CN112135764B - 用于在铁路网参考系中定位列车的高完整性自主系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于在铁路网参考系中定位列车的高完整性自主系统，包括：‑高完整性地理定位设备(1)；‑铁路网的高完整性地图数据库(2)；以及‑用于跟踪列车的设备(3)。

Description

用于在铁路网参考系中定位列车的高完整性自主系统

技术领域

本发明涉及一种用于在铁路网参考系中定位列车的高完整性自主定位系统。

背景技术

用于使用专用地面基础设施在铁路网中定位列车的系统是已知的，这些系统保证了位置的完整性，也就是说，列车不在指定区间的风险小于可接受的极限。此极限与严重事件(例如，碰撞或脱轨)的风险以及铁路交通控制系统的容量有关。这些设备非常昂贵。

非自主的解决方案要求具有高维护成本的地面基础设施。ETCS L2轨道信令的成本约为每公里轨道20万欧元，因此其部署限于高交通量线路。根据预期的完整性水平，本解决方案具有低得多的成本，从而使得可以以较低的成本来适配次级网络的线路。

还存在高完整性的自主地理定位设备。地理位置应理解为表示运动对象在与地球链接的参考系中的位置，例如，经度、纬度和海拔；高完整性应理解为表示完整性防护间隔或错误椭球和警报信号与位置之间的关联(所指示的位置在椭球外而未发出警报的风险小于可接受的极限)；并且自主应理解为表示缺乏专用基础设施的使用。

基于GNSS接收机和惯性测量单元IMU的设备就是这种类型的高完整性自主地理定位设备的一个示例。例如，欧洲专利EP 3018447B1。

对于这种类型的设备，提供的服务无法在保证完整性的情况下定位列车：一旦误差椭球大于铁路轨道之间的距离的一半，在铁路网中可靠地定位列车就不再是可能的。

发明内容

本发明的一个目的是克服上述问题。

根据本发明的一个方面，提出了一种用于在铁路网参考系中定位列车的高完整性自主定位系统，包括：

-用于全球地理参考系中的高完整性地理定位的高完整性地理定位设备(1)，包括惯性单元、GNSS接收机以及用于将由惯性单元和GNSS接收机提供的测量结果混合的混合模块，其被配置为在全球地理参考系中提供列车的三个位置坐标、三个速度分量和朝向角，以及它们相对于能够影响高完整性地理定位设备的关键事件的相应完整性防护间隔，以使得位置或速度或朝向角在完整性防护间隔之外的概率小于每百万小时一次；

-铁路网的高完整性地图数据库(2)，其被配置为提供以区段的形式在地理上表示铁路网的数据以及表示展现出反射GNSS路径的风险的铁路轨道的周围环境区域的信息，以便维护地理定位设备的完整性，以及

-用于跟踪列车的跟踪设备(3)，其被配置为通过解析候选区段的歧义，基于由高完整性地图数据库提供的数据以及由高完整性地理定位设备提供的位置、速度、朝向和完整性防护，自主地确定列车被定位在其上的铁路网区段的标识符、在铁路网参考系中列车在该区段上的高完整性位置以及与列车在该区段上的位置相关联的防护间隔，以使得列车不在铁路网的所指示的位置的概率小于每百万小时一次，跟踪设备被配置为在列车的运动期间向高完整性地理定位设备追溯地提供表示展现出反射GNSS路径的风险的铁路轨道的周围环境区域的所述信息；

高完整性地理定位设备被配置为在列车的位置处仅使用对其而言视线的方向不展现出反射路径的风险的GNSS卫星，或者修改赋予在列车的位置处使用的各种GNSS卫星的权重。

这样的系统在感兴趣的参考系中而不是在初始地理参考系中提供高完整性定位服务。因此，使得可以花费不多地增强基于IMU和GNSS的设备，这些设备在地理参考系中提供高完整性服务，并且无论气候条件如何都具有出色的系统可用性。

因此，如果地理定位设备使用一个或多个传感器(其测量结果容易被铁路轨道的周围环境破坏)，则反馈使得可以降低这种风险。例如，对于GNSS传感器，来自对其而言接近轨道的对象的几何配置展现出改变风险的卫星的测量结果可能先验地被忽略，以免损害地理定位设备的完整性。

在一个实施例中，跟踪设备被配置为向高完整性地理定位设备追溯地提供列车相对于铁路网的铁路轨道的横向偏差和朝向偏差的高完整性测量结果，混合模块被配置为考虑所述测量结果。

地理定位设备因此可以从附加测量结果中受益，附加测量结果容易在不损害其完整性的情况下改进其性能。

在一个实施例中，跟踪设备被配置为：

-消除至少部分地不包含在由高完整性地理定位设备提供的防护间隔内的候选区段，

-比较由高完整性地理定位设备提供的朝向角和与铁路网的链接兼容的来自数据库的区段的朝向角，以及

-选择与由高完整性地理定位设备提供的朝向角的防护间隔兼容并且对其而言根据行进方向的后一区段或前一区段已经是候选区段的区段。

因此，该设备能够安全地减少候选区段的数量，直到辨别列车被定位在其上的一个真实区段。

候选区段是给予已经由跟踪设备使用上述方法之一选择的区段的名称。从一个计算周期到另一个计算周期存储候选区段的集合，以便确定下一个计算周期中的候选区段，该候选区段取决于前一个计算周期中的候选区段以及高完整性地理定位设备提供的新数据，如下面进一步描述的。

