陳韶霞,孫永明,劉立月

(1.河北省工業(yè)和信息化廳,河北石家莊 050071;2.華東交通大學(xué)軟件學(xué)院,江西南昌 330013)

基于GNSS的高速列車多傳感器組合定位方法研究

陳韶霞1,孫永明1,劉立月2

(1.河北省工業(yè)和信息化廳,河北石家莊 050071;2.華東交通大學(xué)軟件學(xué)院,江西南昌 330013)

從常用列車定位方法比較分析入手,探討列車定位技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上,重點(diǎn)闡述了多傳感器組合定位與GNSS定位的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用于高速列車定位面臨的挑戰(zhàn),提出了以GNSS為主的多傳感器組合定位平臺(tái)建設(shè)性方案,并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了剖析,為高速列車運(yùn)行過(guò)程定位建模與優(yōu)化探索新途徑。

列車定位;GNSS;多傳感器組合

列車定位子系統(tǒng)在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱列控系統(tǒng))中起著非常重要的作用,列控系統(tǒng)中每個(gè)子功能的實(shí)現(xiàn)幾乎都需要列車位置信息的參與,定位技術(shù)已成為是鐵路智能交通信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前我國(guó)已進(jìn)入高鐵時(shí)代,列車運(yùn)行的追蹤時(shí)間越來(lái)越短,對(duì)列車精確定位,以保證列車間的運(yùn)行間隔,不僅關(guān)系到列車運(yùn)行安全,而且也直接影響列車調(diào)度效率。同時(shí),現(xiàn)行列車定位方法成本高,機(jī)動(dòng)性差,很難適應(yīng)現(xiàn)代高速鐵路智能控制與高效調(diào)度要求。因此,開展高速列車定位技術(shù)研究,將有效提升我國(guó)高速鐵路列車運(yùn)行控制水平,同時(shí)對(duì)降低高鐵運(yùn)營(yíng)成本,提高運(yùn)營(yíng)效率,保障行車安全,改善服務(wù)質(zhì)量有著重要意義。

1 列車定位方法

列車定位就是實(shí)時(shí)精確地確定列車當(dāng)前在線路中的位置,是保證鐵路安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務(wù)的前提。常用的列車定位方式有[1-3]:軌道電路、計(jì)軸器、查詢應(yīng)答器、測(cè)速定位(包括慣性傳感器、DR、INS、里程計(jì)等)、衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)、無(wú)線定位(包括無(wú)線擴(kuò)頻、多普勒雷達(dá)、GSM-R、電臺(tái)等)、地圖匹配等。它們的技術(shù)特點(diǎn)分析如表1。

通過(guò)對(duì)比分析可知:①列車定位方法各有自身的特點(diǎn),傳統(tǒng)定位方法(包括軌道電路、計(jì)軸器、查詢應(yīng)答器、里程計(jì)等)安全性好、可靠性高,但成本高,機(jī)動(dòng)性差;現(xiàn)代定位方法(包括 GNSS、無(wú)線定位、地圖匹配、INS等)成本相對(duì)低,機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、連續(xù)性好,但在可靠性方面有待于增強(qiáng)。②列車定位方法都存在一定的缺點(diǎn)。例如,里程計(jì)和慣性傳感器高度依靠列車運(yùn)行;軌道電路和計(jì)軸器需要大量軌旁設(shè)備,導(dǎo)致昂貴的建設(shè)和維護(hù)成本。沒有一種定位方法能有效的獨(dú)立解決列車定位問題,采用多種傳感器組合定位,相互補(bǔ)充,構(gòu)成冗余是一種趨勢(shì)。③GNSS具有低成本、連續(xù)、高精度定位的先天優(yōu)勢(shì),是未來(lái)列車定位的主流技術(shù)。

表1 常用列車定位方法比較

2 多傳感器組合定位

多傳感器組合作用主要體現(xiàn)在:提高了整個(gè)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力、信息可信度、空間和時(shí)間的覆蓋范圍,增大了目標(biāo)特征矢量的維數(shù);同時(shí)降低了獲取信息的費(fèi)用并且縮短了獲得信息的時(shí)間。因此多傳感器組合可以提高整個(gè)融合系統(tǒng)的性能[4]。采用多傳感器組合,能夠?qū)㈦x散的或連續(xù)的定位信息進(jìn)行融合提高定位的可靠性;能夠?qū)⒍ㄎ幌到y(tǒng)完全建立在車載環(huán)境中,改善系統(tǒng)的工作環(huán)境、提高系統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)的生命周期費(fèi)用;還能夠滿足時(shí)間和空間的可用性,不受地理環(huán)境的影響,避免失去對(duì)系統(tǒng)的控制權(quán)[5]。

