CN108761497B - 一种列车卫星定位局域完好性监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种列车卫星定位局域完好性监测方法及系统，该方法包括：采集目标列车的轨道线路地理空间信息和列车运行计划信息；对目标列车运行过程进行划分，得到时空局域网格；在目标列车运行过程中实时采集卫星定位观测性能信息，计算各时空局域网格的卫星定位局域观测模型；对各模型参数进行集成，构建卫星定位观测模型参数集；利用列车在运行过程中实时接收卫星定位观测数据，提取所在时空局域网格的模型参数，计算在线、离线的定位误差水平保护级；判断完好性监测的可用性状态，在可用条件下实施卫星定位观测集的故障检测与识别，实时对列车卫星定位观测集进行重构，实施定位解算。本发明可实现对实际列车运行中卫星信号观测条件不确定性的有效适应。

Description

一种列车卫星定位局域完好性监测方法及系统

技术领域

本发明涉及基于卫星导航系统的列车定位技术领域。更具体地，涉及一种列车卫星定位局域完好性监测方法及系统。

背景技术

在轨道交通系统中，实时准确的列车运行状态信息(如位置、速度、方向等)是监测并控制列车运行过程的关键基础。常规的列车控制系统采用列车车轮轮轴速度传感器实时计算列车运行里程与速度，并利用轨道上铺设的应答器对轮轴速度传感器定位解算中的累积误差进行校正。近年来，基于轨道交通系统的智慧化与高效化发展需求，如何使列车测速定位尽量摆脱对应答器、轨道电路等轨旁设备的依赖，由列车车载设备更加自主化地实施测速定位，已成为了有效提升系统成本效益、优化车载自主能力的重要方向。

随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)在世界范围内的飞速发展，引用卫星定位技术实施列车测速定位，已明确成为众多新型列车控制系统的技术方向。然而，采用卫星导航系统实施列车定位需面临大范围铁路网内多种复杂的运行条件，特别是山谷、隧道、路堑、车站等苛刻环境，对导航卫星信号可见性及其信号质量产生显著的负面影响，此外，铁路线路环境中的信号干扰条件具有显著的不确定性，无法对其进行准确建模及预测。为此，采用完好性监测技术对卫星定位观测数据中的故障进行检测、识别与排除，已成为确保列车定位安全性的必然选择。为了有效提升完好性监测性能，需对各个可视卫星的观测质量进行实时描述，用于为各个可视卫星提供观测权重的指示信息。但是，在庞大的铁路网空间范围内对各个时刻的卫星定位观测质量进行统一建模描述面临着巨大困难，导致常规的接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous IntegrityMonitoring，RAIM)技术无法响应时变的局部卫星观测环境与特性，进而导致对卫星观测中存在的故障难以完全实施检测与排除。

因此，需要提供一种列车卫星定位局域完好性监测方法及系统，在自主完好性监测中引入有效的导航卫星观测质量信息，动态适配列车所处的运行环境，提升完好性监测性能，确保列车定位的可信性与安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种列车卫星定位局域完好性监测方法及系统，针对列车运行中导航卫星可见性及观测质量的时变性、不确定性问题，考虑列车运行过程在空间上的约束性、时间上的计划性，从列车在一定的线路区段范围内导航卫星可见性及观测质量的相关性出发，利用轨道线路空间信息、列车运行计划信息等，对列车运行过程进行时空尺度上的局域划分，利用大量的卫星定位现场观测数据构建并更新线路局域完好性监测参数数据库，以供列车实时定位中利用数据库参数实施优化的完好性监测计算，识别并排除卫星定位观测集中存在的故障与失效数据，用于最终的列车定位决策，确保列车定位的可信性与安全性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种列车卫星定位局域完好性监测方法，包括：

S1、采集目标列车的轨道线路地理空间信息和列车运行计划信息；

S2、根据目标列车的轨道线路地理空间信息和列车运行计划信息，结合目标列车运行过程对应的线路区域与始发终到时段，对目标列车运行过程进行空间、时间尺度上的局域划分，得到多个时空局域网格；

S3、在目标列车运行过程中实时采集卫星定位观测性能信息，并根据卫星定位观测性能信息计算各时空局域网格的卫星定位局域观测模型；

S4、对各时空局域网格的卫星定位局域观测模型的模型参数进行集成，构建卫星定位观测模型参数集的离线数据库；

S5、利用与目标列车运行计划相同的列车在运行过程中实时接收卫星定位观测数据，从离线数据库中提取所在时空局域网格的模型参数，分别计算在线、离线的定位误差水平保护级；

S6、根据在线、离线的定位误差水平保护级及告警门限判断完好性监测的可用性状态，在可用条件下实施卫星定位观测集的故障检测与识别，依据故障检测与识别的结果实时对列车卫星定位观测集进行重构，实施定位解算。

优选地，步骤S2包括如下子步骤：

S2.1、对目标列车的轨道线路在空间范围进行局域划分：根据列车运行计划信息确定线路始端和终端，提取相应的轨道线路空间信息以实施空间局域划分，其中，采用的划分方法根据轨道线路空间信息类型分为两类：

按一维线路里程等间隔划分：根据始端、终端绝对里程S_F、S_E，计算线路区段总里程为S＝|S_E-S_F|，按照等里程间隔L进行空间划分，将目标线路划分为个等里程间隔的局域空间区段，每个局域区段记作u_i，其中，符号表示向上取整数，则每个局域区段的边界点记为P_i、P_i+1；

按二维平面区域等面积划分：对目标线路所属区域范围在二维平面投影空间上采用网格面积A进行等积离散网格化，确保所划分网格中轨道线路的连续性，将线路经过的网格标记为特征网格，对轨道线路在网格边界的二维坐标进行里程投影转化，确定各局域区段u_i的边界点P_i、P_i+1。

两类空间局域划分方法中的里程间隔L和网格面积A的选择采用同一原则；

S2.2、对目标列车的列车运行计划在时间尺度进行局域划分：

根据时刻表提供的列车始发和终到计划时分，基于匀速模型：列车运行速度为V＝|S_E-S_F|/(T_E-T_F)，其中T_F、T_E别为计划的始发、终到时分，为各个局域区段的边界P_i赋予基本计划时刻t_i，从而获得局域区段u_i的基本计划时段[t_i,t_i+1]，其持续时长为Y_i ^b＝t_i+1-t_i；

在基本计划时段上叠加时间延展量t_c，得到每个局域区段u_i对应的计划延展时段[t_i-t_c,t_i+1+t_c]，其持续时长为Y_i＝t_i+1-t_i+2×t_c；

根据卫星轨迹的时间相关性，采用等时间间隔R对局域区段u_i对应的计划延展时段进行平均划分，可以构成个等时间间隔的局域时间区段，每个局域时段记作y_i,j，

S2.3、对目标列车运行过程进行空间、时间尺度上的局域划分，形成多个时空局域网格，每个网格对应局域区段u_i以及与之相关联的局域时段y_i,j。

优选地，步骤S3包括如下子步骤：

S3.1、将所接收的属于时空局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)时空范围的卫星定位观测性能信息进行划分与汇集，所述卫星定位观测性能信息包括卫星定位观测性能信息，包括从卫星定位终端获取的各个可观测卫星标识与动态信息，含时间戳t、导航系统模式M、卫星编号prn、卫星类型Type、卫星仰角θ、卫星方位角信噪比N以及接收机输出的卫星伪距残差估值w，根据卫星可见性的相关度提取K组观测，提取其中的伪距残差，生成伪距残差向量W_i,j＝[w₁,w₂,…,w_K]^T，利用W_i,j计算局域网格内K组观测的集合平均伪距残差方差计算公式如下：

S3.2、利用集合平均伪距残差方差和可见卫星数量N_s估计当前目标网格G_i,j(u_i,y_i,j)的局域用户等效距离误差方差计算公式如下：

进而可求得网格G_i,j(u_i,y_i,j)的局域用户等效距离误差标准差

S3.3、利用时空局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)时空范围内可见卫星的伪距残差集{w_l}，分别计算每颗卫星的伪距残差方差以局域网格的区段空间u_i为索引，对同属u_i的多个时段y_i,j内各可见卫星的伪距残差方差进行汇集，并对卫星仰角θ、卫星信噪比N与伪距残差方差的数值关系在各个时段y_i,j分别进行拟合分析，形成仰角-伪距残差方差模型信噪比-伪距残差方差模型及其模型参数集ρ_θ,i、ρ_N,i。