根据一个实施例，跟踪设备被配置为沿着由高完整性地理定位设备提供的连续朝向角与由候选区段中的每个候选区段取得的连续朝向之间的曲线横坐标执行相关化，以便选择单个区段。

因此，当这些候选区段遵循具有不同朝向的路径时，跟踪设备便能够将真实区段与其他候选区段区分开。

在一个实施例中，跟踪设备被配置为通过将由高完整性定位设备提供的速度及其防护间隔投影到当前区段的方向上来确定列车的高完整性速度和运动方向。

因此，除了定位信息之外，跟踪设备还提供附加信息。运动信息的速度和方向的可靠性对于控制列车和管理交通至关重要。

根据一个实施例，以区段的形式表示铁路网的所述数据包括：对于每个区段，在全球地理参考系中区段的初始点的位置坐标和朝向角，区段的长度，表示曲率及其变化的参数的值，用于将区段与其他区段链接的参数的值以及关于该区段的位置误差和朝向误差的极限的值。

因此，少量的参数使得可以表示可观的铁路网长度。所选择的表示使得尤其可以基于其曲线横坐标来精确地计算出属于该区段的任何点的地理位置坐标和朝向角。

根据一个实施例，为了解析候选区段的歧义，跟踪设备包括：

-被配置为基于距离执行瞬时解析功能的模块；和/或

-被配置为基于朝向执行瞬时解析功能的模块；和/或

-被配置为执行点解析功能的模块。

因此，利用铁路轨道的所有几何特性来确定方位。

在一个实施例中，该系统还包括：

-用于全球地理参考系中的高完整性地理定位的附加高完整性地理定位设备，与高完整性地理定位设备不同，其被配置为提供列车的位置、速度和朝向以及它们的相应完整性防护；

-铁路网的附加高完整性地图数据库，与铁路网的高完整性地图数据库相同或相似，其被配置为提供以区段的形式表示铁路网的数据；

-用于跟踪列车的附加跟踪设备，与用于跟踪列车的跟踪设备相同或相似，其被配置为通过解析候选区段的歧义，基于由所述附加高完整性地图数据库提供的数据以及由附加高完整性地理定位设备提供的相应位置、速度、朝向和完整性防护，确定列车在铁路网参考系中的高完整性自主位置和对应的铁路网区段标识符；以及

-合并模块，其用于合并由用于跟踪列车的跟踪设备和用于跟踪列车的附加跟踪设备提供的完整性防护，提供经合并的区段标识符和在区段上的经合并的位置以及经合并的防护间隔，以使得经合并的输出缺乏完整性的风险远小于单独取得的两个设备的输出缺乏完整性的风险，经合并的位置是由主设备和附加设备的位置的加权重心来计算的，并且防护间隔是通过组合主设备和辅助设备的防护间隔来计算的。

相同或相似应理解为表示元素被假定为相同但是由两个不同实体产生，例如，被假定为相同但是可以由两个不同实体产生并且包含一些不适当差异的数据库。

附图说明

在研究通过完全非限制性示例描述并由附图示出的一些实施例时，将更好地理解本发明，其中：

-图1示意性地示出了根据本发明的一方面的用于在铁路网参考系中定位列车的高完整性自主定位系统的一个实施例；

-图2至图4示意性地示出了根据本发明的一方面的地理不确定性椭圆如何导致多个候选区段的存在；

-图5至图10示意性地示出了根据本发明的一方面的由跟踪设备考虑的规则；

-图11示意性地示出了根据本发明的一方面的跟踪设备的一个实施例；

-图12至图20示意性地示出了根据本发明的一方面的跟踪设备的操作；

-图21示意性地示出了根据本发明的一方面的用于在铁路网参考系中定位列车的高完整性自主定位系统的一个实施例。

具体实施方式

在所有附图中，具有相同附图标记的元素是相似的。

在本说明书中，所描述的实施例绝非限制性的，并且不详细描述本领域技术人员公知的特征和功能。

图1示出了用于在铁路网参考系中定位列车的高完整性自主定位系统，该系统包括：

-用于在全球地理参考系中进行高完整性地理定位的高完整性地理定位设备1，其被配置为提供列车的位置、速度和朝向以及它们相对于可能影响高完整性地理定位设备的关键事件的相应完整性防护；

-铁路网的高完整性地图数据库2，其被配置为提供以区段的形式在地理上表示铁路网的数据；以及

-用于跟踪列车的跟踪设备3，其被配置为通过解析铁路网的区段歧义，基于由高完整性地图数据库2提供的数据以及由高完整性地理定位设备1提供的位置、速度、朝向和完整性防护，自主地确定列车被定位在其上的铁路网区段的标识符、在铁路网参考系中列车在该区段上的高完整性位置以及与列车在区段上的位置相关联的防护间隔。

使用高完整性地理定位1(地理位置、地理速度、地理朝向)，系统执行跟踪3，该跟踪3使用数据库2(其描述铁路网)，并且其目的是以有保证的完整性向用户提供当前区段的标识符。

跟踪设备3还可以将列车相对于铁路轨道的横向偏差和朝向偏差的测量结果提供给地理定位设备1，以便改进其性能。这些偏差测量结果具有高完整性，这是必不可少的，因为否则这些测量结果可能会破坏地理定位设备1。

