CN108196289A - 一种卫星信号受限条件下的列车组合定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星信号受限条件下的列车组合定位方法，此方法在卫星定位有效的情况下，利用卫星导航系统提供的位置信息来修正惯性导航系统的误差，将列车姿态信息与车轮传感器的输出参数进行组合，计算得到导航坐标系下的三维速度，为卫星失锁进行信息储备。在卫星定位失效的情况下，采用车轮传感器/惯性导航系统进行组合定位，利用车轮传感器来修正惯性导航系统的误差，从而使列车组合导航系统可以提供一定精度的定位信息。利用高精度数字轨道地图修正列车在轨道垂直方向上的误差，保证列车的定位精度。能解决列车在卫星信号失锁区域的定位问题，并可在不同卫星定位情况下进行系统的自主切换，从而得到连续、准确、可靠的列车位置信息。

Description

一种卫星信号受限条件下的列车组合定位方法

技术领域

本发明涉及铁路列车定位技术领域，尤其涉及一种受限条件下的列车组合定位方法。

背景技术

铁路作为我国国民经济的大动脉、国家重要基础设施、大众化交通工具，具有运能大、效率高、运距长、能耗低等诸多优点，非常适合我国人口众多、幅员辽阔的基本国情，在我国经济社会发展中发挥着重要的作用。列车运行控制系统作为铁路运输的“神经中枢”，是保障铁路行车安全、提高运输效率的核心，需要对列车的速度、位置等信息进行实时、准确的掌握。提高列车运行安全水平、降低运营和维护成本、满足线路运量现在已经成为了列车控制系统的一个研究热点。

随着GPS、GLONASS、Galileo和我国自主研发的北斗卫星导航系统的逐步发展和完善，卫星导航定位技术的应用领域也在不断扩展，利用卫星定位系统技术快速、准确地提供列车位置信息，不仅可以减少轨旁设备，降低建设和运行成本，减少铁路维修周期，还能提高列车定位精度，缩短列车行驶间隔时间，提高线路运输效率。但仅仅依靠GNSS(GlobalNavigation Satellite System，全球卫星导航系统)定位技术难以实现列车的连续定位，因为列车在实际运行环境中不仅会遇到隧道、桥梁、山坡、城市建筑物等遮挡卫星信号等问题，还会受到电磁波干扰、阻塞，出现卫星信号接受困难或丢失、错误等情况，降低列车定位的可靠性和精确性。因此，需要增加其他低成本传感器进行多源信息融合处理，弥补单一传感器的局限性，扬长避短，形成有效列车组合定位功能整体。

目前，现有技术中还没有针对受限条件下列车自主切换定位模式的组合定位方法进行深入研究。

发明内容

本发明实施例提供了一种受限条件下的列车组合定位方法，解决列车在卫星信号失锁区域的定位问题，并可在不同情况下进行系统的自主切换，从而得到连续、准确、可靠的列车位置信息。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种受限条件下的列车组合定位方法，包括：

判断列车上的卫星接收机接收到的卫星信号是否满足设定条件，如果是，则判断卫星信号有效，采用卫星/惯性导航系统对所述列车进行组合定位；否则，判断卫星信号无效，采用车轮传感器/惯性导航系统对所述列车进行组合定位。

进一步地，所述的判断列车上的卫星接收机接收到的卫星信号是否满足设定条件，包括：

判断列车上的卫星接收机每次获取卫星信号时的可见卫星数是否大于6，并且每次获取卫星信号时的水平精度因子是否小于1.5。

进一步地，所述的判断卫星信号有效，采用卫星/惯性导航系统对所述列车进行组合定位，包括：

惯性导航系统中的惯性器件计算列车的位置信息和速度信息的公式如下：

其中：P_n表示列车位置信息，表示列车位置的变化率矢量，V_n表示列车的速度信息，表示列车速度的变化率矢量，f_n表示加速度计测量的列车加速度矢量信息，g_n表示重力，表示在导航坐标系下陀螺仪测量的列车角速度矢量信息，表示在导航坐标系下地球自转引起的角速度变化矢量；

