CN112444835A - 一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法及装置 - Google Patents

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CN112444835A CN202011536141.7A CN202011536141A CN112444835A CN 112444835 A CN112444835 A CN 112444835A CN 202011536141 A CN202011536141 A CN 202011536141A CN 112444835 A CN112444835 A CN 112444835A
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Abstract

本发明涉及一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法及装置，该方法充分利用列尾的卫星导航设备，当机车台的卫星导航设备不可用时，通过切换卫星数据来源，提升卫星导航定位的可用性；同时对卫星定位数据经过多源差分校正，并充分考虑并修正切换带来的误差。与现有技术相比，本发明具有确保切换卫星数据源时的定位的正确性和系统运行的稳定性等优点。

Description

一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法及装置
技术领域
本发明涉及列车卫星定位技术，尤其是涉及一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法及装置。
背景技术
铁路是城市快速发展的重要依托，轨道交通也在城市和城市之间的沟通中发挥着越来越重要的作用，列车定位作为列车运行控制中最为基础的环节，是保障列车运行安全、提升运输效率的一大关键。相比于传统的列车定位方案，增加卫星导航系统在列车定位模块中的作用，不仅能提升定位效果，还可以降低列车控制技术对地面设备的依赖程度，减少投入成本和后期的维护难度，增强列车控制系统的自主性。
现有技术中，利用卫星来定位通常在机车台增设卫星定位装置，包括卫星导航天线和卫星导航接收机，实现对卫星数据的接收，达到卫星列车定位的目的。由于卫星定位的精度容易受到周围环境、天气及内部晶振等影响，传统的车载系统除了利用地面差分基站进行校准外，还通过在机车台布置多套卫星定位单元来提升定位的准确度、冗余度和可靠性。
经过检索中国专利公开号CN101159091A公开了一种列车卫星定位与信息传输系统，适用于列车定位和信息传输。它包括：定位子系统，用于输出经纬度定位坐标；地图匹配子系统，将定位输出匹配到数字地图；数据记录子系统，用于将数据以文件格式记录在Secure Digital存储卡里；通信子系统，用于自动检测三种通信信道的可用性，进行三种通信方式的切换；主处理器，完成数据处理和数据交换。该系统用于列车定位及监控，通过卫星通信、卫星组合定位、以及全线覆盖通信系统，解决低密度铁路线路的通信、指挥调度、遇险处理、监控监测等问题。但是该系统的卫星定位单元集中安装在机车台，受单一位置外部环境影响较大，定位的冗余性和鲁棒性不高，而且设备投入成本较高。
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列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法及装置，用于确保切换卫星数据源时的定位的正确性和系统运行的稳定性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的一个方面，提供了一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，该方法充分利用列尾的卫星导航设备，当机车台的卫星导航设备不可用时，通过切换卫星数据来源，提升卫星导航定位的可用性；同时对卫星定位数据经过多源差分校正，并充分考虑并修正切换带来的误差。
作为优选的技术方案，该方法设有以下六种情况，分别为：
情况一：机车台的卫星导航设备状态可用，优先使用机车台的卫星定位设备作为导航数据的来源；
情况二：在机车台的卫星导航设备状态为不可用，优先使用机车台的卫星定位设备作为导航数据的来源；
情况三：在机车台的卫星导航设备状态良好，根据该卫星数据定位结果判定为精准度低，优先使用机车台的卫星定位设备作为导航数据的来源；
情况四：等待T时刻，机车台卫星导航设备始终无法获取可用列车定位，但列尾卫星导航设备状态可用且精度高；
情况五：等待T时刻，机车台卫星导航设备始终无法获取可用列车定位，但列尾卫星导航设备状态不可用；
情况六：等待T时刻，机车台卫星导航设备始终无法获取可用列车定位，但列尾卫星导航设备状态可用且精度低。
作为优选的技术方案，对于情况一，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤101：接收机车台卫星定位设备的导航数据；
