亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        一種改進RAIM 算法在列車定位中的應用

        2021-08-29 07:50:28楊芝鳳王瑞峰
        導航定位學報 2021年4期
        關鍵詞:偽距可用性斜率

        楊芝鳳,王瑞峰

        (蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院,蘭州 730070)

        0 引言

        列車運行過程中,定位精度和可靠性是行車安全的一項重要指標[1-2]。京張高鐵首次采用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS),開啟了BDS 在鐵路中的應用。接收機自主完好性檢測(receiver autonomous integrity monitoring,RAIM)算法利用接收機內部的冗余值進行自主檢測而不依靠外部設備,它具備自主故障檢測能力,可以在BDS 導航衛(wèi)星出現(xiàn)錯誤并導致定位精度下降時報警,有效保障了列車在運行過程中的定位安全[3-4]。

        文獻[5]提出使用水平保護級別(horizontal protect level,HPL)方法來對RAIM 算法進行可用性預測,對RAIM 在定位中的應用提供可靠性保障;文獻[6]提出一種加權的HPL 算法,仿真驗證了加權HPL 算法可以提高RAIM 算法的可用性;文獻[7]將RAIM 應用于室內定位中,并解決了室內信號衰減大的問題,將水平方向定位結果控制在10 m 以內;文獻[8]隨著多星座組合導航的出現(xiàn),提出通過對可見星星座進行篩選來提高定位的精度以及魯棒性;文獻[9]對衛(wèi)星在列車定位中的應用作出可行性分析,并對RAIM 算法在鐵路中的應用給出可用性評估;文獻[10]研究了一種沿股道方向保護級別(along track protect level,ATPL)算法,將RAIM 應用于鐵路領域,并仿真驗證了RAIM 在鐵路應用中的可行性;文獻[11]在ATPL 算法中引入加權因子來檢查故障衛(wèi)星,以提高列車定位中的故障檢測率。

        RAIM 算法在列車定位中存在精度不足以及容易漏檢的問題。改進的RAIM 算法分析特征斜率對衛(wèi)星漏檢率和定位精度的影響,進而對加權矩陣進行判定,并對觀測方程進行處理,可以有效降低衛(wèi)星故障漏檢的風險,從而提高算法定位精度,滿足鐵路運行的需求。

        1 RAIM 算法基本原理

        1.1 BDS 定位原理

        衛(wèi)星到列車接收機的距離由衛(wèi)星發(fā)射信號的時間到接收機接收信號的時間差乘以光速所得。由于衛(wèi)星發(fā)射信號時間與接收機接收信號時間有鐘差,此距離的計算公式[12]為

        式中:i為正整數(shù);γi為第i顆衛(wèi)星的偽距;(x(i),y(i),z(i))為第i顆衛(wèi)星的坐標;(xu,yu,zu)為接收機坐標;bu為鐘差;ε(i)為第i顆衛(wèi)星觀測誤差。

        通過測量多顆BDS 衛(wèi)星與列車接收機之間的偽距觀測量,結合三球交會的原理,只需要3 顆衛(wèi)星即可完成定位運算;但是衛(wèi)星偽距中含有衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差,所以至少4 顆可見衛(wèi)星才能完成定位。其原理如圖1 所示。

        圖1 衛(wèi)星定位原理

        1.2 可用性判斷

        算法可用性判斷一般分為最大精度因子法、近似徑向誤差保護法和水平保護限值法[13]3 種。本文采用水平保護限值法進行可用性判斷,將水平保護限值HPL 與列車行駛階段的水平告警限值(horizontal alert limit,HAL)進行比較后得到。衛(wèi)星仰角大于15°時衛(wèi)星可見,在可見衛(wèi)星數(shù)大于 4 顆且HPL

        表1 完好性水平

        2 改進的RAIM 算法

        2.1 RAIM 算法原理

        BDS 定位的偽距觀測方程為

        式中:y為衛(wèi)星到列車的N維偽距矢量,N為可見衛(wèi)星的個數(shù);x為4×1 維列向量,表示列車的3 維坐標以及鐘差;H為N×4 維觀測矩陣,由衛(wèi)星的仰角和方位角決定;ε為N×1 維的測量誤差矢量。當N=4 時,ε較小,一般取0;當N>4 時,ε取均值為0、方差為δ2的正態(tài)分布,觀測矩陣為

        式中:θN是第N顆可見衛(wèi)星的仰角;αN是第N顆可見衛(wèi)星的方位角。

        最小二乘解為

        偽距殘差為

        衛(wèi)星的特征斜率為

        式中:i表示第i顆可見衛(wèi)星;Li表示第i顆衛(wèi)星的特征斜率。

        水平定位誤差和檢驗統(tǒng)計量的劃分[10]如圖2所示。

        圖2 檢測結果劃分

        圖中虛線部分將結果劃分為4 個區(qū)域,在低密度鐵路線路中,HAL 為50 m,TD為檢驗統(tǒng)計量,T為檢驗門限。由圖左上角區(qū)域可得,HPL>HAL且TDT,此時為誤檢狀態(tài);其他2 個區(qū)域為系統(tǒng)正常運行的2 個狀態(tài)。

