1引言

　　1.1研究背景及意義

　　《鐵路“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中對我國鐵路硬件發(fā)展的定位目標(biāo)為：路網(wǎng)布局更加完善，技術(shù)裝備先進(jìn)適用，運(yùn)輸安全持續(xù)穩(wěn)定，信息化水平全面提高，運(yùn)輸能力大幅提升⑴。根據(jù)《規(guī)劃》，到2015年，全國鐵路營業(yè)里程要達(dá)到12萬公里左右，其中快速鐵路網(wǎng)營業(yè)里程達(dá)4萬公里以上，中西部地區(qū)鐵路5萬公里左右，初步形成便捷、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、綠色的鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要。2013年1月9日發(fā)布的《鐵路主要技術(shù)政策》要求全面推進(jìn)鐵路信息化建設(shè)，大力發(fā)展數(shù)字化、智能化鐵路，積極發(fā)展應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、地理信息、衛(wèi)星導(dǎo)航、下一代互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)[2]。在提高鐵路運(yùn)輸效率、減少運(yùn)營維護(hù)成本、保障鐵路運(yùn)輸安全方面，鐵路信號系統(tǒng)尤其是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的信息化起著至關(guān)重要的作用，而實(shí)現(xiàn)基于GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem,全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）的列車自主定位是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的信息化的重要一環(huán)。青藏線ITCS(IncrementalTrainControlSystem,增強(qiáng)型列車控制系統(tǒng)）中對GPS(GlobalPositioningSystem,全球定位系統(tǒng)）的應(yīng)用證明基于GNSS的列車自主定位己經(jīng)成為信號系統(tǒng)發(fā)展的重要推手PI。我國在參照歐洲ETCS(EuropeanTrainControl，歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng)）技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上制定了適合我國鐵路運(yùn)行情況的中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)CTCS(ChinaTrainControlSystem)技術(shù)規(guī)范，其中CTCS-4級列控系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于無線傳輸信息，釆取目標(biāo)距離控制模式，地面可取消軌道電路，由RBC和車載定位系統(tǒng)進(jìn)行列車定位和完整性監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的移動閉塞，主要面向?qū)淼母咚傩戮€及特殊線路，其車載子系統(tǒng)擬利用全球衛(wèi)星定位提供列車位置及速度信息，實(shí)現(xiàn)列車自主定位。

　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　傳統(tǒng)列控系統(tǒng)中主流列車定位方法主要有三種：一是采用基于速度傳感器（包括輪軸傳感器、多普勒雷達(dá)和測速電機(jī)等）的定位方法積分推算列車實(shí)時(shí)位置，二是應(yīng)用地面點(diǎn)式應(yīng)答設(shè)備更新列車當(dāng)前位置，三是使用軌道電路進(jìn)行列車的區(qū)間占用檢測。以美國GPS為代表的GNSS系統(tǒng)近年在鐵路定位領(lǐng)域得到極大發(fā)展，其應(yīng)用也愈加廣泛基于GNSS實(shí)現(xiàn)列車自主定位是目前列出定位領(lǐng)域研究關(guān)注的熱點(diǎn)。由于GPS定位所得直接結(jié)果是定位目標(biāo)在大地坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，其定位結(jié)果在三維空間內(nèi)產(chǎn)生誤差，針對列車定位的性能需求，目前的研究和應(yīng)用大多采用多傳感器構(gòu)成組合系統(tǒng)，或者結(jié)合地圖匹配的方法，以校正定位誤差，并且將定位結(jié)果轉(zhuǎn)換為鐵路應(yīng)用所需的形式。GE公司的ITCS系統(tǒng)通過差分GPS與里程計(jì)組合，實(shí)現(xiàn)列車動態(tài)位置跟蹤，目前我國青藏線列車的區(qū)間定位正是采用此項(xiàng)技術(shù)。法國ALSTOM公司的ATLAS-400采用GNSS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)低密度線路的列車控制，正成為ETCS規(guī)范的一個(gè)重要組成部分。歐盟研究機(jī)構(gòu)針對基于GNSS列車自主定位及其在低密度線路應(yīng)用開展了一系列項(xiàng)目研宄。GARDEROS、RUNE、INTEGRAIL應(yīng)用基于Kalman濾波的組合導(dǎo)航技術(shù)，基于GNSS并利用陀螺儀、加速度計(jì)、里程計(jì)等輔助信息進(jìn)行融合定位，并通過地圖匹配獲得更加精確的定位結(jié)果。LOCOPROL采用基于衛(wèi)星偽距的一維列車定位算法，進(jìn)行列車的區(qū)段定位，定位結(jié)果精度比一般衛(wèi)星定位低，但滿足定位安全完整性需求，如圖1-1所示。