步骤102：判断该机车台卫星定位设备状态是否良好，如果是，执行步骤103，否则返回步骤101；
步骤103：机车台主机的线路电子地图有效，并能够将实时接收到的卫星导航数据融合计算，转化为当时刻卫星天线的经纬度位置投影在轨道电子地图上的二维位置，对于该二维位置，将第一维度上的投影结果表征该卫星经纬度沿轨道线路的偏移值，将第二维度上的投影结果表征该卫星经纬度垂直线路的偏差值；
对卫星经纬度的投影偏差值设置先验阈值，当投影结果偏差超过阈值时，表明此卫星数据精准度较低，机车台主机无法根据该卫星数据计算得到有效的列车位置；否则表明该卫星数据准确，由该信息映射的电子地图二维定位是有效可用的，并执行步骤104；
步骤104：卫星数据精准度判定为较高；
步骤105：本周期存在可用的卫星导航数据，始终使用机车台装载的卫星导航设备数据来作为计算列车位置的输入。
作为优选的技术方案，对于情况二，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤201：接收机车台卫星定位设备的导航数据；
步骤202：判断该机车台卫星定位设备状态是否良好，如果否，执行步骤203，否则返回步骤201；
步骤203：机车台卫星导航不可用状态持续时间小于T时刻，当前仍然使用机车台卫星接收设备；
步骤203：本周期无有效卫星导航定位。
作为优选的技术方案，对于情况三，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤301：接收机车台卫星定位设备的导航数据；
步骤302：判断该机车台卫星定位设备状态是否良好，如果是，执行步骤303，否则返回步骤301；
步骤303：使用该路卫星数据进行列车位置投影，对卫星经纬度的投影偏差值设置先验阈值；
步骤304：判断投影偏差值是否超过设置先验阈值，若为是，执行步骤305，否则，返回步骤301；
步骤305：机车台卫星导航不可用状态持续时间小于T时刻，当前仍然使用机车台卫星接收设备；
步骤306：本周期无有效卫星导航定位。
作为优选的技术方案，对于情况四，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤401：判定机车台卫星设备不可用；
步骤402：车载主机向列尾设备发送列尾卫星定位数据的请求，在收到请求后，列尾设备按照与机车台的GNSS接收机相同的数据发送频率，通过无线电台向机车台主机转发列尾GNSS接收机的卫星数据；
当接收到来自列尾的卫星数据后，车载主机转换卫星数据来源；
步骤403：判断列尾的卫星导航设备状态良好，若为是，执行步骤404，否则返回步骤401；
步骤404：机车台向地面发送差分请求；
步骤405：机车台转发差分信息给列尾卫星接收机，并对经纬度信息进行差分校正
步骤406：采用列尾卫星导航数据进行列尾卫星天线二维定位；
步骤407：判定该卫星数据精准度较高；
步骤408：车载主机融合进路搜索结果和数据传输的时延，将列尾卫星天线位置转换为机车台卫星天线的位置；
步骤409：本周期存在可用的卫星导航数据，卫星定位数据来源为列尾导航设备。
作为优选的技术方案，所述的步骤408中的包括：列尾卫星接收机发送到列尾设备的时间，和列尾设备通过无线通信转发给机车台的时间。
作为优选的技术方案，对于情况五，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤501：判定机车台卫星设备不可用；
步骤502：车载主机向列尾请求列尾卫星导航信息，列尾发送GNSS数据给车载主机；
步骤503：判定列尾卫星导航设备状态不可用；
步骤504：认为当时刻没有卫星导航数据可用，车载主机无法确定列车位置。
作为优选的技术方案，对于情况六，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤601：判定机车台卫星设备不可用；
步骤602：车载主机向列尾请求列尾卫星导航信息，列尾发送GNSS数据给车载主机；
步骤603：判定列尾卫星导航设备状态可用；
步骤604：机车台向地面发送差分请求；
步骤605：车载主机通过转发列尾GNSS经纬度信息给地面RMU，请求并转发差分校正信息给列尾导航设备；
步骤606：采用列尾卫星导航数据进行列尾卫星天线二维定位；
步骤607：判定该卫星数据精准度较低；
步骤608：认为当时刻没有卫星导航数据可用，车载主机无法确定列车位置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于所述基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法的装置，包括分别安装在机车台和列尾的卫星导航设备，先选用机车台的卫星定位装置，并衡量该数据的有效性；当机车台的卫星导航设备定位效果不佳时，切换使用列尾的卫星导航设备作为导航数据来源。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)充分利用列尾的卫星导航系统，当机车台卫星设备不可用时，通过切换卫星数据来源，提升卫星导航定位的可用性；通过增加冗余度，提升了车载系统的鲁棒性，拥有更高的可靠性和安全性；
