CN114609657A - 一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法 - Google Patents

一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114609657A
CN114609657A CN202210214865.2A CN202210214865A CN114609657A CN 114609657 A CN114609657 A CN 114609657A CN 202210214865 A CN202210214865 A CN 202210214865A CN 114609657 A CN114609657 A CN 114609657A
Authority
CN
China
Prior art keywords
train
positioning
information
unit
data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210214865.2A
Other languages
English (en)
Inventor
樊宽刚
徐艺玮
张雪涛
杨杰
杨斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangxi University of Science and Technology
Original Assignee
Jiangxi University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangxi University of Science and Technology filed Critical Jiangxi University of Science and Technology
Priority to CN202210214865.2A priority Critical patent/CN114609657A/zh
Publication of CN114609657A publication Critical patent/CN114609657A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/48—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L25/00—Recording or indicating positions or identities of vehicles or trains or setting of track apparatus
    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • B61L25/025—Absolute localisation, e.g. providing geodetic coordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • G01C21/1652—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments with ranging devices, e.g. LIDAR or RADAR
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/42—Determining position
    • G01S19/48—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system
    • G01S19/49—Determining position by combining or switching between position solutions derived from the satellite radio beacon positioning system and position solutions derived from a further system whereby the further system is an inertial position system, e.g. loosely-coupled
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G06F17/12—Simultaneous equations, e.g. systems of linear equations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/16—Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/18—Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L2205/00—Communication or navigation systems for railway traffic
    • B61L2205/04—Satellite based navigation systems, e.g. global positioning system [GPS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L2210/00—Vehicle systems
    • B61L2210/04—Magnetic elevation vehicles [maglev]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Probability & Statistics with Applications (AREA)
  • Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
  • Evolutionary Biology (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Navigation (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)

Abstract

本发明提出一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法。本发明首先利用北斗导航与多传感器信息进行融合的方法实现永磁磁悬浮列车的高精度定位；其次建立列车行驶监控模块，包括对列车启动前的车辆自检、列车行驶过程中的实时监控等，保证列车的安全；并建立永磁磁悬浮轨道交通定位***信息融合控制中心，将***的各个模块数据及几种信号信息融合处理以提高***集成度、冗余度以及抗干扰能力；最后，针对传统的轨道交通的车‑地通讯技术信息传输速度慢、易受到其他信号干扰等问题，本发明提出了采用基于5G技术的车‑地通讯技术来改善磁悬浮列车的车‑地通讯。

Description

一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法
技术领域
本发明涉及磁悬浮信息控制领域，尤其涉及一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法。
背景技术