        漏檢狀態(tài)是系統(tǒng)最危險的狀態(tài),該狀態(tài)威脅到列車的安全運行。減小漏檢狀態(tài),就要保證每顆衛(wèi)星都不漏檢,即保證最大特征斜率的衛(wèi)星不漏檢。因為衛(wèi)星的特征斜率越大,相應的水平定位誤差越大,也就越容易漏檢。改進的RAIM 算法可以利用衛(wèi)星特征斜率的特性進行加權處理,將斜率較大的衛(wèi)星分配盡量小的權值,從而減小漏檢的概率。通過加權處理后,可以提高RAIM 算法的可靠性,保障列車在運行中的安全。

        2.2 改進RAIM 算法

        在以上分析的基礎上,構建權值矩陣W為

        權值矩陣W為N?N維矩陣。在式(2)的基礎上進行加權,即

        加權最小二乘解為

        定義列車接收機的初始坐標為x0=(0,0,0,0),對方程進行求解后得到最小二乘解,則列車位置為x1=x0+Δx。給定Δx一個預設范圍,如果‖Δx‖大于范圍值,則將x1代入式(8)中作為初始坐標進行求解,直到‖Δx‖小于范圍值,輸出x1的坐標值,即為列車接收機的坐標值。

        偽距殘差矢量為

        式中:IN為N×N維單位陣;Q=IN-H(HTWH)-1HTW,為一個N×N維的矩陣。

        偽距殘差向量的平方和SSE 為

        由式(11)可知,在列車正常行駛過程中,衛(wèi)星系統(tǒng)在正常的工作狀態(tài)下,偽距殘差矢量的變化影響SSE的大小,SSE 偏大時系統(tǒng)易發(fā)生故障。因此可用SSE 來構造檢驗統(tǒng)計量,用以判斷系統(tǒng)是否正常工作。

        構造偽距殘差的檢驗統(tǒng)計量為

        列車正常行駛過程中,若BDS 正常運行,ε為均值為0、方差為δ2的正態(tài)分布,SSE/δ2滿足自由度為(N-4)的χ2分布;若系統(tǒng)出現(xiàn)故障,ε的均值不為0,SSE/δ2滿足自由度為(N-4)、非中心化參數(shù)為λ的卡方分布。

        當BDS 系統(tǒng)正常工作時,有

        式中PFA為誤檢概率。

        BDS 最大誤檢率取3.33×10-5,利用式(13)可以求出檢驗門限T。

        當有故障衛(wèi)星時,有

        式中:P代表PFA與PMD的分布范圍;PMD為漏檢概率。

        式中M=(HTWH)-1HTW。

        RAIM 檢測流程如圖3 所示。

        圖3 RAIM 檢測流程

        將式(12)與式(13)計算出的TD與T進行比較,TDT則發(fā)生故障。

        3 實驗與結果分析

        3.1 改進RAIM 算法可用性驗證

        利用MATLAB 軟件對算法進行仿真分析,首先進行可見星個數(shù)以及方位角、仰角的判定,確定算法的可用性。設置仿真時間步長為120 s,采樣時間樣本為180 次,得到可見星的個數(shù)如圖4 所示。由圖4 可得,可見衛(wèi)星分布在7 到10 顆之間,大于5 顆,故滿足算法需求。

        圖4 可見衛(wèi)星

        通過衛(wèi)星的仰角和方位角,選取某一時刻對衛(wèi)星特征斜率進行驗證,特征斜率如表2 所示。

        表2 特征斜率

        由表可知:當可見衛(wèi)星數(shù)為7 時,15 號衛(wèi)星的特征斜率最大,它所對應的定位誤差也為最大;7 號衛(wèi)星的特征斜率最小,它所對應的定位誤差也最小。通過上文所述方法改進算法,并通過式(15)計算出HPL,其變化如圖5 所示。HPL的波動范圍為22~28 m,小于50 m,滿足低密度鐵路線路的要求。

        圖5 HPL的變化

        3.2 故障檢測

        算法可用性判定完畢且確定可見衛(wèi)星數(shù)大于5 顆之后,對衛(wèi)星進行故障檢測的識別。在鐵路定位需求中,一般設定漏檢概率PMD=0.001,誤警概率PFA=3.33×10-5。利用MATLAB中的逆積分布函數(shù)可以求得檢驗門限T=4.685 6,根據(jù)T可得到檢驗統(tǒng)計量與檢驗門限,如圖6 所示。

        圖6 故障檢測判斷

        從圖中可以看出:傳統(tǒng)RAIM 算法所有時刻衛(wèi)星的最小二乘法檢驗統(tǒng)計量均在檢測門限的范圍之內,未發(fā)現(xiàn)可見衛(wèi)星故障情況;而在使用改進后的算法情況下,在600~680 s 間檢測到了故障。說明改進后的算法對故障更加敏感,這有效降低了漏檢的概率。

