CN1932552B - 确定物体瞬时速度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以可靠的方式确定沿已知轨道行进的物体(1)的速度的系统，包括：定位该物体及其运动方向的装置(3，7)；接收来自卫星(4，5)的信号的装置(6)；以及计算装置(8)，包括：测量接收的信号相对于发射信号的频率的频移的装置，通过计算多普勒效应确定该物体和卫星的速度向量差的装置，以及计算该物体的运动方向上的速度的装置，并且对来自多个卫星的信号独立地重复所述频移的测量；组合所获得的结果以便以所需的可靠性等级获得速度的装置。

Description

确定物体瞬时速度的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种以可靠的方式确定沿已知轨道行进的物体特别是车辆如火车的瞬时速度的系统和方法。

背景技术

2001年6月29日提交的专利申请WO02/03094描述了一种基于由一组GNSS(全球导航卫星系统)卫星实现的信号传输以可靠的方式定位物体如火车的系统。

在铁路的情况下，在标准Cenelec 50129的意义上理解可靠定位。其涉及提供一种定位间隔，火车处于该间隔之外的概率非常低(从10^-09到10^-12)。

对于确定瞬时速度来说，传统上基于机电装置的已有系统的缺点是非常昂贵。为了提高可靠性，它们使用传感器、单轴加速度计以及舰载(on-board)雷达系统的组合，该传感器检测轴的旋转并必须经得住大于90g的加速度。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有铁路所要求的可靠性水平并远比现有系统便宜的确定瞬时速度的系统。

因此，本发明涉及一种以可靠的方式确定沿已知轨道行进的物体特别是车辆如火车的瞬时速度的系统，该系统包括：

-近似定位该物体及其运动方向的装置，以及

-接收从至少一个卫星以所述物体知道的预定频率发射的至少一个信号的装置，以及

-计算和分析该信号的装置，包括：

-测量接收的信号相对于发射信号的预定频率的频移的装置，该装置连接到：

-通过计算产生该频移的多普勒效应确定在该卫星/物体方向上该物体和卫星的速度向量差的装置，以及

-基于先前确定的向量差来计算该物体运动方向上的瞬时速度的装置。对来自至少两个不同卫星的信号独立地重复该频移的测量和相关的计算，该计算和分析装置进一步包括组合该独立获得的结果以便以所需的可靠性水平获得瞬时速度的装置。

本发明的其它特征是：

-用于为物体计算和分析信号的装置适于确定由于两个信号的多普勒效应引起的频移，每一个信号来自于两个单独的卫星，所述确定物体瞬时速度的装置适于基于这两个信号的频移确定该速度；

-本发明使用来自四个卫星的信号，该组合装置使用通过该计算装置基于六对卫星获得的瞬时速度，每个卫星属于至少一对；

-所述计算和分析信号的装置进一步包括稳定的时间参考装置，所述确定该物体的瞬时速度的装置适于基于由于来自单个卫星的单个信号的多普勒效应引起的频移确定该速度；

-本发明使用来自三个卫星的信号；以及

-本发明包括位于该物体的两个分开点上并能够在这两个点上同时接收信号的用于接收信号的装置，该接收装置连接到用于计算信号行进通道的装置，该计算信号行进的路径的装置能够确定出该信号已通过不同路径到达该接收装置的所述两个点，并且能够在预定时间段内将发射该信号的卫星从对其授权了事先定义的速度计算的卫星列表中去除。

本发明还涉及一种确定沿已知轨道行进的物体的瞬时速度的方法，该方法包括步骤：

-确定物体的近似位置和运动方向，

-接收从至少一个卫星以所述物体知道的预定频率发射的至少一个信号，

-测量该物体所接收信号的频率，

-测量接收的信号相对于发射信号的预定频率的频移，

-通过计算产生该频移的多普勒效应确定在卫星/物体方向上该物体和卫星的速度向量差，以及

-基于该先前确定的瞬时速度计算在该物体的运动方向上的该物体的瞬时速度。

附图说明

通过阅读下面仅通过举例给出的说明，并且参照附图，可以更好地理解本发明，其中：

-附图1是本发明优选实施方式的示意图；

-附图2是用于计算和分析信号的装置的示意图；

-附图3是速度合成的表示图；以及

-附图4是本发明的结构变形的示意图。

具体实施方式

参照附图1描述确定瞬时速度的系统。

1表示假定是火车的物体，举例来说，其沿着已知的轨道2行进。

其包括与PCT申请WO02/03094中描述的相同类型的定位装置3，因此其能够以可靠的方式，基于来自一组GNSS卫星4，5的信号，以及火车行进的网络图，确定火车1在轨道上的位置。