2)本发明卫星定位数据切换技术，不仅可以使卫星定位数据经过多源差分校正以提升准确性，还充分考虑并修正切换带来的误差，能够最大限度地降低卫星数据源切换带来的不一致性，确保多路数据更好地融合，提升列车定位的效果和车载系统运行的稳定性；
3)在不改变原有卫星导航列车定位工作模式的前提下，提出通过充分利用列尾的既有装置来提升卫星导航设备的冗余度的策略；
4)机车台和列尾均部署完备的卫星定位装置，当机车台的卫星导航定位不可用时，切换卫星数据来源为列尾设备，提升列车卫星导航系统的可用性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明情况一的冗余列车定位实现过程流程图；
图3为本发明情况二的冗余列车定位实现过程流程图；
图4为本发明情况三的冗余列车定位实现过程流程图；
图5为本发明情况四的冗余列车定位实现过程流程图；
图6为本发明情况五的冗余列车定位实现过程流程图；
图7为本发明情况六的冗余列车定位实现过程流程图。
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。
本发明提出一种利用列尾装置实现冗余列车卫星定位的方法。在本发明的技术方案中，机车台和列尾均有装载卫星导航设备，优先选用机车台的卫星定位装置，并衡量该数据的有效性。当机车台卫星装置定位效果不佳时，切换使用列尾卫星定位装置作为导航数据来源。同时，本发明还提出一种列车卫星定位数据切换技术，在定位数据源发生切换的情况下，保证列车正常定位的同时，最大限度降低对系统的影响，提升车载系统的可用性和稳定性。
本发明一种列尾装置实现冗余列车卫星定位的方法，充分利用列尾的卫星导航系统，当机车台卫星设备不可用时，通过切换卫星数据来源，提升卫星导航定位的可用性。通过增加冗余度，提升了车载系统的鲁棒性，拥有更高的可靠性和安全性。本方法提出的卫星定位数据切换方案，不仅可以使卫星定位数据经过多源差分校正以提升准确性，还充分考虑并修正切换带来的误差，能够最大限度地降低卫星数据源切换带来的不一致性，确保多路数据更好地融合，提升列车定位的效果和车载系统运行的稳定性。
如图1所示，机车台和列尾均安装两台能够接受卫星定位信息的多频段天线，分别将天线所在卫星定位信息传送给机车台主机和列尾设备，同时列尾设备与机车台主机均接入计算机管理网络，利用无线通信方式进行数据传输和交互。
如图2-7所示，利用列尾装置实现冗余列车定位的方法分为6种情况，分别为：
情况一：机车台的卫星导航设备状态可用，优先使用机车台的卫星定位设备作为导航数据的来源；
情况二：在机车台的卫星导航设备状态为不可用，优先使用机车台的卫星定位设备作为导航数据的来源；
情况三：在机车台的卫星导航设备状态良好，根据该卫星数据定位结果判定为精准度低，优先使用机车台的卫星定位设备作为导航数据的来源；
情况四：等待T时刻，机车台卫星导航设备始终无法获取可用列车定位，但列尾卫星导航设备状态可用且精度高；
情况五：等待T时刻，机车台卫星导航设备始终无法获取可用列车定位，但列尾卫星导航设备状态不可用；
情况六：等待T时刻，机车台卫星导航设备始终无法获取可用列车定位，但列尾卫星导航设备状态可用且精度低。
如图2所示，对于情况一，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤101：接收机车台卫星定位设备的导航数据；
步骤102：判断该机车台卫星定位设备状态是否良好，如果是，执行步骤103，否则返回步骤101；
步骤103：机车台主机的线路电子地图有效，并能够将实时接收到的卫星导航数据融合计算，转化为当时刻卫星天线的经纬度位置投影在轨道电子地图上的二维位置，对于该二维位置，将第一维度上的投影结果表征该卫星经纬度沿轨道线路的偏移值，将第二维度上的投影结果表征该卫星经纬度垂直线路的偏差值；
衡量该卫星数据的可用性，不仅考虑定位模式、接收到的卫星数量、精度因子等卫星接收机状态信息，对卫星经纬度的投影偏差值设置先验阈值，当投影结果偏差超过阈值时，表明此卫星数据精准度较低，机车台主机无法根据该卫星数据计算得到有效的列车位置；否则表明该卫星数据准确，由该信息映射的电子地图二维定位是有效可用的，并执行步骤104；
步骤104：卫星数据精准度判定为较高；
步骤105：本周期存在可用的卫星导航数据，始终使用机车台装载的卫星导航设备数据来作为计算列车位置的输入。
如图3所示，对于情况二，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤201：接收机车台卫星定位设备的导航数据；
步骤202：判断该机车台卫星定位设备状态是否良好，如果否，执行步骤203，否则返回步骤201；
步骤203：机车台卫星导航不可用状态持续时间小于T时刻，当前仍然使用机车台卫星接收设备；
步骤203：本周期无有效卫星导航定位。
如图4所示，对于情况三，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤301：接收机车台卫星定位设备的导航数据；
步骤302：判断该机车台卫星定位设备状态是否良好，如果是，执行步骤303，否则返回步骤301；
步骤303：使用该路卫星数据进行列车位置投影，对卫星经纬度的投影偏差值设置先验阈值；
