CN109946718A - 一种面向铁路站场的伪卫星空间布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向铁路站场的伪卫星空间布局方法，包括：采集站场轨道线路地理空间信息与列车运行计划信息；根据地理空间信息进行地理空间范围内的目标特征点提取，基于列车运行计划信息，在目标特征点进行时间特征提取，得到目标特征点集，并对每个目标特征点拓展视域附加属性；提取导航卫星轨道参数，确定目标特征点的导航卫星可见状态，计算基础伪卫星空间布局；通过迭代计算对基础伪卫星空间布局进行优化；通过计划车次数据验证优化的伪卫星空间布局的定位能力，实施伪卫星空间布局决策。本发明可以实现铁路站场区域内导航卫星信号观测条件不良情况下的精确定位与定位可用性提升。

Description

一种面向铁路站场的伪卫星空间布局方法

技术领域

本发明涉及地面伪卫星辅助卫星导航系统的列车定位技术领域，尤其涉及一种面向铁路站场的伪卫星空间布局方法。

背景技术

铁路运营过程中，实时、精确地确定列车在线路中的运行位置及状态，是保证行车安全、提高行车效率、优化铁路运输服务的重要前提。近年来，随着全世界范围内卫星导航系统的快速发展，将卫星定位技术用于列车的运行状态监测及安全控制，已成为各国新型铁路系统设计应用的一个关键趋势。随着我国北斗卫星导航系统开始提供全球化服务，多模导航卫星资源不断投入应用，以北斗为核心的基于卫星导航的列车控制系统已成为新时期我国铁路运行控制领域的重点发展方向。

然而，由于铁路路网规模庞大，线路环境特性在庞大空间范围内面临着显著的多样性问题，使卫星定位技术的应用面临着多种运行环境特征带来的限制与挑战。特别地，铁路站场作为一类大量存在的线路场所，多条股道并行，列车运行密集，作业类型繁多，且多数站场具有雨棚等顶部遮挡物，对导航卫星信号形成遮蔽或阻断，站场内停留或运行的列车采用卫星定位会面临严重的信号遮挡问题。为此，如何采用有效的技术手段实现站场内的连续、无缝定位，是提升定位对具体应用支撑能力的关键基础。当前，在组合定位与信息融合领域，采用多种异质传感器辅助卫星定位，如利用惯性导航终端、速度传感器、信标等与卫星定位进行集成，通过融合估计实现导航卫星观测条件恶化或信号丢失情况下的连续定位，已有多项探索式应用成果。然而，上述现有技术本身并未对卫星定位形成本体增强，仅在输出层面实现了冗余保障。近年来，伪卫星技术得到了一定的关注，利用分布在地面或临近空间伪卫星转发或生成类似导航卫星的信号，使卫星定位接收机能够在导航卫星信号遮蔽且完全失效情况下依然可通过接收到的伪卫星信号实施定位解算，对于维持并加固卫星定位的本体能力、实现卫星定位功能在不同观测环境之间的连续无缝覆盖，具有十分显著的价值与意义。为此，将伪卫星应用于铁路站场，是解决站场信号遮蔽造成卫星定位失效的一种重要手段。常规的一些伪卫星应用中，伪卫星空间布局规划是一项重要先期环节，然而，铁路站场因其信号遮蔽环境复杂、股道运行路径多、列车运行时间受计划限制等特点，在站场环境中设置伪卫星会受到多种因素的制约，常规的伪卫星布局选择方案面临着显著的局限性。如何确定针对站场内列车运行过程更优的伪卫星空间布局方案，与站场相关列车运行计划所涉及的局域时空特征形成紧密适配，是伪卫星有效用于列车卫星定位并形成增强价值的关键因素。

因此，需要一种可以有效用于列车卫星定位并形成增强价值的伪卫星空间布局方法。

发明内容

本发明提供了一种面向铁路站场的伪卫星空间布局方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提供了一种面向铁路站场的伪卫星空间布局方法，包括：

S1采集站场轨道线路的地理空间信息，并提取站场对应的所有列车运行计划信息。

S2根据所述地理空间信息进行地理空间范围内的目标特征点提取，根据所述列车运行计划信息，在所述目标特征点的基础上进行时间特征提取，得到目标特征点集，并对所述的目标特征点集中的每个目标特征点拓展视域附加属性。

