CN112578420B - 一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法 - Google Patents

一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法，该方法在机车上安装卫星定位模块，通过解析卫星定位模块输出的卫星定位数据，得到机车实时的位置信息、速度信息和方向角信息；并根据定位数据是否有效和接收到的速度值大小，将机车运行状态分为：初始状态、卫星定位无效状态、低速状态和可信速度状态。与现有技术相比，本发明具有成本低，适应性强，运维方便等优点。

Description

一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法
技术领域
本发明涉及机车运行状态检测方法，尤其是涉及一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法。
背景技术
机车运行速度、方向、位移等是实现机车运行安全预警和防护不可或缺的关键信息。机车上已有成熟可靠的方法计算得到这些信息量，如通过机车速度传感器获取速度信息，采集机车手柄位确定运行方向，结合速度、方向、轮经和传感器信息等计算位移等。但随着机车设计日益标准化、模块化、功能集约化，各功能单元自成系统，当机车投入运用后，若再加装新的设备时，如何获取这些信息成了难题。一方面，机车上可以获取这些信息的实际接口已接近饱和，即使可以加装，施工难度和代价都很大；另一方面，机车上一些公共平台可以发布这些信息，但非重要设备一般很难得到平台维护方、设备所有方等各方的许可进入平台，即使可以接入，也存在着接口成本，后续产品的运行维护也可能牵扯到其他单位。
卫星定位导航系统主要包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo等。近年来，北斗卫星导航系统日益完善，卫星定位技术不断发展，卫星定位的精度和稳定性得到了大幅提升。随着北斗高精度地基增强网的建成，卫星定位精度将达到厘米级。因此如何将卫星定位应用到机车运行状态的检测，从而来提高检测精度和减低成本成为需要解决的技术问题。
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成本低、适应性强、运维方便的基于卫星定位的机车运行状态检测方法。
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，提供了一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法，该方法在机车上安装卫星定位模块，通过解析卫星定位模块输出的卫星定位数据，得到机车实时的位置信息、速度信息和方向角信息；并根据定位数据是否有效和接收到的速度值大小，将机车运行状态分为：初始状态、卫星定位无效状态、低速状态和可信速度状态。
作为优选的技术方案，所述的初始状态下，机车速度、运行方向和位移值均为未知状态，位移值取0值。
作为优选的技术方案，所述的可信速度状态为卫星定位有效，且机车速度不小于临界速度的情况。
作为优选的技术方案，所述的可信速度状态下，其中机车的速度信息取自卫星定位数据，机车的方向信息通过方向计算A获得，机车的位移信息通过位移计算A获得。
作为优选的技术方案，所述的方向计算A具体过程如下：
通过解析卫星定位数据可得到机车移动的方向角信息，根据实际线路和站场情况，来确定设定位置范围内的上下行方向的方向角区间，通过判断方向角在哪个区间即可确定当前机车运行的上下行方向。
作为优选的技术方案，所述的位移计算A具体过程如下：
确定一个机车运行方向为位移正方向，另一方向为负方向，通过计算单周期内的位移变化△s＝v×△t，结合机车运行方向，再原位移基础上累加或相减即可得，其中v为机车速度，△t为单周期。
作为优选的技术方案，所述的低速状态下，该状态下的速度值作为参考，机车的运行方向和位移均通过位置变化计算得出，其中运行方向通过方向计算B获得，位移通过位移计算B获得。
作为优选的技术方案，所述的方向计算B具体过程为：
根据位置变化自行计算方向角的方式；设置一个直线距离△d，当前位置(经纬度)为pos，POS0表示被比较的位置(经纬度)信息，初始值取进入低速状态时刻的位置，实时计算当前pos与POS0之间的距离，当头一次大于等于△d时，计算当前pos较POS0的正北方向角，并将此作为输入使用方向计算A方法得出上下行结果；同时将当前pos作为新的POS0，循环重复上述计算。
