CN116908893A - 一种基于多源融合的列车定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多源融合的列车定位系统及方法，涉及列车运行控制技术领域。包括：数据处理模块、卫星导航模块、电子地图模块、惯性导航模块。本发明利用多源融合定位技术，弥补卫星导航定位误差较大及卫星不可见场景下列车定位手段受限的不足，有助于实现全路段列车的精确定位。
Description
技术领域
本发明涉及列车运行控制技术领域，尤其涉及一种基于多源融合的列车定位系统及方法。
背景技术
列车精密定位技术是现代铁路运行控制领域中的一项重要技术，对铁路行业的安全、效率等方面产生着显著的影响：通过对列车位置、速度、加速度等参数进行实时监测和控制，可以有效避免列车发生意外事故，并提高铁路运输的整体安全水平；通过对列车运营数据的分析和处理，可以调整列车速度、减少停留时间、优化运输路线等，从而提高运输效率，降低运营成本。
现有铁路机车定位方法主要分为应答器定位、卫星导航定位、惯性导航定位、电子地图定位等，还有部分学者提出无线指纹定位技术。应答机定位是在地面布设应答器，车载应答器读取器通过与应答器通信来获得列车位置，这种方式需要在地面布设大量应答器，建设和维护成本较高且定位精度较低；卫星导航定位通过接收卫星导航信号进行定位，具有精度高、全天时、全天候、成本低等优点，但由于列车行驶路线中存在山谷、城市峡谷等场景，多径效应明显，导致定位误差较大，另外在隧道等场景下还存在卫星导航不可用的情况；惯性导航通过加速度计、陀螺仪等获取加速度和角速度等信息，通过积分方式获得物体运行轨迹，具备抗干扰能力强、成本低、体积小等优点，但由于依靠测量量的积分，因此长时间累积后定位误差较大，需定期进行校准，难以独立使用；电子地图定位通过将其他定位系统的定位结果与电子轨道地图进行匹配，由于铁路运行轨道固定且事前已知，该方法可消除铁路轨道的纵向误差，但该技术无法单独使用，需配合其他定位手段辅助完成；无线指纹则是在地面布设大量无线电发射器，列车上的接收装置对接收到的无线电波的特征参数如时间、角度和场强等进行测量对其地理位置进行估计，定位精度高，但无线信号覆盖距离短，建设成本较高，难以大面积应用。
上述几种定位方式各有不足，因此基于多源融合的列车定位方法受到越来越多的关注。
中国专利公开CN212675183U公开了一种基于北斗、超宽带定位及惯导的高精度列车定位终端，融合卫星导航定位、惯导及超宽带定位方法，得到列车的精确位置，但该方法需要在隧道、车站等布设超宽带发射设备，建设及维护成本较高。
中国专利公开CN115326066A公开了一种基于北斗卫星导航系统、惯性导航系统和电子地图的融合定位，提高了高速列车定位的可靠性。该方法的计算过程中需要用到卫星导航的最大误差，但列车轨道周围环境复杂多变，卫星导航系统的最大误差的获取难度较大。
因此，如何在降低建设和维护成本的前提下有效提高列车在不同行驶环境下的定位精度，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于多源融合的列车定位系统及方法，可以达到降低建设和维护成本的前提下有效提高列车在不同行驶环境下的定位精度的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多源融合的列车定位系统，包括：卫星导航模块、惯性导航模块、电子地图模块和数据处理模块；
卫星导航模块，与数据处理模块通信连接，用于将卫星导航测量信息输出至数据处理模块；
惯性导航模块，与数据处理模块通信连接，用于将惯导测量信息输出至数据处理模块；
电子地图模块，与数据处理模块通信连接，用于将轨道数据输出至数据处理模块；
数据处理模块，用于对接收到的卫星导航测量信息、惯导测量信息、轨道数据进行处理，并输出列车定位结果。
上述的系统，可选的，数据处理模块包括依次通信连接的卫星导航数据处理单元、位置信息校准单元、惯导数据处理单元；
卫星导航数据处理单元：用于接收卫星导航模块输出的卫星导航测量信息，以及位置信息校准单元输出的概略位置信息，并输出卫星导航定位结果和卫星导航可用标志至位置信息校准单元；
