JP2004168216A - Train traveling information detecting device and method by gps positioning - Google Patents

Train traveling information detecting device and method by gps positioning Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a train traveling information detecting device and a train traveling information detecting method by GPS positioning, capable of improving the continuity, integrity and reliability. <P>SOLUTION: This train traveling information detecting device comprises a plurality of GPS antennas 111, 131 mounted in a train composed of a plurality of railway rolling stocks, in a dispersed state, GPS receivers 112, 133 connected to the GPS antennas 111, 131, train position detecting devices 113, 133 connected to the GPS receivers 112, 133, a storage device for storing a three-dimensional rail track map and a GPS antenna mounting position information in the train position detecting devices 113, 133, and an in-train LAN 121 for connecting the train position detecting systems 113, 133 including the GPS receivers and the train position detecting devices to each other. The train position detecting devices 113, 133 grasp the on-rail position and direction of the entire train by allowing every GPS receivers on the train to perform the positioning calculation by receiving GPS signals from at least two satellites. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、GPS測位による列車走行情報検出装置およびその列車走行情報検出方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、衛星測位システムに関する話題として、GPS(Global Positioning System)(米国)の近代化、GLONASS(ロシア)の再生、Galileo(欧州)の構築などの計画が相次いで発表されている。我が国においても、2008年頃の運用開始に向けて、準天頂衛星システムの構築が検討されている。
【0003】
この準天頂衛星システムでは、最低1機の衛星をその名の如く天頂付近に配置するため、常時仰角70°以上で捕捉できるようになり、建物等による影響を受けにくいという特長がある。また、国土地理院の電子基準点を活用することなどによって、静止体で1cm、移動体で25cm程度の測位精度の確保を目標とした開発が進められている。
【0004】
このような情勢から、衛星測位の利用アプリケーション側の開発も進展することが予想される。航空分野では既に航法装置としてGPS測位を主体的に用いるため、飛行フェーズ毎に定められた測位精度、信頼性、連続性(コンテュイニティ)、完全性(インテグリティ)の要求仕様を満たすGPS補強システムが構築されつつある。
【0005】
鉄道においても、同様の手法によれば、列車制御などの安全性が重要なアプリケーションの位置検知手段にまで適用範囲を拡げることができると考えられる。しかし、建物等による遮蔽などGPS信号の受信環境が航空機に比べ著しく不利な鉄道では、この問題を改善する何らかの対策が求められる。
【0006】
ところで、情報技術を適用するいわゆる列車の知能化には、位置検知機能と共に路線情報が欠かせない。例えば車体傾斜制御システムでは、線形データベースを記憶した車両上コンピュータが、位置検知をしながら曲線で予見的に目標角度を生成し制御を行う。
【0007】
また、山手線・京浜東北線に導入予定のデジタルATCや移動閉塞を実現する列車制御システムCARAT(Computer And Radio Aided Train control system)〔非特許文献1〕も、路線情報を拠り所として位置検知しながら保安速度制御を行う。鉄道においてこのようなシステムが成立する理由は、線路上の移動が本質的に1次元であり、道路などよりも路線情報を作り易いためである。
【0008】
このような特性を備えた鉄道の列車位置検知にGPS測位を利用する場合には、カーナビゲーションシステムで行われているようなマップマッチングよりも精密な3次元線路マップを用意して、1本の線路上のどこかに列車が在線していることを前提とすれば、衛星2機からのGPS信号のみで測位計算ができると考えられる。測位に必要な衛星数が、従来の衛星4機からのGPS信号による測位方式に比べて半減できるということは、航空機と比較してGPS信号の受信環境が劣る鉄道において、信頼性等の性能の向上を図ることができる。
