CN110203253B - 一种非固定式虚拟应答器实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非固定式虚拟应答器实现方法，用于列车的安全定位，该方法通过虚拟应答器捕获区域数据库进行虚拟应答器捕获，所述的虚拟应答器捕获包括以下步骤：1)计算获得列车里程；2)判断列车里程是否处于虚拟应答器捕获区域，若否，则执行步骤3)，若是，则执行步骤4)；3)扩大安全定位区间，将扩大后的安全定位区间发送至列控系统；4)判断GNSS是否正常工作，若是，则触发虚拟应答器捕获并计算列车融合后的安全定位区间，将虚拟应答器捕获信息和融合后的安全定位区间发送至列控系统，若否，则扩大安全定位区间，将漏捕信息发送至列控系统。与现有技术相比，本发明具有捕获几率大、准确度高和安全可靠等优点。

Description

一种非固定式虚拟应答器实现方法

技术领域

本发明涉及列车测速定位控制系统，尤其是涉及一种非固定式虚拟应答器实现方法。

背景技术

中国的北斗三号卫星导航系统已经具备全球覆盖能力，可以为全球提供基础测速定位服务，随着北斗卫星导航系统的正式上线，卫星导航定位业务越来越普及，目前全球导航定位卫星系统GNSS共有GPS、GLONASS、北斗、伽利略四大系统，还有部分区域级导航系统，导航卫星数量的增加、性能的提升，使得卫星覆盖范围更广，导航定位变得更加方便，定位的精度不断提升，进一步促进了卫星导航定位技术的应用。卫星定位在铁路行业也有应用，一般用于非安全的业务领域。在涉及安全的列车测速定位领域则使用的比较少，目前国内仅有青藏铁路在使用，其中原因是因为卫星的定位可用性、可靠性不能满足要求。

现有列车控制系统中，测速定位方案多是基于轮轴转速传感器加定位应答器的方式，在铁路沿线每间隔一段距离布置一个应答器，列车行驶过应答器时，获得即时准确位置，在应答器与应答器之间时，通过轮轴转速传感器测量列车行驶过的距离，推算位置。由于轮轴传感器的累计误差及车轮的磨损、空转、打滑等影响因素，测量出来的位置偏差比较大。卫星导航系统在信号好的地段，可以提供连续定位的服务，且精度满足列控的要求，因此可以用来进行列车定位。为了与现有列控系统接口兼容，提出了虚拟应答器的概念，即在安装物理实体应答器的位置通过车载系统模拟一个应答器输出报文给列车控制系统，汇报列车的准确位置，线路上无需安装实体应答器。虚拟应答器的好处是可以减少物理应答器的数量，降低线路建造成本，降低后期运营维护成本，同时保持列控系统接口不变。

目前公开文献中提到的虚拟应答器都是采用固定位置，即虚拟应答器对应的物理位置，这种应答器存在漏捕获的可能，为了提高捕获概率，一般增大捕获半径，这样则会造成重复捕获的可能，此外增大捕获半径也会降低定位的准确性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种非固定式虚拟应答器实现方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非固定式虚拟应答器实现方法，用于列车的安全测速定位，该方法通过所建立的虚拟应答器捕获区域数据库进行虚拟应答器捕获，所述的虚拟应答器捕获包括以下步骤：

1)根据GNSS、轮轴传感器和电子地图的测量数据，计算获得列车里程；

2)查询虚拟应答器捕获区域数据库，判断列车里程是否处于虚拟应答器捕获区域，若否，则执行步骤3)，若是，则执行步骤4)；

3)根据轮轴传感器运行状态和误差模型，扩大安全定位区间，将扩大后的安全定位区间发送至列控系统；

4)判断GNSS是否正常工作，若是，则触发虚拟应答器捕获、修正轮轴传感器的误差并计算列车融合后的安全定位区间，将虚拟应答器捕获信息和融合后的安全定位区间发送至列控系统，若否，则扩大安全定位区间，将漏捕信息发送至列控系统。

所述的虚拟应答器捕获区域数据库包括虚拟应答器编号和虚拟应答器捕获区域，所述的虚拟应答器捕获区域根据沿轨的先验GNSS测量数据获得并以区间方式进行存储，所述的虚拟应答器捕获区域数据库VB的表达式为：

VB＝[VB_id,d₁,d₂]