随着科技创新与技术迭代的不断加速，城市化向着现代化方向推进，人口密度的日益增长等伴随产生了极大地客运交通需求，使得城市公共交通运输***面临新的考验。新型磁悬浮列车因其成本较低、工期较短、轨道规划自由度高等优势备受青睐，在未来城市轨道交通发展中极具市场潜力。而伴随着磁悬浮列车技术的发展和人们对高质量生活的要求，提供永磁磁悬浮列车的精确位置信息对永磁磁悬浮列车的安全，提高用户体验十分重要。因为永磁磁悬浮列车不与永磁轨道有接触，因此传统轮轨测速定位方法已经不能适应当前永磁磁浮列车的需求。
社会的进步与科技的发展使得轨道交通行业进入快速发展时期，信息社会也由互联网时代向物联网时代发展。随着磁悬浮列车技术的不断发展与应用，如何实现对磁悬浮列车的远程实时监控、如何实现合理高效的运营调度、如何实现磁悬浮列车的高精度定位成为我们迫切需要解决的问题。而目前北斗***刚刚建立完成，无法实现厘米级甚至毫米级精确定位，在定位精度要求越来越高的当下，给人们的生产生活造成不便。而且，当列车进入隧道、桥面等路况复杂的区域时，卫星信号会由于多路径等原因造成信号丢失，无法正常定位，只靠一种定位手段远远满足不了生产生活需求，因此设计一个多信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位控制方法具有十分重要的意义。
当前北斗导航***的发展水平决定了它的定位精度是亚米级，达不到磁悬浮列车的厘米级精确定位；而且BDS卫星***具有一个致命的缺点，即在特殊地形下，如隧道、桥面、水面等路况相对复杂的环境，卫星信号可能会遭到严重遮挡，那么BDS定位***的精度和位置更新速率将受到非常严重的影响，无法满足永磁磁悬浮列车实时性、高精度和连续性的要求。惯性导航***具有接收和计算位置信息精准、测量载体姿态准确等优点，而且因为惯性导航***不需要发射和接收信号，不容易受到外界复杂环境干扰，具有很大的独立性，不论在军事还是民用领域都有广泛的应用。但是由于惯性导航***的惯性器件(特别是陀螺仪)导航存在多个积分运算，***长时间工作必然会产生积分累计误差，而且这种积分累计误差随着***工作时间的加长而积累增大，随着惯性导航***的工作时间加长，误差势必会越来越大，最终导致定位数据不准确甚至出现错误。
发明内容
由于磁悬浮列车的车体与轨道之间并不相互接触，无法使用常规的车体与轨道接触的测速方法，针对目前永磁磁悬浮列车交通定位***及方法在列车定位精度不足、各种信息融合性能差等问题，本发明提供了一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***实现方案，包括定位模块、列车行驶监控模块、信息融合控制中心和车-地通信模块。本发明首先针对现有定位技术依赖单一定位手段、定位精度不高以及容易产生错误信息等问题，提出了利用北斗导航与多传感器信息进行融合的方法实现永磁磁悬浮列车的高精度定位；其次为了加强对列车当前情况的监控，及时检测列车定位精度及列车行驶状况，提出了建立列车行驶监控模块，包括对列车启动前的车辆自检、列车行驶过程中的实时监控等，保证列车的安全；针对永磁磁悬浮列车交通定位***中各个模块信息处理能力不足而导致各个模块相互配合出现错误的问题，本发明提出建立永磁磁悬浮轨道交通定位***信息融合控制中心，将***的各个模块数据及几种信号信息融合处理以提高***集成度、冗余度以及抗干扰能力；最后，针对传统的轨道交通的车-地通讯技术信息传输速度慢、易受到其他信号干扰等问题，本发明提出了采用基于5G技术的车-地通讯技术来改善磁悬浮列车的车-地通讯。本发明具体采用如下技术方案：
一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位方法，该方法具体包括如下步骤：
(1)通过永磁磁悬浮列车上装载的北斗卫星信号接收设备接收北斗卫星发出的星历数据，以获得列车启动时的初始信息；
(2)列车运行后，将所述初始信息输入给惯性导航定位单元，所述惯性导航定位单元生成动态导航轨迹数据，并通过仿真结算获得惯性导航测量参数；并通过车载多普勒测速雷达检测列车运动信息，获得多普勒测量参数；当列车行驶过带有RFID电子标签读卡器的轨道时，所述RFID电子标签读卡器将车载RFID电子标签中的数据读取出来，获得电子标签测量参数；
若列车上北斗卫星信号接收设备接收到四颗导航卫星所发过来的信号，则进入步骤(3)；若接收到大于四颗导航卫星所发过来的信号，则进入步骤(4)；若接收到少于四颗导航卫星所发过来的信号，则进入步骤(5)；
(3)在磁悬浮列车在接收到四颗北斗导航卫星的信号后，建立四个伪距方程，联立四个伪距方程得到北斗导航定位参数：
Figure BDA0003534029260000021
式中，(xu,yu,zu)为需要求解的磁悬浮列车所处位置的空间坐标，(xsi,ysi,zsi)为已知的第i颗导航卫星的空间坐标，c为光速，tu为利用北斗卫星基准基站求得的永磁磁悬浮列车接收机时钟的误差；
根据所述北斗导航定位参数、所述惯性导航测量参数、所述多普勒测量参数、通过所述电子标签测量参数校正进行数据融合及校正得到优化融合测量数据，具体方式如下：
(i)设增加约束后的卡尔曼滤波模型***状态方程和量测方程变换如下:
Figure BDA0003534029260000031
式中:
Figure BDA0003534029260000032
方括号内分别对应BDS的失准角，速度误差，位置误差，陀螺仪零漂和加速度计零偏；下标k,k-1分别为当前历元和前一历元；Φk,k-1是捷联惯导系状态转移函数的二阶离散化系数矩阵；Γk-1***噪声驱动矩阵；Wk-1为***噪声向量；Lk为观测向量；Hk为观测矩阵；Δk为观测噪声向量；Bk为约束条件转移矩阵；Dk为约束条件具体数值；
(ii)其目标函数为:
Figure BDA0003534029260000033
式中，
Figure BDA0003534029260000034
是状态预测向量，将目标函数与具体约束条件得到拉格朗日最优化条件为:
Figure BDA0003534029260000035
其中:λ是拉格朗日常数向量；
设Ω对λ和
Figure BDA0003534029260000036
的一阶偏导数都为0，得到Ω最小时对应
Figure BDA0003534029260000037
的观测值：
Figure BDA0003534029260000038
Figure BDA0003534029260000039
则卡尔曼滤波算法增加约束条件后的预测值为:
Figure BDA00035340292600000310
(iii)根据如下过程求解得到优化融合测量数据：
Figure BDA00035340292600000311
式中，
Figure BDA00035340292600000312
和
Figure BDA00035340292600000313
分别为状态预测向量和状态估计值向量；
Figure BDA00035340292600000314
和
Figure BDA00035340292600000315
分别为与其下标对应的状态向量的协方差矩阵；Kk为滤波增益矩阵；Qk和Rk分别为***噪声向量和观测噪声向量的协方差矩阵；I为对应阶数的单位矩阵；
(iv)通过所述电子标签测量参数校正，将得到的优化融合测量数据进行存储，并返回步骤(2)；
(4)在磁悬浮列车在接收到大于四颗北斗导航卫星的信号后，先进行冗余卫星筛除，具体过程如下：
(4.1)定义
Figure BDA0003534029260000041
式中，G为观测矩阵，GDOP为几何精度因子；
假设共有N颗可见星，则G为下式的形式：
Figure BDA0003534029260000042
式中，Ii(i＝1,2,…,N)表示第i颗卫星相对于接收机位置的单位观测矢量；
假设接收机观测两颗卫星i和j的视线向量的夹角为θij，则定义代价函数定义为：
