CN103770808A - 基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法，系统包括GPS卫星和北斗卫星，设置于轨道上的轨道定位设备以及设置于列车上的北斗-GPS双模接收机和车载计算机，列控中心以及在轨道定位设备正常时与列车实现双向通信的GSM-R无线网络，在列车正常运行时本系统可协同轨道定位系统提供更精准的定位信息，在轨道定位设备失效的情况下本系统为列车提供北斗-GPS双模定位信息，并利用北斗的双向通信功能不依靠任何地面通信设备与列车实现通信，在危机情况下对列车进行自动减速乃至刹车确保列车系统正常运行作为列车的最后保护屏障，在确保列车定位信息可靠性的基础上提高了列车的安全性。

Description

基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法

技术领域

本发明涉及列车的辅助防护，具体涉及一种基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法。

背景技术

输送流动人口和各种物资资源的不平衡分布对我国的铁路运输提出了严峻的考验，铁路的安全运行显然是保证运输可靠性至关重要的因素。中国列车控制系统（CTCS）划分四个等级，目前广泛应用的是CTCS-2和CTCS-3。CTCS-2通过轨道电路检查轨道占用情况，并传送列控中心向列车发出的行车许可等信息；通过应答器告知列车线路信息，并传送列控中心发出的临时限速等信息。CTCS-3通过轨道电路检查轨道占用情况；通过应答器向列车传送定位信息；通过GSM-R无线网络实现列车与列控中心的双向通信。两种列控系统定位方式都依赖于地面设施，在极端恶劣的情况下可能会出现设备故障，出现错误的定位信号，造成安全隐患。

相比之下，北斗导航系统具有不依赖于地面设备定位，定位稳定性高，不易受天气，人为等因素的破坏的优点，可以为列车提供更加安全稳定的运行条件。同时北斗导航系统还具有双向通信功能，可以为列车和列控中心提供一条新的通信通道，作为特殊情况下通信的可靠保障。因此基于北斗导航系统设计一套独立于现有系统的辅助列车安全防护装置，对进一步提高列车运行的安全性具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法，在列车正常运行时协同原列车定位系统提供更精准的定位信息，在轨道定位设备失效的极端情况下为列车提供北斗-GPS双模定位信息并利用北斗的双向通信功能，有效防止了现有列车定位和通信系统在极端恶劣环境下发生故障可能导致的列车安全隐患。

本发明采用的技术方案具体为：一种基于北斗导航的辅助列车防护系统，包括设置于轨道上的轨道定位设备和设置于列车上的北斗-GPS双模接收机，所述轨道定位设备用于轨道信息系统正常时对列车进行轨道定位，生成列车轨道定位信息；所述北斗-GPS双模接收机在轨道信息系统正常和失效时均用于接收GPS卫星和北斗卫星对列车进行定位，生成双模定位信息。

车载计算机用于对所述轨道定位信息和双模定位信息进行比对，在轨道定位设备正常时对所述轨道定位和双模定位进行融合计算，将生成的更为精确的融合信息传送给列控中心。

所述列控中心在轨道定位设备正常时通过GSM-R无线通信与列车进行双向通信，综合分析多方列车的运行信息，向列车发出命令信息；所述列控中心在轨道定位设备失效时通过北斗短报文与列车进行双向通信。

一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，首先将基于北斗星导航系统和轨道定位信号系统的定位信息进行比较：

若两种系统得出的定位信息匹配，则表明轨道定位设备正常，此时对所述两种定位信息进行信息融合，得到更精确的列车定位信息，该种情况下，列车和列控中心通过GSM-R无线网络进行双向通信，实现对列车的正常的调度；

若两种系统得出的定位信息不匹配，则表明轨道定位设备失效，此时列车与列控中心脱离GSM-R无线网络，利用北斗卫星北斗短报文进行双向通信，对列车进行控制并在紧急情况下对列车进行制动。

在轨道定位设备正常运行时可协同原列车定位系统提供更精准的定位信息；在轨道定位设备失效的情况下为列车提供北斗-GPS双模定位信息；在危机情况下对列车进行自动减速乃至刹车，作为列车的最后保护屏障，具体包含以下步骤：

步骤1、信息比对；列车将获取的来自轨道定位设备的轨道定位信息和北斗-GPS双模接收机的双模定位信息进行比较，如果信息在允许误差之内则认为轨道定位设备正常，如果信息超过允许误差则认为轨道定位设备失效，同时通过北斗短报文告知列控中心以便及时采取修理措施；

步骤2、信息处理；如果所述信息比对的结果为轨道定位设备正常，则将两种位置信息进行信息融合，得到更精确的列车运行信息；如果结果为轨道定位设备失效，则丢弃轨道定位信息，将双模定位信息作为列车运行状态的信息；

