CN111071304A - 一种基于卫星的列车车载测速定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于卫星的列车车载测速定位系统及方法,该系统包括卫星定位接收机、轮速传感器和车载主机,所述的卫星定位接收机负责接收空中的卫星信号,进行差分修正并输出速度及位置信息;所述的轮速传感器安装在车辆的行走轴上,负责测量车轮的转动角度,并且通过周期性采样获得车轮旋转角速度,再通过车轮直径换算得到车辆行驶速度;所述的车载主机负责接收卫星定位接收机和轮速传感器的数据并进行处理,最后输出测速定位结果。与现有技术相比,本发明具有降低成本,定位精度高、定位速度快等优点。

Description

一种基于卫星的列车车载测速定位系统及方法
技术领域
本发明涉及列车车载测速定位系统领域,尤其是涉及一种基于卫星的列车车载测速定位系统及方法。
背景技术
列车车载测速定位系统是轨道交通列车的基础系统,负责为列车提供实时位置及速度,为列车运营业务提供支撑。根据轨道交通的不同业态,列车车载测速定位系统采用不同的技术方案。高铁及城际列车采用轨道电路、应答器及车轮速度传感器的形式进行定位,为了满足SIL4的安全要求,一般配置多套系统,通过冗余算法来满足安全需求。地铁、轻轨、有轨电车等列车采用信标+车轮速度传感器的形式进行定位,为了满足精确停车对位,需要在车站处布置大量定位信标。
卫星定位导航技术的发展,为列车定位提供了新的方法。目前全球导航卫星系统GNSS有美国的GPS系统,俄罗斯的GLONASS系统,欧洲的Galileo系统,中国的北斗系统,以及部分区域级增强定位系统。卫星定位设备朝向高精度、实时、低成本方向发展,列车定位系统也可以考虑采用卫星定位系统,可以实现随时随地的定位服务。采用卫星定位系统作为主要定位系统,可以显著降低轨道旁边设备的数量,这对于降低轨道建设、维护成本具有重要意义。
目前列车的定位基本都是基于轮轴传感器获取相对位移,基于信标/应答器/RFID获取绝对位置,相应的车辆上需要安装轮轴传感器,信标读写天线,或者其它专用设备,地面上需要布置信标/应答器/RFID,同时还要定期对这些设备进行检测维护。因此目前的列车定位存在成本高、定位精度不高等问题。
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基于卫星的列车车载测速定位系统及方法,利用卫星定位模块及车载轮速传感器实现了各种条件下的列车定位功能,对于在地面、高架上行驶的各类轨道交通列车,具有很好的适应性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种基于卫星的列车车载测速定位系统,该系统包括:卫星定位接收机、轮速传感器和车载主机,所述的卫星定位接收机负责接收空中的卫星信号,进行差分修正并输出速度及位置信息;所述的轮速传感器安装在车辆的行走轴上,负责测量车轮的转动角度,并且通过周期性采样获得车轮旋转角速度,再通过车轮直径换算得到车辆行驶速度;所述的车载主机负责接收卫星定位接收机和轮速传感器的数据并进行处理,最后输出测速定位结果。
优选地,所述的车载主机包括:
所述的卫星信号健康度判断模块,用于对接收到的卫星定位信息进行健康判断,确定是否能够用于列车定位及应用于何种定位情形;
所述的卫星定位位置映射模块,用于将卫星定位坐标映射为车载系统一维定位坐标;
所述的轮径校准模块,用于判断列车的轮径输入值与实测值是否一致,如果差异较大,则进行修正,使用测量值更新轮径值;
所述的卡尔曼滤波模块,用于将卫星定位输出的位置及轮轴速度传感器输出的位置进行融合,输出融合定位结果。
优选地,所述的卫星定位坐标采用Block+Abs的形式。
一种采用所述的基于卫星的列车车载测速定位系统的方法,该方法包括以下步骤:
步骤1、列车初始定位过程;
步骤2、列车定位更新过程。
优选地,所述的步骤1具体包括以下步骤:
