列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法技术方案

本发明专利技术涉及一种列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法，该方法包括以下步骤：1)对传感器进行故障诊断；2)基于第一轮轴传感器、GNSS和轨道电子地图的数据，采用扩展卡曼滤波方程，获得列车的定位结果；3)对列车定位结果进行卡尔曼滤波发散检验、轨道电子地图辅助检验和第二轮轴传感器辅助检验；4)通过检验后，计算出列车定位结果的最终定位位置及安全区间；5)基于上述计算过程设计出故障树，对列车系统进行安全性分析。与现有技术相比，本发明专利技术提供了列车定位的系统级故障树分析方法，具有可靠、稳定、安全等优点。

Safety Detection Method of Kalman Filter in Train Location System

【技术实现步骤摘要】
列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法
本专利技术涉及数据融合、数据校验及故障树分析领域，尤其是涉及一种列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法。
技术介绍
目前随着北斗卫星定位系统的发展，基于GNSS，轮速传感器，轨道电子地图的列车组合定位系统正在逐渐成熟。相比于传统的列车定位系统，该定位系统具有定位精度高，轨旁设备依赖低，连续定位等优点，非常适合低密度线路的定位。但基于卫星的定位系统也存在先天的不足，其定位容易受到环境的因素的影响，信号屏蔽，信号干扰，多径效应等因素造成的空间信号可用性风险可能带来安全风险，尤其是在高架桥下方或者隧道里，GNSS定位往往是无效的。因此要使用多传感器进行组合定位，以达到精度和稳定性要求。卡尔曼滤波器广泛的应用于多传感器定位数据的处理，尤其是对于GNSS与IMU以及轮速传感器的组合定位。但目前国内基于GNSS的列车定位技术尚处于研究开发和实验验证阶段，对于系统的稳定性和安全性的分析并没有成熟的研究，国内高校给出了单元级的故障树分析方法，但是对于组合定位，尤其是基于卡尔曼滤波的多传感器组合定位的安全系统，缺乏系统故障树分析的有效方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法，所述列车定位系统中的传感器包括GNSS、轨道电子地图、第一轮轴传感器和第二轮轴传感器，所述列车组合定位系统的故障检测方法包括以下步骤：S1：对第一轮轴传感器、第二轮轴传感器、GNSS和轨道电子地图进行故障诊断，都无故障时，进行S2；否则结束；S2：基于第一轮轴传感器的测速数据、GNSS定位数据和轨道电子地图数据，利用扩展卡曼滤波方程，获得列车的定位结果，进行S3；S3：对S2所获得的列车定位结果，进行卡尔曼滤波发散检验，如果判定出列车定位结果不发散，则进行S4，否则判定卡尔曼滤波发散，当前不使用滤波结果；S4：将S2所获得的列车定位结果投影到轨道电子地图数据，获取横向偏差；设定轨道电子地图检测阈值，如果横向偏差小于轨道电子地图检测阈值，则进行S5，否则判定卡尔曼滤波误差超差，当前不使用滤波结果；S5：将S2所获得的列车定位结果投影到轨道电子地图数据，按时间段获取定位里程；设定轮轴传感器检测阈值，如果每个时间段内，定位里程与第二轮轴传感器测量距离之差小于轮轴传感器检测阈值，则进行S6，否则判定卡尔曼滤波误差超差，当前不使用滤波结果；S6：；判定当前卡尔曼滤波结果可用，使用当前卡尔曼滤波获得当前安全定位区间；S7：设计出基于卡尔曼滤波的列车组合定位系统的故障树，对列车系统进行安全性分析。优选地，所述步骤S2的具体过程包括：S201：获取列车k时刻实际的横向坐标、纵向坐标、横向速度、纵向速度、横向加速度和纵向加速度；S202：根据第一轮轴传感器的测速数据和轨道电子地图数据，获取列车k时刻检测的横向速度和纵向速度；根据GNSS定位数据和轨道电子地图数据，获取列车k时刻检测的横向坐标和纵向坐标；S203：基于S201所获得的数据，获取列车的横向状态空间、纵向状态空间；基于S202所获得的数据，获取列车的横向测量空间和纵向测量空间；S204：基于列车的横向状态空间、纵向状态空间、横向测量空间和纵向测量空间，利用扩展卡尔曼滤波方程，获取列车横向和纵向的信息序列，即列车的定位结果。