基于GPS与惯性测量单元的列车组合定位系统

基 于 ＧＰ Ｓ与 惯 性 测 量 单 元 的 列车 组 合 定 位 系统
刘 江 ，蔡 伯 根 ，唐 涛 ，王 剑
（ ．北京交通大学 电子信息工程学 院，北京 １０ ４ ； １ ００ ４ ２ ．北京交通大学 轨道交通控制 与安 全国家重点实验室 ，北京 摘 １０４） ０ ０ ４
ｌｅＳ ｓｅ ｉ ｙｔｍ，ＧＮＳ ） 等 技 术ｌ 。基 于通 信 的 列 车 ｔ Ｓ １ ］
控 制 （ ｏ Ｃ ｍｍｕ ｉ ｔ ｎ ａｅ Ｔ ａｎ ｏ ｔｏ ， ｎｃ ｉ Ｂ ｓ ｄ ｒｉ Ｃ ｎ ｒｌ ａｏ
障检测与隔离策略 ，实现高精度 、高可靠性的列车 实时定 位 ，为 列车运 行控 制 系统提 供支 持 。
各 种 传感 器 以及 通 信 终 端 都 连 接 到 车 载 定 位 计 算
机 。另外 ，车载计算 机 预 留与查 询应答 器 和车载 列 控 设 备 的接 口。
参 考 系 统 选 取 ＮｏＡｔｌ 量 型 ＧＰ ｖ ｅ测 Ｓ接 收 机
ＤＩ ４和广域 差 分 ＧＰ Ｓ接 收 机 Ｎａ ｃｍ Ｆ ０ ０ ｖｏ Ｓ ２ ５ ，采
目前 ，很 多列 车采 用 了全 球 定位 系 统 （ ｏ ａ Ｇｌｂ ｌ
Ｐ ｓ ｉｎＳ ｓｅ ｏ ｉｏ ｙ ｔｍ，ＧＰ ） ｔ Ｓ ，ＧＰ Ｓ能 够 实 现 高 精 度 快
速 定位 ，但 当列 车进入 隧道 、山区 、森 林 等地 时存 在 信号遮 挡 ，并且 在并 行线 路上 易发生 认 错股道 的
证 列车 运行 的安全 ｒ 。 ２
器 选 用 低 成 本 高 可 靠 性 的 ＭＥ ＭＳ惯 性 器 件 Ｘ Ｗ－
Ｉ ＭＵ５ ０ 。根据 列 车 定 位 系 统 的实 际需 要 ，可 以 ２０
采 取不 同 的传 感 器 工 作 策 略 形 成 多 种 列 车 定 位 方
案 ，并 根据 测 量结 果 对 这 些 方案 的性 能 进行 评 估 。
要 ：采用 Ｇ Ｓ接 收机及惯 性测量单元构成列 车组合定位 系统 ，系统包括传感器输 入层 、故障检测与隔 Ｐ
离层 、数据融合层和输 出层 ４个部分 。给 出 ＧＰ Ｓ接收机 、惯性 测量单元 等定位传感 器 的位 置解算方法 ；设 计采 用 Ｈ。鲁棒滤波方法的数据融合算法 ；采用 小波变换 方法进 行组合 系统 故障检测 ，确定故 障隔离 及系统 重构策 。 略 。对列车组合定位系统进行现场测试和仿真验 证结果 表 明：在 复杂 的列车运行 环境及 干扰条 件下 ，该 系统能 够实现高精度高可靠性 的列 车定位 ；定位误差较采用传统 的 Ｋａ ｎ滤波方法更为稳定 ；组合 系统能够 有效实现 ｌ ｍａ
Ｃ Ｔ ） 系统需 要在 适 当精 度 和 充分 完 整性 条 件 下 Ｂ Ｃ
持 续地更 新 列车位 置 ，这给 列车 定位 系统 带来 了更
高 的要 求【 。
１ 列 车组 合定位系统结构
列 车组 合 定位 系 统 包 括被 测 系统 和 参 考 系统 ， 其 平 台结构 如 图 １ 示 。 所
现 象 。基 于 惯 性 测 量 单 元 （ｎ ｔ
被 测 系统 主要包 括 ＧＰ Ｓ接 收 机 、惯性 传感 器 、 里 程 计 等 定 位 传 感 器 。接 收 机 采 用 单 频 导 航 型
ＧＰ Ｓ接 收机 板卡 Ｎｏ Ａｔｌ ｕ ｅｓａ Ｉ，惯 性 传感 ｖ ｅ Ｓ ｐ ｒｔｒ１
列 车 的 实 时 定 位 主要 依 靠 里 程 计 、查 询 应 答
器 、全球 导 航 卫 星 系统 （ ｏ ａ Ｎａ ｉａｉｎＳ ｔｌ Ｇｌｂ ｌ ｖｇ ｔ ａｅ— ｏ
ＧＰ Ｓ接 收机 和 惯 性 测 量 单 元 构 成 列 车组 合 定 位 系 统 ，通过设 计 高效 的多传 感器 数据 融合 算法 以及故
Ｕｎｔ ＭＵ）的惯 性 定 位 具 有 高 自主 性 ，不 易 受 ｉ ，Ｉ 外 界条 件及 其他人 为 因素干 扰 ，但是存 在 误差 累积 与 系统 成本 的矛盾 ，必 须利 用高 精度定 位信 息对 其 进 行定 期 校 正 。ＧＰ Ｓ和惯 性 定 位 在性 能 上 具 有 互 补 性 ，因此 ，综合 利用 ２ 定位 系统 的优 点 ，集 成 种 构 成列 车组 合定 位系 统 ，则 其精 度 、性能 和可靠 性 都 将较 单一 系统有 大 的改善 ，不 仅能 够保 证列 车 的 精 确定 位 ，而且还 能 提高 系统 的可靠性 ，更好 地保
本 文结 合 实 际 列 车 定 位 的 特 性 和 需 求 ，采 用
收 稿 Ｆ期 ：２ ０—９１ ；修 订 日期 ：２ ０ —７２ Ｉ ０ ８０ —０ ０ ９０ —２
用 实 时载 波相 位差 分或者 是后 处理 差分 的方式 ，可
基金项 目：国家 自然科 学基金资助重点项 目 （０ ３ ０ ７ ０ ３ ０ ０ ０ ７ ０ ６ ；国家 “ ６ ７ ６ ４ ，６ ６ ４ １ ，６ ８ ０ １ ） 八六三 ”计划项 目 （０ ７ ２ ０ ＡＡｌ Ｚ １ ） ｌ ２４ 作者简介 ：刘 江 （９５ ） １ ８～ ，男 ，陕西汉 中人 ，博士研究生 。
第３ 卷 ， １ １ 第 期 ２ ０ １０年 １月
文章编号 ：１０— ６２ （０ ０ １０ ２ —７ ０ １４ ３ ２ １ ）０ —１ ３０
中 国 铁 道 科 学
ＣＨ 】 ＮＡ ＲＡＩ ＬＷ ＡＹ ＳＣＩ ＥＮＣＥ
Ｖｏ ． １ Ｎｏ １ １３ ．
Ｊ ｎ ａ ｙ，２ １ ａ ｕｒ ００
故障检测并根据故障隔离策略重构 系统 ，保证定 位输 出的连续 性 ，保 障系统安 全 ；具有较 高 的适 应性 和实际应
用价值 。 关键词 ：列车定位 ；组合定位 ；惯性测量单元 ；Ｇ Ｓ Ｐ ；数据融合 ；故障检测与隔离
中 图分 类 号 ：Ｕ２ ４ ４ ８．８ 文 献 标 识 码 ：Ａ