基于GNSS的高速列车多传感器组合定位方法研究

陈韶霞,孙永明,刘立月

(1.河北省工业和信息化厅,河北石家庄 050071;2.华东交通大学软件学院,江西南昌 330013)

基于GNSS的高速列车多传感器组合定位方法研究

陈韶霞1,孙永明1,刘立月2

(1.河北省工业和信息化厅,河北石家庄 050071;2.华东交通大学软件学院,江西南昌 330013)

从常用列车定位方法比较分析入手,探讨列车定位技术发展趋势。在此基础上,重点阐述了多传感器组合定位与GNSS定位的发展现状及其应用于高速列车定位面临的挑战,提出了以GNSS为主的多传感器组合定位平台建设性方案,并对其特点进行了剖析,为高速列车运行过程定位建模与优化探索新途径。

列车定位;GNSS;多传感器组合

列车定位子系统在列车运行控制系统(简称列控系统)中起着非常重要的作用,列控系统中每个子功能的实现几乎都需要列车位置信息的参与,定位技术已成为是铁路智能交通信息系统的关键技术。目前我国已进入高铁时代,列车运行的追踪时间越来越短,对列车精确定位,以保证列车间的运行间隔,不仅关系到列车运行安全,而且也直接影响列车调度效率。同时,现行列车定位方法成本高,机动性差,很难适应现代高速铁路智能控制与高效调度要求。因此,开展高速列车定位技术研究,将有效提升我国高速铁路列车运行控制水平,同时对降低高铁运营成本,提高运营效率,保障行车安全,改善服务质量有着重要意义。

1 列车定位方法

列车定位就是实时精确地确定列车当前在线路中的位置,是保证铁路安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。常用的列车定位方式有[1-3]:轨道电路、计轴器、查询应答器、测速定位(包括惯性传感器、DR、INS、里程计等)、卫星导航(GNSS)、无线定位(包括无线扩频、多普勒雷达、GSM-R、电台等)、地图匹配等。它们的技术特点分析如表1。

通过对比分析可知:①列车定位方法各有自身的特点,传统定位方法(包括轨道电路、计轴器、查询应答器、里程计等)安全性好、可靠性高,但成本高,机动性差;现代定位方法(包括 GNSS、无线定位、地图匹配、INS等)成本相对低,机动性强、连续性好,但在可靠性方面有待于增强。②列车定位方法都存在一定的缺点。例如,里程计和惯性传感器高度依靠列车运行;轨道电路和计轴器需要大量轨旁设备,导致昂贵的建设和维护成本。没有一种定位方法能有效的独立解决列车定位问题,采用多种传感器组合定位,相互补充,构成冗余是一种趋势。③GNSS具有低成本、连续、高精度定位的先天优势,是未来列车定位的主流技术。

表1 常用列车定位方法比较

2 多传感器组合定位

多传感器组合作用主要体现在:提高了整个系统的容错能力、信息可信度、空间和时间的覆盖范围,增大了目标特征矢量的维数;同时降低了获取信息的费用并且缩短了获得信息的时间。因此多传感器组合可以提高整个融合系统的性能[4]。采用多传感器组合,能够将离散的或连续的定位信息进行融合提高定位的可靠性;能够将定位系统完全建立在车载环境中,改善系统的工作环境、提高系统的可靠性、降低系统的生命周期费用;还能够满足时间和空间的可用性,不受地理环境的影响,避免失去对系统的控制权[5]。

在多传感器组合定位中,容错设计及故障检测与隔离是保障系统输出有效与可靠信息的基础,目前广泛使用的故障检测方法有χ2检验法[6]与二取一诊断法(1∞2D)[7]。其中,1∞2D可细化到故障的来源,并可进行系统危险率的评估。信息融合是组合系统最为核心和重要的内容。信息融合的研究当前主要集中在融合算法、融合结构以及具体信息融合系统的建模等方面。欧美学者近年来开展的大量基于GNSS与多传感器组合的研究,均以 Kalman滤波为首选作为多传感器数据的计算方法,并应用在RUNE、ITCT等列控系统中[8]。在列车测速定位研究中,联邦 Kalman滤波法的应用比较广泛,其设计的基本思想[9]是先分散处理、再全局融合,即在诸多非相似子系统中选择一个信息全面、输出速率高、可靠性绝对保证的子系统作为公共参考系统,与其它子系统两两结合,形成若干子滤波器。各子滤波器并行运行,获得建立在子滤波器局部量测基础上的局部最优估计,这些局部最优估计在主滤波器内按融合算法合成,从而获得建立在所有测量基础上的全局估计。

随着列车运行速度的不断提高,对于定位系统的性能需求也在不断提高,常规的线性滤波算法(如Kalman滤波)已无法适应非线性过程特性的数据融合以及复杂的传感器测量条件,因此,新的非线性滤波算法是解决高速列车组合系统融合估计问题的主要方向。

3 GNSS导航定位

美国的GPS是目前唯一具备全功能可运作 GNSS导航系统,俄罗斯的 GLONASS还处于完善阶段,欧洲的Galileo正在研发阶段,我国预计2020年实现北斗区域导航拓展为全球指南针(COM PASS)导航。在不久的将来,GPS将联合其它星座一起工作,如 Galileo、北斗等。2008年,我国利用北斗实施对GPS的增强研究,以提高 GPS在我国的应用性能,类似的研究包括欧洲的 EGNOS与美国的WAAS[10]。采用多星座互操作,兼容的 GNSS接收机将提高更大的服务容量、有效性与准确性。