步骤304：判断投影偏差值是否超过设置先验阈值，若为是，执行步骤305，否则，返回步骤301；
步骤305：机车台卫星导航不可用状态持续时间小于T时刻，当前仍然使用机车台卫星接收设备；
步骤306：本周期无有效卫星导航定位。
如图5所示，对于情况四，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤401：判定机车台卫星设备不可用；
步骤402：车载主机向列尾设备发送列尾卫星定位数据的请求，在收到请求后，列尾设备按照与机车台的GNSS接收机相同的数据发送频率，通过无线电台向机车台主机转发列尾GNSS接收机的卫星数据；
当接收到来自列尾的卫星数据后，车载主机转换卫星数据来源；
步骤403：判断列尾的卫星导航设备状态良好，若为是，执行步骤404，否则返回步骤401；
步骤404：机车台向地面发送差分请求；
步骤405：机车台转发差分信息给列尾卫星接收机，并对经纬度信息进行差分校正
步骤406：采用列尾卫星导航数据进行列尾卫星天线二维定位；
步骤407：判定该卫星数据精准度较高(投影偏差值低于阈值时)；
步骤408：车载主机融合进路搜索结果和数据传输的时延，将列尾卫星天线位置转换为机车台卫星天线的位置；
步骤409：本周期存在可用的卫星导航数据，卫星定位数据来源为列尾导航设备。
其中所述的步骤408中的包括：列尾卫星接收机发送到列尾设备的时间，和列尾设备通过无线通信转发给机车台的时间。
如图6所示，对于情况五，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤501：判定机车台卫星设备不可用；
步骤502：车载主机向列尾请求列尾卫星导航信息，列尾发送GNSS数据给车载主机；
步骤503：判定列尾卫星导航设备状态不可用；
步骤504：认为当时刻没有卫星导航数据可用，车载主机无法确定列车位置。
如图7所示，对于情况六，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤601：判定机车台卫星设备不可用；
步骤602：车载主机向列尾请求列尾卫星导航信息，列尾发送GNSS数据给车载主机；
步骤603：判定列尾卫星导航设备状态可用；
步骤604：机车台向地面发送差分请求；
步骤605：车载主机通过转发列尾GNSS经纬度信息给地面RMU，请求并转发差分校正信息给列尾导航设备；
步骤606：采用列尾卫星导航数据进行列尾卫星天线二维定位；
步骤607：判定该卫星数据精准度较低(投影偏差值超过阈值时)；
步骤608：认为当时刻没有卫星导航数据可用，车载主机无法确定列车位置。
当存在有效的卫星导航列车定位时，车载主机保留该二维定位结果在线路上的一维偏移值，将其作为当时刻依据卫星导航数据，转换为的卫星天线在线路电子地图上的位置。综合测速测距单元的时刻信息，融合计算当时刻的列车定位。
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 (10)

1.一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，其特征在于，该方法充分利用列尾的卫星导航设备，当机车台的卫星导航设备不可用时，通过切换卫星数据来源，提升卫星导航定位的可用性；同时对卫星定位数据经过多源差分校正，并充分考虑并修正切换带来的误差。
2.根据权利要求1所述的一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，其特征在于，该方法设有以下六种情况，分别为：
情况一：机车台的卫星导航设备状态可用，优先使用机车台的卫星定位设备作为导航数据的来源；
情况二：在机车台的卫星导航设备状态为不可用，优先使用机车台的卫星定位设备作为导航数据的来源；
情况三：在机车台的卫星导航设备状态良好，根据该卫星数据定位结果判定为精准度低，优先使用机车台的卫星定位设备作为导航数据的来源；
情况四：等待T时刻，机车台卫星导航设备始终无法获取可用列车定位，但列尾卫星导航设备状态可用且精度高；
情况五：等待T时刻，机车台卫星导航设备始终无法获取可用列车定位，但列尾卫星导航设备状态不可用；
情况六：等待T时刻，机车台卫星导航设备始终无法获取可用列车定位，但列尾卫星导航设备状态可用且精度低。
3.根据权利要求2所述的一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，其特征在于，对于情况一，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤101：接收机车台卫星定位设备的导航数据；
步骤102：判断该机车台卫星定位设备状态是否良好，如果是，执行步骤103，否则返回步骤101；
步骤103：机车台主机的线路电子地图有效，并能够将实时接收到的卫星导航数据融合计算，转化为当时刻卫星天线的经纬度位置投影在轨道电子地图上的二维位置，对于该二维位置，将第一维度上的投影结果表征该卫星经纬度沿轨道线路的偏移值，将第二维度上的投影结果表征该卫星经纬度垂直线路的偏差值；