优选地，步骤S4包含如下子步骤：

S4.1、对各时空局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)的卫星定位局域观测模型参数进行集成，构成包含各时空局域网格的全局参数集

S4.2、当在时空局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)范围内获得后续新的卫星观测信息时，根据所采用的卫星导航系统模式，确定卫星星座周期超前量δT，从最近更新局域完好性监测参数数据库时刻起，判断时间增量是否超过局域时段划分时采用的间隔量R，决定是否对相应网格的参数集进行更新，决策策略如下：

若δT×n≤R，不对全局参数集Ω进行更新，n为相距天数；

若δT×n＞R，执行步骤S3.1至S3.3，重新计算各时空局域网格对应的局域用户等效距离误差标准差以及伪距残差模型参数集在全局参数集Ω中将对应的局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)所属局域用户等效距离误差标准差、伪距残差模型参数集分别替换为

S4.3、当在时空局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)范围内获得后续新的卫星观测信息时，以一定的更新周期T，执行步骤S3.1至S3.3，重新计算各时空局域网格对应的局域用户等效距离误差标准差以及伪距残差模型参数集 根据重新计算的局域用户等效距离误差标准差与原值之间的偏差与预定门限γ(i,j)的比较，决定是否对相应网格的参数集进行更新，决策策略如下：

若不对全局参数集Ω进行更新；

若在全局参数集Ω中对对应的时空局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)所属局域用户等效距离误差标准差、伪距残差模型参数集分别替换为

优选地，步骤S5包括如下子步骤：

S5.1、利用与目标列车运行计划相同的列车在运行过程中通过地-车无线通信通道接收所在线路的卫星定位局域观测模型参数集，利用上一时刻(t_k-1时刻)列车定位信息以及轨道线路地理空间信息估算当前时刻(t_k时刻)的列车位置：

已知t_k-1时刻运行里程S_k-1、运行速度v_k-1以及加速度a_k-1，采用列车运动模型估计t_k时刻里程S_k，计算公式如下：

式中，T为定位解算周期，S_k-1后符号在列车上行时为减，下行时为加；

根据里程S_k、时刻t_k在卫星定位局域观测模型参数集中搜索其对应的局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)，提取相应的局域观测模型参数ρ_θ,i、ρ_N,i；

S5.2、在当前t_k时刻接收列车卫星定位终端的观测数据，包括导航系统模式M、可见卫星数N_S、卫星编号prn、卫星类型Type、卫星仰角θ、卫星方位角和信噪比N，在当前时刻可见卫星数满足N_S＞4的情况下，根据参数ρ_θ,i、ρ_N,i，将接收到的卫星仰角、信噪比数据代入相应模型加权计算每颗卫星的伪距残差方差估计值，计算公式如下：

式中，α、β为加权系数，分别为利用参数ρ_θ,i、ρ_N,i构建的数值模型；

根据所获得的N_S颗卫星的伪距残差方差估计值，计算权重矩阵C_k为

S5.3、根据所得权重矩阵计算在线的定位误差水平保护级HPL₁为

式中，λ_C,min为在特定可见卫星数量条件下满足给定漏检概率需求的卡方分布非中心化参数，对于第n颗卫星的特征斜率Slope_1,n，计算公式如下：

式中，A_k,1n、A_k,2n分别为参数矩阵A_k的第1行第n列、第2行第n列矩阵元素，B_k,nn为参数矩阵B_k的第n个对角线元素，C_k,nn为权重矩阵C_k的第n个对角线元素；在计算当前时刻的线性化观测矩阵H_k后，上述参数矩阵A_k、B_k可按照如下方式计算

S5.4、根据局域用户等效距离误差标准差计算离线的定位误差水平保护级HPL₂为

式中，对于第n颗卫星的特征斜率Slope_2,n，计算公式如下：

式中，计算Slope_2,n所需的参数矩阵可按照如下方式计算

优选地，步骤S6包括如下子步骤：

S6.1、自主完好性监测可用性判定：根据给定的告警门限HAL，利用在线、离线的定位误差水平保护级分别进行比较，判断完好性监测的可用性状态，具体判定原则为：

若HPL₁≥HAL，不论HPL₂是否超过门限，均判定当前完好性监测不可用；

若HPL_２≥HＡＬ，不论HPL_１是否超过门限，均判定当前完好性监测不可用；

若同时满足HPL₁＜HAL、HPL₂＜HAL，则判定当前完好性监测为可用状态，转入步骤S6.2；

S6.2、根据卫星定位解算采用的状态估计逻辑，基于估计残差构建检验统计量∈_k＝μ(r_k)，μ(*)为检验统计量的构造函数，在给定的故障漏检率、误警率条件下确定故障检测门限T_h，决定当前卫星观测集z_k中是否存在故障，决策策略如下：

若∈_k≥T_h，则认为当前在卫星观测集z_k中存在故障，需对故障进行识别、排除后再实施定位解算，转入步骤S6.3；

若∈_k＜T_h，则认为当前在卫星观测集z_k中不存在故障，能直接将当前观测集z_k送入状态估计器实施定位解算；

S6.3、进行列车卫星定位观测集的故障识别与重构：将各可见卫星的估计残差r_k,n标准化为n＝1,…,N_S，在给定的置信水平下确定故障识别门限T_r，对各个卫星逐一进行故障识别判断完成故障确认，识别原则如下：

若则认为当前在卫星观测集z_k中第n颗发生故障；

若则认为当前在卫星观测集z_k中第n颗无故障；

根据识别原则对所有N_S颗可见卫星进行遍历，若确认其中有N_F颗卫星识别出故障，则需视N_F值对当前的卫星观测集z_k进行重构，重构原则如下：

若N_S-N_F≥4，表示剩余可用卫星数量满足定位解算要求，则从初始卫星观测集z_k中排除N_F故障卫星的观测数据，通过约简操作，重构当前卫星观测集为将其送入状态估计器实施定位解算；

若N_S-N_F＜4，表示剩余可用卫星数量不满足定位解算要求，当前无法使用卫星观测信息独立完成定位解算，向列车定位处理单元发送告警标志信息，由辅助定位传感器信息对卫星定位观测进行补偿后实施连续的定位解算。

一种执行上述方法的列车卫星定位局域完好性监测系统，包括：

车载动态采集单元，用于在列车按运行计划运行于预定线路时，实时从卫星定位采集终端接收导航卫星观测信息，提取卫星标识与动态信息、卫星信号质量指示信息，并将采集的卫星观测信息与当前所处线路位置、运行时刻相关联，发送至轨旁数据处理中心；

置于轨旁数据处理中心的局域监测数据处理终端，用于采集轨道线路地理空间信息、列车运行计划信息等时空域基础数据；对运行计划中所含的各个运行过程，完成对各个目标列车运行所属线路的空间局域划分、时间局域划分，形成时空局域网格划分方案；接收由线路上各个列车所属车载动态采集单元发送的卫星观测信息，构建面向各个局域网格的卫星定位局域观测模型全局参数集，包括局域用户等效距离误差方差、仰角/信噪比-伪距残差方差模型参数；通过对时间增量、局域用户等效距离误差标准差偏差的判断，完成对局域网格参数集的数据更新；

车载卫星定位监测处理单元，用于接收由轨旁数据处理中心发送的卫星定位局域观测模型参数集，根据历史定位信息对当前位置的预测结果对所属局域网格进行判断，从局域观测模型参数集中提取相应参数；利用所接收的实时卫星观测数据，结合参数模型分别计算离线、在线的定位误差水平保护级，判定自主完好性监测的可用性状态，在自主完好性监测可用情况下完成故障检测与识别，并据此确定卫星定位观测集的重构及其用于列车定位解算的处理策略；

覆盖列车与轨旁数据处理中心的车-地无线传输网络，用于完成车载动态采集单元、卫星定位处理单元、局域监测数据处理终端之间的双向无线信息传输，从列车向轨旁数据处理中心发送卫星观测信息，并从轨旁数据处理中心反馈卫星定位局域观测模型参数信息。

优选地，所述车载动态采集单元包括：

天馈模块，用于接收空间导航卫星信号，并将卫星信号分配至车载动态采集单元所含的卫星定位采集终端；

卫星定位采集终端，用于接收天馈模块发送的导航卫星信号，实施信号解算与各个可视卫星的观测信息处理；

卫星观测信息处理模块，用于从卫星定位采集终端接收各个可视卫星的观测信息，提取卫星标识信息、卫星动态观测信息、卫星信号质量指示信息，通过对当前运行位置的预测处理，将所提取的卫星观测信息与当前线路位置、运行时刻进行关联；

