CN111970631B - 一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统及方法 - Google Patents

一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统及方法，所述系统包括INS模块、UWB模块、速度解算模块、自适应滤波模块；所述INS模块包括设于列车车头的惯性导航器件，用于基于惯性导航技术测定列车运动数据；所述UWB模块包括设于列车车头的UWB标签和设于列车线路沿线的UWB基站，用于基于超宽带测距获取列车定位信息；所述速度解算模块用于分别对测得数据进行速度解算，得到INS速度和UWB速度；所述自适应滤波模块用于通过自适应滤波器对列车进行速度追踪，在UWB模块的有效信号段采用UWB速度对INS速度进行校正。本发明采用超宽带技术与惯导技术进行组合测速，可克服INS长距离定位因时间累积造成的误差，实现地下列车长距离精确定位和测速。

Description

一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统及方法
技术领域
本发明涉及轨道交通测速领域，尤其涉及一种超宽带与惯导组合的地下列车测速系统及方法。
背景技术
地下列车的定位测速是实现列车精准调控的额关键技术，传统的地铁测速方法包括轨道电路法、查询应答法、价差感应环线法等。组合测速方式也是现阶段测速定位技术的热点，时下流行的组合测速方法包括全球卫星定位(GPS)和多传感器组合、全球卫星定位(GPS)和惯性导航(INS)组合、惯性导航(INS)和无线传感网络组合、航位推算定位系统(DR)、地理信息系统(GIS)和无线闭塞中心(RBC)组合。
这些组合方式各有优劣，然而地下列车定位测速不同于室内定位，对于地下列车行驶环境，GPS信号往往较弱，各类组合测速使用受限。而惯性导航技术虽然具有不依赖外界信息、短暂时间内精度较高的优势，但是其误差会随时间累积，不适合长时间定位测速。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种超宽带与惯导组合的地下列车测速系统，结合超宽带与惯性导航进行组合测速，用于解决现有地下列车定位测速系统由于误差累积造成定位测速的精确度差、无法实现长距离精确定位与速度追踪的问题。
本发明第一方面，公开一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统，所述系统包括INS模块、UWB模块、速度解算模块、自适应滤波模块；
所述INS模块包括设于列车车头的惯性导航器件，用于基于惯性导航技术测定列车运动数据；
所述UWB模块包括设于列车车头的UWB标签和设于列车线路沿线的UWB基站，用于基于超宽带测距获取列车定位信息；
所述速度解算模块用于根据INS模块测定的运动数据进行速度解算，得到INS速度；根据UWB模块的定位信息进行速度解算，得到UWB速度；
所述自适应滤波模块用于通过自适应滤波器对列车进行速度追踪，在UWB模块的有效信号段采用UWB速度对INS速度进行校正。
优选的，所述速度解算模块具体包括：
INS速度解算单元：用于对INS模块测定的运动数据进行解码、滤波，求取INS速度，
UWB速度解算单元：用于基于三边测距获取列车定位信息，根据定位信息求取UWB速度。
优选的，所述自适应滤波模块中，以INS速度为输入信号，以UWB为期望信号，采用LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪；所述LMS自适应滤波器的滤波方程为：
其中，w(n+1)为权系数更新函数，x(n)为输入信号，y(n)为滤波输出信号，
Figure GDA0003646382620000021
d(n)为期望信号，e(n)为误差信号，μ为步长因子。
优选的，在采用LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪之前还包括：
对INS速度降维处理，获取与UWB速度相同维度的INS速度，以降维后的INS速度为输入信号，输入所述LMS自适应滤波器。
优选的，所述系统还包括图形显示模块，用于对列车进行实时动态监测、速度追踪图形化显示。
优选的，所述INS模块中，采用Hi216惯性导航器件；所述UWB模块中，采用DWM1000收发器。
本发明第二方面，公开一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速方法，所述方法包括：
在列车车头设置惯性导航器件，基于惯性导航技术测定列车运动数据，根据运动数据进行速度解算，得到INS速度；
在列车车头设置UWB标签、在列车线路沿线布设UWB基站，基于三边测距获取列车定位信息，根据所述定位信息进行速度解算，得到UWB速度；
通过LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪，在UWB模块的有效信号段采用UWB速度对INS速度进行校正。
优选的，所述自适应滤波模块中，预先对所述INS速度进行降维处理，获取与UWB速度相同维度的INS速度，以降维后的INS速度为输入信号，以UWB为期望信号，采用LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪，输出校正后的列车速度并进行速度追踪的图形化显示。
本发明的相对于现有技术具有以下有益效果：
