CN110118985A - Sil4安全级的多传感器信息融合定位***及方法 - Google Patents
Sil4安全级的多传感器信息融合定位***及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***及方法，该***包括数据采集模块和车载安全计算机模块，所述数据采集模块包括GNSS数据采集模块和ODO数据采集模块，所述车载安全计算机模块包括数据库模块、与所述GNSS数据采集模块和ODO数据采集模块连接的信息融合模块、与所述信息融合模块连接的虚拟信标模块以及控制软件。与现有技术相比，本发明具有安全性高、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及信号领域，尤其是涉及一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***及方法。
背景技术
采用GNSS技术不仅能够降低轨旁轨旁装备的数量，还能够很好的减低建设以及运营方面的成本，不仅如此还可以增高铁路营运方面的管理上面的水平。常用的列车定位方法各有自身的优缺点，到目前为止无一种的定位的技术可以比较有效率的单独的解决列车的定位技术上的问题。
多传感器组合的定位，对于列车而言，是能够有效的提升整个列车组合定位***上的容错的性能、位置上的信息的可信度以及时空上面所能覆盖的范围,是当前列车测速定位技术的重要发展方向。国内外基于GNSS的多传感器信息融合的定位技术研究逐步成熟，国内外对工程实际应用都提上了日程。欧洲下一代铁路信号控制***，亦将GNSS的应用作为关键技术点；随着北斗卫星定位***日趋完善，国内铁路信号领域也开展了“空天地”等项目，加大推进GNSS的工程应用。但是GNSS在铁路信号领域应用中，如何实现安全完善度4级，一直是阻碍其工程实践的难题。
发明内容
本发明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SIL4安全级的多传感器信息融合定位***及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***，包括数据采集模块和车载安全计算机模块，所述数据采集模块包括GNSS数据采集模块和ODO数据采集模块，所述车载安全计算机模块包括数据库模块、与所述GNSS数据采集模块和ODO数据采集模块连接的信息融合模块、与所述信息融合模块连接的虚拟信标模块以及控制软件，所述数据库模块包括电子地图数据库与虚拟信标数据库，其中：
所述GNSS数据采集模块用于采集多组GNSS数据，所述GNSS数据包括速度和位置信息；
所述ODO数据采集模块用于采集多组不同轮轴上的ODO数据，所述ODO数据包括速度信息；
所述信息融合模块用于融合GNSS数据和ODO数据得到安全融合信息，所述安全融合信息包括速度和位置信息；
所述虚拟信标模块用于根据所述安全融合信息中的位置信息，对比虚拟信标数据库，进行虚拟信标捕获，获得安全信标定位；
所述控制软件接收所述安全融合信息和安全信标定位。
优选地，所述GNSS数据由GNSS接收机根据接收的卫星信息与差分基站采集的卫星差分信息生成，其中：
所述GNSS接收机还用于RAIM故障检测和信噪比检测，所述RAIM故障检测用以剔除故障卫星，所述信噪比检测用于规避定位信号传递过程中的多路径或替代途径影响；
所述差分基站还用于基于确定位置检测和差分信息验证，所述确定位置检测判断是否出现卫星控制站或个别卫星故障，所述差分信息验证剔除潜在故障卫星信号与差分信号。
优选地，所述安全融合信息得到过程具体为：依次进行安全性判别和卡尔曼滤波处理，所述安全性判别包括GNSS数据安全性判别和ODO数据安全性判别，对应获得GNSS安全速度与位置信息和ODO安全速度信息；
所述卡尔曼滤波用于提高安全性判别后的信息精度，得到安全融合信息。
优选地，所述ODO数据安全性判别具体为：对ODO数据依次进行ODO健康监测、ODO组合故障安全表决和ODO运动模型诊断；
所述GNSS数据安全性判别具体为：对GNSS数据先进行GNSS健康状态监测，然后同步进行基于所述电子地图数据库的GNSS故障检测、GNSS组合故障安全表决和基于ODO信息检测。
优选地，所述卡尔曼滤波处理包括根据电子地图数据库和ODO安全速度信息将进行卡尔曼滤波发散检验。
优选地，所述GNSS接收机包含2或3台不同供应商的多频接收机，所述差分基站包含2套不同供应商的差分设备。
优选地，所述多传感器信息融合定位***的安全性危险侧失效率w为：