在多傳感器組合定位中,容錯(cuò)設(shè)計(jì)及故障檢測(cè)與隔離是保障系統(tǒng)輸出有效與可靠信息的基礎(chǔ),目前廣泛使用的故障檢測(cè)方法有χ2檢驗(yàn)法[6]與二取一診斷法(1∞2D)[7]。其中,1∞2D可細(xì)化到故障的來(lái)源,并可進(jìn)行系統(tǒng)危險(xiǎn)率的評(píng)估。信息融合是組合系統(tǒng)最為核心和重要的內(nèi)容。信息融合的研究當(dāng)前主要集中在融合算法、融合結(jié)構(gòu)以及具體信息融合系統(tǒng)的建模等方面。歐美學(xué)者近年來(lái)開展的大量基于GNSS與多傳感器組合的研究,均以 Kalman濾波為首選作為多傳感器數(shù)據(jù)的計(jì)算方法,并應(yīng)用在RUNE、ITCT等列控系統(tǒng)中[8]。在列車測(cè)速定位研究中,聯(lián)邦 Kalman濾波法的應(yīng)用比較廣泛,其設(shè)計(jì)的基本思想[9]是先分散處理、再全局融合,即在諸多非相似子系統(tǒng)中選擇一個(gè)信息全面、輸出速率高、可靠性絕對(duì)保證的子系統(tǒng)作為公共參考系統(tǒng),與其它子系統(tǒng)兩兩結(jié)合,形成若干子濾波器。各子濾波器并行運(yùn)行,獲得建立在子濾波器局部量測(cè)基礎(chǔ)上的局部最優(yōu)估計(jì),這些局部最優(yōu)估計(jì)在主濾波器內(nèi)按融合算法合成,從而獲得建立在所有測(cè)量基礎(chǔ)上的全局估計(jì)。

隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高,對(duì)于定位系統(tǒng)的性能需求也在不斷提高,常規(guī)的線性濾波算法(如Kalman濾波)已無(wú)法適應(yīng)非線性過(guò)程特性的數(shù)據(jù)融合以及復(fù)雜的傳感器測(cè)量條件,因此,新的非線性濾波算法是解決高速列車組合系統(tǒng)融合估計(jì)問題的主要方向。

3 GNSS導(dǎo)航定位

美國(guó)的GPS是目前唯一具備全功能可運(yùn)作 GNSS導(dǎo)航系統(tǒng),俄羅斯的 GLONASS還處于完善階段,歐洲的Galileo正在研發(fā)階段,我國(guó)預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)北斗區(qū)域?qū)Ш酵卣篂槿蛑改厢?COM PASS)導(dǎo)航。在不久的將來(lái),GPS將聯(lián)合其它星座一起工作,如 Galileo、北斗等。2008年,我國(guó)利用北斗實(shí)施對(duì)GPS的增強(qiáng)研究,以提高 GPS在我國(guó)的應(yīng)用性能,類似的研究包括歐洲的 EGNOS與美國(guó)的WAAS[10]。采用多星座互操作,兼容的 GNSS接收機(jī)將提高更大的服務(wù)容量、有效性與準(zhǔn)確性。

GNSS(如GPS)可提供全天候、全球范圍的四維位置(經(jīng)度、緯度、高度及時(shí)間)精確信息,目前在車載、航運(yùn)、軍事等領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用。依靠GNSS獲取精確的列車位置信息,是目前鐵路安全應(yīng)用的主要需求,成本與技術(shù)是兩個(gè)主要驅(qū)動(dòng)因素[11]。相比其它定位方法,GNSS能夠滿足現(xiàn)代鐵路的高效監(jiān)控、連續(xù)定位、高精度及可靠性要求,主要表現(xiàn)在[12]:對(duì)低密度線路可提供簡(jiǎn)單的列車安全定位;嵌入式衛(wèi)星接收設(shè)備應(yīng)用靈活,維護(hù)費(fèi)用低;與ECTS(歐洲列車控制系統(tǒng))及CTCS(中國(guó)列車控制系統(tǒng))規(guī)范要求相吻合,引入移動(dòng)閉塞分區(qū)優(yōu)化鐵路調(diào)度;提供連續(xù)、自定位(不依賴于軌旁設(shè)備)的位置信息。

鐵路安全通常遵循SIL(安全完整性等級(jí))最高安全四級(jí)要求,單獨(dú)依賴 GNSS定位是無(wú)法滿足的[13]。歐盟已經(jīng)啟動(dòng)了一些有關(guān) GNSS定位的項(xiàng)目研究,如 GARDEROS、LOCOPROL、RUNE等。GNSS在我國(guó)鐵路上的應(yīng)用還處于起步階段,2006年開通的青藏鐵路是我國(guó)唯一的采用 GNSS定位技術(shù)的鐵路[14]。目前,基于GNSS列車定位大多適用在中低速、低密度線路的信號(hào)系統(tǒng)控制。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是安全苛刻系統(tǒng),高密度線路及高速列車運(yùn)行需要更高的安全保障,GNSS定位信息的有效性(連續(xù)性、精確性及可靠性)及安全完整性,是GNSS應(yīng)用于高速列車定位中面臨的主要問題。