1)本发明采用超宽带技术与惯导技术进行组合测速，基于惯性导航技术测定列车运动数据并进行速度解算，基于超宽带测距获取列车定位信息并进行速度解算，采用LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪，用UWB速度来校正INS速度，极大地减少INS的误差累积，提高定位精度，实现地下列车长距离、高精确定位和实时速度追踪。
2)本发明充分利用UWB技术高精度定位的优势，可克服INS长距离定位因时间累积造成的误差，同时可弥补UWB视距有限、短距离定位测速的缺陷，两者优势互补，对环境封闭、运行速度较快、运行距离长的地下列车定位测速具有较好的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明的超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统结构示意图；
图2为本发明的自适应滤波器进行速度追踪的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的INS模块速度曲线；
图4为本发明实施例提供的速度追踪结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提出一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统，所述系统包括INS模块100、UWB模块200、速度解算模块300、自适应滤波模块400、图形显示模块500；
所述INS模块100包括设于列车车头的惯性导航器件，用于基于惯性导航技术测定列车运动数据；所述INS模块中，可采用Hi216惯性导航器件，测量载体在惯性参考系的加速度，用于后续速度解算。
所述UWB模块200包括设于列车车头的UWB标签和设于列车线路沿线的UWB基站，用于基于超宽带测距获取列车定位信息；所述UWB模块中，可采用DWM1000作为收发器，
UWB技术利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，所占的频谱范围很宽，具有系统复杂度低、发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，定位精度高，功能易于集成化等优点，将UWB基站布设在列车线路沿线两侧，当列车行驶至某一位置时，到达对应的多个UWB基站的视距范围内，UWB基站接收位于列车车头的UWB标签发送的冲激脉冲，基于三边测距法可得到UWB标签的位置信息，从而实现列车车头定位。只要在UWB基站的视距范围内，即可实现列车精准定位。
所述速度解算模块300用于根据INS模块测定的运动数据进行速度解算，得到INS速度；根据UWB模块的定位信息进行速度解算，得到UWB速度；所述速度解算模块具体包括：
INS速度解算单元：用于对INS模块测定的运动数据进行解码、滤波，求取INS速度；首先初始化串口和串口定时器，若串口存在，读取串口数据到缓冲区，调用解码函数解码，再调用滤波函数滤波，最后再进行速度求解，得到INS速度。
UWB速度解算单元：用于基于三边测距获取列车定位信息，根据定位信息求取UWB速度。
所述自适应滤波模块400用于通过自适应滤波器对列车进行速度追踪，在UWB模块的有效信号段采用UWB速度对INS速度进行校正。
请参阅图2，本发明提供的采用LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪的示意图，所述自适应滤波模块中，首先对INS速度解算单元求取的INS速度进行降维处理，获取与UWB速度相同维度的INS速度，以降维后的INS速度为输入信号，以UWB为期望信号，输入所述LMS自适应滤波器，采用LMS自
Figure GDA0003646382620000051
适应滤波器对列车进行速度追踪；所述LMS自适应滤波器的滤波方程为：
其中，w(n+1)为权系数更新函数，x(n)为输入信号，y(n)为滤波输出信号，d(n)为期望信号，e(n)为误差信号，μ为步长因子。
首先确定LMS自适应滤波器的步长和滤波器阶数，本发明实施例中，滤波器阶数为5，步长取0.00001。
所述速度解算模块、自适应滤波模块位于上位机，所述上位机还包括图形显示模块500，所述上位机通过对传感器采集到的数据进行处理，测算速度、位置信息，对列车速度进行追踪，对列车进行实时动态监测、远程管理以及速度追踪图形化显示。
地下列车比如地铁的运行环境封闭、列车运行速度较快、运行距离长，在这种运行环境下，GPS卫星信号易受干扰，无法实现实时精准定位，而INS定位测速技术的误差会随时间积累，因此INS技术在长距离地下列车定位测速中存在定位精度越来越差的情况，本申请将UWB技术与INS技术相结合进行组合测速较好地解决了这些问题，分利用UWB技术短距离高精度定位的优势，在运行环境封闭、运行速度较快的地下环境也能实现列车快速精准定位，在UWB的有效信号段，通过LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪，用UWB速度来校正INS速度，极大地减少INS的误差累积，使其适用于运行距离长的地下环境。因此UWB技术与INS技术结合，可克服INS累积误差，同时可弥补UWB视距有限、只能短距离定位测速的缺陷，两者优势互补，对环境封闭、运行速度较快、运行距离长的地下列车定位测速具有较好的适应性。
在地下运行环境中，UWB视距范围内，用UWB速度来校正INS速度，UWB视距范围外，INS可独自工作，两者的结合与切换可保障地下列车稳定运行。
