BDS/GPS雙模定位技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車(chē)中的應(yīng)用研究

王迪，陳光武，楊廳

(1. 蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)控制研究所，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省高原交通信息工程及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

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BDS/GPS雙模定位技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車(chē)中的應(yīng)用研究

王迪1,2，陳光武1,2，楊廳1,2

(1. 蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)控制研究所，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅省高原交通信息工程及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

實(shí)時(shí)定位監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分，它是確保現(xiàn)代有軌電車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)。針對(duì)傳統(tǒng)GPS定位存在的缺點(diǎn)，研究一種基于BDS/GPS雙模定位技術(shù)的現(xiàn)代有軌電車(chē)高精度定位系統(tǒng)；提出一種以BDS/GPS雙模定位為主，航跡推算/RFID定位為輔同時(shí)采用道路分段式的定位方案。為提高雙模定位信息的精度，提出一種中值濾波和卡爾曼濾波相結(jié)合的數(shù)據(jù)處理算法。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明該方法比傳統(tǒng)的現(xiàn)代有軌電車(chē)GPS定位系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、可靠，為現(xiàn)代有軌電車(chē)的安全運(yùn)行提供了保障。

現(xiàn)代有軌電車(chē)；BDS/GPS雙模定位；中值濾波；卡爾曼濾波

現(xiàn)代有軌電車(chē)作為一種重要的交通工具，為人們的出行提供了極大的方便，但其安全性也越來(lái)越多的受到人們的重視。目前現(xiàn)代有軌電車(chē)一般采用GPS、通信環(huán)線(xiàn)、軌道電路等進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。但其傳統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用仍然存在較多問(wèn)題，如定位精度低，對(duì)GPS的運(yùn)行環(huán)境要求苛刻等[1]。同時(shí)，現(xiàn)代有軌電車(chē)在不同的路段對(duì)定位精度的要求也不同，例如對(duì)于道岔區(qū)段為保證其安全性需要較高的定位精度。本文從兩個(gè)方面解決以上問(wèn)題：1、在定位方案選擇方面，考慮到城市中高樓建筑比較多，衛(wèi)星信號(hào)容易受到干擾，因此在普通路段采用BDS/GPS定位，當(dāng)PDOP值(衛(wèi)星分布的空間幾何強(qiáng)度因子)超過(guò)預(yù)定值時(shí)，采用DR(Dead Reckoning，航跡推算系統(tǒng))進(jìn)行輔助定位，在道岔區(qū)段為滿(mǎn)足其高精度和安全性要求，采用BDS/GPS和RFID組合定位。2、在定位精度方面，考慮到BDS系統(tǒng)能夠搜尋到足夠的導(dǎo)航衛(wèi)星來(lái)提供當(dāng)?shù)氐亩ㄎ环?wù)，且BDS與GPS以及其他GNSS系統(tǒng)具有很好的兼容性[2]。因此采用BDS和GPS雙模定位技術(shù)，可以充分利用兩套衛(wèi)星定位系統(tǒng)的長(zhǎng)處和衛(wèi)星資源，同時(shí)也可以互相驗(yàn)證。此外，為進(jìn)一步提高衛(wèi)星定位的精度，提出一種中值濾波和卡爾曼濾波組合算法，它能夠很好地提高定位精度，減少定位誤差。

1 定位方案設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)是現(xiàn)代有軌電車(chē)控制系統(tǒng)的重要組成部分，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車(chē)道路行駛跟蹤、道岔區(qū)段占用檢測(cè)，以提高行車(chē)效率。因此對(duì)于現(xiàn)代有軌電車(chē)在不同的路段有著不同的定位需求。雖然采用的GPS/BDS雙模定位技術(shù)對(duì)定位精度、可靠性有很大提高，但由于現(xiàn)代有軌電車(chē)在運(yùn)行中衛(wèi)星信號(hào)的傳輸和接收很容易被地形、地物遮擋，這會(huì)降低定位精度，存在定位盲區(qū)[3]。因此單獨(dú)的衛(wèi)星定位難以保障定位信息的可靠性。

