CN115009329A - 一种基于北斗卫星的列车初始定位计算方法及定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于北斗卫星的列车初始定位计算方法及定位系统。该列车初始定位计算方法包括步骤：S1：接收北斗卫星信号获取北斗导航数据，并校验该数据有效性；S2：获取轨道电子地图文件，并校验该文件有效性；S3：基于北斗导航数据和轨道电子地图文件，筛选出列车当前位置的可能轨段作为候选轨段，并将各候选轨段放入集合TrackList中；S4：判断TrackList中的候选轨段数量是否为1；S5：根据判断结果选择执行单一轨道位置比较算法或执行非单一轨道位置比较算法。本发明利用卫星定位全天候、实时性的特点，在启机后不动车的场景下就可以开始进行初始位置的计算，能够提高车辆的运载效率。

Description

一种基于北斗卫星的列车初始定位计算方法及定位系统
技术领域
本发明涉及列车定位领域，尤其涉及一种基于北斗卫星的列车初始定位计算方法及定位系统。
背景技术
列车定位是列车运行控制系统的关键技术，高精度的列车位置信息和准确的轨道占用信息对列车在区间内安全运行和车站内进行越行、交会或调车作业至关重要。作为列车可靠运行的基础，快速确认列车的位置，将极大提升铁路的运营效率，对于后续计算列车运行方向、申请资源等都有重要的意义。目前列车初始位置广泛采用列车通过的应答器的位置来确认，而这种方式需要的大量地面设备，带来了建设成本高、维护困难等问题，也限制了列车的运行效率。
卫星定位技术因其实时、高精度、全天候等特性得到了广泛的关注和应用，尤其2020年北斗三号卫星的组网成功，我国全自主研发的北斗导航系统进一步扩大了服务范围，且已具备了可媲美GPS导航系统的定位精度，配合差分定位系统，可将定位误差缩小至米级以下，完全具有应用于列车定位的能力。将北斗卫星导航应用于列车定位领域，可以实现在启机后不行车的场景下就确定列车初始位置，能够极大发挥低成本和高自主性的优势，和提高列车的运载效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于北斗卫星的列车初始定位计算方法及定位系统，是为了克服现有技术存在的缺陷，利用卫星定位全天候、实时性的特点，在启机后不动车的场景下就可以开始进行初始位置的计算，提高车辆的运载效率。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，包括步骤：
S1：接收北斗卫星信号获取北斗导航数据；
S2：获取轨道电子地图文件；
S3：基于所述北斗导航数据和轨道电子地图文件，筛选出列车当前位置的可能轨段作为候选轨段，并将各所述候选轨段放入集合TrackList中；
S4：判断所述集合TrackList中的所述候选轨段数量是否为1；
S5：根据判断结果选择执行单一轨道位置比较算法或执行非单一轨道位置比较算法。
优选地，步骤S5包括：
如果集合TrackList中的候选轨段数量大于1，则执行所述非单一轨道位置比较算法；
如果集合TrackList中的候选轨段数量等于1，则基于所述轨道电子地图文件，判断所述候选轨段是否存在其他平行轨段：
是，则将各所述平行轨段放入集合TrackList中，执行所述非单一轨道位置比较算法；
否，则执行所述单一轨道位置比较算法。
优选地，所述非单一轨道位置比较算法包括步骤：
F1：初始化，从TrackList中取出全部轨段分别记作T1、T2、……、Tn，变量x＝1；
F2：获取当前北斗导航数据，将所述当前北斗导航数据与Tx进行地图匹配算法，根据地图匹配结果生成基于轨道的一维列车位置MTLx，包括站号、轨道号、平行轨道偏移量；
F3：判断MTLx是否有效；
F4：x＝x+1，判断是否x>n：
是，则执行步骤F5；
否，则返回步骤F2；
F5：判断{MTL1、……、MTLn}是否只有唯一值有效：
否，则退出；
F7：将唯一有效的所述一维列车位置初始化为列车初始位置，列车初始位置确定成功。
优选地，所述一维列车位置MTLx还包括垂直轨道偏移量；
步骤F3包括：
判断是否│MTLx的垂直轨道偏移量│≤Threshold1，其中，Threshold1为非单一轨道偏差阈值，Threshold1>0：
是，则MTLx有效；
否，则MTLx无效。
优选地，步骤F1中还包括：列车有效位置计数器N＝0；
步骤F5与F7之间还包括步骤F6：N＝N+1，判断是否N≥N1，其中，N1为非单一轨道列车有效位置计数阈值，是大于0的整数：
是，则执行步骤F7；
否，则x＝1，返回步骤F2。
优选地，所述单一轨道位置比较算法包括步骤：
