CN104760607B - 基于卫星定位的列车轨道占用检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于卫星定位的列车轨道占用检测方法和装置。该方法主要包括：列车头部和尾部的卫星定位接收机接收卫星星历数据和伪距数据，根据所述卫星星历数据和伪距数据计算出所述列车的车头和车尾的定位位置；根据设定的定位漏检率和误检率计算出所述列车的定位水平保护距离；根据所述列车的定位水平保护距离，结合电子地图将所述列车的车头和车尾的定位位置映射在轨道线路上，得到所述列车在所述轨道线路上的占用区间。本发明实施例通过在列车头部尾部设置卫星定位接收机，可以仅利用车载设备来完成列车的区间轨道占用计算，不需要利用轨道电路或计轴器等地面设备，可以大大节约地面设备的建设和维护成本，大大减少了成本。

Description

基于卫星定位的列车轨道占用检测方法和装置

技术领域

本发明涉及列车运行控制技术领域，尤其涉及一种基于卫星定位的列车轨道占用检测方法和装置。

背景技术

列车在铁路上运行时，轨道占用的检测是列车运行控制的基础。铁路线路是否空闲或被占用的检测确认，是保证铁路行车安全的重要条件。目前，现有的轨道占用判定方法有以下两种：

(1)、轨道电路

轨道电路的组成设备有：信息发送设备、钢轨、信息接收设备。其工作原理是：信息发送设备利用两条钢轨作传输线，将信息传输至信息接收设备，当列车轮对踏上该段钢轨之后，钢轨短路，信息接收设备无法收到来自信息发送设备的信息，从而判断该区段轨道被列车占用。

(2)、计轴器

计轴器通过检测进入区段的轮轴数目和离开区段的轮轴数的方法，确认列车是否占用或离开该区段，以此证明该区段是否处于空闲状态。

上述现有的轨道占用检测方法是利用轨道电路或计轴器等地面设备实现的，建设成本较高，轨道电路和计轴器作为电气设备，需要定期的性能测试和参数校准，人力资源费用和设备维护费用较高。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于卫星定位的列车轨道占用检测方法，以实现利用车载设备来完成列车的区间轨道占用计算。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于卫星定位的列车轨道占用检测方法，包括：

列车头部和尾部的卫星定位接收机接收卫星星历数据和伪距数据，根据所述卫星星历数据和伪距数据计算出所述列车的车头和车尾的定位位置；

根据设定的定位漏检率和误检率计算出所述列车的定位水平保护距离；

根据所述列车的定位水平保护距离，结合电子地图将所述列车的车头和车尾的定位位置映射在轨道线路上，得到所述列车在所述轨道线路上的占用区间。

优选地，所述的列车头部和尾部的卫星定位接收机接收卫星星历数据和伪距数据，根据所述卫星星历数据和伪距数据计算出所述列车的车头和车尾的定位位置，包括：

为了计算出列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)，在可见卫星中选择至少四颗卫星进行伪距测量，产生伪距方程组：

ρ_i＝||s_j-u||+ct_u

所述伪距方程组展开得到：

ρ_j指第j颗卫星的伪距，x_j、y_j、z_j指第j颗卫星的三维位置，t_u列车车头位置或者车尾位置安装的卫星定位接收机的钟差；

通过线性迭代方法来求解所述伪距方程组，得到所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)。

优选地，所述的通过线性迭代方法来求解所述伪距方程组，得到所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)，包括：

设偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)表示所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)与定位点近似位置之间的偏差；

所述近似位置的初始值设置为(0.0.0)，通过迭代运算求出近似位置的最终值，将所述伪距方程组在近似位置处按泰勒级数展开，得到用已知坐标和伪距测量的线性函数表示的位置偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)，求得结果如下：

Δρ＝HΔx

即

Δx＝H^-1Δρ

其中

所述a_xj,a_yj,a_zj表示由所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的近似位置指向第j颗卫星的单位矢量的方向余弦，通过获取不少于4颗卫星的伪距信息和星历信息，利用上述方程通过迭代运算求解出4个未知量Δx_u,Δy_u,Δz_u,Δt_u来，并求解出近似位置的最终值；

根据所述偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)和近似位置的最终值，计算出所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)。

