CN110221334B - 用于确定铁路车辆位置的方法和相关系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定铁路车辆位置的方法和相关系统，所述铁路车辆包括：使用接收的信号来确定具有第一测量精度的所述铁路车辆的常规分辨率位置的第一导航模块；以及使用接收的信号来确定具有第二测量精度的所述铁路车辆的高分辨率位置的第二导航模块。所述方法包括以下步骤：基于所述第一测量精度来确定所述常规分辨率位置周围的第一置信区域；基于所述第二测量精度来确定所述高分辨率位置周围的第二置信区域；以及通过分析所述第一置信区域与所述第二置信区域的重叠以及所述第一和所述第二测量精度，为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配置信权重。

Description

用于确定铁路车辆位置的方法和相关系统
技术领域
本发明涉及车辆定位技术领域，特别涉及一种用于确定铁路车辆位置的方法和相关系统。
背景技术
在最新技术水平中，常常将全球导航卫星系统，例如全球定位系统(GPS)，用于定位铁路车辆，例如机车或地铁。为此目的，大部分的现代铁路车辆包括能够接收并解码从卫星系统发出的导航信号的导航模块。这些导航信号通常公开可用，并且提供一个具有预定精度的导航解决方案。这种解决方案被称作“常规”或“低”分辨率导航解决方案。一般来说，这种解决方案不足以精确地确定列车位置，尤其是列车在多轨道铁路系统的几个平行轨道中的某一个上的位置。
另外，在多轨道系统中，确定铁路车辆所在的确切轨道构成铁路交通规则的所谓“至关重要”的应用。此外，由于该至关重要的应用关系到交通安全，因此应当以高置信度水平了解轨道信息。
对于这些至关重要的应用，已知使用两个冗余导航模块。然而，使用冗余导航模块获得的导航解决方案的精度并不足够。典型地，由冗余模块确定的铁路位置的精度不能保证优于+/-60英尺(大约18.3米)，而相邻轨道之间的距离可能小于12英尺(大约3.7米)。
因此，为了对轨道进行绝对地区分，需要一些额外信息。举例来说，这样的信息可以基于轨道图，基于操作者对轨道序号的输入和/或基于结合切换位置使用关于位置和行进方向的初步逻辑计算，直到轨道缩小到单个轨道的可能性。
显然，这样的额外信息并不一直可获得，并且需要利用所述额外信息使铁路车辆的嵌入式设备的复杂性和成本增加。所述额外信息也使铁路车辆的开发成本增加。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于确定铁路车辆位置的方法和相关系统，所述方法和系统能够在不增加所述铁路车辆的开发成本的情况下仅使用从一个或几个全球导航卫星系统发出的导航信号来确定所述铁路车辆的准确位置。
为了这个目的，本发明涉及一种用于确定铁路车辆的位置的方法，所述铁路车辆包括第一导航模块和第二导航模块，每个导航模块接收来自全球导航卫星系统的导航信号；
所述第一导航模块使用接收的所述信号来确定具有第一测量精度的所述铁路车辆的常规分辨率位置；
所述第二导航模块使用接收的所述信号来确定具有第二测量精度的所述铁路车辆的高分辨率位置；
所述方法包括以下步骤：
基于所述第一测量精度来确定所述常规分辨率位置周围的第一置信区域；
基于所述第二测量精度来确定所述高分辨率位置周围的第二置信区域；
通过分析所述第一置信区域与所述第二置信区域的重叠以及所述第一和所述第二测量精度，为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配置信权重。
根据本发明的一个实施例，在分配置信权重的所述步骤中，
如果所述第一置信区域与所述第二置信区域重叠，并且第一和所述第二测量精度均小于预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配极高权重；
如果所述第一置信区域与所述第二置信区域重叠，所述第二测量精度小于所述预定阈值并且所述第一测量精度大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配高权重；
如果所述置信区域中的一个与另一个重叠，并且所述第二测量精度大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配低权重；
如果所述置信区域部分地重叠，并且第一和所述第二测量精度均大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配极低权重。
根据本发明的一个实施例，分配置信权重的所述步骤还包括将轨道图与所述第一和所述第二置信区域进行比较。
根据本发明的一个实施例，所述第一和所述第二置信区域中的每一个由圆形成。
根据本发明的一个实施例，每个所述圆的半径由对应的所述测量精度来定义。
根据本发明的一个实施例，所述第一和所述第二测量精度中的每一个对应于相应的所述导航模块的水平精度因子。
根据本发明的一个实施例，每个导航模块接收来自全球导航卫星系统(GNSS)的导航信号。
根据本发明的一个实施例，使用公开可用的加密代码来获得所述常规分辨率位置。
根据本发明的一个实施例，使用访问受限制的加密代码来获得所述高分辨率位置。