建立扩展卡尔曼滤波中的状态向量X如下：

X＝[δψ δP_n δV_n δb_g δb_a δl]

其中：δψ表示列车姿态误差，δP_n表示列车的位置误差，δV_n表示列车的速度误差，δb_g表示陀螺仪测量的角速度误差，δb_a表示加速度计测量的加速度误差，δl表示卫星接收机或者车轮传感器到惯性器件中心的杆臂误差；

在卫星定位有效的情况下，利用卫星导航系统提供的有效位置信息来修正惯性导航系统的误差，卫星/惯性导航组合系统的卡尔曼滤波中的测量矩阵H_3×18为：

其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，表示所述状态向量X中的卫星接收机到惯性系统中心杆臂误差δl的初始值；

在卫星/惯性导航组合子系统中通过扩展卡尔曼滤波中得到的列车的车头位置的测量值Z_{INS_GNSS}表示为：

Z_{INS_GNSS}＝[P_INS+l_GNSS-P_GNSS]

其中：P_INS表示惯导系统递推的列车的车头位置信息，l_GNSS表示卫星接收机到惯性中心的杆臂误差，P_GNSS表示卫星导航系统获取的列车的车头位置信息；

卫星/惯性导航组合子系统的卡尔曼滤波中的测量噪声协方差R_GNSS表示为：

R_GNSS＝diag((0.3)² (0.3)² (0.15)²)。

进一步地，所述的判断卫星信号无效，采用车轮传感器/惯性导航系统对所述列车进行组合定位，包括：

惯性导航系统中的惯性器件计算列车的位置信息和速度信息的公式如下：

其中：P_n表示列车位置信息，表示列车位置的变化率矢量，V_n表示列车的速度信息，表示列车速度的变化率矢量，f_n表示加速度计测量的列车加速度矢量信息，g_n表示重力，表示在导航坐标系下陀螺仪测量的列车角速度矢量信息，表示在导航坐标系下地球自转引起的角速度变化矢量；

建立扩展卡尔曼滤波中的状态向量X如下：

X＝[δψ δP_n δV_n δb_g δb_a δl]

其中：δψ表示列车姿态误差，δP_n表示列车的位置误差，δV_n表示列车的速度误差，δb_g表示陀螺仪测量的角速度误差，δb_a表示加速度计测量的加速度误差，δl表示卫星接收机或者车轮传感器到惯性器件中心的杆臂误差；

在卫星信号失锁情况下，车轮传感器采用扩展卡尔曼滤波算法计算列车前向速度的公式如下：

其中：V_odo表示车轮传感器计算得到的列车前向速度，N_odo表示车轮传感器每秒获取得到的脉冲数，Q_odo表示车轮每转一圈车轮传感器能得到的脉冲数，d表示列车车轮直径；

车轮传感器在导航坐标系下计算列车的三维速度的公式如下：

其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，V_odo表示车轮传感器计算得到的列车前向速度，V_n表示列车的速度信息；

车轮传感器/惯性导航系统的扩展卡尔曼滤波中的测量矩阵为：

其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，表示车轮传感器到惯性系统中心杆臂误差设定的初始值；

车轮传感器/惯性导航组合系统中通过扩展卡尔曼滤波得到的列车的车头位置的测量值表示为：

Z＝[P_INS+l_ODO-P_ODO]

其中：P_INS表示惯导系统递推的位置，l_ODO表示车轮传感器到惯性中心的杆臂误差，P_ODO表示车轮传感器递推计算得到的列车车头位置信息；

车轮传感器递推获得列车位置的测量噪声协方差表示为：

R_ODO＝diag((0.5)² (0.5)² (0.5)²)。

进一步地，所述的方法还包括：

根据数字轨道地图系统信息修正列车运行途中组合定位系统在垂直轨道方向的定位误差，具体包括：

当列车运行在道岔部分时，且不知道列车所处股道信息时，建立道岔模糊区域，设置道岔模糊区内的所有股道为安全区段，当列车处于道岔模糊区域时，输出道岔模糊区域的位置信息，当列车处于非道岔模糊区域时，数字轨道地图系统计算列车在正线上的投影点，根据所述投影点获得列车的一维的里程位置；

