CN106080674A - 一种列车定位的校准方法和系统 - Google Patents

一种列车定位的校准方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种列车定位的校准方法和系统，消除通信延迟等带来的定位误差。其技术方案为：为了减少通信延迟误差现引入多普勒雷达测速系统，通过取当前测速系统和多普勒雷达测速系统中计算出的累计位移的平均值作为列车定位的输入值，这样以取平均值的方式可以减少通信延迟误差，让列车定位的车头和车尾信息更加精确，但需要解决这些误差值还必须去校准，在校准的过程中可以查询线路数据库校准列车位置。校准之后的列车位置是应用了线路数据库中精确位置，可以消除通信延迟等带来的误差。

Description

一种列车定位的校准方法和系统
技术领域
本发明涉及一种有关列车定位的技术，尤其涉及对列车定位再进行校准的方法和系统。
背景技术
随着城市轨道交通事业和信息技术的发展，以基于通信的列车控制系统(CBTC)为代表的移动闭塞列车控制技术已成为当前国内外轨道交通行业的主流制式。CBTC(Communication Based Train Control)是基于通信的列车控制系统，基于大容量、连续的车地信息双向通信及列车定位与控制技术，实现列车的速度控制。采用不依赖轨旁列车占用检测设备的列车主动定位技术和连续车-地双向数据通信技术，通过能够执行安全功能的车载和地面处理器而构建的连续式列车自动控制系统。相对于传统的基于固定闭塞和准移动闭塞的信号系统而言，移动闭塞系统可以用更少的设备实现更短的运行间隔，可以大幅度提高线路的运输能力并减少设备投资；
移动闭塞系统实现的基础是列车可以自主定位，通过车-地无线通信实时地发送到地面，轨旁设备对列车位置的检测已经退居辅助地位。这就要求移动闭塞系统的车载信号设备必须具有极高的定位精度，并能保证该位置的安全性。为了科学合理地估算列车的位置，在移动闭塞系统设计中都引入了列车位置校准的概念。
当前轨道交通列车定位的主要方法是将地面应答器看作一个质点，当轨道交通列车上的应答器接收器接收到地面应答器信号时，系统在数据库中查询该定位信标编号，利用该定位信标编号对应的位置更新列车位置。但列车位置更新的过程中忽略了测速系统和主机插件之间有数据交互，在这些数据交互的过程中就会存在通信延迟带来的误差，目前城市轨道交通列车定位系统中没有考虑通信延迟带来的误差。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种列车定位的校准方法和系统，消除通信延迟等带来的定位误差。
本发明的技术方案为：本发明揭示了一种列车定位的校准方法，包括：
列车定位完成后，列车沿股道运行后存储读取到的第一个应答器的标识号和当前周期的第一累计位移；
列车继续沿股道运行，当读取到第二个应答器时，将第二个应答器与所有的期望应答器进行比对，如果第二个应答器和所有的期望应答器其中之一相匹配，则存储第二个应答器的标识号和第二累计位移；
根据存储的第一个应答器的标识号和第二个应答器的标识号查询到两个应答器之间的固定的距离，再与第一累计位移和第二累计位移之差进行比对，以得出误差；
将误差与阈值进行比对，若低于阈值内则说明定位有效，再根据两个应答器之间的固定的距离更新列车的位置。
根据本发明的列车定位的校准方法的一实施例，第一累计位移和第二累计位移均是通过取当前测速系统和多普勒雷达测速系统计算出的累计位移的平均值。
根据本发明的列车定位的校准方法的一实施例，在列车定位完成之前需要经过两个连续的应答器完成初始定位。
根据本发明的列车定位的校准方法的一实施例，若误差高于阈值则判断为定位丢失。
根据本发明的列车定位的校准方法的一实施例，方法还包括：基于每一个周期内的累计位移和上个周期的列车的位置，不断更新列车的当前位置。
本发明还揭示了一种列车定位的校准系统，包括：
第一应答器处理模块，列车定位完成后，列车沿股道运行后存储读取到的第一个应答器的标识号和当前周期的第一累计位移；
第二应答器处理模块，列车继续沿股道运行，当读取到第二个应答器时，将第二个应答器与所有的期望应答器进行比对，如果第二个应答器和所有的期望应答器其中之一相匹配，则存储第二个应答器的标识号和第二累计位移；