根据本发明的一个实施例，使用额外的卫星或地面站来获得所述高分辨率位置。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括预备步骤，所述预备步骤包括转换所述常规分辨率位置和所述高分辨率位置，使得这些位置对应于同一位置，所述转换通过使用所述第一导航模块和所述第二导航模块之间的已知距离来执行。
本发明还涉及一种用于确定铁路车辆的位置的系统，所述铁路车辆包括第一导航模块和第二导航模块，每个导航模块接收来自全球导航卫星系统的导航信号；
所述第一导航模块使用接收的所述信号来确定具有第一测量精度的所述铁路车辆的常规分辨率位置；
所述第二导航模块使用接收的所述信号来确定具有第二测量精度的所述铁路车辆的高分辨率位置；
其中，所述系统被配置用于：
基于所述第一测量精度来确定所述常规分辨率位置周围的第一置信区域；
基于所述第二测量精度来确定所述高分辨率位置周围的第二置信区域；
通过分析所述第一置信区域与所述第二置信区域的重叠以及所述第一和所述第二测量精度，为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配一置信权重。
附图说明
通过参考以下详细描述和附图将更好地理解本发明的前述优点和特征，在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的用于确定铁路车辆的位置的系统框图。
图2是根据本发明一个实施例的用于确定铁路车辆的位置的方法的步骤流程图。
图3至图6是解释图2的方法的一个步骤的不同图解。
具体实施方式
参考图1，用于确定铁路车辆的位置的系统10(下文中称作确定系统10)包括第一导航模块11、第二导航模块12、分析模块15以及输出模块17。
根据本发明的一个实施例，所述铁路车辆是在单轨道或包括几个平行轨道的多轨道铁路系统的轨道上行驶的机车。根据本发明的另一实施例，所述铁路车辆是在单轨道或多轨道铁路系统的轨道上行驶的地铁或任何其他车辆。
根据本发明的优选实施例，所述确定系统10组成所述铁路车辆的车载设备的一部分。
每个导航模块11、12是接收器，所述接收器被配置成接收并解码从被称作GNSS的全球导航卫星系统发出的导航信号。根据本发明的优选实施例，每个导航模块11、12被配置成接收并解码从GNSS、优选从被称为GPS的全球定位系统发出的导航信号，但也可以是从如GPS、GLONASS(全球导航卫星系统)、伽利略(Galileo)、北斗(Beidou)等的混合系统接收信号。
然而，应当理解，本发明不仅限于GPS接收器。因此，例如，根据本发明的一个实施例，第一导航模块11是GPS接收器，而第二导航模块12是GLONASS或伽利略接收器。根据本发明的另一实施例，每个导航模块11、12被配置成接收并同时解码从几个GNSS(例如，从GPS和GLONASS)发出的导航信号。根据本发明的另一实施例，每个导航模块11、12被配置成接收并同时解码从GNSS和从另一导航系统(例如位于轨道附近的地面导航系统)发出的导航信号。
每个导航模块11、12被配置成确定铁路车辆位置，并且这个位置的几何不确定性在所属领域中被称为“精度因子”或DOP(dilution of precision)。特别地，如所属领域中已知的，DOP具有被称作“水平精度因子”或HDOP的水平分量。
根据本发明，第一和第二导航模块11、12被配置成确定具有不同分辨率的铁路车辆的位置。因此，例如，第一导航模块11被配置成使用对接收的信号的恰当解码来确定具有第一测量精度的所述铁路车辆的常规分辨率位置，而第二导航模块12被配置成使用对接收的信号的恰当解码来确定具有第二测量精度的所述铁路车辆的高分辨率位置。
根据本发明的优选实施例，所述常规分辨率位置由第一导航模块11使用公开可用的加密代码来获得，并且所述高分辨率位置由第二导航模块12使用访问受限制的加密代码和/或使用能够确定模块12的位置的额外私人卫星或地面站来获得。举例来说，当导航信号是从针对两个导航模块11、12的GPS发出时，公开可用的加密代码被称为粗/采集(C/A)码，而访问受限制的加密代码被称为精确(P(Y))码。
根据本发明的优选实施例，所述第一和所述第二测量精度对应于第一和第二导航模块11、12各自的HDOP。
第一和第二导航模块11、12均位于铁路车辆的已知位置上，因此这些模块之间的距离是已知的。
如图1所图示，导航模块11、12均连接到分析模块15。因此，分析模块15被配置成接收分别由第一和第二导航模块11、12确定的常规分辨率位置和高分辨率位置以及对应的测量精度，并且下文将解释分析这个数据。
根据本发明的一个实施例，分析模块15还连接到包括轨道图的数据库。因此，分析模块15还被配置成分析由所述轨道图发布的数据。
根据本发明的一个实施例，分析模块15形成可由现有车载计算机执行的计算机程序。根据本发明的另一实施例，分析模块15形成独立的车载计算机，所述车载计算机包括处理器、存储器和用于执行计算机程序的所有其他部件。根据本发明的另一实施例，分析模块15形成嵌入到铁路车辆的现场可编程门阵列(被称为FPGA)或任何其他可编程逻辑装置。根据本发明的另一实施例，分析模块15形成远程计算机程序或远程计算机或远程可编程逻辑装置，在此情况下，分析模块15经由例如合适的无线连接连接到第一和第二导航模块11、12。
