CN113581260A - 一种基于gnss的列车轨道占用判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法，1调用电子地图数据，用列车定位装置进行GNSS实时位置信息采集；2设定置信区域，搜到拓扑节点存在多条候选轨道信息时，进入列车轨道占用判别环节。3以搜索到的道岔节点所邻接的候选轨道作为粒子生成区间，进行初始化产生随机粒子。4建立列车在道岔轨道区段的运动模型，对候选轨道区段的粒子进行实时更新；5计算各时刻粒子运动状态与列车定位点间的距离误差及航向误差，计算粒子权重，不断迭代，选择权值较大的粒子作为新的粒子，再更新下一时刻的粒子状态；6：最后，计算累计粒子权重值，得出占用概率最大的轨道区段，完成列车轨道占用的正确识别。有益效果：提高定位的精确性及可靠性。

Description

一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法

技术领域

本发明属于列车导航技术领域，涉及列车轨道占用判别方法。

背景技术

由我国北斗卫星导航、欧洲ALILEO、美国GPS、俄罗斯GLONASS组成的全球导航卫星系统GNSS(Globe Navigation Satellites System)已广泛应用至各领域。而在铁路领域中的应用，以基于GNSS的列车定位系统为例，其减少了传统意义上轨旁设备的铺设、降低了建设和运营成本、同时提高了铁路运输的效率，满足了CTCS-4级列控系统要求列车自主获取位置信息的需求。而基于GNSS的列车定位系统作为铁路关键安全应用中的一部分，对其可靠性与安全性提出了更高的要求，在此基础上，准确判别列车所在轨道区段是近年来的研究热点，但是GNSS在线路盲区内，不满足定位精度要求，无法保证其可靠性及安全性要求。基于GNSS/INS的组合定位系统配合高精度的数字轨道地图弥补了这种不足。但对于列车在道岔轨道占用的判别，仅仅依靠定位信息的精度及直线投影得到匹配结果的方式无法得到准确的实时定位信息，目前使用GPS定位的青藏线ITCS系统，利用联锁信息或应答器信息辅助实现列车的轨道占用判别，但这种方式缺乏判别自主性，还是要很大程度依靠外源信息。

发明内容

本发明为解决上述问题，公开一种利用列车线路地图数据辅以粒子滤波的原理进行列车运行过程中的轨道占用判别的方法。

本发明的技术方案：一种基于全球导航卫星系统(GNSS)的列车轨道占用判别方法，包括的步骤是：步骤1：首先，调用获取列车运行线路电子地图数据信息，而后利用列车定位装置进行GNSS实时位置信息的采集；

步骤2：根据接收机自身误差设定置信区域，以当前定位点为中心进行线路道岔节点的搜索，当搜索到拓扑节点存在多条候选轨道信息时，进入列车轨道占用判别环节；通过设定基于GNSS定位数据获得置信区域，并分析与候选路段的拓扑关系，完成对候选路段的处理，构建误差椭圆进行路段的检索，设定当前定位点坐标在高斯平面坐标系下为(x,y)，以原始定位点为误差椭圆中心，其参数可描述为：

其中：a、b、φ分别为误差椭圆长、短半径及偏转角；

和

为(x,y)定位点的东向、北向测量误差的方差，σ_xy为协方差，其值通过GNSS定位解算的量测方程直接获得，σ₀为单位权值的后验方差，不同可信度引起σ₀的改变而调整路段检索区域的大小；

则当前定位点(x_i,y_i)候选路段中点

满足(2)式关系：

(2)式中a、b、φ分别为误差椭圆长、短半径及偏转角。

步骤3：首先以搜索到的道岔节点所邻接的候选轨道作为粒子生成区间，进行初始化，产生随机粒子；

步骤4：建立列车在道岔轨道区段的运动模型，对候选轨道区段的粒子进行实时更新；

步骤5：计算得到各时刻粒子运动状态与列车定位点间的距离误差及航向误差，通过高斯概率密度函数计算得到粒子权重，不断迭代，选择权值较大的粒子作为新的粒子，再通过列车运动模型更新下一时刻的粒子状态；

步骤6：最后，计算与道岔节点拓扑邻接各道岔区段中累计的粒子权重值，得出占用概率最大的轨道区段，完成列车轨道占用的正确识别。

所述粒子生成的具体步骤主要包括：

①计算获取候选道岔区段各相邻数据点(p_i,p_i+1)之间的长度L_i，如下式(3)所示：

L_i＝dis(p_i,p_i+1) (3)

②计算候选道岔区段各子弧段累计长度比例λ_i，如下式(4)所示：

③计算初始化生成粒子坐标o_K(r)，如下式(5)所示：

其中，r为随机生成的长度比例因子，且λ_i≤r≤λ_i+1；λ_i、λ_i+1是累计长度比例，且r∈[0,1]；p_i为候选道岔区段当前数据点坐标；p_i+1是候选道岔区段相邻数据点坐标。