优选地，所述的根据设定的定位漏检率和误检率计算出所述列车的定位水平保护距离，包括：

考虑测量噪声的线性化测量方程如下所示：

y＝Hx+ε

其中ε是n×1测量误差矢量；

对所述线性关联矩阵H进行QR分解得到奇偶变换矩P；

计算出与所选取的每颗卫星线性关联的斜率SLOPE(i)：

式中，A≡(H^TH)^-1H^T，S＝P^TP；

SLOPE_max为所选取的卫星线性关联的最大斜率；

计算

上述公式中的x为检测门限，Γ是伽马函数，自由度k＝可见卫星数-4，f_cent(x)为中心χ²密度函数，p_FA为设定的误检概率；

计算

上述公式中的f_N.C.(x)为非中心χ²密度函数，x为检测门限，j为整数，P_md为设定的定位漏检率，λ为非中心χ²密度函数的非中心参量，

计算出临界偏差记pbias：

所述λ是非中心χ²密度函数的非中心参量，所述σ_UERE是设定的卫星伪距测量误差的标准差；

所述列车的定位水平保护距离HPL的计算公式如下：

HPL＝SLOPE_max×pbias。

优选地，所述的根据所述列车的定位水平保护距离，结合电子地图将所述列车的车头和车尾的定位位置映射在轨道线路上，得到所述列车在所述轨道线路上的占用区间，包括：

设列车运行方向为公里标增大方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)-HPL_EOT(i)-B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)+HPL_HOT(i)+B_HOT(i)

设列车运行方向为公里标减小方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)+HPL_EOT(i)+B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)-HPL_HOT(i)-B_HOT(i)

其中，S_HOT(i)，S_EOT(i)为第i时刻车头、车尾位置的定位点的公里标，HPL_HOT(i)，HPL_EOT(i)为第i时刻车头、车尾GPS定位的水平保护距离，B_HOT(i)，B_EOT(i)为第i时刻车头、车尾的安全保护距离。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于卫星定位的列车轨道占用检测装置，包括：

定位位置计算模块，用于通过列车头部和尾部的卫星定位接收机接收卫星星历数据和伪距数据，根据所述卫星星历数据和伪距数据计算出所述列车的车头和车尾的定位位置；

定位水平保护距离计算模块，用于根据设定的定位漏检率和误检率计算出所述列车的定位水平保护距离；

占用区间计算模块，用于根据所述列车的定位水平保护距离，结合电子地图将所述列车的车头和车尾的定位位置映射在轨道线路上，得到所述列车在所述轨道线路上的占用区间。

优选地，所述的定位位置计算模块，具体用于为了计算出列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)，在可见卫星中选择至少四颗卫星进行伪距测量，产生伪距方程组：

ρ_i＝||s_j-u||+ct_u

所述伪距方程组展开得到：

ρ_j指第j颗卫星的伪距，x_j、y_j、z_j指第j颗卫星的三维位置，t_u列车车头位置或者车尾位置安装的卫星定位接收机的钟差；

通过线性迭代方法来求解所述伪距方程组，得到所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)。

优选地，所述的定位位置计算模块，具体用于设偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)表示所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)与定位点近似位置之间的偏差；

所述近似位置的初始值设置为(0.0.0)，通过迭代运算求出近似位置的最终值，将所述伪距方程组在近似位置处按泰勒级数展开，得到用已知坐标和伪距测量的线性函数表示的位置偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)，求得结果如下：

Δρ＝HΔx

即

Δx＝H^-1Δρ

其中

所述a_xj,a_yj,a_zj表示由所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的近似位置指向第j颗卫星的单位矢量的方向余弦，通过获取不少于4颗卫星的伪距信息和星历信息，利用上述方程通过迭代运算求解出4个未知量Δx_u,Δy_u,Δz_u,Δt_u来，并求解出近似位置的最终值；

根据所述偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)和近似位置的最终值，计算出所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)。

优选地，所述的定位水平保护距离计算模块，具体用于设考虑测量噪声的线性化测量方程如下所示：

y＝Hx+ε

其中ε是n×1测量误差矢量；

对所述线性关联矩阵H进行QR分解得到奇偶变换矩P；

计算出所选取的每颗卫星线性关联的斜率SLOPE(i)：

式中，A≡(H^TH)^-1H^T，S＝P^TP；

SLOPE_max为所选取的卫星线性关联的最大斜率；

计算

上述公式中的x为检测门限，Γ是伽马函数，自由度k＝可见卫星数-4，f_cent(x)为中心χ²密度函数，p_FA为设定的误检概率；

计算

上述公式中的f_N.C.(x)为非中心χ²密度函数，x为检测门限，j为整数，P_md为设定的定位漏检率，λ为非中心χ²密度函数的非中心参量，

计算出临界偏差记pbias：

所述λ是非中心χ²密度函数的非中心参量，所述σ_UERE是设定的卫星伪距测量误差的标准差；

所述列车的定位水平保护距离HPL的计算公式如下：

HPL＝SLOPE_max×pbias。

优选地，所述的占用区间计算模块，用于设列车运行方向为公里标增大方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)-HPL_EOT(i)-B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)+HPL_HOT(i)+B_HOT(i)