火车1具有用于接收通过所述卫星4，5发射的信号的装置6。所述接收装置6包括天线和电子组件，正如本领域技术人员所公知的，所述电子组件在超高频运行，并且连接到定位装置3，以便为它们提供来自卫星4，5的信号。

将该定位装置3连接到轨道网络图的数据库7。按照惯例，该数据库以一连串直线段的形式描绘轨道，线段的每个末端使用GNSS系统的WGS84坐标系表示。

正如在专利申请WO02/03094中解释的，那些定位装置3提供火车的定位间隔，使火车在该间隔之外的概率小于10-9。

这种定位间隔允许确定运动方向。

根据该轨道的路径，可变角度的不精确性破坏了运动方向。该不精确性与两个因素有关：

-地图数据库的不精确性，如上所述，这是因为该轨道是以一连串直线段的形式建模的；以及

-与定位有关的不精确性。如果定位间隔对应于轨道的直线部分，则该方向是正确已知的。然而，如果轨道部分是弯曲的，则该定位间隔会覆盖多个具有不同方向的直线段。

还将通过接收装置6从卫星4，5接收的信号传递给计算和分析该信号的装置8。

它们包括(附图2)装置10，该装置10参照内部原子钟11测量对于每个卫星接收的信号的频移。该频移归因于由火车1和卫星的相对速度造成的多普勒效应(Doppler effect)。

因此，将这些测量装置10连接到装置12上，装置12用于通过计算产生频移的多普勒效应确定在卫星/物体方向上火车和卫星的速度向量差，装置12本身连接到装置13上，装置13基于先前确定的瞬时速度计算物体运动方向上的瞬时速度。

该频移是通过多普勒效应根据以下公式产生的：

$f_R=f_T(1-\frac{\stackrel{\→}{V}r\·\stackrel{\→}{a}}{c})---\left(1\right)$

其中f_R是接收的信号的频率，f_T是通过卫星发射的信号的频率，是卫星/物体相对速度的向量，附图3，

是沿从物体到卫星的直线即视线定向的单位向量，以及c是光速。

乘积对应于相对速度向量在卫星视线上的投影。

相对速度的向量对应于卫星的速度向量

和物体的速度向量

之间的差：

$\stackrel{\→}{V}r=\stackrel{\→}{V}s-\stackrel{\→}{V}o---\left(2\right)$

确定速度向量差的装置12包括使用卫星的星历表(ephemerid)数据和轨道模型计算该卫星的速度

的装置12A，该数据在上述步骤中从卫星下载。

其还包括从物体的位置和卫星的位置计算视线的单位向量的装置12B。

确定卫星/物体方向上火车1和卫星的速度向量差即的装置12根据公式计算：

$\mathrm{\Δf}=f_R-f_T=-f_T\frac{(\stackrel{\→}{V}S-\stackrel{\→}{V}o)\·\stackrel{\→}{a}}{c}---\left(3\right)$

这可以从公式(1)和(2)推导出。

根据运动方向确定火车的瞬时速度的装置13基于先前确定的卫星/物体方向上物体的瞬时速度即以及在轨道的本地参考系(其中火车速度具有沿该轨道的唯一分量)中表示的向量值来产生。

对多个不同的卫星独立地重复这些测量和计算。然后通过装置14对获得的结果进行的组合允许为速度确定置信间隔，其中该速度在该间隔之外的概率很低(从10^-09到10^-12)。

这样，来自三个不同卫星的三个测量，每个以具有10^-5到10^-6的误差概率的置信间隔进行，允许在第一尝试时以大于10^-15的概率获得置信间隔，因为它们是独立的测量。实际看来，由于给定的误差，通过三个卫星获得的误差仅是10^-12量级。