Jij＝cosθij
为了计算Jij，定义矩阵F：
F＝(I1 I2 … IN)T
式中，Ii(i＝1,2,…,N)表示第i颗卫星相对于接收机位置的单位观测矢量；
通过矩阵F计算得到矩阵
Figure BDA0003534029260000043
进而得到
Figure BDA0003534029260000044
通过求取矩阵D中的最大元素，得到相互间冗余最大的两颗卫星，进而从两者中排除一颗；
(4.2)通过步骤(4.1)排除冗余卫星直至卫星数量为四颗，然后进入步骤(3)；
(5)根据所述惯性导航测量参数、所述多普勒测量参数、所述电子标签测量参数进行数据融合及校正得到优化融合测量数据，具体方式为所述步骤(3)中(i)-(iv)。
优选地，所述步骤(3)中还包括步骤(3.3):
将所述优化融合测量数据存储前，提取所述优化融合测量数据中经纬度、方向角等信息，并且对定位点数据进行预处理，判断定位点数据是否有效，若该定位点数据不在当前运行路段的网格范围内，则将该定位点数据视为无效，并删除此条数据，等待下一个定位信息；
然后根据定位点经纬度在地图数据库中找到待匹配的标记点，若无待匹配的标记点，则说明定位点数据误差太大，删除此条数据，等待下一个定位信息；若是匹配到标记点，则将匹配度值最大的标记点作为磁悬浮列车这一时刻的具***置，完成电子地图匹配的数据预处理，再将所述优化融合测量数据与轨道电子地图中的轨道线路特征参数进行匹配，将进行校正后的优化融合测量数据存储。
优选地，在对磁悬浮列车进行上电操作后，首先开启自检，检查列车各模块和各单元的供电情况，车-地通信是否正常工作，紧急制动单元是否准备完毕，连接线路是否存在连接错误和通讯故障等硬件问题；若是磁悬浮列车存在故障，则点亮故障报警灯，同时向地面信息融合中心发出磁悬浮列车的故障信息，等待工作人员的检修；若是一切检查完毕，说明列车无故障，可以正常运行，则不点亮故障报警灯，进行时间同步，初始化显示单元；
在完成车辆自检和时间同步之后，列车正常启动，列车接收到来自北斗卫星的信号，开始进行磁悬浮列车的实时定位，将列车的实时位置和列车的车辆轨迹显示在电子地图电子屏幕上。
一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位方法的***，该***包括：
定位模块，其包括北斗导航***定位单元、多普勒雷达测速定位单元、惯性导航定位单元、电子地图匹配定位单元、列车RFID电子标签定位单元；
列车行驶监控模块，其包括车辆监控单元、车辆轨迹回放单元、紧急制动单元、自检单元、显示单元、时间同步单元；
地面信息融合控制中心，其接收到北斗***定位单元、多普勒雷达测速定位单元、惯性导航单元、列车RFID电子标签定位单元和轨道电子地图匹配单元的信息之后，先对来自不同定位单元的信息进行处理，然后将信息融合，通过计算得出磁悬浮列车的位置，然后根据接收到的来自列车行驶监控模块中车辆监控单元的列车实时监控信息，进行对计算出的磁悬浮列车位置进行修正；
车-地通讯模块。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明利用北斗卫星与多传感器信息进行融合获得永磁磁悬浮列车的精确位置信息，通过北斗卫星和多传感器信息的融合，可以实现高精度的列车定位。
(2)建立列车行驶监控模块，包括列车启动前的自检单元、列车行驶过程中的列车监控单元、列车紧急制动单元、列车轨迹回放单元和显示单元等，为工作人员提供准确地列车位置信息以及列车行驶情况。
(3)建立信息融合控制中心，该控制中心通过对来自北斗卫星和多传感器信息融合的信息进行列车行驶轨迹的判断，结合列车监控状态、列车轨迹等信息进行集中融合，分析处理完成对列车的行驶速度、列车位置的精确控制，消除各模块功能单一、集成度低的缺点。
(4)设计车-地通讯5G技术满足磁悬浮列车在高速行驶过程中的信息实时传输信息量大、传输速度快的需求，防止因信息更新不及时出现的列车定位精度下降、定位错误等问题，并且本发明可以大体改善***的抗干扰能力，提高***的鲁棒性。
附图说明
图1是永磁磁悬浮列车交通定位***结构示意图。
图2是基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***示意图。
图3是永磁磁悬浮列车交通定位***组成框图。
图4是永磁磁悬浮列车交通定位***数据处理过程图。
图5是永磁磁悬浮列车定位模块流程图。
图6是永磁磁悬浮列车交通定位***运行流程图。
具体实施方式
永磁磁悬浮列车示意图如图1所示，基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***示意图如图2所示，***组成框图如图3所示：
一、基于北斗卫星与多传感器信息融合的磁悬浮列车精确定位模块
本发明利用北斗卫星***、惯性测量传感器、多普勒测速定位雷达、列车RFID电子标签和轨道电子地图提出了一种基于信息融合的永磁磁浮列车交通定位***及方法。
由于磁悬浮列车的车体与轨道之间并不相互接触，无法使用常规的车体与轨道接触的测速方法，因此本发明引入了多普勒测速雷达对列车当前的行驶速度进行测量。但是在使用多普勒测速雷达进行车辆定位时，容易受到车体震动的影响，导致多普勒雷达测速出现误差。
因此本发明首先采用北斗卫星定位***对永磁磁浮列车进行初始定位，采集列车的低频绝对定位信息。本发明同时利用BDS卫星***、多普勒雷达、惯性导航***、RFID电子标签等多种信息并利用多源信息融合算法从而实现组合定位，最后利用电子轨道地图进行匹配定位，从而形成一种功能完整且稳定的永磁磁浮列车组合定位***。在该组合定位***中，利用BDS***实时测量磁浮列车的位置和速度信息，当BDS***短时失效时将利用行车线路电子地图辅助多普勒雷达和惯性测量等多种传感器推算出列车位置及速度来确保永磁磁浮列车定位***的连续性、实时性和高精度。
1.1卫星筛选
BDS卫星导航定位***在确定物体的位置时，需要接收到4颗卫星信号就能实现对永磁磁悬浮列车的精确定位，接收到的卫星数量少于4颗则不能解算出当前列车的位置，然而当接收装置接收到的卫星数量多于4颗时，不可避免的会造成接收卫星信号过多造成***数据冗余，会加大***解算时的工作量，对接收机的数据处理能力和处理速度提出了更高的要求，而且影响对磁悬浮列车定位的实时性，因此从导航卫星的选取的角度研究如何充分利用卫星导航***的有效信息，同时避免多个卫星接收带来的冗余是十分有必要的。
其具体过程如下：
为了在较小计算复杂度下得到较高的导航定位精度，引入GDOP(几何精度因子)概念，作为衡量选星算法性能优劣的重要指标。GDOP定义为式1：
Figure BDA0003534029260000071
式1中，G为观测矩阵，假设共有N颗可见星，则G可以写成式2的形式：
Figure BDA0003534029260000072
式2中，Ii(i＝1,2,…,N)表示第i颗卫星相对于接收机位置的单位观测矢量。
在卫星导航定位中，会出现几颗卫星与接收机几乎连在一条线上的情况，此时他们提供的信息将存在很大的冗余。为了提高效率，通过判断两颗卫星视线向量的相似性来去除冗余卫星。
假设接收机观测两颗卫星i和j的视线向量的夹角为θij，则定义代价函数定义为式3：
Jij＝cosθij (3)
当两条视线向量的夹角越小，两颗卫星越接近于共线，代价函数越大。为了计算Jij，定义F矩阵如式4所示：
F＝(I1 I2 … IN)T (4)
式4中，Ii(i＝1,2,…,N)表示第i颗卫星相对于接收机位置的单位观测矢量。
通过矩阵F可以计算得到矩阵
Figure BDA0003534029260000073
进而可以得到
Figure BDA0003534029260000074