无线信息发送模块，用于将实现时空局域关联的卫星观测信息通过车-地无线传输网络发送至轨旁数据处理中心。

优选地，所述局域监测数据处理终端包括：

轨道地理空间数据服务器，用于存储和管理轨道线路地理空间信息，并在轨道线路信息发生变更时自动同步更新数据；

列车运行计划数据服务器，用于存储和管理列车运行计划信息，并在列车运行计划受调整时自动进行实时同步与更新；

卫星观测数据存储服务器，用于对列车运行计划所述各次列车实现对应的空间局域划分、时间局域划分，在时空域基础数据更新时动态调整空间与时间局域划分方案，并根据局域划分方案分别存储接收的卫星观测信息；

局域完好性参数存储服务器，用于存储所得局域观测模型全局参数集数据，并实时数据管理与维护；

局域完好性参数运算模块，用于基于所得卫星观测信息计算各个局域网格的卫星定位局域观测模型参数，计算并更新局域观测模型全局参数集；

动态监测更新模块，用于在接收到后续卫星观测信息时，对各个网格的时间增量、局域用户等效距离误差标准差偏差进行实时监测，实施局域观测模型参数的更新决策，并将决策结果发送至局域完好性参数运算模块；

无线信息传输模块，用于将更新的局域划分方案、局域观测模型全局参数集通过车-地无线传输网络发送至线路上各列车的卫星定位监测处理单元。

优选地，所述卫星定位监测处理单元包括：

卫星观测信息提取模块，用于在途运行过程中实时从车载动态采集单元所含的卫星定位采集终端提取可视卫星的观测信息；

实时完好性监测计算模块，用于识别列车当前位置、运行时刻所属局域网格，提取局域观测模型参数，利用卫星观测信息计算离线、在线的定位误差水平保护级，判断自主完好性监测的可用性，进行列车卫星定位观测集的故障检测与识别；

监测决策输出模块，用于根据故障检测与识别的结果确定列车卫星定位观测集的重构策略，并将决策结果用于最终的列车定位解算；

无线信息接收模块，用于通过车-地无线传输网络接收由轨旁数据处理中心发送的卫星定位局域观测模型参数集。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明所述技术方案充分利用车-地无线传输实现线路上各列车大量卫星定位观测数据的汇集，从列车按计划行车存在的空间约束性、时间周期性特征出发建立卫星定位局域观测模型参数集，形成列车在特定区段、运行时分的卫星信号观测质量的先验知识，有效避免了对铁路沿线复杂且不确定的卫星信号观测条件大范围精确描述的困难。

(2)与常规的卫星定位自主完好性监测方案相比，本发明所述技术方案在水平保护级计算、故障检测与诊断中进一步融入了卫星观测质量的动态信息，提升了完好性监测计算对列车运行的局域条件的跟踪适应能力，改善了列车卫星定位完好性监测的可信性，有助于降低列车卫星定位的安全风险。

(3)本发明所述技术方案具备显著的可拓展能力，适用于多种卫星导航系统模式(如GPS、北斗、GLONASS、GALILEO以及多系统兼容模式)在列车定位中的应用，且能够向多传感器组合的列车定位系统提供带有完好性状态指示信息，用于对初始卫星观测信息进行约简与故障排除，确保列车定位性能。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出列车卫星定位局域完好性监测方法流程图。

图2示出列车卫星定位局域完好性监测过程原理示意图。

图3示出列车运行过程在空间、时间尺度上的局域划分示意图。

图4示出列车卫星定位局域完好性监测系统结构图。

图5示出列车卫星定位局域完好性监测系统的车载部分在列车定位系统中的结构关系图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本实例提供的列车卫星定位局域完好性监测方法的应用场景为：已知某一特定车次列车的运行计划，按计划该列车从时刻T_plan,A到T_plan,B在由车站A发车并运行到达车站B，已知车站A至车站B区间的轨道线路地理空间信息，轨旁数据处理中心实时接收所有在途运行列车发送的观测数据，根据其预先确定的时空局域网格划分方案，维护、更新卫星定位局域观测模型参数集并发送至目标列车，相应地，目标列车接收并提取对应的局域观测模型参数实时采用卫星观测信息进行完好性监测计算，形成完好性监测决策信息，列车定位系统中的列车定位处理单元根据该决策信息确定卫星观测信息的应用策略及定位解算逻辑，用于最终形成列车定位决策结果并输出。

如图1所示，本实施例提供的列车卫星定位局域完好性监测方法具体包括如下步骤：

S1、采集目标列车的时空域基础数据，时空域基础数据包括轨道线路地理空间信息和列车运行计划信息；

S2、根据步骤S1采集的轨道线路空间信息和列车运行计划信息，结合目标列车运行过程对应的线路区域与始发终到时段，对列车运行过程进行空间、时间尺度上的局域划分，得到多个时空局域网格；

S3、利用运行过程中的目标列车实时采集卫星定位观测性能信息，如图2所示场景，发送至轨旁数据处理中心进行存储，据此计算线路特定区段在特定时段内的卫星定位局域观测模型，即各时空局域网格的卫星定位局域观测模型；

S4、对轨道线路各区段、时段对局域观测模型参数进行集成，构建卫星定位观测模型参数集的离线数据库；

S5、利用与目标列车运行计划相同的列车在运行过程中实时接收卫星定位观测数据，从离线数据库中提取所在时空局域网格的模型参数，分别计算在线、离线的定位误差水平保护级；

S6、根据在线、离线的定位误差水平保护级及告警门限判断完好性监测的可用性状态，在可用条件下实施卫星定位观测集的故障检测与识别，依据故障检测与识别的结果实时对列车卫星定位观测集进行重构，实施定位解算。

步骤S1的具体过程为：

通过调用铁路基础数据库或自行测量生成轨道线路地理空间数据库，提取目标列车运行区间(车站A、车站B站内以及两站间区间)的地理空间信息，其中，包含了一维的线路里程信息、三维的空间坐标信息以及地形环境与线路设施等属性信息，通过属性数据关联将一维与三维信息进行映射。通过铁路调度指挥系统获得各次目标列车的运行计划信息，包括A站始发时间、B站终到时间以及在A、B站间区间运行的停站时间信息；将列车运行计划信息中包含的计划运行线关键点里程与轨道线路地理空间信息中的里程相对应，确定时空局域网格划分所需基础数据。

如图3所示，步骤S2的具体过程为：

基于所获取的轨道线路地理空间信息、列车运行计划信息，利用列车运行过程中卫星信号观测状况的局域相关性，在空间上将里程间距为|_E-S_F|的两站间区间划分为多个空间区段{u_i}，分别对其范围内的卫星信号观测质量进行模型化描述；考虑到列车实际运行可能因特定原因存在早、晚点而偏离既定运行计划，且列车实际运行速度受启动、牵引、制动等工况以及线路坡度、曲率及信号控制条件影响存在时变性，列车的实际运行线将偏离理想的计划运行线，为此，针对每一个空间区段u_i，以列车匀速条件下经过该空间区段的时间为基准，分别对向前、向后做时间上的延展，并将延展后的时段范围划分为多个时间区段y_i,j，从而使实际的列车运行过程得到有效覆盖。本实施例采用一维线路里程等间隔划分、固定时间间隔划分策略，时空划分尺度的选择既充分反映局域区段内因线路地形、周边环境、导航卫星运行周期性等因素导致卫星信号观测条件的相关性与相似性，又兼顾建模信息的存储及计算效率，为列车在A、B站区间的运行过程定制生成其运行过程相关的时空局域网格集{G_i,j(u_i,y_i,j)}。

步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、对目标列车的轨道线路在空间范围进行局域划分：根据列车运行计划信息确定线路始端和终端，提取相应的轨道线路空间信息以实施空间局域划分，其中，采用的划分方法根据轨道线路空间信息类型分为两类：

按一维线路里程等间隔划分：根据始端、终端绝对里程Ｓ_F、S_E，计算线路区段总里程为S＝|S_E-S_F|，按照等里程间隔L进行空间划分，将目标线路划分为个等里程间隔的局域空间区段(若S不能被L整除，则包含一个里程小于L的区段)，每个局域区段记作u_i，符号表示向上取整数，则每个局域区段的边界点记为P_i、P_i+1；

