CN111090113A - 基于北斗、uwb及惯导的高精度列车定位终端及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端及定位方法，定位终端包括主控模块以及与主控模块连接的北斗定位模块、惯性导航模块、UWB定位模块、通信模块，北斗定位与惯性导航模块组合利用北斗和惯导输出的位置信息之插值为测量值，用卡尔曼滤波器惯导系统的误差，然后对惯性导航及北斗导航进行反馈校正，将导航参数估计值反馈到惯导与北斗导航系统内部进行校正。本发明采用北斗与惯性导航融合定位技术，弥补北斗信号较弱时，单北斗定位精度不足的问题，实现室外环境列车高速运动下的精确定位。

Description

基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端及定位方法
技术领域
本发明涉及列车北斗定位技术领域，具体是一种基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端及定位方法。
背景技术
现有铁路机车定位主要采用应答器定位，建设、维护成本大，定位误差大。基于卫星定位导航技术是下一代列车信号控制系统及自动驾驶ATO等系统的重要组成部分，北斗卫星导航系统是中国自主实施、独立运行的全球卫星导航系统，具备高安全性和精确性，推广北斗卫星定位在铁路应用已经纳入铁路总公司实现智能铁路的重要工作。
在山区峡谷区域，北斗信号较弱，定位不够准确，在铁路隧道与车站之中，北斗信号无法覆盖，因此北斗卫星导航系统无法实施铁路机车的全线导航。
惯性导航定位不受外界环境的影响，但其长时间累积后定位误差较大，不能独立用于列车的定位导航。
UWB（Ultra Wide Band ）超宽带定位技术，采用了宽带脉冲通讯技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，它具有极强的抗干扰能力，对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、能提供厘米级的定位精度等优点，但是其覆盖距离短，建设成本过大，高速运动中UWB信号不够稳定，定位误差变大。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端及定位方法，采用北斗与惯性导航融合定位技术，弥补北斗信号较弱时，单北斗定位精度不足的问题，实现室外环境列车高速运动下的精确定位。
本发明提供了一种基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端，包括主控模块以及与主控模块连接的北斗定位模块、惯性导航模块、UWB定位模块、通信模块，北斗定位与惯性导航模块组合利用北斗和惯导输出的位置信息之插值为测量值，用卡尔曼滤波器惯导系统的误差，然后对惯性导航及北斗导航进行反馈校正，将导航参数估计值反馈到惯导与北斗导航系统内部进行校正；通信模块负责对定位数据的发送及差分数据的接入，具备全网通功能，针对铁路通信要求需兼容铁路专网GSM-R或LTE-R。
本发明还提供了一种基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位方法，包括以下步骤：
1）北斗定位与惯性导航组合利用北斗和惯导输出的位置信息之插值为测量值，用卡尔曼滤波器惯导系统的误差，然后对惯性导航及北斗导航进行反馈校正，将导航参数估计值反馈到惯导与北斗导航系统内部进行校正；
2）在室外列车定位时，北斗定位利用RTK差分技术，实现列车高速运动状态下精确定位，同和与惯性导航进行组合，组合定位过程中，判断是否满足每次获取卫星信号时的可见卫星数大于6，卫星的水平精度因子小于2.0，如果满足，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，只利用惯性导航模块对列车进行定位；
3）UWB定位与惯性导航组合利用UWB和惯导输出的位置信息之插值为测量值，用卡尔曼滤波器惯导系统的误差，然后对惯性导航及UWB进行反馈校正，将导航参数估计值反馈到惯导与UWB系统内部进行校正；
4）UWB采用TOF模式实现对列车的定位，采用双边双向测距方式，通过三次测距通信操作得出4个时间差值并进一步计算测距值；
5）对UWB模块进行修改：
6）当列车行驶在隧道、车站等环境中，进行北斗定位与UWB定位的切换，主控模块根据北斗卫星信号及UWB信号条件，自适应的选择定位的组合方式；
7）通信模块负责对定位数据的发送及差分数据的接入，具备全网通功能，针对铁路通信要求需兼容铁路专网GSM-R或LTE-R。
步骤5）所述的UWB模块进行修改具体如下：
5.1）增加AFT高速移动自适应算法和改进同步算法，以适应多普勒频率测量和相位跟踪处理；
5.2）在UWB基站电路中提高极窄脉冲的同步和跟踪精度，改善因时延造成的定位误差；
5.3）采用高速处理电路和器件，每秒输出定位数据频率不低于50Hz，保证高速物体的定位精度。
步骤6）所述的组合方式如下：
6.1）在进入隧道的过程中，卫星信号不断变差，且接收到UWB信号后，选择UWB与惯性导航的组合定位方式；
6.2）当离开隧道时，超出UWB信号覆盖范围，卫星信号质量变好，选择北斗导航与惯性导航的组合定位方式。
本发明有益效果在于：
1、列车室外运行时采用北斗定位技术及RTK差分技术，实现室外环境列车高速运动下的精确定位。
2、采用北斗与惯性导航融合定位技术，弥补北斗信号较弱时，单北斗定位精度不足的问题。
3、列车隧道内定位采用UWB与惯导融合定位，解决北斗卫星无法覆盖条件下的列车定位问题，实现隧道内列车高速运动条件下的精确定位。
4、采用北斗定位、惯性导航定位及UWB定位的融合处理，实现隧道内外定位方式的平滑切换。
附图说明
图1为基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端。