惯导数据处理单元：用于接收惯性导航模块输出的惯导测量信息，以及位置信息校准单元输出的校准后的位置信息，同时输出惯导定位结果至位置信息校准单元；
位置信息校准单元：用于接收电子地图模块输出的轨道数据、卫星导航数据处理单元输出的卫星导航定位结果和卫星导航可用标志、惯导数据处理单元输出的惯导定位结果，并进行列车位置校准，并将校准后的位置信息发送至用户客户端。
上述的系统，可选的，卫星导航测量信息包括但不限于卫星导航信号的伪距、载噪比、定位结果。
上述的系统，可选的，惯导测量信息包括但不限于速度变化量、姿态变化量、位置变化量。
一种基于多源融合的列车定位方法，应用于上述任一项所述的一种基于多源融合的列车定位系统，包括以下步骤：
S1、卫星导航模块将当前卫星导航测量信息发送给数据处理模块，数据处理模块根据卫星导航测量信息得到卫星导航定位结果；
S2、惯性导航模块将当前惯导测量信息发送至数据处理模块，数据处理模块根据惯导测量信息计算得到惯性导航定位结果；
S3、电子地图模块将轨道数据输出至数据处理模块；
S4、数据处理模块分别计算卫星导航定位结果和惯性导航定位结果与电子地图位置的定位误差，并进行校准得到校准后的卫星导航定位结果和校准后的惯性导航定位结果；
S5、判断卫星导航数据可用性，若可用，则继续执行步骤S6，否则继续执行步骤S7；
S6、将校准后的卫星导航定位结果作为校准后位置信息发送至用户客户端；
S7、将校准后的惯性导航定位结果作为校准后位置信息发送至用户客户端。
上述的方法，可选的，S4中，数据处理模块分别计算卫星导航定位结果和惯性导航定位结果与电子地图位置的定位误差，具体为，数据处理模块找出电子地图中距离卫星导航定位结果和惯性导航定位结果最近的点的最短直线位置；将电子地图中距离卫星导航定位结果最近的点的最短直线位置与卫星导航定位结果的最短直线距离作为卫星导航定位的定位误差；将电子地图中距离惯性导航定位结果最近的点的最短直线位置与惯性导航定位结果的最短直线距离作为惯性导航定位的定位误差；
数据处理模块修正惯性导航的定位误差并进行校准的具体方法是，在卫星导航可用时，由修正后的卫星导航模块获取的列车位置信息与修正后的惯性导航系统获取的位置信息，经卡尔曼滤波后得到误差估计矩阵；由惯性导航模块实时提供的速度变化量、姿态变化量、位置变化量分别减去误差估计矩阵中所包含的速度误差、姿态误差和位置误差，得到惯性导航校准后定位结果。
上述的方法，可选的，S5中判断卫星导航数据可用性的具体方法为，首先确定所有可见北斗和GPS卫星的高度角及载噪比，剔除高度角小于40°及载噪比小于40dB/Hz的卫星，若卫星数量大于等于4，则判为卫星导航数据可用，当卫星数量大于等于6时，从选出的卫星中根据最小GDOP值法选出6颗卫星用于位置解算，否则用全部的可见卫星进行位置解算；若卫星数量小于4，则判为卫星导航数据不可用。
上述的方法，可选的，S6中数据处理模块向用户客户端输出最终的定位结果的具体方法是，在卫星导航数据可用时，将电子地图中距离卫星导航定位结果最近的点的最短直线位置作为当前位置结果输出至用户客户端。
上述的方法，可选的，S7中在卫星导航数据不可用时，将电子地图中距离惯性导航定位结果最近的点的最短直线位置作为当前位置结果输出至用户客户端。
上述的方法，可选的，S7中，在卫星导航数据不可用时，将最后一次卫星导航数据有效定位结果作为惯性导航的初始位置基准，利用惯性导航及电子地图匹配的方式获取实时位置。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种基于多源融合的列车定位系统及方法，具有以下有益效果：1)本发明将卫星导航、惯性导航输出的导航数据与电子地图中的列车轨道数据进行融合，根据电子地图中列车轨道数据对卫星导航信号及对惯性导航进行修正及校准，采用多数据源进行冗余定位，在卫星导航可用时，电子地图修正后的定位精度更高。2)本发明在卫星导航不可用时，以最后一次卫星导航可用时的位置信息作为初始态，并实时使用电子地图修正，使得惯性导航得到的位置信息更加精确。3)本发明能够适应列车轨道周围复杂多变的环境，弥补卫星导航定位误差较大及卫星不可见场景下列车定位手段受限的不足，能够实现全路段列车的精确定位。4)本发明无需在隧道、车站或轨道周围布设额外设备，建设及维护成本较低，具有优秀的经济性与实用性。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明公开的一种基于多源融合的列车定位系统结构框图；