按二维平面区域等面积划分：对目标线路所属区域范围在二维平面投影空间上进行等积离散网格化(采用网格面积A)，确保所划分网格中轨道线路的连续性，将线路经过的网格标记为特征网格，对轨道线路在网格边界的二维坐标进行里程投影转化，确定各局域区段u_i的边界点P_i、P_i+1。

两类空间局域划分方法中关键参数(里程间隔L、网格面积A)的选择采用同一原则：既充分反映局域区段内因地形、环境等因素导致卫星信号观测条件的相关性与相似性，又兼顾对各区段进行综合建模的存储及计算效率。

即，根据列车运行计划信息确定线路始端、终端绝对里程S_F、S_E，计算线路区段总里程为S＝|S_E-S_F|，按照等里程间隔L进行空间划分，将目标线路划分为个等里程间隔的局域空间区段(若S不能被L整除，则包含一个里程小于L的区段)，每个局域区段记作u_i，符号表示向上取整数，则每个局域区段的边界点记为P_i、P_i+1。此时有两种情况：情况一，当S/L为整数时，将线路划分成了N_L个等里程间隔的空间区段，考虑列车下行情况，第1个空间区段u₁的边界里程为S_F、S_F+L，记作(P₁,P₂)，第2个空间区段u₂的边界里程为S_F+L、S_F+2L，记作(P₂,P₃)，以此类推，第N_L个空间区段的边界里程为S_F+(N_L-1)×L、S_F+N_L×L，记作且满足S_E＝S_F+N_L×L；情况二，当S/L不是整数时，则将线路划分成了N_L个空间区段，前N_L-1个空间区段与情况一相同，为等里程间隔划分，而第N_L个空间区段边界里程为S_F+(N_L-1)×L、S_E，记作

S2.2、对目标列车的列车运行计划在时间尺度进行局域划分：根据列车运行计划提供的始发时刻T_plan,A、终到时刻T_plan,B，计算理想的列车运行速度V＝|S_E-S_F|/(T_plan,B-T_plan,A)，为各个局域区段的边界P_i赋予基本计划时刻t_i，从而获得局域区段u_i的基本计划时段[t_i,t_i+1]，其持续时长为Y_i ^b＝t_i+1-t_i；在各个基本计划时段[t_i,t_i+1]上叠加一个预定的时间延展量t_c，得到每个局域区段u_i对应的计划延展时段[t_i-t_c,t_i+1+t_c]，其持续时长为Y_i＝t_i+1-t_i+2_c；根据卫星轨迹的时间相关性，采用等时间间隔R对局域区段u_i对应的计划延展时段进行平均划分，可以构成个等时间间隔的局域时间区段，每个局域时段记作y_i,j，j＝1,…,N_Y。与空间基于划分类似，此时有两种情况：情况一，当Y_i/R为整数时，将整个时段划分成了N_Y个等时间间隔的时间区段，第1个时间区段y_i,1的边界时刻为t_i-t_c、t_i-t_c+R，记作(Y_i,1,Y_i,2)，第2个时间区段y_i,2的边界时刻为t_i-t_c+R、t_i-t_c+2R，记作(Y_i,2,Y_i,3)，以此类推，第N_Y个时间区段的边界时刻为t_i-t_c+(N_Y-1)×R、t_i-t_c+N_Y×R，记作且满足t_i＝t_i+1-N_Y×R+2t_c；情况二，当Y_i/R不是整数时，将整个时段划分成了N_Y个等时间间隔的时间区段，，前N_Y-1个时间区段与情况一相同，为等时间间隔划分，而第N_Y个时间区段边界时刻为t_i-t_c+(N_Y-1)×R、t_i+1+t_c，记作

S2.3、根据以上步骤，实现对目标列车运行过程的局域划分，形成若干个时空局域网格，记为G_i,j(u_i,y_i,j)，每个网格对应局域区段u_i以及与之相关联的局域时段y_i,j。

步骤S3的具体过程为：

局域监测数据处理终端从线路上各个列车的卫星定位终端获取卫星标识与观测信息，包括时间戳t、导航系统模式M(分别对应GPS、BDS、GALONASS、GALILEO以及多系统兼容模式)、卫星编号prn、卫星类型Type、卫星仰角θ、卫星方位角信噪比N等，以及接收机输出的卫星伪距残差估值w，按照各局域网格{G_i,j(u_i,y_i,j)}对各组卫星标识与观测信息进行划分。为了利用所得观测信息对所得局域网格对应的卫星观测质量进行局域近似描述，为完好性监测提供动态的先验信息，定义对应每个局域网格的局域用户等效距离误差方差对各个卫星的观测质量进行局域近似，并在每个局域网格进行集合建模计算，具体的建模计算过程包括以下步骤：

S3.1、对于个局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)所属的卫星观测信息，根据卫星可见性的相关度(在该网格对应区段、时段内具有相同的可视卫星星座分布)从中抽取K组观测，提取每组观测数据中各颗可视卫星的伪距残差，构建伪距残差向量W_i,j＝[w₁,w₂,…,w_K]^T，利用W_i,j计算局域网格内K组观测的集合平均伪距残差方差计算公式如下：

S3.2、利用集合平均伪距残差方差和可见卫星数量N_s估计当前目标网格G_i,j(u_i,y_i,j)的局域用户等效距离误差方差计算公式如下：

进而可计算对应每个局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)的局域用户等效距离误差标准差计算公式如下：

S3.3、利用局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)时空范围内可见卫星的伪距残差集{w_l}，分别计算每颗卫星的伪距残差方差以局域网格的区段空间u_i为索引，对同属u_i的多个时段y_i,j内各可见卫星的伪距残差方差进行汇集，并对卫星仰角θ、卫星信噪比N与伪距残差方差的数值关系在各个时段y_i,j分别进行拟合分析，采用多项式拟合分别建立仰角-伪距残差方差模型信噪比-伪距残差方差模型其模型表达式分别为：

依据上述参数拟合模型形式获得局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)的卫星观测模型参数集，分别为

步骤S4的具体过程为：

为了使离线计算所得各个局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)的卫星观测模型参数集与局域网格内卫星观测特性的动态性保持一致性，使其参数用于完好性监测计算具有实际意义，需要在各个列车运行计划日复执行过程中，对当前的卫星观测模型参数集进行动态监测，在检测出一定程度偏差的情况下，利用所积累的历史观测数据对卫星观测模型参数进行重新计算与更新，具体的更新过程包括以下步骤：

S4.1、对各个局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)所得卫星定位局域观测模型参数进行集成，构成包含各个网格的全局参数集

S4.2、考虑卫星导航系统卫星星座分布的周期性，根据所采用的卫星导航系统模式，确定卫星星座每日的周期超前量δT，以GPS系统为例，GPS卫星星座分布按23小时56分的周期复现，即GPS星座每日的周期超前量为δT＝4min，从上一次更新局域完好性监测参数数据库时刻起，随列车运行计划随运行日期的不断执行，自主判断累积时间增量ΔT＝δT×n是否超过局域时段划分时采用的间隔量R，决定是否对相应网格的参数集进行更新：

若未超过时间间隔量R，即δT×n≤R，为相距天数，则不对全局参数集Ω进行更新，使用既有参数集Ω发送至在途列车实施完好性监测计算；

若超过时间间隔量R，δT×n＞R，则需对全局参数集Ω进行更新，利用近期积累的卫星观测数据，重新按上述步骤S3.1至S3.3计算各个局域网格对应的局域用户等效距离误差标准差以及伪距残差模型参数集在全局参数集Ω中将对应的局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)所属局域用户等效距离误差标准差、伪距残差模型参数集分别替换为

S4.3、考虑以一定规模的卫星观测数据计算局域网格模型参数的局限性和时效性，以一定的更新周期T(T取为运行天数n的倍数)，利用近期积累的卫星观测数据，重新按上述步骤S3.1至S3.3计算各个局域网格对应的局域用户等效距离误差标准差以及伪距残差模型参数集并根据重新计算的局域用户等效距离误差标准差与原值之间的偏差与预定门限γ(i,j)的比较，决定是否对相应网格的参数集进行更新，具体可分为：

若未超过门限γ(i,j)，即则不对全局参数集Ω进行更新，使用既有参数集Ω发送至在途列车实施完好性监测计算；

若超过门限γ(i,j)，即则需对全局参数集Ω进行更新，利用近期积累的卫星观测数据，重新按上述步骤S3.1至S3.3计算各个局域网格对应的局域用户等效距离误差标准差以及伪距残差模型参数集在全局参数集Ω中将对应的局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)所属局域用户等效距离误差标准差、伪距残差模型参数集分别替换为