当列车运行在非道岔部分时，若已知列车所处股道，则通过计算列车在相应轨道上的投影点，计算出校正后的列车位置；

若未知列车所处股道号，则先判断列车所处位置在区间还是站内，若是区间，则数字轨道地图系统对列车位置进行正线投影，根据列车在正线上的投影点获得列车的里程位置；否则，系统将计算出列车距离各股道的长短，根据计算结果判断列车所在股道，根据列车所在股道计算出校正后的列车位置。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过首先对列车组合系统中卫星/惯性导航系统组合系统和车轮传感器/惯性导航系统组合系统进行建模，然后卫星接收机获得的列车车头位置信息，或者是车轮传感器推算得到的列车车头位置信息，从而修正列车上低成本惯性器件的误差，以获取准确、更新频率高的列车数据。在列车的实际运行过程中，再根据列车实际运行的卫星信号状态，通过自主切换模块调整列车定位策略。最后通过数字轨道地图系统，根据高精度的轨道地图数据库修正列车组合系统估计最优位置在垂直轨道方向上的误差。该方法能够克服列车在卫星信号失锁区域的定位问题，保证列车定位的连续性，通过对卫星信号质量和星座几何分布的分析判断，实时调整列车行车时的定位策略，从而保证列车定位精度并提高系统的可靠性。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种受限条件下的列车组合定位方法的处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种受限条件下的列车组合定位方法的地图匹配技术的实现原理示意图；

图3为本发明实施例提供的一种受限条件下的列车组合定位方法的地图匹配技术的具体处理流程图；

图4为本发明实施例提供的一种受限条件下的列车组合定位方法子系统自主切换的基本原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种受限条件下的列车组合定位方法，该方法的具体处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤1：列车低成本惯性导航器件误差修正

对列车低成本惯性导航器件误差进行修正的目的在于解决低成本惯性导航器件误差随时间积分增大的问题，保障列车定位的准确性。惯性器件递推获得列车位置信息的具体计算过程可以描述为：

其中：P_n表示列车位置信息，表示列车位置的变化率矢量，V_n表示列车的速度信息，表示列车速度的变化率矢量，f_n表示加速度计测量的列车加速度矢量信息，g_n表示重力，表示在导航坐标系下陀螺仪测量的列车角速度矢量信息，表示在导航坐标系下地球自转引起的角速度变化矢量。

在扩展卡尔曼滤波模块中，系统的状态向量X由十八维组成，包括姿态误差(横滚、俯仰和偏航角误差)，位置误差(纬度，经度和高度误差)，三维的速度误差、陀螺仪误差、加速度计误差和卫星接收机相对于惯性器件中心的杆臂误差：

X＝[δψ δP_n δV_n δb_g δb_a δl]

其中：δψ表示列车姿态误差，δP_n表示列车的位置误差，δV_n表示列车的速度误差，δb_g表示陀螺仪测量的角速度误差，δb_a表示加速度计测量的加速度误差，δl表示卫星接收机或者车轮传感器到惯性器件中心的杆臂误差。

在卫星定位有效的情况下，利用卫星导航系统提供的有效位置信息来修正惯性导航系统的误差，卫星/惯性导航组合系统的卡尔曼滤波中的测量矩阵H_3×18为：

其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，表示上述状态向量X中的卫星接收机到惯性系统中心杆臂误差δl的初始值；

