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铁道学报 2023年第4期45卷 51-61页

作者：陆德彪王子琪王剑蔡伯根丁珣北京交通大学电子信息工程学院北京100044 北京市电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心北京100044 北京交通大学智慧高铁系统前沿科学中心北京100044 北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室北京100044 中国铁建电气化局集团有限公司运营管理部北京100043

电子轨道地图是新型列控系统基于卫星导航的列车定位的重要参考源。为满足地图精度高、存储量低的要求,针对轨道线路数据约简方法开展研究。在面向直线表达的线路数据方面,对道格拉斯普克算法和基于线路数据航向角特征约束的约简2种算... 详细信息

电子轨道地图是新型列控系统基于卫星导航的列车定位的重要参考源。为满足地图精度高、存储量低的要求,针对轨道线路数据约简方法开展研究。在面向直线表达的线路数据方面,对道格拉斯普克算法和基于线路数据航向角特征约束的约简2种算法的差异性进行比较;在此基础上面向线路数据的直线和曲线混合表达,提出一种基于Clothoid曲线的约简算法。利用曲线DP算法和垂直投影误差要求,得到Clothoid曲线片段,实现轨道圆曲线和直线的分段,提高线路数据的约简率,保障生成地图的精度。为验证提出方法的有效性,选取京沈高铁北票东—阜新北的线路数据进行分析,实验结果表明,基于Clothoid曲线拟合生成的轨道段满足0.5 m垂距精度和0.2 m测量精度,约简率达99.5%,证明提出的方法能够满足新型列控系统电子轨道地图数据约简的要求。

关键词：列车运行控制系统电子轨道地图数据约简 Clothoid曲线拟合

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面向列控应用的电子轨道地图生成方法研究

面向列控应用的电子轨道地图生成方法研究

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作者：王子琪北京交通大学

学位级别：硕士

随着列车运行控制系统技术的发展,以全球卫星导航系统(Global Navigation Satellites System,GNSS)实现“车载中心化”的列车定位需要电子轨道地图作为参考,是目前列车定位的重要研究方向。其地理位置信息及拓扑关系能够有效辅助列车占... 详细信息

随着列车运行控制系统技术的发展,以全球卫星导航系统(Global Navigation Satellites System,GNSS)实现“车载中心化”的列车定位需要电子轨道地图作为参考,是目前列车定位的重要研究方向。其地理位置信息及拓扑关系能够有效辅助列车占用轨道识别和列车完整性检查。电子轨道地图是列控系统的重要信息源,对列控系统提高列车定位精度、降低运营成本、提高运输效率起到关键作用,因此研究高精度的电子轨道地图生成方法,开发电子轨道地图生成软件(Track Map Composer,TMC)具有重要意义,论文的主要研究内容包括:(1)研究了电子轨道地图数据结构模型,分析新型列控系统(Chinese Train Control System-New,CTCS-N)对地图数据的需求,依据地图的层次结构建立地图数据模型,分析了地图拓扑结构与数据结构。应用了基于XML(e Xtensible Markup Language)格式描述地图模型,提出了地图生成软件(TMC)的功能需求。(2)研究了电子轨道地图中轨道地理信息数据的生成方法,生成过程包含有效性检查、插值、滤波和约简。通过对道格拉斯普克约简算法(Douglas Pecuker,DP)、基于多重约束条件和基于Clothoid曲线表达等三种约简算法实现,完成了算法的效果评估,满足了CTCS-N系统对地图数据的精度要求。(3)研究了电子轨道地图数据的验证方法。设计二维表结构描述地图数据对象,使用XML格式完成地图数据对象映射、拓扑关系计算,完成地图模型建立及二进制格式地图的生成。利用XSD(XML Schema define)的数据约束特性完成地图一致性及完整性验证,同时将二维地理模型转换至一维拓扑结构,通过有向图搜索算法完成地图拓扑一致性的验证。(4)设计并开发了电子轨道地图生成软件(Track Map Composer,TMC)。软件依据地图生成流程分为4个模块:数据处理模块实现地图数据处理过程可视化;数据生成模块生成格式化地图数据;数据组织模块实现地图数据对象组织、GIS图显示、字节计算及地图校验;数据输出模块实现地图文件的生成。本文基于北票东-阜新北全程68公里的实测数据开展电子轨道地图生成方法及软件功能验证。评估结果表明,DP约简算法最大垂距偏差为0.423m,约简率达99.3%,满足地图精度要求。为了满足地图线形表达的需求,提出的曲线表达约简算法约简率高达99.5%,最大垂距偏差为0.496m,具有较高的约简效率和位置精度,设计的完整性和一致性验证方法能够正确检测XML格式地图的错误结果。图69幅,表23个,参考文献54篇。