D2：获取当前北斗导航数据，将当前北斗导航数据与候选轨段进行地图匹配算法，根据地图匹配结果生成基于轨道的一维列车位置MTLD，包括站号、轨道号、平行轨道偏移量；
D3：判断MTLD是否有效：
否，则退出；
D5：将MTLD初始化为列车初始位置，列车初始位置确定成功。
优选地，所述一维列车位置MTLD还包括垂直轨道偏移量；
步骤D3中判断MTLD是否有效的方法为：判断是否│MTLD的垂直轨道偏移量│≤Threshold2，其中，Threshold2为单一轨道偏差阈值，Threshold2>0。
优选地，在步骤D2之前还包括步骤D1：初始化，列车有效位置计数器N＝0；
在步骤D3与D5之间还包括步骤D4：N＝N+1，判断是否N≥N2，其中，N2为单一轨道列车有效位置计数阈值，是大于0的整数：
是，则执行步骤D5；
否，则返回步骤D2。
一种北斗卫星定位系统，用于实现上述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，所述北斗卫星定位系统包括车载分系统；所述车载分系统包括北斗导航接收机，所述北斗导航接收机可以接收北斗卫星信号、获取所述轨道电子地图文件，所述北斗导航接收机包括可以实现所述基于北斗卫星的列车初始定位计算方法的部件，可以通过所述基于北斗卫星的列车初始定位计算方法来确定列车的初始位置。
优选地，所述车载分系统包括两个安装在列车上的完全相同、互为备份的第一北斗导航接收机和第二北斗导航接收机。
优选地，所述第一北斗导航接收机和第二北斗导航接收机分别运算输出数据，所输出的数据通过比较算法判断数据有效性，当数据一致时获得最终有效的列车位置。
优选地，所述北斗卫星定位系统还包括地面分系统，所述地面分系统包括北斗导航接收机基准站，接收北斗卫星信号，并向所述车载分系统发送北斗载波相位差分信号，用于辅助所述车载分系统进行列车位置差分校正，提高列车定位精度。
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法及定位系统，具有如下有益效果：
1.在新型列控系统现有设备基础上即可功能实现，不增加额外的设备；
2.在列车静止条件下即可实现对列车位置的判断，可提高列车的运营效率；
3.不依赖轨道电路和应答器设备，节约设备成本和维护成本，提高列车控制的自主性。
附图说明
图1为本发明的列车初始定位计算方法的方案结构图；
图2为本发明的列车初始定位计算方法的流程图；
图3为本发明的非单一轨道位置比较算法的流程图；
图4为本发明的单一轨道位置比较算法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种基于北斗卫星的列车初始定位计算方法及定位系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
结合附图1～4所示，本实施例提供一种基于北斗卫星的列车初始定位计算方法及定位系统。如附图2所示，该计算方法包括步骤：
S1：接收北斗卫星信号获取北斗导航数据，并采用现有技术的数据校验方法校验该数据有效性；
S2：获取轨道电子地图文件，并采用现有技术的数据校验方法校验该文件有效性；
S3：基于北斗导航数据和轨道电子地图文件，通过对每个轨段的起止经纬度进行匹配，筛选出列车当前位置的可能轨段作为候选轨段，并将各候选轨段放入集合TrackList中；
S4：判断集合TrackList中的候选轨段数量是否为1：
是，则执行步骤S5；
否，则执行非单一轨道位置比较算法；
S5：基于轨道电子地图文件，判断该候选轨段是否存在其他平行轨段：
是，则将各平行轨段放入集合TrackList中，执行非单一轨道位置比较算法；
否，则执行单一轨道位置比较算法。
其中，非单一轨道位置比较算法如附图3所示，包括步骤：
F1：初始化，从集合TrackList中取出全部候选轨段分别记作T1、T2、……、Tn，列车有效位置计数器N＝0，变量x＝1；
F2：获取当前北斗导航数据，将当前北斗导航数据与候选轨段Tx进行地图匹配算法，根据地图匹配结果对应生成基于轨道的一维列车位置MTLx，包括站号、轨道号、平行轨道偏移量和垂直轨道偏移量；
其中，平行轨道偏移量是指投影在轨道电子地图上的当前时刻列车位置沿轨道线路方向的偏移值；垂直轨道偏移量指投影在轨道电子地图上的当前时刻列车位置在垂直于轨道线路方向的偏差值；
F3：判断是否│MTLx的垂直轨道偏移量│≤Threshold1，其中，Threshold1为非单一轨道偏差阈值，Threshold1>0，为经验值(当垂直轨道偏移量超过Threshold1时，表明根据此北斗导航数据投影在轨道电子地图上的列车位置偏离轨道线路较大，此北斗导航数据精准度较低，所以无法得到有效的列车位置)：
是，则MTLx有效；
