CN110297261B - 一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统及方法，该系统包括列车接口仿真系统、轨旁仿真系统、轨道电子地图和GNSS仿真模拟器，所述的列车接口仿真系统通过轨旁仿真系统连接GNSS仿真模拟器，所述的轨道电子地图连接GNSS仿真模拟器；所述的列车接口仿真系统中加车后，所述的轨旁仿真系统生成列车运行信息，所述的GNSS仿真模拟器采集轨旁仿真系统中的列车运行信息，利用轨道电子地图中的信息，经过计算后得到当前列车所在位置的卫星数据。与现有技术相比，本发明具有以下优点：可扩展性好，与实际情况更接近，具有多故障注入功能等。

Description

一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星导航仿真系统领域，尤其是涉及一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统及方法。

背景技术

卫星导航仿真系统不仅能够提供实时、动态、连续的定位信息(包括经纬度和航向角)还能提供故障注入的功能，为开发基于卫星定位的车载设备提供丰富的测试场景。卫星导航仿真系统可模拟列车运行的导航数据轨迹，是车载设备顺利研发的保障。

利用卫星导航仿真系统模拟列车运行轨迹有两种方法。一种方法是利用卫星信号发生器和仿真软件，将现场采集的线路信息(经纬度、航向角)导入仿真软件中生成相应的数据，利用卫星信号发生器将生成的数据转化为卫星射频信号。该方法从信号端模拟，与列车实际运行场景相近，但是卫星信号发生器十分昂贵，导致仿真成本高。另一种方法是利用软件模拟。该方法将列车运行轨迹采集的所有数据点作为基础数据库，通过读取数据或者将邻近两点的内差值作为导航数据，该方法虽然成本较低，但是数据量大，且只能模拟列车匀速运行的场景。

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模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统，该系统包括列车接口仿真系统、轨旁仿真系统、轨道电子地图和GNSS仿真模拟器，所述的列车接口仿真系统通过轨旁仿真系统连接GNSS仿真模拟器，所述的轨道电子地图连接GNSS仿真模拟器；

所述的列车接口仿真系统中加车后，所述的轨旁仿真系统生成列车运行信息，所述的GNSS仿真模拟器采集轨旁仿真系统中的列车运行信息，利用轨道电子地图中的信息，经过计算后得到当前列车所在位置的卫星数据。

优选地，所述的轨旁仿真系统、列车接口仿真系统与GNSS仿真模拟器功能完全独立，三者之间通过外部硬件接口连接。

优选地，所述的列车接口仿真系统包括树莓派和外围电路，所述的列车接口仿真系统运行于Linux系统中，用于提供列车的初始状态以及在仿真过程中为列车提供加速度。

优选地，所述的轨旁仿真系统包括工控机，所述的轨旁仿真系统运行于Linux系统中，用于在仿真过程中将列车的初始状态以时间为步长进行递推，得到列车的实时运行状态。

优选地，所述的轨道电子地图中存储了列车运行时的轨迹信息，用于为计算当前列车位置经纬度提供依据。

优选地，通过在所述的轨旁仿真系统中配置IP，增加仿GNSS仿真模拟器的个数来扩展卫星导航仿真系统的数量。

优选地，所述的GNSS仿真模拟器用于综合轨道电子地图信息及列车的当前运行状态，得出列车的实时卫星定位信息。

优选地，所述的GNSS仿真模拟器包括通信模块、数学运算模块、电子地图管理模块、定位数据生成和日志记录模块；

所述的通信模块用于解析轨旁发送的列车运行状态信息；所述的数学运算模块进行高斯投影、坐标转换以及各种模型下列车当前点的经纬度和航向角的生成；所述的电子地图管理模块负责读取电子地图信息并对列车当前所在铁路区段的公里标和经纬度数据进行查询与提取；所述的定位数据生成模块负责将计算得到的经纬度和航向角数据生成所需的数据格式，并通过通信模块发送给车载设备；所述的日志记录模块负责收发数据的记录与管理。

优选地，所述的GNSS仿真模拟器的界面包括数据交互区域、故障注入区域、车辆信息显示区域和GPS信息显示区域；

所述的数据交互区域用于显示从轨旁仿真系统接收的数据与发送给车载设备的仿真数据；所述的故障注入区域用于为系统测试提供故障注入功能；所述的车辆信息显示区域用于显示当前的站号、列车运行方向、区段及公里标信息；所述的GPS信息显示区域用于显示出列车当前的经纬度信息。