步骤3、信息传递；在轨道定位设备正常的情况下，实时列车运行状态信息通过GSM-R无线通信传送给列控中心；在轨道定位设备失效的情况下，利用北斗短报文功能将实时列车运行状态信息以及轨道故障信息一并传送给列控中心；

步骤4、控制运行；列控中心对获取的列车运行状态信息进行综合分析，判断列车是否处于安全运行状态，在轨道定位设备正常的情况下通过GSM-R无线网络、在轨道定位设备失效的情况下通过北斗短报文传送给列车，发出调度指令，维持列车的正常运行；

步骤5、紧急制动；在极端危急情况下，当列控中心检测到前后相邻的两列车之间的距离d小于安全值S时，列车通过北斗短报文与所述列控中心进行双向通信，前方列车向后方列车发出紧急制动指令，所述车载计算机根据获取的包括前、后方列车的距离、自身列车的速度信息以及线路状况的信息计算出后方列车的所需的制动曲线，采取紧急制动措施。

所述步骤1的允许误差的具体计算过程为：记录每20次轨道定位位置和北斗-GPS双模定位位置的差值Δx₁,Δx₂,…Δx₂₀并求其均值

若

在最大允许误差差值M内则轨道定位设备正常。

所述最大允许误差差值其中：σ1为轨道定位允许误差，σ2为北斗-GPS双模定位允许误差。

所述步骤5中极端危险的判别方法为：设lng1、lng2分别表示前、后方列车的经度，lat1、lat2分别表示前、后方列车的纬度，则列控中心某时刻收到的前方列车位置信息为(lng1,lat1)，后方列车的位置信息(lng2,lat2)，通过公式θπ/180将角度制化为弧度制位置信息(radlng1,radlat1)和(radlng2,radlat2)，然后将所述前、后方列车的弧度制位置信息代入经纬度距离转换公式

$d=2R\arcsin (\sqrt{({\sin }^2((\mathrm{radlat}1-\mathrm{radlat}2)/2)+\cos \left(\mathrm{radlat}1\right)\cos \left(\mathrm{radlat}2\right){\sin }^2((\mathrm{rad}\ln g1-\mathrm{rad}\ln g2)}/2)$ 中，在两车之间线路为直线情况下，即得到该时刻前、后方列车之间的轨道距离d；当存在弯道或者其他道路形状时根据具体的轨道线路换算出前、后方列车之间的轨道距离d；上式中的R表示地球半径，R≈6378.137，d和R的单位均为km。

本发明产生的有益效果是：

本发明的一种基于北斗导航的辅助列车防护方法在轨道定位设备正常工作时结合北斗导航系统确定出更精准的位置信息，在轨道定位设备出现故障时利用北斗导航系统确定列车的位置信息，同时还可利用北斗卫星导航系统的短报文通信功能实现列车与列控中心的双向通信，防止通信系统故障导致车与列控中心信息传输出现问题的极端情况，保证了信息的可靠传输。因此本发明能在现有的列车定位系统和通信系统均故障的情况下仍能保障列车的安全运行，有效避免事故的发生。此外，两种定位系统共用一个列车控制系统，载节约资源的前提下可以更加有效地应对轨道定位信息系统出现故障的情况，兼顾经济性和可靠性。

附图说明

当结合附图考虑时，能够更完整更好地理解本发明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明基于北斗导航的辅助列车防护系统在轨道定位设备正常时的结构及工作原理示意图；

图2为本发明基于北斗导航的辅助列车防护系统在轨道定位设备失效时的结构及工作原理示意图；

图3为本发明基于北斗导航的辅助列车防护方法的流程框架图。

图中：1、GPS卫星2、北斗卫星3、列车4、列控中心。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

如图1-2所示的一种基于北斗导航的辅助列车防护系统，包括GPS卫星1和北斗卫星2，设置于轨道上的轨道定位设备（具体是通过轨道电路和应答器来完成轨道位置定位。）和设置于列车3上的北斗-GPS双模接收机和车载计算机，列控中心4以及在轨道定位设备正常时列车3和列控中心4进行通信的GSM-R无线网络。其中轨道定位设备生成列车的轨道定位信息；北斗-GPS双模接收机的一个作用是在轨道定位设备正常和失效时均接收列车定位信息，另一个作用是在轨道定位设备失效时按北斗短报文的方式与列控中心进行通信；车载计算机用于对轨道定位信息和北斗-GPS双模接收机接收到后的双模定位信息进行比对，并在轨道定位设备正常时对二者进行融合计算，得到更精确的列车定位信息；GSM-R网络是轨道定位设备正常情况下实现列车3与列控中心4的双向通信，轨道定位设备失效情况下，列控中心4利用北斗卫星2的短报文功能，与列车3进行双向通信，列车3将实时的列车运行状态信息以及轨道故障信息一并传送给列控中心4，列控中心4综合分析列车运行信息，发出调度指令或者极端危急情况下的紧急制动指令。