S3提取导航卫星的轨道参数，根据目标特征点拓展视域附加属性确定目标特征点的导航卫星可见状态，确定基础伪卫星空间布局。

S4通过迭代计算对所述基础伪卫星空间布局进行优化。

S5采集计划车次数据，通过计划车次数据验证所述优化的伪卫星空间布局的定位能力，确定伪卫星的空间布局。

优选地，采集站场轨道线路的地理空间信息，并提取站场对应的所有列车运行计划信息，包括：

所采集的站场轨道线路的地理空间信息涵盖站内、与站场相邻区间范围内的轨道区段，所述的地理空间信息具体包括：轨道编号N₀、线路关键点 (B_t,i,L_t,i,H_t,i,S_t,i,I_p,i)，其中，B_t,i表示第i个关键点纬度，L_t,i为经度，H_t,i为高程，S_t,i为线路里程，I_p,i为关键点属性；

所述的列车运行计划信息包括与所述站场相关的运行计划信息。

优选地，地理空间信息还包括站场空间地形环境特征信息，具体包括站场雨棚、站内遮蔽物以及站场周边地形的特定环境遮蔽信息。

优选地，根据所述地理空间信息进行地理空间范围内的目标特征点提取，根据所述列车运行计划信息，在所述目标特征点的基础上进行时间特征提取，得到目标特征点集，并对所述的目标特征点集中的每个目标特征点拓展视域附加属性，具体包括：

根据所述地理空间信息进行地理空间范围内的目标特征点提取，包括：根据站内某轨道区段N₀始端、终端线路关键点的里程值S_A、S_B，计算轨道区段总里程为S_T＝|S_A-S_B|，对轨道区段总里程进行等间隔ΔS划分，每隔ΔS选取一个线路上的点作为目标特征点P_i，目标特征点的属性包括：线路里程S_i、轨道区段编号N₀、三维坐标(B_i,L_i,H_i)，其中S_i＝i·ΔS±S_A；

根据所述列车运行计划信息，在所述目标特征点的基础上进行时间特征提取，得到目标特征点集，包括：对每一个列车运行计划通过时刻t_p,k进行时间上的延展，延展量为t_e,k，形成以t_p,k为中心的延展时段t_inv,k，时长为2t_e,k， t_inv,k＝[t_p,k-t_e,k,t_p,k+t_e,k]，{t_inv,k}为一天内包含的多个不连续时段，对每个时段 [t_p,k-t_e,k,t_p,k+t_e,k]按时间系数Δt进行等间隔划分，即每隔Δt选取一个时刻t_j作为特征点P_i的时间附加属性，其中，得到目标特征点集P_i(S_i,N₀,B_i,L_i,H_i,{t_j})，其中包括：里程S_i、轨道区段编号N₀、经度B_i、纬度L_i、高程H_i以及计划通过时刻t_j；

对所述的目标特征点集中的每个目标特征点拓展视域附加属性，包括：以各目标特征点所在的位置为中心，将其全视域方向按角度系数Δθ进行等间隔离散化，形成K个方向特征值，在第q个方向特征值条件下，1≤q≤K，根据目标特征点里程S_i确定特征点到站内遮蔽物、站场周边地形目标的距离D和边缘高度H，计算各导航卫星的临界可视仰角θ_i,q，θ_i,q＝argtan(H/D)，得到特征点P_i在q方向的视域边界[θ_e(i,q),θ_f(i,q)]，其中，θ_e(i,q)、θ_f(i,q)分别为视域上界和下界；对所有K个方向特征值进行遍历，得到目标特征点的空间视域描述，进而得到增加视域附加属性的目标特征点为 P_i(S_i,N₀,B_i,L_i,H_i,{t_j},{θ_e(i,q),θ_f(i,q)})。

优选地，提取导航卫星的轨道参数，根据目标特征点拓展视域附加属性确定目标特征点的导航卫星可见状态，确定基础伪卫星空间布局，具体包括：

提取t_j时刻导航卫星轨道参数，计算t_j时刻导航卫星空间位置 Pos_prn(X^(prn),Y^(prn),Z^(prn))，其中，prn表示卫星编号；根据目标特征点信息、卫星空间位置，计算原始卫星仰角θ_prn；根据目标特征点的空间视域描述信息和原始卫星仰角，确定每个目标特征点的可见卫星分布情况，为目标特征点增加卫星可见性附加属性为：

其中，为可见卫星数量，为可见卫星坐标、为可视仰角、为方位角，prn表示颗可见卫星的编号；

基于站场内遮蔽物外边线等距离采样原则，确定基础伪卫星空间布局，根据目标特征点P_i可见卫星数分情况计算特征点定位优度指示因子F_i,j的初值：

1)若仅利用颗导航卫星定位的水平分量精度因子HDOP_i,j表示F_i,j初值，即F_i,j＝HDOP_i,j；

2)若同时利用导航卫星、伪卫星数据计算特征点P_i的定位优度指示因子F_i,j初值；

3)若仅利用伪卫星数据计算特征点P_i的定位优度指示因子F_i,j初值。

优选地，通过迭代计算对所述基础伪卫星空间布局进行优化，包括：

61)设定伪卫星空间位置边界、样本集规模N，按步长ΔL沿轨道正线方向移动基础伪卫星空间布局中各伪卫星的位置，形成N组布局方案，计算各组方案下所有特征点的定位优度指示因子初值，构成初始样本集，并设置优化计算的最大迭代次数μ_max；

