CN104590330B - 基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统及方法，包括地面设备和车载设备，地面设备包括地面主机、差分基站主机、地面差分基站北斗天线和数传单元，所述差分基站主机与地面差分基站北斗天线相连，地面主机分别连接差分基站主机和数传单元；所述车载设备包括车载主机、监控主机、无线数传模块和显示器，所述地面差分基站北斗天线与车载北斗天线接收卫星经纬度坐标，差分基站主机将接收的信息进行差分计算得到差分数据，通过无线数传模块发送至车载主机；车载主机通过总线与监控主机相连，监控主机连接显示器。本发明有效解决了STP系统开机后作业场区的自动识别、集中区分路不良机车位置丢失、非集中机车动态标识、时钟不同步等问题。

Description

基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统及方法

技术领域

本发明属于铁路信号设备领域，具体涉及一种基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统及方法。

背景技术

北斗卫星导航系统是中国自主研发、独立运行的卫星导航系统。STP系统是调车安全防护的辅助设备，通过其地面和车载设备将获取的集中联锁车站调车作业相关信号、道岔、轨道电路区段信息进行处理，车地采用无线通信方式，通过列车运行监控装置（LKJ），实现对调车机车信号显示和车列速度监控。STP系统在铁路运用中的地位越来越重要，目前仍存在一些问题：1、车载设备在站场内重启或开机后均要人工输入站场；2、分路不良导致机车位置丢失；3、调车机车进行非集中区后位置丢失无法对动力分布信息进行掌握；4、车载主机无操作界面时钟无法同步等问题，这给正常的调车作业和日常维护工作带来了一定的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统及方法，可以有效解决STP系统开机后作业场区的自动识别、分路不良和非集中机车位置丢失、时钟不同步等问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统，包括地面设备和车载设备，地面设备包括地面主机、差分基站主机、地面差分基站北斗天线和数传单元，所述差分基站主机与地面差分基站北斗天线相连，地面主机分别连接差分基站主机和数传单元；所述车载设备包括车载主机、监控主机、无线数传模块和显示器，车载主机上设置有北斗定位模块，北斗定位模块与车载北斗天线连接，所述地面差分基站北斗天线与车载北斗天线接收卫星经纬度坐标，差分基站主机将接收的信息进行差分计算得到差分数据，通过无线数传模块发送至车载主机；车载主机通过总线与监控主机相连，监控主机连接显示器。

作为优选，所述车载主机与北斗定位模块经RS232总线连接。

作为优选，所述数传单元采用广播方式发送差分数据至车载主机。

一种基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统的方法，包括如下步骤：

步骤1，在车载设备上设置北斗定位模块，地面设备中增设差分基站；

步骤2，检测分路区段是否正常，当连续出现2个分路区段不良时，执行步骤3，否则执行步骤5；

步骤3，将STP系统的站场图中增加经纬度坐标映射，然后执行步骤4；

步骤4，通过基站的定位数据和已知坐标点的数据计算出差分数据，再通过数据链将误差修正参数实时发送给地面主机，由地面主机通过数传单元发送至车载主机，车载主机通过数据链接收修正参数，和自己的定位数据进行修正解算得出准确的经纬度坐标；根据机车的经纬度坐标得到站场图中的位置；

步骤5，站场图形数字化：使用采集终端采集站场所有区段经纬坐标，根据经纬度坐标采集生成的图形与信号平面图进行映射关联，由经纬度坐标即可映射出在信号平面图的位置；然后进行机车位置跟踪定位。

作为优选，所述机车位置跟踪定位包括如下步骤：车载主机实时通过北斗定位模块和车载北斗天线获取机车前端经纬度坐标P’(x0,y0)，通过F（x,y）=G(x,y) -D，F（x,y）是通过输入经纬度坐标获取在信号平面图中的位置，G（x,y）为当前经纬度坐标对应的在信号平面图相对于前方信号机的距离，D为天线距前车钩距离（正常防护时是以前方车钩为防护点的，故北斗天线的位置还要再减去天线至车钩的距离）。

作为优选，还包括非集中区的机车动力位置监视步骤：采用站场图形数字化，车载主机可以实时通过北斗模块和天线获取机车前端经纬度坐标P’(x0,y0)，通过F（x,y）=G(x,y)，F（x,y）是通过输入经纬度坐标获取在信号平面图中的位置，G（x,y）为将经纬度坐标转换为列车中心距离非集中区边界的距离，实时标识机车所在非集中区的位置。

作为优选，还包括车载主机时钟同步步骤：利用北斗卫星时钟，定时对车载主机系统时间进行修正。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过在车载主机中增加北斗模块，地面增加基准站，可有效利用北斗定位技术运用于STP系统；2、通过对非集中区站场信息与经纬坐标映射，解决STP系统因轨道分路不良原因造成机车位置丢失问题；3、通过对非集中区站场信息与经纬坐标映射，解决调度对机车动力分布情况的掌握；4、通过车载主机的北斗定位模块接收的卫星钟实现对车载主机时间进行定时校核，保持时钟的一致性，便于系统日常故障分析的准确性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的系统流程图。