一种基于北斗导航的辅助列车防护方法的原理如图3所示，可分为轨道设备正常和故障两种不同情况，对应的控制策略分别如图1和图2所示。在列车3正常运行时，辅助列车防护系统可协同原列车的轨道定位系统提供更为精准的定位信息，在轨道定位设备失效的情况下，系统为列车3提供北斗-GPS双模定位信息，并利用北斗的双向通信功能，不依靠任何地面通信设备实现信息传递，并且在危机情况下作为列车3的最后保护屏障，对列车3进行自动减速乃至刹车以确保列车3正常运行。防护方法具体包含信息比对、信息处理、信息传递、控制运行和紧急制动五个步骤，具体过程如下：

步骤1、信息比对。列车3获取来自轨道定位设备和北斗-GPS双模定位信息后进行信息的比较，并以北斗-GPS为主要依据，如果信息出现较大的差异，则认为轨道地面定位设备出现故障，通过北斗短报文告知列控中心，以便及时采取修理措施。信息比对的具体过程为

每记录20次轨道定位位置和北斗-GPS双模定位位置的差值Δx₁,Δx₂,…Δx₂₀，求出其均值

若

在最大允许误差差值M之内则认为设备正常，否则不正常。其中M可由轨道定位允许误差σ1和北斗-GPS双模定位允许误差σ2给出。

步骤2、信息处理。如果比对得到来自轨道定位设备和北斗-GPS双模定位信息相近，则将两信息进行融合，得到更精确的列车运行信息。如果比对得到来自轨道定位设备和北斗-GPS双模定位信息存在较大的差异，则认为轨道地面定位设备出现故障，丢弃轨道定位信息，将北斗-GPS双模定位信息作为列车运行状态信息。

步骤3、信息传递。在北斗-GPS双模信息与轨道定位信息匹配的情况下，通过GSM-R无线通信方式，将实时列车运行状态信息传送给列控中心。在北斗-GPS双模信息与轨道定位信息不匹配时，认为轨道设备故障，利用北斗的短报文功能，将实时列车运行状态信息以及轨道故障信息传送给列控中心。

步骤4、控制运行。列控中心对获取的列车运行状态信息进行综合分析，发出相应的调度指令，通过GSM-R（通信系统正常情况）或北斗短报文方式（通信系统故障情况）传送给列车，维持列车的正常运行。列控中心某时刻收到的一车位置信息(lng1,lat1)和二车位置信息(lng2,lat2),(其中lng1和lng2分别表示一车、二车的经度；lat1和lat2分别表示一车、二车的纬度，通过公式θπ/180化为弧度制(radlng1,radlat1)和(radlng2,radlat2)，然后将弧度制的位置信息代入经纬度距离转换公式

$d=2R\arcsin (\sqrt{({\sin }^2((\mathrm{radlat}1-\mathrm{radlat}2)/2)+\cos \left(\mathrm{radlat}1\right)\cos \left(\mathrm{radlat}2\right){\sin }^2((\mathrm{rad}\ln g1-\mathrm{rad}\ln g2)}/2)$ 中（上式中，R表示地球半径，R≈6378.137km，d未前后两列车的轨道距离，单位也为km）

在两车之间线路为直线情况下，d即为该时刻两车的轨道距离，在存在弯道等其他曲线路面时，可根据实际的设计曲线换算出两车的轨道距离。列控中心4根据实际的轨道距离值可判断出列车3是否处于危险状态，若处于危险状态，则执行步骤5。

步骤5、紧急制动。在极端危急情况下，列控中心4检测到有两列车距离d小于安全值S，通过北斗卫星2的短报文功能向后方列车发出紧急制动指令，以防止事故发生。后方列车的车载计算机根据包括前后、方列车距离、自身列车参数以及线路状况等在内的参数信息计算出紧急制动曲线，采取紧急制动措施。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，显然，只要实质上没有脱离本发明点的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于北斗导航的辅助列车防护系统，其特征在于，包括设置于轨道上的轨道定位设备和设置于列车上的北斗-GPS双模接收机，所述轨道定位设备用于轨道信息系统正常时对列车进行轨道定位，生成列车轨道定位信息；所述北斗-GPS双模接收机在轨道信息系统正常和失效时均用于接收GPS卫星和北斗卫星对列车进行定位，生成双模定位信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护系统，其特征在于，车载计算机用于对所述轨道定位信息和双模定位信息进行比对，在轨道定位设备正常时对所述轨道定位和双模定位进行融合计算，将生成的更为精确的融合信息传送给列控中心。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护系统，其特征在于，所述列控中心在轨道定位设备正常时通过GSM-R无线通信与列车进行双向通信，综合分析多方列车的运行信息，向列车发出命令信息；所述列控中心在轨道定位设备失效时通过北斗短报文与列车进行双向通信。