62)以定位优度指示因子为优化指示量，对所述基础伪卫星空间布局进行优化。

优选地，以定位优度指示因子为优化指示量，对所述基础伪卫星空间布局进行优化，具体包括：

71)按标称偏移量σ沿轨道线路方向移动伪卫星，更新所述基础伪卫星空间布局的各个布局样本，得到第n个空间布局方案所含伪卫星空间位置

72)针对更新迭代后的所有空间布局方案样本，分情况计算各个目标特征点的定位优度指示因子；

73)分别计算每组伪卫星空间布局方案样本所得定位优度指示因子的最大值和平均值构建目标函数α、β为权重系数且α+β＝1，确定寻优迭代过程是否已满足终止条件，其判据依据如下式(1)所示：

其中，T_object、T_mean分别为目标函数与因子均值的门限；

74)若上述条件(1)满足，或已达到最大迭代次数μ_max，则结束迭代计算，取当前样本集所含N组布局方案中定位优度指示因子最小的一组，作为最终的伪卫星空间布局方案输出，若上述条件未满足，且未达到最大迭代次数μ_max，则返回至步骤71)，继续对所述基础伪卫星空间布局进行优化。

优选地，采集计划车次数据，通过计划车次数据验证所述优化的伪卫星空间布局的定位能力，确定伪卫星的空间布局，包括：

81)从站场所有相关列车运行计划中选取M个计划车次，采集所述M个计划车次通过站场过程中的卫星定位数据，计算无伪卫星辅助情况下的定位优度指示因子序列F_G(t)，其中t为数据记录时刻；根据所述的优化的伪卫星空间布局中的伪卫星数量及空间位置，利用第v个车次，v≤M，所得卫星定位数据及伪卫星观测模型计算各伪卫星的测距量，构建时间同步的导航卫星/伪卫星联合观测集，评估导航卫星/伪卫星组合模式下的定位优度指示因子序列 F_L(t)，分别计算定位优度指示因子序列F_G(t)、F_L(t)的最小值 和平均值E(F_G(t))、E(F_L(t))，判断优化计算所得布局方案的定位增强能力是否通过验证，其判断依据如下式(2)所示：

82)重复步骤81)所述验证过程，遍历全部M个计划车次，当全部车次的验证均满足上述判据条件，确定所得优化的伪卫星空间布局为最终决策输出；否则重新通过迭代计算对基础伪卫星空间布局进行优化。

由上述本发明的面向铁路站场的伪卫星空间布局方法提供的技术方案可以看出，本发明充分融入了站场内列车运行的实际特征，限定了伪卫星布局优化的对象特性，根据目标站场轨道线路地理空间信息、站场相关列车运行计划信息，使实施优化计算的对象特征点集更为明确指向站场定位的时空需求，利用迭代寻优计算确定卫星空间布局的优化方案，并通过方案验证环节确保伪卫星增强能力的实现；根据本发明所述方法得到的布局方案布设伪卫星，能够解决列车进入站内在雨棚等环境遮挡情况下的定位终端的连续工作及性能保障问题，保持与导航卫星相似或相同的定位处理模式，不依赖外部定位传感器资源即可实施位置解算，即使列车在进出遮蔽区域阶段、导航卫星信号完全失效和导航卫星信号观测质量不良等多种情况下，均可无缝化实施定位解算。

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个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例的一种面向铁路站场的伪卫星空间布局方法流程图；

图2为布设伪卫星的铁路站场场景示意图；

图3为目标特征点的全方向空间视域边界示意图；

图4为多步迭代中定位优度指示因子的变化曲线图；

图5为优化计算所得伪卫星空间布局站场显示示意图。

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。

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，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。

实施例

伪卫星安装于沿铁路线路的特定区域，其功能原理与GPS、北斗导航卫星类似，用于发射与天基导航卫星类似的定位信号，在GPS、北斗导航卫星信号受到遮挡、阻断、干扰等影响的情况下，对GPS、北斗卫星定位进行增强。