当出现连续3个△d的上下行结果相同时，即可判定其为当前机车运行方向，其余情况均保持原运行方向不变化；
作为优选的技术方案，所述的位移计算B具体过程为：
实时计算当前pos与POS0之间的距离△s，同时计算当前pos较POS0的正北方向角，并将此作为输入使用方向计算A方法得出上下行结果，根据该方向，在原S0基础上累加或相减可得。
作为优选的技术方案，当卫星定位状态从正常转为无效时，会进入到卫星定位无效状态，该状态下，速度未知，方向和位移保持最后一次的有效值。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明将卫星定位模块引入机车设备中，无需与现有的机车系统进行接口，只通过卫星定位信息对机车的速度、运行方向和位移等进行了判断和计算，独立性好，适应性强，节省接口成本，减少后期运维消耗。
2)本发明所需线路数据简单，机车速度、位移和上下行的判断，无需大量的线路经纬度数据支撑，避免了线路数据制作方面的成本；
3)随着卫星定位精度和稳定性的提升，本发明可作为机车系统中已有的传统测速测距方法之外一个新的补充，对这些指标进行综合计算，获得更精确的结果。
附图说明
图1为本发明的机车状态示意图；
图2为本发明实施例中的机车运行速度示意图；
图3为本发明实施例中的机车运行方向判断示意图；
图4为本发明实施例中的机车移动位置示意图。
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。
卫星定位导航系统主要包括GPS、北斗、GLONASS、Galileo等。近年来，北斗卫星导航系统日益完善，卫星定位技术不断发展，卫星定位的精度和稳定性得到了大幅提升。随着北斗高精度地基增强网的建成，卫星定位精度将达到厘米级。
卫星定位精度和稳定性的提高，也间接提升了基于卫星定位的机车速度和位置测量的准确性。本发明提出一种基于卫星定位的机车运行速度、方向、位移判断方法，作为从机车系统本身获取之外的一种获取方式，有着成本低，适应性强，运维方便等优势。
本发明中的机车运行方向是指上下行方向；机车运行位移，与传统物理学上的位移有些许差异，此处将两点之间的曲线也纳入了位移；机车速度即为我们认知中的速度。
机车安装卫星定位模块，通过解析卫星定位模块输出的卫星定位数据，可以得到机车实时的位置信息、速度信息和方向角信息。卫星数据是否有效可根据定位搜星数、水平定位精度(HDOP)等值进行卡控。根据定位数据是否有效和接收到的速度值大小，分为了四种状态：初始状态、卫星定位无效状态、低速状态和可信速度状态。各状态及之间的跳转关系如图1所示：
初始状态下，机车速度、运行方向和位移值均为未知状态，位移值取0值；可信速度状态是指卫星定位有效，且机车速度不小于临界速度的情况，机车有一定的速度时，相较低速状态，机车位置变化幅度大，卫星定位精度对速度和方向角的影响较小，速度值可信，运行方向可通过实时的方向角信息计算得到，位移则结合速度和方向进行计算；
低速状态下，机车位置变化幅度小，卫星定位精度对速度和方向角的影响较大，该状态下的速度值作为参考，运行方向和位移均通过位置变化计算得出；
当卫星定位状态从正常转为无效时，会进入到卫星定位无效状态，该状态下已无法通过卫星定位信息得到速度方向和位移信息，此时速度未知，方向和位移保持最后一次的有效值，若在指定时间内卫星定位未能恢复，则回到初始状态。
设机车速度为v，位移为s，方向为dir，位置信息(经纬度)为pos，可信速度和低速状态之间的跳转的临界速度为Vb，卫星定位无效状态最长持续时间为Tc。图1中所示的各状态间跳转的条件和跳转时的动作定义如下：
条件1/4：卫星定位有效且速度v≥Vb；
条件2/3：卫星定位有效且速度v<Vb；
条件5/7：卫星定位失效；
条件6：在卫星定位无效状态下的持续时间t<Tc且卫星定位有效且速度v≥Vb；
动作2：记录跳转时的位移S0为0，上下行方向DIR0为未知，位置信息(经纬度)POS0；
动作3：记录跳转时的位移S0，上下行方向DIR0和位置信息(经纬度)POS0；
动作5/7：记录跳转时的位移S0和位置信息(经纬度)POS0；
动作6：使用位移计算B方法，更新位移s；
动作8：使用位移计算B方法，更新位移s，记录该位移为S0，同时记录当前跳转发生时的上下行方向DIR0和位置信息(经纬度)POS0。