图2为北斗导航与惯性导航组合。
图3为UWB与惯性导航组合。
图4为TOF定位原理。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
1、基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端原理框图如图1所示，包含主控模块、惯性导航模块、北斗/GPS模块、UWB模块及通信模块。采用北斗/GPS、UWB及惯导融合定位，根据列车运行地点场景，自动选择融合定位方式。
2、如图2所示，北斗定位与惯性导航组合利用北斗和惯导输出的位置信息之插值为测量值，用卡尔曼滤波器惯导系统的误差，然后对惯性导航及北斗导航进行反馈校正，将导航参数估计值反馈到惯导与北斗导航系统内部进行校正。
3、在室外列车定位时，北斗定位可利用RTK差分技术，实现列车高速运动状态下精确定位，同和与惯性导航进行组合。组合定位过程中，需考虑北斗模块接收到的卫星信号状况，每次获取卫星信号时的可见卫星数大于6，卫星的水平精度因子小于2.0。如果满足，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，只利用惯性导航模块对列车进行定位。
4、如图3所示，UWB定位与惯性导航组合利用UWB和惯导输出的位置信息之插值为测量值，用卡尔曼滤波器惯导系统的误差，然后对惯性导航及UWB进行反馈校正，将导航参数估计值反馈到惯导与UWB系统内部进行校正。
5、 UWB采用TOF模式实现对列车的定位，如图4所示，采用双边双向测距方式，通过三次测距通信操作得出4个时间差值：Tround1、Tround2、Treply1及Treply2。飞行时间计算如下所示，并进一步计算测距值。
Figure 1
6、TOF定位模式受高速运动中影响，定位误差变大，因此需对UWB模块进行修改：
（1）增加AFT高速移动自适应算法和改进同步算法，以适应多普勒频率测量和相位跟踪处理；
（2）在UWB基站电路中提高极窄脉冲的同步和跟踪精度，改善因时延造成的定位误差；
（3）采用高速处理电路和器件，每秒输出定位数据频率不低于50Hz，保证高速物体的定位精度。
7、当列车行驶在隧道、车站等环境中，进行北斗定位与UWB定位的切换，主控模块根据北斗卫星信号及UWB信号条件，自适应的选择定位的组合方式。
（1）在进入隧道的过程中，卫星信号不断变差，且接收到UWB信号后，选择UWB与惯性导航的组合定位方式；
（2）当离开隧道时，超出UWB信号覆盖范围，卫星信号质量变好，选择北斗导航与惯性导航的组合定位方式。
8、通信模块负责对定位数据的发送及差分数据的接入，具备全网通功能，针对铁路通信要求需兼容铁路专网GSM-R或LTE-R。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端，其特征在于：包括主控模块以及与主控模块连接的北斗定位模块、惯性导航模块、UWB定位模块、通信模块，北斗定位与惯性导航模块组合利用北斗和惯导输出的位置信息之插值为测量值，用卡尔曼滤波器惯导系统的误差，然后对惯性导航及北斗导航进行反馈校正，将导航参数估计值反馈到惯导与北斗导航系统内部进行校正；通信模块负责对定位数据的发送及差分数据的接入，具备全网通功能，针对铁路通信要求需兼容铁路专网GSM-R或LTE-R。
2.一种基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位方法，其特征在于包括以下步骤：
1）北斗定位与惯性导航组合利用北斗和惯导输出的位置信息之插值为测量值，用卡尔曼滤波器惯导系统的误差，然后对惯性导航及北斗导航进行反馈校正，将导航参数估计值反馈到惯导与北斗导航系统内部进行校正；
2）在室外列车定位时，北斗定位利用RTK差分技术，实现列车高速运动状态下精确定位，同和与惯性导航进行组合，组合定位过程中，判断是否满足每次获取卫星信号时的可见卫星数大于6，卫星的水平精度因子小于2.0，如果满足，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，只利用惯性导航模块对列车进行定位；
3）UWB定位与惯性导航组合利用UWB和惯导输出的位置信息之插值为测量值，用卡尔曼滤波器惯导系统的误差，然后对惯性导航及UWB进行反馈校正，将导航参数估计值反馈到惯导与UWB系统内部进行校正；
4）UWB采用TOF模式实现对列车的定位，采用双边双向测距方式，通过三次测距通信操作得出4个时间差值并进一步计算测距值；
5）对UWB模块进行修改：
6） 当列车行驶在隧道、车站等环境中，进行北斗定位与UWB定位的切换，主控模块根据北斗卫星信号及UWB信号条件，自适应的选择定位的组合方式；
7）通信模块负责对定位数据的发送及差分数据的接入，具备全网通功能，针对铁路通信要求需兼容铁路专网GSM-R或LTE-R。
3.根据权利要求1所述的基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端，其特征在于：步骤5）所述的UWB模块进行修改具体如下：
5.1）增加AFT高速移动自适应算法和改进同步算法，以适应多普勒频率测量和相位跟踪处理；
5.2）在UWB基站电路中提高极窄脉冲的同步和跟踪精度，改善因时延造成的定位误差；
5.3）采用高速处理电路和器件，每秒输出定位数据频率不低于50Hz，保证高速物体的定位精度。
4.根据权利要求1所述的基于北斗、UWB及惯导的高精度列车定位终端，其特征在于：步骤6）所述的组合方式如下：
6.1）在进入隧道的过程中，卫星信号不断变差，且接收到UWB信号后，选择UWB与惯性导航的组合定位方式；
6.2）当离开隧道时，超出UWB信号覆盖范围，卫星信号质量变好，选择北斗导航与惯性导航的组合定位方式。
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