DC＝1-(1-DCmap)(1-DCODO)
式中，DC为地图加ODO组合检测覆盖率，DCmap为基于电子地图检测覆盖率，DCODO基于ODO检测覆盖率，λ为单个差分接收机及差分站设备失效率，wmap为电子地图检测失效，wODO为ODO检测失效，Tl为***大修或更换周期，MTTR为平均恢复间隔时间。
一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位方法，包括：
S1：采集多组GNSS数据和多组ODO数据；
S2：对多组GNSS数据和多组ODO数据依次进行安全性判和卡尔曼滤波得到安全融合信息；
S3：根据所述安全融合信息中的安全位置信息和虚拟信标数据库，进行虚拟信标捕获，获得安全信标定位；
S4：将所述安全融合信息和安全信标定位传输到车载安全计算机模块的控制软件中。
优选地，所述GNSS数据由GNSS接收机根据接收的卫星信息与差分基站采集的卫星差分信息生成，所述GNSS接收机的功能还包括RAIM故障检测和信噪比检测，所述差分基站的功能还包括基于确定位置检测和差分信息验证；
所述GNSS接收机包含2或3台不同供应商的多频接收机，所述差分基站包含2套不同供应商的差分设备。
优选地，步骤S2所述安全性判别包括GNSS数据和ODO数据安全性判别，所述ODO数据安全性判别依次进行ODO健康监测、ODO组合故障安全表决和ODO运动模型诊断，获得ODO安全速度信息，所述GNSS数据安全性判别先进行GNSS健康状态监测然后同时进行基于电子地图数据库的GNSS故障检测、GNSS组合故障安全表决和基于ODO信息检测，获得GNSS安全速度与位置信息。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
1)本发明基于GNSS的多传感器信息，结合GNSS检测、ODO检测以及无线传感器-虚拟信标技术，构建了安全完善度4级***架构及信息处理流程，在无物理信标情况下，向上层列车控制软件输出安全的速度、位置以及虚拟信标定位信息，并提供了定量评估方法，安全性和准确性高；
2)本发明利用GNSS检测模块实现了基于确定位置检测卫星***故障和异常，通过差分信息阈值检查，间接验证差分站及卫星状态，提高了***的安全性；
3)本发明采用相异差分GNSS接收机和相异差分站，选用不同厂商生产的设备，解决同一厂家可能存在的共因失效问题，***安全性高；
4)本发明进行了GNSS健康状态监测，通过安全计算机对定位卫星数量、HDOP值、高度截止角和差分等级进行监控，增加了***安全性。
附图说明
图1为本发明的***架构图；
图2为本发明的信息处理技术关系图；
图3为本发明的安全性判别流程图；
图4为本发明的信息处理过程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***，如图1，满足安全完善度4级，包括数据采集模块和车载安全计算机模块，所述数据采集模块包括GNSS数据采集模块和ODO数据采集模块，所述车载安全计算机模块为满足列车应用环境的安全完善度4级的通用计算机，包括数据库模块、与所述GNSS数据采集模块和ODO数据采集模块连接的信息融合模块、与所述信息融合模块连接的虚拟信标模块以及控制软件，所述数据库模块包括电子地图数据库与虚拟信标数据库，所涉及的信息处理技术关系如图2所示，其中：
所述GNSS数据采集模块用于采集多组GNSS数据，GNSS数据包括速度和位置信息，由GNSS接收机根据接收的卫星信息与差分基站采集的卫星差分信息生成；
为实现如图3的安全判别流程，GNSS接收机由2或3台多频接收机组成，接收机的核心芯片与算法应由不同供应商实现，以规避接收机本身***性失效，差分功能除提高精度，还可规避环境影响如电离层、地球自转、相对论效应等；差分基站中单个基站中应包含2套差分设备组成，差分设备的核心芯片与算法应由不同供应商实现，以规避差分设备本身***性失效。
ODO组合，由安装于不同轮轴上的ODO传感器组成。
GNSS接收机还用于RAIM故障检测和信噪比检测；
RAIM故障检测：针对GNSS卫星本身可能的失效，应用至少6颗卫星参与的RAIM检测，以发现并剔除故障卫星；
信噪比检测：通过检测GNSS的信噪比，规避定位信号传递过程中的多路径/替代途径影响。多路径或替代路径影响，还可通过选择合适的虚拟信标位置来规避，虚拟信标数据库构建过程，所选区域应具有大于15°卫星视角。
所述差分基站还用于基于确定位置检测和差分信息验证；