跟踪设备3还可以考虑铁路轨道的周围环境而提供允许地理定位设备1维持其测量结果的完整性的信息。在该操作模式中，地图数据库2包括描述性元素，这些描述性元素描述了当铁路轨道的周围环境容易破坏高完整性定位系统的测量结果时的所述周围环境。

该系统还基于对车轮的运动的观察，以高完整性且独立于转速系统提供该区段上的横坐标、列车在该区段上的速度以及运动的方向。

因此，存在高完整性定位的起点，如图2所示，并且借助于数据库2，传递了由图3中的短虚线表示的防护不确定性。

借助于跟踪设备3，传递了图4中的短虚线表示的位置不确定性。

本发明适用于铁路部门，并且总体上适用于铁路运输车辆的所有位置和速度，例如，列车、有轨电车和其他铁路运输建造车辆。

高完整性地理定位设备1可以包括GNSS接收机，该GNSS接收机通过高完整性混合耦合到惯性测量单元IMU，例如，在Thales的专利EP 3018447中描述的。

铁路网的数据库2以区段的形式描述网络，并且通过几何特征(例如，区段的起点的坐标、区段的长度和回旋线或样条参数的值)和网络中的链接特征(例如：后继(successor)区段和前接(predecessor)区段的标识符)来定义每个区段的特征。在一种使用模式中，数据库2还可以包含描述性元素，该描述性元素描述所考虑的位置附近的环境。

跟踪设备3接收由高完整性地理定位设备提供的定位信息(地理位置、地理速度、地理朝向、以10^-x/h的防护半径以及相关联的警报)作为输入，并且使用数据库来标识当前区段，使得列车不被定位在所指定的区段上而未发出警报的概率小于10^-x/h。

高完整性地理定位设备1产生以下信息：

-地理位置(经度、纬度、海拔)；

-以10^-x/h的位置防护椭球的参数(北、东、垂直、北/东、北/垂直、东/垂直分量)；

-地理朝向角；

-以10^-x/h防护朝向的间隔；

-地理速度(北速度、东速度、垂直速度)；

-以10^-x/h防护速度的椭球的参数；以及

-警报信号(指示不再保证完整性)。

地理定位设备1具有高完整性，因为位置产生的测量结果在地理定位设备1通告的防护范围之外而未发出警报的概率(考虑到可能影响此数据源的正常事件、罕见事件和异常事件)低于所指定的风险(例如，10^-6/h)。

Thales的专利EP3018447描述了提供所有这些信息的IMU/GNSS混合的一个示例。

一般来说，IMU/GNSS混合通常会产生位置、速度和朝向角，还会产生侧倾角和俯仰角。在本发明中，朝向对于点解析起重要作用，而侧倾角和俯仰角并非如此。

应当注意，随着列车在局部平坦的地面上行驶，防护量或间隔被局部减小到椭球与该平面(其为椭圆)的交点。

地图数据库2满足以下完整性条件：

-对于数据库中描述的铁路网的每个区段，链接信息均不是错误的(该区段和相邻区段的标识符)；并且

-对于数据库中描述的每个区段，定位信息允许跟踪设备3以比区段的描述中指示的误差极限小的误差来计算区段的任何点的地理位置和地理朝向。

更严格地讲，这些条件以给定的风险得到满足：例如，如果缺乏数据库完整性的风险为10^-6/h，并且列车经过的平均区段数为100区段/小时，则容忍10^-8/区段的错误率。

在图5中，区段对应于十字之间的部分。

分支对应于当在网中行进时各种可能的选择，在这种情况下，示出了(不同路径的)三个分支，涉及两个交叉点(带框的十字)。

交叉点是零长度的区段，其具有一个入口和两个可能的出口。交叉点仅在一个方向上存在：如果列车在另一个方向上行进，则交叉点不会产生替代。

在一个实施例中，数据库2还包含描述当周围环境容易破坏高完整性地理定位设备1的完整性时的所述周围环境的描述性元素。例如，如果高完整性地理设备1使用的传感器之一是GNSS接收机，则该GNSS接收机可能因靠近列车所占据位置的周围环境的影响而被破坏，特别是在展现来自周围建筑物的反射GNSS路径的风险的区域中或在展现射频干扰(靠近电信中继器的射频污染或特定的工业场所)的风险的区域中。描述具有反射路径风险的区域的描述性元素可以例如提供建筑物相对于铁路轨道所考虑的点的距离和高度，从而允许高完整性地理定位设备1仅选择对其而言视线的取向不展现风险的GNSS卫星，或在计算高完整性位置时修改赋予各个视线的权重，以便确保当列车在危险区域附近时不会对防护椭球欠估计。描述具有干扰风险的区域的描述性元素可能仅限于指示“不使用”，因此高完整性地理定位源不会在该区域附近使用GNSS测量结果。

跟踪设备3实现表达铁轨的约束的规则以及歧义解析方法，该歧义解析方法使得可以减少铁路网的所有区段之中的可能区段的数量。

跟踪设备考虑的主要规则如下：

-R1：列车不能在输入处离开由高完整性位置提供的不确定性的区域。在图6中，以给定的错误风险，对于真实位置，只有短虚线是可能的。

-R2：列车不能在不通过交叉点的情况下从当前区段跳到不相邻区段。这样就使得可以利用过去的情况：例如，如图7所示，列车先前位于区段2上，因此现在列车不能位于区段1上，即使在输入处有关地理位置的不确定性允许这种情况。