在卫星/惯性导航组合子系统中，估计的列车位置需要比较卫星获取的位置信息和来自惯性导航系统递推的位置信息，同时考虑卫星接收机到惯性系统中心的杆臂误差，那么在卫星/惯性导航组合子系统中通过扩展卡尔曼滤波中得到的列车的车头位置的测量值Z_{INS_GNSS}表示为：

Z_{INS_GNSS}＝[P_INS+l_GNSS-P_GNSS]

其中：P_INS表示惯导系统递推的列车的车头位置信息，l_GNSS表示卫星接收机到惯性中心的杆臂误差，P_GNSS表示卫星导航系统获取的列车的车头位置信息；

测量矩阵H根据量测方程确定。Z＝H*X，X和Z确定后，H自然可以确定。

卫星/惯性导航组合子系统的卡尔曼滤波中的测量噪声协方差R_GNSS由卫星定位位置误差确定，可以写为：

R_GNSS＝diag((0.3)² (0.3)² (0.15)²)

在卫星信号失锁情况下，利用惯性器件、车轮传感器等辅助传感器设备进一步构建列车组合子系统，依旧采用扩展卡尔曼滤波算法，利用车轮传感器来抑制惯性器件的误差增加，修正惯性导航系统误差。车轮传感器计算列车前向速度的公式如下：

其中：V_odo表示车轮传感器计算得到的列车前向速度，N_odo表示车轮传感器每秒获取得到的脉冲数，Q_odo表示车轮每转一圈车轮传感器能得到的脉冲数，d表示列车车轮直径。

结合在卫星/惯性导航组合子系统获得的列车姿态信息，可以获得车轮传感器在导航坐标系下的三维速度V_n：

其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，V_odo表示车轮传感器计算得到的列车前向速度，V_n表示列车的速度信息。

在车轮传感器/惯性导航组合子系统中，估计的列车位置需要比较车轮传感器推算的列车位置信息和来自惯导系统递推的位置信息，同时考虑车轮传感器到惯性中心的杆臂误差，那么在扩展卡尔曼滤波中，车轮传感器/惯性导航组合子系统的测量矩阵为：

其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，表示车轮传感器到惯性系统中心杆臂误差设定的初始值。

车轮传感器/惯性导航组合子系统的列车位置的测量值Z_{INS_ODO}表示为：

Z_{INS_ODO}＝[P_INS+l_ODO-P_ODO]

其中：P_INS表示惯导系统递推的位置，l_ODO表示车轮传感器到惯性中心的杆臂误差，P_ODO表示车轮传感器递推计算得到的列车车头位置信息。

车轮传感器递推获得列车位置的测量噪声协方差R_ODO可以写为：

R_ODO＝diag((0.5)² (0.5)² (0.5)²)

步骤2：利用高精度数字轨道地图来修正列车在垂直轨道方向的误差；

数字轨道地图辅助的列车定位算法具有较高的定位精度和较好的定位稳定性，而且由于算法简单，易于实现，适合应用在有较高精度数字轨道地图的线路上。

图2为本发明实施例提供的一种受限条件下的列车组合定位方法的地图匹配技术的实现原理示意图，图3为上述地图匹配技术的具体处理流程图，具体处理过程包括：

当列车运行在道岔部分时，且不知道列车所处股道信息时，建立道岔模糊区域，如图2所示，设置道岔模糊区内的所有股道为安全区段，当列车处于道岔模糊区域时输出道岔模糊区域的位置信息，当列车处于非道岔模糊区域时，数字轨道地图系统计算列车在正线上的投影点，从而可以获得列车的一维的里程位置。

当列车运行在非道岔部分时，若已知列车所处股道，则通过计算列车在相应轨道上的投影点，计算出校正后的列车位置；若未知列车所处股道号，则先判断列车所处位置在区间还是站内，若是区间，则数字轨道地图系统对列车位置进行正线投影，否则，系统将计算列车距离各股道的长短，根据计算结果判断列车所在股道，根据列车所在股道计算出校正后的列车位置。