输出模块17连接到分析模块15，并且形成例如人机界面，所述人机界面被配置成向例如列车驾驶员或交通管理者呈现从分析模块15发出的分析结果。
根据另一实施例，输出模块17连接到分析模块15，并且形成例如计算机到计算机界面，所述计算机到计算机界面被配置成将信息转发到机车上的其他系统。
接着参考图2解释确定系统10实现用于确定铁路车辆的位置的方法，图2呈现所述方法的步骤的流程图。
最初，铁路车辆在多轨道系统的一个轨道上行驶。这个轨道关联到例如相关联轨道图上的某一序号。
在铁路车辆的移动期间的任何瞬时，第一和第二导航模块11、12如上文所解释地分别确定具有对应测量精度的铁路车辆的常规分辨率位置和高分辨率位置。
此外，第一和第二导航模块11、12将确定的位置传输到分析模块15。
在步骤105，分析模块15首先转换确定的位置，使得这些位置对应于同一位置，即使得这些位置转换为相对于同一参考位置的坐标，也即对这些位置进行了坐标系转换。这种转换通过使用第一和第二导航模块11、12之间的已知距离来进行。
根据本发明的另一实施例，步骤105在步骤110和120之后执行。
在步骤110，分析模块15基于所述第一测量精度来确定所述常规分辨率位置周围的第一置信区域A1。特别地，根据本发明的一个实施例，第一置信区域A1对应于一个圆，所述圆的半径等于所述第一测量精度并且圆心位于对应于所述常规分辨率位置的点处。
在步骤120，所述步骤例如与步骤110并行地执行，分析模块15基于所述第二测量精度来确定所述高分辨率位置周围的第二置信区域A2。特别地，根据本发明的一个实施例，第二置信区域A2对应于一个圆，所述圆的半径等于所述第二测量精度并且圆心位于对应于所述高分辨率位置的点处。
本文中，第一、第二测量精度也可理解为第一、第二测距误差，即被测物的实际位置落入由测得位置与测距误差定义的置信区域内。因此，第一、第二测量精度表示的是长度或距离概念，此为业界熟知，在此不作过多展开。
在步骤130，分析模块15通过分析第一和第二置信区域A1、A2的重叠和所述第一和所述第二测量精度而为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配置信权重。
因此，置信权重表示所述铁路车辆的所述实际位置的了解的确定性水平。因此，置信权重可以用级别数字或用任何其他恰当形式来表征。在下文列举的实例中，置信权重用用语“极高”、“高”、“低”以及“极低”来表征，但是其他实例是可能的。
因此，例如，如果第一置信区域A1与第二置信区域A2重叠，并且两种测量精度均小于预定阈值，则为所述铁路车辆的所述实际位置的了解分配极高权重。当用对应HDOP来表示测量精度时，所述预定阈值例如在0与2之间，其中，所述预定阈值与所述测量精度采用相同的单位，例如采用单位米。
在图3中图示了这种情况，其中第一置信区域A1的边界由虚线表示，而第二置信区域A2的边界由实线表示。
如果第一置信区域A1与第二置信区域A2重叠，所述第二测量精度小于所述预定阈值并且所述第一测量精度大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配高权重。这种情况在图4中用先前情况中的相似记号图示。
如果置信区域A1、A2中的一个与另一个重叠，并且所述第二测量精度大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配低权重。这种情况在图5中用先前情况中的相似记号图示。在这种情况下，第二置信区域A2与第一置信区域A1重叠。
如果置信区域A1、A2部分地重叠，并且所述第一和所述第二测量精度均大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配极低权重。这种情况在图6中用先前情况中的相似记号图示。
另外，根据本发明的一个实施例，在步骤130，分析模块12还分析轨道图，以便为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配置信权重。举例来说，在图3所图示的情况下，当根据轨道图，仅一条轨道经过第二置信区域A2时，分配高置信权重。这也可适用于其他实例。
在步骤140，输出模块17将铁路车辆的结果位置或轨道图中对应轨道的序号与对应置信权重一起传达到例如交通控制器。
所述结果位置是例如由第二导航模块12确定的高分辨率位置。根据本发明的另一实施例，所述结果位置的确定取决于所述常规分辨率位置和所述高分辨率位置。
可以看出，本发明呈现若干个优点。特别地，本发明使得即使在多轨道系统中仅使用两个导航模块，一个导航模块提供常规分辨率位置，而另一个导航模块提供高分辨率位置，确定铁路车辆的精确位置(即具有高精度)成为可能。
在这两个位置之间，仅高分辨率位置的获得利用一些额外代价，常规分辨率位置是使用公开可用的导航信号获得。因此，本发明降低铁路车辆开发的整体成本，并且确保至关重要的应用的操作。

Claims (11)

1.一种用于确定铁路车辆的实际位置的方法，其特征在于，所述铁路车辆包括第一导航模块和第二导航模块，每个导航模块接收来自全球导航卫星系统的导航信号；
