多传感器融合定位在高速铁路的应用

中图分类号：TN 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2014）01-0268-01

摘要：本文针对我国铁路的具体情况， 面向高速铁路列车对列车定位技术的要求，提出了GPS/DR /MM的组合定位方案。该方案利用卡尔曼滤波技术进行多传感器数据融合，以平原地区采用GPS单独定位，信号遮挡区采用DR定位，站内采用查询应答器进行定位的方法，通过 GPS和 DR相互补足，得到精度较高的定位数据，再将获得的组合定位数据与电子地图进行匹配。该方法较一般列车定位系统相比，提高了定位系统的精度和可靠性。

关键词：高速铁路 多传感器融合 组合定位 地图匹配

根据中国铁路地形、线路的复杂状况及高速铁路对列车定位技术的要求，提出一种多传感器组合定位的方案，选用 GPS/DR/MM 组合定位的方式，利用多传感器组合定位技术信息互补的特点，采用卡尔曼滤波将所得信息进行数据融合，得到比单一传感器定位更精确的定位数据。

1.系统方案设计

该方案利用DR自主定位的特点，可以保证列车在任何地方、任何时候都可以输出定位信息，而 GPS的采用可以给 DR提供初始位置数据，MM的运用满足了系统对定位精度的需求。融合算法部分采用联邦滤波算法，解决了其他滤波算法计算负担重、容错性能差的缺点。系统框图如下：

1.1定位方案设计

本方案采取多传感器组合定位技术，即各种定位技术互相补充的方案。具体方案如下：

1） 在平原地区

在铁路线路区间，当 GPS信息连续时在机车头部安装的 GPS接收机将 GPS信息送给定位系统，GPS信息作为主信息，DR信息和查询应答器信息作为校验信息，三者联合滤波后给出最优的定位估计信息。

2） 在信号遮挡区

遇到“城市峡谷”等障碍区时，GPS信号会消失或减弱，这时采用DR 信息作为主信息。GPS失效前一点位置正好可以作为 DR 的初始位置，有了初始位置以后，利用里程仪和陀螺仪就可以对下一时刻列车的位置做出估计。

3） 在列车车站内

列车进入车站后，由于股道线间距很小，GPS和 DR的定位精度已经不能很好的表现出股道的差异，因此采用查询应答器来获得列车在站内的定位信息。此时查询应答器信息作为主信息，而 GPS信息和 DR信息作为校验信息。

1.2数据融合方法

该方案核心的问题是系统基于数据融合的定位算法的设计。在列车测速定位领域应用的数据融合方法有判断检测理论、估计理论、数据关联等，其中应用最广泛的是估计理论中的卡尔曼滤波方法。与其他估计算法相比，卡尔曼滤波具有显著的优点：采用状态空间法在时域内设计滤波器，用状态方程就可以描述任何复杂多维信号的动力学特性，避开了在频域内对信号功谱做分解带来的麻烦，滤波器的设计简单易行，采用递推算法。所以卡尔曼滤波能适用于任何平稳或非平稳随机向量过程的估计，所得估计在线性估计中精度最佳。目前已经开发的滤波算法包括线性卡尔曼滤波，扩展卡尔曼滤波以及联邦卡尔曼滤波。本方案采用联邦卡尔曼滤波进行数据融合，系统信息融合过程如下图所示：

此滤波算法中，取βm = 0，即主滤波器没有信息输入，进一步优化系统，减少了运算量。系统滤波算法的具体步骤如下：

1） 子滤波器1处理GPS系统输出地列车位置信息，并给出状态估计 x1和估计误差的协方差矩阵p1；

2） 子滤波器2处理陀螺仪和里程仪输出的角度信息和列车运行距离信息，并给出状态估计x2和估计误差的协方差矩阵p2；

3） 子滤波器3处理查询应答器输出的进路长度等信息，并给出状态估计x3和估计误差的协方差矩阵p3；

4） 将所有的状态估计和估计误差的协方差矩阵送到主滤波器，并同主滤波器的状态估计一起按式（1）和式（2）进行融合，得到全局状态估计和协方差矩阵。

（1）

（2）

5） 利用主滤波器的最优估计值对3个子滤波器的状态估计进行重置，即：

（3）

（4）

不同的信息分配系数可以获得联邦滤波器的不同结构以及不同的容错性能、滤波精度和计算量。本方案中设计了一种自适应联邦卡尔曼滤波器，利用 GPS接收机输出的反映定位精度的参数为依据，自动调整 p值的大小。定位系统根据GPS接收机的 p值大小来决定取值。

1.3地图匹配算法

GPS和 DR系统的组合导航在一定程度上提高了定位系统的精度和可靠性，但定位数据仍然存在一定误差，并且当 GPS数据丢失时，DR 系统的误差会累积变大。在实际系统中通常采用地图匹配算法来进一步提高 GPS和 DR系统的精度。

地图匹配的基本思想是将车辆定位轨迹与数字地图中的道路网信息联系起来，并由此相对于地图确定车辆的位置。地图匹配的算法分为两个相对独立的过程：

1） 道路选择。主要是对道路进行分段，提取道路特征信息， 然后采用适当的搜索规则和匹配算法根据当前传感器给出的车辆信息，在地图数据库中寻找一条最有可能的道路；

2） 道路匹配。将车辆当前位置匹配并显示在这条道路上，用于消除传感器的定位误差。

2、结论

针对高速铁路列车运行控制系统中的列车定位问题，本文提出了 GPS /DR /MM 组合定位的方案，利用卡尔曼滤波对多传感器的数据信息进行融合之后再与电子地图匹配，实时提供列车的定位信息。与单一传感器定位方式相比，可以进一步提高列车的测速定位精度，保证了高速列车安全、可靠的运行。