若列车计算位置和轨道垂直距离超过所设定的地图匹配投影距离阈值，则数字轨道地图系统不输出匹配后的位置信息，而是保持原估计列车车头位置不变,轨道垂直距离是指列车实际位置和在地图中投影点之间的距离。地图匹配投影距离阈值和卫星的定位精度有关，适当的阈值设置，可以保证列车定位精度的精确性，避免出现错误的列车位置地图匹配结果。

在步骤1中已经得到最优估计的卫星/惯性导航系统列车组合定位信息或者车轮传感器/惯性导航系统列车组合定位信息，再根据高精度数字轨道地图来修正列车在垂直轨道方向的误差。

步骤3：根据列车运行途中卫星信号的不同表现情况，使得列车组合导航系统可以自主进行各子系统切换，保证列车位置信息的连续准确输出。

列车在运行过程中，由于运行线路的环境不同，卫星信号容易受到山体、树木和建筑等遮挡，使卫星导航定位误差增大，当列车在完全封闭的隧道中运行时，卫星导航系统甚至会失效，使得卫星/惯性导航组合定位系统所得到估计最优列车位置误差增大，甚至导致列车位置信息不可靠，影响形成安全。根据列车运行过程中卫星信号的实际定位情况，构建组合定位系统的自主切换方式，可以判断卫星信号的可用性，利用自主切换模块实时调整列车组合定位方式为卫星/惯性导航组合或者是车轮传感器/惯性导航组合模式，图4为本发明实施例提供的一种受限条件下的列车组合定位方法子系统自主切换的基本原理示意图，具体处理过程包括：

这种受限条件下基于卫星定位的列车组合定位系统，主要包括两部分：卫星/惯性导航组合子系统和车轮传感器/惯性导航组合子系统。

卫星/惯性导航组合子系统判别卫星信号质量和星座几何分布对卫星定位的影响，根据运行过程中，列车车头安装的卫星接收机获取的列车位置和运行速度等速度信息，对低成本惯性器件进行误差修正，最终得到高更新率的列车位置信息。同时，根据卡尔曼滤波输出的列车姿态矩阵，结合车轮传感器测量信息计算得到导航坐标系下的三维速度，为卫星失锁进行信息储备。

车轮传感器/惯性导航组合子系统在卫星信号质量和星座几何分布不好或者卫星不可用情况下的组合定位，譬如列车运行在山谷、桥梁、隧道区域，此时根据列车在卫星/惯性导航组合子系统中计算得到的列车姿态矩阵和车轮传感器测量的脉冲数，计算得到列车在导航坐标系下的三维速度，从而可以递推出列车的位置信息，并对低成本惯性器件进行误差修正，保持组合导航系统的高更新率、高精度的列车位置信息输出。

自主切换模块的功能是在每个卫星数据接收时刻，对卫星信号质量和星座几何分布进行判断，分析卫星信息的可用性，自主转换卫星/惯性导航组合子系统和车轮传感器/惯性导航组合子系统，这样就能解决列车在卫星信号失锁区域的定位问题，从而得到连续、准确、可靠的列车位置信息。

自主切换模块的控制规则为：

if NumSat is greater than 6 and HDOP is smaller than 1.5

then transform to GNSS/INS subsystem

else transform to ODO/INS subsystem

其中，NumSat表示每次获取卫星信号时的可见卫星数信息；HDOP表示每次获取卫星信号时的水平精度因子。如果每次获取卫星信号时的可见卫星数大于6，每次获取卫星信号时的水平精度因子小于1.5，则使用卫星/惯性导航组合子系统；否则，使用车轮传感器/惯性导航组合子系统。

列车在出发时系统设置为卫星/惯性导航组合子系统，根据卫星接收机设置的接收信号频率，实时修正加速度计和陀螺仪的误差，卫星/惯性导航组合子系统卡尔曼滤波输出包含列车姿态误差修正、位置误差修正、速度误差修正、加速度计误差修正、陀螺仪误差修正，以及卫星接收机到惯性器件中心的杆臂误差修正，从而获得估计的最优列车位置、姿态、速度信息。