通过求取矩阵D中的最大元素，可得到相互间冗余最大的两颗卫星，进而从两者中排除一颗。
1.2地面信息融合控制中心
本发明建立地面信息融合控制中心，将来自永磁磁悬浮列车的北斗导航***定位单元、多普勒雷达测速定位单元、惯性导航定位单元和轨道电子地图匹配定位单元四个定位单元采集的列车位置信息进行集中处理，以消除各模块之间因集成度低、容易产生通信错误等问题。地面信息融合控制中心是永磁磁悬浮列车交通定位***的主要技术保障***，将信息融合思想引入磁悬浮列车控制***中，以期实现开放式架构的综合信息处理平台，实现各个子***之间的信息共享、实时监控、多模式应答等关键技术。同时，为了更好地监控磁悬浮列车的行驶情况，保证本***的定位的精确度，本发明还建立了列车行驶监控模块。地面信息融合中心接收到北斗***定位单元、多普勒雷达测速定位单元、惯性导航单元、列车RFID电子标签定位单元和轨道电子地图匹配单元的信息之后，先对来自不同定位单元的信息进行处理，然后将信息融合，通过计算得出磁悬浮列车的位置，然后根据接收到的来自列车行驶监控模块中车辆监控单元的列车实时监控信息，进行对计算出的磁悬浮列车位置进行修正。
此外，地面信息融合控制中心还具有定位模式切换的功能。由于北斗导航定位***的先天性缺点，即在如隧道、桥面、水面等路况相对复杂的特殊地形环境下，卫星信号可能会遭到严重遮挡，或者产生多径效应，致使接收卫星信号变得困难，引起卫星信号发生很强的衰落，甚至出现信号丢失的现象，那么北斗导航定位***的精度和位置更新速率将受到非常严重的影响，无法满足对永磁磁悬浮列车的位置实时刷新、高精度定位和连续性显示的要求。因此，地面融合控制中心会根据车辆监控单元反馈的信息判断磁悬浮列车此时所在的区域覆盖定位信号的类型，从而自动切换定位模式以保证实现列车的准确定位和实时定位，因此地面信息融合控制中心具有决策支持、行车安全和多***数据资源效益最大化等重要作用。
二、磁悬浮列车行驶监控模块
本发明使用列车行驶监控模块来监控磁悬浮列车的运行情况和列车所处的环境。列车行驶监控模块主要包括自检单元、时间同步单元、车辆监控单元、车辆轨迹回放单元，显示单元、紧急制动单元。自检单元主要是在车辆启动之前进行初始化设置及自检，自动检查列车的供电情况、线路连接情况、各模块之间的通信情况，若是磁悬浮列车存在故障，则故障报警灯点亮，同时向地面信息融合控制中心发出列车的故障信息，以保证磁悬浮列车的正常启动。由于本发明使用了多个传感器，如果各传感器采集的数据不是相同时刻的数据，那么在磁悬浮列车的定位时就会存在一个时间差的漂移问题，造成磁悬浮列车的定位不准确、甚至失控的情况，因此为了解决这一问题，本发明加入时间同步单元，保证各个传感器使用的是相同的时钟源，并且采集的信息是相同时刻的数据。
车辆监控单元主要有两个功能，一是满足不同定位场景的定位模式切换；二是实时监控列车的形式情况。由于本发明的定位模式是先将北斗卫星传回的磁悬浮列车定位情况作为初始位置，再结合惯性导航单元、多普勒雷达测速定位单元和轨道电子地图匹配定位单元进行列车的高精度定位，虽然北斗***已经全面建成，但是在一些实际应用场景中，面对比较复杂的路况，如水面、桥体、隧道等涉及北斗卫星多路径传播，磁悬浮列车接收机接收卫星信号不完全，甚至接收不到信号的环境时，北斗卫星并不能实现与在开阔地进行定位相同的精确度，所以车辆监控单元应运而生，它负责将磁悬浮列车的实际运行环境传输回地面信息融合控制中心，如果此时列车行驶在北斗信号接收正常的开阔地，那么就使用以北斗信号为主，惯性导航定位单元、多普勒雷达测速定位单元、轨道电子地图匹配定位单元为辅助的定位模式；若是车辆监控单元检测出列车所处环境为桥面、水体、森林等北斗信号接收不好的场景时，就将转化信号传输给地面信息融合控制中心，切换成以惯性导航定位单元为主，多普勒雷达测速定位单元、轨道电子地图匹配定位单元为辅的定位模式。
为了满足磁悬浮列车工作人员方便查看磁悬浮列车的行驶情况，本发明在列车行驶监控模块中加入了显示模块，显示模块主要是用来显示此时磁悬浮列车的行驶速度；将列车的实时位置和列车的车辆轨迹显示在轨道电子地图上。
紧急制动单元主要是为了应对一些突发状况，保障人民生命财产安全所设置的一项安全措施。一旦地面信息融合控制中心检测到磁悬浮列车的导轨上存在异物，或者是列车突发状况时，采取紧急制动，同时向地面信息融合控制中心发送列车位置和故障信息，最大程度上保障乘客的生命安全。
三、车-地通信模块
本模块是基于第五代通信技术的车地通信***。其***的安全性以及列车通讯数据的传输速度都远远优于当前***。目前轨道交通广泛采用标准WLAN技术的车-地通讯技术，而该技术存在覆盖范围较小、可靠性较差、易受到其他信号的干扰、服务质量不能得到保障等问题。而5G技术是新一代移动通信技术发展的主要方向，是新一代信息基础建设的重要组成部分。与标准WLAN技术相比，5G技术具有超高速率、超低时延、超大连接的技术特点，尤其是在5G技术的超低时延方面，5G的空口时延可以低至1毫秒，完全满足本***的实时性要求。本发明提出使用5G技术来改善现有的磁悬浮列车的车-地之间通信技术的不足。
由于5G技术的波长为毫米波，频率高，传输速度快，但是具有绕射和穿墙能力差、在传播介质中衰减大的缺点，因此5G技术存在由于传输距离大幅缩短，覆盖能力大幅减弱的缺点。基于以上原因，在高频率的前提下，本***建立5G传输微基站来实现磁悬浮列车与地面信息融合控制中心之间的数据传输。对于城市永磁磁悬浮轨道交通而言，站点设置的距离一般小于lkm，因此由5G微基站技术特点可知每站点配置1套5G微基站就可满足信号***的车-地通信的需要。当两车站间隔大于1.2km时，为保障***的有效性应适当位置增加1套5G微基站以满足车地无线通信的优良性能。
除此之外，使用5G通信技术还有一个优点就是它的“Device to Device”功能，即在同一基站下，两个客户端在进行相互通信时，它们的通信数据将不再通过基站转发，而是直接在客户端之间进行通信，不仅节约了大量的空中资源，而且减轻了基站的压力，对基站的技术要求就没有那么高。
四、数据融合算法的优化
永磁磁悬浮列车的运行速度、悬浮高度、轨道的半径等都有一定的限制，在传统的卡尔曼滤波模型中增加这些约束条件，便可进一步改进融合算法，提高利用多种传感器定位的整体精度。
设卡尔曼滤波模型中增加约束后的***状态方程和量测方程变换如式7所示:
Figure BDA0003534029260000101
式中:
Figure BDA0003534029260000102
方括号内分别对应BDS的失准角，速度误差，位置误差，陀螺仪零漂和加速度计零偏；下标k,k-1分别为当前历元和前一历元；Φk,k-1是捷联惯导系状态转移函数的二阶离散化系数矩阵；Γk-1***噪声驱动矩阵；Wk-1为***噪声向量；Lk为观测向量；Hk为观测矩阵；Δk为观测噪声向量；Bk为约束条件转移矩阵；Dk为约束条件具体数值。其目标函数如式8所示:
Figure BDA0003534029260000103
式中
Figure BDA0003534029260000104
是状态预测向量，将目标函数与具体约束条件得到拉格朗日最优化条件如9式所示:
Figure BDA0003534029260000105
其中:λ是拉格朗日常数向量。设Ω对λ和
Figure BDA0003534029260000106
的一阶偏导数都为0，得到Ω最小时对应
Figure BDA0003534029260000107
的观测值。如式10所示:
Figure BDA0003534029260000108
Figure BDA0003534029260000109
则卡尔曼滤波算法增加约束条件后的预测值为:
Figure BDA00035340292600001010
其具体过程如式12所示：
