基于BDS与地图匹配融合的列车定位技术研究与实现
发布时间：2021-08-01 01:26
随着轨道交通信息化水平的不断提高,铁路作为其重要组成部分,提高列车的运行控制等级成为不可阻挡的趋势。在列车运行控制系统中,实时获取列车的定位信息是保障列车运行安全的关键,定位的精确性和实时性是列车定位系统的基本要求。地图匹配作为对列车定位误差的软件修正方法,将之加入列车定位系统中,用以降低组合定位技术中存在的定位误差,从而提高列车的定位精度,对保障列车安全运行具有重要意义。（1）本文在分析了现有的列车定位地图匹配算法基础上,针对单一地图匹配算法存在匹配误差大,以及算法复杂导致的匹配实时性低等问题,提出了一种基于点到点与点到线的混合地图匹配算法,该算法综合点到点与点到线地图匹配算法的优点,在降低单一地图匹配算法匹配误差的基础上提高匹配算法的实时性。（2）针对北斗卫星信号被遮挡时列车定位接收机存在较大测量误差的问题,设计了基于混合地图匹配算法的BDS/ODO列车组合定位方法。在卫星信号受到干扰的地区,首先使用曲线插值算法补充轨道电子地图数据;然后通过扩展卡尔曼滤波器对组合定位获取的列车定位数据进行滤波处理,以此降低定位传感器的测量误差;最后,将滤波后的定位数据通过混合地图匹配算法的计算匹配...
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１轨道电路走位原理??Ｆｉｇ．?１．１?Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｔｒａｃｋ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ??（２）?ＯＤ（），利用里程计测得列车的运行速度，进而得到列车的位移
??第二章列车定位相关理论???的地球静止轨道；３颗卫星处在地球同步轨道（接近３５８００千米高）、保持５５度倾角［４２］。??这种专为亚太地区服务的卫星轨道配置，作为４颗卫星就可实现定位的卫星导航系统来??说，在３５颗卫星全部组网成功后，几乎可以保证亚太地区１２颗卫星可见，大幅度提高??该区域内定位精度。相对于ＧＰＳ定位的１５ｍ标准精度，北斗的１０ｍ定位精度更具有优??势。图２．２为ＧＰＳ卫星导航系统与ＢＤＳ北斗卫星导航系统示意图。??■■??图１２ＧＰＳ与ＢＤＳ示意图??Ｆｉｇ?２．２?ＧＰＳ?ａｎｄ?ＢＤＳ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??２．２组合定位技术??２．２．１惯性导航系统??考虑到卫星定位存在盲区，列车组合定位技术因其利用各个定位方式的优势互补成??为列车实际定位时的最佳选择。其中，惯性导航系统（Ｉｎｅ／ｔｉａｌ?Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ?Ｓｙｓｔｅｍ，以下??简称ＩＮＳ），是作为对卫星导航系统盲区的补充，本质是｜据惯性测量的方法将测量元??件（陀螺仪和加速度计）安装在运动载体上的一种自主式导航系统４３１。根据构建方式的??不同，可以将丨ＮＳ分为平台式和捷联式惯性导航系统（ＳＩＮＳ）两种。其中，陀螺仪??和加速度计用来测量载体的角速度和加速度信息。平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加??速度计安装在惯性平台上，利用平台来模拟导航坐标系并用上述惯性器件直接测量出坐??标轴方向上的运动参量，然后根据测得的数据解算得出该坐标轴上的运动参量。ＳＩＮＳ??不需要稳定的平台，将惯性器件直接安装在载体上，从而使系统体积更孝重量更轻、??成本更低。??ＩＮＳ的基本原理［４５１：由载体上安装的三个方向的加速度计测得