基于确定位置检测：对比卫星定位位置与差分基站已知位置信息，判断是否出现卫星控制站或个别卫星故障。车载设备通过地面固定信标确定已知位置，与车载GNSS设备解算信息对比，作为初始化自检；
差分信息验证：通过接受到的各卫星差分信息，通过判断差分数据包中载噪比、载波相位修正值、星历中卫星健康码位等，剔除潜在故障卫星信号与差分信号。
所述ODO数据采集模块用于采集多组ODO数据，所述ODO数据包括速度信息，由不同轮轴上的ODO传感器采集获得；
所述信息融合模块用于融合GNSS数据和ODO数据得到安全融合信息，过程为依次进行安全性判别和卡尔曼滤波处理，安全性判别包括GNSS数据安全性判别和ODO数据安全性判别，对应获得GNSS安全速度与位置信息和ODO安全速度信息；
ODO数据安全性判别具体步骤如下：
ODO健康监测：通过失效模式分析确定ODO的电路故障特性，设计相关检测电路进行监控；
ODO组合故障安全表决：安全比对ODO独立通道的输出信息，其原始输出信号差异在超出***设置可接受阈值范围内时，判断ODO组合故障；
ODO运动模型诊断：通过对加速度等运动学参数阈值判断，实现运动模型诊断，判断***是否发生打滑或空转现象。
GNSS数据安全性判别具体步骤如下：
GNSS健康状态监测，监测要求：定位卫星数量>6、HDOP值<1、高度截止角>15、差分等级为高，剔除潜在不安全GNSS信息；
同时进行基于所述电子地图数据库的GNSS故障检测、GNSS组合故障安全表决和基于ODO信息检测：
基于电子地图GNSS故障检测：可采用单个GNSS接收机信息作为输入，定位故障GNSS接收机；也可采用GNSS接收机安全表决后信息，进行故障诊断，保证输出定位位置安全性；
GNSS组合故障安全表决：安全比对2台GNSS接收机的输出速度与位置信息，其速度差异超过5％，位置超过10米时，丢弃相关信息；持续超差超过30秒时，判断GNSS***故障；
基于ODO信息检测：在未发生打滑或空转期间，ODO信息可作为GNSS故障检测判据；发生打滑空转后，亦可使用补偿后速度信息，作为ODO信息检测输入。
卡尔曼滤波用于提高安全性判别后的信息的精度，得到安全融合信息，安全融合信息包括速度和位置信息，所述卡尔曼滤波处理包括：卡尔曼滤波：其输入的GNSS速度、位置等为安全信息，ODO信息亦为安全信息；通过卡尔曼滤波，可提高相关精度；卡尔曼滤波发散检验：可能存在滤波发散等故障，保证融合后的速度、位置为安全值。
虚拟信标模块用于根据所述安全融合信息中的位置信息，对比离线配置的虚拟信标数据库，实现虚拟信标捕获，获得安全信标定位；
所述控制软件收集所述安全融合信息和安全信标定位。
本实施例实现了如图4的安全架构，多传感器信息融合定位技术***的安全性危险侧失效率w为：
DC＝1-(1-DCmap)(1-DCODO)
式中，DC为地图加ODO组合检测覆盖率，DCmap为基于电子地图检测覆盖率，DCODO基于ODO检测覆盖率，λ为单个差分接收机及差分站设备失效率，wmap为电子地图检测失效，wODO为ODO检测失效，Tl为***大修或更换周期，MTTR为平均恢复间隔时间。
本实施例中：
DCmap＝87.78％，DCODO＝95.73％，λ＝1.1E-5，wmap＝1E-10/h，wODO＝1E-10/h，Tl＝5*365*24h，MTTR＝1h；
本实施例安全性危险侧失效率w为：1.45558E-10/h<1E-8，***满足安全完善度4级要求。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***，包括数据采集模块和车载安全计算机模块，其特征在于，所述数据采集模块包括GNSS数据采集模块和ODO数据采集模块，所述车载安全计算机模块包括数据库模块、与所述GNSS数据采集模块和ODO数据采集模块连接的信息融合模块、与所述信息融合模块连接的虚拟信标模块以及控制软件，所述数据库模块包括电子地图数据库与虚拟信标数据库，其中：
所述GNSS数据采集模块用于采集多组GNSS数据，所述GNSS数据包括速度和位置信息；
所述ODO数据采集模块用于采集多组不同轮轴上的ODO数据，所述ODO数据包括速度信息；
所述信息融合模块用于融合GNSS数据和ODO数据得到安全融合信息，所述安全融合信息包括速度和位置信息；
所述虚拟信标模块用于根据所述安全融合信息中的位置信息，对比虚拟信标数据库，进行虚拟信标捕获，获得安全信标定位；
所述控制软件接收所述安全融合信息和安全信标定位。