-R3：如果列车的运动方向没有变化，则它不能返回到前一个区段。例如，在图8中，如果位置不确定性由于GNSS信号的丢失而增加(如图9所示)，那么除非已知运动方向没有改变，否则列车已经越过顶部轨道这一事实现在变得合理。基于定位源以给定风险提供的速度来监控方向的变化。

-R4：列车不能在不经受朝向变化的情况下改变分支(连续区段的集合)。如果新分支与前一个分支平行，则朝向变化是暂时的(对应于横穿这些点)。如果新分支不平行，则朝向改变继续进行。使用定位源以给定风险提供的朝向角来监控这些事件。

跟踪设备3中实现的主要歧义解析方法如下：

-基于距离的瞬时解析：位置在由高完整性地理定位设备1提供的完整性椭圆之外的区段(在数据库2中描述)被丢弃。在该决策中也考虑了高完整性地图数据库2的不确定性。

-基于朝向的瞬时解析：朝向间隔与由高完整性地理定位设备1提供的朝向间隔不相交的候选区段被丢弃。在该决策中也考虑了高完整性地图数据库2的不确定性。

-点解析：在当前位置及其不确定性指示点的接近度时，点解析功能被激活。这分析由高完整性地理定位设备1提供的连续朝向测量结果，并且评估这些测量结果与从高完整性地图数据库2中提取的、沿着两个候选轨迹的几何朝向值的相关性。对其进行该分析的运动的长度和决策阈值是考虑到高完整性地理定位设备1产生的位置和朝向不确定性以及高完整性地图数据库2的不确定性而计算的，使得错误决策的概率是受限的。当这些点分散时(也就是说，在这些点处存在不平行的轨道)，解析功能还分析相对于两个候选轨迹的位置偏差。

跟踪设备3具有多种功能：

-第一级跟踪：此功能的输入是由高完整性地理定位设备1提供的位置、朝向和相关联的防护(防护位置的椭球、朝向防护间隔、警报)以及高完整性数据库2的区段的描述。第一级跟踪标识区段的时间链接，并且在必要时实现点解析(参见上文)。以足够高的频率(典型地为10Hz)激活第一级跟踪，以便能够跟踪区段的链接。第一级跟踪的输出是候选区段的列表以及每个候选区段上的位置。在“正常”模式下，此列表包含单个区段。根据输入的不确定性的级别，第一级跟踪并不总是能够标识当前区段：在这种情况下，列表包含多个候选。

-第二级跟踪：此功能的输入是由第一级跟踪提供的候选的列表、位置、速度、朝向和相关联的防护(由高完整性地理定位设备1提供)，以及高完整性数据库2的区段的描述。由于计算量可能很高，因此该功能以较低的速率(典型地为1Hz)激活。此功能分析由第一级跟踪标识的候选的列表，并将其与根据由高完整性地理定位设备1产生的输出(位置和相关联的防护)构造的候选的列表进行比较，以便检测复杂的情况(见附图，其示出了出站点，然后是入站点)。消除错误的候选实现基于瞬时距离的解析和基于朝向的解析以及速度测量，这使得可以检测方向变化。实现的处理操作使用防护信息(关于位置，关于朝向，关于速度，关于数据库的内容)，使得错误决策的概率是受限的。在冷启动的情况下，高完整性数据库2的所有区段都是候选。

-产生输出和相关联的指示符：此功能计算操作输出(区段标识符、区段上的横坐标、横坐标的防护间隔、运动的方向、区段上的速度、速度的防护间隔、警报、操作模式)。

-产生偏差测量结果：当操作模式指示“标称”时，只有一个区段是候选，在该区段上的位置利用相关联的防护间隔是已知的，并且地理朝向利用相关联的防护间隔是已知的。然后可以计算由高完整性地理设备1产生的位置与轨道之间的横向偏差，以及由高完整性地理设备1产生的朝向与轨道的朝向之间的偏差，以及相关联的不确定性间隔。

-产生描述铁路轨道的周围环境的描述性元素：如果高完整性数据库2还包含容易破坏高完整性地理设备1的完整性的周围环境元素的描述，则当跟踪设备3处于“标称”操作模式时，跟踪设备3可以将该信息提供给高完整性地理设备1。具体地，在这种情况下，对区段以及在区段上的位置以及其相关联的防护间隔的了解使得可以在高完整性数据库2中标识与以估计的位置为中心且长度等于防护间隔的两倍的区域相关联的描述性元素。当操作不是“标称的”(多个区段是可能的)时，也提供这些描述性元素，但要考虑数据库中候选区段所提供的最差的影响。