一种采用所述的模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统上电后，在列车接口仿真系统中加车，并根据实际情况输入列车的初始状态，包括列车所在站号、列车所在轨道号、列车相对轨道一端的位置、列车长度、列车类型和列车即将运行的方向；

步骤2、轨旁仿真系统接收列车接口仿真系统中传输的数据，在轨旁仿真系统的站场界面上显示列车图标，并将列车初始状态信息发送给GNSS仿真模拟器；

步骤3、GNSS仿真模拟器接收到轨旁仿真系统数据后，依据列车初始位置信息在轨道电子地图中找到对应的线路数据区段，计算出列车的公里标，根据列车的公里标在轨道电子地图中找到该线路段中与列车位置最近两点的位置数据和定位数据，依据直线轨道或曲线轨道的求解公式计算出列车初始的定位信息，并在GNSS仿真模拟器上显示初始经纬度和航向角；

步骤4、GNSS仿真模拟器将初始经纬度和航向角按照约定的数据协议组成数据包，以设定频率发送给车载设备；

步骤5、在轨旁仿真系统的站场图界面中预设列车运行轨迹，并将道岔位置设置在合适位置，从而排列好列车的进路信息，列车启动后将沿着既定轨迹运行；

步骤6、在列车接口仿真系统上操作方向手柄向前、切除独立制动、设置列车目标速度以及操作牵引手柄档位，列车接口仿真系统显示列车速度逐渐增加直到增加到目标速度后保持不变；

步骤7、轨旁仿真系统依据列车的初始状态和列车接口仿真系统传输的速度并结合本地线路数据实时递推列车新的位置信，轨旁仿真系统站场图界面显示动态运行的列车图标；

步骤8、在仿真过程中，根据实际情况添加故障注入功能：如果需要模拟故障注入功能，则进入步骤11，否则转到步骤9；

步骤9、轨旁仿真系统将列车动态运行数据发送给GNSS仿真模拟器，GNSS仿真模拟器依据列车当前位置信息找到轨道电子地图中对应数据区域计算列车公里标，并且判断列车处于站内还是站外，是直线区段还是曲线区段，接着找到数据电子地图中与列车相邻两数据点的位置信息和定位信息，并计算列车当前的定位信息，并在GNSS仿真模拟器上显示动态变化的经纬度和航向角；

步骤10、GNSS仿真模拟器将上述计算的列车动态的经纬度和航向角依据约定的数据协议组成数据包，按照设定频率发送给车载设备；

步骤11、在GNSS仿真模拟器故障注入界面选择发送错误数据或者带有偏移的数据，GNSS仿真模拟器计算列车定位信息的时候会将错误或偏移注入到生成结果中，并将该数据发送给车载设备；

步骤12、在GNSS仿真模拟器故障注入界面选择不发送数据，则GNSS模拟器设备停止对外发送数据。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、将列车运行状态与卫星导航仿真功能相隔离，可针对列车的实际运行状态进行模拟仿真。

2、仿真系统的可扩展性好，通过轨旁仿真系统增加相应的IP，增加GNSS仿真模拟器个数，即可实现仿真系统数量的增加。

3、利用轨道电子地图将列车运行轨迹约束在特定的线路，与列车的真实运行轨迹一致。

4、针对不同的线路情况，采用不同的算法，与实际情况更接近。约简电子地图的数据量，节省了仿真系统的存储空间。

5、具有多故障注入功能，可覆盖实际运行场景中卫星导航出现的故障场景。

附图说明

图1为本发明的卫星导航仿真系统通信示意图；

图2为本发明的列车位于区间轨道时的仿真示意图；

图3为本发明的列车位于站内轨道时的仿真示意图；

图4为本发明的卫星导航仿真流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统及方法，可以实时仿真列车位于轨道上位置和姿态，通过内置的计算公式，求解出列车的经纬度和航向角。该仿真系统可模拟列车在区间和站内运行的两种情况。