下面介绍机车速度、方向和位移的具体计算方法。
本方案中机车速度值取自卫星定位数据。可从卫星定位数据包中直接解出速度信息(单位：节)，乘以1.852转换为km/h单位的速度即可。
机车运行方向的计算在不同状态下采用不同的计算方法。
图1中的方向计算A方法：通过解析卫星定位数据可得到机车移动的方向角信息，即较正北方向的角度。根据实际线路和站场情况，可以确定特定位置范围内的上下行方向的方向角区间，该信息为线路固定信息。通过判断方向角在哪个区间即可确定当前机车运行的上下行方向。
图1中的方向计算B方法：此方法适用于低速情况，低速情况下，卫星定位的方向角精度较低，不宜再采用。此处采用根据位置变化自行计算方向角的方式。设置一个直线距离Δd，以POS0为原点，实时计算当前pos与POS0之间的距离，第一次大于等于Δd时，计算当前pos较POS0的正北方向角，并将此作为输入使用方向计算A方法得出上下行结果；同时将当前pos作为新的原点，重复上述计算。当出现连续3个Δd的上下行结果相同时，即可判定其为当前机车运行方向，其余情况均保持原上下行方向DIR0不变。
机车位移计算在不同状态下采用不同的计算方法。
图1中的位移计算A方法：确定一个机车运行方向为位移正方向，另一方向为负方向，通过计算单周期内的位移变化Δs＝v·Δt，结合机车运行方向，再原位移基础上累加或相减即可得。
图1中的位移计算B方法：实时计算当前pos与POS0之间的距离Δs，同时计算当前pos较POS0的正北方向角，并将此作为输入使用方向计算A方法得出上下行结果。根据该方向，在原S0基础上累加或相减可得。
具体实施例
下面通过一个例子，进一步说明本方案的机车运行速度、方向和位移的计算方法。如图2所示为一段机车运行的实际速度变化图。假设Vb＝3km/h、Tc＝5s、Δd＝1m，某线路(站场)正北顺时针方向120°～300°范围内为下行方向，其余为上行方向、位移在上行方向正向累加，下行方向负向相减，机车在0～t5的时间段内往上行方向运行，t5之后反手柄换向，向下行方向运行。
在A1区域，卫星定位模块还未定位成功，机车从静止开始移动，速度超过了3km/h；在此区域，处在“初始状态”，速度未知、方向未知、位移未知(置0)；
在t1时刻，卫星定位有效且当前速度大于3km/h，进入“可信速度状态”，在A2区域，速度由卫星定位数据换算得到，运行方向通过方向角计算，位移则通过v·Δt分段累加。运行方向的判断示意如图3所示，设A2区域内机车沿着45°的方向角移动，进而可以判定出机车运行方向为上行。
在t2时刻，卫星定位失效，进入“卫星定位失效状态”，此时速度未知，方向保持原上行方向，同时记录卫星失效前的最后一个有效位置信息(经纬度)POS0。若在未来5s内，卫星定位没有恢复，那么速度方向和位移计算认为均失效，回到初始状态。此处假设t3-t2<5s，在A3区域，将一直处在“卫星定位失效状态”，位移保持失效前的位置值S0，暂不更新。
在t3时刻，卫星定位恢复，此时算得速度大于3km/h，将回到“可信速度状态”。此时速度和方向可以通过卫星定位数据直接计算，但位移值还需做一次补偿：利用t3时刻的机车经纬度坐标pos和先前记录的POS0经纬度信息，可以算出pos较POS0的正北方向角，假设计算得到角度为50°，依照图3可判定在卫星失效时间内机车依旧按上行方向移动，进而直接算得pos和POS0之间的距离d，对位移进行补偿：s＝S0+d。在整个A4区域，将与A2区域相同的方式，计算速度、方向和位移值。
在t4时刻，速度降到3km/h以下，将进入“低速状态”，记录当前时刻的位置为POS0，位移为S0，方向为上行。如图4所示为机车在A5和A6区域的机车位置示意图，假设t4～t7时间段内直线运行，图中直线表示机车运行的线路。t4时刻，机车在POS0位置；t5时刻，机车以上行方向运行到了POS8位置，并立即反手柄下行返回；在t6时刻移动到了POS5位置。