本实例提供的面向铁路站场的伪卫星空间布局优化方法的应用场景为：已知目标站场轨道线路地理空间信息和该站列车运行计划信息，包括：轨道线路及关键点(如道岔)的空间位置相关信息、从整体的计划运行图中抽取所得与本站相关的运行计划信息，根据这些信息对不同目标列车运行过程进行空间、时间尺度上目标特征点的采集，得到目标特征点集{P_i}，结合站场空间地形环境特征，对每个目标特征点P_i拓展视域附加属性描述，判断站场内各目标特征点的卫星可见性，考虑在站场区域布置伪卫星，基于基础伪卫星空间布局方案，以特征点定位优度指示因子为基本依据，通过迭代计算确定优化的伪卫星空间布局方案。

图1为本发明实施例的一种面向铁路站场的伪卫星空间布局方法流程图，参照图1，该方法包括：

S1采集站场轨道线路的地理空间信息，并提取站场对应的所有列车运行计划信息。

采集的轨道线路地理空间信息涵盖站内及与站场相邻区间范围内的轨道区段，选取轨道区段上的关键点和站场空间环境特征点的信息，包含轨道编号、线路关键点空间位置信息、站场空间地形环境特征信息。要采集的列车运行计划信息需从列车运行计划图中抽取同一天内通过该站的所有列车运行计划信息，包括站内运行方式、列车车次号、到达时刻、出发时刻、停站时间等。上述两类采集信息为实施伪卫星空间布局方案优化提供基础数据。

所采集的站场轨道线路的地理空间信息涵盖站内、与站场相邻区间范围内的轨道区段，所述的地理空间信息具体包括：轨道编号N₀、线路关键点 (B_t,i,L_t,i,H_t,i,S_t,i,I_p,i)，其中，B_t,i表示第i个关键点纬度，L_t,i为经度，H_t,i为高程，S_t,i为线路里程，I_p,i为关键点属性，关键点属性包括：线路区段关键点 KP、道岔SW、区段始端TS、区段终端TE等。轨道线路地理空间信息用于描述轨道线路及关键点空间位置相关信息。

所述的列车运行计划信息包括与所述站场相关的运行计划信息。

需要从列车运行图中抽取与本站相关运行计划信息，即每日通过该站所有相关列车的运行计划，包括：站内运行方式(P表示通过、S表示到发)、列车车次号W、到达时刻T_e、出发时刻T_o和停站时间T_W等。

地理空间信息还包括站场空间地形环境特征信息，具体包括站场雨棚、站内遮蔽物以及站场周边地形的特定环境遮蔽信息。

具体包括：

1)雨棚环境遮蔽信息，将雨棚顶棚描述为矩形包络区域，其环境遮蔽信息为雨棚顶点信息(B_c,L_c,H_c,S_c,I_c)，其中，I_c是雨棚顶点属性；

2)站内附加遮蔽环境信息，由遮蔽区域形状控制点信息(B_s,L_s,H_s,S_s,I_s)描述，其中，I_s是形状控制点的属性信息；

3)站场周边地形遮蔽信息，由地形环境信息(B_m,L_m,H_m,D_m,I_m)描述，其中，B_m、L_m表示线路特征点对应视距方向最高点的地面投影经度、纬度，H_m表示视距方向最高点高程，D_m表示视距方向最高点地面投影位置距该站最邻近正线的横向距离，I_m是视距最高点属性信息。

S2根据所述地理空间信息进行地理空间范围内的目标特征点提取，并根据所述列车运行计划信息，在所述目标特征点的基础上进行时间特征提取，得到目标特征点集，并对所述的目标特征点集中的每个目标特征点拓展视域附加属性。

基于所采集的目标站场轨道线路地理空间信息和该站列车运行计划信息，在空间上将里程间距为|S_A-S_B|的线路范围等间隔划分得到多个目标特征点P_i，考虑到并不是全天连续24h在站场内均有列车运行，在已获得的目标特征点P_i的基础之上再对时间进行定制离散化，以列车运行计划给定的到发和通过时刻为基准进行时间延展，将延展时段等间隔划分实现目标特征点P_i时间属性的限定，进而对列车在站场的运行过程在空间和时间上实现相关取样，确保目标特征点的属性覆盖所有列车运行过程，为伪卫星的布局优化提供计算对象{P_i}。

具体步骤包括：

1)根据所述地理空间信息进行地理空间范围内的目标特征点提取，包括：根据站内某轨道区段N₀始端、终端线路关键点的里程值S_A、S_B，计算轨道区段总里程为S_T＝|S_A-S_B|，对轨道区段总里程进行等间隔ΔS划分，每隔ΔS 选取一个线路上的点作为目标特征点P_i，目标特征点的属性包括：线路里程 S_i、轨道区段编号N₀、三维坐标(B_i,L_i,H_i)，其中S_i＝i·ΔS±S_A。

