• ISSN 0258-2724
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基于GNSS/INS的列车定位风险评估方法

吴波前 蔡伯根 陆德彪 王剑

吴波前, 蔡伯根, 陆德彪, 王剑. 基于GNSS/INS的列车定位风险评估方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(6): 1191-1198. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190981
引用本文: 吴波前, 蔡伯根, 陆德彪, 王剑. 基于GNSS/INS的列车定位风险评估方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(6): 1191-1198. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190981
WU Boqian, CAI Baigen, LU Debiao, WANG Jian. GNSS/INS Based Risk Assessment in Train Localization[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(6): 1191-1198. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190981
Citation: WU Boqian, CAI Baigen, LU Debiao, WANG Jian. GNSS/INS Based Risk Assessment in Train Localization[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(6): 1191-1198. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190981

基于GNSS/INS的列车定位风险评估方法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20190981
基金项目: 国家重点研发计划(2018YFB1201500);国家自然科学基金(U1934222,61873023,61603027)
详细信息
    作者简介:

    吴波前(1991—),男,博士研究生,研究方向为列车卫星定位性能评估,E-mail: 15111033@bjtu.edu.cn

    通讯作者:

    陆德彪(1986—),男,副教授,研究方向为列车卫星定位性能评估,E-mail: debiao.lu@bjtu.edu.cn

  • 中图分类号: V221.3

GNSS/INS Based Risk Assessment in Train Localization

  • 摘要: 全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)应用于列车运行控制系统位置服务时,需对其进行风险评估,以确保其满足安全相关的需求. 为此,首先建立一种基于卫星导航系统与惯导系统(inertial navigation system,INS)融合的列车定位单元结构,通过分析传感器融合数据对故障进行检测及识别,并计算水平保护距离,结合水平位置误差、水平告警门限、告警时间等指标参数,对列车定位单元的工作状态进行识别;其次在此基础上分析由危险状态生成的风险事件,并计算列车定位单元危险侧失效率及故障概率;最后结合现场试验数据对所提出的风险评估方法进行测试验证. 验证结果表明:若误警率、漏检率均为1 × 10−7/h,水平告警门限为20 m,定位单元在相对开阔环境下的故障率为9.14 × 10−7/h,受限环境下的故障率为1.52 × 10−4/h;若运行线路对风险指标参数需求降低,则误警率、漏检率及水平告警门限也会增大,受限环境下的定位单元故障率也随之降低,在误警率、漏检率均为1 × 10−5/h,水平告警门限为100 m时,计算获得的受限环境下定位单元故障率为0. 因此,在对定位单元进行风险评估时需考虑不同线路对指标参数的需求.

     

  • 图 1  基于EKF的GNSS/INS的紧耦合定位结构

    Figure 1.  GNSS/INS tight-coupled integration localization architecture based on EKF

    图 2  定位单元风险评估流程

    Figure 2.  Risk assessment process of localization unit

    图 3  定位单元状态示意

    Figure 3.  Schematic diagram of localization unit states

    图 4  告警时间设置

    Figure 4.  Setup of TTA

    图 5  测试线路

    Figure 5.  Test railway line

    图 6  测试线路可见卫星数

    Figure 6.  Number of visible satellites in test line

    图 7  区间①计算结果

    Figure 7.  Calculation results in section one

    图 8  区间②计算结果

    Figure 8.  Calculation results in section two

    表  1  精度及完好性分析相关指标

    Table  1.   Relevant indicators in analysis of accuracy and integrity

    指标缩写量纲符号
    水平位置误差 HPE 距离 DHPE
    水平保护距离 HPL 距离 DHPL
    水平告警门限 HAL 距离 DHAL
    告警时间 TTA 时间 TTTA
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    表  2  试验数据参数设置

    Table  2.   Setting of parameters in test

    指标取值
    Pfa/h−11 × 10−7
    Pmd/h−11 × 10−7
    HAL/m20
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    表  3  测试数据统计

    Table  3.   Statistical results of test data

    测试数据区间①区间②
    单次平均时长/min15.8119.32
    单次平均数据量/个899611802
    测试数/次2424
    总时长/min379.47463.72
    总数据量/个215904283248
    检测故障数/次152178
    状态NO数量/次92621928
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    表  4  不同区间的风险评估结果