图3为本发明的站场图区场划分示意图。

图4为本发明的实际经纬度坐标与信号平面图映射示意图。

图5为本发明的站场图与坐标映射关系示意图。

图6为本发明的非集中区的机车动力位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明包括地面设备1和车载设备2，地面设备1包括地面主机102、差分基站主机101、地面差分基站北斗天线104和数传单元103，差分基站主机101与地面差分基站北斗天线104相连，地面主机102分别连接差分基站主机101和数传单元103，地面主机102与数传单元103之间通过RS232总线连接。

车载设备2包括车载主机201、监控主机202、无线数传模块205、显示器203、北斗定位模块和车载北斗天线204，车载主机201上设置有北斗定位模块，北斗定位模块与车载北斗天线204连接，车载主机201通过CAN总线与监控主机202相连，监控主机202连接显示器203，无线数传模块205与车载主机201连接，数传单元103经广播方式将信号传递给车载设备2的无线数传模块205。地面差分基站北斗天线104与车载北斗天线204接收卫星经纬度坐标，差分基站主机101将接收的信息进行差分计算得到差分数据，通过无线数传模块205发送至车载主机201，再结合机车当前经纬度坐标计算出当前相对准确的位置。

如图2所示，本发明的方法包括如下步骤：

步骤1，在车载设备上设置北斗定位模块，地面设备中增设差分基站；

步骤2，检测分路区段是否正常，当连续出现2个分路区段不良时，执行步骤3，否则执行步骤5；

步骤3，将STP系统的站场图中增加经纬度坐标映射，然后执行步骤4；

步骤4，通过北斗基站的定位数据和已知坐标点的数据解算出差分数据(主要包括卫星位置速度、钟偏钟漂、对流层延迟改正和相对论效应等)，再通过数据链将误差修正参数实时发送给地面主机，由地面主机通过数传电台发送至车载主机，车载主机通过数据链接收修正参数，和自己的定位数据进行修正解算得出准确的经纬度坐标；根据机车的经纬度坐标得到站场图中的位置；

步骤5，站场图形数字化：使用采集终端采集站场所有区段经纬坐标，根据经纬度坐标采集生成的图形与信号平面图进行映射关联，由经纬度坐标即可映射出在信号平面图的位置；然后进行机车位置跟踪定位。

北斗卫星导航技术在STP系统中运用方法是在车载集成北斗定位模块，地面增设差分基准站，即采用北斗定位差分技术提高机车经纬度坐标精度，将STP系统既有的站场图中增加经纬度坐标映射，实时根据机车的坐标映射出在站场图中的位置。如图3所示，每个站场图区场划分都有一个范围边界，1场范围可定义为ABCD区域，2场定位为CDEF区域，具体形状可结合站场进行定义。车载设备启动后，车载主机将从北斗定位模块接收的坐标和差分基站修正值计算当前经纬度坐标，判定该坐标属哪一个站场范围，然后直接设定对应的站场。由此实现站场的自动识别。

本发明可以解决牵引状态下由于分路不良带来的机车位置丢失问题：目前STP系统车列位置跟踪过程中，当连续出现多个分路不良区段时，由于机车位置无法跟踪，会导致机车位置丢失。通过以下方法可以解决此问题，此过程分为以下几步：

a、站场图形数字化，由于STP系统对站场图形的显示是采用信号平面图的方式，需建立实际经纬度坐标与信号平面图的映射。站场图形主要由无岔区段和道岔区段组成，持北斗采集终端，保持采集终端位于两条钢轨的中间位置，并以相对稳定的速度采集站场所有区段经纬度坐标，经纬度坐标的采集密度影响跟踪的精度，再根据经纬度度坐标采集生成的图形与信号平面图进行映射关联，如图4所示。最终可以实现获取一个经纬度坐标就可映射出在信号平面图中的位置。

b、实现机车位置跟踪定位：调车作业过程中，牵引状态下，由于天线安装在机车头部，天线的坐标加上设置距离（天线距前车钩）即为车列前端位置，作业过程中，车载主机实时通过北斗定位模块和车载北斗天线获取机车前端经纬度坐标P’(x0,y0)，通过F（x,y）=G(x,y) -D，F（x,y）是通过输入经纬度坐标获取在信号平面图中的位置，G（x,y）为当前经纬度坐标对应的在信号平面图相对于前方信号机的距离，D为天线距前车钩距离（正常防护时是以前方车钩为防护点的，故北斗天线的位置还要再减去天线至车钩的距离），如图5所示。当出现连续多个分路不良区段时，无法根据轨道电路进行跟踪，此时，判定当前机车位置所在区段未占用，则利用北斗定位的位置进行跟踪，可以有效解决致机车位置丢失问题。当机车推进过程中，出现多个非集中区，则可通过上述方法对机车头部进行定位，车列前方防护距离置为未知，避免机车丢失。