如图2所示，当列车位于区间直线轨道AB上运行时，由轨旁仿真系统计算出列车的实时位置C(x,y)点相对于A(x₀,y₀)点的长度l₀、线段AB的长度l，轨道电子地图可知A点和B点的经纬度。由线性坐标求得C点坐标值(经纬度可以使用高斯投影转换)及相对应的航向角：

其中，φ_A、φ_B表示A、B点的纬度；λ_A、λ_B表示A、B点的经度，

为航向角

当列车位于区间曲线轨道BC₁D上运行时，由轨旁仿真系统可计算出列车相对于B点的距离，轨道电子地图可获取BOD的角度θ，则由公式可计算BOC₁的角度θ₁及C₁点的经纬度值C₁(x,y)，如图2所示。由数学公式求得C₁点坐标值及相对应的航向角：

y＝y₃+r*cos(θ₁±α)

x＝x₃+r*cos(θ₁±α)

其中，圆形O坐标(x₃,y₃)和半径r可以通过几何计算获取，正负符号可以依据列车运行方向与平面坐标系象限特点共同判断；

其中，

为航向角，

为直线BD计算的航向角，L_BD和

分别为BD、BC₁的曲线长度。

如图3所示，当列车在站内侧线轨道ADB上运行时，由轨旁仿真系统计算列车相对于道岔点A的相对公里标，将s0向站内正线轨道投影，依据站外直线轨道的计算方法得到相应C点的经纬度值和航向角，然后根据电子地图中侧线相对于正线的偏移量、C点的航向角及经纬度再使用白塞尔大地主题解算正算公式计算D点的经纬度。D点的航向角则使用C点航向角替代。

当列车位于站内正线轨道ACB上运行时，与区间直线轨道的仿真方法类似。

如图1所示，一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统，该系统包括列车接口仿真系统、轨旁仿真系统、轨道电子地图和GNSS仿真模拟器，所述的列车接口仿真系统通过轨旁仿真系统连接GNSS仿真模拟器，所述的轨道电子地图连接GNSS仿真模拟器。

所述的轨旁仿真系统、列车接口仿真系统与GNSS仿真模拟器功能完全独立，三者之间通过外部硬件接口连接。

所述的列车接口仿真系统包括树莓派和外围电路，所述的列车接口仿真系统运行于Linux系统中，用于提供列车的初始状态以及在仿真过程中为列车提供加速度。所述的轨旁仿真系统包括工控机，所述的轨旁仿真系统运行于Linux系统中，用于在仿真过程中将列车的初始状态以时间为步长进行递推，得到列车的实时运行状态。所述的轨道电子地图中存储了列车运行时的轨迹信息，用于为计算当前列车位置经纬度提供依据。通过在所述的轨旁仿真软件中配置IP，增加仿GNSS仿真模拟器的个数来扩展卫星导航仿真系统的数量。所述的GNSS仿真模拟器用于综合轨道电子地图信息及列车的当前运行状态，得出列车的实时卫星定位信息。

所述的GNSS仿真模拟器包括通信模块、数学运算模块、电子地图管理模块、定位数据生成和日志记录模块，所述的通信模块用于解析轨旁发送的列车运行状态信息；所述的数学运算模块进行高斯投影、坐标转换以及各种模型下列车当前点的经纬度和航向角的生成；所述的电子地图管理模块负责读取电子地图信息并对列车当前所在铁路区段的公里标和经纬度数据进行查询与提取；所述的定位数据生成模块负责将计算得到的经纬度和航向角数据生成所需的数据格式，并通过通信模块发送给车载系统；所述的日志记录模块负责收发数据的记录与管理。

所述的GNSS仿真模拟器界面包括数据交互区域、故障注入区域、车辆信息显示区域和GPS信息显示区域，所述的数据交互区域显示从轨旁仿真系统接收的数据与发送给车载设备的仿真数据；所述的故障注入区域为系统测试提供故障注入功能；所述的车辆信息显示区域包括当前的站号、列车运行方向、区段及公里标信息；所述的GPS信息显示区域显示出列车当前的经纬度信息。

如图4所示，一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统上电后，在列车接口仿真系统中加车，并根据实际情况输入列车的初始状态，如列车所在站号、列车所在轨道号、列车相对轨道一端的位置、列车长度、列车类型和列车即将运行的方向(上下行)；