设列车运行方向为公里标减小方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)+HPL_EOT(i)+B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)-HPL_HOT(i)-B_HOT(i)

其中，S_HOT(i)，S_EOT(i)为第i时刻车头、车尾位置的定位点的公里标，HPL_HOT(i)，HPL_EOT(i)为第i时刻车头、车尾GPS定位的水平保护距离，B_HOT(i)，B_EOT(i)为第i时刻车头、车尾的安全保护距离。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过在列车头部和尾部设置卫星定位接收机，可以仅利用车载设备来完成列车的区间轨道占用计算，不需要利用轨道电路或计轴器等地面设备，可以大大节约地面设备的建设和维护成本，大大减少了成本。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种基于卫星定位的列车轨道占用检测方法的处理流程图；

图2为本发明实施例一提供的一种自由度χ²的密度函数的示意图；

图3为本发明实施例一提供的一种每颗可见卫星的特征斜率线示意图；

图4为本发明实施例一提供的一种在SLOPE_max卫星上有临界偏差的散布图；

图5为本发明实施例一提供的一种区间列车完整占用示意图；

图6为本发明实施例一提供的一种为列车区间在不同时刻的占用示意图；

图7为本发明实施例二提供了一种基于卫星定位的列车轨道占用检测装置的具体实现结构图，图中，定位位置计算模块71，定位水平保护距离计算模块72，占用区间计算模块73。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本发明实施例主要针对低密度铁路线运营要求，提出并设计一种基于卫星定位的区间列车轨道占用判定方法，该方法涉及卫星定位、无线通信、轨道电子地图、地图匹配等技术，判断列车在区间运行时的轨道占用情况，从而对多个列车的追踪运行进行控制，保证列车在铁路上的安全运行。

该实施例提供的一种基于卫星定位的列车轨道占用检测方法的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤S110、列车头部和尾部的卫星定位接收机接收卫星星历数据和伪距数据。

本发明实施例需要在列车车头、车尾分别安装卫星定位接收机，通过对车头、车尾定位结果的处理判断轨道是否被占用。

列车车头、车尾的卫星定位接收机实时接收卫星星历数据和伪距数据，为HPL计算提供数据支持。根据上述卫星星历数据和伪距数据分别针对车头、车尾进行卫星定位解算，计算出列车的列车车头位置和车尾位置的定位点的三维位置。

为了计算出列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)，需要在可见卫星中选择至少四颗卫星进行伪距测量，产生伪距方程组：

ρ_i＝||s_j-u||+ct_u (1)

方程展开得：

ρ_j指第j颗卫星的伪距，x_j、y_j、z_j指第j颗卫星的三维位置，t_u列车车头位置安装的卫星定位接收机的钟差t_u。

针对上述非线性方程，本发明实施例采用线性迭代技术求解。利用偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)来表示定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)与定位点近似位置之间的偏差。近似位置的初始值可以设置为(0.0.0)，通过迭代运算求出近似位置的最终值。将式(2)至式(5)在近似位置点处按泰勒级数展开，便可以得到用已知坐标和伪距测量的线性函数表示的位置偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)。求得结果如下：

Δρ＝HΔx (6)

即

Δx＝H^-1Δρ (7)

其中

式(8)中a_xj,a_yj,a_zj各项表示由近似用户位置指向第j颗卫星的单位矢量的方向余弦。通过获取不少于4颗卫星的伪距信息和星历信息，利用上述方程将这4个未知量Δx_u,Δy_u,Δz_u,Δt_u求解出来，算出Δx，便可以得出定位点的坐标(x_u,y_u,z_u)和接收机钟差t_u，可以接受的位移取决于用户的精度要求。

利用上述方程通过迭代运算求解出4个未知量Δx_u,Δy_u,Δz_u,Δt_u来，并求解出近似位置的最终值。根据所述偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)和近似位置的最终值，计算出列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)。

步骤S120、根据需求设置相应的置信区间、定位漏检率和误检率，利用风险评估公式，计算出列车的HPL(Horizontal Protection Level，定位水平保护距离)。

考虑测量噪声的线性化测量方程如下所示：

y＝Hx+ε (9)

其中ε是n×1测量误差矢量。

对y进行奇偶矩阵变换，p＝Py，式中的奇偶变换矩阵P定义为(n-4)×n矩阵，它可以通过H矩阵的QR分解而获得。

首先，根据需求和标准设定定位漏检率P_md和误检概率p_FA。

对于6颗或以上的可见卫星来说，用具有n-4个自由度的χ²分布对检验统计量建模，各测量残差的平方之和具有χ²分布。对于5颗卫星可视的情况则用高斯分布。χ²密度函数的一般公式如下所列：

