第31卷,第1期 中国铁道科学2010年1月 CHINARAILWAYSCIENCE
文章编号:100124632(2010)0120123207
Vol131No11
January,2010
基于GPS与惯性测量单元的列车组合定位系统
刘 江1,2,蔡伯根1,唐 涛2,王 剑1
(1.北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044;
2.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044)
摘 要:采用GPS接收机及惯性测量单元构成列车组合定位系统,离层、数据融合层和输出层4个部分。给出GPS接收机、;设计采用H∞鲁棒滤波方法的数据融合算法;略。,该系统能够实现高精度高可靠性的列车定位;滤波方法更为稳定;组合系统能够有效实现,,保障系统安全;具有较高的适应性和实际应用价值。
:;组合定位;惯性测量单元;GPS;数据融合;故障检测与隔离 :U284148 文献标识码:A
列车的实时定位主要依靠里程计、查询应答器、全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatel2liteSystem,GNSS)等技术[1]。基于通信的列车控制(CommunicationBasedTrainControl,CBTC)系统需要在适当精度和充分完整性条件下持续地更新列车位置,这给列车定位系统带来了更高的要求[2,3]。
目前,很多列车采用了全球定位系统(GlobalPositionSystem,GPS),GPS能够实现高精度快速定位,但当列车进入隧道、山区、森林等地时存在信号遮挡,并且在并行线路上易发生认错股道的现象。基于惯性测量单元(InertialMeasurementUnit,IMU)的惯性定位具有高自主性,不易受外界条件及其他人为因素干扰,但是存在误差累积与系统成本的矛盾,必须利用高精度定位信息对其进行定期校正。GPS和惯性定位在性能上具有互补性,因此,综合利用2种定位系统的优点,集成构成列车组合定位系统,则其精度、性能和可靠性都将较单一系统有大的改善,不仅能够保证列车的精确定位,而且还能提高系统的可靠性,更好地保证列车运行的安全[2,4,5]。
本文结合实际列车定位的特性和需求,采用
收稿日期:2008209210;修订日期:2009207222
GPS接收机和惯性测量单元构成列车组合定位系
统,通过设计高效的多传感器数据融合算法以及故
障检测与隔离策略,实现高精度、高可靠性的列车实时定位,为列车运行控制系统提供支持。
1 列车组合定位系统结构
列车组合定位系统包括被测系统和参考系统,其平台结构如图1所示。 被测系统主要包括GPS接收机、惯性传感器、里程计等定位传感器。接收机采用单频导航型GPS接收机板卡NovAtelSuperstarⅡ,惯性传感器选用低成本高可靠性的MEMS惯性器件XW2IMU5200。根据列车定位系统的实际需要,可以采取不同的传感器工作策略形成多种列车定位方案,并根据测量结果对这些方案的性能进行评估。各种传感器以及通信终端都连接到车载定位计算机。另外,车载计算机预留与查询应答器和车载列控设备的接口。
参考系统选取NovAtel测量型GPS接收机DL4和广域差分GPS接收机NavcomSF2050,采用实时载波相位差分或者是后处理差分的方式,可
基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(60736047,60634010,60870016);国家“八六三”计划项目(2007AA11Z214)
),男,陕西汉中人,博士研究生。 作者简介:刘 江(1985—
124中 国 铁 道 科 学 第31卷
图1 ,用GPS接收机。
列车组合定位系统结构如图2所示。从功能结构看,列车组合定位系统可以分为如下4个部分。
(1)传感器输入层:采用GPS接收机、惯性测量单元组成数据通道,完成传感器数据采集输入并实现测量冗余。
(2)故障检测与隔离层:对各个定位通道的传感器数据进行故障检测,一旦检测到故障即采用相应隔离策略进行故障隔离,保证组合定位的有效性与可靠性。
(3)数据融合层:根据系统需求采用一定的数
据融合算法对不同数据通道的定位信息进行融合计算,最优地给出定位输出信息。
(4)输出层:利用数字轨道地图进行比较,给出地图匹配后的最后定位输出。
颗导航定位卫星发送来的定位信息,计算出列车的确切位置,实现列车的精确定位。