1.1 BDS/GPS與航跡推算組合定位

當(dāng)BDS/GPS雙模定位衛(wèi)星信號(hào)存在盲區(qū)時(shí)，就必須采用另外一種輔助定位系統(tǒng)?？紤]到與現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)載設(shè)備的兼容性，采用航跡推算進(jìn)行輔助定位[4]，這樣可以利用原有設(shè)備中里程計(jì)輸出的信息進(jìn)行航跡推算，以解決盲區(qū)定位問(wèn)題。

DR航跡推算是一種利用某一點(diǎn)的位置坐標(biāo)、速度以及行駛時(shí)間來(lái)推算出下一時(shí)刻位置信息的定位方法。其定位精度不會(huì)受到如電磁干擾、遮擋等外界因素的影響。但是，航跡推算系統(tǒng)不具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，必須每隔一段時(shí)間進(jìn)行誤差校正[5]。對(duì)于現(xiàn)代有軌電車(chē)定位系統(tǒng)采用以BDS/GPS雙模定位為主，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡推算信息進(jìn)行誤差校正。通過(guò)系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星PDOP當(dāng)前值的判斷來(lái)確定定位是否存在盲區(qū)。當(dāng)進(jìn)入定位盲區(qū)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄前一時(shí)刻衛(wèi)星輸出的定位經(jīng)度、緯度、速度、航向角等信息，同時(shí)開(kāi)始記錄里程計(jì)輸出的速度、時(shí)間等信息，通過(guò)航跡推算便可以得到盲區(qū)的定位信息，具體流程如圖1所示。

圖1 BDS/GPS與航跡推算組合定位框圖Fig.1 BDS/GPS and dead reckoning positioning block diagram

1.2 BDS/GPS與RFID組合定位

RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)是近年伴隨著無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和大規(guī)模集成電路的普及應(yīng)用而出現(xiàn)的一項(xiàng)先進(jìn)的自主識(shí)別和數(shù)據(jù)采集技術(shù)[6]。由于其安裝簡(jiǎn)單、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。為解決現(xiàn)代有軌電車(chē)在道岔路段的高精度定位問(wèn)題，在原有BDS/GPS雙模高精度定位的基礎(chǔ)上采用RFID技術(shù)作為輔助定位，其組合定位框圖如圖2所示。

圖2 BDS/GPS與RFID組合定位框圖Fig.2 BDS/GPS and RFID positioning block diagram

1.3 定位方案綜合應(yīng)用

依據(jù)以上定位方法的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出現(xiàn)代有軌電車(chē)的分段組合定位方案。如圖3所示。

圖3 分段組合定位方案框圖Fig.3 Piecewise combination orientation program block diagram

現(xiàn)代有軌電車(chē)進(jìn)入道岔區(qū)段之前采用BDS/GPS與航跡推算組合定位，其中以BDS/GPS定位為主；當(dāng)檢測(cè)到道岔區(qū)段前的RFID標(biāo)簽后系統(tǒng)自動(dòng)切換到BDS/GPS與RFID組合定位，同時(shí)信號(hào)機(jī)紅燈點(diǎn)亮，此時(shí)通過(guò)這種組合定位方案可以檢測(cè)到電車(chē)在道岔區(qū)段中的占用情況，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，而且免去了軌道電路等地面設(shè)備的安裝，當(dāng)電車(chē)駛出道岔區(qū)段后自動(dòng)切換為原來(lái)的定位模式。

2 現(xiàn)代有軌電車(chē)定位精度分析

通過(guò)以上方案可知，BDS/GPS雙模定位的定位精度尤其重要，不管在普通路段還是道岔區(qū)段，BDS/GPS雙模定位都起著非常重要的作用。對(duì)現(xiàn)代有軌電車(chē)采用BDS/GPS雙模技術(shù)定位，首先應(yīng)當(dāng)建立起對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)方程。為充分利用BDS/GPS的測(cè)量信息，提高定位精度，本系統(tǒng)模型建立主要采用經(jīng)度、緯度、速度、方位角等信息作為輸入量。