误差计算模块，根据存储的第一个应答器的标识号和第二个应答器的标识号查询到两个应答器之间的固定的距离，再与第一累计位移和第二累计位移之差进行比对，以得出误差；
定位校准模块，将误差与阈值进行比对，若低于阈值内则说明定位有效，再根据两个应答器之间的固定的距离更新列车的位置。
根据本发明的列车定位的校准系统的一实施例，第一累计位移和第二累计位移均是通过取当前测速系统和多普勒雷达测速系统计算出的累计位移的平均值。
根据本发明的列车定位的校准系统的一实施例，系统还包括：
初始定位模块，在列车定位完成之前需要经过两个连续的应答器完成初始定位。
根据本发明的列车定位的校准系统的一实施例，定位校准模块中若误差高于阈值则判断为定位丢失。
根据本发明的列车定位的校准系统的一实施例，系统基于每一个周期内的累计位移和上个周期的列车的位置，不断更新列车的当前位置。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：现有的CBTC系统中利用车载子系统实现列车的主动定位，列车的位置除了用于车载子系统ATP(Automatic Train Protection，列车自动防护，自动实现列车运行间隔、超速防护、进路安全和车门等监控技术的总称)进行速度-距离曲线进行列车超速防护之外，还要汇报给地面子系统用于轨道占用状态的更新以及列车移动授权更新的依据。目前测速系统和主机插件之间有数据交互，在这些数据交互的过程中就会存在通信延迟的问题，导致当前输入给定位模型的累计位移可能存在通信延迟误差，为了减少通信延迟误差现引入多普勒雷达测速系统，通过取当前测速系统和多普勒雷达测速系统中计算出的累计位移的平均值作为列车定位的输入值，这样以取平均值的方式可以减少通信延迟误差，让列车定位的车头和车尾信息更加精确，但需要解决这些误差值还必须去校准，在校准的过程中可以查询线路数据库校准列车位置。校准之后的列车位置是应用了线路数据库中精确位置，可以消除通信延迟等带来的误差。
附图说明
图1示出了本发明的列车定位的校准方法的一实施例的流程图。
图2示出了本发明的列车定位的校准系统的一实施例的原理图。
图3示出了列车定位及校准的状态图。
图4示出了列车模型示意图。
具体实施方式
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
列车定位的校准方法的实施例
图1示出了本发明的列车定位的校准方法的一实施例的流程图。请参见图1，下面是对本实施例的校准方法的实施步骤的详细描述。
步骤S1：列车定位完成后，列车沿股道运行后存储读取到的第一个应答器的标识号和当前周期的第一累计位移。
如图3所示，列车有三个状态：默认状态、初始定位状态、完成定位状态。其中默认状态是以RM模式运行，在没有读取到第一个应答器之前的状态。当列车在没有定位之前，列车启动之后就以RM模式运行，列车经过两个连续应答器之后就会完成定位。
如图4所示，当列车读取到连续的两个应答器后，就完成对列车的初始定位，具体公式如下。
Pa＝P0+L1+(S0-S1)(线路运行方向为POSITIVE时，L1为正；线路运行方向为NEGATIVE时，L1为负)
Pb＝P0+L1+(S0-S1)-L0(线路运行方向为POSITIVE时，L0、L1为正；线路运行方向为NEGATIVE时，L0、L1为负)
公式中的参数为：
Pa为列车车头位置；
Pb为列车车尾位置；
P0为最新读到的应答器位置；
L0为列车长度；
L1为列车BTM天线距本端车钩的距离；
S0为列车标量累计位移；
S1为BTM反馈的应答器中心点位置(位移)。
根据以上公式可以计算出列车车头和车尾在线路上的位置，通过列车读到的第一个和第二个应答器查询数据库可以得出列车当前的运行方向，这样列车初始定位完成。
在上述的列车初始定位完成后，列车沿股道运行后存储读取到的第一个应答器的标识号(ID)P1和当前周期的第一累计矢量位移S1。并通过列车读到的应答器ID号P1查询数据库可以得出与当前应答器P1相关联的下一个应答器。
可选的，在计算第一累计矢量位移S1时，在同一个周期内取多普勒雷达测速系统和当前测速系统计算出的第一累计矢量位移并取其平均值，作为第一累计矢量位移S1。
步骤S2：列车继续沿股道运行，当读取到第二个应答器时，将第二个应答器与所有的期望应答器进行比对，如果第二个应答器和所有的期望应答器其中之一相匹配，则存储第二个应答器的标识号和第二累计位移。