惯性测量单元是将惯性传感器(陀螺仪和加速度计)按照要求组合成1个硬件整体,测量载体的三维加速度和角速度,再配备导航计算机和相应的导航解算软件以实现导航定位。将惯性测量单元固联在列车上构成车载捷联系统,可以省去传统平台惯性系统的硬件装置,减少硬件配置,提高系统可靠性,降低系统成本。捷联系统依靠计算机实现“平台”作用,所以定位算法的复杂度则相应增加。考虑列车只在特定的轨道上运行,为了保持行车安全和运行平稳,轨道平面尽量采用长直线,根据地形变化采用部分曲线。在忽略线路坡度和外轨超高等因素的情况下,可以近似地认为列车在一定运行时间内的行驶是平坦的,即可以在一定范围内近似认为列车在“东—北—天”坐标系下的天向速度为0,并且列车没有俯仰、横滚等姿态变化。因此可以采取2种工作策略对惯性系统进行简化:第1种,单轴陀螺仪+双轴加速度计;第2种,单轴
陀螺仪+单轴加速度计。简化的列车惯性导航原理如图3所示。图中,坐标轴X,Y的下角标b,n分别表示载体坐标系和导航坐标系,xt,yt,;t分别为列车的实时位置和航向。
图2 列车组合定位系统结构图
2 定位传感器的位置解算方法
利用GPS实现列车定位就是在列车两端安装GPS接收机和差分误差信息接收器,通过接收多
在第1种工作策略下,2个加速度计分别沿钢
轨和垂直钢轨2个方向安装,以获得载体坐标系(b系)下的东向和北向加速度fbx和fby。陀螺仪的敏感轴沿列车运行平面的垂直方向安装(指向载体坐标系的OZb轴),在列车运行的初始偏航角已知的情况下,列车的航向就可以通过对陀螺测得的角速度ω有了这些信息,bz进行积分而计算出来。
第1期 基于GPS与惯性测量单元的列车组合定位系统125
1-2q
23
n
Cb=2q3
-2q3
-q230
00(7)
-q230
1-2q23
当采用第2种工作策略时,陀螺仪的工作方式与在第1种工作策略下相同,加速度计敏感轴指向载体坐标系的OXb轴,用来测量车辆前进方向的加速度fbx。,在每个bz,将,通过
图3 简化的列车惯性导航原理
、位置以及里 ;(t)=;(t-1)+
ω(τ)dτ
∫
t-1
bz
t
考坐标系(导航坐标系,n系),进行积分,速度和位置 fbx,fby及角速度ωbz,参照基本的捷联惯性导航系统方程,结合简化条件,可以得到列车的东向、北向瞬时速度与位置[6],即
tanLvN
第31卷,第1期 中国铁道科学2010年1月 CHINARAILWAYSCIENCE
文章编号:100124632(2010)0120123207
Vol131No11
January,2010
基于GPS与惯性测量单元的列车组合定位系统
刘 江1,2,蔡伯根1,唐 涛2,王 剑1
(1.北京交通大学电子信息工程学院,北京 100044;
2.北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044)
摘 要:采用GPS接收机及惯性测量单元构成列车组合定位系统,离层、数据融合层和输出层4个部分。给出GPS接收机、;设计采用H∞鲁棒滤波方法的数据融合算法;略。,该系统能够实现高精度高可靠性的列车定位;滤波方法更为稳定;组合系统能够有效实现,,保障系统安全;具有较高的适应性和实际应用价值。
:;组合定位;惯性测量单元;GPS;数据融合;故障检测与隔离 :U284148 文献标识码:A
列车的实时定位主要依靠里程计、查询应答器、全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatel2liteSystem,GNSS)等技术[1]。基于通信的列车控制(CommunicationBasedTrainControl,CBTC)系统需要在适当精度和充分完整性条件下持续地更新列车位置,这给列车定位系统带来了更高的要求[2,3]。
目前,很多列车采用了全球定位系统(GlobalPositionSystem,GPS),GPS能够实现高精度快速定位,但当列车进入隧道、山区、森林等地时存在信号遮挡,并且在并行线路上易发生认错股道的现象。基于惯性测量单元(InertialMeasurementUnit,IMU)的惯性定位具有高自主性,不易受外界条件及其他人为因素干扰,但是存在误差累积与系统成本的矛盾,必须利用高精度定位信息对其进行定期校正。GPS和惯性定位在性能上具有互补性,因此,综合利用2种定位系统的优点,集成构成列车组合定位系统,则其精度、性能和可靠性都将较单一系统有大的改善,不仅能够保证列车的精确定位,而且还能提高系统的可靠性,更好地保证列车运行的安全[2,4,5]。
本文结合实际列车定位的特性和需求,采用
收稿日期:2008209210;修订日期:2009207222
GPS接收机和惯性测量单元构成列车组合定位系
统,通过设计高效的多传感器数据融合算法以及故