2)三维坐标(B_i,L_i,H_i)可根据关键点坐标和里程值S_i计算得到，计算时首先将关键点三维坐标(B_i,L_i,H_i)转换为单位为“米”三维位置(X_i,Y_i,Z_i)，如已知相邻关键点位置(X_A,Y_A,Z_A)和(X_B,Y_B,Z_B)，它们之间的轨道区段可近似视为直线段，则区段间的目标特征点位置(X_i,Y_i,Z_i)满足下式(1)：

求解可得到目标特征点位置(X_i,Y_i,Z_i)，转换后得到三维坐标(B_i,L_i,H_i)。

根据所述列车运行计划信息，在所述目标特征点的基础上进行时间特征提取，得到目标特征点集，包括：对每一个列车运行计划通过时刻t_p,k进行时间上的延展，延展量为t_e,k，形成以t_p,k为中心的延展时段t_inv,k，时长为2t_e,k， t_inv,k＝[t_p,k-t_e,k,t_p,k+t_e,k]，{t_inv,k}为一天内包含的多个不连续时段，对每个时段 [t_p,k-t_e,k,t_p,k+t_e,k]按时间系数Δt进行等间隔划分，即每隔Δt选取一个时刻t_j作为特征点P_i的时间附加属性，其中，得到目标特征点集P_i(S_i,N₀,B_i,L_i,H_i,{t_j})，其中包括：里程S_i、轨道区段编号N₀、经度 B_i、纬度L_i、高程H_i以及计划通过时刻t_j。在空间、时间尺度上提取目标特征点信息，形成覆盖所有计划车次运行过程的目标特征点集。

3)以站场区域线路上按空间、时间进行特征提取所得目标特征点作为对象，综合分析每个特征点所面临的导航卫星可视条件，图2为布设伪卫星的铁路站场场景示意图，参照图2，由于站内雨棚遮挡、周边地形遮蔽等因素导致站场内轨道正线、侧线各特征点位置所能“观测”到的天空范围有显著差异，为此，需根据每个特征点的实际位置、环境遮蔽信息确定其可视范围区域，扩充对每个特征点的属性描述，再结合各特征点的时间属性信息，对每个特征点位置运行占用时段的导航卫星可见情况进行判断，进而可根据导航卫星可见性确定伪卫星布局的初始化基础方案，并对该方案的定位辅助能力特性进行补充，为后续实施迭代优化计算提供初始依据。

对所述的目标特征点集中的每个目标特征点拓展视域附加属性，包括：以各目标特征点所在的位置为中心，将其全视域方向按角度系数Δθ进行等间隔离散化，形成K个方向特征值，如按角度系数Δθ＝5°进行离散化，共可形成72个方向特征值；

在第q个方向特征值条件下，(1≤q≤72)，根据目标特征点里程S_i确定特征点到站内遮蔽物、站场周边地形目标的距离D和边缘高度H，计算各导航卫星的临界可视仰角θ_i,q，θ_i,q＝argtan(H/D)，得到特征点P_i在q方向的视域边界 [θ_e(i,q),θ_f(i,q)]，其中，θ_e(i,q)、θ_f(i,q)分别为视域上界和下界；

对所有72个方向特征值进行遍历，得到目标特征点的空间视域描述，如图3所示，可形成以目标特征点为中心的360度方向视域上界与下界边缘描述，进而得到增加视域附加属性的目标特征点为 P_i(S_i,N₀,B_i,L_i,H_i,{t_j},{θ_e(i,q),θ_f(i,q)})。

S3提取导航卫星的轨道参数，根据目标特征点拓展视域附加属性确定目标特征点的导航卫星可见状态，确定基础伪卫星空间布局；

具体包括：

1)从GNSS星历或历书文件中提取t_j时刻导航卫星轨道参数，计算t_j时刻导航卫星空间位置Pos_prn(X^(prn),Y^(prn),Z^(prn))，其中，prn表示卫星编号；根据目标特征点信息、卫星空间位置，计算原始卫星仰角θ_prn；根据目标特征点的空间视域描述信息和原始卫星仰角，确定每个目标特征点的可见卫星分布情况，为目标特征点增加卫星可见性附加属性为其中，为可见卫星数量，为可见卫星坐标、为可视仰角、为方位角，prn表示颗可见卫星的编号；

2)基于站场内遮蔽物外边线等距离采样原则，确定基础伪卫星空间布局，包括伪卫星数量λ、伪卫星空间间隔ΔL_λ、每个伪卫星Lite_u的空间位置 (X_u,Y_u,Z_u)，u＝1,2,…,λ。

结合所述实施例中雨棚遮挡区域空间范围特征，在基础伪卫星空间布局方案设计中选择沿雨棚边线等距离设置4颗伪卫星，即λ＝4，各伪卫星空间位置分别为(X_u,Y_u,Z_u)，u＝1,2,3,4，根据目标特征点P_i可见卫星数分情况计算特征点定位优度指示因子F_i,j的初值：