步骤3中每个道岔节点相邻的候选区段均由n个数据点p{p₁,p₂,p₃,....,p_n}构成，首先以搜索到的道岔节点所邻接的候选轨道区段作为粒子生成区间，在生成区间内进行初始化产生m个随机粒子o{o₁,o₂,o₃,....,o_m}，且粒子候选道岔区段的产生概率是随机的，因此通过随机生成索引n∈[1,2,...,K]，从候选道岔区段中选取生成区间，再根据随机生成长度比例因子，在此区间内生成粒子。

步骤4中建立列车运动模型进行下一时刻粒子的更新，由于所处道岔区段，列车运行的过程近似为匀速运动，故建立如下式(6)所示：

s_t+1＝v/f[sinθ cosθ]+s_t (6)

其中，v为列车当前运行速度；f为采样频率；θ为列车运行方向与正北方向顺时角度；S_t为列车t时刻坐标；S_t+1为t+1时刻的列车位置预测。

步骤5中粒子的权重ω通过建立实时定位点与候选道岔区段生成粒子之间的距离偏差及角度偏差，进行综合计算，计算过程如下式所示

①确定距离偏差函数

利用高斯概率密度函数拟合距离偏差，以生成粒子距实时定位点的距离，作

为函数输入，将距离偏差函数p_d设定为：

其中，σ为GNSS误差的标准差；||p_i-o_i||为当前观测点至生成粒子的距离；P_d是距离偏差函数；

②确定方向偏差函数

实时定位点的速度方向与占用轨道区段的方向应该一致，故其瞬时速度方向与候选路段生成粒子的夹角越小，其权值越大；方向偏差值越大，则权值函数值越小，将方向偏差函数p_φ设定为：

其中：

为方向偏差，以正北方向为参照基准，列车运行速度与正北方向夹角为α，而生成粒子与正北方向夹角为β，则：

综合距离因素和方向因素，粒子的权重ω计算如下式(10)所示：

ω＝p_d·p_φ (10)。

步骤5中对计算得到的权值进行归一化，并对粒子进行随机重采样，主要是通过不断地更新迭代将上一时刻计算得到权值较大的粒子作为新的生成粒子，使用权利要求5中的列车运动模型进行下一时刻的状态更新。

通过统计候选道岔区段上的累计粒子权值，将概率最大的道岔区段作为列车轨道占用判别结果，再通过步骤1对下一个道岔节点进行搜索，重新生成粒子以进行列车位置的轨道占用的判别。

本发明的有益效果：1.基于GNSS的列车定位系统在铁路领域应用减少了传统意义上轨旁设备的铺设、降低了建设和运营成本、同时提高了铁路运输的效率，但由于GNSS自身定位误差的影响使得列车在道岔区段及站内股道的定位横向精度难以保证，因此采用基于GNSS的轨道占用判别方法式非常必要的，可以提高判别精度，提高定位的精确性及可靠性。

2.本发明利用列车线路地图数据辅以粒子滤波的原理进行列车运行过程中的轨道占用判别，利用PF原理将轨道占用判别过程建模为列车运行位置与线路地图候选区段的实时匹配过程，在候选道岔区段上随机生成粒子进行列车的实时追踪，提高了轨道占用判别的实时性与准确性。

3.在粒子权值的计算上综合距离及方向因素，可以提高粒子权值计算的准确度，缩短判别的过程，避免单一以距离进行权值计算造成判别时效过长的情况。

4.本发明提出的方法为列车轨道占用判别提供了新的思路，计算过程具有相对独立性，考虑线路拓扑关系，通过设置置信区域进行道岔节点的搜索，提前预判是否进入轨道占用判别逻辑，建立列车在道岔区段的匀速运动模型，并使用随机重采样的方式，选择权值较大的粒子进行粒子的更新，对下一道岔节点进行判别时，再重新生成粒子，避免粒子退化现象的产生。

5.本发明提出的方法为实现列车GNSS定位过程从传感器输出到最终位置确定一体化的计算提供了参考，可以将实际结果进一步应用于列车位置的决策上，是一种行之有效的道岔区段高精度定位方式。

附图说明

图1是本发明提出的方法实现流程图；

图2是定位误差置信区域示意图；

图3是候选道岔区段检索流程图；

图4是沿道岔区段生成粒子示意图；

图5是不同时刻粒子位置变化示意图；

图6是以图5变化后不同时刻粒子位置变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所研究地一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法进行详细的说明，该实施方式如下：