一旦监测到卫星信号质量下降或者星座几何分布不好，比如可见卫星数小于6或者HDOP值大于1.5时，系统判断此时卫星信号不可靠或不可用，则自主切换模块立刻切换到车轮传感器/惯性导航组合子系统，根据车轮传感器的测量脉冲数，以及上一时刻系统得到的列车姿态信息，按车轮传感器的输出频率进行车轮传感器/惯性导航组合系统的估计运算，同时修正加速度计和陀螺仪的误差。

根据上述各模型并通过本发明方法可以得出以下实验结果：

综上所述，本发明实施例通过首先对列车组合系统中卫星/惯性导航系统组合系统和车轮传感器/惯性导航系统组合系统进行建模，然后卫星接收机获得的列车车头位置信息，或者是车轮传感器推算得到的列车车头位置信息，从而修正列车上低成本惯性器件的误差，以获取准确、更新频率高的列车数据。同时可以降低列车线路建设和维修成本，提高列车定位精度，满足列车定位精确性、实时性、覆盖性要求。

通过在列车运行途中，根据实际卫星信号的情况，通过自主切换模块，可以调整列车的定位策略，实现列车自主定位的实时要求，根据高精度的轨道地图数据库修正列车组合系统估计最优位置在垂直轨道方向上的误差，保证了列车位置信息的准确性和可靠性，以保障行车安全。该方法能够克服列车在卫星信号失锁区域的定位问题，保证列车定位的连续性，通过对卫星信号质量和星座几何分布的分析判断，实时调整列车行车时的定位策略，从而保证列车定位精度并提高系统的可靠性。

本发明实施例可用于列车控制系统中列车车头运行轨迹获取，具有实时性能好、更新率高、定位可靠的特点。适用于铁路系统中的列车运行定位系统优化。对于复杂条件下的交通，可以通过修改优化算法来实现。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种卫星信号受限条件下的列车组合定位方法，其特征在于，包括：

判断列车上的卫星接收机接收到的卫星信号是否满足设定条件，如果是，则判断卫星信号有效，采用卫星/惯性导航系统对所述列车进行组合定位；否则，判断卫星信号无效，采用车轮传感器/惯性导航系统对所述列车进行组合定位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的判断列车上的卫星接收机接收到的卫星信号是否满足设定条件，包括：

判断列车上的卫星接收机每次获取卫星信号时的可见卫星数是否大于6，并且每次获取卫星信号时的水平精度因子是否小于1.5。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述的判断卫星信号有效，采用卫星/惯性导航系统对所述列车进行组合定位，包括：

惯性导航系统中的惯性器件计算列车的位置信息和速度信息的公式如下：

其中：P_n表示列车位置信息，表示列车位置的变化率矢量，V_n表示列车的速度信息，表示列车速度的变化率矢量，f_n表示加速度计测量的列车加速度矢量信息，g_n表示重力，表示在导航坐标系下陀螺仪测量的列车角速度矢量信息，表示在导航坐标系下地球自转引起的角速度变化矢量；

建立扩展卡尔曼滤波中的状态向量X如下：

X＝[δψ δP_n δV_n δb_g δb_a δl]

其中：δψ表示列车姿态误差，δP_n表示列车的位置误差，δV_n表示列车的速度误差，δb_g表示陀螺仪测量的角速度误差，δb_a表示加速度计测量的加速度误差，δl表示卫星接收机或者车轮传感器到惯性器件中心的杆臂误差；

在卫星定位有效的情况下，利用卫星导航系统提供的有效位置信息来修正惯性导航系统的误差，卫星/惯性导航组合系统的卡尔曼滤波中的测量矩阵H_3×18为：

其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，表示所述状态向量X中的卫星接收机到惯性系统中心杆臂误差δl的初始值；