其中，VB_id为虚拟应答器编号，d₁为虚拟应答器捕获区域第一端点里程，d₂为虚拟应答器捕获区域第二端点里程。

所述的步骤1)具体包括：

101)将GNSS定位数据与电子地图进行地图匹配，计算GNSS投影里程；

102)根据轮轴传感器和GNSS的定位测量数据，计算列车自适应加权融合速度和加速度；

103)构建状态空间向量和测量空间向量；

104)利用扩展卡尔曼滤波方程获得列车里程。

所述的状态空间向量X的表达式为：

X＝[d,v,a]

其中，d为列车里程，v为列车速度，a为列车加速度；

所述的测量空间向量Z的表达式为：

Z＝[d_GNSS,v_fusion]

其中，d_GNSS为GNSS投影里程，v_fusion为自适应加权融合速度；

所述的自适应加权融合速度v_fusion的表达式为：

v_fusion＝β_GNSS·v_GNSS+β_odo·v_odo

其中，β_GNSS为GNSS定位的权值，β_odo为轮轴传感器定位的权值，v_GNSS为GNSS测得的列车速度，v_odo为轮轴传感器测得的列车速度。

所述的扩展卡尔曼滤波方程为：

X(k)＝A·X(k-1)+B·U+W(k)

Z(k)＝H·X(k)+V(k)

其中，A为状态转移矩阵，B为控制矩阵，U为输入平滑后的加加速度，W为系统噪声，H为测量矩阵，V为测量噪声。

所述的融合后的安全定位区间为轮轴传感器安全定位区间和GNSS安全定位区间的交集。所述的融合后的安全定位区间[internal(k)]的表达式为：

[internal(k)]＝{[internal(k-1)]+[Δd_odo]}∩{[internal_GNSS(k)]}

internal_GNSS(k)＝[d_GNSS(k)-λσ^d _GNSS,d_GNSS(k)+λσ^d _GNSS]

其中，internal_GNSS(k)为k时刻GNSS安全定位区间，Δd_odo为轮轴传感器在一个定位周期内的定位误差，σ^d _GNSS为GNSS一维定位标准差，λ为区间门限参数。

所述的虚拟应答器捕获还包括步骤：5)若在捕获区域内成功完成至少一次捕获，则捕获成功，若连续M个捕获区域均未成功完成至少一次捕获，则切换备用系统，增大安全定位区间，或列车发出危险警报，采取降级运行措施。

其中安全定位区间是列控系统根据定位状况实时计算出来的列车可能的位置区间，在经过信标时，获得绝对位置修正，因此安全定位区间最小，之后随着时间的推移，使用轮轴传感器推算出来的位置误差逐渐增大，安全定位区间也逐渐增大，直到下一次成功的信标校准。M的取值根据列车定位的精度要求和轮轴传感器的定位误差进行取值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)捕获几率大，漏捕获几率低：非固定式虚拟应答器的位置为一个捕获区间，相比传统的应答器或者是虚拟应答器，都是一个固定的位置，采用区间的好处是能够增大捕获几率，降低漏捕获几率；

2)可多次捕获，准确度高：非固定式虚拟应答器在一个捕获区间内可以多次进行捕获，多次修正列车定位位置，提高准确度；

3)安全可靠性高：采用轮轴传感器及电子地图匹配，加上卫星定位结果，虚拟应答器能够提供安全的列车定位数据。

附图说明

图1为非固定式虚拟应答器系统整体框图；

图2为非固定式虚拟应答器的设置位置；

图3为非固定式虚拟应答器的有效定位区间。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图所示，本发明提出了一种非固定式虚拟应答器实现方法。该方案基于GNSS、轮轴传感器和电子地图，系统整体示意图如图1所示。通过自行建立虚拟应答器数据库，将虚拟应答器从传统的定点式捕获转换为区段式捕获，并设计出多传感器数据融合方法，既能很好的解决定点式虚拟应答器中精度、漏捕等安全性问题，又能显著降低实际轨旁应答器带来的设置和维护的高额成本，为列车提供安全可靠的定位信息。

非固定式虚拟应答器实现方法需要建立虚拟应答器捕获区域数据库，首先基于沿轨的先验GNSS测量信息，设置虚拟应答器捕获区域VB_area，然后建立虚拟应答器捕获区域数据库VB。该过程是一次性的，不用重复执行，除非线路的卫星定位状况发生大的改变、定位精度不满足要求或者增加虚拟应答器的数量等情况下，需要再次执行。