        3.3 精度判定

        精度衰減因子(dilution of precision,DOP)的值越大,說明衛(wèi)星定位的誤差越大;反之,DOP的值越小,說明衛(wèi)星的分布情況越好,定位誤差越小。精度因子分別有水平精度衰減因子(horizontal dilution of precision,HDOP)、垂直精度衰減因子(vertical dilution of precision,VDOP)、三維位置精度衰減因子(position dilution of precision,PDOP),幾何精度衰減因子(geometric dilution of precision,GDOP)、時間精度衰減因子(time dilution of precision,TDOP)。各精度因子的計算方法為:

        在算法可用且衛(wèi)星均未出現(xiàn)故障的情況下,對定位的精度進行評估,通過式(17)~式(21)對精度因子進行評估分析,從而驗證算法定位的準確性。對改進前后算法的HDOP、PDOP 值進行仿真分析,其中改進后算法的HDOP、PDOP 值分別用WHDOP、WPDOP 來表示,具體情況如圖7、圖8 所示。

        圖7 HDOP 精度

        圖8 PDOP 精度

        從圖中可以看出,HDOP 與PDOP的值波動較小,表明衛(wèi)星位置分布良好,且改進后的RAIM 算法比未改進的算法在定位精度上有所提高,這更好地保證了列車的運行安全。利用MATLAB 測定列車定位的誤差,設置默認時間為0,時間步長為60 s,采樣時間次數(shù)為60 次,經過迭代計算后,東向誤差的均方根值為4.275 2 m、北向誤差的均方根值為3.214 2 m。說明該算法能夠對列車進行比較良好的定位。

        4 結束語

        本文在對RAIM 檢測的漏檢率以及定位精度等問題進行分析后,提出一種改進的RAIM 算法,通過分析衛(wèi)星特征斜率對漏檢和誤檢概率的影響,引入斜率矩陣進行修正,并通過數(shù)據(jù)仿真驗證算法的可用性,得到改進的RAIM 算法擁有更好的故障檢測率,可有效降低衛(wèi)星漏檢的可能性的結論。在未出現(xiàn)故障的情況下,改進RAIM 算法定位精度因子的值更小,HDOP值在1.20~1.30 m之間,PDOP 值在1.50~1.60 m 之間,且各精度因子的值趨于穩(wěn)定,表示定位結果相對更好。改進的RAIM算法更能滿足列車定位服務中高精度、高可靠性的需求。

        猜你喜歡
        偽距可用性斜率
        基于文獻計量學的界面設計可用性中外對比研究
        包裝工程(2023年24期)2023-12-27 09:18:26
        基于輻射傳輸模型的GOCI晨昏時段數(shù)據(jù)的可用性分析
        物理圖像斜率的變化探討
        物理之友(2020年12期)2020-07-16 05:39:16
        北斗偽距觀測值精度分析
        GNSS偽距粗差的開窗探測及修復
        測繪通報(2016年12期)2017-01-06 03:37:13
        求斜率型分式的取值范圍
        基于子孔徑斜率離散采樣的波前重構
        MMC-MTDC輸電系統(tǒng)新型直流電壓斜率控制策略
        電測與儀表(2016年6期)2016-04-11 12:05:54
        聯(lián)合碼偽距和載波寬巷組合的相對定位技術研究
        空客A320模擬機FD1+2可用性的討論
        河南科技(2015年7期)2015-03-11 16:23:13
        国产精品自拍视频免费观看| 亚洲精品无码高潮喷水在线| 亚洲精品综合第一国产综合| 人妻风韵犹存av中文字幕| 亚洲黄片av在线播放| 粗大的内捧猛烈进出视频| 香蕉久久夜色精品国产2020| 91久久精品国产性色tv| 亚洲一区二区三区高清在线观看| 色哟哟精品视频在线观看| 老熟女多次高潮露脸视频| 丰满少妇被猛烈进入高清播放| 亚洲免费网站观看视频| 国产成人无码av在线播放dvd| 久久久久久久综合日本| 久久成人永久婷婷99精品| 虎白m粉嫩小在线播放| 色777狠狠狠综合| 宅男噜噜噜| 日韩国产自拍成人在线| 亚洲成人一区二区三区不卡| 人妻精品久久久久中文字幕69| 国产成人综合久久精品免费| 国产成人av综合色| 91精品国产91综合久久蜜臀| 女人被弄到高潮的免费视频| 一级片久久| 日韩av一区二区在线观看| 日本一区二区在线高清| 女人张开腿让男桶喷水高潮| 欧美日韩国产专区| 久久精品日韩免费视频| 国产偷国产偷亚洲综合av| 挺进朋友人妻雪白的身体韩国电影 | 日韩av在线亚洲女同| 一边做一边喷17p亚洲乱妇50p| 亚洲欧美精品91| 免费人成网站在线播放| 人与人性恔配视频免费| 天天做天天躁天天躁| 亚洲中文字幕精品一区二区|