列车再经过第二个应答器并读取到之后，存储当前周期的矢量位移S2和应答器ID号P2，判断P2是否就是前一步骤中数据库中查询到的下一个应答器。
同样的，在计算第二累计矢量位移S2时，在同一个周期内取多普勒雷达测速系统和当前测速系统计算出的第二累计矢量位移并取其平均值，作为第二累计矢量位移S2。
步骤S3：根据存储的第一个应答器的标识号和第二个应答器的标识号查询到两个应答器之间的固定的距离，再与第一累计位移和第二累计位移之差进行比对，以得出误差。
通过应答器ID号P1和P2查询数据库中保存的两个应答器之间的实际距离D1，根据以下公式得出误差：△S＝︱(︱S2-S1︱)-D1︱。
步骤S4：将误差与阈值进行比对，若低于阈值内则说明定位有效，再根据两个应答器之间的固定的距离更新列车的位置。
若△S＞W，说明应答器在置信范围，判断列车位置无效，让定位丢失，列车回到默认状态。
若△S≤W，说明应答器在置信范围，判断列车位置有效。接着根据两个应答器之间的固定的距离更新列车的位置。W为固定阈值(默认值为2.5m，可配置)。
此外，基于每一个周期内的累计位移和上个周期的列车的位置，不断更新列车的当前位置。如果列车位置计算到车头车尾不在当前边时，自动关联到下一边进行列车车头和车尾位置更新。
列车定位的校准系统的实施例
图2示出了本发明的列车定位的校准系统的一实施例的原理。请参见图2，本实施例的校准系统包括第一应答器处理模块1、第二应答器处理模块2、误差计算模块3、定位校准模块4。
第一应答器处理模块1中，列车定位完成后，列车沿股道运行后存储读取到的第一个应答器的标识号和当前周期的第一累计位移。
如图3所示，列车有三个状态：默认状态、初始定位状态、完成定位状态。其中默认状态是以RM模式运行，在没有读取到第一个应答器之前的状态。
可选的，系统还包括初始定位模块5，在列车定位完成之前，列车启动之后就以RM模式运行，经过两个连续的应答器完成初始定位。
如图4所示，当列车读取到连续的两个应答器后，就完成对列车的初始定位，具体公式如下。
Pa＝P0+L1+(S0-S1)(线路运行方向为POSITIVE时，L1为正；线路运行方向为NEGATIVE时，L1为负)
Pb＝P0+L1+(S0-S1)-L0(线路运行方向为POSITIVE时，L0、L1为正；线路运行方向为NEGATIVE时，L0、L1为负)公式中的参数为：
Pa为列车车头位置；
Pb为列车车尾位置；
P0为最新读到的应答器位置；
L0为列车长度；
L1为列车BTM天线距本端车钩的距离；
S0为列车标量累计位移；
S1为BTM反馈的应答器中心点位置(位移)。
根据以上公式可以计算出列车车头和车尾在线路上的位置，通过列车读到的第一个和第二个应答器查询数据库可以得出列车当前的运行方向，这样列车初始定位完成。
在上述的列车初始定位完成后，列车沿股道运行后存储读取到的第一个应答器的标识号(ID)P1和当前周期的第一累计矢量位移S1。并通过列车读到的应答器ID号P1查询数据库可以得出与当前应答器P1相关联的下一个应答器。
可选的，在计算第一累计矢量位移S1时，在同一个周期内取多普勒雷达测速系统和当前测速系统计算出的第一累计矢量位移并取其平均值，作为第一累计矢量位移S1。
第二应答器处理模块2中，列车继续沿股道运行，当读取到第二个应答器时，将第二个应答器与所有的期望应答器进行比对，如果第二个应答器和所有的期望应答器其中之一相匹配，则存储第二个应答器的标识号和第二累计位移。
列车再经过第二个应答器并读取到之后，存储当前周期的矢量位移S2和应答器ID号P2，判断P2是否就是前一步骤中数据库中查询到的下一个应答器。
同样的，在计算第二累计矢量位移S2时，在同一个周期内取多普勒雷达测速系统和当前测速系统计算出的第二累计矢量位移并取其平均值，作为第二累计矢量位移S2。
误差计算模块3中，根据存储的第一个应答器的标识号和第二个应答器的标识号查询到两个应答器之间的固定的距离，再与第一累计位移和第二累计位移之差进行比对，以得出误差。
通过应答器ID号P1和P2查询数据库中保存的两个应答器之间的实际距离D1，根据以下公式得出误差：△S＝︱(︱S2-S1︱)-D1︱。