本发明还可实现非集中区的机车动力位置监视：在一些车站中，有较多的非集中区，既有STP系统在非集中区退出监控模式，不再显示调车机车位置，对于存在多个非集中区的车站，调度人员无法实现掌握机车动力分布情况。采用站场图形数字化，车载主机可以实时通过北斗模块和天线获取机车前端经纬度坐标P’(x0,y0)，通过F（x,y）=G(x,y)，F（x,y）是通过输入经纬度坐标获取在信号平面图中的位置，G（x,y）为将经纬度坐标转换为列车中心距离非集中区边界的距离，实时标识机车所在非集中区的大概位置。从而解决调度人员对调车机车分布信息掌握，如图6所示。

本发明可实现车载主机时钟同步：利用北斗卫星时钟，定时对车载主机系统时间进行修正，使系统工作时间保持与基准时标一致，便于后期对问题的分析。

本发明在STP系统中运用方法可以较好解决了现有技术中出现的问题，通过在车载主机中增加北斗定位模块和车载天线，地面增加差分基站（含接收主机和地面天线）。利用已知精确三维坐标的差分基站，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量以通过STP系统的数传电台以广播的方式发送给所有调车机车的车载设备，对车载主机北斗定位模块测量数据进行修正，提高获取的北斗定位坐标的精度。将站场线路的经纬度坐标进行采集，并与信号站场图建立映射，调车机车运行过程中，可通过实时获取机车当前经纬度坐标并通过映射确定机车所在位置。通过机车所在坐标位置及映射可以解决机车所在站场的不法自动识别、分路不良导致的机车位置丢失、非集中区机车位置分布监视等功能，利用北斗卫星时钟可解决对车载主机的时钟同步问题。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统的方法，其特征在于，该无线调车机车信号和监控系统包括地面设备和车载设备，地面设备包括地面主机、差分基站主机、地面差分基站北斗天线和数传单元，所述差分基站主机与地面差分基站北斗天线相连，地面主机分别连接差分基站主机和数传单元；所述车载设备包括车载主机、监控主机、无线数传模块和显示器，车载主机上经RS232总线设置有北斗定位模块，北斗定位模块与车载北斗天线连接，所述地面差分基站北斗天线与车载北斗天线接收卫星经纬度坐标，差分基站主机将接收的信息进行差分计算得到差分数据，通过无线数传模块发送至车载主机；车载主机通过总线与监控主机相连，监控主机连接显示器，所述数传单元采用广播方式发送差分数据至车载主机；

该方法包括如下步骤：

步骤1，在车载设备上设置北斗定位模块，地面设备中增设差分基站；

步骤2，检测分路区段是否正常，当连续出现2个分路区段不良时，执行步骤3，否则执行步骤5；

步骤3，将STP系统的站场图中增加经纬度坐标映射，然后执行步骤4；

步骤4，通过基站的定位数据和已知坐标点的数据计算出差分数据，再通过数据链将误差修正参数实时发送给地面主机，由地面主机通过数传单元发送至车载主机，车载主机通过数据链接收修正参数，和自己的定位数据进行修正解算得出准确的经纬度坐标；根据机车的经纬度坐标得到站场图中的位置；

步骤5，站场图形数字化：使用采集终端采集站场所有区段经纬坐标，根据经纬度坐标采集生成的图形与信号平面图进行映射关联，由经纬度坐标即可映射出在信号平面图的位置；然后进行机车位置跟踪定位。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统的方法，其特征在于：所述机车位置跟踪定位包括如下步骤：车载主机实时通过北斗定位模块和车载北斗天线获取机车前端经纬度坐标P’(x0,y0)，通过F（x,y）=G(x,y) -D，F（x,y）是通过输入经纬度坐标获取在信号平面图中的位置，G（x,y）为当前经纬度坐标对应的在信号平面图相对于前方信号机的距离，D为天线距前车钩距离，正常防护时是以前方车钩为防护点的，故北斗天线的位置还要再减去天线至车钩的距离。

3.根据权利要求1所述的一种基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统的方法，其特征在于：还包括非集中区的机车动力位置监视步骤：采用站场图形数字化，车载主机实时通过北斗模块和天线获取机车前端经纬度坐标P’(x0,y0)，通过F（x,y）=G(x,y)，F（x,y）是通过输入经纬度坐标获取在信号平面图中的位置，G（x,y）为将经纬度坐标转换为列车中心距离非集中区边界的距离，实时标识机车所在非集中区的位置。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于北斗卫星导航的无线调车机车信号和监控系统的方法，其特征在于：还包括车载主机时钟同步步骤：利用北斗卫星时钟，定时对车载主机系统时间进行修正。