对中心χ²分布来说

公式10中，x为检测门限，Γ是伽马函数，自由度k＝可见卫星数-4，可见卫星数是已知的，k即为已知，f_cent(x)为中心χ²密度函数。

通过上述公式10可以求解出检测门限x,再将检测门限x代入下面的公式11，求解出λ，λ是非中心χ²密度函数的非中心参数值。

对非中心χ²分布来说，

上述公式11中，f_N.C.(x)为非中心χ²密度函数，j为整数，j＝0,1,2…；

6颗可见卫星情况下的自由度χ²的密度函数(2自由度)的示意图如图2所示。这些密度函数用于规定检测门限，以满足虚警和漏检概率的要求。

本发明实施例中设定漏检率为0.001，误检率为0.005，不同的可见星数，经计算得到对应的λ值如表1所示：

表1不同可见卫星数对应的非中心参数值

图3示每颗可见卫星的特征斜率线，由估计的线性无噪声模型得出，它代表了水平位置误差与校验统计量之间的关系。这些斜率是线性关联矩阵H的函数，并且当卫星空间几何分布发生变化时，这些斜率值会发生变化。与每颗卫星线性关联的斜率可由下式给出：

式中

A≡(H^TH)^-1H^T

而S可根据P直接计算

S＝P^TP

图4为在SLOPE_max卫星上有临界偏差的散布图，图4中所示的椭圆形“数据云团”描述了当斜率最大的卫星有了偏差时会发生的散布。这个偏差使处于检测门限左侧的数据的百分比等于漏检率。小于这个值的任何偏差会把“数据云团”向左移动，把漏检率提高到超出许可的界限。奇偶空间的这个临界偏差记为pbias,该pbias为基于所选虚警和漏检概率的最小可检测偏差，取决于可见卫星数。

式中，λ是非中心χ²密度函数的非中心参数值，σ_UERE是卫星伪距测量误差的标准差，σ_UERE经验值取5。

列车的HPL由下式确定：

HPL＝SLOPE_max×pbias (14)

上述列车的HPL的计算过程可以通过列车的车载控制器等车载设备来完成。

步骤S130、根据计算出的HPL，结合电子地图，将定位结果映射在轨道线路上，得出列车最不利车头位置和车尾位置，进而得到列车在轨道上的占用区间。

根据上述计算出的HPL，结合电子地图，将卫星定位水平保护长度垂直投影到铁路线路上，从而实现列车占用检测。

区间列车占用检测，完整列车在区间轨道上的覆盖范围，因为列车实时定位过程中会产生一定的误差，所以该覆盖范围应该加上定位误差以及一定的安全保护距离。结合之前计算的HPL，可以将列车位置扩展到列车整体，将列车车头、车尾位置添加水平保护距离和安全距离构成完整的列车占用。实现区间列车占用判定最直观的方法，就是获取车头和车尾的定位点在轨道上的位置、定位水平保护距离以及一定的安全距离，进而确定区间列车在闭塞分区的占用情况。安全距离经验值一般取30米。该实施例提供的一种区间列车完全占用示意图如图5所示，HPL、SBD的下标HOT代表车头相关位置量,下标EOT代表车尾相关位置量，最佳车头、车尾位置代表了卫星定位结合电子地图估计所得的最可能位置，通过HPL和SD的计算进一步为其增加安全距离,得到列车的最不利前端/后端位置，即图5中的最差车头位置和最差车尾位置，进一步提高了列车运行的安全性。

本发明实施例通过卫星定位接收获取车头、车尾实时的位置，由于定位误差，其定位结果不可能直接落在轨道上，结合电子地图将定位点投影到在轨道上，电子地图数据库中每一个经纬度都对应着一个公里标，将实时计算出的水平保护距离HPL结合列车车头和车尾的公里标，再加上一定的安全距离，即可以确定区间列车占用。而且在不同时刻，计算出的水平保护距离是不同的，其占用范围也就不同，该实施例提供的一种为列车区间在不同时刻的占用示意图如图6所示。

假设列车运行方向为公里标增大方向，则不同时刻所得区间列车占用S_range(i)可以用下式表示：

S_EOT(i)-HPL_EOT(i)-B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)+HPL_HOT(i)+B_HOT(i)

设列车运行方向为公里标减小方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)+HPL_EOT(i)+B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)-HPL_HOT(i)-B_HOT(i)

其中S_HOT(i)，S_EOT(i)为第i时刻车头、车尾位置的公里标；HPL_HOT(i)，HPL_EOT(i)为第i时刻车头、车尾GPS定位的水平保护距离；B_HOT(i)，B_EOT(i)为第i时刻车头、车尾的安全保护距离。