　　2基于北斗-INS的多傳感器組合列車定位方法

　　2.1列車組合定位原理

　　列車定位在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的地位至關(guān)重要，是列控系統(tǒng)對列車運(yùn)行速度、安全防護(hù)距離和制動方式進(jìn)行監(jiān)督、控制和調(diào)整的核心參數(shù)。能否準(zhǔn)確、及時(shí)地獲得列車位置信息，是保障列控系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行的首要問題，因而列車定位必須滿足以下幾項(xiàng)基本要求[7]:(1)精確性：定位信息的精度需滿足兩種不同要求，一是列車在同一軌道上縱向的定位精確性，二是列車在不同軌道之間的橫向的定位精確性；(2)連續(xù)性：定位信息必須連續(xù)輸出，即在時(shí)間上有良好的可用性；(3)覆蓋性：定位信息應(yīng)不受環(huán)境影響，即在空間上有良好的可用性。列車定位與航空、航海、公路交通定位的最大不同在于，列車運(yùn)行的軌跡嚴(yán)格取決于軌道走向，通過軌道占用與公里標(biāo)可以直接確定列車所在位置。線路所或者車站會存在多條并行軌道或者分叉軌道，列車走向在這一區(qū)域發(fā)生變化，通過軌道占用可以判斷列車行進(jìn)路線。在非并線區(qū)段軌道占用不會更改，而且公里標(biāo)與線路上的點(diǎn)一一對應(yīng)，在軌道占用確定不變的情況下，公里標(biāo)是判斷列車精確位置的唯一依據(jù)。因而在現(xiàn)代鐵路應(yīng)用中，獲取定位目標(biāo)（列車）的公里標(biāo)與軌道占用是定位的最終目的。公里標(biāo)是一維的位置的表達(dá)形式，通過線路上某一點(diǎn)距參照點(diǎn)的距離表征該點(diǎn)的絕對位置。公里標(biāo)的獲取方法有兩大類：推算法和匹配法。推算法基于線路一維延伸的特性，只要將已知公里標(biāo)的某一點(diǎn)作為參考點(diǎn)，即可通過推算目標(biāo)點(diǎn)與參考點(diǎn)之間的有向距離獲得目標(biāo)點(diǎn)的公里標(biāo)。匹配法實(shí)際上是坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法，通過匹配將測量坐標(biāo)系中的點(diǎn)轉(zhuǎn)換為公里標(biāo)。

　　2.2基于北斗-INS的列車組合定位方法功能框架

　　基于北斗-INS的列車組合定位系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：輸入子系統(tǒng)、邏輯子系統(tǒng)、輸出子系統(tǒng)。功能設(shè)定如下：

　　(1)輸入子系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集列車運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理，將釆集結(jié)果推送給邏輯子系統(tǒng)；

　　(2)邏輯子系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行定位運(yùn)算，運(yùn)用組合定位的方法，根據(jù)傳感器信息解算列車位置，并把運(yùn)算結(jié)果推送到輸出子系統(tǒng)；

　　(3)輸出子系統(tǒng)根據(jù)不同數(shù)據(jù)需求方各自的需要將定位結(jié)果以協(xié)議固定形式對外發(fā)送。

　　衛(wèi)星定位解算數(shù)據(jù)以NMEA-0183格式直接發(fā)送給邏輯子系統(tǒng)。目標(biāo)數(shù)據(jù)主要包括：位置數(shù)據(jù)（諱度、經(jīng)度、高程)、動態(tài)數(shù)據(jù)（地面速度、地面航向）、定位完整性數(shù)據(jù)（定位狀態(tài)、使用衛(wèi)星數(shù)、DOP)。IMU釆集單元按照預(yù)設(shè)的采集速率進(jìn)行列車動態(tài)參數(shù)（載體的三維角速度與三維加速度）的釆集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，將同一時(shí)刻的完整動態(tài)參數(shù)信息打包發(fā)送給邏輯子系統(tǒng)。假設(shè)列車以250Km/h的速度運(yùn)行，每秒前進(jìn)距離約70m對于運(yùn)動檢測來說，需要有一個(gè)較高的采樣速率才能平滑的表征運(yùn)動軌跡。一般來說，根據(jù)應(yīng)用和成本需要，衛(wèi)星定位釆樣速率選擇1-l0Hz,IMU采樣速率選擇50-500HZ。