1)若仅利用颗导航卫星定位的水平分量精度因子HDOP_i,j表示F_i,j初值，即F_i,j＝HDOP_i,j；

2)若同时利用导航卫星、伪卫星数据计算特征点P_i的定位优度指示因子F_i,j初值；

3)若仅利用伪卫星数据计算特征点P_i的定位优度指示因子F_i,j初值。

S4通过迭代计算对所述基础伪卫星空间布局进行优化。

这里所采用的定位优度指示因子F_i,j的计算公式如下式(2)所示：

其中，f_1,1、f_2,2分别为观测转换矩阵Φ的第1、第2个对角线元素，Φ＝(H^TH)^-1，H是根据上述三种情况由导航卫星、伪卫星相应组合构成的观测矩阵。

以实施视域属性特征的目标特征点集为对象，从基础伪卫星空间布局方案出发，对迭代优化计算过程进行初始化，通过基础伪卫星空间布局的拓展形成初始布局方案样本集，结合各目标特征点的定位优度指示因子构建目标函数，在目标函数适应度优化为方向实施迭代计算，在每次迭代结束时对优化终止条件进行判断，在满足特定判据的情况下，将适应度最优且定位优度因子最小的布局方案样本作为最终输出，用于形成站场伪卫星布设的参考方案。

具体包括：

S41设定伪卫星空间位置边界、样本集规模N，按步长ΔL沿轨道正线方向移动基础伪卫星空间布局中各伪卫星的位置，形成N组布局方案，计算各组方案下所有特征点的定位优度指示因子初值，构成初始样本集，并设置优化计算的最大迭代次数μ_max；

S42以定位优度指示因子为优化指示量，对所述基础伪卫星空间布局进行优化。

(1)按标称偏移量σ沿轨道线路方向移动伪卫星，更新所述基础伪卫星空间布局的各个布局样本，得到第n个空间布局方案所含伪卫星空间位置

(2)针对更新迭代后的所有空间布局方案样本，分情况计算各个目标特征点的定位优度指示因子；

(3)分别计算每组伪卫星空间布局方案样本所得定位优度指示因子的最大值和平均值构建目标函数α、β为权重系数且α+β＝1，确定寻优迭代过程是否已满足终止条件，其判据依据如下式(3)所示：

其中，T_object、T_mean分别为目标函数与因子均值的门限；

(4)若上述条件(3)满足，或已达到最大迭代次数μ_max，则结束迭代计算，取当前样本集所含N组布局方案中定位优度指示因子最小的一组，作为最终的伪卫星空间布局方案输出，若上述条件未满足，且未达到最大迭代次数μ_max，则返回至步骤(1)，继续对所述基础伪卫星空间布局进行优化，执行迭代计算与判断，直到达到迭代终止条件为止，图4为多步迭代中定位优度指示因子的变化曲线图，图5为优化计算所得伪卫星空间布局站场显示示意图。

S5采集计划车次数据，通过计划车次数据验证所述优化的伪卫星空间布局的定位能力，确定伪卫星的空间布局。

从站场全部运行计划中选取特定数量的计划车次作为测试集，采集随车获取的卫星定位数据，分析单独采用导航卫星实施定位的连续性、可用性以及定位优度指示因子值。在此基础上，结合所得伪卫星空间布局优化方案，对采用伪卫星信号实施定位辅助增强的过程进行数值仿真，评估带有伪卫星信号辅助情况下的定位性能，验证所得优化方案对提升定位连续性、可用性并进一步降低定位优度指示因子水平的能力，在对全部选中车次实施验证并得到一致更优评估结果的情况下，将伪卫星空间布局优化方案用于实际部署与应用。

具体步骤包括：

S51)从站场所有相关列车运行计划中选取M个计划车次，所选中车次覆盖典型的作业时段和作业类型，如日间各三小时行车时段、维护施工时段等，开展随车卫星定位实验，利用搭载的卫星定位终端采集各个车次列车通过站场过程中记录的卫星定位原始观测数据，计算无伪卫星辅助情况下的定位优度指示因子序列F_G(t)，其中t为数据记录时刻；根据所述的优化的伪卫星空间布局中的伪卫星数量及空间位置，利用第v个车次，v≤M，所得卫星定位数据及伪卫星观测模型计算各伪卫星的测距量，构建时间同步的导航卫星/伪卫星联合观测集，评估导航卫星/伪卫星组合模式下的定位优度指示因子序列 F_L(t)，分别计算定位优度指示因子序列F_G(t)、F_L(t)的最小值 和平均值E(F_G(t))、E(F_L(t))，判断优化计算所得布局方案的定位增强能力是否通过验证，其判断依据如下式(4)所示：