所述第一导航模块使用接收的所述导航信号来确定具有第一测量精度的所述铁路车辆的常规分辨率位置；
所述第二导航模块使用接收的所述导航信号来确定具有第二测量精度的所述铁路车辆的高分辨率位置；
所述方法包括以下步骤：
基于所述第一测量精度来确定所述常规分辨率位置周围的第一置信区域；
基于所述第二测量精度来确定所述高分辨率位置周围的第二置信区域；
通过分析所述第一置信区域与所述第二置信区域的重叠以及所述第一和所述第二测量精度，为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配一置信权重；
其中，在分配置信权重的所述步骤中，
如果所述第一置信区域与所述第二置信区域重叠，并且所述第一和所述第二测量精度均小于预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配极高权重；
如果所述第一置信区域与所述第二置信区域重叠，所述第二测量精度小于所述预定阈值并且所述第一测量精度大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配高权重；
如果所述置信区域中的一个与另一个重叠，并且所述第二测量精度大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配低权重；
如果所述置信区域部分地重叠，并且所述第一和所述第二测量精度均大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配极低权重。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分配置信权重的所述步骤还包括将轨道图与所述第一和所述第二置信区域进行比较。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和所述第二置信区域中的每一个由圆形成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每个所述圆的半径由对应的所述测量精度来定义。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和所述第二测量精度中的每一个对应于相应的所述导航模块的水平精度因子。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个导航模块接收来自全球定位系统的导航信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用公开可用的加密代码来获得所述常规分辨率位置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用访问受限制的加密代码来获得所述高分辨率位置。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，使用额外的卫星或地面站来获得所述高分辨率位置。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括预备步骤，所述预备步骤包括转换所述常规分辨率位置和所述高分辨率位置，使得这些位置对应于同一位置，所述转换通过使用所述第一导航模块和所述第二导航模块之间的已知距离来执行。
11.一种用于确定铁路车辆的实际位置的系统，其特征在于，所述铁路车辆包括第一导航模块和第二导航模块，每个导航模块接收来自全球导航卫星系统的导航信号；
所述第一导航模块使用接收的所述导航信号来确定具有第一测量精度的所述铁路车辆的常规分辨率位置；
所述第二导航模块使用接收的所述导航信号来确定具有第二测量精度的所述铁路车辆的高分辨率位置；
其中所述系统包括分析模块，所述分析模块被配置用于：
基于所述第一测量精度来确定所述常规分辨率位置周围的第一置信区域；
基于所述第二测量精度来确定所述高分辨率位置周围的第二置信区域；
通过分析所述第一置信区域与所述第二置信区域的重叠以及所述第一和所述第二测量精度，为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配一置信权重；
其中，在分配置信权重时，
如果所述第一置信区域与所述第二置信区域重叠，并且所述第一和所述第二测量精度均小于预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配极高权重；
如果所述第一置信区域与所述第二置信区域重叠，所述第二测量精度小于所述预定阈值并且所述第一测量精度大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配高权重；
如果所述置信区域中的一个与另一个重叠，并且所述第二测量精度大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配低权重；
如果所述置信区域部分地重叠，并且所述第一和所述第二测量精度均大于所述预定阈值，则为了解所述铁路车辆的所述实际位置分配极低权重。
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