优选地，所述步骤S203中，横向状态空间Xe(k)的表达式为：Xe(k)＝[de(k),ve(k),ae(k)]式中，de(k)为列车k时刻实际的横向坐标，ve(k)为列车k时刻实际的横向速度，ae(k)为列车k时刻实际的横向加速度；所述纵向状态空间Xn(k)的表达式为：Xn(k)＝[dn(k),vn(k),an(k)]式中，dn(k)为列车k时刻实际的纵向坐标，vn(k)为列车k时刻实际的纵向速度，an(k)为列车k时刻实际的纵向加速度；所述横向测量空间Ze(k)的表达式为：式中，为列车k时刻GNSS测量的横向坐标，为列车k时刻第一轮轴传感器测量的横向速度；所述纵向测量空间Zn(k)的表达式为：式中，为列车k时刻GNSS测量的纵向坐标，为列车k时刻第一轮轴传感器测量的纵向速度。优选地，所述步骤S204中，扩展卡尔曼滤波方程的表达式为：X(k)＝A·X(k-1)+B·U+W(k)Z(k)＝H·X(k)+V(k)式中，X(k)为列车k时刻的状态空间，A为状态转移矩阵，U为输入平滑后的加速度，B为加速度转移矩阵，W为系统噪声，Z(k)为列车k时刻的测量空间，H为测量矩阵，V为测量噪声。优选地，所述步骤S3中，卡尔曼滤波发散检验的具体过程包括：S301：采用方差不等式判据分别对列车横向和纵向的定位结果进行检验，若符合则进行S302；否则，判定为发散；所述方差不等式判据的表达式为：式中，Vk为k时刻的新息序列，r≥1为储备系数，Pk为k时刻新息序列的方差矩阵，S302：采用误差不等式判据分别对列车横向和纵向的定位结果进行检验，若符合则进行S303；否则，判定为发散；所述误差不等式判据的表达式为：式中，为k时刻新息序列的测量误差，||Zmin||为预先设定的测量误差限；S303：采用协方差模不等式判据分别对列车横向和纵向的定位结果进行检验，若符合，则判定为不发散；否则，判定为发散；所述协方差模不等式判据的表达式为：||Pk||≤||Pmin||式中，||Pk||为k时刻新息序列协方差矩阵的模，||Pmin||为预先设定的协方差模的阈值。优选地，所述步骤S4中，轨道电子地图检测阈值设定依据的表达式为：式中，σkalman为卡尔曼滤波定位标准差，λ为阈值系数。优选地，所述的λ根据地图精度取4～4.2。优选地，所述步骤S5中，轮轴传感器检测阈值设定依据的表达式为：式中，为ΔT时间段内第二轮轴传感器的检测阈值，为Δd里程差内第二轮轴传感器的标准差，为Δd里程差内卡尔曼滤波定位标准差；所述每个时间段的定位里程与第二轮轴传感器测量距离之差的表达式为：式中，d为里程，为ΔT时间段内第二轮轴传感器的检测里程，为ΔT时间段内卡尔曼滤波新息序列的定位里程，为当前T时刻之前第二轮轴传感器所有的检测里程，为当前T时刻ΔT时间段之前第二轮轴传感器所有的检测里程，为当前T时刻之前所有的卡尔曼滤波定位里程，为当前T时刻ΔT时间段之前所有的卡尔曼滤波定位里程。优选地，所述步骤S6中，当前安全定位区间Usafe计算的表达式为：Usafe＝[dkalman-ησkalman-β,dkalman+ησkalman+β]式中，σkalman为卡尔曼滤波新息序列定位里程的方差，η为将σkalman放大的倍数，β根据原始数据特征等进行选取，取1～1.5倍σmap，其中σmap表示轨道电子地图数据精度。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术对列车组合定位系统卡尔曼滤波算法的基础上引入了系统安全性的检验，确定了列车定位结果的安全区间和卡尔曼滤波系统的故障树，能够做到提高卡尔曼滤波算法算出的列车定位结果的准确度、判断出列车定位结果的安全性，和对不安全的列车定位结果分析出故障原因，对故障进行检测，具有可靠性高，安全性高，可用性高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法，所述列车定位系统中的传感器包括GNSS、轨道电子地图、第一轮轴传感器和第二轮轴传感器，其特征在于，所述列车组合定位系统的故障检测方法包括以下步骤：S1：对第一轮轴传感器、第二轮轴传感器、GNSS和轨道电子地图进行故障诊断，都无故障时，进行S2；否则结束；S2：基于第一轮轴传感器的测速数据、GNSS定位数据和轨道电子地图数据，利用扩展卡曼滤波方程，获得列车的定位结果，进行S3；S3：对S2所获得的列车定位结果，进行卡尔曼滤波发散检验，如果判定出列车定位结果不发散，则进行S4，否则判定卡尔曼滤波发散，当前不使用滤波结果；S4：将S2所获得的列车定位结果投影到轨道电子地图数据，获取横向偏差；设定轨道电子地图检测阈值，如果横向偏差小于轨道电子地图检测阈值，则进行S5，否则判定卡尔曼滤波误差超差，当前不使用滤波结果；S5：将S2所获得的列车定位结果投影到轨道电子地图数据，按时间段获取定位里程；设定轮轴传感器检测阈值，如果每个时间段内，定位里程与第二轮轴传感器测量距离之差小于轮轴传感器检测阈值，则进行S6，否则判定卡尔曼滤波误差超差，当前不使用滤波结果；S6：；判定当前卡尔曼滤波结果可用，使用当前卡尔曼滤波获得当前安全定位区间；S7：设计出基于卡尔曼滤波的列车组合定位系统的故障树，对列车系统进行安全性分析。...