图10示出了复杂情况的一个示例，其中在跟踪设备中应考虑列车的运动方向的可能逆转。

图11示出了跟踪设备3。

跟踪3分为两部分：第一级跟踪部分3a和第二级跟踪部分3b。分两部分执行该跟踪3的选择主要是由于以下事实：第二级跟踪3b要求大量计算，并且其应以较低的频率执行。

第一级跟踪3a的目的是：

-基于根据高完整性地理位置和先前的曲线横坐标得出的当前位置，确定与所有候选区段相关联的曲线横坐标，

-每次使用数据库遇到交叉点时，更新候选区段的集合，并更新跟踪模式(参见下文)，

-在某些条件下解析点(参见下文)，

-算出由地理位置模块产生的位置和朝向与从数据库计算的位置和朝向之间的偏差，并在单个区段为候选时将其提供给高完整性地理定位，以及

-提供与第二级跟踪3b相关联的候选区段的集合和曲线横坐标。

第二级跟踪3b的目的是：

-使用以下各项来确定可能区段的集合：

ο与高完整性地理定位位置相关联的不确定性，以及

ο由在线跟踪提供的可能区段的集合，

-使用各种地理定位参数及其相关联的不确定性来减少潜在候选的集合，以便解析潜在交叉点，

-如果由跟踪设备产生的位置证明比由高完整性定位模块产生的位置具有更好的不确定性，则向高完整性地理定位提供从数据库计算的地理位置测量结果。这是一项附加功能，它提供了对地理定位设备进行一次性重新校准的选项，从而使得可以改进其性能，因此改进跟踪设备的未来可用性，

-向最终用户提供：

ο可能区段的集合以及相关联的最小和最大曲线横坐标，

ο估计位置，

ο基于跟踪模式估计的曲线横坐标或多个横坐标。

在跟踪中区分三种模式：

-标称模式，其中所有交叉点都已被解析，并且跟踪能够提供：

ο单个估计区段和相关联的曲线横坐标，

ο由该区段上的最小和最大曲线横坐标表示的不确定性，或者如果不确定性在多个连续区段上延伸，则为由具有其最小和最大曲线横坐标的多个区段的集合表示的不确定性。

-“降级”模式和“初始化(init)”模式，其中跟踪能够提供：

ο多个估计区段和多个相关联的曲线横坐标，

ο由具有其最小和最大曲线横坐标的区段的集合表示的不确定性。

当在搜索第二级跟踪3b的候选区段之前没有关于可能的候选区段的信息时，激活“初始化”模式。

如果高完整性地理定位设备激活其高完整性警报信号，也激活“初始化”模式。

第一级跟踪3a从“初始化”模式开始，并且这样初始化：

-从提供区段的外部辅助设备，根据相关联的曲线横坐标以及根据与此横坐标(初始化)相关联的不确定性，或者

-从提供针对候选区段的搜索功能产生的区段、横坐标和相关联的不确定性。存在多种类型的区段解析，如下面解释的：此处使用的解析是“初始化”模式下的解析。

在“初始化”模式的末尾，存在区段、曲线横坐标和相关联的不确定性。然后进入标称模式。

然后，输入是由地理定位解(位置、朝向、速度、不确定性)提供的当前位置P和由“初始化”模式或由前一个周期的第一级跟踪产生的候选区段(这些区段被提供有其曲线横坐标)的列表提供的前一区段(或前几个区段)，已向该列表添加或从中删除由第二级跟踪3b标识的区段。根据这些输入，可能区段的集合和与当前时间相关联的曲线横坐标如下计算：

设P为当前位置，并将前一次迭代产生的候选区段称为id。令s为与候选区段的估计点P1相关联的曲线横坐标。在P1处，计算与区段相切的方向向量。向量P1P被投影到上面计算的方向向量上。标量积的值给出了点P1与投影到轨道上的点P之间的曲线横坐标(Δs)的偏差的近似值。s的值用s＝s+Δs更新，以便重新计算新的点P1。进行迭代直到标量积已经变低，以便在轨道P2上获得新的估计位置。

图12以短虚线示出了铁轨，P1是先前时间在区段上的估计位置，P是高完整性地理定位发送的当前位置，并且P2是迭代后的位置。

如果位置P2的曲线横坐标大于区段id的声明长度，则针对下一个区段搜索高完整性数据库2。如果以下一区段不是交叉点，则越过具有新曲线横坐标的新区段。如果下一区段是交叉点，则创建新的可能候选，并且在输出处存在具有两个曲线横坐标的两个可能区段。

仅在以下情况下执行在线跟踪3a中的点解析：

-在降级模式下工作(在标称模式下没有要解析的内容，而在“初始化”模式下是第二级跟踪3b执行该工作)，

-以及位置及其不确定性完全包含在候选区段内。具体而言，在相反的情况下，有可能得出错误的结论：如图13和图14所示的以下示例。

在图13和图14的示例中，区段S20和S50是候选区段。在图13的第一配置中，点解析被激活。在图14的第二配置中，由于不确定性溢出到区段S51上，所以点解析被停用。在第二配置中，存在选择区段20的风险，因为真实位置朝向与区段20一致，并且两个候选区段是区段20和50。

点解析可以以三种方式执行：

-通过在地理位置解的朝向与候选区段在估计的曲线横坐标处的朝向之间对朝向的瞬时比较，

-通过查看单个区段是否包含在置信度椭圆内，以及

-通过在来自高完整性地理定位模块的连续朝向与候选区段中的每个候选区段在给定长度上取得的连续朝向之间的相关化，这使得可以消除与位置不确定性相关的朝向误差。

在点解析结束时，候选区段的集合及其相关联的曲线横坐标是可用的，可以将其传输到第二级跟踪。

在标称模式下，当估计位置和不确定性包含在候选区段内时，可以计算跟踪测量结果。这是相对于轨道和估计的曲线横坐标处的估计朝向的横向偏差。该信息与其相关联的不确定性一起被发送到高完整性地理定位设备。不确定性取决于数据库的准确性以及与曲线横坐标有关的不确定性。