步骤S5的具体过程为：

线路上运行的列车不但作为局域完好性参数模型建模信息的提供者，同时在运行过程中也作为接收方从轨旁中心获得更新的局域完好性模型参数，为了确保使用这些参数更为精细地描述当前可观测卫星的观测质量，有效实施完好性监测可用性判断以及后续的故障检测、识别与排除过程，分别利用伪距残差方差模型、局域用户等效距离误差标准差计算定位误差水平保护级，具体的计算过程包括以下步骤：

S5.1、对于每一列在途运行的列车，通过地-车无线通信通道接收由轨旁中心发送的卫星定位局域观测模型参数集，通过对当前时刻列车位置的预测识别当前所处的局域网格，提取相应的局域观测模型参数。所采用的列车位置预测策略为：根据上一时刻(t_k-1时刻)列车定位信息，包括t_k-1时刻运行里程S_k-1、运行速度v_k-1以及加速度a_k-1，采用常加速度运动模型(CA模型)估计t_k时刻运行里程S_k，计算公式如下：

式中，T为定位解算周期，S_k-1后符号在列车上行时为减，下行时为加。

根据里程S_k、时刻t_k在卫星定位局域观测模型参数集中搜索，所采用的搜索确认原则如下：

Y_i,j≤t_k＜Y_i,j+1

式中，分别为所属空间区段边界点P_i、P_i+1的对应里程，Y_i,j、Y_i,j+1分别为所属时间区段的首尾时刻。

基于搜索确认结果，提取出局域网格G_i,j(u_i,y_i,j)对应的局域观测模型参数ρ_θ,i、ρ_N,i。

S5.2、在当前t_k时刻接收列车卫星定位终端的观测数据，包括导航系统模式M、可见卫星数N_S、卫星编号prn、卫星类型Type、卫星仰角θ、卫星方位角信噪比N等，对卫星可见条件进行判断：

若当前可见卫星数N_S≤4，不满足自主完好性监测计算条件，向列车定位处理单元发送完好性监测不可用的告警标志信息；

若当前可见卫星数N_S＞4，将接收到的卫星观测信息代入参数模型计算各个卫星的权重，具体计算策略如下：

根据参数ρ_θ,i、ρ_N,i，将各个可见卫星的仰角θ、信噪比N代入仰角-伪距残差方差模型信噪比-伪距残差方差模型将所得方差进行加权，计算每颗卫星的伪距残差方差估计值，计算公式如下：

式中，α、β为加权系数。

根据所获得的N_S颗卫星的伪距残差方差估计值，计算权重矩阵C_k为

S5.3、根据所得权重矩阵计算在线的定位误差水平保护级HPL₁，计算步骤如下：

首先，根据卫星伪距观测模型z_k＝h(x_k)及当前卫星观测数据z_k，计算当前时刻的线性化观测矩阵H_k，并根据最小二乘估计方法计算参数矩阵A_k、B_k，计算公式如下：

其次，分别计算各颗卫星的特征斜率Slope_1,n，对于第n颗卫星的特征斜率，计算公式如下：

式中，A_k,1n、A_k,2n分别为参数矩阵A_k的第1行第n列、第2行第n列矩阵元素，B_k,nn为参数矩阵B_k的第n个对角线元素，C_k,nn为权重矩阵C_k的第n个对角线元素。

最后，根据伪距残差服从高斯分布的假设条件，计算在线的定位误差水平保护级HPL₁，计算公式如下：

式中，λ_C,min为在特定可见卫星数量条件下满足给定漏检概率需求的卡方分布非中心化参数。

S5.4、根据所得局域用户等效距离误差标准差计算离线的定位误差水平保护级HPL₂，计算步骤如下：

首先，采用与步骤S5.3类似策略计算参数矩阵计算公式如下：

其次，分别计算各颗卫星的特征斜率Slope_2,n，对于第n颗卫星的特征斜率，计算公式如下：

最后，根据伪距残差服从高斯分布的假设条件，计算离线的定位误差水平保护级HPL₂，计算公式如下：

步骤S6的具体过程为：

根据计算所得离线、在线的定位误差水平保护级，列车定位系统对自主实施卫星定位完好性监测的可用性进行判断，在可用条件下，利用卫星观测量的估计残差进行假设检验，检测并排除卫星观测集中可能存在的故障，完成完整的完好性监测计算判决过程，辅助列车定位系统正确选择无故障的导航卫星观测数据实施定位解算与决策输出，具体的完好性监测计算与判决包括以下步骤：

S6.1、根据具体的列车运行场景及应用系统需求确定告警门限HAL，为了确保自主完好性监测的可信性，抑制完好性风险，分别利用所得离线、在线定位误差水平保护级进行自主完好性监测可用性状态判断：

若HPL₁≥HAL，不论HPL₂是否超过门限，判定自主完好性监测不可用，向列车定位处理单元发送完好性监测不可用的告警标志信息；

若HPL₂≥HAL，不论HPL₁是否超过门限，判定自主完好性监测不可用，向列车定位处理单元发送完好性监测不可用的告警标志信息；

若HPL₁＜HAL、HPL₂＜HAL同时得到满足，则判定自主完好性监测为可用状态，启动故障检测与识别计算。

S6.2、在自主完好性监测为可用状态时进行故障检测与识别，其核心步骤为故障检测所需检验统计量∈_k的构建，采用与水平保护级计算过程相同的定位解算估计框架计算检验统计量，计算步骤如下：

首先，基于上一时刻(t_k-1时刻)定位估计解进行一步状态预测，用于计算估计残差r_k，计算公式如下：

式中，为自上一时刻状态估计解向当前时刻进行的前向预测向量，假定系统状态转移为线性过程，计算公式如下：

式中，F_k,k-1为系统状态转移矩阵。

其次，利用所得残差r_k计算故障检测检验统计量∈_k，假定残差在无故障假设条件下服从零均值高斯分布，可得检验统计量构造函数μ(*)的解析形式，计算公式如下：

最后，依据具体的列车运行场景及应用系统需求确定故障漏检率p_MD、误警率p_FA，根据残差r_k的统计分布特性确定故障检测检验统计量∈_k服从卡方分布特性，计算检验统计量∈_k对应的故障检测门限T_h，计算公式如下：

故障检测门限T_h同时满足

式中，λ_C为卡方分布非中心化参数。

在获得故障检测检验统计量∈_k后，将其与故障检测门限T_h，判断当前卫星观测集z_k中是否存在故障：

若∈_k≥T_h，则认为当前在卫星观测集z_k中存在故障，启动故障识别，根据识别结果判断卫星观测集z_k是否能被用于定位解算；

若∈_k＜T_h，则认为当前在卫星观测集z_k中不存在故障，可直接将当前观测集z_k送入状态估计器实施定位解算。

S6.3、在检测出故障情况下，对各个可见卫星分别计算估计残差r_k,n的标准化值n＝1,…,N_S，用于进行故障识别，计算公式如下：

式中，B_k,nn为矩阵B_k的第n个对角线元素。

将标准化残差值与给定置信水平下的故障识别门限T_r，对N_S个可视卫星逐一进行故障识别判断：

若则将当前卫星观测集z_k中的第n颗卫星标记为故障数据；

若则将当前卫星观测集z_k中的第n颗卫星标记为正常数据。

根据对所有N_S颗可视卫星进行的遍历故障识别，对当前卫星观测集z_k中的故障情况进行统计，确认故障卫星数N_F，且N_F≤N_S，将其发送至列车定位处理单元，指示其对当前卫星观测集z_k进行重构：

若N_S-N_F≥4，表示剩余可用卫星数量满足定位解算要求，则从初始卫星观测集z_k中排除N_F故障卫星的观测数据，通过约简操作，重构当前卫星观测集为将其送入状态估计器实施定位解算；

若N_S-N_F＜4，表示剩余可用卫星数量不满足定位解算要求，当前无法使用卫星观测信息独立完成定位解算，向列车定位处理单元发送告警标志信息，由辅助定位传感器信息对卫星定位观测进行补偿，实施连续的定位解算。

本实例提供的方法在基于卫星导航的列车定位解算中为基本的自主完好性监测计算提供的更加精细的卫星观测质量指示信息，使完好性监测计算中各个卫星的权重与其观测质量的动态变化进行有效关联，增加了完好性监测的动态性、准确性和可信性，从而使更加有效地对卫星定位观测数据进行故障检测、识别与排除成为可能，确保卫星导航系统实施列车定位的安全性。