??导航系统则可以解决卫星信号较差以及卫星信号盲区的列车定位问题。因此，根据不同??的情况选择合适的组合方案，可以提高列车定位的精度和可靠性。按照组合的层次，可??以将卫星导航和惯性导航组合定位分成三种：松耦合、紧耦合和深耦合。??其中，松耦介的基本原理是将ＩＮＳ传感器和卫星接收机获取的速度和位置进行比??较，将得到的差值作为滤波输入｜４７１，然后再将滤波后的差值作为惯性导航系统的校正值，??最后将滤波器输出作为组合定位系统的输出，从而提高定位的精度｜４８，４９１。其原理图如下??图２．３所示。??￣ＺＺＺＩＺＩＩＺ?▼???ＩＮＳ传感器?一？?ＩＮＳ导航计算???组合输出??列车位置速度（Ｘ｝——？滤波器■?Ｉ?？??卫星极吹一＞?卫星信号计算???；???反馈校正???图２．３松耦合定位原理图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｏｏｓｅ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ?ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ??紧耦合的基本原理是将卫星接收机测得的伪距值和伪距率值与ＩＮＳ计算输出的对??应位置、速度估计值进行比较，然后将得到的差值作为滤波器的输入，用滤波后的误差??估计值对ＩＮＳ导航计算进行误差修正，提高ＩＮＳ的定位精度。由于不需要计算得到卫星??独立导航的解，且能对接收机的测距误差建立相应的模型，所以一般情况下紧耦合方式??比松耦合方式有着更高的定位精度。??组合导航系统的数据融合是采用信息融合技术将不同定位技术的数据进行处理，进??而提高组合定位的精度。对于动态非线性系统的问题，当下国内外提出的融合算法有：??滤波理论方面主要有扩展卡尔曼滤波（ＥＫＦ）、无迹卡尔曼滤波［５
【参考文献】：
期刊论文
[1]北斗卫星导航系统/美国全球定位系统载波相位相对定位全球精度分析[J]. 周乐韬,黄丁发,冯威,陈武,张熙,严丽. 中国科学:地球科学. 2019(04)
[2]基于北斗卫星列控定位技术的京沈高铁试验方案[J]. 岳朝鹏,李克,陆德彪. 铁路通信信号工程技术. 2019(01)
[3]全站仪和GNSS-RTK在数字测图技术标准中的应用初探[J]. 贾存鹏. 中国标准化. 2018(24)
[4]基于卫星导航的列车组合定位技术研究进展[J]. 沙聪雪. 中国新技术新产品. 2018(21)
[5]基于抗差估计的BDS/ODO组合列车定位方法[J]. 蔡煊,王长林. 铁道科学与工程学报. 2018(10)
[6]基于BDS的数字轨道辅助列车定位方法研究[J]. 王鹏飞,李卫东,初宪武,王新屏. 大连交通大学学报. 2018(05)
[7]改进的自适应滤波算法在BDS/INS组合导航中的应用[J]. 强明辉,蒋文. 全球定位系统. 2018(03)
[8]“一带一路”倡议下中国高铁“走出去”的风险和挑战[J]. 张先军. 华南理工大学学报(社会科学版). 2018(02)
[9]北斗卫星导航系统误差分析与评估[J]. 翟显,刘瑞华,王剑,朱一龙. 现代导航. 2018(01)
[10]聚焦“交通强国、铁路先行” 奋力开创新时代铁路建设高质量发展新局面——在中国铁路总公司铁路建设工作会议上的讲话（摘要）[J]. 王同军. 中国铁路. 2018(02)
博士论文
[1]多场景下的GNSS完好性监测方法研究[D]. 任烨.中国科学院研究生院(国家授时中心) 2016
[2]基于北斗卫星系统的列车定位方法研究[D]. 戴连君.北京交通大学 2013
硕士论文
[1]基于BDS/INS的列车组合定位算法研究[D]. 刘福志.大连交通大学 2017
[2]北斗卫星导航系统在青藏铁路列车定位中的应用研究[D]. 张树.中国铁道科学研究院 2017
[3]北斗接收机跟踪环路设计及组网应用研究[D]. 刘琦.太原理工大学 2017
[4]车载地图智能道路自动识别及更新的思路与实现方法[D]. 郑才二.天津大学 2017