步骤1.1、当列车驶入卫星信号强度大于设定值的区域时,GNSS定位接收机接收卫星信号,建立差分修正服务,当卫星信号健康度判断正常时,获得卫星定位信息;
步骤1.2、车载主机在线路地图中检索,确定列车处于某一个行驶区间,确定列车的初始位置;
步骤1.3、获取列车所在区间的方向定义,根据卫星定位信息确定列车的方位角,进而判断列车行驶的方向;
步骤1.4、根据列车天线位置及车头车尾配置,计算车头车尾的位置,如果能够计算出来则利用卡尔曼滤波模块,将卫星定位输出的位置及轮轴速度传感器输出的位置进行融合,输出融合定位结果;
步骤1.5、完成列车定位过程,开始周期性更新列车位置。
优选地,所述的步骤2具体包括以下步骤:
步骤2.1、如果列车行驶过程中遇到卫星信号强度低于设定阈值,并无法实现定位时,则使用上次列车定位位置,加上轮速传感器测量的速度积分,进行位置更新;
步骤2.2、当列车行驶过道岔,车载主机根据卫星定位确定列车行走在哪条线路上;
步骤2.3、当列车到达线路终点,并且换端进行折返时,相应的调换车头车尾位置,更换上下行方向;
步骤2.4、当列车行经上下行倒换点时,列车根据行驶方向和线路地图数据,自动切换上下行方向;
步骤2.5、线路电子地图中预置轮径校准区间,当列车行经轮径校准区间时,自动进行轮径校准计算;
步骤2.6、根据以上步骤,实时动态更新列车的位置和速度。
优选地,所述的步骤2.2中确定线路的具体内容包括:当列车驶过道岔设定距离后,根据卫星定位结果,判断定位结果更接近哪条线路,则认为列车在该线路上行驶,如果道岔处于持续无法定位,则采用其它方式获取的行车信息,或者是按照默认道岔线路行走。
优选地,所述的步骤2.5中的校准区间为卫星在差分模式下精确测量的轨道区域,该区域起终点有GNSS坐标约束,计算结果和储存的轮径结果进行比较,当轮径差异大于设定值时则更新轮径值。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、相对信标定位来说,每列车辆需要两套信标读写天线,分别布置在列车车头和车尾,哪端激活就使用哪端的设备,卫星定位接收机更加紧凑,车辆只需安装1台车载卫星定位接收机,就可以实现绝对位置定位和相对位置定位,同时地面无需额外部署设备,因此可以显著降低成本。
2、针对不同的定位精度需求,可以选择不同定位精度的卫星接收机,以进一步降低成本,对于卫星定位临时缺失的环境下,可以采用辅助手段来弥补,如惯导一体机,轮轴传感器,测速多普勒雷达,加速度计等。一般均采用轮轴传感器,因为轮轴转速传感器对于车辆来说是标准配置,无需额外安装。
3、在安全性要求比较高的使用场合,可以使用多套设备,通过二取二或者三取二乃至二乘三取二的架构,来提高系统的安全性,降低故障率。
4、本发明还有定位精度高、定位速度快等特点。在使用差分修正技术时,定位精度能够达到1米以内。当列车由于出库、设备重启等原因失位时,能够以最短的时间重新定位,比信标定位方式要短得多。
附图说明
图1为本发明的车载定位系统结构示意图。
图2为本发明的列车初始定位流程图。
图3为发明的列车定位更新流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,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。
如图1所示,一种基于卫星的列车车载测速定位系统,该系统包括:卫星定位接收机、轮速传感器和车载主机,所述的卫星定位接收机负责接收空中的卫星信号,进行差分修正并且输出速度及位置信息;所述的轮速传感器安装在车辆的行走轴上,负责测量车轮的转动角度,并且通过周期性采样获得车轮旋转角速度,再通过车轮直径换算得到车辆行驶速度;所述的车载主机负责接收各类数据并且进行处理,最后输出测速定位结果。
