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(yùn)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(yùn)營速度達(dá)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(yùn)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(bào)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(yùn)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(jì)、里程儀、GPS接收機(jī)等傳感器已經(jīng)普遍應(yīng)用于列車測速定位系統(tǒng)。

1 高速鐵路技術(shù)的發(fā)展
    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(yùn)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(dá)進(jìn)行測速定位；北美ARES，PTC，PTS系統(tǒng)采用GPS(全球定位系統(tǒng))進(jìn)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(jìn)行定位；德國LZB系統(tǒng)采用軌間電纜進(jìn)行列車定位；美國AATC系統(tǒng)采用無線測距進(jìn)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(bǔ)的特點(diǎn)，采用卡爾曼濾波將所得信息進(jìn)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(diǎn)，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(yùn)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(jì)算負(fù)擔(dān)重，容錯性能差的缺點(diǎn)。
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(diǎn)。采用GPS定位時只需要在機(jī)車上安裝接收機(jī)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(jì)算出車輛在這一段時間內(nèi)所駛過的距離，也可以計(jì)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(jì)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(diǎn)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(bǔ)充的方案。在鐵路線路區(qū)間，當(dāng)GPS信息連續(xù)時在機(jī)車頭部安裝的GPS接收機(jī)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(yàn)信息，三者聯(lián)合濾波后給出最優(yōu)的定位估計(jì)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(diǎn)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(jì)。
    列車進(jìn)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(yàn)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(jì)。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(jì)理論、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等，而應(yīng)用最廣泛的就是估計(jì)理論中的卡爾曼濾波方法。與其他估計(jì)算法相比，卡爾曼濾波具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：采用狀態(tài)空間法在時域內(nèi)設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)向量過程的估計(jì)，所得估計(jì)在線性估計(jì)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(kuò)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(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

2．2．1 數(shù)據(jù)融合的聯(lián)合卡爾曼濾波模型
    此濾波算法中，取βm=0，即主濾波器沒有信息輸入，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，減少了運(yùn)算量。
2．2．2 系統(tǒng)濾波算法步驟
    (1)由局部濾波器l處理GPS接收機(jī)輸出的列車位置信息，并給出狀態(tài)估計(jì)x1和估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣p1；
    (2)局部濾波器2處理陀螺儀和里程儀輸出的角度信息x2和列車運(yùn)行距離信息，給出狀態(tài)估計(jì)和估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣p2；
    (3)局部濾波器3處理查詢應(yīng)答器輸出的進(jìn)路長度等信息，給出狀態(tài)估計(jì)x3和估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣p3；
    (4)x1，x2，x3，及p1，p2，p3被送到主濾波器，并同主濾波器的狀態(tài)估計(jì)一起按式(1)和式(2)進(jìn)行融合，得到全局最優(yōu)估計(jì)和協(xié)方差矩陣

   
    (5)利用主濾波器的最優(yōu)估計(jì)值對3個子濾波器的狀態(tài)估計(jì)進(jìn)行重置。即
   
2．2．3 信息分配參數(shù)的選擇
    不同的信息分配系數(shù)可以獲得聯(lián)邦濾波器的不同結(jié)構(gòu)以及不同的容錯性能、濾波精度和計(jì)算量。本方案中設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)聯(lián)邦卡爾曼濾波器。利用GPS接收機(jī)輸出的反映定位精度的參數(shù)為依據(jù)，自動調(diào)整P值的大小。本定位系統(tǒng)根據(jù)GPS接收機(jī)的p值大小來決定取值。具體的自適應(yīng)算法為

2．3 地圖匹配
    GPS和DR系統(tǒng)的組合導(dǎo)航在一定程度上提高了定位系統(tǒng)的精度和可靠性，但定位數(shù)據(jù)仍然存在一定誤差，并且當(dāng)GPS數(shù)據(jù)丟失時，DR系統(tǒng)的誤差會累積變大。在實(shí)際系統(tǒng)中通常采用地圖匹配算法來進(jìn)一步提高GPS和DR系統(tǒng)的精度。
    地圖匹配的基本思想是將車輛定位軌跡與數(shù)字地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來，并由此相對于地圖確定車輛的位置。地圖匹配的算法分為兩個相對獨(dú)立的過程：一是道路選擇，主要是對道路進(jìn)行分段，提取道路特征信息，然后采用適當(dāng)?shù)乃阉饕?guī)則和匹配算法根據(jù)當(dāng)前傳感器給出的車輛信息，在地圖數(shù)據(jù)庫中尋找一條最有可能的道路；二是道路匹配，將車輛當(dāng)前位置匹配并顯示在這條道路上，用于消除傳感器的定位誤差。

3 結(jié)束語
    針對高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的列車定位問題，提出了GPS／DR／MM組合定位的方案，利用卡爾曼濾波對多傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合之后再與電子地圖匹配，實(shí)時提供列車的定位信息。與單一傳感器定位方式相比，可以進(jìn)一步提高列車的測速定位精度，保證了高速列車安全、可靠的運(yùn)行。