定位校准模块4中，将误差与阈值进行比对，若低于阈值内则说明定位有效，再根据两个应答器之间的固定的距离更新列车的位置。
若△S＞W，说明应答器在置信范围，判断列车位置无效，让定位丢失，列车回到默认状态。
若△S≤W，说明应答器在置信范围，判断列车位置有效。接着根据两个应答器之间的固定的距离更新列车的位置。W为固定阈值(默认值为2.5m，可配置)。
此外，系统基于每一个周期内的累计位移和上个周期的列车的位置，不断更新列车的当前位置。如果列车位置计算到车头车尾不在当前边时，自动关联到下一边进行列车车头和车尾位置更新。
从上述实施例可以看出，目前在列车行驶过程中，测速系统对速度传感器输入的频率量信号进行处理，获得速度、累计距离以及列车运行方向等信息，接着测速系统把获得的速度、累计距离发送给主机插件供上层应用使用，在速度传感器发送脉冲给频率量信号的过程中和测速系统发送给主机插件速度、累计距离的过程中都会存在时间上的延迟，这样导致主机插件得到的累计距离存在误差，所以在通过累计距离更新列车位置的时候也就存在误差，为了减少误差本发明采用多普勒雷达测速系统和当前测速系统计算出的累计位移的平均值，作为列车定位系统的输入值，并且通过读取应答器信息查询线路数据库与累计唯一对比的校准方法来校准列车位置信息，从而消除这种误差。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。
结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (10)

1.一种列车定位的校准方法，其特征在于，包括：
列车定位完成后，列车沿股道运行后存储读取到的第一个应答器的标识号和当前周期的第一累计位移；
列车继续沿股道运行，当读取到第二个应答器时，将第二个应答器与所有的期望应答器进行比对，如果第二个应答器和所有的期望应答器其中之一相匹配，则存储第二个应答器的标识号和第二累计位移；
根据存储的第一个应答器的标识号和第二个应答器的标识号查询到两个应答器之间的固定的距离，再与第一累计位移和第二累计位移之差进行比对，以得出误差；
将误差与阈值进行比对，若低于阈值内则说明定位有效，再根据两个应答器之间的固定的距离更新列车的位置。
2.根据权利要求1所述的列车定位的校准方法，其特征在于，第一累计位移和第二累计位移均是通过取当前测速系统和多普勒雷达测速系统计算出的累计位移的平均值。
3.根据权利要求1所述的列车定位的校准方法，其特征在于，在列车定位完成之前需要经过两个连续的应答器完成初始定位。
4.根据权利要求1所述的列车定位的校准方法，其特征在于，若误差高于阈值则判断为定位丢失。
5.根据权利要求1所述的列车定位的校准方法，其特征在于，方法还包括：基于每一个周期内的累计位移和上个周期的列车的位置，不断更新列车的当前位置。
6.一种列车定位的校准系统，其特征在于，包括：
第一应答器处理模块，列车定位完成后，列车沿股道运行后存储读取到的第一个应答器的标识号和当前周期的第一累计位移；
第二应答器处理模块，列车继续沿股道运行，当读取到第二个应答器时，将第二个应答器与所有的期望应答器进行比对，如果第二个应答器和所有的期望应答器其中之一相匹配，则存储第二个应答器的标识号和第二累计位移；
误差计算模块，根据存储的第一个应答器的标识号和第二个应答器的标识号查询到两个应答器之间的固定的距离，再与第一累计位移和第二累计位移之差进行比对，以得出误差；
定位校准模块，将误差与阈值进行比对，若低于阈值内则说明定位有效，再根据两个应答器之间的固定的距离更新列车的位置。
7.根据权利要求6所述的列车定位的校准系统，其特征在于，第一累计位移和第二累计位移均是通过取当前测速系统和多普勒雷达测速系统计算出的累计位移的平均值。
8.根据权利要求6所述的列车定位的校准系统，其特征在于，系统还包括：
初始定位模块，在列车定位完成之前需要经过两个连续的应答器完成初始定位。
9.根据权利要求6所述的列车定位的校准系统，其特征在于，定位校准模块中若误差高于阈值则判断为定位丢失。
10.根据权利要求6所述的列车定位的校准系统，其特征在于，系统基于每一个周期内的累计位移和上个周期的列车的位置，不断更新列车的当前位置。
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