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基于北斗-INS组合的铁路站场列车定位方法研究

作　者: 樊玉明
导　师: 蔡伯根
学　校: 北京交通大学
专　业: 智能交通工程
关键词: 组合定位列车站场定位轨道占用句法结构模式识别捷联惯导零速校正 Kalman滤波
分类号: U284.48
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 33次
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内容摘要

列车定位系统是列车运行控制系统的重要组成部分,位置信息是列控系统进行控制决策的主要参考信息之一,而基于卫星导航系统(GNSS)的列车自主定位是列车运行控制系统信息化、智能化发展的现实要求。铁路站场是列车运行的重要环境,站内复杂众多的线路与半封闭的卫星可视条件使单纯基于卫星导航的自主定位无法满足定位可靠性与连续性的应用需求,需要更有效的定位方法。论文针对列车在站场环境下自主定位的需求与实现瓶颈,应用北斗卫星导航系统(BDS)、MEMS惯性传感器等新技术,讨论了基于北斗卫星导航系统与惯性导航系统(INS)组合的定位系统在站场环境下的定位方法。论文主要研究内容与创新性工作包括：(1)组合定位实现方法的设计。结合定位需求,提出并详细阐述了基于北斗卫星导航系统与MEMS捷联惯导的组合定位方法的功能框架与工作逻辑,为文中组合定位系统的实现提供指导。(2)列车站内轨道占用的识别方法。针对卫星定位的水平精度不足以进行站内平行股道下列车轨道占用识别的问题,设计了采用陀螺仪辅助的识别方法,依据陀螺仪提供的列车运动的航向角速度信息,结合站场线路拓扑,采用句法结构模式识别的方法进行列车进路推理,实现了轨道占用的有效识别。(3)在卫星定位失效条件下的列车自主定位方法。针对车站半封闭环境对卫星定位结果有效性的影响,设计了基于捷联惯导辅助的列车定位方法,以实现卫星定位失效条件下定位数据的持续输出,保证列车全时定位。探索了捷联惯导的定位误差以及误差修正方法,采用Kalman滤波器实现捷联惯导在不同限制条件下的零速校正,保证捷联惯导定位结果的有效性。论文最后采用汉宜铁路现场的实际列车运行数据,基于MATLAB平台对本文研究的理论与方法进行了仿真试验验证。验证结果表明,本文所讨论的方法能够有效实现站内复杂线路的轨道占用识别与列车持续定位,所设计的组合定位系统能够实现列车在铁路站场环境的自主定位。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
图目录  12-14
表目录  14-15
1 引言  15-23
  1.1 研究背景及意义  15-16
  1.2 国内外研究现状  16-20
    1.2.1 列车自主定位方法研究现状  16-17
    1.2.2 轨道占用自动识别方法研究现状  17-19
    1.2.3 北斗卫星导航系统铁路应用研究现状  19-20
  1.3 论文研究内容及组织结构  20-23
2 基于北斗-INS的多传感器组合列车定位方法  23-35
  2.1 列车组合定位原理  23-29
    2.1.1 列车定位目标与基本方法  23-24
    2.1.2 数字轨道地图  24-26
    2.1.3 卫星定位与地图匹配  26-27
    2.1.4 多传感器辅助的列车定位  27-29
  2.2 基于北斗-INS的列车组合定位方法功能框架  29-31
    2.2.1 输入子系统结构  30-31
    2.2.2 逻辑子系统结构  31
  2.3 基于北斗-INS的列车组合定位方法工作逻辑  31-33
    2.3.1 组合定位逻辑  31-33
    2.3.2 地图匹配流程  33
  2.4 本章小结  33-35
3 基于句法结构模式识别的列车进路推理  35-49
  3.1 道岔特征  35-37
  3.2 列车在咽喉区运动状态的动力学特征模型  37-39
  3.3 句法结构模式识别  39-42
    3.3.1 句法分析作模式识别  39-41
    3.3.2 基于自动机的模式推理方法  41-42
  3.4 基于句法方法的列车进路推理  42-47
    3.4.1 推理决策过程设计  42-43
    3.4.2 特征提取与基元建立  43-44
    3.4.3 文法推断  44-45
    3.4.4 输入数据预处理与重采样  45-46
    3.4.5 列车进路推理  46-47
  3.5 本章小结  47-49
4 基于惯性导航动态修正方法的列车定位  49-63
  4.1 捷联惯导基本算法  49-53
    4.1.1 姿态更新  50-52
    4.1.2 速度更新  52
    4.1.3 位置更新  52-53
  4.2 捷联惯导的动态零速校正  53-56
    4.2.1 MEMS惯性传感器误差模型  53-54
    4.2.2 捷联惯导系统误差模型  54
    4.2.3 车载惯性导航的动态零速校正  54-56
  4.3 动态初始对准问题  56-57
  4.4 捷联惯导动态修正的Kalman滤波实现  57-61
    4.4.1 Kalman滤波器设计  57-58
    4.4.2 系统状态方程  58
    4.4.3 系统观测方程  58-60
    4.4.4 滤波器工作流程  60-61
  4.5 本章小结  61-63
5 组合定位平台实现与试验验证  63-73
  5.1 组合定位试验平台实现  63-66
    5.1.1 多传感器数据采集平台硬件  63-65
    5.1.2 多传感器数据采集平台软件  65-66
    5.1.3 基于GNSS的列车测速定位单元  66
  5.2 算法仿真试验验证  66-72
    5.2.1 试验数据场景  67
    5.2.2 轨道占用识别试验与分析  67-69
    5.2.3 列车站内定位试验与分析  69-72
  5.3 本章小结  72-73
6 结论  73-75
参考文献  75-79
附录 A  79-81
附录 B  81-83
作者简历  83-87
学位论文数据集  87

基于北斗-INS组合的铁路站场列车定位方法研究

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