所述的车载主机包括卫星信号健康度判断模块、卫星定位位置映射、轮径校准模块和卡尔曼滤波模块,所述的卫星信号健康度判断模块用于对接收到的卫星定位信息进行健康判断,确定是否能够用于列车定位及应用于何种定位情形;所述的卫星定位位置映射模块用于将卫星定位坐标映射为车载系统一维定位坐标(通常是Block+Abs的形式);所述的轮径校准模块用于判断列车的轮径输入值与实测值是否一致,如果差异较大,则进行修正,使用测量值更新轮径值;所述的卡尔曼滤波模块用于将卫星定位输出的位置及轮轴速度传感器输出的位置进行融合,输出融合定位结果。
实际应用中,首先,列车在车库内上电自检完成后进行发车,此时由于车库内卫星信号一般较差,无法实现卫星定位,即这一段时间列车是处于失位状态,列车的安全依赖其它技术手段保证。如果列车本身停车就处于室外,卫星信号能够覆盖到,则车辆上电后即可实现初始位置定位。
其次,列车从车库驶出,进入正线运营,此时卫星定位接收机开始初始化,接收卫星信号并且确定初始位置。对于卫星接收机来说,冷启动的时间一般小于50秒。
如图2所示,卫星接收机输出正确的定位位置后,列车即可实现初始定位,此时列车一般处于低速运行阶段,车载定位系统在获得定位初始位置后,同时可以获得车辆行驶方向,与电子地图中的数据进行比对后,可以确定列车在该段轨行区是顺行还是逆行,结合轨行区的定义,可以获知列车是处于上行方向还是下行方向,即确定列车行驶方向。一种提高定位速度,降低冷启动时间的方法是,在列车车库内引入卫星定位信号,通过卫星信号转发器,将室外卫星信号引入车库,这样列车上电自检时即可完成卫星定位接收机冷启动,在出库后几秒钟内即可锁定卫星信号,进一步降低定位所需的时间。
再次,车载定位系统在获得初始位置和列车行驶方向后,根据车载电子地图和车载卫星接收机天线配置,可以推算列车车头和车尾的位置。因为卫星定位接收机输出的位置是天线所在点的位置,而列车车载定位系统需要确定的是车辆占用的区间位置,因此需要根据天线的安装情况,进行推算。天线的安装位置一旦确定,则是固定的,天线到车头的距离,天线到车尾的距离都是固定不变的(忽略车辆处于弯道上相对位置的变化,因为该变化一般小于1米且车长比直线车长要小),因此可以根据天线位置推算车头车尾的位置。一旦计算出车头车尾的位置,则车辆定位成功。
如图3所示,列车行驶过程中,根据定位接收机的位置变化,实时动态更新列车的位置。
步骤2.1、如果列车行驶过程中遇到卫星信号不好,无法实现定位的情况,则使用上次列车定位位置,加上轮速传感器测量的速度积分,进行位置更新;
步骤2.2、当列车行驶过道岔,车载系统根据卫星定位确定列车行走在哪条线路上;
步骤2.3、当列车到达线路终点,并且换端进行折返时,相应的调换车头车尾位置,更换上下行方向;
步骤2.4、当列车行经上下行倒换点时,列车根据行驶方向和线路地图数据,自动切换上下行方向;
步骤2.5、线路电子地图中预置轮径校准区间,当列车行经轮径校准区间时,自动进行轮径校准计算;
步骤2.6、根据以上步骤,实时动态更新列车的位置和速度。
所述的步骤2.2中确定线路的具体内容包括:当列车驶过道岔一定距离后,根据卫星定位结果,判断定位结果更接近哪条线路,则认为列车在该线路上行驶,如果道岔处持续无法定位,则采用其它方式获取的行车信息,或者是按照默认道岔线路行走。
所述的步骤2.5中的校准区域为卫星在差分模式下精确测量的轨道区域,该区域起终点有GNSS坐标约束,计算结果和储存的轮径结果进行比较,当轮径差异过大时则更新轮径值。
在列车正线行驶时,如果由于某种原因,车载测速定位系统意外重启,则重启完成后,卫星定位接收机已经在输出定位信息(未重启或者热启动,时间更短),只要列车处于运动过程中,则可以快速定位。相比信标定位方式,在重启后需要连续读到两个信标才能够确定位置和行驶方向,定位所需时间取决于信标的分布,卫星定位显然更快速。
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 (8)