Figure BDA00035340292600001011
Figure BDA00035340292600001012
Figure BDA00035340292600001013
式中，
Figure BDA0003534029260000111
和
Figure BDA0003534029260000112
分别为状态预测向量和状态估计值向量；
Figure BDA0003534029260000113
和
Figure BDA0003534029260000114
分别为与其下标对应的状态向量的协方差矩阵；Kk为滤波增益矩阵；Qk和Rk分别为***噪声向量和观测噪声向量的协方差矩阵；I为对应阶数的单位矩阵。
本发明高程约束和姿态约束加入卡尔曼滤波算法，已解决约束高程发散和误差发散问题。上述约束都可以通过计算融合算法获取的。
利用北斗导航与多传感器信息融合高精度定位具体实施流程如下：
在永磁磁悬浮列车上装有北斗卫星信号接收天线和接收机以接收北斗卫星发出的星历数据，列车行驶在开阔地时，北斗卫星的地面的注入站将上行注入的导航电文发送给空间轨道上的导航卫星，同时卫星在其发生的载波信号过程中会调制其所接受到的导航电文，并向地面站和空间站以无线广播的形式发送信号。若是磁悬浮列车的卫星接收终端在接受到不少于4颗导航卫星所发过来的信号，经过导航解算处理就能解算出磁悬浮列车接收终端和导航卫星之间的距离、磁悬浮列车所处于的位置以及时间等信息。在工程实践过程中，由于各种随机误差的影响，接收机不可能真正测量出其真实距离，接收机所测量出的距离为包含各种随机误差在内的距离，称为“伪距”，用ρ来表示。其中所包含的误差主要是来自接收机与卫星原子钟之间的钟差。磁悬浮列车与第i颗导航卫星的“伪距”定义如式13：
Figure BDA0003534029260000115
式中，(xu,yu,zu)为需要求解的磁悬浮列车所处位置的空间坐标，(xsi,ysi,zsi)为已知的第i颗导航卫星的空间坐标，c为光速，tu为利用北斗卫星基准基站求得的永磁磁悬浮列车接收机时钟的误差。
在磁悬浮列车在接收到四颗北斗导航卫星的信号后，就可以产生四个伪距方程，联立四个伪距方程就可以解出列车当前时刻的位置和时间差，方程如式14所示：
Figure BDA0003534029260000116
惯性导航定位单元是另一个重要的定位磁悬浮列车位置的信息单元，该单元直接利用运动载体的动态导航轨迹数据，通过IMU模块的仿真结算，获得惯性导航传感器模块输出的测量参数。由于使用惯性导航单元进行导航解算时需要两个数据输入，一是起始解算时运动载体的初始条件(运动载体的初始经度、初始速度等)，还有就是陀螺仪以及加速度计所输出的数据，所以地面信息融合控制中心需要在最开始启动列车进行定位时，将北斗卫星定位单元解算之后的列车位置给惯性导航定位单元，以保证该单元可以正常工作。
多普勒测速雷达通过检测多普勒频移完成对目标运动信息的检测。将多普勒雷达传感器安装在磁悬浮列车底部，通过雷达以一定倾斜角度向轨道平面发射电磁波，并接收轨道平面反射的回波信号，基于多普勒频移效应原理，实时测量雷达发射波频率和反射波频移之间的频率差值(多普勒频移量)便可得到磁悬浮列车相对于轨道平面的移动速度，对速度积分就可获得列车里程增量：
Figure BDA0003534029260000121
式15中，vk为k时刻雷达测量的列车运行速度；
Figure BDA0003534029260000122
为k时刻的多普勒频移量；c为电磁波在空气中的传播速度；θ为雷达发射波的发射角度；f为雷达发射波的频率。
多普勒雷达测速误差主要由列车振动、雷达安装角度误差以及自身固有测量误差等造成，其中对测速影响最大的就是列车纵向高频小幅振动，为了解决这一问题，在磁悬浮列车顶部以相反方向安装两个雷达，地面信息融合控制中心将两个雷达的传输的数据信息进行初步信息拟合，然后将拟合结果作为多普勒雷达测速定位单元的定位数据进行下一步处理。
列车RFID电子标签主要用来检测列车定位的准确度。将RFID电子标签安装在列车的两侧，在轨道上安装读卡器，在列车行驶过程中，当列车行驶过带有RFID电子标签读卡器的轨道时，读卡器将RFID电子标签中的数据读取出来，在经过数据过滤和数据转换之后，将列车的实时数据发送给地面信息融合控制中心，用于检测地面信息融合控制中心对北斗定位数据、惯性导航定位数据、多普勒雷达测速定位数据以及电子地图匹配定位数据的精确程度，由于列车的RFID的定位数据是确定精确的，所以地面信息融合控制中心还会根据列车RFID电子标签的定位数据对上述定位手段融合出的列车定位数据进行修正，以提高本***对永磁磁悬浮列车的定位精度。由于永磁磁悬浮列车的定位精度较高，因此只需要在轨道上每隔1km左右安装读卡器即可，这样既保证了列车的定位精度，也不会浪费资源，造成数据冗余和自然资源的浪费。
RFID定位模型是由4个阅读器与一组待检测标签构成，其中，阅读器中的天线采用全向天线，不考虑天线方向对定位效率的影响。阅读器和待检测标签之间的距离是通过基于接收信号强度的测距方式测量得到。由于信号传播的不确定性，在真实环境下通常假设接收信号强度满足对数正态分布：
Figure BDA0003534029260000123
P0(d0)——接收器在距离信号源为d0处接收到的信号强度；
η——路径损耗因子；
X——服从对数正态分布的随机变量。
所以，当路径损耗参数确定的时候，接收器与信号源距离的最大似然估计可以表示为：
Figure BDA0003534029260000131
设通过接收信号强度得到阅读器与电子标签的测量距离为di(i＝1,2,3,4)，该测量距离作为估算待测标签位置的参考距离。设待测标签的坐标为(x0,y0)，阅读器的坐标为(xi,yi)(i＝1,2,3,4)，由此得到第i个阅读器与待测标签和该阅读器与参考标签的距离误差，表示成函数如下：
Figure BDA0003534029260000132
因此，对于每个待测标签，都可以依据上式列出一个距离误差函数，再分别进行差分进化算法的变异、交叉和选择操作，多次迭代进化，最终取其距离误差最小值，并将该值作为待测标签的估计位置坐标。
在实际生活中，在永磁磁悬浮列车停靠站点可供乘客上下车的距离不超过两米，若是永磁磁悬浮列车的停车不精确，可能会发生磁悬浮列车停车错位而导致乘客上下车通道变窄甚至完全堵住车门，致使乘客无法上下车，给乘客的出行带来极大的不便和安全隐患。为了避免这种情况，在列车的进站口，会增加列车RFID电子标签读卡器的密度，安装RFID读卡器的数量随永磁磁悬浮列车距离站点的距离减小而增加，便于地面信息融合控制中心对永磁磁悬浮列车停止时进行实时的定位列车的位置，以保证停车的准确度，方便乘客上下车。
其次，由于北斗导航定位***的先天性缺点，即在如隧道、桥面、水面等路况相对复杂的特殊地形环境下，卫星信号可能会遭到严重遮挡，或者产生多径效应，致使接收卫星信号变得困难，引起卫星信号发生很强的衰落，甚至出现信号丢失的现象，那么北斗导航定位***的精度和位置更新速率将受到非常严重的影响，无法满足对永磁磁悬浮列车的位置实时刷新、高精度定位和连续性显示的要求时，则利用惯性导航定位单元、多普勒雷达测速定位单元、列车RFID电子标签定位单元和轨道电子地图匹配定位单元进行数据融合以推算出永磁磁悬浮列车的位置以及速度信息。利用北斗卫星与多传感器以及点至地图进行数据融合可以消除惯性导航定位单元产生的误差积累从而大大提高永磁磁悬浮列车的定位精度。