否，则MTLx无效；
F4：x＝x+1，判断是否x>n：
是，则执行步骤F5；
否，则返回步骤F2；
F5：判断{MTL1、……、MTLn}中是否只有唯一一个有效值MTL：
是，则执行步骤F6；
否，则退出(如果{MTL1、……、MTLn}中存在多个有效值，说明地图匹配失败，本周期无有效的北斗导航数据，退出程序，待下一周期再重新匹配)；
F6：N＝N+1，判断是否N≥N1(其中，N1为非单一轨道列车有效位置计数阈值，是大于0的整数，为经验值)：
是，则执行步骤F7(当N≥N1时，表示连续N1个周期的北斗卫星定位都是有效的，即此阶段的北斗导航数据稳定可靠，可以使用该北斗导航数据初始化列车位置)；
否，则x＝1，返回步骤F2；
F7：将唯一有效的MTL初始化为列车初始位置，列车初始位置确定成功。
单一轨道位置比较算法如附图4所示，包括步骤：
D1：初始化，列车有效位置计数器N＝0；
D2：获取当前北斗导航数据，将当前北斗导航数据与候选轨段进行地图匹配算法，根据地图匹配结果生成基于轨道的一维列车位置MTLD，包括站号、轨道号、平行轨道偏移量和垂直轨道偏移量；
D3：判断是否│MTLD的垂直轨道偏移量│≤Threshold2，其中，Threshold2为单一轨道偏差阈值，Threshold2>0，为经验值(当垂直轨道偏移量超过Threshold2时，表明根据此北斗导航数据投影在轨道电子地图上的列车位置偏离轨道线路较大，此北斗导航数据精准度较低，所以无法得到有效的列车位置)：
是，则MTLD有效，执行步骤D4；
否，则MTLD无效，退出；
D4：N＝N+1，判断是否N≥N2(其中，N2为单一轨道列车有效位置计数阈值，是大于0的整数，为经验值)：
是，则执行步骤D5(当N≥N2时，表示连续N2个周期的北斗卫星定位都是有效的，即此阶段的北斗导航数据稳定可靠，可以使用该北斗导航数据初始化列车位置)；
否，则返回步骤D2；
D5：将MTLD初始化为列车初始位置，列车初始位置确定成功。
本实施例还提供一种北斗卫星定位系统，用于实现上述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法。如附图1所示，该北斗卫星定位系统包括车载分系统；车载分系统包括北斗导航接收机，该北斗导航接收机可以接收北斗卫星信号，且可以获取轨道电子地图文件，该北斗导航接收机还包括可以实现上述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法的部件，通过上述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法来确定列车的初始位置。在一些实施例中，车载分系统包括两个安装在列车上的完全相同、互为备份的北斗导航接收机1和北斗导航接收机2，提高系统冗余度。在一些实施例中，北斗导航接收机1和北斗导航接收机2分别运算输出数据，两路数据通过位置比较算法，同时采用轨道位置和垂直轨道偏差值判断数据有效性，当数据一致时获得最终有效的列车位置，进一步提高定位准确性。在一些实施例中，该北斗卫星定位系统还包括地面分系统，地面分系统包括北斗导航接收机基准站，其接收北斗卫星信号，并向车载分系统发送北斗载波相位差分信号，用于辅助车载分系统进行列车位置差分校正，进一步提高列车定位精度。
综上所述，本发明提供的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法及定位系统，在新型列控系统现有设备基础上进行功能实现，不增加额外的设备；在列车静止条件下即可实现对列车位置的判断，可提高列车的运营效率；不依赖轨道电路和应答器设备，节约设备成本和维护成本，提高列车控制的自主性。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，包括步骤：
S1：接收北斗卫星信号获取北斗导航数据；
S2：获取轨道电子地图文件；
S3：基于所述北斗导航数据和轨道电子地图文件，筛选出列车当前位置的可能轨段作为候选轨段，并将各所述候选轨段放入集合TrackList中；
S4：判断所述集合TrackList中的所述候选轨段数量是否为1；
S5：根据判断结果选择执行单一轨道位置比较算法或执行非单一轨道位置比较算法。
2.如权利要求1所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，步骤S5包括：
如果集合TrackList中的候选轨段数量大于1，则执行所述非单一轨道位置比较算法；
如果集合TrackList中的候选轨段数量等于1，则基于所述轨道电子地图文件，判断所述候选轨段是否存在其他平行轨段：