　　3基于句法結(jié)構(gòu)模式識別的列車進(jìn)路推理.........21

　　3.1道岔特征.........21

　　3.2列車在咽喉區(qū)運(yùn)動狀態(tài)的動力學(xué)特征模型.........23

　　3.3句法結(jié)構(gòu)模式識別.........25

　　3.3.1句法分析作模式識別.........25

　　3.3.2基于自動機(jī)的模式推理方法.........27

　　3.4基于句法方法的列車進(jìn)路推理.........28

　　3.5本章小結(jié).........33

　　4基于慣性導(dǎo)航動態(tài)修正方法的列車定位.........35

　　4.1捷聯(lián)慣導(dǎo)基本算法.........35

　　4.2捷聯(lián)慣導(dǎo)的動態(tài)零速校正.........39

　　4.3動態(tài)初始對準(zhǔn)問題.........42

　　4.4捷聯(lián)慣導(dǎo)動態(tài)修正的Kalman濾波實(shí)現(xiàn).........43

　　4.5本章小結(jié).........47

　　5組合定位平臺實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證.........49

　　5.1組合定位試驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn).........49

　　5.2算法仿真試驗(yàn)驗(yàn)證.........52

　　5.3本章小結(jié).........58

　　5組合定位平臺實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證

　　5.1組合定位試驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)

　　組合定位試驗(yàn)平臺經(jīng)歷了兩個(gè)階段的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。第一階段是分離式設(shè)計(jì)，硬件部分主要是多傳感器數(shù)據(jù)采集平臺，采集軟件運(yùn)行在PC端，數(shù)據(jù)采集平臺與PC之間采用串口通信，場景數(shù)據(jù)在線下進(jìn)行處理分析。第二階段建立在基于GNSS的列車測速定位單元系統(tǒng)基礎(chǔ)上，整個(gè)組合定位過程在測速定位單元中實(shí)現(xiàn)?；贕NSS的列車測速定位單元是組合定位系統(tǒng)的第二階段實(shí)現(xiàn)，整個(gè)組合定位過程在單元中完成，實(shí)現(xiàn)列車車載自主定位。單元主要功能設(shè)計(jì)是：從傳感器釆集速度位置信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和處理，為車載主機(jī)輸出可靠的列車定位信息。單元由邏輯處理單元和多種類型的測速測距傳感器單元組成。測速定位傳感器單元包括速度傳感器（VelocitySensor,SS)、慣性測量單元（InertialMeasurementUnit,IMU)和基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的定位模塊（GPS+BDS)，負(fù)責(zé)采集列車的速度、位置信息。邏輯處理單元負(fù)貴傳感器信息的融合處理、地圖匹配、定位結(jié)果輸出等功能，釆用研華PCM9362工控板卡加載LINUX系統(tǒng)以及上層應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)?；贕NSS的測速測距單元對外接口采用兼容性設(shè)計(jì)，可直接替換既有列控系統(tǒng)中使用的測速定位單元，與車載主機(jī)通過總線相連接。圖5-5是單元的簡要構(gòu)造框圖。

　　結(jié)論

　　基于GNSS的列車自主定位是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)信息化的現(xiàn)實(shí)需求，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用為列車定位系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的思路和方向，未來北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)必然將會深入滲透到鐵路領(lǐng)域的定位應(yīng)用中。本文基于以上背景，針對衛(wèi)星定位局限性導(dǎo)致的應(yīng)用瓶頸，討論了基于組合定位的鐵路站場列車自主定位方法，將INS與BDS結(jié)合，實(shí)現(xiàn)列車的全時(shí)自主定位。本文主要解決了以下三個(gè)問題：

　　(1)組合定位實(shí)現(xiàn)方法的設(shè)計(jì)。文中提出并詳細(xì)闡述了基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與MEMS捷聯(lián)慣導(dǎo)的組合定位方法的功能框架與工作邏輯。

　　(2)列車站內(nèi)軌道占用的識別。針對衛(wèi)星定位水平精度不足以進(jìn)行站內(nèi)平行股道下列車軌道占用識別的問題，設(shè)計(jì)了采用陀螺儀輔助的方法，利用句法結(jié)構(gòu)模式識別，結(jié)合站場線路拓?fù)?，對陀螺儀提供的列車運(yùn)動的航向信息進(jìn)行建模分析，有效的判斷列車軌道占用。

　　(3)在衛(wèi)星定位失效條件下的列車自主定位。針對車站半封閉環(huán)境對衛(wèi)星定位結(jié)果有效性的影響，設(shè)計(jì)了基于捷聯(lián)慣導(dǎo)輔助的列車定位方法，保證衛(wèi)星定位失效條件下定位數(shù)據(jù)的持續(xù)輸出。對捷聯(lián)慣導(dǎo)的誤差修正方法進(jìn)行了探索，設(shè)計(jì)了基于動態(tài)零速修正方法的Kalman濾波器進(jìn)行誤差修正。

　　……………

　　參考文獻(xiàn)（略）

　　(責(zé)任編輯：gufeng)