图2为本实施例公开的一种基于多源融合的列车定位方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
参照图1所示，本发明公开了一种基于多源融合的列车定位系统，包括：卫星导航模块、惯性导航模块、电子地图模块和数据处理模块；
卫星导航模块，与数据处理模块通信连接，用于将卫星导航测量信息输出至数据处理模块；
惯性导航模块，与数据处理模块通信连接，用于将惯导测量信息输出至数据处理模块；
电子地图模块，与数据处理模块通信连接，用于将轨道数据输出至数据处理模块；
数据处理模块，用于对接收到的卫星导航测量信息、惯导测量信息、轨道数据进行处理，并输出列车定位结果。
进一步的，数据处理模块包括依次通信连接的卫星导航数据处理单元、位置信息校准单元、惯导数据处理单元；
卫星导航数据处理单元：用于接收卫星导航模块输出的卫星导航测量信息，以及位置信息校准单元输出的概略位置信息，并输出卫星导航定位结果和卫星导航可用标志至位置信息校准单元；
惯导数据处理单元：用于接收惯性导航模块输出的惯导测量信息，以及位置信息校准单元输出的校准后的位置信息，同时输出惯导定位结果至位置信息校准单元；
位置信息校准单元：用于接收电子地图模块输出的轨道数据、卫星导航数据处理单元输出的卫星导航定位结果和卫星导航可用标志、惯导数据处理单元输出的惯导定位结果，并进行列车位置校准，并将校准后的位置信息发送至用户客户端。
进一步的，卫星导航测量信息包括但不限于卫星导航信号的伪距、载噪比、定位结果。
进一步的，惯导测量信息包括但不限于速度变化量、姿态变化量、位置变化量。
与图1所述的系统相对应，本发明还提供了一种基于多源融合的列车定位方法，应用于图1中的系统，本发明实施例提供的一种基于多源融合的列车定位方法，具体包括以下步骤：
S1、卫星导航模块将当前卫星导航测量信息发送给数据处理模块，数据处理模块根据卫星导航测量信息得到卫星导航定位结果；
S2、惯性导航模块将当前惯导测量信息发送至数据处理模块，数据处理模块根据惯导测量信息计算得到惯性导航定位结果；
S3、电子地图模块将轨道数据输出至数据处理模块；
S4、数据处理模块分别计算卫星导航定位结果和惯性导航定位结果与电子地图位置的定位误差，并进行校准得到校准后的卫星导航定位结果和校准后的惯性导航定位结果；
S5、判断卫星导航数据可用性，若可用，则继续执行步骤S6，否则继续执行步骤S7；
S6、将校准后的卫星导航定位结果作为校准后位置信息发送至用户客户端；
S7、将校准后的惯性导航定位结果作为校准后位置信息发送至用户客户端。
进一步的，S4中，数据处理模块分别计算卫星导航定位结果和惯性导航定位结果与电子地图位置的定位误差，具体为，数据处理模块找出电子地图中距离卫星导航定位结果和惯性导航定位结果最近的点的最短直线位置；将电子地图中距离卫星导航定位结果最近的点的最短直线位置与卫星导航定位结果的最短直线距离作为卫星导航定位的定位误差；将电子地图中距离惯性导航定位结果最近的点的最短直线位置与惯性导航定位结果的最短直线距离作为惯性导航定位的定位误差；
数据处理模块修正惯性导航的定位误差并进行校准的具体方法是，在卫星导航可用时，由修正后的卫星导航模块获取的列车位置信息与修正后的惯性导航系统获取的位置信息，经卡尔曼滤波后得到误差估计矩阵；由惯性导航模块实时提供的速度变化量、姿态变化量、位置变化量分别减去误差估计矩阵中所包含的速度误差、姿态误差和位置误差，得到惯性导航校准后定位结果。
进一步的，S5中判断卫星导航数据可用性的具体方法为，首先确定所有可见北斗和GPS卫星的高度角及载噪比，剔除高度角小于40°及载噪比小于40dB/Hz的卫星，若卫星数量大于等于4，则判为卫星导航数据可用，当卫星数量大于等于6时，从选出的卫星中根据最小GDOP值法选出6颗卫星用于位置解算，否则用全部的可见卫星进行位置解算；若卫星数量小于4，则判为卫星导航数据不可用。