如图4所示，本实施例提供的执行上述方法的列车卫星定位局域完好性监测系统，包括：安置在列车上的车载动态采集单元、卫星定位监测处理单元、安置在列车上的车载动态采集单元，以及覆盖列车与轨旁数据处理中心的车-地无线传输网络：

(i)车载动态采集单元，用于在列车按运行计划运行于预定线路时，实时从卫星定位采集终端接收导航卫星观测信息，提取卫星标识与动态信息、卫星信号质量指示信息，并将采集的卫星观测信息与当前所处线路位置、运行时刻相关联，发送至轨旁数据处理中心。车载动态采集单元包括：

天馈模块，用于接收空间导航卫星信号，并将卫星信号分配至车载动态采集单元所含的卫星定位采集终端；

卫星定位采集终端，用于接收天馈模块发送的导航卫星信号，实施信号解算与各个可视卫星的观测信息处理；

卫星观测信息处理模块，用于从卫星定位采集终端接收各个可视卫星的观测信息，提取卫星标识信息、卫星动态观测信息、卫星信号质量指示信息，通过对当前运行位置的预测处理，将所提取的卫星观测信息与当前线路位置、运行时刻进行关联；

无线信息发送模块，用于将实现时空局域关联的卫星观测信息通过车-地无线传输网络发送至轨旁数据处理中心。

(ii)局域监测数据处理终端，用于采集轨道线路地理空间信息、列车运行计划信息等时空域基础数据；对运行计划中所含的各个运行过程，完成对各个目标列车运行所属线路的空间局域划分、时间局域划分，形成时空局域网格划分方案；接收由线路上各个列车所属车载动态采集单元发送的卫星观测信息，构建面向各个局域网格的卫星定位局域观测模型全局参数集，包括局域用户等效距离误差方差、仰角/信噪比-伪距残差方差模型参数；通过对时间增量、局域用户等效距离误差标准差偏差的判断，完成对局域网格参数集的数据更新。局域监测数据处理终端包括：

轨道地理空间数据服务器，用于接入铁路基础数据库或人工录入自行制作生成的数据库，提取、存储和管理轨道线路地理空间信息，并在轨道线路信息发生变更时自动同步更新数据；

列车运行计划数据服务器，用于接入列车调度指挥系统(Train OperationDispatching Command System，TDCS)或通过人工录入列车运行计划及运行时刻表数据，提取、存储和管理列车运行计划时分信息，并在列车运行计划受调整时自动进行实时同步与更新；

卫星观测数据存储服务器，用于对列车运行计划所述各次列车实现对应的空间局域划分、时间局域划分，在时空域基础数据更新时动态调整空间与时间局域划分方案，并根据局域划分方案分别存储接收的卫星观测信息；

局域完好性参数存储服务器，用于存储所得局域观测模型全局参数集数据，并实时数据管理与维护；

局域完好性参数运算模块，作为核心计算模块，接入轨道地理空间数据服务器、列车运行计划数据服务器、卫星观测数据存储服务器，在动态监测更新模块驱动下，将所得卫星观测信息分别关联至各个已划分的时空局域网格，分别计算各个局域网格的卫星定位局域观测模型参数，计算并更新局域观测模型全局参数集，将其发送至局域完好性参数存储服务器；

动态监测更新模块，用于在接收到后续卫星观测信息时，对各个网格的时间增量、局域用户等效距离误差标准差偏差进行实时监测，实施局域观测模型参数的更新决策，并将决策结果发送至局域完好性参数运算模块；

无线信息传输模块，用于将更新的局域划分方案、局域观测模型全局参数集通过车-地无线传输网络发送至线路上各列车的卫星定位监测处理单元。

(iii)卫星定位监测处理单元，用于接收由轨旁数据处理中心发送的卫星定位局域观测模型参数集，根据历史定位信息对当前位置的预测结果对所属局域网格进行判断，从局域观测模型参数集中提取相应参数；利用所接收的实时卫星观测数据，结合参数模型分别计算离线、在线的定位误差水平保护级，判定自主完好性监测的可用性状态，在自主完好性监测可用情况下完成故障检测与识别，并据此确定卫星定位观测集的重构及其用于列车定位解算的处理策略。卫星定位监测处理单元包括：

卫星观测信息提取模块，用于在途运行过程中实时从车载动态采集单元所含的卫星定位采集终端提取可视卫星的观测信息；

实时完好性监测计算模块，用于识别列车当前位置、运行时刻所属局域网格，提取局域观测模型参数，利用卫星观测信息计算离线、在线的定位误差水平保护级，判断自主完好性监测的可用性，实施故障检测与识别；

监测决策输出模块，用于根据故障检测与识别结果确定卫星观测集的重构及定位处理策略，如图5所示，车载动态采集单元、卫星定位监测处理单元与列车定位处理单元同为列车定位系统组成部分，由卫星定位监测处理单元的监测决策输出模块将完好性监测决策结果发送至列车定位处理单元，供其对所接收到的导航卫星观测数据进行合理选择，并与辅助列车定位传感器数据、轨道空间地理数据库信息进行时间、空间同步与集成，共同用于最终的列车定位解算，并将定位决策结果进行输出；

无线信息接收模块，用于通过车-地无线传输网络接收由轨旁数据处理中心发送的卫星定位局域观测模型参数集。

(iv)车-地无线传输网络，用于完成车载动态采集单元、卫星定位处理单元、局域监测数据处理终端之间的双向无线信息传输，从列车向轨旁数据处理中心发送卫星观测信息，并从轨旁数据处理中心反馈卫星定位局域观测模型参数信息。

局域监测数据处理终端的轨道地理空间数据服务器存储维护的轨道地理空间数据是决定局域完好性监测功能的重要基础因素，铁路现场随着线路改造、新建以及线路周边环境(如自然地貌、地形、建筑物等)的改变，会对局域时空网格划分的有效性形成不确定性影响。轨道地理空间数据服务器与铁路基础数据库同步更新或者人工录入更新除了可能存在一定的信息滞后之外，还可能由于溯源信息的缺失导致所进行的更新未能完全响应实际现场环境的变化，制约局域完好性监测系统具备的能力。为此，轨道地理空间数据服务器通过网络与多源地理信息系统进行连接，在线将外部获取的多源、多种形式的地理信息数据与本地数据进行关联与对比监测，动态检测轨道地理空间数据的状态异变情况，并向操作维护人员发送告警信息，指示其手动更新轨道地理空间数据，并驱动局域完好性参数运算模块进行更新计算，替换局域完好性参数存储服务器中的数据。

局域监测数据处理终端的局域完好性参数运算模块实施时空局域网格划分以及模型计算过程中，已通过在基本计划时段的基础上增加时间延展量，对实际列车运行过程因常规因素，如由实际调度指挥系统操作需要造成的列车早晚点运行、列车运行工况间差异(启动、牵引、制动等)以及线路坡度、曲率及信号控制条件等，导致列车实际运行过程一定程度偏离从列车调度指挥系统提取的列车运行计划。然而，铁路运输组织过程中还会遇到特殊因素导致的较大程度的紊乱，如极端自然灾害、系统故障、运输事故等，从而可能导致基于时间延展量的划分策略未能对严重偏离原定计划的运行过程实施有效覆盖。为此，列车运行计划数据服务器实时与列车调度指挥系统进行数据同步，并对实际运行状态与列车运行计划之间的差异进行动态评估，在其超过基本的局域时空划分方案的时间覆盖能力时，驱动局域完好性参数运算模块重新实施局域网格调整，并调用历史数据进行重新抽取，计算更新卫星定位局域观测模型参数，替换局域完好性参数存储服务器中的数据。

不论局域监测数据处理终端进行的计算处理，还是卫星定位监测处理单元进行的监测处理，在调用车载动态采集单元的卫星观测数据时，均可能遇到采集卫星观测数据的多个计划车次列车处于同一个局域时空网格的情况，即局域监测数据处理终端计算某一局域时空网格所需的卫星观测数据来源于多个不同的列车车次，同时，局域监测数据处理终端发送的某一局域时空网格的卫星观测模型参数信息，可同时提供给多个不同车次列车(同一时段内运行于相同的线路区域，从属于同一个局域时空网格)的卫星定位监测处理单元。为此，局域监测数据处理终端的卫星观测数据存储服务器、局域完好性参数运算模块在进行数据提取、参数计算过程中，不以列车车次对卫星观测数据的使用进行限定，始终以局域网格的划分方案为指导实施处理，真正体现局域完好性监测的思想，并实现各个列车既作为局域完好性参数模型的信息源、又作为从轨旁中心获取局域模型信息的受益者的系统运行模式，充分发挥本发明所述局域完好性监测方法及系统的核心作用。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种列车卫星定位局域完好性监测方法，其特征在于，包括：