最后，利用建立的轨道电子地图进行匹配，首先地面信息融合控制中心将北斗卫星定位信息、惯性导航定位信息和多普勒雷达测速定位信息进行数据融合，得到磁悬浮列车的位置，将该数据提取经纬度、方向角等信息，并且对定位点数据进行预处理，判断该数据是否有效，若该定位点数据不在当前运行路段的网格范围内，则将该定位点数据视为无效，并删除此条数据，等待下一个定位信息。然后根据定位点经纬度在地图数据库中找到待匹配的标记点，若无待匹配的标记点，则说明定位点数据误差太大，删除此条数据，等待下一个定位信息；若是匹配到标记点，则将匹配度值最大的标记点作为磁悬浮列车这一时刻的具***置，完成电子地图匹配的数据预处理。然后对永磁磁悬浮列车利用北斗卫星导航以及多传感器组成的融合定位***测量和计算列车速度和位置信息与轨道电子地图中的轨道线路特征参数进行匹配，并对北斗卫星***与多传感器组成的融合定位***进行有效校正，进一步提高***的定位精度。
卡尔曼滤波能通过磁悬浮列车运动模型对下一时刻列车的状态进行最优估计，因此本发明使用卡尔曼滤波来作为整个***定位的主要数据处理方法，经过北斗***卫星定位解算和惯性导航定位单元提供列车位置信息之后，地面信息融合中心将融合计算出的列车的位置信息和速度信息先赋值给惯性导航定位单元，然后惯性导航定位单元开始定位、计算等工作。地面信息融合中心将北斗卫星定位数据、惯性导航单元定位数据、多普勒雷达测速定位数据进行数据融合，并且根据电子地图匹配定位数据进行列车的位置修正，实现永磁磁悬浮列车的精确定位。
经过上述步骤，可以得到精确的永磁磁悬浮列车的位置以及速度信息，数据流图如图4所示，定位流程图如图5所示。
当永磁悬浮列车行驶至隧道、桥体等路况相对复杂的地形环境时，由于北斗卫星信号会遭受严重遮挡，或者产生多径效应，致使接收卫星信号变的困难，引起卫星信号发生严重衰落，甚至出现信号丢失的情况，那么本***中定位模块的北斗卫星定位单元的数据就不能够用来进行列车定位，因此在出现这种情况时，地面信息融合中心会将定位模式进行切换，由原来的北斗卫星定位单元为原始数据，融合多普勒测速雷达定位数据、惯性导航定位单元数据、列车轨道RFID电子标签定位数据和轨道电子地图匹配的数据切换到由惯性导航定位单元数据为原始数据，融合多普勒雷达测速数据、列车轨道RFID电子标签定位数据和轨道电子地图匹配的数据。在永磁磁悬浮列车的行驶过程中，列车通过隧道、水面等的环境相对于接收北斗卫星信号良好的开阔地而言是少数的，因此使用惯性导航定位作为原始数据并不会引起很大的积分累计误差，因此使用惯性导航定位单元数据作为原始数据并不会造成对永磁磁悬浮列车的定位精度的不准确。
下面将介绍列车行驶监控模块的应用。
本发明在磁悬浮列车交通定位***中加入列车行驶监控模块来实时监控磁悬浮列车的行驶情况。列车行驶监控模块主要包括自检单元、时间同步单元、车辆监控单元、车辆轨迹回放单元，显示单元、紧急制动单元。
在对磁悬浮列车进行上电操作后，自检单元首先开启，该单元的作用就是检查列车各模块和各单元的供电情况，车-地通信是否正常工作，紧急制动单元是否准备完毕，连接线路是否存在连接错误和通讯故障等一系列硬件问题。若是磁悬浮列车存在故障，则点亮故障报警灯，同时向地面信息融合中心发出磁悬浮列车的故障信息，等待工作人员的检修；若是一切检查完毕，说明列车无故障，可以正常运行，则不点亮故障报警灯，运行时间同步单元，初始化显示单元。由于本发明使用了多个传感器，多个传感器信息融合过程中对不同传感器的时间同步是十分重要的，时间同步的基础就是保证各传感器使用同样的时钟源。因为如果各传感器采集的数据不是相同时刻的数据，那么在磁悬浮列车的定位时就会存在一个时间漂移误差问题，并且每个时钟源的漂移都不同，造成磁悬浮列车的定位不准确、甚至失控的情况，因此为了解决这一问题，本发明加入时间同步单元，将各个传感器的时间使用卫星时间，这样就能保证各个传感器与北斗卫星的时间相同，并且采集的信息是相同时刻的数据。
在完成车辆自检单元和时间同步单元之后，列车正常启动，列车接收到来自北斗卫星的信号，开始进行磁悬浮列车的实时定位。同时，列车行驶监控模块开始对列车进行实时监控。其中，车辆监控单元实时反馈给地面信息融合控制中心磁悬浮列车的运行情况，将此时磁悬浮列车的行驶速度；将列车的实时位置和列车的车辆轨迹显示在电子地图电子屏幕上。
并通过显示单元显示在后台工作人间操作屏上，以方面工作人员进行查看。由于本发明的定位模式是先将北斗卫星传回的磁悬浮列车定位情况作为初始位置，再结合惯性导航单元、多普勒雷达测速定位单元和电子地图匹配定位单元进行列车的高精度定位，虽然北斗***已经全面建成，但是在一些实际应用场景中，面对比较复杂的路况，如水面、桥体、隧道等涉及北斗卫星多路径传播，磁悬浮列车接收机接收卫星信号不完全，甚至接收不到信号的环境时，北斗卫星并不能实现与在开阔地进行定位相同的精确度，所以车辆监控单元它负责将磁悬浮列车的实际运行环境传输回地面信息融合控制中心，如果此时列车行驶在北斗信号接收正常的开阔地，那么就使用以北斗信号为主，惯性导航定位单元、多普勒雷达测速定位单元、轨道电子地图匹配定位单元为辅助的定位模式；若是车辆监控单元检测出列车所处环境为桥面、水体、森林等北斗信号接收不好的场景时，就将转化信号传输给地面信息融合控制中心，切换成以惯性导航定位单元为主，多普勒雷达测速定位单元、轨道电子地图匹配定位单元为辅的定位模式。
磁悬浮列车在运行过程中，一旦碰到紧急情况，在列车正常制动停车无法满足实际需要时，需要设置紧急制动这一安全措施来应对突发状况，保障人民生命财产安全。一旦地面信息融合控制中心检测到磁悬浮列车的导轨上存在异物，或者是列车运行过程中导轨突然断裂等一系列突发状况时，则立即采取紧急制动，同时向地面信息融合控制中心发送列车位置和故障信息，最大程度上保障乘客的生命安全。同时，在磁悬浮列车后台监控中心设置紧急制动操作杆，以便工作人员进行手动操作紧急制动以确保万无一失，永磁磁悬浮列车运行流程图如图6所示。
在进行永磁磁悬浮列车与地面信息融合控制中心进行信息传递时，本***使用的是基于第五代通信技术的车-地通信***，其***的安全性以及列车通讯数据的传输速度都远远优于当前***。5G技术具有超高速率、超低时延、超大连接的技术特点，尤其是在5G技术的超低时延方面，5G的空口时延可以低至1毫秒，完全满足本***的实时性要求。本发明提出使用5G技术来改善现有的磁悬浮列车车-地之间通信技术的不足。由于5G技术的波长为毫米波，频率高，传输速度快，但是具有绕射和穿墙能力差、在传播介质中衰减大的缺点，因此5G技术存在由于传输距离大幅缩短，覆盖能力大幅减弱的缺点。基于以上原因，修建宏观基站投入的资金多，工期长，在高频率的前提下，本***建立5G传输微型基站来实现磁悬浮列车与地面信息融合控制中心之间的数据传输。对于城市永磁磁悬浮轨道交通而言，站点设置的距离一般小于1km，因此由5G微基站技术特点可知每站点配置1套5G微基站就可满足信号***的车-地通信的需要。当两车站间隔大于1.2km时，为保障***的有效性应适当位置增加1套5G微型基站以满足车地无线通信的优良性能。
除此之外，使用5G通信技术还有一个优点就是它的“Device to Device”功能，即在同一基站下，两个客户端在进行相互通信时，它们的通信数据将不再通过基站转发，而是直接在客户端之间进行通信。因此，永磁磁悬浮列车与地面信息融合控制中心之间可以实现直接的数据传输，数据不用通过基站的接收和发射，不仅节约了大量的空中资源，而且减轻了基站的压力，对基站的技术要求就没有那么高。

Claims (4)

1.一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
(1)通过永磁磁悬浮列车上装载的北斗卫星信号接收设备接收北斗卫星发出的星历数据，以获得列车启动时的初始信息；
(2)列车运行后，将所述初始信息输入给惯性导航定位单元，所述惯性导航定位单元生成动态导航轨迹数据，并通过仿真结算获得惯性导航测量参数；并通过车载多普勒测速雷达检测列车运动信息，获得多普勒测量参数；当列车行驶过带有RFID电子标签读卡器的轨道时，所述RFID电子标签读卡器将车载RFID电子标签中的数据读取出来，获得电子标签测量参数；