步骤2、轨旁仿真系统接收列车接口仿真系统中传输的数据，在轨旁仿真系统的站场界面上显示列车图标，并将列车初始状态信息发送给GNSS仿真模拟器；

步骤3、GNSS仿真模拟器接收到轨旁仿真系统数据后，依据列车初始位置信息在数字电子地图中找到对应的线路数据区段，计算出列车的公里标，根据列车的公里标在数字电子地图中找到该线路段中与列车位置最近的两点(左右)的位置数据和定位数据，依据直线轨道或曲线轨道的求解公式计算出列车初始的定位信息，并在GNSS仿真模拟器上显示初始经纬度和航向角；

步骤4、GNSS仿真模拟器将初始经纬度和航向角按照约定的数据协议组成数据包，以一定频率(可配置，默认值为5Hz)发送给车载设备；

步骤5、在轨旁仿真系统的站场图界面中预设列车运行轨迹，并将道岔位置设置在合适位置，从而排列好列车的进路信息，列车启动后将沿着既定轨迹运行；

步骤6、在列车接口仿真系统上操作方向手柄向前、切除独立制动、设置列车目标速度以及操作牵引手柄档位，列车接口仿真系统显示列车速度逐渐增加直到增加到目标速度后保持不变；

步骤7、轨旁仿真系统依据列车的初始状态和列车接口仿真系统传输的速度并结合本地线路数据实时递推列车新的位置信息(站名、轨道名称、与轨道一端距离)，轨旁仿真系统站场图界面显示动态运行的列车图标；

步骤8、在仿真过程中，可根据实际情况添加故障注入功能：如果需要模拟故障注入功能，则进入步骤11，否则转到步骤9；

步骤9、轨旁仿真系统将列车动态运行数据发送给GNSS仿真模拟器，GNSS仿真模拟器依据列车当前位置信息找到轨道电子地图中对应数据区域计算列车公里标，并且判断列车处于站内还是站外，是直线区段还是曲线区段，接着找到数据电子地图中与列车相邻两数据点的位置信息和定位信息，依据相关公式计算列车当前的定位信息，并在GNSS仿真模拟器上显示动态变化的经纬度和航向角；

步骤10、GNSS仿真模拟器将上述计算的列车动态的经纬度和航向角依据约定的数据协议组成数据包，按照一定频率(可配置，默认值为5Hz)发送给车载设备；

步骤11、操作者在GNSS仿真模拟器故障注入界面选择发送错误数据或者带有偏移的数据，GNSS仿真模拟器计算列车定位信息的时候会将错误或偏移注入到生成结果中，并将该数据发送给车载；

步骤12、操作者在GNSS仿真模拟器故障注入界面选择不发送数据，则GNSS模拟器设备停止对外发送数据，这种情况一般多用于隧道场景下的卫星导航状态仿真。

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技术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)

1.一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统，其特征在于，该系统包括列车接口仿真系统、轨旁仿真系统、轨道电子地图和GNSS仿真模拟器，所述的列车接口仿真系统通过轨旁仿真系统连接GNSS仿真模拟器，所述的轨道电子地图连接GNSS仿真模拟器；

所述的列车接口仿真系统中加车后，所述的轨旁仿真系统生成列车运行信息，所述的GNSS仿真模拟器采集轨旁仿真系统中的列车运行信息，利用轨道电子地图中的信息，经过计算后得到当前列车所在位置的卫星数据；

所述的列车接口仿真系统包括树莓派和外围电路，所述的列车接口仿真系统运行于Linux系统中，用于提供列车的初始状态以及在仿真过程中为列车提供加速度；

所述的轨旁仿真系统包括工控机，所述的轨旁仿真系统运行于Linux系统中，用于在仿真过程中将列车的初始状态以时间为步长进行递推，得到列车的实时运行状态；

所述的GNSS仿真模拟器的界面包括数据交互区域、故障注入区域、车辆信息显示区域和GPS信息显示区域；

所述的数据交互区域用于显示从轨旁仿真系统接收的数据与发送给车载设备的仿真数据；所述的故障注入区域用于为系统测试提供故障注入功能；所述的车辆信息显示区域用于显示当前的站号、列车运行方向、区段及公里标信息；所述的GPS信息显示区域用于显示出列车当前的经纬度信息；

