• ISSN 0258-2724
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基于改进UKF的BDS/IMU组合列车定位方法

蔡煊 王长林

蔡煊, 王长林. 基于改进UKF的BDS/IMU组合列车定位方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(2): 393-400. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170816
引用本文: 蔡煊, 王长林. 基于改进UKF的BDS/IMU组合列车定位方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(2): 393-400. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170816
CAI Xuan, WANG Changlin. BeiDou Navigation Satellite System/Inertial Measurement Unit Integrated Train Positioning Method Based on Improved Unscented Kalman Filter Algorithm[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(2): 393-400. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170816
Citation: CAI Xuan, WANG Changlin. BeiDou Navigation Satellite System/Inertial Measurement Unit Integrated Train Positioning Method Based on Improved Unscented Kalman Filter Algorithm[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(2): 393-400. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170816

基于改进UKF的BDS/IMU组合列车定位方法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170816
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(60776832);985工程优势学科创新平台资助项目
详细信息
    作者简介:

    蔡煊(1982—),男,讲师,博士,研究方向为轨道交通信号与控制,E-mail:390474685@qq.com

  • 中图分类号: U284

BeiDou Navigation Satellite System/Inertial Measurement Unit Integrated Train Positioning Method Based on Improved Unscented Kalman Filter Algorithm

  • 摘要: 为提高列车定位的精确性和连续性,采用北斗卫星接收机和惯性测量单元构建车载组合定位系统. 针对多传感器组合定位信息融合估计的非线性和鲁棒性需求,将抗差估计理论的等价权原理应用于标准无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)算法,构造了一种改进的UKF算法,通过对标准UKF算法的噪声协方差进行等价替换,从而起到调节滤波增益的作用,使得滤波算法对传感器观测粗差具有较强的抑制能力. 将改进的UKF算法与标准UKF算法应用于列车组合定位进行仿真比较,结果表明:传感器无观测异常时,改进UKF算法的滤波精度总体上略优于标准UKF算法;当传感器观测值含有随机粗差时,改进UKF算法的滤波精度及稳定性明显优于标准UKF算法,北向、东向位置平均估计误差分别降低了48.5%、48.8%,北向、东向速度平均估计误差分别降低了43.7%、48.9%.

     

  • 图 1  列车组合定位系统结构

    Figure 1.  Structure of integrated train positioning system

    图 2  简化的列车惯性定位原理

    Figure 2.  Simplified train inertial positioning principle

    图 3  BDS/IMU组合定位滤波结构

    Figure 3.  Filter structure of BDS/IMU integrated positioning

    图 4  VOBC仿真测试平台

    Figure 4.  VOBC test platform of vehicle on-board controller

    图 5  VOBC平台结构

    Figure 5.  Structure of VOBC platform

    图 6  组合定位位置估计误差

    Figure 6.  Position error in integrated positioning

    图 7  组合定位速度估计误差

    Figure 7.  Velocity error in integrated positioning

    表  1  误差统计结果(0~300 s)

    Table  1.   Error statistics(0−300 s)

    参数标准UKF改进UKF
    北向
    位置/m
    东向
    位置/m
    北向速度
    /(m•s−1
    东向速度
    /(m•s−1
    北向
    位置/m
    东向
    位置/m
    北向速度
    /(m•s−1
    东向速度
    /(m•s−1
    AVE4.323.270.280.214.263.140.250.20
    RMSE3.342.510.220.163.182.450.190.15
    下载: 导出CSV

    表  2  误差统计结果(300~400 s)

    Table  2.   Error statistics(300−400 s)

    参数标准UKF改进UKF
    北向
    位置/m
    东向
    位置/m
    北向速度
    /(m•s−1
    东向速度
    /(m•s−1
    北向
    位置/m
    东向
    位置/m
    北向速度
    /(m•s−1
    东向速度
    /(m•s−1
    AVE8.736.870.480.454.493.520.270.23
    RMSE6.495.110.350.333.232.740.210.17
    下载: 导出CSV
  • SAAB S. A map matching approach for train positioning, part Ⅱ:application and experimentation[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2000, 49(2): 476-484. doi: 10.1109/25.832979
    蔡伯根. 低成本列控系统的列车组合定位理论与方法[D]. 北京: 北京交通大学, 2010.
    马永强,郭进. 接触网定位器辅助列车定位技术[J]. 西南交通大学学报,2005,40(1): 1-4. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2005.01.001