关键词：列车运行控制系统电子轨道地图数据约简 XML 地图拓扑模型

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基于铁路环境场景建模的卫星定位性能优化方法研究

基于铁路环境场景建模的卫星定位性能优化方法研究

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作者：张涛北京交通大学

学位级别：硕士

随着列车运行控制系统的发展,基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的定位性能能否满足列车运行需求是当前研究的热点方向。铁路沿线环境复杂多变,轨道两侧的高山、建筑物、森林等形成的遮挡环境场景会对卫... 详细信息

随着列车运行控制系统的发展,基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的定位性能能否满足列车运行需求是当前研究的热点方向。铁路沿线环境复杂多变,轨道两侧的高山、建筑物、森林等形成的遮挡环境场景会对卫星导航信号的传播造成遮挡和反射,导致卫星定位性能产生不同程度的降级。本文提出了基于铁路环境场景建模的卫星定位精度优化方法,首先对铁路线路以及沿线环境场景进行参数化描述,构建了铁路环境场景的三维电子轨道地图(3D Digital Track Map,3D DTM);针对一般遮挡环境场景,利用加权最小二乘法和3D DTM辅助剔除非直视卫星的优化方法对卫星定位精度进行优化;对于严重遮挡环境场景,在3D DTM基础上利用阴影匹配算法实现卫星有效定位,并结合卡尔曼滤波算法进行卫星定位精度优化。本文主要工作内容如下:(1)从卫星定位角度设计了铁路环境场景的3D DTM架构,包含地理信息数据、固定应用数据和天空遮挡边界数据。基于3D DTM中天空遮挡边界数据需求提出了基于动态时间规整算法(Dynamic Time Warping,DTW)的铁路沿线环境场景辨识算法,确定铁路沿线环境场景的天空遮挡程度。(2)针对一般遮挡环境场景(如路堑等),研究了直视(Line-of-Sight,LOS)信号和非直视(Non-Line-of-Sight,NLOS)信号识别方法,通过对NLOS信号的运用策略,对卫星定位精度进行优化。NLOS信号参与解算时,基于贝叶斯方法对LOS/NLOS信号进行条件概率分析,构建信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)的条件概率表(Conditional Probability Table,CPT),提出基于CPT的加权最小二乘法;NLOS信号不参与解算时,通过3D DTM中的天空遮挡边界剔除NLOS信号,利用最小二乘法进行定位解算。(3)针对严重遮挡环境场景(如隧道口、深度城市峡谷等),研究了基于3D DTM的阴影匹配算法对卫星定位精度进行优化,并利用卡尔曼滤波算法融合速度信息与阴影匹配列车位置,实现基于卡尔曼滤波的阴影匹配算法的卫星定位精度优化。论文利用北京三家店车站的实测卫星数据对提出算法进行验证。实验结果表明,本文提出的场景辨识算法对五类铁路环境场景(S1-S5)辨识的误差率分别为0.92%、1.84%、0.92%、0.00%和0.00%;一般遮挡环境场景下,相比于传统最小二乘算法,基于CPT的加权最小二乘法和3D DTM辅助定位优化方法分别使动态铁路实验下卫星定位误差从5.09m降低到4.23m和1.77m;严重遮挡环境场景下,相比于接收机输出结果,阴影匹配算法和基于卡尔曼滤波的阴影匹配算法分别将卫星定位误差从14.81m降低到3.34m和1.05m。图66幅,表29个,参考文献70篇。