所述的GNSS仿真模拟器包括通信模块、数学运算模块、电子地图管理模块、定位数据生成和日志记录模块；

所述的通信模块用于解析轨旁仿真系统发送的列车运行状态信息；所述的数学运算模块进行高斯投影、坐标转换以及各种模型下列车当前点的经纬度和航向角的生成；所述的电子地图管理模块负责读取电子地图信息并对列车当前所在铁路区段的公里标和经纬度数据进行查询与提取；所述的定位数据生成模块负责将计算得到的经纬度和航向角数据生成所需的数据格式，并通过通信模块发送给车载设备；所述的日志记录模块负责收发数据的记录与管理。

2.根据权利要求1所述的一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统，其特征在于，所述的轨旁仿真系统、列车接口仿真系统与GNSS仿真模拟器功能完全独立，三者之间通过外部硬件接口连接。

3.根据权利要求1所述的一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统，其特征在于，所述的轨道电子地图中存储了列车运行时的轨迹信息，用于为计算当前列车位置经纬度提供依据。

4.根据权利要求1所述的一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统，其特征在于，通过在所述的轨旁仿真系统中配置IP，增加GNSS仿真模拟器的个数来扩展卫星导航仿真系统的数量。

5.根据权利要求1所述的一种模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统，其特征在于，所述的GNSS仿真模拟器用于综合轨道电子地图信息及列车的当前运行状态，得出列车的实时卫星定位信息。

6.一种采用权利要求1所述的模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、模拟列车运行轨迹的卫星导航仿真系统上电后，在列车接口仿真系统中加车，并根据实际情况输入列车的初始状态，包括列车所在站号、列车所在轨道号、列车相对轨道一端的位置、列车长度、列车类型和列车即将运行的方向；

步骤2、轨旁仿真系统接收列车接口仿真系统中传输的数据，在轨旁仿真系统的站场界面上显示列车图标，并将列车初始状态信息发送给GNSS仿真模拟器；

步骤3、GNSS仿真模拟器接收到轨旁仿真系统数据后，依据列车初始位置信息在轨道电子地图中找到对应的线路数据区段，计算出列车的公里标，根据列车的公里标在轨道电子地图中找到该线路数据区段中与列车位置最近两点的位置数据和定位数据，依据直线轨道或曲线轨道的求解公式计算出列车初始的定位信息，并在GNSS仿真模拟器上显示初始经纬度和航向角；

步骤4、GNSS仿真模拟器将初始经纬度和航向角按照约定的数据协议组成数据包，以设定频率发送给车载设备；

步骤5、在轨旁仿真系统的站场图界面中预设列车运行轨迹，并将道岔位置设置在合适位置，从而排列好列车的进路信息，列车启动后将沿着既定轨迹运行；

步骤6、在列车接口仿真系统上操作方向手柄向前、切除独立制动、设置列车目标速度以及操作牵引手柄档位，列车接口仿真系统显示列车速度逐渐增加直到增加到目标速度后保持不变；

步骤7、轨旁仿真系统依据列车的初始状态和列车接口仿真系统传输的速度并结合本地线路数据实时递推列车新的位置信息，轨旁仿真系统站场图界面显示动态运行的列车图标；

步骤8、在仿真过程中，根据实际情况添加故障注入功能：如果需要模拟故障注入功能，则进入步骤11，否则转到步骤9；

步骤9、轨旁仿真系统将列车动态运行数据发送给GNSS仿真模拟器，GNSS仿真模拟器依据列车当前位置信息找到轨道电子地图中对应线路数据区段计算列车公里标，并且判断列车处于站内还是站外，是直线区段还是曲线区段，接着找到数据电子地图中与列车相邻两数据点的位置信息和定位信息，并计算列车当前的定位信息，并在GNSS仿真模拟器上显示动态变化的经纬度和航向角；

步骤10、GNSS仿真模拟器将上述计算的列车动态的经纬度和航向角依据约定的数据协议组成数据包，按照设定频率发送给车载设备；

步骤11、在GNSS仿真模拟器故障注入界面选择发送错误数据或者带有偏移的数据，GNSS仿真模拟器计算列车定位信息的时候会将错误或偏移数据注入到生成结果中，并将该错误或偏移数据发送给车载设备；

步骤12、在GNSS仿真模拟器故障注入界面选择不发送数据，则GNSS模拟器设备停止对外发送数据。

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