相对于轨道的横向偏差被计算为在估计的曲线横坐标处垂直于轨道的方向向量与向量P2P之间的标量积，其中P2是轨道上的估计位置，而P是由地理定位设备发送的估计位置。

候选区段的解析的细节如下。

“初始化”模式下的解析未关于可能是候选的区段做任何假设。

存在位置估计的起点，并且其置信度椭圆由高完整性定位产生：附图中的图15中的实线的十字和椭圆。对于高完整性数据库2的所有区段(所有区段都是潜在的候选)，寻找包含在椭圆内的那些区段。

要查看一个区段是否属于椭圆，首先对该区段进行采样。采样距离应为位置不确定性与区段长度之间的最小长度的几分之一。接下来，对于每个点，检查其是否包含在椭圆内：包含在长轴为a且短轴为b的椭圆内的点满足以下公式：u²/a²+v²/b²<＝1，u和v为区段的点在参考系中的坐标，参考系的中心是估计位置，并且X轴和Y轴对应于置信度椭圆的长轴和短轴。

如果仅区段的一个分支(而不是单个区段)是候选，则已经找到了要提供给第一级跟踪的区段列表或提供给第一级跟踪的初始化的区段：过渡[A]。还命令切换到标称模式。要提供的候选区段最接近估计位置。与候选区段相关联的曲线横坐标将是与区段的最接近估计位置的点相关联的横坐标。为简单起见，不确定性是最初提供的估计位置的不确定性，即使发现使用几何考虑可以得到更好的结果。

在此搜索结束时，可以移除候选区段的集合以及椭圆内包含的点的每个区段的最小和最大横坐标，这将称为smin，smax。(寻找的是区段的单个分支而不是一个区段，因为估计可能在两个区段之间的交点处)。

在图16的示例中：S2、S3和S4是候选，并且属于同一个分支。因此可以切换到标称模式。提供给在线跟踪的区段为区段2。

该搜索使得可以管理规则R1。

在标称模式和降级模式下，第二种类型的解析是对源自第一级跟踪的区段列表中的有限数量的区段的解析。这是算法中最复杂的部分。

搜索从第一级跟踪提供的各个区段开始。对于第一级跟踪产生的每个区段(标称模式下只有一个，而降级模式下有多个)，将寻找其可能的先前区段和后续区段的集合。可能的后续区段和先前区段的集合属于由高完整性定位设备1提供的置信度椭圆。

置信度椭圆具有长轴，其针对所要求的完整性(10-n/h)的值表示为R。此值是通过对位置协方差矩阵对角线化根据由高完整性地理定位发送的信息得出的。对于第一级跟踪提供的横坐标为s且长度为L的每个区段id，位于区段id的横坐标s的长度R(就曲线积分而言)之内的、在区段id之前和之后的所有区段均被认为包含在置信度椭圆内。这是近似，将使用稍后描述的另一种方法进行补充。

搜索后续区段如下进行：对于第一级跟踪提供的每个区段id：

-如果s+R>L(换句话说，如果区段的从横坐标s开始并且到区段id的末尾的部分属于置信度椭圆)，则在数据库中寻找紧跟在id后面的区段的集合。然后针对接下来的区段更新R的值R＝R-(Ls)，

-对于id的长度表示为L1的每个直接后继(表示为id1)，将应用相同的过程。如果R-L1>0，则在数据库中寻找id1的直接后继，并且R的值进一步减小R＝R-L1，

-先前的操作重新开始，直到R的值为零。

在该过程结束时，后继区段的列表是可用的，并且对于每个后继区段，最小横坐标和最大横坐标是相关联的。

对于前接区段，在另一个方向上执行相同的操作。

实际上，长度大于R的区段可能包含在置信度椭圆内，因为这些区段不是直线。通过使用“初始化”模式中介绍的方法搜索对其而言至少一个点被包含在椭圆内的区段，补充在先前方法中找到的区段和横坐标。仅保留第一级跟踪提供的每个区段之后和之前的区段。通过从在线跟踪提供的每个区段开始遍历数据库，获得后续区段和先前区段。

关于高完整性地理定位设备1提供的完整性数据，上述两种方法的实现比仅基于搜索椭球内的区段的使用更为严格，因为根据轨道的方向考虑不确定性。

对后继区段和前接区段的这种搜索使得可以管理以下事实：不能不穿过交叉点而从一个区段跳转到另一区段：规则R2。具体地，包含在椭圆内的、既不是上面详述的搜索产生的候选区段的后继也不是其前接的区段不是候选。

然后确定行进的方向。通过将地理定位设备产生的地理速度向量投影到与该区段相切的方向上来获得速度。速度的防护间隔是由地理定位设备产生的速度防护椭圆与区段的交点定义的间隔。当速度模量大于速度防护半间隔时，可靠地识别运动的方向。

如果行进的方向不变，则作为后继区段的前接区段的区段或作为前接区段的后继区段的区段不能是候选。否则，这意味着列车已经改变了方向(参见下面的示例)：这是规则R3。由于这个原因，在上述方法中不寻找这些区段。