4 GNSS為主的組合定位

4.1 系統(tǒng)方案

基于GNSS的組合定位方案:利用 GNSS連續(xù)高精度定位優(yōu)勢(shì),以 GNSS定位信息輸出為主;當(dāng)GNSS失效時(shí),以慣性傳感器輸出定位信息為輔;在特殊位置(如車站、隧道),安裝少量的軌道電路及查詢應(yīng)答器協(xié)助精確可靠定位。建立以GNSS為主,以慣性傳感器、查詢應(yīng)答器、軌道電路為輔的多傳感器組合定位平臺(tái),如圖1。從功能結(jié)構(gòu)看,組合定位平臺(tái)分為四個(gè)部分。

①數(shù)據(jù)采集層:采用GPS/北斗接收機(jī)、慣性傳感器、查詢應(yīng)答器、軌道電路組成數(shù)據(jù)通道,完成傳感器數(shù)據(jù)采集輸入并實(shí)現(xiàn)測(cè)量冗余。

圖1 列車組合定位平臺(tái)

②數(shù)據(jù)邏輯層:對(duì)各個(gè)通道采用并聯(lián)的1∞2D(二取一診斷法)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與隔離,保證組合定位的有效性與可靠性。

③數(shù)據(jù)融合層:采用合適融合濾波算法對(duì)不同通道的定位信息進(jìn)行融合計(jì)算、定位誤差估計(jì),最優(yōu)地給出定位輸出信息。融合濾波算法是組合定位系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

④數(shù)據(jù)應(yīng)用層:對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的安全完整性狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),輸出完好性定位數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

以GNSS為主、其它定位為輔的組合定位方式,具有如下特點(diǎn):

(1)節(jié)省了大量的軌旁設(shè)備,而代之于少量的GNSS接收機(jī),安裝及維護(hù)成本大大降低。

(2)利用GNSS與GSM-R無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)固定閉塞分區(qū)向移動(dòng)閉塞分區(qū)線路調(diào)度,提高系統(tǒng)管理與配置的靈活性。

(3)基于GNSS定位技術(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)列控系統(tǒng)的多方面控制優(yōu)化,增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。

(4)相對(duì)于單獨(dú)定位方法,組合定位方法可靠性、連續(xù)性及精度等有很大的提高。

(5)GNSS導(dǎo)航為主,其它定位為輔的多傳感器信息融合定位,符合現(xiàn)代列車控制系統(tǒng)的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)行鐵路定位方式嚴(yán)重依賴軌旁設(shè)備,在成本上給鐵路建造與維護(hù)帶來(lái)了巨大壓力,同時(shí),在技術(shù)上也難以滿足現(xiàn)代高速列車運(yùn)行安全需求。GNSS應(yīng)用于鐵路,是現(xiàn)代鐵路發(fā)展的需求,同時(shí)也是GNSS在安全領(lǐng)域應(yīng)用的拓展。對(duì)于我國(guó)快速發(fā)展的高速鐵路系統(tǒng),應(yīng)用 GNSS定位面臨許多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文開展以GNSS為主的多傳感器組合定位方法研究,為高速列車運(yùn)行過(guò)程定位建模與優(yōu)化探索新途徑。

[1] 閆劍平,步兵.高速鐵路列車定位技術(shù)的研究[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,23(5):73-76.

[2] 鄧超.多傳感器定位在高速鐵路的應(yīng)用[J].鐵道通信信號(hào),2006,42(12):28-30.

[3] 王劍.基于GNSS的列車定位方法研究[D].北京:北京交通大學(xué)博士論文,2007.

[4] 劉江,蔡伯根等.基于GPS與慣性測(cè)量單元的列車組合定位系統(tǒng)[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2010,31(1):123-128.

[5] 周達(dá)天.多傳感器信息融合的列車定位方法研究[D].北京:北京交通大學(xué)博士論文,2007.

[6] 錢華明.故障診斷與容錯(cuò)技術(shù)及其在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)博士論文,2004.

[7] Filip A,Dvorakova J.Fault Diagnosis in High Integrity GNSSBased Train Position Locator[A].NAV ITEC,2004.

[8] 蔡伯根.低成本列控系統(tǒng)的列車組合定位理論與方法[D].北京:北京交通大學(xué)博士論文,2010.

[9] Carlson N.Federated square root filter fo r decentralized parallel p rocesses[J].IEEE Trans on Aerospace and Electronic System s, 1990,26(3):517-525.

[10] Wikipedia.Global navigation satellite system[EB/OL].http://en.wikipedia.org/w iki/GNSS,2011.

[11] Juliette Marais,Jan Poliak,George Barbu.Galileo in Railways[EB/OL].http://www.itst2007.eurecom.fr/site/var/html/ h1053-/file1197.pdf,2007.

[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.

[13] Filip A,Beugin J,Marais J and Mocek H.A relation among GNSS quality measures and railway RAMS attributes,CERGAL 2008,Braunschweig,Germany,2008,4:2-3.

[14] 途宗田.青藏線ITES系統(tǒng)[J].鐵道通信信號(hào),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

陳韶霞(1973-),女,河北趙縣人,碩士,工程師,主要從事計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究與開發(fā).