2.根据权利要求1所述的一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***，其特征在于，所述GNSS数据由GNSS接收机根据接收的卫星信息与差分基站采集的卫星差分信息生成，其中：
所述GNSS接收机还用于RAIM故障检测和信噪比检测，所述RAIM故障检测用以剔除故障卫星，所述信噪比检测用于规避定位信号传递过程中的多路径或替代途径影响；
所述差分基站还用于基于确定位置检测和差分信息验证，所述确定位置检测判断是否出现卫星控制站或个别卫星故障，所述差分信息验证剔除潜在故障卫星信号与差分信号。
3.根据权利要求1所述的一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***，其特征在于，所述安全融合信息得到过程具体为：依次进行安全性判别和卡尔曼滤波处理，所述安全性判别包括GNSS数据安全性判别和ODO数据安全性判别，对应获得GNSS安全速度与位置信息和ODO安全速度信息；
所述卡尔曼滤波用于提高安全性判别后的信息精度，得到安全融合信息。
4.根据权利要求3所述的一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***，其特征在于，所述ODO数据安全性判别具体为：对ODO数据依次进行ODO健康监测、ODO组合故障安全表决和ODO运动模型诊断；
所述GNSS数据安全性判别具体为：对GNSS数据先进行GNSS健康状态监测，然后同步进行基于所述电子地图数据库的GNSS故障检测、GNSS组合故障安全表决和基于ODO信息检测。
5.根据权利要求3所述的一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***，其特征在于，所述卡尔曼滤波处理包括根据电子地图数据库和ODO安全速度信息将进行卡尔曼滤波发散检验。
6.根据权利要求2所述的一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***，其特征在于，所述GNSS接收机包含2或3台不同供应商的多频接收机，所述差分基站包含2套不同供应商的差分设备。
7.根据权利要求2所述的一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位***，其特征在于，所述多传感器信息融合定位***的安全性危险侧失效率w为：
DC＝1-(1-DCmap)(1-DCODO)
式中，DC为地图加ODO组合检测覆盖率，DCmap为基于电子地图检测覆盖率，DCODO基于ODO检测覆盖率，λ为单个差分接收机及差分站设备失效率，wmap为电子地图检测失效，wODO为ODO检测失效，Tl为***大修或更换周期，MTTR为平均恢复间隔时间。
8.一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位方法，其特征在于，包括：
S1：采集多组GNSS数据和多组ODO数据；
S2：对多组GNSS数据和多组ODO数据依次进行安全性判和卡尔曼滤波得到安全融合信息；
S3：根据所述安全融合信息中的安全位置信息和虚拟信标数据库，进行虚拟信标捕获，获得安全信标定位；
S4：将所述安全融合信息和安全信标定位传输到车载安全计算机模块的控制软件中。
9.根据权利要求8所述的一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位方法，其特征在于，所述GNSS数据由GNSS接收机根据接收的卫星信息与差分基站采集的卫星差分信息生成，所述GNSS接收机的功能还包括RAIM故障检测和信噪比检测，所述差分基站的功能还包括基于确定位置检测和差分信息验证；
所述GNSS接收机包含2或3台不同供应商的多频接收机，所述差分基站包含2套不同供应商的差分设备。
10.根据权利要求8所述的一种SIL4安全级的多传感器信息融合定位方法，其特征在于，步骤S2所述安全性判别包括GNSS数据和ODO数据安全性判别，所述ODO数据安全性判别依次进行ODO健康监测、ODO组合故障安全表决和ODO运动模型诊断，获得ODO安全速度信息，所述GNSS数据安全性判别先进行GNSS健康状态监测然后同时进行基于电子地图数据库的GNSS故障检测、GNSS组合故障安全表决和基于ODO信息检测，获得GNSS安全速度与位置信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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