GNSS(如GPS)可提供全天候、全球范围的四维位置(经度、纬度、高度及时间)精确信息,目前在车载、航运、军事等领域已获得了广泛的应用。依靠GNSS获取精确的列车位置信息,是目前铁路安全应用的主要需求,成本与技术是两个主要驱动因素[11]。相比其它定位方法,GNSS能够满足现代铁路的高效监控、连续定位、高精度及可靠性要求,主要表现在[12]:对低密度线路可提供简单的列车安全定位;嵌入式卫星接收设备应用灵活,维护费用低;与ECTS(欧洲列车控制系统)及CTCS(中国列车控制系统)规范要求相吻合,引入移动闭塞分区优化铁路调度;提供连续、自定位(不依赖于轨旁设备)的位置信息。

铁路安全通常遵循SIL(安全完整性等级)最高安全四级要求,单独依赖 GNSS定位是无法满足的[13]。欧盟已经启动了一些有关 GNSS定位的项目研究,如 GARDEROS、LOCOPROL、RUNE等。GNSS在我国铁路上的应用还处于起步阶段,2006年开通的青藏铁路是我国唯一的采用 GNSS定位技术的铁路[14]。目前,基于GNSS列车定位大多适用在中低速、低密度线路的信号系统控制。列车运行控制系统是安全苛刻系统,高密度线路及高速列车运行需要更高的安全保障,GNSS定位信息的有效性(连续性、精确性及可靠性)及安全完整性,是GNSS应用于高速列车定位中面临的主要问题。

4 GNSS为主的组合定位

4.1 系统方案

基于GNSS的组合定位方案:利用 GNSS连续高精度定位优势,以 GNSS定位信息输出为主;当GNSS失效时,以惯性传感器输出定位信息为辅;在特殊位置(如车站、隧道),安装少量的轨道电路及查询应答器协助精确可靠定位。建立以GNSS为主,以惯性传感器、查询应答器、轨道电路为辅的多传感器组合定位平台,如图1。从功能结构看,组合定位平台分为四个部分。

①数据采集层:采用GPS/北斗接收机、惯性传感器、查询应答器、轨道电路组成数据通道,完成传感器数据采集输入并实现测量冗余。

图1 列车组合定位平台

②数据逻辑层:对各个通道采用并联的1∞2D(二取一诊断法)结构,实现故障检测与隔离,保证组合定位的有效性与可靠性。

③数据融合层:采用合适融合滤波算法对不同通道的定位信息进行融合计算、定位误差估计,最优地给出定位输出信息。融合滤波算法是组合定位系统性能的关键。

④数据应用层:对系统平台的安全完整性状态进行监测,输出完好性定位数据。

4.2 系统特点

以GNSS为主、其它定位为辅的组合定位方式,具有如下特点:

(1)节省了大量的轨旁设备,而代之于少量的GNSS接收机,安装及维护成本大大降低。

(2)利用GNSS与GSM-R无线通信网络相结合,可实现固定闭塞分区向移动闭塞分区线路调度,提高系统管理与配置的灵活性。

(3)基于GNSS定位技术,可实现对列控系统的多方面控制优化,增强系统的安全性。

(4)相对于单独定位方法,组合定位方法可靠性、连续性及精度等有很大的提高。

(5)GNSS导航为主,其它定位为辅的多传感器信息融合定位,符合现代列车控制系统的需求。

5 结束语

现行铁路定位方式严重依赖轨旁设备,在成本上给铁路建造与维护带来了巨大压力,同时,在技术上也难以满足现代高速列车运行安全需求。GNSS应用于铁路,是现代铁路发展的需求,同时也是GNSS在安全领域应用的拓展。对于我国快速发展的高速铁路系统,应用 GNSS定位面临许多机遇与挑战。本文开展以GNSS为主的多传感器组合定位方法研究,为高速列车运行过程定位建模与优化探索新途径。

[1] 闫剑平,步兵.高速铁路列车定位技术的研究[J].北方交通大学学报,1999,23(5):73-76.

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[12] Julie Beugin,Ale?Filip.Galileo for imp roving railway operations:question about the positioning performances analogy with the RAMS requirements allocated to safety applications[J].European Transport Research Review(ETRR),2010,2(2):93-102.

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[14] 途宗田.青藏线ITES系统[J].铁道通信信号,2007,43(s):12-13.

Research about high-speed train multi-sensors information fusion location method based on GNSS

CHEN Shao-xia1,SUN Yong-ming1,LIU Li-yue2

(1.Industry and Information Technology Department of Hebei Province,Shijiazhuang Hebei,050071,China;2.School of Softw are East China Jiaotong University,Nanchang Jiangxi330013,China)

According to comparative research on train location methods,it is show n that multi-senso rs information fusion based train locationmethodsand GNSS is the research direction in future.Based on the above analysis,this paper introduces emphatically the evolution of m ulti-senso rs info rmation fusion and GNSS train location methods,and challenges for them in app lying the high-speed train location.The constructive structure of high-speed train integrated positioning p latform based on GNSS is p resented,and its key characteristics are analyzed,w hich w ill give location modeling and op timization of high-speed train operation p rocess a novel and available app roach.

Train locationmethod;Global navigation satellite system;M ulti-senso rs information fusion

TP212;U 283

:A

1001-9383(2011)01-0031-04

2011-01-07

陈韶霞(1973-),女,河北赵县人,硕士,工程师,主要从事计算机技术应用研究与开发.