[5]基于EEMD方法在GPS变形监测多路径效应中的应用[D]. 李骁.东华理工大学 2016
[6]基于MEMS/GPS组合导航的无人机导航系统研究[D]. 陈智超.哈尔滨工程大学 2016
[7]基于EKF的GPS/ODO列车定位方法研究[D]. 张亮.北京交通大学 2016
[8]GPS/BDS数据质量评估及完好性监测研究[D]. 范丽红.长安大学 2014
[9]BDS/DR组合导航系统的滤波算法研究[D]. 伍晓飞.中南大学 2014
[10]北斗卫星导航系统B1频段信号分析研究[D]. 刘天旻.上海交通大学 2013
本文编号：3314568
【文章来源】：大连交通大学辽宁省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１轨道电路走位原理??Ｆｉｇ．?１．１?Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ?ｏｆ?ｔｒａｃｋ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ??（２）?ＯＤ（），利用里程计测得列车的运行速度，进而得到列车的位移
??第二章列车定位相关理论???的地球静止轨道；３颗卫星处在地球同步轨道（接近３５８００千米高）、保持５５度倾角［４２］。??这种专为亚太地区服务的卫星轨道配置，作为４颗卫星就可实现定位的卫星导航系统来??说，在３５颗卫星全部组网成功后，几乎可以保证亚太地区１２颗卫星可见，大幅度提高??该区域内定位精度。相对于ＧＰＳ定位的１５ｍ标准精度，北斗的１０ｍ定位精度更具有优??势。图２．２为ＧＰＳ卫星导航系统与ＢＤＳ北斗卫星导航系统示意图。??■■??图１２ＧＰＳ与ＢＤＳ示意图??Ｆｉｇ?２．２?ＧＰＳ?ａｎｄ?ＢＤＳ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??２．２组合定位技术??２．２．１惯性导航系统??考虑到卫星定位存在盲区，列车组合定位技术因其利用各个定位方式的优势互补成??为列车实际定位时的最佳选择。其中，惯性导航系统（Ｉｎｅ／ｔｉａｌ?Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ?Ｓｙｓｔｅｍ，以下??简称ＩＮＳ），是作为对卫星导航系统盲区的补充，本质是｜据惯性测量的方法将测量元??件（陀螺仪和加速度计）安装在运动载体上的一种自主式导航系统４３１。根据构建方式的??不同，可以将丨ＮＳ分为平台式和捷联式惯性导航系统（ＳＩＮＳ）两种。其中，陀螺仪??和加速度计用来测量载体的角速度和加速度信息。平台式惯性导航系统是将陀螺仪和加??速度计安装在惯性平台上，利用平台来模拟导航坐标系并用上述惯性器件直接测量出坐??标轴方向上的运动参量，然后根据测得的数据解算得出该坐标轴上的运动参量。ＳＩＮＳ??不需要稳定的平台，将惯性器件直接安装在载体上，从而使系统体积更孝重量更轻、??成本更低。??ＩＮＳ的基本原理［４５１：由载体上安装的三个方向的加速度计测得
??导航系统则可以解决卫星信号较差以及卫星信号盲区的列车定位问题。因此，根据不同??的情况选择合适的组合方案，可以提高列车定位的精度和可靠性。按照组合的层次，可??以将卫星导航和惯性导航组合定位分成三种：松耦合、紧耦合和深耦合。??其中，松耦介的基本原理是将ＩＮＳ传感器和卫星接收机获取的速度和位置进行比??较，将得到的差值作为滤波输入｜４７１，然后再将滤波后的差值作为惯性导航系统的校正值，??最后将滤波器输出作为组合定位系统的输出，从而提高定位的精度｜４８，４９１。其原理图如下??图２．３所示。??￣ＺＺＺＩＺＩＩＺ?▼???ＩＮＳ传感器?一？?ＩＮＳ导航计算???组合输出??列车位置速度（Ｘ｝——？滤波器■?Ｉ?？??卫星极吹一＞?卫星信号计算???；???反馈校正???图２．３松耦合定位原理图??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｌｏｏｓｅ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ?ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ??紧耦合的基本原理是将卫星接收机测得的伪距值和伪距率值与ＩＮＳ计算输出的对??应位置、速度估计值进行比较，然后将得到的差值作为滤波器的输入，用滤波后的误差??估计值对ＩＮＳ导航计算进行误差修正，提高ＩＮＳ的定位精度。由于不需要计算得到卫星??独立导航的解，且能对接收机的测距误差建立相应的模型，所以一般情况下紧耦合方式??比松耦合方式有着更高的定位精度。??组合导航系统的数据融合是采用信息融合技术将不同定位技术的数据进行处理，进??而提高组合定位的精度。对于动态非线性系统的问题，当下国内外提出的融合算法有：??滤波理论方面主要有扩展卡尔曼滤波（ＥＫＦ）、无迹卡尔曼滤波［５
【参考文献】：
期刊论文
[1]北斗卫星导航系统/美国全球定位系统载波相位相对定位全球精度分析[J]. 周乐韬,黄丁发,冯威,陈武,张熙,严丽. 中国科学:地球科学. 2019(04)
[2]基于北斗卫星列控定位技术的京沈高铁试验方案[J]. 岳朝鹏,李克,陆德彪. 铁路通信信号工程技术. 2019(01)
[3]全站仪和GNSS-RTK在数字测图技术标准中的应用初探[J]. 贾存鹏. 中国标准化. 2018(24)
[4]基于卫星导航的列车组合定位技术研究进展[J]. 沙聪雪. 中国新技术新产品. 2018(21)
[5]基于抗差估计的BDS/ODO组合列车定位方法[J]. 蔡煊,王长林. 铁道科学与工程学报. 2018(10)
[6]基于BDS的数字轨道辅助列车定位方法研究[J]. 王鹏飞,李卫东,初宪武,王新屏. 大连交通大学学报. 2018(05)
[7]改进的自适应滤波算法在BDS/INS组合导航中的应用[J]. 强明辉,蒋文. 全球定位系统. 2018(03)
[8]“一带一路”倡议下中国高铁“走出去”的风险和挑战[J]. 张先军. 华南理工大学学报(社会科学版). 2018(02)
[9]北斗卫星导航系统误差分析与评估[J]. 翟显,刘瑞华,王剑,朱一龙. 现代导航. 2018(01)
[10]聚焦“交通强国、铁路先行” 奋力开创新时代铁路建设高质量发展新局面——在中国铁路总公司铁路建设工作会议上的讲话（摘要）[J]. 王同军. 中国铁路. 2018(02)
博士论文
[1]多场景下的GNSS完好性监测方法研究[D]. 任烨.中国科学院研究生院(国家授时中心) 2016
[2]基于北斗卫星系统的列车定位方法研究[D]. 戴连君.北京交通大学 2013
硕士论文
[1]基于BDS/INS的列车组合定位算法研究[D]. 刘福志.大连交通大学 2017
[2]北斗卫星导航系统在青藏铁路列车定位中的应用研究[D]. 张树.中国铁道科学研究院 2017
[3]北斗接收机跟踪环路设计及组网应用研究[D]. 刘琦.太原理工大学 2017
[4]车载地图智能道路自动识别及更新的思路与实现方法[D]. 郑才二.天津大学 2017
[5]基于EEMD方法在GPS变形监测多路径效应中的应用[D]. 李骁.东华理工大学 2016
[6]基于MEMS/GPS组合导航的无人机导航系统研究[D]. 陈智超.哈尔滨工程大学 2016
[7]基于EKF的GPS/ODO列车定位方法研究[D]. 张亮.北京交通大学 2016
[8]GPS/BDS数据质量评估及完好性监测研究[D]. 范丽红.长安大学 2014
[9]BDS/DR组合导航系统的滤波算法研究[D]. 伍晓飞.中南大学 2014
[10]北斗卫星导航系统B1频段信号分析研究[D]. 刘天旻.上海交通大学 2013
本文编号：3314568
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