是，则将各所述平行轨段放入集合TrackList中，执行所述非单一轨道位置比较算法；
否，则执行所述单一轨道位置比较算法。
3.如权利要求1所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，所述非单一轨道位置比较算法包括步骤：
F1：初始化，从TrackList中取出全部轨段分别记作T1、T2、……、Tn，变量x＝1；
F2：获取当前北斗导航数据，将所述当前北斗导航数据与Tx进行地图匹配算法，根据地图匹配结果生成基于轨道的一维列车位置MTLx，包括站号、轨道号、平行轨道偏移量；
F3：判断MTLx是否有效；
F4：x＝x+1，判断是否x>n：
是，则执行步骤F5；
否，则返回步骤F2；
F5：判断{MTL1、……、MTLn}是否只有唯一值有效：
否，则退出；
F7：将唯一有效的所述一维列车位置初始化为列车初始位置，列车初始位置确定成功。
4.如权利要求3所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，
所述一维列车位置MTLx还包括垂直轨道偏移量；
步骤F3包括：
判断是否│MTLx的垂直轨道偏移量│≤Threshold1，其中，Threshold1为非单一轨道偏差阈值，Threshold1>0：
是，则MTLx有效；
否，则MTLx无效。
5.如权利要求3所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，
步骤F1中还包括：列车有效位置计数器N＝0；
步骤F5与F7之间还包括步骤F6：N＝N+1，判断是否N≥N1，其中，N1为非单一轨道列车有效位置计数阈值，是大于0的整数：
是，则执行步骤F7；
否，则x＝1，返回步骤F2。
6.如权利要求1所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，所述单一轨道位置比较算法包括步骤：
D2：获取当前北斗导航数据，将当前北斗导航数据与候选轨段进行地图匹配算法，根据地图匹配结果生成基于轨道的一维列车位置MTLD，包括站号、轨道号、平行轨道偏移量；
D3：判断MTLD是否有效：
否，则退出；
D5：将MTLD初始化为列车初始位置，列车初始位置确定成功。
7.如权利要求6所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，
所述一维列车位置MTLD还包括垂直轨道偏移量；
步骤D3中判断MTLD是否有效的方法为：判断是否│MTLD的垂直轨道偏移量│≤Threshold2，其中，Threshold2为单一轨道偏差阈值，Threshold2>0。
8.如权利要求6所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，
在步骤D2之前还包括步骤D1：初始化，列车有效位置计数器N＝0；
在步骤D3与D5之间还包括步骤D4：N＝N+1，判断是否N≥N2，其中，N2为单一轨道列车有效位置计数阈值，是大于0的整数：
是，则执行步骤D5；
否，则返回步骤D2。
9.一种北斗卫星定位系统，其特征在于，
用于实现如权利要求1～8所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，所述北斗卫星定位系统包括车载分系统；所述车载分系统包括北斗导航接收机，所述北斗导航接收机可以接收北斗卫星信号、获取所述轨道电子地图文件，所述北斗导航接收机包括可以实现所述基于北斗卫星的列车初始定位计算方法的部件，可以通过所述基于北斗卫星的列车初始定位计算方法来确定列车的初始位置。
10.如权利要求9所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，
所述车载分系统包括两个安装在列车上的完全相同、互为备份的第一北斗导航接收机和第二北斗导航接收机。
11.如权利要求10所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，
所述第一北斗导航接收机和第二北斗导航接收机分别运算输出数据，所输出的数据通过比较算法判断数据有效性，当数据一致时获得最终有效的列车位置。
12.如权利要求9所述的基于北斗卫星的列车初始定位计算方法，其特征在于，
所述北斗卫星定位系统还包括地面分系统，所述地面分系统包括北斗导航接收机基准站，接收北斗卫星信号，并向所述车载分系统发送北斗载波相位差分信号，用于辅助所述车载分系统进行列车位置差分校正，提高列车定位精度。
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