基于多传感器信息融合的列车组合定位

蒋敏建

摘 要：列车定位是列车运行控制的关键技术，本文论述了高速列车定位技术的特点和目前常用的方法，并且分析典型单一列车定位方式的局限性。提出一种以我国自主研发的北斗卫星导航（BEIDOU NAVIGATION SATELLITE SYSTEM，BDS）系统为主的多传感器信息融合的方案，利用随机加权算法实现多信息定位。本文为列车定位技术提供参考。

关键词：列车定位;多传感器;信息融合;随机加权

列车定位的基本功能是在任何时刻、任何地方都能够精确的确定列车的位置坐标，包括和列车相关的间隔、速度及加速度。[1]及时、准确的获取列车位置信息是列车安全，可靠运行的前提。

1 列车定位的特点

轨道交通列车运行速度快、行车密度大、前后追踪列车空间间隔短，列车系统需要对线路上运行位置进行精确的测定，保证列车运行安全和高效调度。

（1）连续性。列车高速运行时，其空间位置移动快，定位系统必须具有执行不间断列车定位的能力。

（2）精确性。必须满足列车在同一轨道的纵向定位和横向定位精确性。定位的精确性直接影响列控系统对列车运行的调度命令。

（3）经济节约。需要降低全生命周期的費用。

（4）可靠性和安全性和可维护性。定位系统必须综合考虑全生命周期检测报告自身的失效和故障以及预防性维护和校正性维护的因素。

（5）故障-安全性。在定位系统出现故障时，必须具备保证列车安全的相应措施。

2 列车定位的主要方法

文献[2]提出轨道电路是最简单的铁路定位方式，其定位精度取决于轨道电路的长度。该方法原理简单、安全性高。但定位误差大，机动性能差和维修量大。

文献[3]提出查询应答器法，地面应答器存储列车位置信息，其内部寄存器的数据已固定。当列车通过时，机车上的查询器经过耦合就可以得到列车的精确位置。其传输的信息量较大且为绝对的位置信息，但信息传递是间断的，而且布置的数量很大。

文献[4]提出测速定位法，给车轮安装测速传感器获得列车的即时运行速度，对其进行时间的积分或者求和得到列车的运行距离。由于车轮的打滑空转或者机械磨损等都容易造成误差的累积。

文献[5]提出的GPS定位方式通过卫星定位提供连续的全球导航能力。在周围阻挡物多的地方，列车的精度受到影响甚至无法定位。GPS定位对卫星的故障十分敏感，一旦卫星失效就会使得GPS性能恶化。而且该系统是美国国防部控制的，过分依赖就会受制于人。

除了以上方法，轨道交通定位还有其他一些方法。对于列车定位，单一的定位方式在实际中都会存在局限，难以完全满足列车定位。故此，结合研究的现状，将几种定位设备结合起来，将多种定位方式综合利用，优势互补。

3 BDS技术为主多传感器信息融合的列车组合定位系统

本文设计的列车组合定位系统为闭环自动控制系统，系统框图如下所示：

列车自合定位系统框图

组合定位考虑不同线路和轨旁状态，结合多传感器信息采集组成组合定位的方式。数据预处理、信息融合和数据检查都在车载控制器中完成。为了提高系统定位的精度，采用闭环状态反馈的方式，修正信息。列车将高精度的定位信息输出显示以及通过无线设备传输给地面列控中心。

BDS主要由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分构成。以BDS定位信息为主，联同测速电机、地面信标和里程计构成的全方位的立体多信息融合的定位导航系统。

（1）数据采集层。由多路数据采集接口，完成信息的预处理，将采集到的信息由相应的通道传送给逻辑控制单元。

（2）逻辑控制层。双机热备系统，实现故障隔离和却换处理，提高安全性和可靠性。

（3）数据融合层。采用数据加权处理算法，传输最优融合估计值。

（4）数据检测层。由规定的校验方法选择参考信息对融合信息进行校正。向列控中心，车载系统传输高精度、高可靠性数据。[6]

4 信息加权融合算法

建立基于随机加权估计的算法解决多传感器对同一目标的测量权值追优化分配问题。随机加权信息融合算法的基本思路是：对各个传感器所提供的测量信息进行加权，并且根据信息的有用程度在线调整各传感器的权值，获得最优融合结果。加权融合算法的最优性、无偏性、均方误差最小的特性在许多研究结果中都得到了证明。[7]

5 结语

以BDS为主的多传感器信息融合算法实现的列车定位系统是在现有的技术上实现的改进和创新，是鉴于成熟的定位技术存在的定位不能连续定位或者存在信号盲区的情况下对定位方式的补充和提高。本文提出多信息融合的随机加权算法的应用新方案，充分利用传感器的测量数据，将传感器的均方误差、测量精度等信息融合处理，快速、准确地估计出真值，提高了测量精度、扩大了测量范围。将该算法用于高精度的列车定位具有一定的意义。

参考文献：

[1]刘立月.基于 GNSS 的高速列车组合定位模型[J].实验室研究与探索，2011，30（10）：46-48.

[2]林瑜筠.城市轨道交通信号设备[J].北京：中国，2006.

[3]陈艳华.轨道交通列车定位技术的选择与比较[J].电子设计工程，2010（11）：186-188.

[4]WU Wenqi.The Spread Spectrum Technology Based Train Location[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering，2001，4.

[5]殷燕如，刘金乐.基于 GPS 列车定位系统的快速地图匹配算法研究[J].铁道通信信号，2011，47（11）：60-62.

[6]朱爱红，李博，杨亮.高速列车定位技术与组合定位系统研究[J].中国铁路，2013（5）：59-63.

[7]李伟，何鹏举，高社生.多传感器加权信息融合算法研究[J].西北工业大学学报，2010（5）：674-678.

[8]刘海斌，宫峰勋.一种改进的多传感器加权融合算法[J].电子产品世界，2009（12）：19-21.

[9]杨海波.列车组合定位系统数据的仿真方法研究[D].北京交通大学，2011.