若列车上北斗卫星信号接收设备接收到四颗导航卫星所发过来的信号，则进入步骤(3)；若接收到大于四颗导航卫星所发过来的信号，则进入步骤(4)；若接收到少于四颗导航卫星所发过来的信号，则进入步骤(5)；
(3)在磁悬浮列车在接收到四颗北斗导航卫星的信号后，建立四个伪距方程，联立四个伪距方程得到北斗导航定位参数：
Figure FDA0003534029250000011
式中，(xu，yu，zu)为需要求解的磁悬浮列车所处位置的空间坐标，(xsi，ysi，zsi)为已知的第i颗导航卫星的空间坐标，c为光速，tu为利用北斗卫星基准基站求得的永磁磁悬浮列车接收机时钟的误差；
根据所述北斗导航定位参数、所述惯性导航测量参数、所述多普勒测量参数、通过所述电子标签测量参数校正进行数据融合及校正得到优化融合测量数据，具体方式如下：
(i)设增加约束后的卡尔曼滤波模型***状态方程和量测方程变换如下：
Figure FDA0003534029250000012
式中：
Figure FDA0003534029250000013
方括号内分别对应BDS的失准角，速度误差，位置误差，陀螺仪零漂和加速度计零偏；下标k，k-1分别为当前历元和前一历元；Φk，k-1是捷联惯导系状态转移函数的二阶离散化系数矩阵；Γk-1***噪声驱动矩阵；Wk-1为***噪声向量；Lk为观测向量；Hk为观测矩阵；Δk为观测噪声向量；Bk为约束条件转移矩阵；Dk为约束条件具体数值；
(ii)其目标函数为：
Figure FDA0003534029250000014
式中，
Figure FDA0003534029250000021
是状态预测向量，将目标函数与具体约束条件得到拉格朗日最优化条件为：
Figure FDA0003534029250000022
其中：λ是拉格朗日常数向量；
设Ω对λ和
Figure FDA0003534029250000023
的一阶偏导数都为0，得到Ω最小时对应
Figure FDA0003534029250000024
的观测值：
Figure FDA0003534029250000025
Figure FDA0003534029250000026
则卡尔曼滤波算法增加约束条件后的预测值为：
Figure FDA0003534029250000027
(iii)根据如下过程求解得到优化融合测量数据：
Figure FDA0003534029250000028
式中，
Figure FDA0003534029250000029
和
Figure FDA00035340292500000210
分别为状态预测向量和状态估计值向量；
Figure FDA00035340292500000211
和
Figure FDA00035340292500000212
分别为与其下标对应的状态向量的协方差矩阵；Kk为滤波增益矩阵；Qk和Rk分别为***噪声向量和观测噪声向量的协方差矩阵；I为对应阶数的单位矩阵；
(iv)通过所述电子标签测量参数校正，将得到的优化融合测量数据进行存储，并返回步骤(2)；
(4)在磁悬浮列车在接收到大于四颗北斗导航卫星的信号后，先进行冗余卫星筛除，具体过程如下：
(4.1)定义
Figure FDA00035340292500000213
式中，G为观测矩阵，GDOP为几何精度因子；
假设共有N颗可见星，则G为下式的形式：
Figure FDA00035340292500000214
式中，Ii(i＝1，2，…，N)表示第i颗卫星相对于接收机位置的单位观测矢量；
假设接收机观测两颗卫星i和j的视线向量的夹角为θij，则定义代价函数定义为：
Jij＝cosθij
为了计算Jij，定义矩阵F：
F＝(I1I2…IN)T
式中，Ii(i＝1，2，…，N)表示第i颗卫星相对于接收机位置的单位观测矢量；
通过矩阵F计算得到矩阵
Figure FDA0003534029250000031
进而得到
Figure FDA0003534029250000032
通过求取矩阵D中的最大元素，得到相互间冗余最大的两颗卫星，进而从两者中排除一颗；
(4.2)通过步骤(4.1)排除冗余卫星直至卫星数量为四颗，然后进入步骤(3)；
(5)根据所述惯性导航测量参数、所述多普勒测量参数、所述电子标签测量参数进行数据融合及校正得到优化融合测量数据，具体方式为所述步骤(3)中(i)-(iv)。
2.如权利要求1所述的一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位方法，其特征在于，所述步骤(3)中还包括步骤(3.3)：
将所述优化融合测量数据存储前，提取所述优化融合测量数据中经纬度、方向角等信息，并且对定位点数据进行预处理，判断定位点数据是否有效，若该定位点数据不在当前运行路段的网格范围内，则将该定位点数据视为无效，并删除此条数据，等待下一个定位信息；
然后根据定位点经纬度在地图数据库中找到待匹配的标记点，若无待匹配的标记点，则说明定位点数据误差太大，删除此条数据，等待下一个定位信息；若是匹配到标记点，则将匹配度值最大的标记点作为磁悬浮列车这一时刻的具***置，完成电子地图匹配的数据预处理，再将所述优化融合测量数据与轨道电子地图中的轨道线路特征参数进行匹配，将进行校正后的优化融合测量数据存储。
3.如权利要求1所述的一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位方法，其特征在于，
在对磁悬浮列车进行上电操作后，首先开启自检，检查列车各模块和各单元的供电情况，车-地通信是否正常工作，紧急制动单元是否准备完毕，连接线路是否存在连接错误和通讯故障等硬件问题；若是磁悬浮列车存在故障，则点亮故障报警灯，同时向地面信息融合中心发出磁悬浮列车的故障信息，等待工作人员的检修；若是一切检查完毕，说明列车无故障，可以正常运行，则不点亮故障报警灯，进行时间同步，初始化显示单元；
在完成车辆自检和时间同步之后，列车正常启动，列车接收到来自北斗卫星的信号，开始进行磁悬浮列车的实时定位，将列车的实时位置和列车的车辆轨迹显示在电子地图电子屏幕上。
4.一种应用如权利要求1所述的基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位方法的***，其特征在于，该***包括：
定位模块，其包括北斗导航***定位单元、多普勒雷达测速定位单元、惯性导航定位单元、电子地图匹配定位单元、列车RFID电子标签定位单元；
列车行驶监控模块，其包括车辆监控单元、车辆轨迹回放单元、紧急制动单元、自检单元、显示单元、时间同步单元；
地面信息融合控制中心，其接收到北斗***定位单元、多普勒雷达测速定位单元、惯性导航单元、列车RFID电子标签定位单元和轨道电子地图匹配单元的信息之后，先对来自不同定位单元的信息进行处理，然后将信息融合，通过计算得出磁悬浮列车的位置，然后根据接收到的来自列车行驶监控模块中车辆监控单元的列车实时监控信息，进行对计算出的磁悬浮列车位置进行修正；
车-地通讯模块。
CN202210214865.2A 2022-03-07 2022-03-07 一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法 Pending CN114609657A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210214865.2A CN114609657A (zh) 2022-03-07 2022-03-07 一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210214865.2A CN114609657A (zh) 2022-03-07 2022-03-07 一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114609657A true CN114609657A (zh) 2022-06-10

