一种卫星信号受限条件下的列车组合定位方法技术

本发明专利技术提供了一种卫星信号受限条件下的列车组合定位方法，此方法在卫星定位有效的情况下，利用卫星导航系统提供的位置信息来修正惯性导航系统的误差，将列车姿态信息与车轮传感器的输出参数进行组合，计算得到导航坐标系下的三维速度，为卫星失锁进行信息储备。在卫星定位失效的情况下，采用车轮传感器/惯性导航系统进行组合定位，利用车轮传感器来修正惯性导航系统的误差，从而使列车组合导航系统可以提供一定精度的定位信息。利用高精度数字轨道地图修正列车在轨道垂直方向上的误差，保证列车的定位精度。能解决列车在卫星信号失锁区域的定位问题，并可在不同卫星定位情况下进行系统的自主切换，从而得到连续、准确、可靠的列车位置信息。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星信号受限条件下的列车组合定位方法
本专利技术涉及铁路列车定位
，尤其涉及一种受限条件下的列车组合定位方法。
技术介绍
铁路作为我国国民经济的大动脉、国家重要基础设施、大众化交通工具，具有运能大、效率高、运距长、能耗低等诸多优点，非常适合我国人口众多、幅员辽阔的基本国情，在我国经济社会发展中发挥着重要的作用。列车运行控制系统作为铁路运输的“神经中枢”，是保障铁路行车安全、提高运输效率的核心，需要对列车的速度、位置等信息进行实时、准确的掌握。提高列车运行安全水平、降低运营和维护成本、满足线路运量现在已经成为了列车控制系统的一个研究热点。随着GPS、GLONASS、Galileo和我国自主研发的北斗卫星导航系统的逐步发展和完善，卫星导航定位技术的应用领域也在不断扩展，利用卫星定位系统技术快速、准确地提供列车位置信息，不仅可以减少轨旁设备，降低建设和运行成本，减少铁路维修周期，还能提高列车定位精度，缩短列车行驶间隔时间，提高线路运输效率。但仅仅依靠GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球卫星导航系统)定位技术难以实现列车的连续定位，因为列车在实际运行环境中不仅会遇到隧道、桥梁、山坡、城市建筑物等遮挡卫星信号等问题，还会受到电磁波干扰、阻塞，出现卫星信号接受困难或丢失、错误等情况，降低列车定位的可靠性和精确性。因此，需要增加其他低成本传感器进行多源信息融合处理，弥补单一传感器的局限性，扬长避短，形成有效列车组合定位功能整体。目前，现有技术中还没有针对受限条件下列车自主切换定位模式的组合定位方法进行深入研究。专利技术内容本专利技术实施例提供了一种受限条件下的列车组合定位方法，解决列车在卫星信号失锁区域的定位问题，并可在不同情况下进行系统的自主切换，从而得到连续、准确、可靠的列车位置信息。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。一种受限条件下的列车组合定位方法，包括：判断列车上的卫星接收机接收到的卫星信号是否满足设定条件，如果是，则判断卫星信号有效，采用卫星/惯性导航系统对所述列车进行组合定位；否则，判断卫星信号无效，采用车轮传感器/惯性导航系统对所述列车进行组合定位。进一步地，所述的判断列车上的卫星接收机接收到的卫星信号是否满足设定条件，包括：判断列车上的卫星接收机每次获取卫星信号时的可见卫星数是否大于6，并且每次获取卫星信号时的水平精度因子是否小于1.5。进一步地，所述的判断卫星信号有效，采用卫星/惯性导航系统对所述列车进行组合定位，包括：惯性导航系统中的惯性器件计算列车的位置信息和速度信息的公式如下：其中：Pn表示列车位置信息，表示列车位置的变化率矢量，Vn表示列车的速度信息，表示列车速度的变化率矢量，fn表示加速度计测量的列车加速度矢量信息，gn表示重力，表示在导航坐标系下陀螺仪测量的列车角速度矢量信息，表示在导航坐标系下地球自转引起的角速度变化矢量；建立扩展卡尔曼滤波中的状态向量X如下：X＝[δψδPnδVnδbgδbaδl]其中：δψ表示列车姿态误