峽谷和山區(qū)等環(huán)境下，定位精度和魯棒性不夠理想。為了解決這些問題，列車組合定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。組合定位指的是通過多種不同的技術(shù)手段結(jié)合使用，互相補(bǔ)充、校正、優(yōu)化，提高定位精度和魯棒性的一種方法。其中，GPS/INS組合定位是最為成功的實(shí)現(xiàn)方式之一。但對(duì)于列車而言，由于軌道數(shù)據(jù)無法通過慣導(dǎo)系統(tǒng)獲取，因此無法使用GPS/INS組合定位技術(shù)。而GSM-R網(wǎng)絡(luò)則具有信號(hào)覆蓋范圍廣、穩(wěn)定性好、安全可靠等特點(diǎn)，是一種理想的替代方案。本研究旨在探究基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的列車組合定位技術(shù)，建立相應(yīng)的系統(tǒng)架構(gòu)和算法模型，提高定位精度和魯棒性，進(jìn)一步保障鐵路運(yùn)行安全和效率。二、研究?jī)?nèi)容2.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的列車組合定位，需要建立系統(tǒng)架構(gòu)模型。針對(duì)系統(tǒng)的功能和需求，本研究設(shè)計(jì)了如下框圖所示的基于GSM-R的組合定位系統(tǒng)。其中，主要包括GSM-R網(wǎng)絡(luò)、安裝于列車上的定位終端和中心處理站三部分。定位終端通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)獲取基站信號(hào)、天線信息、車速等數(shù)據(jù)，并通過自身的傳感器獲取航向、角速度、加速度等信息，再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到中心處理站。中心處理站通過對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、校正、優(yōu)化，最終輸出列車的位置信息。2.2信號(hào)處理算法在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中，由于基站數(shù)量有限、信號(hào)傳輸受到多徑效應(yīng)、信號(hào)衰減、誤碼率等影響，因此需要開發(fā)相應(yīng)的信號(hào)處理算法。本研究基于判決反饋均衡技術(shù)開發(fā)了信號(hào)處理算法，通過對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波、均衡、解碼等處理，提高了信號(hào)的質(zhì)量和可靠性。2.3定位算法實(shí)現(xiàn)本研究選擇基于卡爾曼濾波的擴(kuò)展式粒子濾波算法作為列車組合定位的基本定位模型。該算法利用擴(kuò)展式粒子濾波實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的提取和地圖匹配，通過卡爾曼濾波對(duì)多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，對(duì)列車位置進(jìn)行估計(jì)和更新。2.4實(shí)驗(yàn)測(cè)試為了評(píng)估系統(tǒng)的性能和精度，本研究在北京地鐵3號(hào)線上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括GSM-R網(wǎng)絡(luò)終端、定位終端、實(shí)時(shí)定位計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器等部件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)在室內(nèi)和室外環(huán)境下，能夠?qū)崿F(xiàn)平均定位誤差在3m以內(nèi)的高精度定位，并具有較好的魯棒性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)性要求。三、結(jié)論與展望本研究基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了基于組合定位的列車定位系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)了相應(yīng)的信號(hào)處理算法和定位算法，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的列車定位，并具有較好的魯棒性和可靠性，為鐵路運(yùn)行安全和效率提供了良好的