S1、采集目标列车的轨道线路地理空间信息和列车运行计划信息；

S2、根据目标列车的轨道线路地理空间信息和列车运行计划信息，结合目标列车运行过程对应的线路区域与始发终到时段，对目标列车运行过程进行空间、时间尺度上的局域划分，得到多个时空局域网格；

S3、在目标列车运行过程中实时采集卫星定位观测性能信息，并根据卫星定位观测性能信息计算各时空局域网格的卫星定位局域观测模型；

S4、对各时空局域网格的卫星定位局域观测模型的模型参数进行集成，构建卫星定位观测模型参数集的离线数据库；

S5、利用与目标列车运行计划相同的列车在运行过程中实时接收卫星定位观测数据，从离线数据库中提取所在时空局域网格的模型参数，分别计算在线、离线的定位误差水平保护级；

S6、根据在线、离线的定位误差水平保护级及告警门限判断完好性监测的可用性状态，在可用条件下实施卫星定位观测集的故障检测与识别，依据故障检测与识别的结果实时对列车卫星定位观测集进行重构，实施定位解算；

其中，步骤S2包括如下子步骤：

S2.1、对目标列车的轨道线路在空间范围进行局域划分：根据列车运行计划信息确定线路始端和终端，提取相应的轨道线路空间信息以实施空间局域划分，其中，采用的划分方法根据轨道线路空间信息类型分为两类：

按一维线路里程等间隔划分：根据始端、终端绝对里程S_F、S_E，计算线路区段总里程为S＝|S_E-S_F|，按照等里程间隔L进行空间划分，将目标线路划分为个等里程间隔的局域空间区段，每个局域区段记作u_i，其中，符号表示向上取整数，则每个局域区段的边界点记为P_i、P_i+1；

按二维平面区域等面积划分：对目标线路所属区域范围在二维平面投影空间上采用网格面积A进行等积离散网格化，确保所划分网格中轨道线路的连续性，将线路经过的网格标记为特征网格，对轨道线路在网格边界的二维坐标进行里程投影转化，确定各局域区段u_i的边界点P_i、P_i+1；

两类空间局域划分方法中的里程间隔L和网格面积A的选择采用同一原则；

S2.2、对目标列车的列车运行计划在时间尺度进行局域划分：

根据时刻表提供的列车始发和终到计划时分，基于匀速模型：列车运行速度为V＝|S_E-S_F|/(T_E-T_F)，其中T_F、T_E别为计划的始发、终到时分，为各个局域区段的边界P_i赋予基本计划时刻t_i，从而获得局域区段u_i的基本计划时段[t_i，t_i+1]，其持续时长为Y_i ^b＝t_i+1-t_i；

在基本计划时段上叠加时间延展量t_c，得到每个局域区段u_i对应的计划延展时段[t_i-t_c，t_i+1+t_c]，其持续时长为Y_i＝t_i+1-t_i+2×t_c；

根据卫星轨迹的时间相关性，采用等时间间隔R对局域区段u_i对应的计划延展时段进行平均划分，可以构成个等时间间隔的局域时间区段，每个局域时段记作

S2.3、对目标列车运行过程进行空间、时间尺度上的局域划分，形成多个时空局域网格，每个网格对应局域区段u_i以及与之相关联的局域时段y_i，j。

2.根据权利要求1所述的列车卫星定位局域完好性监测方法，其特征在于，步骤S3包括如下子步骤：

S3.1、将所接收的属于时空局域网格G_i，j(u_i，y_i，j)时空范围的卫星定位观测性能信息进行划分与汇集，所述卫星定位观测性能信息包括卫星定位观测性能信息，包括从卫星定位终端获取的各个可观测卫星标识与动态信息，含时间戳t、导航系统模式M、卫星编号prn、卫星类型Type、卫星仰角θ、卫星方位角信噪比N以及接收机输出的卫星伪距残差估值w，根据卫星可见性的相关度提取K组观测，提取其中的伪距残差，生成伪距残差向量W_i，j＝[w₁，w₂，…，w_K]^T，利用W_i，j计算局域网格内K组观测的集合平均伪距残差方差计算公式如下：

S3.2、利用集合平均伪距残差方差和可见卫星数量N_s估计当前目标网格G_i，j(u_i，y_i，j)的局域用户等效距离误差方差计算公式如下：

进而可求得网格G_i，j(u_i，y_i，j)的局域用户等效距离误差标准差

S3.3、利用时空局域网格G_i，j(u_i，y_i，j)时空范围内可见卫星的伪距残差集{w_l}，分别计算每颗卫星的伪距残差方差以局域网格的区段空间u_i为索引，对同属u_i的多个时段y_i，j内各可见卫星的伪距残差方差进行汇集，并对卫星仰角θ、卫星信噪比N与伪距残差方差的数值关系在各个时段y_i，j分别进行拟合分析，形成仰角-伪距残差方差模型信噪比-伪距残差方差模型及其模型参数集ρ_θ，i、ρ_N，i。

3.根据权利要求2所述的列车卫星定位局域完好性监测方法，其特征在于，步骤S4包含如下子步骤：

S4.1、对各时空局域网格G_i，j(u_i，y_i，j)的卫星定位局域观测模型参数进行集成，构成包含各时空局域网格的全局参数集

S4.2、当在时空局域网格G_i，j(u_i，y_i，j)范围内获得后续新的卫星观测信息时，根据所采用的卫星导航系统模式，确定卫星星座周期超前量δT，从最近更新局域完好性监测参数数据库时刻起，判断时间增量是否超过局域时段划分时采用的间隔量R，决定是否对相应网格的参数集进行更新，决策策略如下：

若δT×n≤R，不对全局参数集Ω进行更新，n为相距天数；

若δT×n＞R，执行步骤S3.1至S3.3，重新计算各时空局域网格对应的局域用户等效距离误差标准差以及伪距残差模型参数集在全局参数集Ω中将对应的局域网格G_i，j(u_i，y_i，j)所属局域用户等效距离误差标准差、伪距残差模型参数集分别替换为

S4.3、当在时空局域网格G_i，j(u_i，y_i，j)范围内获得后续新的卫星观测信息时，以一定的更新周期T，执行步骤S3.1至S3.3，重新计算各时空局域网格对应的局域用户等效距离误差标准差以及伪距残差模型参数集 根据重新计算的局域用户等效距离误差标准差与原值之间的偏差与预定门限γ(i，j)的比较，决定是否对相应网格的参数集进行更新，决策策略如下：

若不对全局参数集Ω进行更新；

若在全局参数集Ω中对对应的时空局域网格G_i，j(u_i，y_i，j)所属局域用户等效距离误差标准差、伪距残差模型参数集分别替换为

4.根据权利要求3所述的列车卫星定位局域完好性监测方法，其特征在于，步骤S5包括如下子步骤：

S5.1、利用与目标列车运行计划相同的列车在运行过程中通过地-车无线通信通道接收所在线路的卫星定位局域观测模型参数集，利用上一时刻列车定位信息以及轨道线路地理空间信息估算当前时刻的列车位置：

已知t_k-1时刻运行里程S_k-1、运行速度v_k-1以及加速度a_k-1，采用列车运动模型估计t_k时刻里程S_k，计算公式如下：

式中，T为定位解算周期，S_k-1后符号在列车上行时为减，下行时为加；

根据里程S_k、时刻t_k在卫星定位局域观测模型参数集中搜索其对应的局域网格G_i，j(u_i，y_i，j)，提取相应的局域观测模型参数ρ_θ，i、ρ_N，i；

S5.2、在当前t_k时刻接收列车卫星定位终端的观测数据，包括导航系统模式M、可见卫星数N_S、卫星编号prn、卫星类型Type、卫星仰角θ、卫星方位角和信噪比N，在当前时刻可见卫星数满足N_S＞4的情况下，根据参数ρ_θ，i、ρ_N，i，将接收到的卫星仰角、信噪比数据代入相应模型加权计算每颗卫星的伪距残差方差估计值，计算公式如下：