如图1-2所示，本发明所研究的一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法实现流程图，其主要步骤包括：(1)首先，调用获取列车运行线路电子地图数据信息，而后利用列车定位装置进行GNSS实时位置信息的采集；(2)根据接收机自身误差设定置信区域，以当前定位点为中心进行线路道岔节点的搜索，当搜索到拓扑节点存在多条候选轨道信息时，进入列车轨道占用判别环节；(3)以搜索到的道岔节点所邻接的候选轨道作为粒子生成区间，进行初始化产生随机粒子；(4)建立列车在道岔轨道区段的运动模型，对候选轨道区段的粒子进行实时更新；(5)计算得到各时刻粒子运动状态与列车定位点间的距离误差及航向误差，通过高斯概率密度函数计算得到粒子权重，不断迭代，选择权值较大的粒子作为新的粒子，再通过列车运动模型更新下一时刻的粒子状态；(6)最后，计算与道岔节点拓扑邻接各道岔区段中累计的粒子权重值，得出占用概率最大的轨道区段，完成列车轨道占用的正确识别。本发明利用列车线路地图数据辅以粒子滤波的原理进行列车运行过程中的轨道占用判别，利用PF原理将轨道占用判别过程建模为列车运行位置与线路地图候选区段的实时匹配过程，在候选道岔区段上随机生成粒子进行列车的实时追踪，能够提高轨道占用判别的实时性与准确性。

如图3所示，本发明所研究的一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法，以构建的误差椭圆进行路段的检索，设定当前定位点坐标在高斯平面坐标系下为(x,y),以原始定位点为误差椭圆中心，其参数可描述为：

其中：a、b、φ分别为误差椭圆长、短半径及偏转角；

和

为(x,y)定位点的东向、北向测量误差的方差，σ_xy为协方差，其值通过GNSS定位解算的量测方程直接获得，σ₀为单位权值的后验方差，不同可信度引起σ₀的改变而调整路段检索区域的大小；

则当前定位点(x_i,y_i)候选路段中点

满足(2)式关系：

(2)a、b、φ分别为误差椭圆长、短半径及偏转角。

如图4所示，本发明所研究的一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法，其利用PF原理，在搜索到的道岔节点所邻接的候选轨道区段上随机生成粒子，其采用的规则为：

1)计算获取候选道岔区段各相邻数据点(p_i,p_i+1)之间的长度L_i，如下式所示：

L_i＝dis(p_i,p_i+1) (3)

2)计算候选道岔区段各子弧段累计长度比例λ_i，如下式所示：

3)计算初始化生成粒子坐标o_K(r)，如下式所示：

其中，r为随机生成的长度比例因子，λ_i≤r≤λ_i+1；λ_i、λ_i+1是为相邻累计长度比例；且r∈[0,1]；p_i为候选道岔区段当前数据点坐标；p_i+1是候选道岔区段相邻数据点坐标。

如图5所示，本发明所研究的一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法，在初始化时刻，搜索到道岔节点存在两条邻接区段，故在每条区段上随机生成粒子集；其粒子生成在各道岔区段的几何坐标具有随机性。

如图6所示，本发明所研究的一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法，随着列车的运行，其GNSS定位点移动至下一时刻，道岔区段上的粒子数量及坐标也得到更新，并且集中于列车实际行驶轨道区段上，通过计算累计粒子权重可得出列车轨道占用判别结果。

进一步地是，粒子的权重综合列车GNSS定位点与生成粒子之间的距离偏差及方向偏差共同计算得出，可以提高粒子权值计算的准确度，缩短判别的过程，避免单一以距离进行权值计算造成判别时效过长的情况。

本发明的原理：利用PF原理将轨道占用判别过程建模为列车运行位置与线路地图候选区段的实时匹配过程。首先，通过设定的误差置信区域，对轨道线路地图中与当前定位点相邻的道岔节点进行搜索；而后，沿与之拓扑连接的轨道区段初始化随机生成粒子，由于列车过岔时速度不变，可近似为匀速运动，生成的粒子根据列车运动模型分别沿所在道岔区段移动。然后，以PF原理为基础，计算得到各时刻粒子运动状态与列车定位点间的距离误差及航向误差，通过高斯概率密度函数计算得到粒子权重，且在经过不同的道岔节点处进行粒子重采样，对粒子的移动进行迭代更新；最后，计算与道岔节点拓扑邻接各道岔区段中累计的粒子权值，得出占用概率最大的轨道区段，完成轨道占用的正确识别。通过生成粒子跟踪进行匹配得到正确轨道判别结果的方法在定位间隔大、缓和曲线处航向变化不明显的情况下，也能实现轨道的正确判别，与其他方法相比更具实时性。

Claims (5)