进一步的，S6中数据处理模块向用户客户端输出最终的定位结果的具体方法是，在卫星导航数据可用时，将电子地图中距离卫星导航定位结果最近的点的最短直线位置作为当前位置结果输出至用户客户端。
进一步的，S7中在卫星导航数据不可用时，将电子地图中距离惯性导航定位结果最近的点的最短直线位置作为当前位置结果输出至用户客户端。
进一步的，S7中，在卫星导航数据不可用时，将最后一次卫星导航数据有效定位结果作为惯性导航的初始位置基准，利用惯性导航及电子地图匹配的方式获取实时位置。
参照图2所示，本发明实施例提供了一种基于多源融合的列车定位方法，应用于所述的一种基于多源融合的列车定位系统，包括以下步骤：
S1、根据卫星导航模块输出的数据得到位置P1。卫星导航模块将当前观测到的北斗/GPS卫星信息发送给数据处理模块，具体包括卫星数量、各可见卫星的卫星号、可见卫星中各信号支路的伪距和载噪比，数据处理模块根据上述信息得到卫星导航定位结果P1。为进一步降低电离层误差，可采用卫星导航双频信号接收模块；
S2、根据电子地图数据对P1校准得到P3。数据处理模块根据P1找出电子地图中当前列车轨道直线距离P1最短的点P3。若此时卫星导航不可用，则不再计算P3；
S3、根据惯性导航模块输出的数据得到位置P2。惯性导航模块将当前列车的速度变化量、姿态变化量、位置变化量等输出至数据处理模块，数据处理模块对上述信息进行积分，生成更新后的姿态，进而推算出位置、速度等参数。得到的惯性导航定位结果即为P2；
S4、根据电子地图数据对P2校准得到P4。数据处理模块根据P2找出电子地图中当前列车轨道直线距离P2最短的点P4。
S5、判断卫星导航数据可用性，若可用，则继续执行步骤S6，否则继续执行步骤S7。判断卫星导航数据可用性的具体方法为，首先确定所有可见北斗和GPS卫星的高度角及载噪比，剔除高度角小于40°及载噪比小于40dB/Hz的卫星，若卫星数量大于等于4，则判为卫星导航数据可用，当卫星数量大于等于6时，从选出的卫星中根据最小GDOP值法选出6颗卫星用于位置解算，否则用全部的可见卫星进行位置解算；若卫星数量小于4，则判为卫星导航数据不可用；
S6、根据P3校准惯性导航定位结果，并将P3输出至用户。校准的具体方法为，对P3和P4进行卡尔曼滤波，得到误差估计矩阵。由惯性导航模块实时提供的速度变化量、姿态变化量、位置变化量分别减去误差估计矩阵中所包含的速度误差、姿态误差和位置误差，得到校准后结果。
S7、将P4输出至用户。
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，对于系统或系统实施例而言，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。以上所描述的系统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。
为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于多源融合的列车定位系统，其特征在于，包括：卫星导航模块、惯性导航模块、电子地图模块和数据处理模块；
卫星导航模块，与数据处理模块通信连接，用于将卫星导航测量信息输出至数据处理模块；
惯性导航模块，与数据处理模块通信连接，用于将惯导测量信息输出至数据处理模块；
电子地图模块，与数据处理模块通信连接，用于将轨道数据输出至数据处理模块；
数据处理模块，用于对接收到的卫星导航测量信息、惯导测量信息、轨道数据进行处理，并输出列车定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于多源融合的列车定位系统，其特征在于，
数据处理模块包括依次通信连接的卫星导航数据处理单元、位置信息校准单元、惯导数据处理单元；
卫星导航数据处理单元：用于接收卫星导航模块输出的卫星导航测量信息，以及位置信息校准单元输出的概略位置信息，并输出卫星导航定位结果和卫星导航可用标志至位置信息校准单元；
