1 高速鐵路技術(shù)的發(fā)展

高速鐵路技術(shù)的發(fā)展是多種多樣的，各個(gè)國(guó)家根據(jù)其路況,、地形,、運(yùn)營(yíng)需求采用不同的定位技術(shù)。法國(guó)AS-TREE系統(tǒng)采用多普勒雷達(dá)進(jìn)行測(cè)速定位,；北美ARES,，PTC，PTS系統(tǒng)采用GPS(全球定位系統(tǒng))進(jìn)行定位,；歐洲ETCS,、日本CARAT系統(tǒng)采用查詢/應(yīng)答器和速度傳感器進(jìn)行定位；德國(guó)LZB系統(tǒng)采用軌間電纜進(jìn)行列車定位,；美國(guó)AATC系統(tǒng)采用無(wú)線測(cè)距進(jìn)行定位,。

根據(jù)中國(guó)鐵路地形、線路的復(fù)雜狀況及高速鐵路對(duì)列車定位技術(shù)的要求,，文中提出了多傳感器組合定位的方案,，選用GPS/DR/MM組合定位的方式，利用多傳感器組合定位技術(shù)信息互補(bǔ)的特點(diǎn),，采用卡爾曼濾波將所得信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,，得到比單一傳感器定位更精確的定位數(shù)據(jù)。

2 列車定位系統(tǒng)方案

該方案利用DR自主定位的特點(diǎn),，可以保證列車在任何地方,、任何時(shí)候都可以輸出定位信息，而GPS的采用可以給DR提供初始位置數(shù)據(jù),，MM的運(yùn)用滿足了系統(tǒng)對(duì)定位精度的需求,。融合算法部分采用聯(lián)邦濾波算法，解決了其他濾波算法計(jì)算負(fù)擔(dān)重,，容錯(cuò)性能差的缺點(diǎn),。

2．1 列車定位方式的選擇

2．1．1 定位方式介紹

GPS是一種無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)。作為最早應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)的高新技術(shù)，有著在全球范圍內(nèi),、在任意時(shí)刻,、任意氣象條件下為用戶提供連續(xù)不斷的高精度三維位置、速度和時(shí)間信息的特點(diǎn),。采用GPS定位時(shí)只需要在機(jī)車上安裝接收機(jī)即可,，但在周圍阻擋物多的地方列車的定位精度會(huì)受到影響。并且,，GPS對(duì)衛(wèi)星故障十分敏感,，一但一顆衛(wèi)星失效，就會(huì)出現(xiàn)GPS性能惡化的情況,。所以,，不能單一的將GPS定位信息作為列控系統(tǒng)的位置參數(shù)。

DR是車輛定位導(dǎo)航中采用的一種比較經(jīng)典的算法,。它由測(cè)量航向的傳感器和測(cè)量距離的傳感器構(gòu)成,。本方案中采用里程儀作為測(cè)量距離的傳感器，陀螺儀作為測(cè)量航向的傳感器,。里程儀輸出的是脈沖信號(hào),。車輪每轉(zhuǎn)一圈，里程儀輸出固定數(shù)量的脈沖信號(hào),，通過(guò)累加一定時(shí)間內(nèi)的里程儀的脈沖數(shù)目,，可以計(jì)算出車輛在這一段時(shí)間內(nèi)所駛過(guò)的距離，也可以計(jì)算出車輛行駛的速度,。陀螺儀輸出航向角的角速率信息,。將陀螺輸出的角速率信息積分可得到列車的相對(duì)轉(zhuǎn)角。與GPS相比,，DR可以自主定位,，不存在遮擋等問(wèn)題引起的列車定位信息遺失。但DR系統(tǒng)的初始位置無(wú)法自主得到,，并且航跡推算是一個(gè)累加的過(guò)程,，不同時(shí)刻的測(cè)量誤差和計(jì)算誤差都會(huì)累積起來(lái)，隨著時(shí)間的推移,，DR誤差是一個(gè)發(fā)散的過(guò)程,。

2．1．2 定位方案

根據(jù)以上對(duì)GPS和DR定位特點(diǎn)的分析，本方案采取多傳感器組合定位技術(shù),，即各種定位技術(shù)互相補(bǔ)充的方案。在鐵路線路區(qū)間,，當(dāng)GPS信息連續(xù)時(shí)在機(jī)車頭部安裝的GPS接收機(jī)將GPS信息送給定位系統(tǒng),，GPS信息作為主信息，DR信息和查詢應(yīng)答器信息作為校驗(yàn)信息，三者聯(lián)合濾波后給出最優(yōu)的定位估計(jì)信息,。

遇到“城市峽谷“等障礙區(qū)時(shí),，GPS信號(hào)會(huì)消失或減弱，這時(shí)采用DR信息作為主信息,。GPS失效前一點(diǎn)位置正好可以作為DR的初始位置,，有了初始位置以后，利用里程儀和陀螺儀就可以對(duì)下一時(shí)刻列車的位置做出估計(jì),。