对卫星经纬度的投影偏差值设置先验阈值，当投影结果偏差超过阈值时，表明此卫星数据精准度较低，机车台主机无法根据该卫星数据计算得到有效的列车位置；否则表明该卫星数据准确，由该信息映射的电子地图二维定位是有效可用的，并执行步骤104；
步骤104：卫星数据精准度判定为较高；
步骤105：本周期存在可用的卫星导航数据，始终使用机车台装载的卫星导航设备数据来作为计算列车位置的输入。
4.根据权利要求2所述的一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，其特征在于，对于情况二，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤201：接收机车台卫星定位设备的导航数据；
步骤202：判断该机车台卫星定位设备状态是否良好，如果否，执行步骤203，否则返回步骤201；
步骤203：机车台卫星导航不可用状态持续时间小于T时刻，当前仍然使用机车台卫星接收设备；
步骤203：本周期无有效卫星导航定位。
5.根据权利要求2所述的一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，其特征在于，对于情况三，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤301：接收机车台卫星定位设备的导航数据；
步骤302：判断该机车台卫星定位设备状态是否良好，如果是，执行步骤303，否则返回步骤301；
步骤303：使用该路卫星数据进行列车位置投影，对卫星经纬度的投影偏差值设置先验阈值；
步骤304：判断投影偏差值是否超过设置先验阈值，若为是，执行步骤305，否则，返回步骤301；
步骤305：机车台卫星导航不可用状态持续时间小于T时刻，当前仍然使用机车台卫星接收设备；
步骤306：本周期无有效卫星导航定位。
6.根据权利要求2所述的一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，其特征在于，对于情况四，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤401：判定机车台卫星设备不可用；
步骤402：车载主机向列尾设备发送列尾卫星定位数据的请求，在收到请求后，列尾设备按照与机车台的GNSS接收机相同的数据发送频率，通过无线电台向机车台主机转发列尾GNSS接收机的卫星数据；
当接收到来自列尾的卫星数据后，车载主机转换卫星数据来源；
步骤403：判断列尾的卫星导航设备状态良好，若为是，执行步骤404，否则返回步骤401；
步骤404：机车台向地面发送差分请求；
步骤405：机车台转发差分信息给列尾卫星接收机，并对经纬度信息进行差分校正
步骤406：采用列尾卫星导航数据进行列尾卫星天线二维定位；
步骤407：判定该卫星数据精准度较高；
步骤408：车载主机融合进路搜索结果和数据传输的时延，将列尾卫星天线位置转换为机车台卫星天线的位置；
步骤409：本周期存在可用的卫星导航数据，卫星定位数据来源为列尾导航设备。
7.根据权利要求6所述的一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，其特征在于，所述的步骤408中的包括：列尾卫星接收机发送到列尾设备的时间，和列尾设备通过无线通信转发给机车台的时间。
8.根据权利要求2所述的一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，其特征在于，对于情况五，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤501：判定机车台卫星设备不可用；
步骤502：车载主机向列尾请求列尾卫星导航信息，列尾发送GNSS数据给车载主机；
步骤503：判定列尾卫星导航设备状态不可用；
步骤504：认为当时刻没有卫星导航数据可用，车载主机无法确定列车位置。
9.根据权利要求2所述的一种基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法，其特征在于，对于情况六，冗余列车定位实现过程具体为：
步骤601：判定机车台卫星设备不可用；
步骤602：车载主机向列尾请求列尾卫星导航信息，列尾发送GNSS数据给车载主机；
步骤603：判定列尾卫星导航设备状态可用；
步骤604：机车台向地面发送差分请求；
步骤605：车载主机通过转发列尾GNSS经纬度信息给地面RMU，请求并转发差分校正信息给列尾导航设备；
步骤606：采用列尾卫星导航数据进行列尾卫星天线二维定位；
步骤607：判定该卫星数据精准度较低；
步骤608：认为当时刻没有卫星导航数据可用，车载主机无法确定列车位置。
10.一种用于权利要求1所述基于列尾设备的冗余列车卫星定位实现方法的装置，其特征在于，包括分别安装在机车台和列尾的卫星导航设备，先选用机车台的卫星定位装置，并衡量该数据的有效性；当机车台的卫星导航设备定位效果不佳时，切换使用列尾的卫星导航设备作为导航数据来源。
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