2.1 運(yùn)動(dòng)模型

由于現(xiàn)代有軌電車(chē)是在地面上行駛，因此其運(yùn)動(dòng)可以近似看作是在二維平面(x，y)上的運(yùn)動(dòng)，據(jù)此建立定位模型，當(dāng)現(xiàn)代有軌電車(chē)在二維平面中運(yùn)動(dòng)時(shí)，由BDS/GPS可以測(cè)出其在A(yíng)點(diǎn)的初始位置A(x0,y0)、初始速度v0和初始的方位角θ0，當(dāng)現(xiàn)代有軌電車(chē)由A點(diǎn)行駛到B點(diǎn)時(shí)，一方面BDS/GPS可以測(cè)出此時(shí)點(diǎn)B(x0,y0)的位置，另一方面，還可以由A點(diǎn)的位置經(jīng)式(1)航跡推算得出B點(diǎn)的位置，兩個(gè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相互修正得到此時(shí)現(xiàn)代有軌電車(chē)的位置。這樣就彌補(bǔ)了在BDS/GPS信號(hào)丟失情況下無(wú)法定位的缺點(diǎn)。

(1)

2.2 定位狀態(tài)系統(tǒng)模型

按照以上原理以及基本的幾何關(guān)系，建立起現(xiàn)代有軌電車(chē)定位系統(tǒng)狀態(tài)方程，如公式(2)所示：

(2)

3 高精度數(shù)據(jù)處理算法

針對(duì)現(xiàn)代有軌電車(chē)BDS/GPS雙模定位技術(shù)，提出了一種新型的中值濾波與卡爾曼濾波組合算法。它利用中值濾波算法去除信號(hào)椒鹽噪聲，利用卡爾曼濾波算法使信號(hào)變得更加平滑，從而使其最終輸出的BDS/GPS定位信息精度更高。

3.1 中值濾波算法處理定位數(shù)據(jù)

中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線(xiàn)性信號(hào)處理技術(shù)，基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)[8]。設(shè)濾波窗口長(zhǎng)度為n=2k+1或n=2k,觀(guān)測(cè)值個(gè)數(shù)為N，濾波輸出為U(t1),U(t2),……U(tN)。當(dāng)窗口在觀(guān)測(cè)序列上移動(dòng)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)中值濾波方法輸出為。

(3)

將以上方法用于處理BDS/GPS定位輸出數(shù)據(jù)?，F(xiàn)以經(jīng)度數(shù)據(jù)處理為例，通過(guò)BDS/GPS雙模定位模塊在一定環(huán)境下進(jìn)行連續(xù)采樣，采樣時(shí)間為75s，采樣頻率為1Hz。然后對(duì)經(jīng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理，其中濾波窗口設(shè)置為11(可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定窗口長(zhǎng)度)。原始數(shù)據(jù)與處理后的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)如圖4所示。從圖中可以明顯看出處理后的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)更加平緩，因此中值濾波器對(duì)定位數(shù)據(jù)的平滑脈沖噪聲非常有效而且去除了定位數(shù)據(jù)中的椒鹽噪聲。

圖4 經(jīng)度值和經(jīng)度濾波值Fig.4 Longitude values and longitude filtering value

3.2 卡爾曼濾波定位數(shù)據(jù)處理

卡爾曼濾波是一種遞推線(xiàn)性最小方差估計(jì)技術(shù)，它采用遞推估計(jì)計(jì)算出連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)，近幾年來(lái)基于卡爾曼濾波器的定位技術(shù)已經(jīng)變得非常成熟[10]。基于(1)和(2)的系統(tǒng)模型可以利用標(biāo)準(zhǔn)的卡爾曼濾波來(lái)估計(jì)現(xiàn)代有軌電車(chē)的定位測(cè)量數(shù)據(jù)。其中離散化之后的狀態(tài)方程和觀(guān)測(cè)方程可化簡(jiǎn)為：

(3)

(4)