障检测与隔离策略,实现高精度、高可靠性的列车实时定位,为列车运行控制系统提供支持。
1 列车组合定位系统结构
列车组合定位系统包括被测系统和参考系统,其平台结构如图1所示。 被测系统主要包括GPS接收机、惯性传感器、里程计等定位传感器。接收机采用单频导航型GPS接收机板卡NovAtelSuperstarⅡ,惯性传感器选用低成本高可靠性的MEMS惯性器件XW2IMU5200。根据列车定位系统的实际需要,可以采取不同的传感器工作策略形成多种列车定位方案,并根据测量结果对这些方案的性能进行评估。各种传感器以及通信终端都连接到车载定位计算机。另外,车载计算机预留与查询应答器和车载列控设备的接口。
参考系统选取NovAtel测量型GPS接收机DL4和广域差分GPS接收机NavcomSF2050,采用实时载波相位差分或者是后处理差分的方式,可
基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(60736047,60634010,60870016);国家“八六三”计划项目(2007AA11Z214)
),男,陕西汉中人,博士研究生。 作者简介:刘 江(1985—
124中 国 铁 道 科 学 第31卷
图1 ,用GPS接收机。
列车组合定位系统结构如图2所示。从功能结构看,列车组合定位系统可以分为如下4个部分。
(1)传感器输入层:采用GPS接收机、惯性测量单元组成数据通道,完成传感器数据采集输入并实现测量冗余。
(2)故障检测与隔离层:对各个定位通道的传感器数据进行故障检测,一旦检测到故障即采用相应隔离策略进行故障隔离,保证组合定位的有效性与可靠性。
(3)数据融合层:根据系统需求采用一定的数
据融合算法对不同数据通道的定位信息进行融合计算,最优地给出定位输出信息。
(4)输出层:利用数字轨道地图进行比较,给出地图匹配后的最后定位输出。
颗导航定位卫星发送来的定位信息,计算出列车的确切位置,实现列车的精确定位。
惯性测量单元是将惯性传感器(陀螺仪和加速度计)按照要求组合成1个硬件整体,测量载体的三维加速度和角速度,再配备导航计算机和相应的导航解算软件以实现导航定位。将惯性测量单元固联在列车上构成车载捷联系统,可以省去传统平台惯性系统的硬件装置,减少硬件配置,提高系统可靠性,降低系统成本。捷联系统依靠计算机实现“平台”作用,所以定位算法的复杂度则相应增加。考虑列车只在特定的轨道上运行,为了保持行车安全和运行平稳,轨道平面尽量采用长直线,根据地形变化采用部分曲线。在忽略线路坡度和外轨超高等因素的情况下,可以近似地认为列车在一定运行时间内的行驶是平坦的,即可以在一定范围内近似认为列车在“东—北—天”坐标系下的天向速度为0,并且列车没有俯仰、横滚等姿态变化。因此可以采取2种工作策略对惯性系统进行简化:第1种,单轴陀螺仪+双轴加速度计;第2种,单轴
陀螺仪+单轴加速度计。简化的列车惯性导航原理如图3所示。图中,坐标轴X,Y的下角标b,n分别表示载体坐标系和导航坐标系,xt,yt,;t分别为列车的实时位置和航向。
图2 列车组合定位系统结构图
2 定位传感器的位置解算方法
利用GPS实现列车定位就是在列车两端安装GPS接收机和差分误差信息接收器,通过接收多
在第1种工作策略下,2个加速度计分别沿钢
轨和垂直钢轨2个方向安装,以获得载体坐标系(b系)下的东向和北向加速度fbx和fby。陀螺仪的敏感轴沿列车运行平面的垂直方向安装(指向载体坐标系的OZb轴),在列车运行的初始偏航角已知的情况下,列车的航向就可以通过对陀螺测得的角速度ω有了这些信息,bz进行积分而计算出来。
第1期 基于GPS与惯性测量单元的列车组合定位系统125
1-2q
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n
Cb=2q3
-2q3
-q230
00(7)
-q230
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当采用第2种工作策略时,陀螺仪的工作方式与在第1种工作策略下相同,加速度计敏感轴指向载体坐标系的OXb轴,用来测量车辆前进方向的加速度fbx。,在每个bz,将,通过
图3 简化的列车惯性导航原理
、位置以及里 ;(t)=;(t-1)+
ω(τ)dτ
∫
t-1
bz
t
考坐标系(导航坐标系,n系),进行积分,速度和位置 fbx,fby及角速度ωbz,参照基本的捷联惯性导航系统方程,结合简化条件,可以得到列车的东向、北向瞬时速度与位置[6],即
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