Family

ID=81861807

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210214865.2A Pending CN114609657A (zh) 2022-03-07 2022-03-07 一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114609657A (zh)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114919627A (zh) * 2022-06-17 2022-08-19 重庆交通大学 一种基于ris技术的列车定位追踪的方法
CN115342820A (zh) * 2022-10-18 2022-11-15 深圳市诚王创硕科技有限公司 一种汽车夜间行驶导航定位***
CN115597535A (zh) * 2022-11-29 2023-01-13 中国铁路设计集团有限公司（Cn） 基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测***及方法
CN116908893A (zh) * 2023-07-17 2023-10-20 中国铁路广州局集团有限公司株洲机务段 一种基于多源融合的列车定位***及方法
CN116946216A (zh) * 2023-09-21 2023-10-27 新誉集团有限公司 一种列车定位方法、装置、设备及存储介质

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114919627A (zh) * 2022-06-17 2022-08-19 重庆交通大学 一种基于ris技术的列车定位追踪的方法
CN114919627B (zh) * 2022-06-17 2023-06-09 重庆交通大学 一种基于ris技术的列车定位追踪的方法
CN115342820A (zh) * 2022-10-18 2022-11-15 深圳市诚王创硕科技有限公司 一种汽车夜间行驶导航定位***
CN115597535A (zh) * 2022-11-29 2023-01-13 中国铁路设计集团有限公司（Cn） 基于惯性导航的高速磁悬浮轨道不平顺检测***及方法
CN116908893A (zh) * 2023-07-17 2023-10-20 中国铁路广州局集团有限公司株洲机务段 一种基于多源融合的列车定位***及方法
CN116946216A (zh) * 2023-09-21 2023-10-27 新誉集团有限公司 一种列车定位方法、装置、设备及存储介质
CN116946216B (zh) * 2023-09-21 2023-12-05 新誉集团有限公司 一种列车定位方法、装置、设备及存储介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114609657A (zh) 一种基于信息融合的永磁磁悬浮列车交通定位***及方法
CN111949943B (zh) 一种面向高级自动驾驶的v2x和激光点云配准的车辆融合定位方法
JP4090852B2 (ja) Ｇｐｓ測位による列車走行情報検出装置及びその列車走行情報検出方法
CN109946730A (zh) 一种车路协同下基于超宽带的车辆高可靠融合定位方法
CN105866812A (zh) 一种新型车辆组合定位算法
MXPA03005970A (es) Metodos y aparatos para el seguimiento de locomotoras.
CA2698053A1 (en) System and method for vitally determining position and position uncertainty of a railroad vehicle employing diverse sensors including a global positioning system sensor
CN106710281A (zh) 车辆定位数据获取方法及装置
CN109946648B (zh) 一种车路协同下基于超宽带的车辆高精度定位方法
AU2021106247A4 (en) Vehicle fusion positioning method based on V2X and laser point cloud registration for advanced automatic driving
CN110203253A (zh) 一种非固定式虚拟应答器实现方法
Gu et al. Towards lane-level traffic monitoring in urban environment using precise probe vehicle data derived from three-dimensional map aided differential GNSS
Chugunov et al. Experimental evaluation of uwb local navigation system performance used for pedestrian and vehicle positioning in outdoor urban environments
Tsakiri et al. Urban canyon vehicle navigation with integrated GPS/GLONASS/DR systems
CN117232506A (zh) 一种复杂战场环境下的军用移动装备定位***
El-Mowafy et al. Reliable positioning and journey planning for intelligent transport systems
Mirabadi et al. Design of fault tolerant train navigation systems
US20220322038A1 (en) Indoor and outdoor seamless positioning switching device including domains and actors
Clausen et al. Position accuracy with redundant MEMS IMU for road applications
Mikhaylov et al. Toward the future generation of railway localization exploiting RTK and GNSS
CN110626383A (zh) 一种基于惯性测量的轨道检测装置
JP7396472B2 (ja) 位置計測装置、測位方法、及びプログラム
De Bakker et al. Single-frequency GNSS positioning for assisted, cooperative and autonomous driving
CN115605773A (zh) 定位装置、定位服务器和定位方法
CN112526570A (zh) 列车定位方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination