现代有轨电车组合定位关键技术研究

发布时间：2020-10-24 16:10

　　近年来,随着城市的快速发展和城市人口的不断增加,加之城市中汽车保有量的持续上升所造成的道路交通拥挤、环境污染问题日益突出。为解决上述问题,大力发展新型环保、载客量大的城市轨道交通就成为了必然的趋势。现代有轨电车以其投资少、建设周期短、运载量较大和高舒适度等优点,成为中小城市客运、大城市轨道交通延伸和补充的重要选择。要想保证有轨电车的运行控制系统、调度指挥系统、色灯信号系统等能够实现安全与高效的运行,就必须为现代有轨电车提供实时、可靠、高精度的列车位置信息。因此,对现代有轨电车定位技术的研究具有重要的实际意义。单一定位技术的定位精度有限,提高其定位精度花费巨大,而基于多传感器的组合定位技术能够发挥其各自的优点,实现优势互补。本文正是基于上述组合定位技术的思想,将GPS(Global Positioning System,全球定位系统)和INS(Inertial Navigation System,惯性导航系统)综合起来设计一种适用于现代有轨电车的组合定位系统。论文主要从现代有轨电车组合定位方式入手,选取适当的传感器,设计组合定位模型,并着重研究适用于有轨电车组合定位的信息融合方法。在研究分析目前所使用的各导航系统性能、特点的基础上,论文选取GPS和INS作为现代有轨电车组合定位系统的子导航系统。在建立GPS/INS组合定位模型时,根据城市轨道实际工况,对INS进行了简化,组合方式釆用位置、速度组合模式。论文分析了目前组合导航系统中所使用的数据融合算法,在总结常规Kalman滤波算法和H_∞滤波算法不足的基础上,提出了一种基于强跟踪特性的H_∞滤波算法,并将仿真结果与常规Kalman滤波法、H_∞滤波法的仿真结果做对比,得出结论,验证了改进的H_∞滤波算法相对于常规Kalman滤波算法和H_∞滤波算法能获得更好的滤波效果。为进一步提高现代有轨电车定位精度,在GPS/INS组合定位结构中继续融入感应环线,以修正定位信息。本文在分析感应环线设置位置及定位性能的基础上,针对现代有轨电车运行环境的特点,设计了修正后的有轨电车定位总体结构。另外采用改进的H_∞滤波算法在GPS/INS/感应环线组合条件下进行仿真,结果表明该修正后的结构定位效果更优。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：U492.433
【部分图文】：

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(a) 通过平交路口图 (b) 正线运行图图 1.1 苏州高新区有轨电车 1 号线实景图(2) 与城市轨道交通中的地铁、轻轨相比，现代有轨电车网的建设周期短，建设成本低廉；(3) 现代有轨电车的调度指挥系统和色灯信号系统，需要获得实时、精确的电车位置信息，对全线的有轨电车进行实时的调度指挥和交叉路口优先权的设置；(4) 由于现代有轨电车在部分路段与社会车辆混合行驶，需要适当降低轨旁设备的使用率。由于在轨道交通行业中永远都是把安全放在首位的，现代有轨电车与其他的轨道交通工具一样，都是在保证安全的基础上来提高运行速度的。有轨电车是其运行控制系统的被控对象，为了能够有效地对其进行控制，必须实时掌握有轨电车的位置、速度等信息。色灯信号系统可以根据有轨电车实时的位置信息为其设置交叉路口优先通过权，而地面控制中心则可利用电车实时的位置信息对其进行间隔控制，确保有轨电车的安全。由此可见，能够获得精确的位置信息是保证有轨电车安全、高效运行的先决条件。当前，现代有轨电车采用与传统铁路相类似的定位技术，主要有轨道电路、查询/应答器、

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图 2.8 GPS 卫星空间分布示意图图 2.9 GPS 地面监控站(3) 用户部分由图 2.7 可知，GPS 用户部分主要包括 GPS 信号接收机和信号接收天线。GPS 信号接收机主要用来跟踪和获取待测卫星的信号，并进一步测量出信号的传播时间，最终实时计算出测量站的三维位置、三维速度和时间。2.3.2 GPS 定位系统的工作原理GPS 定位采用的是空间后方交会的基本原理。卫星通过连续不断地发送自身的位置、时间等信息，当 GPS 信号接收机用户捕获到这些信息后，测量得到 GPS 接收机与卫星之间的伪距，从而得到用户所需要的各种信息。由数学知识可知，计算求解用户的三维位置信息时，通过这样的 3 颗卫星即能解算出，但是，通常 GPS 信号接收机与 GPS定位系统时钟不同步，存在一定的时间差，因此，还需要第 4 颗卫星来计算未知参数时间差。由上述分析可知，为了确定待定点的三维坐标 (x , y , z)和时间差 t ，需要测定 4个卫星到待定点的伪距i ，即 c t (2.15)

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