与所述系统实施例相对应本发明还提出一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速方法，所述方法包括：
在列车车头设置惯性导航器件，基于惯性导航技术测定列车运动数据，根据运动数据进行速度解算，得到INS速度；
在列车车头设置UWB标签、在列车线路沿线布设UWB基站，基于三边测距获取列车定位信息，根据所述定位信息进行速度解算，得到UWB速度；
通过LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪，在UWB模块的有效信号段采用UWB速度对INS速度进行校正。
通过LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪时，预先对所述INS速度进行降维处理，获取与UWB速度相同维度的INS速度，以降维后的INS速度为输入信号，以UWB为期望信号，采用LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪，输出校正后的列车速度并进行速度追踪的图形化显示。
请参阅图3，图3为本发明一实施例提供的INS模块解算出的速度曲线，图4中从上至下分别为对图3中INS模块速度曲线抽样处理后的INS速度曲线、UWB模块速度曲线、INS速度追踪后的曲线以及对应的误差曲线。图4表明本发明具有高精度的速度追踪效果，通过本发明可以进行INS速度实时追踪与校正，实现地下列车长距离精确定位和测速。
以上装置实施例与方法实施例是一一对应的，装置实施例简略之处，参见方法实施例即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统，其特征在于，所述系统包括INS模块、UWB模块、速度解算模块、自适应滤波模块；
所述INS模块包括设于列车车头的惯性导航器件，用于基于惯性导航技术测定列车运动数据；
所述UWB模块包括设于列车车头的UWB标签和设于列车线路沿线的UWB基站，用于基于超宽带测距获取列车定位信息；
所述速度解算模块用于根据INS模块测定的运动数据进行速度解算，得到INS速度；根据UWB模块的定位信息进行速度解算，得到UWB速度；
所述自适应滤波模块用于通过自适应滤波器对列车进行速度追踪，在UWB模块的有效信号段采用UWB速度对INS速度进行校正；所述自适应滤波模块中，以INS速度为输入信号，以UWB为期望信号，采用LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪；所述LMS自适应滤波器的滤波方程为：
Figure FDA0003646382610000011
其中，w(n+1)为权系数更新函数，x(n)为输入信号，y(n)为滤波输出信号，d(n)为期望信号，e(n)为误差信号，μ为步长因子。
2.根据权利要求1所述超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统，其特征在于，所述速度解算模块具体包括：
INS速度解算单元：用于对INS模块测定的运动数据进行解码、滤波，求取INS速度；
UWB速度解算单元：用于基于三边测距获取列车定位信息，根据所述定位信息求取UWB速度。
3.根据权利要求2所述超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统，其特征在于，在采用LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪之前还包括：
对INS速度降维处理，获取与UWB速度相同维度的INS速度，以降维后的INS速度为输入信号，输入所述LMS自适应滤波器。
4.根据权利要求2所述超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统，其特征在于，所述系统还包括图形显示模块，用于对列车进行实时动态监测、速度追踪图形化显示。
5.根据权利要求2所述超宽带与惯导组合的地下列车定位测速系统，其特征在于，所述INS模块中，采用Hi216惯性导航器件；所述UWB模块中，采用DWM1000收发器。
6.一种超宽带与惯导组合的地下列车定位测速方法，其特征在于，所述方法包括：
在列车车头设置惯性导航器件，基于惯性导航技术测定列车运动数据，根据运动数据进行速度解算，得到INS速度；
在列车车头设置UWB标签在列车线路沿线布设UWB基站，基于三边测距获取列车定位信息，根据所述定位信息进行速度解算，得到UWB速度；
以INS速度为输入信号，以UWB为期望信号，通过LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪，在UWB模块的有效信号段采用UWB速度对INS速度进行校正；所述LMS自适应滤波器的滤波方程为：
Figure FDA0003646382610000021
其中，w(n+1)为权系数更新函数，x(n)为输入信号，y(n)为滤波输出信号，d(n)为期望信号，e(n)为误差信号，μ为步长因子。
7.根据权利要求6所述超宽带与惯导组合的地下列车定位测速方法，其特征在于，所述自适应滤波模块中，预先对所述INS速度进行降维处理，获取与UWB速度相同维度的INS速度，以降维后的INS速度为输入信号，以UWB为期望信号，采用LMS自适应滤波器对列车进行速度追踪，输出校正后的列车速度并进行速度追踪的图形化显示。
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