如果行进的方向改变或如果行进的方向未知(规则R3不再适用)，则对于在前一部分中获得的每个后继区段，针对通过上述处理操作获得的每个后继区段，寻找其前一区段是否在高完整性数据库2中被声明为交叉点。如果是这种情况，则应将此交叉点之前的所有区段添加到第一级跟踪的候选的列表中(过渡[B])。

对于通过上述处理操作获得的每个前继区段，以相同的方式寻找其后续区段是否为交叉点。如果是这种情况，则应将此区段之后的所有区段添加到第一级跟踪的候选的列表中(过渡[B])。

如果要解析的交叉点过多，则返回“初始化”模式，因为不再关注由第一级跟踪发送的区段(表示过去信息的区段)。

在图17的示例中，运动是从左到右(已知的行进方向)，模式是“标称”，并且第一级跟踪给出了区段S18。候选区段以短虚线显示。区段S60和S61不能作为候选，因为这将要求更改方向(规则3)。区段S80和S81不能作为候选，因为必须穿过交叉点(规则2)。应用上述方法容易地使得可以在遵守规则R1、R2和R3的同时确定所有候选区段。

在图18中，行进的方向变得无法确定，模式为“标称”，并且在线跟踪在输入处给出了区段S18。

在这种情况下，区段S60和S61成为候选，并且区段S61被添加到第一级跟踪列表的候选的列表。具体地，设想实际位置由黄星表示，并且列车穿过S61再次在另一个方向出发。如果S61不是候选，则不会解析这些点，并且不会在正确的区段上指示列车。

为了对候选区段进行分类，标识与由高完整性地理定位设备产生的朝向兼容的区段。这应该在候选区段部分的最小朝向与最大朝向之间。这些最小和最大边界应考虑高完整性地理定位设备的朝向的不确定性以及高完整性地图数据库的不确定性。

如果方向没有任何变化，并且如果方向是已知的，则只有当区段的先前区段已经是候选时，该区段才可以是候选。该算法使得可以管理关于朝向变化的规则R4。可以通过监控高完整性地理定位设备的朝向的时间变化来补充此算法。

在图19和图20的示例中，尚未解析点交叉点S19。第一级跟踪已经标识出候选区段S20和S50。在应用上述选择方法后，第二级跟踪候选为S18、S20、S50和S21。S51不是候选，因为其朝向与高完整性地理定位设备的朝向不兼容。当列车正在行驶时(设想其取下面的分支)，由于区段S51和S52不是候选(由于与朝向有关的标准)，因此即使其朝向兼容，S53也不能是候选。因此，通过选择分支S20和S21来正确解析点S19。

因此，搜索候选区段有助于解析这些点。通过消除不再是候选的区段，使得可以返回“标称”模式。然后，它更新在线区段的列表(过渡[C])。

为了构造测量结果，通过经由上述规则(特别是通过使用数据库的朝向)从地理定位数据中消除不兼容的候选区段，跟踪使得可以降低位置不确定性。

如果跟踪结束时的位置不确定性小于地理定位位置的不确定性，并且模式为标称，则可以使用跟踪提供的位置测量结果来重新校准地理定位设备的过滤器。该位置测量结果使得可以降低位置不确定性。

关于为用户提供一个或多个区段以及相关联的不确定性，这包括以下要素：

-高完整性地理定位产生的估计位置的三个坐标；

-高完整性地理定位产生的估计速度的三个坐标；

-在“标称”模式下，估计区段和相关联的曲线横坐标；

-在“标称”模式下，估计速度和相关联的不确定性；

-在“标称”模式下，如果“速度”的模数大于其不确定性，运动的方向；

-在所有模式下，由具有其最小和最大横坐标的区段的集合表示的位置不确定性；以及

-跟踪模式的指示符(“标称”、“降级”、“初始化”)。

该系统可以单独使用，以用于具有10^-5/h到10^-7/h的量级的临界值的应用。为了提供“灾难性”的临界值(10^-9/h到10^-10/h)，可以使用两个高完整性地理定位设备1、1bis，其各自使用彼此不同的高完整性设备，如图21所示。

然后，“com/mon”合并模块4合并两个跟踪设备的输出，正如在关键的航空系统中执行的。例如，经合并的位置是主设备的位置与附加设备的位置之间的加权重心，并且其防护间隔由主设备的防护间隔和辅助设备的防护间隔的组合组成。

如果设备1、2、3缺乏完整性的风险为10^-6/h，而bis设备1bis、2bis、3bis缺乏完整性的风险为10^-3/h，则两个源同时故障的概率为10^-9/h。如果两个设备没有高达10^-9/h的共模，则此改进是真实的。

图21的一个示例包括设备1、2、3(“控制”链)，其源是GPS/IMU混合，以及bis设备(“监控”链)，其源是Galileo/IMU混合，考虑到GPS和Galileo系统是独立的，遵循某些预防措施以应对共模，即，GPS和Galileo信号在地面附近的干扰。

在该示例中，数据库可以构成共模。为了减少此共模，可以限制数据库在两个链之一中的使用。因此，在图21中，设备1、2、3的源使用跟踪设备产生的跟踪偏差测量结果，而bis设备1bis、2bis、3bis的源不使用跟踪偏差测量结果。结果是bis设备的准确度较低，但由于bis设备的防护半径是针对较低的临界值(10^-3/h而不是10^-6/h)计算的事实，准确度较低被部分抵消。