上述列车在所述轨道线路上的占用区间的计算过程可以通过车载控制器等车载设备来完成。

实施例二

该实施例提供了一种基于卫星定位的列车轨道占用检测装置，其具体实现结构如图7所示，具体可以包括如下的模块：

定位位置计算模块71，用于通过列车头部和尾部的卫星定位接收机接收卫星星历数据和伪距数据，根据所述卫星星历数据和伪距数据计算出所述列车的车头和车尾的定位位置；

定位水平保护距离计算模块72，用于根据设定的定位漏检率和误检率计算出所述列车的定位水平保护距离；

占用区间计算模块73，用于根据所述列车的定位水平保护距离，结合电子地图将所述列车的车头和车尾的定位位置映射在轨道线路上，得到所述列车在所述轨道线路上的占用区间。

进一步地，所述的定位位置计算模块71，具体用于为了计算出列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)，在可见卫星中选择至少四颗卫星进行伪距测量，产生伪距方程组：

ρ_i＝||s_j-u||+ct_u

所述伪距方程组展开得到：

ρ_j指第j颗卫星的伪距，x_j、y_j、z_j指第j颗卫星的三维位置，t_u列车车头位置或者车尾位置安装的卫星定位接收机的钟差；

通过线性迭代方法来求解所述伪距方程组，得到所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)。

进一步地，所述的定位位置计算模块71，具体用于设偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)表示所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)与定位点近似位置之间的偏差；

所述近似位置的初始值设置为(0.0.0)，通过迭代运算求出近似位置的最终值，将所述伪距方程组在近似位置处按泰勒级数展开，得到用已知坐标和伪距测量的线性函数表示的位置偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)，求得结果如下：

Δρ＝HΔx

即

Δx＝H^-1Δρ

其中

所述a_xj,a_yj,a_zj表示由所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的近似位置指向第j颗卫星的单位矢量的方向余弦，通过获取不少于4颗卫星的伪距信息和星历信息，利用上述方程通过迭代运算求解出4个未知量Δx_u,Δy_u,Δz_u,Δt_u来，并求解出近似位置的最终值；

根据所述偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)和近似位置的最终值，计算出所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)。

进一步地，所述的定位水平保护距离计算模块72，具体用于设考虑测量噪声的线性化测量方程如下所示：

y＝Hx+ε

其中ε是n×1测量误差矢量；

对所述线性关联矩阵H进行QR分解得到奇偶变换矩P；

计算出所选取的每颗卫星线性关联的斜率SLOPE(i)：

式中，A≡(H^TH)^-1H^T，S＝P^TP；

SLOPE_max为所选取的卫星线性关联的最大斜率；

计算

上述公式中的x为检测门限，Γ是伽马函数，自由度k＝可见卫星数-4，f_cent(x)为中心χ²密度函数，p_FA为设定的误检概率；

计算

上述公式中的f_N.C.(x)为非中心χ²密度函数，j为常数，j＝0,1,2…，P_md为设定的定位漏检率，λ为非中心χ²密度函数的非中心参量，

计算出临界偏差记pbias：

所述λ是非中心χ²密度函数的非中心参量，所述σ_UERE是设定的卫星伪距测量误差的标准差；

所述列车的定位水平保护距离HPL的计算公式如下：

HPL＝SLOPE_max×pbias。

进一步地，所述的占用区间计算模块73，用于设列车运行方向为公里标增大方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)-HPL_EOT(i)-B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)+HPL_HOT(i)+B_HOT(i)

设列车运行方向为公里标减小方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)+HPL_EOT(i)+B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)-HPL_HOT(i)-B_HOT(i)

其中，S_HOT(i)，S_EOT(i)为第i时刻车头、车尾位置的定位点的公里标，HPL_HOT(i)，HPL_EOT(i)为第i时刻车头、车尾GPS定位的水平保护距离，B_HOT(i)，B_EOT(i)为第i时刻车头、车尾的安全保护距离。

用本发明实施例的装置进行基于卫星定位的列车轨道占用检测的具体过程与前述方法实施例类似，此处不再赘述。

综上所述，本发明实施例通过在列车头部和尾部设置卫星定位接收机，可以仅利用车载设备来完成列车的区间轨道占用计算，不需要利用轨道电路或计轴器等地面设备，可以大大节约地面设备的建设和维护成本，大大减少了成本。

本发明实施例提出了基于slope的HPL算法，在给定的置信区间、定位漏检率、误检率的提前下计算HPL，保证了HPL计算的准确性。本发明实施例结合轨道电子地图，将HPL垂直投影到轨道线路上，并根据经验值添加安全距离，进一步保证了列车运行的安全性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于卫星定位的列车轨道占用检测方法，其特征在于，包括：

