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Vision and Inertial Sensors Fusion for Train Positioning in GNSS-Denied Environments

全球导航卫星系统应用 计算机科学 传感器融合 惯性测量装置 惯性导航系统 惯性参考系 全球定位系统 航空航天工程 工程类 计算机视觉 物理 电信 量子力学
作者
Haifeng Song,Haoyu Zhang,Xiaoqing Wu,Wangzhe Li,Hairong Dong
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:25 (18): 35323-35334 被引量:5
标识
DOI:10.1109/jsen.2025.3597772
摘要

Accurate train positioning is essential for ensuring safety and operational efficiency in modern rail systems. Traditional methods based on trackside infrastructure or satellite signals often suffer from limited precision or high cost, especially in GNSS-denied environments. To address these challenges, this paper proposes a hybrid vision-inertial train positioning method that combines visual absolute positioning with IMU-based relative positioning. An enhanced YOLO-based object detection algorithm and an end-to-end text recognition network are employed to identify and interpret railway landmarks. The absolute position of the train is then retrieved by matching recognized text with a pre-constructed database. To achieve continuous and robust localization, a Differential Evolution Kalman Filter (DE-KF) is introduced to adaptively fuse IMU data with the vision-derived observations, dynamically tuning the process noise covariance in response to environmental variation. The proposed method was validated at the Beijing National Railway Experimental Center. Experimental results demonstrate that the system maintains positioning errors within 3.5 meters and achieves high recognition performance, with an mAP50 of 98.0%. These findings confirm the effectiveness of the proposed fusion framework for real-time, accurate, and resource-efficient train localization.
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