【0009】
本願発明者らは、既に、鉄道車両にGPS受信機を搭載して、鉄道車両のGPS測位を行うことを〔特許文献1〕として提案した。なお、ここでは鉄道車両に1台のGPS受信機を搭載してGPS測位を行うようにしている。
【0010】
【特許文献1】
特開2001−56234 第3−5頁 図1
【非特許文献1】
山本春生、西堀典幸:CARAT、RRR、Vol.56、No.9、pp.8〜9、1999.9
【非特許文献2】
松本雅行、細川明良、河田智太郎:デジタルATC車上装置のデータベース構成、鉄道におけるサイバネティクス利用国内シンポジウム論文集、pp.226〜229、2000.11
【非特許文献3】
奥谷正:国土マネジメントのための情報基盤、国総研アニュアルレポート、No.1、pp.24〜28、2002.3
【非特許文献4】
安田明生:GPSとその応用、GPSシンポジウム2001、pp.193〜216、2001.11
【非特許文献5】
池田昌俊:列車位置検知手法の動向、鉄道総研報告、Vol.13、No.8、pp.1〜6、1999.8
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
列車の在線位置は、線区名(上下線の識別含む)、キロ程、番線により特定できる。このような簡便な位置識別方法は、前述したように、列車の移動が本質的に1次元であることから可能である。しかし、この方法には、駅構内で列車が本線以外を経由した場合に、本線経由よりも走行距離が長くなりキロ程とのずれが生ずることや、工事に伴って線路を迂回、短絡した場合にキロ程に断重複の発生が避けられないという欠点がある。
【0012】
路線情報を拠り所として位置検知を行う車体傾斜制御システム、デジタルATC、CARATなどの制御システムは、正確な距離を必要とするため、キロ程を直接には用いない。例えば、車体傾斜制御システムでは、制御対象の曲線の位置を、基準とするATS地上子からの距離で特定している。デジタルATCでは、すべてのATC進路に固有の進路IDを割り付け、進路内残距離との組み合わせで絶対位置を認識する〔非特許文献2〕。
【0013】
また、CARATもこれに類似し、線路を節点で分割した枝を単位とする論理的なブロックのデータリンクで表現し、ブロック番号とブロック内距離により絶対位置を認識する。
【0014】
以上のように、各システムではそれぞれ利用しやすい方法により、システムの要求レベルを満たす程度の在線位置識別を行い、制御に用いている。なお、これらのシステムでは、路線情報を拠り所としているため、工事等により変更の可能性のある地上設備と車両上の対応するデータとの整合性を維持しなければならない。
【0015】
ITS(高度道路交通システム)の中心に位置付けられている走行支援システム(AHS)や歩行者ITSなどの様々なアプリケーションは、自動車や歩行者が道路上の位置を数10cm程度の精度で把握することを前提とする。そのため、国土交通省国土技術政策総合研究所(以後、国総研と略す)高度情報化研究センターでは、国土マネジメントのための情報基盤の整備に向けた研究開発の一環として、道路線形や片勾配、歩道の段差などの道路構造物に関する1/500程度の精度の高い道路地図データ(道路基盤データ)の構築方法について検討を進めている〔非特許文献3〕。
【0016】
本発明は、上記状況に鑑み、連続性、完全性および信頼性の向上を図ることができるGPS測位による列車走行情報検出装置およびその列車走行情報検出方法を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕GPS測位による列車走行情報検出装置において、複数の鉄道車両からなる列車に分散配置された複数のGPSアンテナと、このGPSアンテナに接続されるGPS受信機と、このGPS受信機に接続される列車位置検知装置と、この列車位置検知装置に3次元線路マップとGPSアンテナ設置位置情報とを格納する記憶装置と、前記GPS受信機、列車位置検知装置を含む列車位置検知システム間を接続する車内LANとを備え、列車上の複数のGPS受信機がそれぞれ少なくとも2機の衛星からのGPS信号を受信して、前記GPSアンテナの設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことにより、列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とする。
【0018】
〔2〕上記〔1〕記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記3次元線路マップは、レール頭頂面の高さで3次元の線形を忠実に表現する線路中心線と、空間座標の中心(地球の中心)から線路中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含むことを特徴とする。
【0019】
〔3〕上記〔1〕記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記GPSアンテナ設置位置情報はレール頭頂面からのGPSアンテナ高さを含むことを特徴とする。
【0020】
〔4〕上記〔1〕記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、列車上の異なるGPS受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、列車上の複数のGPS受信機が少なくとも1機の衛星からのGPS信号を受信してから全体として少なくとも異なる2機の衛星からのGPS信号を受信して、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とする。
【0021】