下面描述机车运行方向判断过程，回到t4时刻，沿着时间线，机车以上行方向移动到POS1位置时，与POS0之间的距离达到1m，此时计算POS1较POS0的正北方向角，并结合线路数据可得到此段为上行；到达POS2时，计算POS2较POS1的正北方向角，得到相同结果，在POS3处亦相同。此时得到了三段连续的上行方向，可判定机车此处运行方向为上行，与当前方向(来自POS0处记录的方向)一致。依次类推直到POS8，这期间总能保证连续三段方向均相同且为上行。机车在POS8位置反手柄往下行方向运行。当运行到POS7位置，按上述方法计算得到从POS8到POS7段方向为下行，但由于不满足连续三段相同方向的条件，此时暂无法判断出运行方向的改变，方向依旧判定为上行。直到t6时刻，机车沿下行方向移动到POS5，此时将满足连续三段均为下行方向，进而判定机车运行方向为下行。不可否认在这种场景下对运行方向变化的感知有一定延迟，但此方式可以过滤掉因卫星定位跳变带来的不良影响。机车继续下行运行，到达POS3后，假设由于卫星定位误差，给出了机车处在POS4的错误位置信息。按照上述方法可算得POS4较POS3为上行，但由于不满足连续三段相同方向的条件，当前机车运行方向依旧被认为是下行，避免因卫星定位误差产生运行方向的跳变。
位移的计算则是利用位置信息直接计算。此时机车已在POS3点，下行方向运行。此时的基准位置和位移为t4时刻记录的POS0和S0，直接计算POS3距POS0的距离，得到结果3m，将该距离补偿到基准位移S0，得到当前位移值。累加还是相减与机车当前运行方向无关，而是与POS3距POS0的相对方向有关。可计算得到此方向为上行，因此位移s＝S0+3。
在t7时刻之后，速度将大于等于3km/h，回到“可信速度状态”，A7区域的计算方法与A2和A4区域相同，此处不再赘述。
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 (4)

1.一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法，其特征在于，该方法在机车上安装卫星定位模块，通过解析卫星定位模块输出的卫星定位数据，得到机车实时的位置信息、速度信息和方向角信息；并根据定位数据是否有效和接收到的速度值大小，将机车运行状态分为：初始状态、卫星定位无效状态、低速状态和可信速度状态；
所述的可信速度状态下，其中机车的速度信息取自卫星定位数据，机车的方向信息通过方向计算A获得，机车的位移信息通过位移计算A获得；
所述的方向计算A具体过程如下：
通过解析卫星定位数据可得到机车移动的方向角信息，根据实际线路和站场情况，来确定设定位置范围内的上下行方向的方向角区间，通过判断方向角在哪个区间即可确定当前机车运行的上下行方向；
所述的位移计算A具体过程如下：
确定一个机车运行方向为位移正方向，另一方向为负方向，通过计算单周期内的位移变化△s＝v×△t，结合机车运行方向，在原位移基础上累加或相减即可得，其中v为机车速度，△t为单周期；
所述的低速状态下，该状态下的速度值作为参考，机车的运行方向和位移均通过位置变化计算得出，其中运行方向通过方向计算B获得，位移通过位移计算B获得；
所述的方向计算B具体过程为：
根据位置变化自行计算方向角的方式；设置一个直线距离△d，当前位置为pos，POS0表示被比较的位置信息，初始值取进入低速状态时刻的位置，实时计算当前pos与POS0之间的距离，当头一次大于等于△d时，计算当前pos较POS0的正北方向角，并将此正北方向角作为输入使用方向计算A方法得出上下行结果；同时将当前pos作为新的POS0，循环重复上述计算；
当出现连续3个△d的上下行结果相同时，即可判定其为当前机车运行方向，其余情况均保持原运行方向不变化；
所述的位移计算B具体过程为：
实时计算当前pos与POS0之间的距离△s，同时计算当前pos较POS0的正北方向角，并将此正北方向角作为输入使用方向计算A方法得出上下行结果，根据该方向，在原位移S0基础上累加或相减可得。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法，其特征在于，所述的初始状态下，机车速度、运行方向和位移值均为未知状态，位移值取0值。
3.根据权利要求1所述的一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法，其特征在于，所述的可信速度状态为卫星定位有效，且机车速度不小于临界速度的情况。
4.根据权利要求1所述的一种基于卫星定位的机车运行状态检测方法，其特征在于，当卫星定位状态从正常转为无效时，会进入到卫星定位无效状态，该状态下，速度未知，方向和位移保持最后一次的有效值。
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