1.一种基于全球导航卫星系统(GNSS)的列车轨道占用判别方法，其特征在于，包括的步骤是：步骤1：首先，调用获取列车运行线路电子地图数据信息，而后利用列车定位装置进行GNSS实时位置信息的采集；

步骤2：根据接收机自身误差设定置信区域，以当前定位点为中心进行线路道岔节点的搜索，当搜索到拓扑节点存在多条候选轨道信息时，进入列车轨道占用判别环节；通过设定基于GNSS定位数据获得置信区域，并分析与候选路段的拓扑关系，完成对候选路段的处理，构建误差椭圆进行路段的检索，设定当前定位点坐标在高斯平面坐标系下为(x,y)，以原始定位点为误差椭圆中心，其参数可描述为：

其中：a、b、φ分别为误差椭圆长、短半径及偏转角；

和

为(x,y)定位点的东向、北向测量误差的方差，σ_xy为协方差，其值通过GNSS定位解算的量测方程直接获得，σ₀为单位权值的后验方差，不同可信度引起σ₀的改变而调整路段检索区域的大小；

则当前定位点(x_i,y_i)候选路段中点

满足(2)式关系：

(2)式中a、b、φ分别为误差椭圆长、短半径及偏转角；

步骤3：首先以搜索到的道岔节点所邻接的候选轨道作为粒子生成区间，进行初始化，产生随机粒子；

步骤4：建立列车在道岔轨道区段的运动模型，对候选轨道区段的粒子进行实时更新；

步骤5：计算得到各时刻粒子运动状态与列车定位点间的距离误差及航向误差，通过高斯概率密度函数计算得到粒子权重，不断迭代，选择权值较大的粒子作为新的粒子，再通过列车运动模型更新下一时刻的粒子状态；

步骤6：最后，计算与道岔节点拓扑邻接各道岔区段中累计的粒子权重值，得出占用概率最大的轨道区段，完成列车轨道占用的正确识别。

2.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法，其特征在于，所述粒子生成的具体步骤主要包括：

①计算获取候选道岔区段各相邻数据点(p_i,p_i+1)之间的长度L_i，如下式(3)所示：

L_i＝dis(p_i,p_i+1) (3)

②计算候选道岔区段各子弧段累计长度比例λ_i，如下式(4)所示：

③计算初始化生成粒子坐标o_K(r)，如下式(5)所示：

其中，r为随机生成的长度比例因子，且λ_i≤r≤λ_i+1；λ_i、λ_i+1是累计长度比例，且r∈[0,1]；p_i为候选道岔区段当前数据点坐标；p_i+1是候选道岔区段相邻数据点坐标。

3.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法，其特征在于，步骤3中每个道岔节点相邻的候选区段均由n个数据点p{p₁,p₂,p₃,....,p_n}构成，首先以搜索到的道岔节点所邻接的候选轨道区段作为粒子生成区间，在生成区间内进行初始化产生m个随机粒子o{o₁,o₂,o₃,....,o_m}，且粒子候选道岔区段的产生概率是随机的，因此通过随机生成索引n∈[1,2,...,K]，从候选道岔区段中选取生成区间，再根据随机生成长度比例因子，在此区间内生成粒子。

4.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法，其特征在于，步骤4中建立列车运动模型进行下一时刻粒子的更新，由于所处道岔区段，列车运行的过程近似为匀速运动，故建立如下式(6)所示：

s_t+1＝v/f[sinθ cosθ]+s_t (6)

其中，v为列车当前运行速度；f为采样频率；θ为列车运行方向与正北方向顺时角度；S_t为列车t时刻坐标；S_t+1为t+1时刻的列车位置预测。

5.根据权利要求1所述的一种基于GNSS的列车轨道占用判别方法，其特征在于，步骤5中粒子的权重ω通过建立实时定位点与候选道岔区段生成粒子之间的距离偏差及角度偏差，进行综合计算，计算过程如下式所示

①确定距离偏差函数

利用高斯概率密度函数拟合距离偏差，以生成粒子距实时定位点的距离，作为函数输入，将距离偏差函数p_d设定为：

其中，σ为GNSS误差的标准差；||p_i-o_i||为当前观测点至生成粒子的距离；P_d是距离偏差函数；

②确定方向偏差函数

实时定位点的速度方向与占用轨道区段的方向应该一致，故其瞬时速度方向与候选路段生成粒子的夹角越小，其权值越大；方向偏差值越大，则权值函数值越小，将方向偏差函数p_φ设定为：

其中：

为方向偏差，以正北方向为参照基准，列车运行速度与正北方向夹角为α，而生成粒子与正北方向夹角为β，则：

综合距离因素和方向因素，粒子的权重ω计算如下式(10)所示：

ω＝p_d·p_φ (10)。

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