通過(guò)以上分析可以得出整個(gè)BDS/GPS定位數(shù)據(jù)的處理分析框圖，如圖5所示。首先是通過(guò)信息接收處理模塊，分別對(duì)GPS信號(hào)和BDS信號(hào)進(jìn)行前置放大、A/D轉(zhuǎn)換以及多通道相關(guān)器，此時(shí)便得到初始的定位數(shù)據(jù)，如經(jīng)度、緯度、速度、方位角[12]。接著中值濾波和卡爾曼濾波組合算法對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先是通過(guò)中值濾波去除各個(gè)信號(hào)中的椒鹽噪聲，然后將數(shù)據(jù)輸入卡爾曼濾波器對(duì)其進(jìn)行再處理。圖5中的BDS/GPS數(shù)據(jù)濾波算法處理模塊的輸出數(shù)據(jù)即為系統(tǒng)處理之后的估計(jì)數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代有軌電車(chē)的實(shí)時(shí)定位。

圖5 BDS/GPS數(shù)據(jù)處理分析框圖Fig.5 BDS/GPS data processing analysis diagram

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方案的可行性，通過(guò)ATGM332D(BDS/GPS雙模定位模塊)接收數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)百度地圖進(jìn)行定位路線(xiàn)顯示，并使用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。通過(guò)定位終端測(cè)量原始定位數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到軟件終端進(jìn)行百度地圖路線(xiàn)顯示，如圖6所示。

圖6 BDS/GPS雙模定位百度地圖顯示路線(xiàn)Fig.6 BDS/GPS dual-mode positioning baidu map shows route

由于百度地圖的放大能力有限不能進(jìn)一步看出定位的真實(shí)誤差，為證明濾波算法的優(yōu)越性，對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)處理，并繪制二維的坐標(biāo)路線(xiàn)圖。如圖7所示，圖中虛線(xiàn)為BDS/GPS雙模定位的原始測(cè)量值，實(shí)線(xiàn)為經(jīng)過(guò)中值濾波和卡爾曼濾波之后的估計(jì)值，真實(shí)曲線(xiàn)為圓圈表示，從圖中可以明顯地看出經(jīng)過(guò)處理后，定位數(shù)據(jù)的定位精度得到了很大提高。

圖7 濾波算法處理前后定位路線(xiàn)比較Fig.7 Filtering algorithm positioning line comparison before and after processing

5 結(jié)論

1)BDS/GPS雙模定位技術(shù)在現(xiàn)代有軌電車(chē)中的應(yīng)用研究，提出的分段式組合定位方案很好地解決了衛(wèi)星定位存在盲區(qū)和可靠性差的問(wèn)題，同時(shí)又能夠滿(mǎn)足不同路段的不同定位需求。

2)為最大地發(fā)揮出雙模定位的優(yōu)勢(shì)，采用了一種新型的組合定位算法，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該算法使得雙模定位精度和可靠性有了很大的提高。

3)以上研究應(yīng)用表明，本系統(tǒng)可作為現(xiàn)代有軌電車(chē)的一種新型的定位方案。相信隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與普及，BDS/GPS雙模定位技術(shù)能在現(xiàn)代有軌電車(chē)中發(fā)揮出更加優(yōu)越的性能。

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Application researth on BDS/GPS dual-mode positioning technology for modern streetcar

WANG Di1,2，CHEN Guangwu1,2，YANG Ting1,2

(1. Automatic Control Institute，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China;2. Gansu Provincial Key Laboratory of Traffic Information Engineering and Control，Lanzhou 730070，China)

Real-time positioning and monitoring system is an essential component of modern tram operation control system, which is a vital system to ensure operating safety of modern tram. In view of the shortcomings of traditional GPS positioning, a high precision positioning system of modern tram based on BDS/GPS dual mode positioning technology was studied. A new positioning scheme that is depent on BDS/GPS dual mode positioning mainly, RFID/DR secondarily in different track section was put forward in this paper. Additionally, a combination of median filtering and Kalman filtering algorithm was proposed to improve the accuracy of dual mode positioning information. The result proves that the proposed method is more accurate and reliable than the traditional GPS positioning system, and can ensure the safe operation of modern tram.

modern tram; BDS/GPS dual mode positing; median filter; Kalman filter

2015-12-22

甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體計(jì)劃(160RJIA327)；蘭州交通大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2015035，2016024)

陳光武(1976-)，男，新疆阿克蘇市人，教授，博士，從事交通信息及控制研究；E-mail：cgwyjh1976@126.com

TP873

A

1672-7029(2016)11-2270-06