一种北斗辅助列车定位算法制造技术

本发明专利技术公开了一种北斗辅助列车定位算法，针对列车定位的高安全性和稳定性要求，结合列车行驶的特殊性，提出采用铁路轨道信息对北斗定位数据进行约束的H∞滤波算法，以模糊自适应“当前”统计模型为基础建立列车运动模型，通过将轨道近似为直线段，建立轨道约束模型，将轨道约束与H∞滤波器结合实现轨道约束H∞滤波算法，通过仿真对比分析了H∞滤波与卡尔曼滤波、约束与无约束估计的误差，仿真结果表明：轨道约束在提高算法定位精度方面效果明显，H∞滤波在列车位置估计上具有鲁棒性优势，验证了轨道约束H∞滤波算法的有效性，对北斗辅助列车定位的工程应用具有理论指导意义。

A Beidou-aided train location algorithm

The invention discloses a Beidou auxiliary train location algorithm. According to the requirements of high safety and stability of train location and the particularity of train running, an H_ filtering algorithm is proposed, which uses railway track information to restrict Beidou location data. The train motion model is established on the basis of the fuzzy adaptive \current\ statistical model. By approxim Track constraints model, which combines track constraints with H_ filters, realizes H_ filtering algorithm with track constraints. The error of H_ filtering and Kalman filtering, constraint and unconstrained estimation is analyzed by simulation. The simulation results show that track constraints have obvious effect in improving the positioning accuracy of the algorithm, and H_ filtering has robustness advantage in The validity of H filtering algorithm has theoretical guiding significance for the engineering application of Beidou auxiliary train positioning.

【技术实现步骤摘要】
一种北斗辅助列车定位算法
本专利技术涉及列车定位算法
，尤其涉及一种北斗辅助列车定位算法。
技术介绍
铁路运输具有单位能耗低、单次运量大、环境适应性强等特点，特别适合运输重载货物，其中部分高附加值货物关系到国家政治、军事以及民生等广泛利益。无论人员运输还是货物运输，提高铁路系统运输安全以及对铁路运输进行有效管理成为我国经济和社会发展中日趋紧迫的任务。欧美国家一直在用卫星定位跟踪技术为铁路运输提供有力的安全运行保障。对于现代铁路运输系统来说，列车的跟踪与定位是其运行基础。随着科技进步，对列车的定位与控制要求越来越高，而全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)在其中具有重要的应用价值。以GPS为代表的GNSS系统在列车运行的定位解算、信息融合、安全评估等方面的应用发展迅速，欧美国家在此方面已有多年技术积累，从目前铁路系统对于列车定位的需求来看，基于GNSS的列车定位系统的研究具有较大发展空间。然而实践表明，利用国外卫星导航系统资源具有很大的风险性，不能满足我国对交通安全的要求。我国自主研发的北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)可军民两用，是国家安全保障的技术支撑系统，对铁路相关应用具有重要的发展与应用潜力。经过多年发展，BDS已经能够为我国铁路和公路等交通领域以及经济和社会发展的各领域提供自主安全、高质量的卫星定位服务。尤其是近两年来，随着北斗三代系统的发射与组网以及北斗地基增强系统的快速建设，逐步可以为全球用户提供更优质的定位、导航、授时等服务。BDS作为一种全球卫星导航系统可以全天候、连续地对列车进行定位，具有实时定位精度高、成本低、维护方便等优势。同时，准确的位置信息对列车安全可靠地运行也至关重要，铁路运输及调度需要更为优化的列车定位技术。因此，对基于BDS的列车定位方法进行深入研究，对于推动我国铁路运输业的发展具有重要意义。目前，列车一般常用的定位方法是轨道电路定位和应答查询定位。轨道电路定位法虽然简单有效，但是定位精度常会受到恶劣的气候和工作环境的影响。同时随着轨道电路放置的间隔不同，定位精度也有不同，其他的影响因素还有道砟阻抗和牵引电流等。应答查询定位可实现高精度定位，但是只能进行定点跟踪定位，需要沿途铺设应答器设备。测速定位是一种通过测量运行速度并根据时间推算距离，从而计算出列车位置的定位方法，但是也存在定位误差积分影响。因此，常规的列车跟踪定位方法无法实现对列车实时高精度跟踪定位。BDS为列车安全运行提供了更多的定位信息与安全保障。但由于卫星信号的强度容易受到周围环境因素的影响，包括面临卫星星座、信号衰减与遮蔽、环境电磁干扰以及多径效应等多种因素，所以将BDS用于列车定位时还需要寻求方法弥补其缺陷，以保证列车可以进行连续准确可靠地定位，这也是北斗辅助列车定位的基础和前提。由于卫星易受外界环境影响，为了保证在卫星定位失效的情况下定位数据的持续输出，可以采用与惯性导航系统信息融合的方法进行辅助定位。这种方法具有容错能力强的优势。列车受各种影响因素，其运动具有不确定性，无法认为是单一的匀速、匀加速和匀减速运动，而且列车对定位的安全性和稳定性具有较高要求，所以鲁棒性算法更具有实际应用意义。卡尔曼滤波是GNSS/INS组合导航的主要算法之一，其设计思路是出于最小线性方差估计。其限制条件之一是要求首先确定系统噪声协方差矩阵Q和量测噪声协方差矩阵R，而由于误差模型与真实系统的差异，Q阵和R阵具有一定的不确定性。H∞滤波算法具有很好的鲁棒性，是针对Q阵、R阵和估计误差协方差阵未知的算法。其设计思路来自博弈论，需要预先设置代价函数，再做极小值或者设置H∞范数上界的求解。H∞滤波的鲁棒性体现在对于未知统计特性的有界噪声均可以有效处理，而卡尔曼滤波的建模以零均值的随机过程为噪声。同时H∞滤波器以传递函数的范数最小或者小于预设值为目标。所以，相比卡尔曼滤波器，H∞滤波器具有强鲁棒性。H∞滤波能够有效抑制非高斯统计特性噪声的能力，结合轨道信息后，可以更好地实现对列车的定位与追踪。所以，为了满足列车定位实时性和鲁棒性的要求，采用H∞滤波算法融合BDS定位信息与轨道约束信息，对列车进行定位解算。将轨道信息作为约束条件引人滤波方程，其思路是在原有滤波的基础上，利用轨道信息约束条件，对滤波方程中一步预测值的表达式作补充，即对一步预测值作修正，以改善滤波结果。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种北斗辅助列车定位算法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种北斗辅助列车定位算法，包括建立系统方程模型步骤、滤波器初始化模型步骤和每一时刻状态估计步骤：所述系统方程模型包括有系统的状态方程和量测方程、轨道约束方程；所述系统的状态方程和量测方程如下：式中：w，v分别是过程噪声和量测噪声，为不相关的白噪声；轨道约束方程为Ay-bAx＝0，约束已规范化，满足I为单位矩阵；所述滤波器初始化步骤的初始化状态和协方差P0如下：所述每一时刻状态估计步骤为：S1：选择可调参数矩阵Gk；Gk为加权过程噪声的偏移分量；S2：状态估计计算：式中：Vk,Σk为中间变量，Pk+1为k+1时刻协方差，Kk为状态估计增益，为k+1时刻状态估计；S3：滤波器验证条件：若满足滤波器验证条件，则回到步骤S1进行下一时刻估计；若不满足滤波器验证条件，则滤波器无效，可以减小Gk并重新计算。优选的，还有包括有分析验证步骤：为了验证轨道约束H∞滤波算法，采用蒙特卡罗法对典型列车定位场景进行仿真，对比卡尔曼滤波、轨道约束卡尔曼滤波、H∞滤波和轨道约束H∞滤波四种算法的滤波结果；在满足一定精度的前提下，曲线段轨道可以近似为多条一定长度的直线段，并根据列车的当前位置选择相应的直线段轨道约束方程进行约束，所以采用直线段仿真不失一般性；假设列车行驶在某段直线轨道上，与东向坐标轴夹角为60°，则列车状态向量为式列车的初始状态为：x0＝[01000200]T采样周期为1s，列车先后经过匀速运动周期、变加速运动周期、匀速运动周期、匀减速运动周期，每个运动周期时长10s，加速度的变化范围为[-5m/s2,5m/s2]，对列车的北向和东向位置施加白噪声，其方差为10m，模型具有系统噪声协方差自适应能力，只需设量测噪声协方差R＝diag([100100])，滤波器初始协方差为P0＝diag([1001002510010025])；进行100次蒙特卡罗仿真实验，获取北向和东向不同时刻的平均距离误差。本专利技术的有益效果是：1)对加速度极值进行模糊自适应调整的“当前”统计模型可以较好地跟踪列车运行，可用于列车的实时定位。2)由于列车轨道及运行的特殊性，可以通过将列车轨道近似为连续直线段，建立线性轨道约束模型，仿真结果显示轨道约束可以明显提高列车定位滤波算法的位置精度。3)列车定位系统具有高的安全性和稳定性要求。通过对比分析了轨道约束H∞滤波算法与无约束算法的定位精度误差。结果表明，H∞滤波相对卡尔曼滤波在位置估计上具有优势，验证了轨道约束H∞滤波算法的有效性。附图说明图1为本专利技术东向平均距离误差图；图2为本专利技术北向平均距离误差图；图3为本专利技术10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种北斗辅助列车定位算法，其特征在于，包括建立系统方程模型步骤、滤波器初始化模型步骤和每一时刻状态估计步骤：所述系统方程模型包括有系统的状态方程和量测方程、轨道约束方程；所述系统的状态方程和量测方程如下：

【技术特征摘要】
1.一种北斗辅助列车定位算法，其特征在于，包括建立系统方程模型步骤、滤波器初始化模型步骤和每一时刻状态估计步骤：所述系统方程模型包括有系统的状态方程和量测方程、轨道约束方程；所述系统的状态方程和量测方程如下：式中：w，v分别是过程噪声和量测噪声，为不相关的白噪声；轨道约束方程为Ay-bAx＝0，约束已规范化，满足I为单位矩阵；所述滤波器初始化步骤的初始化状态和协方差P0如下：所述每一时刻状态估计步骤为：S1：选择可调参数矩阵Gk；Gk为加权过程噪声的偏移分量；S2：状态估计计算：式中：Vk,Σk为中间变量，Pk+1为k+1时刻协方差，Kk为状态估计增益，为k+1时刻状态估计；S3：滤波器验证条件：若满足滤波器验证条件，则回到步骤S1进行下一时刻估计；若不满足滤波器验证条件，则滤波器无效，可以减小Gk并重新计算。2.根据权利要求1所述的一种北斗辅助列车定位算法，其特征在于，还有包括有分析验证步骤：为了验证轨道约束H∞滤波算法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，初宪武，王新屏，刘杨，王运明，李卫东，
申请(专利权)人：大连交通大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21