多傳感器融合定位在高速鐵路的應(yīng)用1

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(duì)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(yíng)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(dòng)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(jí)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(dòng)、超速15 km／h觸發(fā)緊急制動(dòng)。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(shí)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(lái)確定是否需要采取制動(dòng)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(cè)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(gè)國(guó)家根據(jù)其路況、地形、運(yùn)營(yíng)需求采用不同的定位技術(shù)。法國(guó)AS-TREE系統(tǒng)采用多普勒雷達(dá)進(jìn)行測(cè)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(guó)LZB系統(tǒng)采用軌間電纜進(jìn)行列車定位；美國(guó)AATC系統(tǒng)采用無(wú)線測(cè)距進(jìn)行定位。

　　根據(jù)中國(guó)鐵路地形、線路的復(fù)雜狀況及高速鐵路對(duì)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(shí)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(duì)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(cuò)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(wú)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(shí)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(shí)間信息的特點(diǎn)。采用GPS定位時(shí)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(huì)受到影響。并且，GPS對(duì)衛(wèi)星故障十分敏感，一但一顆衛(wèi)星失效，就會(huì)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(cè)量航向的傳感器和測(cè)量距離的傳感器構(gòu)成。本方案中采用里程儀作為測(cè)量距離的傳感器，陀螺儀作為測(cè)量航向的傳感器。里程儀輸出的是脈沖信號(hào)。車輪每轉(zhuǎn)一圈，里程儀輸出固定數(shù)量的脈沖信號(hào)，通過(guò)累加一定時(shí)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(shí)間內(nèi)所駛過(guò)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(duì)轉(zhuǎn)角。與GPS相比，DR可以自主定位，不存在遮擋等問(wèn)題引起的列車定位信息遺失。但DR系統(tǒng)的初始位置無(wú)法自主得到，并且航跡推算是一個(gè)累加的過(guò)程，不同時(shí)刻的測(cè)量誤差和計(jì)算誤差都會(huì)累積起來(lái)，隨著時(shí)間的推移，DR誤差是一個(gè)發(fā)散的過(guò)程。

　　2．1．2 定位方案

　　根據(jù)以上對(duì)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(shí)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