列车头部和尾部的卫星定位接收机接收卫星星历数据和伪距数据，根据所述卫星星历数据和伪距数据计算出所述列车的车头和车尾的定位位置；

根据设定的定位漏检率和误检率计算出所述列车的定位水平保护距离；

根据所述列车的定位水平保护距离，结合电子地图将所述列车的车头和车尾的定位位置映射在轨道线路上，得到所述列车在所述轨道线路上的占用区间；

所述的列车头部和尾部的卫星定位接收机接收卫星星历数据和伪距数据，根据所述卫星星历数据和伪距数据计算出所述列车的车头和车尾的定位位置，包括：

为了计算出列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)，在可见卫星中选择至少四颗卫星进行伪距测量，产生伪距方程组：

ρ_i＝||s_j-u||+ct_u,其中s_j表示卫星位置信息，u表示接收机位置信息，c为光速常量，t_u为信号从卫星与接收机时钟钟差；

所述伪距方程组展开得到：

${\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{(x_1-x_u)}^2+{(y_1-y_u)}^2+{(z_1-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u$

${\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{(x_2-x_u)}^2+{(y_2-y_u)}^2+{(z_2-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u$

${\mathrm{\ρ}}_3=\sqrt{{(x_3-x_u)}^2+{(y_3-y_u)}^2+{(z_3-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u$

${\mathrm{\ρ}}_4=\sqrt{{(x_4-x_u)}^2+{(y_4-y_u)}^2+{(z_4-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u$

ρ_j指第j颗卫星的伪距，x_j、y_j、z_j指第j颗卫星的三维位置，t_u列车车头位置或者车尾位置安装的卫星定位接收机的钟差；

通过线性迭代方法来求解所述伪距方程组，得到所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)；

所述的通过线性迭代方法来求解所述伪距方程组，得到所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)，包括：

设偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)表示所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)与定位点近似位置之间的偏差；

所述近似位置的初始值设置为(0.0.0)，通过迭代运算求出近似位置的最终值，将所述伪距方程组在近似位置处按泰勒级数展开，得到用已知坐标和伪距测量的线性函数表示的位置偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)，求得结果如下：

Δρ＝HΔx

即

Δx＝H^-1Δρ

其中

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ρ}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\ρ}}_2\\ {\mathrm{\Δ\ρ}}_3\\ {\mathrm{\Δ\ρ}}_4\end{array}\right],H=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{x1}& a_{y1}& a_{z1}& 1\\ a_{x2}& a_{y2}& a_{z2}& 1\\ a_{x3}& a_{y3}& a_{z3}& 1\\ a_{x4}& a_{y4}& a_{z4}& 1\end{array}\right],\mathrm{\Δ}x=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_u\\ {\mathrm{\Δy}}_u\\ {\mathrm{\Δz}}_u\\ -{\mathrm{c\Δt}}_u\end{array}\right]$

Δρ表示伪距残差，Δρ_i(i＝1,2,3,4)表示与卫星i有关的伪距残差，Δt_u为卫星与接收机钟差偏差，所述a_xj,a_yj,a_zj表示由所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的近似位置指向第j颗卫星的单位矢量的方向余弦，通过获取不少于4颗卫星的伪距信息和星历信息，利用上述方程通过迭代运算求解出4个未知量Δx_u,Δy_u,Δz_u,Δt_u来，并求解出近似位置的最终值；

根据所述偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)和近似位置的最终值，计算出所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)；

所述的根据设定的定位漏检率和误检率计算出所述列车的定位水平保护距离，包括：

考虑测量噪声的线性化测量方程如下所示：

y＝Hx+ε

其中,y表示伪距测量值，H表示雅克比矩阵，ε是n×1测量误差矢量，n表示伪距测量个数；

对所述线性关联矩阵H进行QR分解得到奇偶变换矩P；

计算出与所选取的每颗卫星线性关联的斜率SLOPE(i)：

$SLOPE\left(i\right)=\sqrt{A_{1i}^2+A_{2i}^2}/\sqrt{S_{ii},}i=1,2,...,n$

式中，A_mi为矩阵A中第m行第i列元素，且A≡(H^TH)^-1H^T，S_ii为矩阵S中第i行第i列元素，且S＝P^TP，n表示伪距测量个数；

SLOPE_max为所选取的卫星线性关联的最大斜率；

计算

$f_{cent}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\[x^{\left(\right(k/2)-1)}{e}^{-x/2}\]/\[2^{k/2}\mathrm{\Γ}(k/2)\],& x>0\\ 0,& x\≤0\end{array}\right.$