通过测量频移的装置11进行的测量由于给定数量的误差而破坏，如接收器时钟相对于系统时间的位移速率

由于大气现象引起的时移速率接收器的噪声，......以及卫星时钟相对于系统时间的位移速率

假如火车上提供有原子钟，如上所述，那么可以认为接收器时钟的位移速率

是可以忽略的。

然而，由于原子钟是一块相对昂贵的设备，因而具有一种不需要使用该原子钟从而允许补偿影响

的系统是特别有利的。

通过以距离的时间变化的形式表示频移测量值，也就是说，通过将由于多普勒效应引起的频移乘以信号的波长，测量的火车/卫星距离的时间变化(用英语表示是“伪距速率(pseudo range-rate)”)为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\stackrel{\·}{R}+c\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}{t}_0-c\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}{t}_S+c\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}{t}_D---\left(4\right)$

其中是几何的火车/卫星距离的时间变化(用英语表示是“几何距速率(geometric range rate)”)

假设将从卫星的导航信息导出的卫星时钟的位移速率表示为常数af₁，

则 $\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=\stackrel{\·}{R}+c\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}{t}_0-\mathrm{ca}{f}_1+c\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}{t}_D---\left(5\right)$

通过表示公式(3)，以便得出距离的时间变化，

$\stackrel{\·}{R}=-{\mathrm{\λ}}_T\mathrm{\Δf}={\mathrm{\λ}}_T{f}_T\frac{({\stackrel{\→}{V}}_S-{\stackrel{\→}{V}}_o)\·\stackrel{\→}{a}}{c}=c\frac{({\stackrel{\→}{V}}_S-{\stackrel{\→}{V}}_o)\·\stackrel{\→}{a}}{c}=({\stackrel{\→}{V}}_S-{\stackrel{\→}{V}}_o)\·\stackrel{\→}{a}---\left(6\right)$

通过定义，距离的时间变化等于-λ·Doppler。

这样，将测量的距离时间变化表示为信号的波长乘以由接收器确定的多普勒效应(L₁Doppler)得出的负积，

结合公式(5)和(6)给出：

${\stackrel{\→}{V}}_o\·\stackrel{\→}{a}={\stackrel{\→}{V}}_S\·\stackrel{\→}{a}+{\mathrm{\λ}}_T\·L_1\mathrm{doppler}+c\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}{t}_0-\mathrm{ca}{f}_1+c\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}{t}_D---\left(7\right).$

使用来自两个卫星s₁和s₂的信号，并且结合相应的公式(7)，可以获得：

${\stackrel{\→}{V}}_o\·({\stackrel{\→}{a}}_{s2}-{\stackrel{\→}{a}}_{s1})={\stackrel{\→}{v}}_{s2}\·{\stackrel{\→}{a}}_{s2}-{\stackrel{\→}{v}}_{s1}\·{\stackrel{\→}{a}}_{s1}+{\mathrm{\λ}}_T(L_1\mathrm{Dopple}{r}_{S2}-$

$L_1\mathrm{Dopple}{r}_{S1})-c({{\mathrm{af}}_1}^{s2}-{{\mathrm{af}}_1}^{s1})+c(\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}{t}_{\mathrm{DS}2}-\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}{t}_{\mathrm{DS}1})$

消除来自接收时钟的位移速率

这样，计算向量差的装置12使用由来自两个单独的卫星中的每一个的两个信号引起的多普勒效应导致的相对频移，以便消除与接收时钟相联系的位移，这样避免了在火车1上使用精密时钟如原子时钟。

然而，如上所述，为了获得以可靠的方式确定速度的必要精度，当使用原子钟时通过至少三个卫星的信号进行的测量是必要的。

为了在没有使用原子钟以及从而使用与上述两个卫星有关的计算的情况下，获得相同的精度等级，必须使用至少四个的卫星的值，因此形成六个不同的对，以便与三对独立的测量等价。