虚拟应答器捕获区域数据库包括虚拟应答器编号和虚拟应答器捕获区域，虚拟应答器捕获区域根据沿轨的先验GNSS测量数据得到并以区间方式进行存储，虚拟应答器捕获区域数据库VB＝[VB_id,d₁,d₂]，其中，VB_id为虚拟应答器编号，d₁为虚拟应答器捕获区域第一端点里程，d₂为虚拟应答器捕获区域第二端点里程。

在建立虚拟应答器捕获区域数据库VB完成后，基于卫星定位结果及虚拟应答器数据库进行虚拟应答器捕获，虚拟应答器捕获为在根据先验信息设定的捕获区域内进行非固定位置捕获，并对轮轴传感器累积误差进行修正。

虚拟应答器捕获包括以下步骤：

1)根据GNSS、轮轴传感器和电子地图的测量数据，计算获得列车里程；

2)查询虚拟应答器捕获区域数据库，比较判断列车里程是否处于虚拟应答器捕获区域，若否，则执行步骤3)，若是，则执行步骤4)；

3)根据轮轴传感器运行状态和误差模型，扩大安全定位区间，将扩大后的安全定位区间发送至列控系统；

4)判断GNSS是否正常工作，若是，则触发虚拟应答器捕获、修正轮轴传感器的误差并计算列车融合后的安全定位区间，将虚拟应答器捕获信息和融合后的安全定位区间发送至列控系统，若否，则扩大安全定位区间，将漏捕信息发送至列控系统，其中漏捕指的是虚拟应答器由于某种原因没有捕获到的现象；

5)若在捕获区域内成功完成至少一次捕获，则捕获成功，若连续M个捕获区域均未成功完成至少一次捕获，则切换备用系统，增大安全定位区间，或列车发出危险警报，采取降级运行措施。

其中步骤1)具体包括：

101)将GNSS定位数据与电子地图进行地图匹配，计算GNSS沿着地图的GNSS投影里程；

102)根据轮轴传感器和GNSS的定位测量数据，计算列车自适应加权融合速度v_fusion和加速度；

加权融合速度v_fusion表达式为：

v_fusion＝β_GNSS·v_GNSS+β_odo·v_odo

其中，d_GNSS为GNSS投影里程，v_fusion为自适应加权融合速度，β_GNSS为GNSS定位的权值，β_odo为轮轴传感器定位的权值，v_GNSS为GNSS测得的列车速度，v_odo为轮轴传感器测得的列车速度，β_GNSS、β_odo权值根据GNSS及轮轴传感器定位的情况进行实时调整；

103)构建状态空间向量和测量空间向量；

状态空间向量X的表达式为：

X＝[d,v,a]

其中，d为列车里程，v为列车速度，a为列车加速度；

测量空间向量Z的表达式为：

Z＝[d_GNSS,v_fusion]

其中，d_GNSS为GNSS投影里程，v_fusion为自适应加权融合速度。

104)利用扩展卡尔曼滤波方程获得列车里程。

扩展卡尔曼滤波方程为：

X(k)＝A·X(k-1)+B·U+W(k)

Z(k)＝H·X(k)+V(k)

其中，A为状态转移矩阵，B为控制矩阵，U为输入平滑后的加加速度，W为系统噪声，H为测量矩阵，V为测量噪声。

利用扩展卡尔曼滤波方程获得列车里程的具体过程为：根据上述预测方程和测量方程计算卡尔曼增益，并且对预测值进行更新，获得最终状态量X＝[d,v,a]，其中d即为列车里程。

安全定位区间interval用二维向量表示为interval＝[d_min,d_max]，d_min表示最小里程，d_max表示最大里程，融合后的安全定位区间[internal(k)]的表达式为：

[internal(k)]＝{[internal(k-1)]+[Δd_odo]}∩{[internal_GNSS(k)]}

internal_GNSS(k)＝[d_GNSS(k)-λσ^d _GNSS,d_GNSS(k)+λσ^d _GNSS]

其中，internal_GNSS(k)为k时刻GNSS安全定位区间，Δd_odo为轮轴传感器在一个定位周期内的定位误差，σ^d _GNSS为GNSS一维定位标准差，λ为区间门限参数。

融合后的安全定位区间为满足安全完整性需求的轮轴传感器定位区间interval_odo和GNSS定位区间interval_GNSS的交集。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改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以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种非固定式虚拟应答器实现方法，用于列车的安全测速定位，其特征在于，该方法通过所建立的虚拟应答器捕获区域数据库进行虚拟应答器捕获，所述的虚拟应答器捕获包括以下步骤：

1)根据GNSS、轮轴传感器和电子地图的测量数据，计算获得列车里程；

2)查询虚拟应答器捕获区域数据库，判断列车里程是否处于虚拟应答器捕获区域，若否，则执行步骤3)，若是，则执行步骤4)；

3)根据轮轴传感器运行状态和误差模型，扩大安全定位区间，将扩大后的安全定位区间发送至列控系统；

4)判断GNSS是否正常工作，若是，则触发虚拟应答器捕获、修正轮轴传感器的误差并计算列车融合后的安全定位区间，将虚拟应答器捕获信息和融合后的安全定位区间发送至列控系统，若否，则扩大安全定位区间，将漏捕信息发送至列控系统；

5)若在捕获区域内成功完成至少一次捕获，则捕获成功，若连续M个捕获区域均未成功完成至少一次捕获，则切换备用系统，增大安全定位区间，或列车发出危险警报，采取降级运行措施；

所述的融合后的安全定位区间为轮轴传感器安全定位区间和GNSS安全定位区间的交集，所述的融合后的安全定位区间[internal(k)]的表达式为：

[internal(k)]＝{[internal(k-1)]+[Δd_odo]}∩{[internal_GNSS(k)]}

internal_GNSS(k)＝[d_GNSS(k)-λσ^d _GNSS,d_GNSS(k)+λσ^d _GNSS]

其中，internal_GNSS(k)为k时刻GNSS安全定位区间，Δd_odo为轮轴传感器在一个定位周期内的定位误差，σ^d _GNSS为GNSS一维定位标准差，λ为区间门限参数。

2.根据权利要求1所述的一种非固定式虚拟应答器实现方法，其特征在于，所述的虚拟应答器捕获区域数据库包括虚拟应答器编号和虚拟应答器捕获区域，所述的虚拟应答器捕获区域根据沿轨的先验GNSS测量数据获得并以区间方式进行存储，所述的虚拟应答器捕获区域数据库VB的表达式为：

VB＝[VB_id,d₁,d₂]

其中，VB_id为虚拟应答器编号，d₁为虚拟应答器捕获区域第一端点里程，d₂为虚拟应答器捕获区域第二端点里程。

3.根据权利要求1所述的一种非固定式虚拟应答器实现方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括：

101)将GNSS定位数据与电子地图进行地图匹配，计算GNSS投影里程；

102)根据轮轴传感器和GNSS的定位测量数据，计算列车自适应加权融合速度和加速度；

103)构建状态空间向量和测量空间向量；

104)利用扩展卡尔曼滤波方程获得列车里程。

4.根据权利要求3所述的一种非固定式虚拟应答器实现方法，其特征在于，所述的状态空间向量X的表达式为：

X＝[d,v,a]

其中，d为列车里程，v为列车速度，a为列车加速度。

5.根据权利要求4所述的一种非固定式虚拟应答器实现方法，其特征在于，所述的测量空间向量Z的表达式为：

Z＝[d_GNSS,v_fusion]

其中，d_GNSS为GNSS投影里程，v_fusion为自适应加权融合速度；

所述的自适应加权融合速度v_fusion的表达式为：

v_fusion＝β_GNSS·v_GNSS+β_odo·v_odo

其中，β_GNSS为GNSS定位的权值，β_odo为轮轴传感器定位的权值，v_GNSS为GNSS测得的列车速度，v_odo为轮轴传感器测得的列车速度。

6.根据权利要求5所述的一种非固定式虚拟应答器实现方法，其特征在于，所述的扩展卡尔曼滤波方程为：

X(k)＝A·X(k-1)+B·U+W(k)

Z(k)＝H·X(k)+V(k)

其中，A为状态转移矩阵，B为控制矩阵，U为输入平滑后的加速度，W为系统噪声，H为测量矩阵，V为测量噪声。

Images