S52)重复步骤S51)所述验证过程，遍历全部M个计划车次，当全部车次的验证均满足上述判据条件，确定所得优化的伪卫星空间布局为最终决策输出；否则重新通过迭代计算对基础伪卫星空间布局进行优化。

综上所述，本发明提出的伪卫星空间布局优化方法能够有效提升铁路站场环境中应用伪卫星的本质辅助增强能力，深入契合了铁路站场中列车运行的时间约束、空间受限等实际特点，拓展了常规导航卫星实施列车定位的性能适配空间，使精确性、连续性、可用性等关键性能指标得到优化，使卫星定位终端的处理能力在不利甚至恶劣观测环境中也能得到无缝延续与保持，极大降低了对非卫星导航类型定位传感器及相关信息处理系统的依赖。

本发明可适用于不同类型伪卫星在铁路站场环境中的应用，对不同类型铁路站场、不同形态尺寸遮蔽物条件、不同站场股道规模具有通用性，工程应用价值显著。

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。

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 (8)

1.一种面向铁路站场的伪卫星空间布局方法，其特征在于，包括：

采集站场轨道线路的地理空间信息，并提取站场对应的所有列车运行计划信息；

根据所述地理空间信息进行地理空间范围内的目标特征点提取，根据所述列车运行计划信息，在所述目标特征点的基础上进行时间特征提取，得到目标特征点集，并对所述的目标特征点集中的每个目标特征点拓展视域附加属性；

提取导航卫星的轨道参数，根据目标特征点拓展视域附加属性确定目标特征点的导航卫星可见状态，确定基础伪卫星空间布局；

通过迭代计算对所述基础伪卫星空间布局进行优化；

采集计划车次数据，通过计划车次数据验证所述优化的伪卫星空间布局的定位能力，确定伪卫星的空间布局。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采集站场轨道线路的地理空间信息，并提取站场对应的所有列车运行计划信息，包括：

所采集的站场轨道线路的地理空间信息涵盖站内、与站场相邻区间范围内的轨道区段，所述的地理空间信息具体包括：轨道编号N₀、线路关键点(B_t,i,L_t,i,H_t,i,S_t,i,I_p,i)，其中，B_t,i表示第i个关键点纬度，L_t,i为经度，H_t,i为高程，S_t,i为线路里程，I_p,i为关键点属性；

所述的列车运行计划信息包括与所述站场相关的运行计划信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的地理空间信息还包括站场空间地形环境特征信息，具体包括站场雨棚、站内遮蔽物以及站场周边地形的特定环境遮蔽信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述地理空间信息进行地理空间范围内的目标特征点提取，根据所述列车运行计划信息，在所述目标特征点的基础上进行时间特征提取，得到目标特征点集，并对所述的目标特征点集中的每个目标特征点拓展视域附加属性，具体包括：

根据所述地理空间信息进行地理空间范围内的目标特征点提取，包括：根据站内某轨道区段N₀始端、终端线路关键点的里程值S_A、S_B，计算轨道区段总里程为S_T＝|S_A-S_B|，对轨道区段总里程进行等间隔ΔS划分，每隔ΔS选取一个线路上的点作为目标特征点P_i，目标特征点的属性包括：线路里程S_i、轨道区段编号N₀、三维坐标(B_i,L_i,H_i)，其中S_i＝i·ΔS±S_A；

根据所述列车运行计划信息，在所述目标特征点的基础上进行时间特征提取，得到目标特征点集，包括：对每一个列车运行计划通过时刻t_p,k进行时间上的延展，延展量为t_e,k，形成以t_p,k为中心的延展时段t_inv,k，时长为2t_e,k，t_inv,k＝[t_p,k-t_e,k,t_p,k+t_e,k]，{t_inv,k}为一天内包含的多个不连续时段，对每个时段[t_p,k-t_e,k,t_p,k+t_e,k]按时间系数Δt进行等间隔划分，即每隔Δt选取一个时刻t_j作为特征点P_i的时间附加属性，其中，得到目标特征点集P_i(S_i,N₀,B_i,L_i,H_i,{t_j})，其中包括：里程S_i、轨道区段编号N₀、经度B_i、纬度L_i、高程H_i以及计划通过时刻t_j；