    Table  4.   Risk assessment results in different sections

    区间rt 发生数/次NA/次pwsf故障率/h−1
    区间①132352079.59 × 10−41.52 × 10−4
    区间②237627.06 × 10−69.14 × 10−7
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    表  5  不同参数下的风险评估结果

    Table  5.   Risk assessment results with different parameters

    HAL/mPfa/h−1Pmd/h−1故障率/h−1仅考虑状态DU的故障
    率/h−1
    20 1 × 10−7 1 × 10−7 1.52 × 10−4 9.01 × 10−5
    25 1 × 10−7 1 × 10−7 1.11 × 10−4 7.10 × 10−5
    50 1 × 10−6 1 × 10−6 1.53 × 10−5 5.12 × 10−6
    100 1 × 10−5 1 × 10−5 0 0
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  • DORIDES C. GNSS market report 2017-rail [EB/OL]. [2019-06-20]. https://www.gsa.europa.eu/system/files/reports/gnss_market_report_2017_-_rail.pdf.
    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.
    FILIP A. Efficient use of multi-constellation EGNOS for the European train control system[C]//Proceedings of the 2016 European Navigation Conference (ENC GNSS 2016), Helsinki: IEEE AESS, 2016: 1-9.
    NGUYEN T P K, BEUGIN J, MARAIS J. Method for fvaluating an extended fault tree to analyse the dependability of complex systems:application to a satellite-based railway system[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2015, 133: 300-313.
    王剑,陆德彪,唐一哲,等. 基于虚拟应答器的GNSS列车安全定位及风险分析[J]. 铁道学报,2016,38(6): 53-58. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2016.06.010

    WANG Jian, LU Debiao, TANG Yizhe, et al. Virtual balise application for GNSS train safe location and risk analysis[J]. Journal of the Chine Railway Society, 2016, 38(6): 53-58. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2016.06.010
    杨扬. 基于GNSS的列车定位系统安全风险分析研究[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2018.
    LU D, SCHNIEDER E. Performance evaluation of GNSS for train localization[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2015, 16(2): 1054-1059.
    FILIP A, BEUGIN J, MARAIS J, et al. Interpretation of the Galileo safety-of-life service by means of railway RAMS terminology[J]. Transactions on Transport Sciences, 2008, 1(2): 61-68. doi: 10.5507/tots.2008.009
    LEGRAND C, BEUGIN J, MARAIS J, et al. From extended integrity monitoring to the safety evaluation of satellite-based localization system[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2016, 155: 105-114.
    RUSTAMOV B, HASHIMOV A M. Multifunctional operation and application of GPS[M]. London: IntechOpen, 2018: 23-43.
    TORO F G, LU D, MANZ H, et al. Accuracy evaluation of GNSS for a precise vehicle control[J]. IFAC Proceedings Volumes, 2012, 45(24): 78-82. doi: 10.3182/20120912-3-BG-2031.00015
    铁道部科学技术司. C3-BZ-001: CTCS-3级列控系统总体技术方案[S]. 北京: 中华人民共和国铁道部, 2008.
    MATTIS J N, CHAO E L, DUKE E C. 2017 federal radio navigation plan[R]. Washington: United States Department of Transportation, 2017.
    MOCEK H, FILIP A, BAZANT L. Galileo safety-of-life service utilization for railway non-safety and safety critical applications[J]. Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics, 2010, 3(1): 119-130. doi: 10.1299/jmtl.3.119
    FILIP A. The multi-constellation SBAS-R interface as an international standard for high-safety integrity land transport systems[C]//2015 25th International Conference Radioelektronika (RADIOELEKTRONIKA). [S.l.]: IEEE, 2015: 203-208.
    European GNSS Agency. Rail report on user needs and requirements v1.0[EB/OL]. [2019-06-20]. https://www.gsc-europa.eu/sites/default/files/sites/all/files/Report_on_User_Needs_and_Requirements_Rail.pdf
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-11
  • 修回日期:  2020-02-19
  • 网络出版日期:  2020-03-09
  • 刊出日期:  2020-12-15

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