${\∫}_x^{\mathrm{\∞}}{f}_{cent}\left(x\right)=p_{FA}$

上述公式中的x为检测门限，Γ是伽马函数，自由度k＝可见卫星数-4，f_cent(x)为中心χ²密度函数，p_FA为设定的误检概率；

计算

$f_{N.C.}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\[e^{-(x+\mathrm{\λ})/2}/2^{k/2}\]\underset{j=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\{{\mathrm{\λ}}^j{x}^{(k/2)+j-1}/\[\mathrm{\Γ}\left(\right(k/2)+j)\·2^{2j}\·j!\]\},& x>0\\ 0,& x\≤0\end{array}\right.$

${\∫}_0^X{f}_{N.C.}\left(x\right)=P_{md}$

上述公式中的f_N.C.(x)为非中心χ²密度函数，x为检测门限，j为整数，P_md为设定的定位漏检率，λ为非中心χ²密度函数的非中心参量，

计算出临界偏差记pbias：

$pbias={\mathrm{\σ}}_{UERE}\sqrt{\mathrm{\λ}}$

所述λ是非中心χ²密度函数的非中心参量，所述σ_UERE是设定的卫星伪距测量误差的标准差；

所述列车的定位水平保护距离HPL的计算公式如下：

HPL＝SLOPE_max×pbias。

2.根据权利要求1所述的基于卫星定位的列车轨道占用检测方法，其特征在于，所述的根据所述列车的定位水平保护距离，结合电子地图将所述列车的车头和车尾的定位位置映射在轨道线路上，得到所述列车在所述轨道线路上的占用区间，包括：

设列车运行方向为公里标增大方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)-HPL_EOT(i)-B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)+HPL_HOT(i)+B_HOT(i)

设列车运行方向为公里标减小方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)+HPL_EOT(i)+B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)-HPL_HOT(i)-B_HOT(i)

其中，S_HOT(i)，S_EOT(i)为第i时刻车头、车尾位置的定位点的公里标，HPL_HOT(i)，HPL_EOT(i)为第i时刻车头、车尾GPS定位的水平保护距离，B_HOT(i)，B_EOT(i)为第i时刻车头、车尾的安全保护距离。

3.一种基于卫星定位的列车轨道占用检测装置，其特征在于，包括：

定位位置计算模块，用于通过列车头部和尾部的卫星定位接收机接收卫星星历数据和伪距数据，根据所述卫星星历数据和伪距数据计算出所述列车的车头和车尾的定位位置；

定位水平保护距离计算模块，用于根据设定的定位漏检率和误检率计算出所述列车的定位水平保护距离；

占用区间计算模块，用于根据所述列车的定位水平保护距离，结合电子地图将所述列车的车头和车尾的定位位置映射在轨道线路上，得到所述列车在所述轨道线路上的占用区间；

所述的定位位置计算模块，具体用于为了计算出列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置(X_u，Y_u，Z_u)，在可见卫星中选择至少四颗卫星进行伪距测量，产生伪距方程组：

ρ_i＝||s_j-u||+ct_u,其中s_j表示卫星位置信息，u表示接收机位置信息，c为光速常量，t_u为信号从卫星与接收机时钟钟差；

所述伪距方程组展开得到：

${\mathrm{\ρ}}_1=\sqrt{{(x_1-x_u)}^2+{(y_1-y_u)}^2+{(z_1-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u$

${\mathrm{\ρ}}_2=\sqrt{{(x_2-x_u)}^2+{(y_2-y_u)}^2+{(z_2-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u$

${\mathrm{\ρ}}_3=\sqrt{{(x_3-x_u)}^2+{(y_3-y_u)}^2+{(z_3-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u$

${\mathrm{\ρ}}_4=\sqrt{{(x_4-x_u)}^2+{(y_4-y_u)}^2+{(z_4-z_u)}^2}+{\mathrm{ct}}_u$

ρ_j指第j颗卫星的伪距，x_j、y_j、z_j指第j颗卫星的三维位置，t_u列车车头位置或者车尾位置安装的卫星定位接收机的钟差；

通过线性迭代方法来求解所述伪距方程组，得到所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的三维位置；

所述的定位位置计算模块，具体用于设偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)表示所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)与定位点近似位置之间的偏差；

所述近似位置的初始值设置为(0.0.0)，通过迭代运算求出近似位置的最终值，将所述伪距方程组在近似位置处按泰勒级数展开，得到用已知坐标和伪距测量的线性函数表示的位置偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)，求得结果如下：