Claims (7)

1.一种用于在铁路网参考系中定位列车的高完整性自主定位系统，高完整性意味着通过定位产生的测量结果在防护范围之外的概率低于指定的风险，所述高完整性自主定位系统包括：

-用于全球地理参考系中的高完整性地理定位的高完整性地理定位设备(1)，其被配置为在所述全球地理参考系中提供所述列车的三个位置坐标、三个速度分量和朝向角，以及它们相对于能够影响所述高完整性地理定位设备的关键事件的相应完整性防护间隔，以使得位置或速度或朝向角在所述完整性防护间隔之外的概率小于每百万小时一次；

-所述铁路网的高完整性地图数据库(2)，其被配置为提供以区段的形式在地理上表示所述铁路网的数据以及表示展现出反射GNSS路径的风险的铁路轨道的周围环境区域的信息，以便维护所述地理定位设备的完整性，以及

-用于跟踪所述列车的跟踪设备(3)，其被配置为通过解析候选区段的歧义，基于由所述高完整性地图数据库提供的数据以及由所述高完整性地理定位设备提供的位置、速度、朝向和完整性防护，自主地确定所述列车被定位在其上的铁路网区段的标识符、在所述铁路网参考系中所述列车在该区段上的高完整性位置以及与所述列车在所述区段上的位置相关联的所述防护间隔，以使得所述列车不在所述铁路网的所指示的位置的概率小于每百万小时一次，所述跟踪设备(3)被配置为：

-消除至少部分地不包含在由所述高完整性地理定位设备提供的所述防护间隔内的候选区段，以便提供与所述铁路网的链接兼容的来自所述数据库的区段；

-比较由所述高完整性地理定位设备提供的朝向角和与所述铁路网的链接兼容的来自所述数据库的区段的朝向角，以及

-从与所述铁路网的链接兼容的来自所述数据库的区段中选择与由所述高完整性地理定位设备提供的朝向角的所述防护间隔兼容并且对其而言根据行进方向的后一区段或前一区段已经是候选区段的区段，

所述跟踪设备被配置为在所述列车的运动期间向所述高完整性地理定位设备追溯地提供表示展现出反射GNSS路径的风险的所述铁路轨道的周围环境区域的所述信息。

2.根据权利要求1所述的系统，包括：

-惯性单元；

-GNSS接收机；以及

-混合模块，其用于将由所述惯性单元和所述GNSS接收机提供的测量结果混合，从而允许对GNSS测量结果的高完整性混合；

所述高完整性地理定位设备被配置为在所述列车的位置处仅使用对其而言视线的方向不展现出反射路径的风险的GNSS卫星，或者修改赋予在所述列车的位置处使用的各种GNSS卫星的权重，从而确保由所述GNSS接收机提供的所述测量结果的完整性。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述跟踪设备(3)被配置为沿着由所述高完整性地理定位设备提供的连续朝向角与由所述候选区段中的每个候选区段取得的连续朝向之间的曲线横坐标执行相关化，以便选择单个区段。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述跟踪设备(3)被配置为向所述高完整性地理定位设备(1)追溯地提供所述列车相对于所述铁路网的铁路轨道的横向偏差和朝向偏差的高完整性测量结果，所述混合模块被配置为考虑所述测量结果。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述跟踪设备(3)被配置为通过将由所述高完整性定位设备提供的速度及其防护间隔投影到当前区段的方向上来确定所述列车的高完整性速度和运动方向。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，以区段的形式表示所述铁路网的所述数据包括：对于每个区段，在所述全球地理参考系中的位置坐标和朝向角，所述区段的长度，表示曲率及其变化的参数的值，用于将所述区段与其他区段链接的参数的值以及关于该区段的位置误差和朝向误差的极限的值。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其配备有确保所述系统的硬件完整性和所述数据库的完整性的冗余路径，所述系统包括：

-用于全球地理参考系中的高完整性地理定位的附加高完整性地理定位设备(1bis)，与所述高完整性地理定位设备不同，其被配置为提供所述列车的位置、速度和朝向以及它们的相应完整性防护；

-所述铁路网的附加高完整性地图数据库(2bis)，与所述铁路网的高完整性地图数据库相同或相似，其被配置为提供以区段的形式表示所述铁路网的数据；

-用于跟踪所述列车的附加跟踪设备(3bis)，与用于跟踪所述列车的所述跟踪设备相同或相似，其被配置为通过解析候选区段的歧义，基于由所述附加高完整性地图数据库提供的数据以及由所述附加高完整性地理定位设备提供的相应位置、速度、朝向和完整性防护，确定所述列车在所述铁路网参考系中的高完整性自主位置和对应的铁路网区段标识符；以及

-合并模块(4)，其用于合并由用于跟踪所述列车的所述跟踪设备和用于跟踪所述列车的所述附加跟踪设备提供的所述完整性防护，提供经合并的区段标识符和在所述区段上的经合并的位置以及经合并的防护间隔，以使得经合并的输出缺乏完整性的风险远小于单独取得的两个设备的输出缺乏完整性的风险，所述经合并的位置是由主设备和附加设备的位置的加权重心来计算的，并且所述经合并的防护间隔是通过组合所述主设备和辅助设备的所述防护间隔来计算的。

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