式中，α、β为加权系数，分别为利用参数ρ_θ，i、ρ_N，i构建的数值模型；

根据所获得的N_S颗卫星的伪距残差方差估计值，计算权重矩阵C_k为

S5.3、根据所得权重矩阵计算在线的定位误差水平保护级HPL₁为

式中，λ_C，min为在特定可见卫星数量条件下满足给定漏检概率需求的卡方分布非中心化参数，对于第n颗卫星的特征斜率Slope_1，n，计算公式如下：

式中，A_k，1n、A_k，2n分别为参数矩阵A_k的第1行第n列、第2行第n列矩阵元素，B_k，nn为参数矩阵B_k的第n个对角线元素，C_k，nn为权重矩阵C_k的第n个对角线元素；在计算当前时刻的线性化观测矩阵H_k后，上述参数矩阵A_k、B_k可按照如下方式计算

S5.4、根据局域用户等效距离误差标准差计算离线的定位误差水平保护级HPL₂为

式中，对于第n颗卫星的特征斜率Slope_2，n，计算公式如下：

式中，计算Slope_2，n所需的参数矩阵可按照如下方式计算

5.根据权利要求4所述的列车卫星定位局域完好性监测方法，其特征在于，步骤S6包括如下子步骤：

S6.1、自主完好性监测可用性判定：根据给定的告警门限HAL，利用在线、离线的定位误差水平保护级分别进行比较，判断完好性监测的可用性状态，具体判定原则为：

若HPL₁≥HAL，不论HPL₂是否超过门限，均判定当前完好性监测不可用；

若HPL₂≥HAL，不论HPL₁是否超过门限，均判定当前完好性监测不可用；

若同时满足HPL₁＜HAL、HPL₂＜HAL，则判定当前完好性监测为可用状态，转入步骤S6.2；

S6.2、根据卫星定位解算采用的状态估计逻辑，基于估计残差构建检验统计量∈_k＝μ(r_k)，μ(*)为检验统计量的构造函数，在给定的故障漏检率、误警率条件下确定故障检测门限T_h，决定当前卫星观测集z_k中是否存在故障，决策策略如下：

若∈_k≥T_h，则认为当前在卫星观测集z_k中存在故障，需对故障进行识别、排除后再实施定位解算，转入步骤S6.3；

若∈_k＜T_h，则认为当前在卫星观测集z_k中不存在故障，能直接将当前观测集z_k送入状态估计器实施定位解算；

S6.3、进行列车卫星定位观测集的故障识别与重构：将各可见卫星的估计残差r_k，n标准化为在给定的置信水平下确定故障识别门限T_r，对各个卫星逐一进行故障识别判断完成故障确认，识别原则如下：

若则认为当前在卫星观测集z_k中第n颗发生故障；

若则认为当前在卫星观测集z_k中第n颗无故障；

根据识别原则对所有N_S颗可见卫星进行遍历，若确认其中有N_F颗卫星识别出故障，则需视N_F值对当前的卫星观测集z_k进行重构，重构原则如下：

若N_S-N_F≥4，表示剩余可用卫星数量满足定位解算要求，则从初始卫星观测集z_k中排除N_F故障卫星的观测数据，通过约简操作，重构当前卫星观测集为将其送入状态估计器实施定位解算；

若N_S-N_F＜4，表示剩余可用卫星数量不满足定位解算要求，当前无法使用卫星观测信息独立完成定位解算，向列车定位处理单元发送告警标志信息，由辅助定位传感器信息对卫星定位观测进行补偿后实施连续的定位解算。

6.一种执行如权利要求1-5中任一项所述方法的列车卫星定位局域完好性监测系统，其特征在于，该系统包括：

车载动态采集单元，用于在列车按运行计划运行于预定线路时，实时从卫星定位采集终端接收导航卫星观测信息，提取卫星标识与动态信息、卫星信号质量指示信息，并将采集的卫星观测信息与当前所处线路位置、运行时刻相关联，发送至轨旁数据处理中心；

置于轨旁数据处理中心的局域监测数据处理终端，用于采集轨道线路地理空间信息、列车运行计划信息等时空域基础数据；对运行计划中所含的各个运行过程，完成对各个目标列车运行所属线路的空间局域划分、时间局域划分，形成时空局域网格划分方案；接收由线路上各个列车所属车载动态采集单元发送的卫星观测信息，构建面向各个局域网格的卫星定位局域观测模型全局参数集，包括局域用户等效距离误差方差、仰角/信噪比-伪距残差方差模型参数；通过对时间增量、局域用户等效距离误差标准差偏差的判断，完成对局域网格参数集的数据更新；

车载卫星定位监测处理单元，用于接收由轨旁数据处理中心发送的卫星定位局域观测模型参数集，根据历史定位信息对当前位置的预测结果对所属局域网格进行判断，从局域观测模型参数集中提取相应参数；利用所接收的实时卫星观测数据，结合参数模型分别计算离线、在线的定位误差水平保护级，判定自主完好性监测的可用性状态，在自主完好性监测可用情况下完成故障检测与识别，并据此确定卫星定位观测集的重构及其用于列车定位解算的处理策略；

覆盖列车与轨旁数据处理中心的车-地无线传输网络，用于完成车载动态采集单元、卫星定位处理单元、局域监测数据处理终端之间的双向无线信息传输，从列车向轨旁数据处理中心发送卫星观测信息，并从轨旁数据处理中心反馈卫星定位局域观测模型参数信息。

7.根据权利要求6所述的列车卫星定位局域完好性监测系统，其特征在于，所述车载动态采集单元包括：

天馈模块，用于接收空间导航卫星信号，并将卫星信号分配至车载动态采集单元所含的卫星定位采集终端；

卫星定位采集终端，用于接收天馈模块发送的导航卫星信号，实施信号解算与各个可视卫星的观测信息处理；

卫星观测信息处理模块，用于从卫星定位采集终端接收各个可视卫星的观测信息，提取卫星标识信息、卫星动态观测信息、卫星信号质量指示信息，通过对当前运行位置的预测处理，将所提取的卫星观测信息与当前线路位置、运行时刻进行关联；

无线信息发送模块，用于将实现时空局域关联的卫星观测信息通过车-地无线传输网络发送至轨旁数据处理中心。

8.根据权利要求6所述的列车卫星定位局域完好性监测系统，其特征在于，所述局域监测数据处理终端包括：

轨道地理空间数据服务器，用于存储和管理轨道线路地理空间信息，并在轨道线路信息发生变更时自动同步更新数据；

列车运行计划数据服务器，用于存储和管理列车运行计划信息，并在列车运行计划受调整时自动进行实时同步与更新；

卫星观测数据存储服务器，用于对列车运行计划所述各次列车实现对应的空间局域划分、时间局域划分，在时空域基础数据更新时动态调整空间与时间局域划分方案，并根据局域划分方案分别存储接收的卫星观测信息；

局域完好性参数存储服务器，用于存储所得局域观测模型全局参数集数据，并实时数据管理与维护；

局域完好性参数运算模块，用于基于所得卫星观测信息计算各个局域网格的卫星定位局域观测模型参数，计算并更新局域观测模型全局参数集；

动态监测更新模块，用于在接收到后续卫星观测信息时，对各个网格的时间增量、局域用户等效距离误差标准差偏差进行实时监测，实施局域观测模型参数的更新决策，并将决策结果发送至局域完好性参数运算模块；

无线信息传输模块，用于将更新的局域划分方案、局域观测模型全局参数集通过车-地无线传输网络发送至线路上各列车的卫星定位监测处理单元。

9.根据权利要求6所述的列车卫星定位局域完好性监测系统，其特征在于，所述卫星定位监测处理单元包括：

卫星观测信息提取模块，用于在途运行过程中实时从车载动态采集单元所含的卫星定位采集终端提取可视卫星的观测信息；

实时完好性监测计算模块，用于识别列车当前位置、运行时刻所属局域网格，提取局域观测模型参数，利用卫星观测信息计算离线、在线的定位误差水平保护级，判断自主完好性监测的可用性，进行列车卫星定位观测集的故障检测与识别；

监测决策输出模块，用于根据故障检测与识别的结果确定列车卫星定位观测集的重构策略，并将决策结果用于最终的列车定位解算；

无线信息接收模块，用于通过车-地无线传输网络接收由轨旁数据处理中心发送的卫星定位局域观测模型参数集。