Δρ＝HΔx

即

Δx＝H^-1Δρ

其中

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ρ}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ρ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\ρ}}_2\\ {\mathrm{\Δ\ρ}}_3\\ {\mathrm{\Δ\ρ}}_4\end{array}\right],H=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{x1}& a_{y1}& a_{z1}& 1\\ a_{x2}& a_{y2}& a_{z2}& 1\\ a_{x3}& a_{y3}& a_{z3}& 1\\ a_{x4}& a_{y4}& a_{z4}& 1\end{array}\right],\mathrm{\Δ}x=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{x}_u\\ {\mathrm{\Δy}}_u\\ {\mathrm{\Δz}}_u\\ -{\mathrm{c\Δt}}_u\end{array}\right]$

Δρ表示伪距残差，Δρ_i(i＝1,2,3,4)表示与卫星i有关的伪距残差，Δt_u为卫星与接收机钟差偏差，所述a_xj,a_yj,a_zj表示由所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的近似位置指向第j颗卫星的单位矢量的方向余弦，通过获取不少于4颗卫星的伪距信息和星历信息，利用上述方程通过迭代运算求解出4个未知量Δx_u,Δy_u,Δz_u,Δt_u来，并求解出近似位置的最终值；

根据所述偏移量(Δx_u,Δy_u,Δz_u)和近似位置的最终值，计算出所述列车的车头位置或者车尾位置的定位点的真实位置(x_u,y_u,z_u)；

所述的定位水平保护距离计算模块，具体用于设考虑测量噪声的线性化测量方程如下所示：

y＝Hx+ε

其中,y表示伪距测量值，H表示雅克比矩阵，ε是n×1测量误差矢量，n表示伪距测量个数；

对所述线性关联矩阵H进行QR分解得到奇偶变换矩P；

计算出所选取的每颗卫星线性关联的斜率SLOPE(i)：

$SLOPE\left(i\right)=\sqrt{A_{1i}^2+A_{2i}^2}/\sqrt{S_{ii},}i=1,2,...,n$

式中，A_mi为矩阵A中第m行第i列元素，且A≡(H^TH)^-1H^T，S_ii为矩阵S中第i行第i列元素，且S＝P^TP，n表示伪距测量个数；

SLOPE_max为所选取的卫星线性关联的最大斜率；

计算

$f_{cent}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\[x^{\left(\right(k/2)-1)}{e}^{-x/2}\]/\[2^{k/2}\mathrm{\Γ}(k/2)\],& x>0\\ 0,& x\≤0\end{array}\right.$

${\∫}_x^{\mathrm{\∞}}{f}_{cent}\left(x\right)=p_{FA}$

上述公式中的x为检测门限，Γ是伽马函数，自由度k＝可见卫星数-4，f_cent(x)为中心χ²密度函数，p_FA为设定的误检概率；

计算

$f_{N.C.}\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\[e^{-(x+\mathrm{\λ})/2}/2^{k/2}\]\underset{j=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}\{{\mathrm{\λ}}^j{x}^{(k/2)+j-1}/\[\mathrm{\Γ}\left(\right(k/2)+j)\·2^{2j}\·j!\]\},& x>0\\ 0,& x\≤0\end{array}\right.$

${\∫}_0^X{f}_{N.C.}\left(x\right)=P_{md}$

上述公式中的f_N.C.(x)为非中心χ²密度函数，x为检测门限，j为整数，P_md为设定的定位漏检率，λ为非中心χ²密度函数的非中心参量，

计算出临界偏差记pbias：

$pbias={\mathrm{\σ}}_{UERE}\sqrt{\mathrm{\λ}}$

所述λ是非中心χ²密度函数的非中心参量，所述σ_UERE是设定的卫星伪距测量误差的标准差；

所述列车的定位水平保护距离HPL的计算公式如下：

HPL＝SLOPE_max×pbias。

4.根据权利要求3所述的基于卫星定位的列车轨道占用检测装置，其特征在于：

所述的占用区间计算模块，用于设列车运行方向为公里标增大方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)-HPL_EOT(i)-B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)+HPL_HOT(i)+B_HOT(i)

设列车运行方向为公里标减小方向，则不同时刻的列车在所述轨道线路上的占用区间S_range(i)为：

S_EOT(i)+HPL_EOT(i)+B_EOT(i)≤S_range(i)≤S_HOT(i)-HPL_HOT(i)-B_HOT(i)

其中，S_HOT(i)，S_EOT(i)为第i时刻车头、车尾位置的定位点的公里标，HPL_HOT(i)，HPL_EOT(i)为第i时刻车头、车尾GPS定位的水平保护距离，B_HOT(i)，B_EOT(i)为第i时刻车头、车尾的安全保护距离。