差，δPn表示列车的位置误差，δVn表示列车的速度误差，δbg表示陀螺仪测量的角速度误差，δba表示加速度计测量的加速度误差，δl表示卫星接收机或者车轮传感器到惯性器件中心的杆臂误差；在卫星定位有效的情况下，利用卫星导航系统提供的有效位置信息来修正惯性导航系统的误差，卫星/惯性导航组合系统的卡尔曼滤波中的测量矩阵H3×18为：其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，表示所述状态向量X中的卫星接收机到惯性系统中心杆臂误差δl的初始值；在卫星/惯性导航组合子系统中通过扩展卡尔曼滤波中得到的列车的车头位置的测量值ZINS_GNSS表示为：ZINS_GNSS＝[PINS+lGNSS-PGNSS]其中：PINS表示惯导系统递推的列车的车头位置信息，lGNSS表示卫星接收机到惯性中心的杆臂误差，PGNSS表示卫星导航系统获取的列车的车头位置信息；卫星/惯性导航组合子系统的卡尔曼滤波中的测量噪声协方差RGNSS表示为：RGNSS＝diag((0.3)2(0.3)2(0.15)2)。进一步地，所述的判断卫星信号无效，采用车轮传感器/惯性导航系统对所述列车进行组合定位，包括：惯性导航系统中的惯性器件计算列车的位置信息和速度信息的公式如下：其中：Pn表示列车位置信息，表示列车位置的变化率矢量，Vn表示列车的速度信息，表示列车速度的变化率矢量，fn表示加速度计测量的列车加速度矢量信息，gn表示重力，表示在导航坐标系下陀螺仪测量的列车角速度矢量信息，表示在导航坐标系下地球自转引起的角速度变化矢量；建立扩展卡尔曼滤波中的状态向量X如下：X＝[δψδPnδVnδbgδbaδl]其中：δψ表示列车姿态误差，δPn表示列车的位置误差，δVn表示列车的速度误差，δbg表示陀螺仪测量的角速度误差，δba表示加速度计测量的加速度误差，δl表示卫星接收机或者车轮传感器到惯性器件中心的杆臂误差；在卫星信号失锁情况下，车轮传感器采用扩展卡尔曼滤波算法计算列车前向速度的公式如下：其中：Vodo表示车轮传感器计算得到的列车前向速度，Nodo表示车轮传感器每秒获取得到的脉冲数，Qodo表示车轮每转一圈车轮传感器能得到的脉冲数，d表示列车车轮直径；车轮传感器在导航坐标系下计算列车的三维速度的公式如下：其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，Vodo表示车轮传感器计算得到的列车前向速度，Vn表示列车的速度信息；车轮传感器/惯性导航系统的扩展卡尔曼滤波中的测量矩阵为：其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，表示车轮传感器到惯性系统中心杆臂误差设定的初始值；车轮传感器/惯性导航组合系统中通过扩展卡尔曼滤波得到的列车的车头位置的测量值表示为：Z＝[PINS+lODO-PODO]其中：PINS表示惯导系统递推的位置，lODO表示车轮传感器到惯性中心的杆臂误差，PODO表示车轮传感器递推计算得到的列车车头位置信息；车轮传感器递推获得列车位置的测量噪声协方差表示为：RODO＝diag((0.5)2(0.5)2(0.5)2)。进一步地，所述的方法还包括：根据数字轨道地图系统信息修正列车运行途中组合定位系统在垂直轨道方向的定位误差，具体包括：当列车运行在道岔部分时，且不知道列车所处股道信息时，建立道岔模糊区域，设置道岔模糊区内的所有股道为安全区段，当列车处于道岔模糊区域时，输出道岔模糊区域的位置信息，当列车处于非道岔模糊区域时，数字轨道地图系统计算列车在正线上的投影点，根据所述投影点获得列车的一维的里程位置；当列车运行在非道岔部分时，若已知列车所处股道，则通过计算列车在相应轨道上的投影点，计算出校正后的列车位置；若未知列车所处股道号，则先判断列车所处位置在区间还是站内，若是区间，则数字轨道地图系统对列车位置进行正线投影，根据列车在正线上的投影点获得列车的里程位置；否则，系统将计算出列车距离各股道的长短，根据计算结果判断列车所在股道，根据列车所在股道计算出校正后的列车位置。