确定沿已知轨道行进的物体的瞬时速度的方法包括以下步骤：

-确定该物体的近似位置和运动方向，

-接收从至少一个卫星以所述物体知道的预定频率发射的至少一个信号，

-测量该物体接收的信号的频率，

-测量接收的信号相对于发射信号的预定频率的频移，

-通过计算产生该频移的多普勒效应确定在卫星/物体方向上物体和卫星的速度向量差，以及

-基于先前确定的瞬时速度确定该物体的运动方向上的该物体的瞬时速度。

假设该信号跟随卫星和火车之间的直接路径，进行所有上述计算。

众所周知，波可以从一些表面反射，因而该火车有可能接收反射信号，而不是该直接信号。

应当理解，这导致附加等级的误差，并且歪曲了接收的信号的频移。

该“备选路径”现象仅在特定的环境下出现，如穿过城市区域行进。

消除从“备选路径”产生的信号的手段在于在火车的分开的点安装两个天线，通常彼此相距近似二十米。

通过对在每个天线同时接收的信号进行多普勒效应的测量，确定该测量是否是不同的。

如果不同，意味着由两个天线之一接收的信号来自“备选路径”。

在附图4中，例如，火车1继续并且进入区域，建筑物25位于该区域内。那时，与天线21不同，天线20不再捕获来自卫星4的直接信号，而是捕获由建筑物25反射的信号。

片刻之后，火车继续，第二天线21又进入建筑物25的区域。

那时，由于两个天线捕获由建筑物25反射的相同的信号，因而测量装置不再检测两个信号之间的任何差异。

因此，以延迟和行进的距离的形式提供延时，在此期间不使用来自卫星4的信号，并且在每次观察到分歧时初始化该延时。因此，仅在观察到给定周期的相干测量和/或火车行进了给定距离之后，而无需观察到任何分歧，将重复使用本例中的卫星4。其他条件也可与此相关。

因此，这样描述的系统和方法有利地允许以所需的可靠性等级确定火车的速度。因此，其远不及现有的系统昂贵，这是因为其不使用任何受强大的环境制约的机械组件。

Claims (9)

1.一种以可靠的方式确定沿已知轨道行进的物体(1)的瞬时速度的系统，所述系统包括：

-近似定位所述物体及其运动方向的装置(3，7)，以及

-接收从至少一个卫星(4，5)以所述物体知道的预定频率发射的至少一个信号的装置(6)，以及

-计算和分析所述信号的装置(8)，包括：

-测量接收的信号相对于所述发射信号的预定频率的频移的装置(10)，

-通过计算产生所述频移的多普勒效应确定在所述卫星/物体方向上所述物体和卫星的速度向量差的装置(12)，以及

-基于所述先前确定的速度向量差计算所述物体的运动方向上的瞬时速度的装置(13)，

其中，所述测量频移的装置(10)连接到所述确定速度向量差的装置(12)，

其特征在于：对来自至少两个不同的卫星的信号独立地重复所述频移的测量和相关的计算，并且所述计算和分析所述信号的装置(8)进一步包括组合所述独立获得的结果以便以所需的可靠性等级获得瞬时速度的装置(14)。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述计算和分析所述信号的装置(8)适于确定由于两个信号的多普勒效应引起的频移，每一个信号来自两个单独的卫星(4，5)，所述计算所述物体的运动方向上的瞬时速度的装置(13)适于基于所述两个信号的频移确定所述速度。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于：所述系统使用来自四个卫星的信号，所述组合装置(14)使用通过所述计算所述物体的运动方向上的瞬时速度的装置(13)基于六对卫星获得的瞬时速度，每个卫星属于至少一对。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述计算和分析信号的装置进一步包括稳定的时间参考装置，所述计算所述物体的运动方向上的瞬时速度的装置适于基于由于来自单个卫星的单个信号的多普勒效应引起的频移，确定所述速度。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于：所述系统使用来自三个卫星的信号。

6.如前面任一权利要求所述的系统，其特征在于：所述系统包括位于所述物体的两个分开的点并且能够在这两个点同时接收信号的用于接收信号的装置，所述接收装置连接到计算所述信号行进的路径的装置，所述计算所述信号行进的路径的装置能够确定出所述信号已通过不同路径到达所述接收装置的两个点，并且能够在一段预定的时间内将发射该信号的卫星从对其授权了事先定义的速度计算的卫星列表中去除。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体(1)是车辆。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体(1)是火车。

9.一种确定沿已知轨道行进的物体的瞬时速度的方法，其特征在于所述方法包括步骤：

-确定所述物体的近似位置和运动方向，

-接收从至少一个卫星以所述物体知道的预定频率发射的至少一个信号，

-测量所述物体接收的信号的频率，

-测量接收的信号相对于发射信号的预定频率的频移，

-通过计算产生所述频移的多普勒效应确定在卫星/物体方向上所述物体和卫星的速度向量差，以及

-基于所述先前确定的速度向量差计算在所述物体的运动方向上所述物体的瞬时速度。