1.一种基于卫星的列车车载测速定位系统,其特征在于,该系统包括:卫星定位接收机、轮速传感器和车载主机,所述的卫星定位接收机负责接收空中的卫星信号,进行差分修正并输出速度及位置信息;所述的轮速传感器安装在车辆的行走轴上,负责测量车轮的转动角度,并且通过周期性采样获得车轮旋转角速度,再通过车轮直径换算得到车辆行驶速度;所述的车载主机负责接收卫星定位接收机和轮速传感器的数据并进行处理,最后输出测速定位结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星的列车车载测速定位系统,其特征在于,所述的车载主机包括:
所述的卫星信号健康度判断模块,用于对接收到的卫星定位信息进行健康判断,确定是否能够用于列车定位及应用于何种定位情形;
所述的卫星定位位置映射模块,用于将卫星定位坐标映射为车载系统一维定位坐标;
所述的轮径校准模块,用于判断列车的轮径输入值与实测值是否一致,如果差异较大,则进行修正,使用测量值更新轮径值;
所述的卡尔曼滤波模块,用于将卫星定位输出的位置及轮轴速度传感器输出的位置进行融合,输出融合定位结果。
3.根据权利要求2所述的一种基于卫星的列车车载测速定位系统,其特征在于,所述的卫星定位坐标采用Block+Abs的形式。
4.一种采用权利要求2所述的基于卫星的列车车载测速定位系统的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤1、列车初始定位过程;
步骤2、列车定位更新过程。
5.根据权利要求4所述的一种采用基于卫星的列车车载测速定位系统的方法,其特征在于,所述的步骤1具体包括以下步骤:
步骤1.1、当列车驶入卫星信号强度大于设定值的区域时,GNSS定位接收机接收卫星信号,建立差分修正服务,当卫星信号健康度判断正常时,获得卫星定位信息;
步骤1.2、车载主机在线路地图中检索,确定列车处于某一个行驶区间,确定列车的初始位置;
步骤1.3、获取列车所在区间的方向定义,根据卫星定位信息确定列车的方位角,进而判断列车行驶的方向;
步骤1.4、根据列车天线位置及车头车尾配置,计算车头车尾的位置,如果能够计算出来则利用卡尔曼滤波模块,将卫星定位输出的位置及轮轴速度传感器输出的位置进行融合,输出融合定位结果;
步骤1.5、完成列车定位过程,开始周期性更新列车位置。
6.根据权利要求4所述的一种采用基于卫星的列车车载测速定位系统的方法,其特征在于,所述的步骤2具体包括以下步骤:
步骤2.1、如果列车行驶过程中遇到卫星信号强度低于设定阈值,并无法实现定位时,则使用上次列车定位位置,加上轮速传感器测量的速度积分,进行位置更新;
步骤2.2、当列车行驶过道岔,车载主机根据卫星定位确定列车行走在哪条线路上;
步骤2.3、当列车到达线路终点,并且换端进行折返时,相应的调换车头车尾位置,更换上下行方向;
步骤2.4、当列车行经上下行倒换点时,列车根据行驶方向和线路地图数据,自动切换上下行方向;
步骤2.5、线路电子地图中预置轮径校准区间,当列车行经轮径校准区间时,自动进行轮径校准计算;
步骤2.6、根据以上步骤,实时动态更新列车的位置和速度。
7.根据权利要求6所述的一种采用基于卫星的列车车载测速定位系统的方法,其特征在于,所述的步骤2.2中确定线路的具体内容包括:当列车驶过道岔设定距离后,根据卫星定位结果,判断定位结果更接近哪条线路,则认为列车在该线路上行驶,如果道岔处于持续无法定位,则采用其它方式获取的行车信息,或者是按照默认道岔线路行走。
8.根据权利要求6所述的一种采用基于卫星的列车车载测速定位系统的方法,其特征在于,所述的步骤2.5中的校准区间为卫星在差分模式下精确测量的轨道区域,该区域起终点有GNSS坐标约束,计算结果和储存的轮径结果进行比较,当轮径差异大于设定值时则更新轮径值。
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