    MA Yongqiang, GUO Jin. Auxiliary train location technique with registration arms of electrified railways[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2005, 40(1): 1-4. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2005.01.001
    JULIE B, FILIP A, JULIETTE M, et al. Galileo for improving railway operations:question about the positioning performances analogy with the RAMS requirements allocated to safety applications[J]. European Transport Research Review, 2010, 2(2): 93-102. doi: 10.1007/s12544-010-0032-3
    刘江,蔡伯根,王剑. 基于卫星导航系统的列车定位技术现状与发展[J]. 中南大学学报(自然科学版),2014,45(11): 4033-4042.

    LIU Jiang, CAI Baigen, WANG Jian. Status and development of satellite navigation system based train positioning technology[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2014, 45(11): 4033-4042.
    JWO D J, WENG T P. An adaptive sensor fusion method with applications in integrated navigation[J]. Journal of Navigation, 2008, 61(4): 705-721. doi: 10.1017/S0373463308004827
    张亮. 基于EKF的GPS/ODO列车定位方法研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2016.
    JIANG Zhuqing, LIU Chonghua, ZHANG Gong, et al. GPS/INS integrated navigation based on UKF and simulated annealing optimized SVM[C]//2013 IEEE 78th Vehicular Technology Conference (VTC Fall). Las Vegas: IEEE, 2013: 30-38.
    JULIER S J, UHLMANN J K. Unscented filtering and nonlinear estimation[J]. Proceedings of the IEEE, 2004, 92(3): 401-422. doi: 10.1109/JPROC.2003.823141
    YU Z J, WEI J M, LIU H T. A new adaptive maneuvering target tracking algorithm using artificial neural networks[C]//Proceedings of the International Joint Conference on Neural Networks. Hong Kong: IEEE, 2008: 901-905.
    CHO S Y, CHOI W S. Robust positioning technique in low-cost DR/GPS for land navigation[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2006, 55(4): 1132-1142. doi: 10.1109/TIM.2006.877718
    戴连君. 基于北斗卫星系统的列车定位方法研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2013.
    杨波,秦永元,严恭敏. 列车组合导航系统研究与仿真[J]. 传感技术学报,2007,20(1): 242-246. doi: 10.3969/j.issn.1004-1699.2007.01.054

    YANG Bo, QIN Yongyuan, YAN Gongmin. Research and simulation on the integrated navigation system for train[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2007, 20(1): 242-246. doi: 10.3969/j.issn.1004-1699.2007.01.054
    刘江,蔡伯根,唐涛,等. 低成本列车组合定位系统容错算法设计[J]. 铁道学报,2011,33(1): 39-46. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2011.01.007

    LIU Jiang, CAI Baigen, TANG Tao, et al. Fault-tolerant algorithm design of low-cost integrated train positioning system[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(1): 39-46. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2011.01.007
    易大江. 组合导航中的鲁棒滤波研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2008.
    杨元喜. 抗差估计理论及其应用[M]. 北京: 八一出版社, 1993: 1-10.
    YANG Y, XU T. An adaptive Kalman filter based on sage windowing weights and variance components[J]. Journal of Navigation, 2003, 56(2): 231-240. doi: 10.1017/S0373463303002248
    李雪鹏,张幼群,包括. UKF的改进算法及其在伪卫星定位中的应用[J]. 测绘科学技术学报,2008,25(2): 108-111.

    LI Xuepeng, ZHANG Youqun, BAO Kuo. Improved UKF algorithm for pseudolite positioning system[J]. Journal of Geomatics Science and Technology, 2008, 25(2): 108-111.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-17
  • 修回日期:  2018-04-26
  • 网络出版日期:  2018-09-14
  • 刊出日期:  2020-04-01

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