惯导数据处理单元：用于接收惯性导航模块输出的惯导测量信息，以及位置信息校准单元输出的校准后的位置信息，同时输出惯导定位结果至位置信息校准单元；
位置信息校准单元：用于接收电子地图模块输出的轨道数据、卫星导航数据处理单元输出的卫星导航定位结果和卫星导航可用标志、惯导数据处理单元输出的惯导定位结果，并进行列车位置校准，并将校准后的位置信息发送至用户客户端。
3.根据权利要求1所述的一种基于多源融合的列车定位系统，其特征在于，
卫星导航测量信息包括但不限于卫星导航信号的伪距、载噪比、定位结果。
4.根据权利要求1所述的一种基于多源融合的列车定位系统，其特征在于，
惯导测量信息包括但不限于速度变化量、姿态变化量、位置变化量。
5.一种基于多源融合的列车定位方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一项所述的一种基于多源融合的列车定位系统，包括以下步骤：
S1、卫星导航模块将当前卫星导航测量信息发送给数据处理模块，数据处理模块根据卫星导航测量信息得到卫星导航定位结果；
S2、惯性导航模块将当前惯导测量信息发送至数据处理模块，数据处理模块根据惯导测量信息计算得到惯性导航定位结果；
S3、电子地图模块将轨道数据输出至数据处理模块；
S4、数据处理模块分别计算卫星导航定位结果和惯性导航定位结果与电子地图位置的定位误差，并进行校准得到校准后的卫星导航定位结果和校准后的惯性导航定位结果；
S5、判断卫星导航数据可用性，若可用，则继续执行步骤S6，否则继续执行步骤S7；
S6、将校准后的卫星导航定位结果作为校准后位置信息发送至用户客户端；
S7、将校准后的惯性导航定位结果作为校准后位置信息发送至用户客户端。
6.根据权利要求5所述的一种基于多源融合的列车定位方法，其特征在于，
S4中，数据处理模块分别计算卫星导航定位结果和惯性导航定位结果与电子地图位置的定位误差，具体为，数据处理模块找出电子地图中距离卫星导航定位结果和惯性导航定位结果最近的点的最短直线位置；将电子地图中距离卫星导航定位结果最近的点的最短直线位置与卫星导航定位结果的最短直线距离作为卫星导航定位的定位误差；将电子地图中距离惯性导航定位结果最近的点的最短直线位置与惯性导航定位结果的最短直线距离作为惯性导航定位的定位误差；
数据处理模块修正惯性导航的定位误差并进行校准的具体方法是，在卫星导航可用时，由修正后的卫星导航模块获取的列车位置信息与修正后的惯性导航系统获取的位置信息，经卡尔曼滤波后得到误差估计矩阵；由惯性导航模块实时提供的速度变化量、姿态变化量、位置变化量分别减去误差估计矩阵中所包含的速度误差、姿态误差和位置误差，得到惯性导航校准后定位结果。
7.根据权利要求5所述的一种基于多源融合的列车定位方法，其特征在于，
S5中判断卫星导航数据可用性的具体方法为，首先确定所有可见北斗和GPS卫星的高度角及载噪比，剔除高度角小于40°及载噪比小于40dB/Hz的卫星，若卫星数量大于等于4，则判为卫星导航数据可用，当卫星数量大于等于6时，从选出的卫星中根据最小GDOP值法选出6颗卫星用于位置解算，否则用全部的可见卫星进行位置解算；若卫星数量小于4，则判为卫星导航数据不可用。
8.根据权利要求5所述的一种基于多源融合的列车定位方法，其特征在于，
S6中数据处理模块向用户客户端输出最终的定位结果的具体方法是，在卫星导航数据可用时，将电子地图中距离卫星导航定位结果最近的点的最短直线位置作为当前位置结果输出至用户客户端。
9.根据权利要求5所述的一种基于多源融合的列车定位方法，其特征在于，
S7中在卫星导航数据不可用时，将电子地图中距离惯性导航定位结果最近的点的最短直线位置作为当前位置结果输出至用户客户端。
10.根据权利要求5所述的一种基于多源融合的列车定位方法，其特征在于，
S7中，在卫星导航数据不可用时，将最后一次卫星导航数据有效定位结果作为惯性导航的初始位置基准，利用惯性导航及电子地图匹配的方式获取实时位置。
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