列車進(jìn)入車站后,，由于股道線間距很小，GPS和DR的定位精度已經(jīng)不能很好的表現(xiàn)出股道的差異,，因此采用查詢應(yīng)答器來(lái)獲得列車在站內(nèi)的定位信息,。此時(shí)查詢應(yīng)答器信息作為主信息，而GPS信息和DR信息作為校驗(yàn)信息,。

2．2 數(shù)據(jù)融合方法

該方案最核心的問(wèn)題就是系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)融合的定位算法的設(shè)計(jì),。在列車測(cè)速定位領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合方法有判斷檢測(cè)理論、估計(jì)理論,、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等,，而應(yīng)用最廣泛的就是估計(jì)理論中的卡爾曼濾波方法。與其他估計(jì)算法相比,，卡爾曼濾波具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：采用狀態(tài)空間法在時(shí)域內(nèi)設(shè)計(jì)濾波器,，用狀態(tài)方程就可以描述任何復(fù)雜多維信號(hào)的動(dòng)力學(xué)特性，避開(kāi)了在頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)功譜做分解帶來(lái)的麻煩,，濾波器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行,，采用遞推算法。所以卡爾曼濾波能適用于任何平穩(wěn)或非平穩(wěn)隨機(jī)向量過(guò)程的估計(jì),，所得估計(jì)在線性估計(jì)中精度最佳,。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)的濾波算法包括線性卡爾曼濾波，擴(kuò)展卡爾曼濾波以及聯(lián)邦卡爾曼濾波,。該方案采用聯(lián)邦卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,。

2．2．1 數(shù)據(jù)融合的聯(lián)合卡爾曼濾波模型

此濾波算法中，取βm=0,，即主濾波器沒(méi)有信息輸入,，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，減少了運(yùn)算量,。

2．2．2 系統(tǒng)濾波算法步驟

(1)由局部濾波器l處理GPS接收機(jī)輸出的列車位置信息,，并給出狀態(tài)估計(jì)x1和估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣p1；

(2)局部濾波器2處理陀螺儀和里程儀輸出的角度信息x2和列車運(yùn)行距離信息,，給出狀態(tài)估計(jì)和估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣p2,；

(3)局部濾波器3處理查詢應(yīng)答器輸出的進(jìn)路長(zhǎng)度等信息，給出狀態(tài)估計(jì)x3和估計(jì)誤差的協(xié)方差矩陣p3；

(4)x1,，x2,，x3，及p1,，p2,，p3被送到主濾波器，并同主濾波器的狀態(tài)估計(jì)一起按式(1)和式(2)進(jìn)行融合,，得到全局最優(yōu)估計(jì)和協(xié)方差矩陣

(5)利用主濾波器的最優(yōu)估計(jì)值對(duì)3個(gè)子濾波器的狀態(tài)估計(jì)進(jìn)行重置,。即

2．2．3 信息分配參數(shù)的選擇

不同的信息分配系數(shù)可以獲得聯(lián)邦濾波器的不同結(jié)構(gòu)以及不同的容錯(cuò)性能、濾波精度和計(jì)算量,。本方案中設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)聯(lián)邦卡爾曼濾波器,。利用GPS接收機(jī)輸出的反映定位精度的參數(shù)為依據(jù)，自動(dòng)調(diào)整P值的大小,。本定位系統(tǒng)根據(jù)GPS接收機(jī)的p值大小來(lái)決定取值,。具體的自適應(yīng)算法為

2．3 地圖匹配

GPS和DR系統(tǒng)的組合導(dǎo)航在一定程度上提高了定位系統(tǒng)的精度和可靠性，但定位數(shù)據(jù)仍然存在一定誤差,，并且當(dāng)GPS數(shù)據(jù)丟失時(shí),，DR系統(tǒng)的誤差會(huì)累積變大。在實(shí)際系統(tǒng)中通常采用地圖匹配算法來(lái)進(jìn)一步提高GPS和DR系統(tǒng)的精度,。

地圖匹配的基本思想是將車輛定位軌跡與數(shù)字地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來(lái),，并由此相對(duì)于地圖確定車輛的位置。地圖匹配的算法分為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程：一是道路選擇,，主要是對(duì)道路進(jìn)行分段,，提取道路特征信息，然后采用適當(dāng)?shù)乃阉饕?guī)則和匹配算法根據(jù)當(dāng)前傳感器給出的車輛信息,，在地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找一條最有可能的道路,；二是道路匹配，將車輛當(dāng)前位置匹配并顯示在這條道路上,，用于消除傳感器的定位誤差,。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的列車定位問(wèn)題，提出了GPS/DR/MM組合定位的方案,，利用卡爾曼濾波對(duì)多傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合之后再與電子地圖匹配,，實(shí)時(shí)提供列車的定位信息。與單一傳感器定位方式相比,，可以進(jìn)一步提高列車的測(cè)速定位精度,，保證了高速列車安全、可靠的運(yùn)行,。