4.一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，首先将基于北斗星导航系统和轨道定位信号系统的定位信息进行比较：

若两种系统得出的定位信息匹配，则表明轨道定位设备正常，此时对所述两种定位信息进行信息融合，得到更精确的列车定位信息，该种情况下，列车和列控中心通过GSM-R无线网络进行双向通信，实现对列车的正常的调度；

上述的信息融合包括对列车3的速度信息的融合和位置信息的融合；其中，列车3获取的速度信息来源包括设置于列车3上的北斗-GPS双模接收机、车轮脉冲测速传感器和雷达测速等，作为一种较佳实施例，上述的速度信息的融合采用联邦卡尔曼滤波算法，以脉冲测速信息作为公共参考信息，经各个子滤波器分别滤波后将信息送入主滤波器，和主滤波器的估计值一起融合得到全局最优估计；CTCS-3以地面应答器收到的位置信息为基准，通过测速单元等设备测量列车运行距离来获得列车位置，将这两种方式获取的定位信息用卡尔曼滤波的方式进行融合，得到更精准的定位信息；

若两种系统得出的定位信息不匹配，则表明轨道定位设备失效，此时列车与列控中心脱离GSM-R无线网络，利用北斗卫星北斗短报文进行双向通信，对列车进行控制并在紧急情况下对列车进行制动。

5.根据权利要求4所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，在轨道定位设备正常运行时可协同原列车定位系统提供更精准的定位信息；在轨道定位设备失效的情况下为列车提供北斗-GPS双模定位信息；在危机情况下对列车进行自动减速乃至刹车，作为列车的最后保护屏障，具体包含以下步骤：

步骤1、信息比对；列车将获取的来自轨道定位设备的轨道定位信息和北斗-GPS双模接收机的双模定位信息进行比较，如果信息在允许误差之内则认为轨道定位设备正常，如果信息超过允许误差则认为轨道定位设备失效，同时通过北斗短报文告知列控中心以便及时采取修理措施；

步骤2、信息处理；如果所述信息比对的结果为轨道定位设备正常，则将两种位置信息进行信息融合，得到更精确的列车运行信息；如果结果为轨道定位设备失效，则丢弃轨道定位信息，将双模定位信息作为列车运行状态的信息；

步骤3、信息传递；在轨道定位设备正常的情况下，实时列车运行状态信息通过GSM-R无线通信传送给列控中心；在轨道定位设备失效的情况下，利用北斗短报文功能将实时列车运行状态信息以及轨道故障信息一并传送给列控中心；

步骤4、控制运行；列控中心对获取的列车运行状态信息进行综合分析，判断列车是否处于安全运行状态，在轨道定位设备正常的情况下通过GSM-R无线网络、在轨道定位设备失效的情况下通过北斗短报文传送给列车，发出调度指令，维持列车的正常运行；

步骤5、紧急制动；在极端危急情况下，当列控中心检测到前后相邻的两列车之间的距离d小于安全值S时，列车通过北斗短报文与所述列控中心进行双向通信，列控中心向后方列车发出紧急制动指令，所述车载计算机根据获取的包括前、后方列车的距离、自身列车的速度信息以及线路状况的信息计算出后方列车的所需的制动曲线，采取紧急制动措施。

6.根据权利要求5所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，所述步骤1的允许误差的具体计算过程为：记录每20次轨道定位位置和北斗-GPS双模定位位置的差值Δx₁,Δx₂,…Δx₂₀并求其均值

若

在最大允许误差差值M内，则认为轨道定位设备正常。

7.根据权利要求6所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，

其中：σ1为轨道定位允许误差，σ2为北斗-GPS双模定位允许误差。

8.根据权利要求5所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，所述步骤5中极端危险的判别方法为：设lng1、lng2分别表示前、后方列车的经度，lat1、lat2分别表示前、后方列车的纬度，则列控中心某时刻收到的前方列车位置信息为(lng1,lat1)，后方列车的位置信息(lng2,lat2)，通过公式θπ/180将角度制化为弧度制位置信息(radlng1,radlat1)和(radlng2,radlat2)，然后将所述前、后方列车的弧度制位置信息代入经纬度距离转换公式

$d=2R\arcsin (\sqrt{({\sin }^2((\mathrm{radlat}1-\mathrm{radlat}2)/2)+\cos \left(\mathrm{radlat}1\right)\cos \left(\mathrm{radlat}2\right){\sin }^2((\mathrm{rad}\ln g1-\mathrm{rad}\ln g2)}/2)$ 中，在两车之间线路为直线情况下，即得到该时刻前、后方列车之间的轨道距离d；当存在弯道或者其他道路形状时根据具体的轨道线路换算出前、后方列车之间的轨道距离d；上式中的R表示地球半径，R≈6378.137，d和R的单位均为km。

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