由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例通过首先对列车组合系统中卫星/惯性导航系统组合系统和车轮传感器/惯性导航系统组合系统进行建模，然本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星信号受限条件下的列车组合定位方法，其特征在于，包括：判断列车上的卫星接收机接收到的卫星信号是否满足设定条件，如果是，则判断卫星信号有效，采用卫星/惯性导航系统对所述列车进行组合定位；否则，判断卫星信号无效，采用车轮传感器/惯性导航系统对所述列车进行组合定位。

【技术特征摘要】
1.一种卫星信号受限条件下的列车组合定位方法，其特征在于，包括：判断列车上的卫星接收机接收到的卫星信号是否满足设定条件，如果是，则判断卫星信号有效，采用卫星/惯性导航系统对所述列车进行组合定位；否则，判断卫星信号无效，采用车轮传感器/惯性导航系统对所述列车进行组合定位。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的判断列车上的卫星接收机接收到的卫星信号是否满足设定条件，包括：判断列车上的卫星接收机每次获取卫星信号时的可见卫星数是否大于6，并且每次获取卫星信号时的水平精度因子是否小于1.5。3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述的判断卫星信号有效，采用卫星/惯性导航系统对所述列车进行组合定位，包括：惯性导航系统中的惯性器件计算列车的位置信息和速度信息的公式如下：其中：Pn表示列车位置信息，表示列车位置的变化率矢量，Vn表示列车的速度信息，表示列车速度的变化率矢量，fn表示加速度计测量的列车加速度矢量信息，gn表示重力，表示在导航坐标系下陀螺仪测量的列车角速度矢量信息，表示在导航坐标系下地球自转引起的角速度变化矢量；建立扩展卡尔曼滤波中的状态向量X如下：X＝[δψδPnδVnδbgδbaδl]其中：δψ表示列车姿态误差，δPn表示列车的位置误差，δVn表示列车的速度误差，δbg表示陀螺仪测量的角速度误差，δba表示加速度计测量的加速度误差，δl表示卫星接收机或者车轮传感器到惯性器件中心的杆臂误差；在卫星定位有效的情况下，利用卫星导航系统提供的有效位置信息来修正惯性导航系统的误差，卫星/惯性导航组合系统的卡尔曼滤波中的测量矩阵H3×18为：其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，表示所述状态向量X中的卫星接收机到惯性系统中心杆臂误差δl的初始值；在卫星/惯性导航组合子系统中通过扩展卡尔曼滤波中得到的列车的车头位置的测量值ZINS_GNSS表示为：ZINS_GNSS＝[PINS+lGNSS-PGNSS]其中：PINS表示惯导系统递推的列车的车头位置信息，lGNSS表示卫星接收机到惯性中心的杆臂误差，PGNSS表示卫星导航系统获取的列车的车头位置信息；卫星/惯性导航组合子系统的卡尔曼滤波中的测量噪声协方差RGNSS表示为：RGNSS＝diag((0.3)2(0.3)2(0.15)2)。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的判断卫星信号无效，采用车轮传感器/惯性导航系统对所述列车进行组合定位，包括：惯性导航系统中的惯性器件计算列车的位置信息和速度信息的公式如下：其中：Pn表示列车位置信息，表示列车位置的变化率矢量，Vn表示列车的速度信息，表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜维，蔡伯根，陈思睿，王剑，上官伟，陆德彪，刘江，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11