关键词：卫星导航电子轨道地图列车定位场景辨识阴影匹配

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基于GNSS/INS/DTM组合的列车可信定位方法研究

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作者：杨涛北京交通大学

学位级别：硕士

随着列车运行控制系统的发展,列车定位技术正在向“车载中心化”连续定位方式转变。针对全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)定位受环境影响导致精度下降,进而带来可信程度降低的问题,论文基于GNSS、惯性导航系... 详细信息

随着列车运行控制系统的发展,列车定位技术正在向“车载中心化”连续定位方式转变。针对全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)定位受环境影响导致精度下降,进而带来可信程度降低的问题,论文基于GNSS、惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)、电子轨道地图(Digital Track Map,DTM)三类传感器,研究了基于GNSS/INS/DTM组合的列车可信定位方法,分别从定位精度、轨道占用识别、列车定位可信度三个方面开展研究,实现列车位置状态的可信估计。论文主要研究内容如下:(1)研究了GNSS/INS/DTM列车多源融合定位算法,实现列车定位精度优化。基于加权扩展卡尔曼滤波算法(Weighted Extended Kalman Filtering,WEKF)构造了GNSS/INS紧组合定位模型,针对组合模型列车零速状态定位误差较大这一问题,提出了基于零速修正的定位精度优化方法;针对隧道/车站等环境下GNSS失效,研究了基于INS/DTM的组合定位算法,实现列车运行全场景定位。(2)研究了GNSS/INS/DTM列车轨道占用识别算法,实现卫星定位挑战环境下列车占用轨道准确识别。针对道岔、平行轨道场景下利用GNSS无法直接完成轨道选择这一问题,提出了GNSS/INS/DTM观测量与轨道占用识别关联建模方法,应用递归贝叶斯估计算法实现列车轨道占用自主识别与置信度估计,提高轨道占用识别置信度,减小识别距离消耗。(3)研究了GNSS/INS/DTM列车定位可信监测算法,进行故障检测与剔除,估计列车定位可信度。研究了INS/DTM辅助的GNSS列车定位完好性监测算法和基于卡尔曼滤波新息/残差的水平不确定度级别(Horizontal Uncertainty Level,HUL)估计算法;提出了列车定位可信性评价方法、水平方向定位可信度(Horizontal Dependability Index,HDI),实现列车定位可信度在线评估、失效风险离线统计分析。本文利用京沈高铁车载实验数据进行算法验证。验证结果表明GNSS/INS/DTM列车多源融合定位算法有效提高了定位精度,在区间及列车零速状态下定位误差(95%置信概率)均小于3m,2.2km隧道场景下定位误差最大为6.36m,与INS递推相比定位精度提升了53.9%。验证轨道占用识别算法,与多假设检验地图匹配法相比,算法提高了轨道识别置信度,距离消耗降低了80.6%,最大为23.36m。验证列车定位可信监测算法,结果表明算法有效提高了故障检出率和列车定位可信度,故障注入200个历元,列车定位可信度小于0.9的历元数由18降低至0。最后进行综合验证,现场采集数据18276历元,水平定位误差(95%置信概率)为2.48m,轨道识别距离消耗为3.66m,列车定位可信度大于0.9的历元数占比为99.74%,整个实验过程失效率为5.07×10/h,验证结果表明基于GNSS/INS/DTM组合的列车可信定位算法实现了列车多源融合定位、轨道占用准确识别、列车可信度实时估计。图68幅,表31个,参考文献65篇。

关键词：列车组合定位电子轨道地图轨道占用识别完好性监测可信性

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