对所述的目标特征点集中的每个目标特征点拓展视域附加属性，包括：以各目标特征点所在的位置为中心，将其全视域方向按角度系数Δθ进行等间隔离散化，形成K个方向特征值，在第q个方向特征值条件下，1≤q≤K，根据目标特征点里程S_i确定特征点到站内遮蔽物、站场周边地形目标的距离D和边缘高度H，计算各导航卫星的临界可视仰角θ_i,q，θ_i,q＝argtan(H/D)，得到特征点P_i在q方向的视域边界[θ_e(i,q),θ_f(i,q)]，其中，θ_e(i,q)、θ_f(i,q)分别为视域上界和下界；对所有K个方向特征值进行遍历，得到目标特征点的空间视域描述，进而得到增加视域附加属性的目标特征点为P_i(S_i,N₀,B_i,L_i,H_i,{t_j},{θ_e(i,q),θ_f(i,q)})。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的提取导航卫星的轨道参数，根据目标特征点拓展视域附加属性确定目标特征点的导航卫星可见状态，确定基础伪卫星空间布局，具体包括：

提取t_j时刻导航卫星轨道参数，计算t_j时刻导航卫星空间位置Pos_prn(X^(prn),Y^(prn),Z^(prn))，其中，prn表示卫星编号；根据目标特征点信息、卫星空间位置，计算原始卫星仰角θ_prn；根据目标特征点的空间视域描述信息和原始卫星仰角，确定每个目标特征点的可见卫星分布情况，为目标特征点增加卫星可见性附加属性为：

其中，为可见卫星数量，为可见卫星坐标、为可视仰角、为方位角，prn表示颗可见卫星的编号；

基于站场内遮蔽物外边线等距离采样原则，确定基础伪卫星空间布局，根据目标特征点P_i可见卫星数分情况计算特征点定位优度指示因子F_i,j的初值：

1)若仅利用颗导航卫星定位的水平分量精度因子HDOP_i,j表示F_i,j初值，即F_i,j＝HDOP_i,j；

2)若同时利用导航卫星、伪卫星数据计算特征点P_i的定位优度指示因子F_i,j初值；

3)若仅利用伪卫星数据计算特征点P_i的定位优度指示因子F_i,j初值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通过迭代计算对所述基础伪卫星空间布局进行优化，包括：

61)设定伪卫星空间位置边界、样本集规模N，按步长ΔL沿轨道正线方向移动基础伪卫星空间布局中各伪卫星的位置，形成N组布局方案，计算各组方案下所有特征点的定位优度指示因子初值，构成初始样本集，并设置优化计算的最大迭代次数μ_max；

62)以定位优度指示因子为优化指示量，对所述基础伪卫星空间布局进行优化。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的以定位优度指示因子为优化指示量，对所述基础伪卫星空间布局进行优化，具体包括：

71)按标称偏移量σ沿轨道线路方向移动伪卫星，更新所述基础伪卫星空间布局的各个布局样本，得到第n个空间布局方案所含伪卫星空间位置

72)针对更新迭代后的所有空间布局方案样本，分情况计算各个目标特征点的定位优度指示因子；

73)分别计算每组伪卫星空间布局方案样本所得定位优度指示因子的最大值和平均值构建目标函数α、β为权重系数且α+β＝1，确定寻优迭代过程是否已满足终止条件，其判据依据如下式(1)所示：

其中，T_object、T_mean分别为目标函数与因子均值的门限；

74)若上述条件(1)满足，或已达到最大迭代次数μ_max，则结束迭代计算，取当前样本集所含N组布局方案中定位优度指示因子最小的一组，作为最终的伪卫星空间布局方案输出，若上述条件未满足，且未达到最大迭代次数μ_max，则返回至步骤71)，继续对所述基础伪卫星空间布局进行优化。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采集计划车次数据，通过计划车次数据验证所述优化的伪卫星空间布局的定位能力，确定伪卫星的空间布局，包括：

81)从站场所有相关列车运行计划中选取M个计划车次，采集所述M个计划车次通过站场过程中的卫星定位数据，计算无伪卫星辅助情况下的定位优度指示因子序列F_G(t)，其中t为数据记录时刻；根据所述的优化的伪卫星空间布局中的伪卫星数量及空间位置，利用第v个车次，v≤M，所得卫星定位数据及伪卫星观测模型计算各伪卫星的测距量，构建时间同步的导航卫星/伪卫星联合观测集，评估导航卫星/伪卫星组合模式下的定位优度指示因子序列F_L(t)，分别计算定位优度指示因子序列F_G(t)、F_L(t)的最小值 和平均值E(F_G(t))、E(F_L(t))，判断优化计算所得布局方案的定位增强能力是否通过验证，其判断依据如下式(2)所示：

82)重复步骤81)所述验证过程，遍历全部M个计划车次，当全部车次的验证均满足上述判据条件，确定所得优化的伪卫星空间布局为最终决策输出；否则重新通过迭代计算对基础伪卫星空间布局进行优化。