在卫星/惯性导航组合子系统中通过扩展卡尔曼滤波中得到的列车的车头位置的测量值Z_{INS_GNSS}表示为：

Z_{INS_GNSS}＝[P_INS+l_GNSS-P_GNSS]

其中：P_INS表示惯导系统递推的列车的车头位置信息，l_GNSS表示卫星接收机到惯性中心的杆臂误差，P_GNSS表示卫星导航系统获取的列车的车头位置信息；

卫星/惯性导航组合子系统的卡尔曼滤波中的测量噪声协方差R_GNSS表示为：

R_GNSS＝diag((0.3)² (0.3)² (0.15)2)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的判断卫星信号无效，采用车轮传感器/惯性导航系统对所述列车进行组合定位，包括：

惯性导航系统中的惯性器件计算列车的位置信息和速度信息的公式如下：

其中：P_n表示列车位置信息，表示列车位置的变化率矢量，V_n表示列车的速度信息，表示列车速度的变化率矢量，f_n表示加速度计测量的列车加速度矢量信息，g_n表示重力，表示在导航坐标系下陀螺仪测量的列车角速度矢量信息，表示在导航坐标系下地球自转引起的角速度变化矢量；

建立扩展卡尔曼滤波中的状态向量X如下：

X＝[δψ δP_n δV_n δb_g δb_a δl]

其中：δψ表示列车姿态误差，δP_n表示列车的位置误差，δV_n表示列车的速度误差，δb_g表示陀螺仪测量的角速度误差，δb_a表示加速度计测量的加速度误差，δl表示卫星接收机或者车轮传感器到惯性器件中心的杆臂误差；

在卫星信号失锁情况下，车轮传感器采用扩展卡尔曼滤波算法计算列车前向速度的公式如下：

其中：V_odo表示车轮传感器计算得到的列车前向速度，N_odo表示车轮传感器每秒获取得到的脉冲数，Q_odo表示车轮每转一圈车轮传感器能得到的脉冲数，d表示列车车轮直径；

车轮传感器在导航坐标系下计算列车的三维速度的公式如下：

其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，V_odo表示车轮传感器计算得到的列车前向速度，V_n表示列车的速度信息；

车轮传感器/惯性导航系统的扩展卡尔曼滤波中的测量矩阵为：

其中：表示列车从载体坐标系转向导航坐标系的姿态转移矩阵，表示车轮传感器到惯性系统中心杆臂误差设定的初始值；

车轮传感器/惯性导航组合系统中通过扩展卡尔曼滤波得到的列车的车头位置的测量值表示为：

Z＝[P_INS+l_ODO-P_ODO]

其中：P_INS表示惯导系统递推的位置，l_ODO表示车轮传感器到惯性中心的杆臂误差，P_ODO表示车轮传感器递推计算得到的列车车头位置信息；

车轮传感器递推获得列车位置的测量噪声协方差表示为：

R_ODO＝diag((0.5)² (0.5)² (0.5)²)。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

根据数字轨道地图系统信息修正列车运行途中组合定位系统在垂直轨道方向的定位误差，具体包括：

当列车运行在道岔部分时，且不知道列车所处股道信息时，建立道岔模糊区域，设置道岔模糊区内的所有股道为安全区段，当列车处于道岔模糊区域时，输出道岔模糊区域的位置信息，当列车处于非道岔模糊区域时，数字轨道地图系统计算列车在正线上的投影点，根据所述投影点获得列车的一维的里程位置；

当列车运行在非道岔部分时，若已知列车所处股道，则通过计算列车在相应轨道上的投影点，计算出校正后的列车位置；

若未知列车所处股道号，则先判断列车所处位置在区间还是站内，若是区间，则数字轨道地图系统对列车位置进行正线投影，根据列车在正线上的投影点获得列车的里程位置；否则，系统将计算出列车距离各股道的长短，根据计算结果判断列车所在股道，根据列车所在股道计算出校正后的列车位置。