【技术特征摘要】
1.一种列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法，所述列车定位系统中的传感器包括GNSS、轨道电子地图、第一轮轴传感器和第二轮轴传感器，其特征在于，所述列车组合定位系统的故障检测方法包括以下步骤：S1：对第一轮轴传感器、第二轮轴传感器、GNSS和轨道电子地图进行故障诊断，都无故障时，进行S2；否则结束；S2：基于第一轮轴传感器的测速数据、GNSS定位数据和轨道电子地图数据，利用扩展卡曼滤波方程，获得列车的定位结果，进行S3；S3：对S2所获得的列车定位结果，进行卡尔曼滤波发散检验，如果判定出列车定位结果不发散，则进行S4，否则判定卡尔曼滤波发散，当前不使用滤波结果；S4：将S2所获得的列车定位结果投影到轨道电子地图数据，获取横向偏差；设定轨道电子地图检测阈值，如果横向偏差小于轨道电子地图检测阈值，则进行S5，否则判定卡尔曼滤波误差超差，当前不使用滤波结果；S5：将S2所获得的列车定位结果投影到轨道电子地图数据，按时间段获取定位里程；设定轮轴传感器检测阈值，如果每个时间段内，定位里程与第二轮轴传感器测量距离之差小于轮轴传感器检测阈值，则进行S6，否则判定卡尔曼滤波误差超差，当前不使用滤波结果；S6：；判定当前卡尔曼滤波结果可用，使用当前卡尔曼滤波获得当前安全定位区间；S7：设计出基于卡尔曼滤波的列车组合定位系统的故障树，对列车系统进行安全性分析。2.根据权利要求1所述的一种列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程包括：S201：获取列车k时刻实际的横向坐标、纵向坐标、横向速度、纵向速度、横向加速度和纵向加速度；S202：根据第一轮轴传感器的测速数据和轨道电子地图数据，获取列车k时刻检测的横向速度和纵向速度；根据GNSS定位数据和轨道电子地图数据，获取列车k时刻检测的横向坐标和纵向坐标；S203：基于S201所获得的数据，获取列车的横向状态空间、纵向状态空间；基于S202所获得的数据，获取列车的横向测量空间和纵向测量空间；S204：基于列车的横向状态空间、纵向状态空间、横向测量空间和纵向测量空间，利用扩展卡尔曼滤波方程，获取列车横向和纵向的信息序列，即列车的定位结果。3.根据权利要求2所述的一种列车定位系统中卡尔曼滤波器的安全检测方法，其特征在于，所述步骤S203中，横向状态空间Xe(k)的表达式为：Xe(k)＝[de(k),ve(k),ae(k)]式中，de(k)为列车k时刻实际的横向坐标，ve(k)为列车k时刻实际的横向速度，ae(k)为列车k时刻实际的横向加速度；所述纵向状态空间Xn(k)的表达式为：Xn(k)＝[dn(k),vn(k),an(k)]式中，dn(k)为列车k时刻实际的纵向坐标，vn(k)为列车k时刻实际的纵向速度，an(k)为列车k时刻实际的纵向加速度；所述横向测量空间Ze(k)的表达式为：式中，为列车k时刻GNSS测量的横向坐标，为列车k时刻第一轮轴传感器测量的横向速度；所述纵向测量空间Zn(k)的表达式为：式中，为列车k时刻GNSS测量的纵向坐标，为列车k时刻第一轮轴传...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶浩，崔洪州，阳扬，蒋耀东，王兆耀，徐海贵，鲍其莲，杜雨丁，
申请(专利权)人：卡斯柯信号有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31