〔5〕上記〔1〕記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記列車位置検知システムは慣性センサを有することを特徴とする。
【0022】
〔6〕上記〔5〕記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサであることを特徴とする。
【0023】
〔7〕上記〔5〕記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサおよび加速度センサであることを特徴とする。
【0024】
〔8〕上記〔1〕記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、走行距離計を搭載させることを特徴とする。
【0025】
〔9〕GPS測位による列車走行情報検出方法において、複数の鉄道車両からなる列車に分散配置されたGPSアンテナとGPS受信機と、列車位置検知装置を備え、レール頭頂面の高さで、3次元の線形を忠実に表現する線路中心線と、空間座標の中心(地球の中心)から線路中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含む3次元線路マップと、列車上の複数のGPS受信機がそれぞれ少なくとも2機の衛星からのGPS信号を受信して、GPSアンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことにより、列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とする。
【0026】
〔10〕上記〔9〕記載のGPS測位による列車走行情報検出方法において、列車上の異なるGPS受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、列車上の複数のGPS受信機が少なくとも1機の衛星からのGPS信号を受信してから全体として少なくとも異なる2機の衛星からのGPS信号を受信して前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とする。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0028】
図1は本発明にかかる3次元線路マップの構造の模式図である。
【0029】
この図において、x,y,z軸を有する3次元空間内に線路1があり、この線路1は線路中心線(点線)2で描くことができ、勾配3を有し、縦曲線4、直線5、緩和曲線6、円曲線7などを有する。また、空間座標の中心(地球の中心)から線路中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角θを用いる。
【0030】
〔1〕3次元線路マップを用いる列車のGPS測位の原理
まず、ここでは、3次元線路マップの利用を前提としてGPS測位を主体的に用いる列車位置検知方法について説明する。
【0031】
通常のGPS測位では、観測点位置を3つの未知数x,y,zとし、i番目の衛星の位置をxsi,ysi,zsi、その衛星と観測点間の擬似距離をr、およびGPS受信機の時計誤差による距離への影響をsとすると、次式(1)が成立する〔非特許文献3〕。
【0032】
=√〔(x−xsi+(y−ysi+(z−zsi〕+s…(1)
この場合、観測点の3次元の座標と受信機時計誤差の4つの未知数を求めるには4つの式が必要となり、そのため少なくとも4機の衛星を観測する必要がある。
【0033】
一方、鉄道では、列車の移動が本質的に1次元であることからして、列車位置は(初期位置からの)移動距離dにより一意に定まり、その軌跡である線路は、空間曲線として次式(2)のように移動距離dにより助変数表示することができる。
【0034】
γ(d)=〔x(d),y(d),z(d)〕 …(2)
線路に分岐箇所がないか、あったとしても分岐器の開通方向が分かっていれば、列車の移動は脱線しない限り式(2)をトレースするので、式(1)は列車上のGPS測位においては次式(3)のようになる。
【0035】
=√{〔x(d)−Xsi+〔y(d)−Ysi+〔z(d)−Zsi}+s …(3)
ここで、x(d)、y(d)、z(d)は、3次元の線路マップを用いれば、移動距離によって一意に定まる。従って、列車が3次元線路マップのうちの1本の線路上のどこかに在線していることが明らかである場合には、未知数はdとsの2つのみとなる。つまり、未知数を求めるのに必要な式は2つであり、最低でも2機の衛星さえ観測できれば測位計算が可能となる。
【0036】
図2は本発明にかかる3次元線路マップを用いる列車のGPS測位の原理の説明図である。
【0037】
この図において、11は列車、12は線路、13は線路中心線(点線)、14は第1の衛星、15は第2の衛星である。
【0038】
列車11上のGPSアンテナの移動軌跡を定めるには、線路12側の情報として線路中心線13とカント角が最低限必要である。ここでは、線路中心線13はレール頭頂面の高さで、直線5、円曲線7、緩和曲線6、勾配3、縦曲線4といった3次元の線形(図1参照)を忠実に表現したものとする。カント角は、空間座標の中心(=地球の中心)から線路中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角として与える。
【0039】
図3は本発明にかかる列車位置検知装置の最小構成図である。
【0040】
この図において、21は列車に分散配置されたGPSアンテナ、22はGPS受信機、23は列車位置検知装置、24はその列車位置検知装置23内の測位計算部、25は線路の特定・トレース部、26はレール面からのアンテナ高さ記憶装置、27は3次元線路マップ記憶装置、28は分岐方向の判断のための角速度センサである。
【0041】
本列車位置検知装置23の実装においては、図3に示すように、GPS受信機22は通常のものを用いるが、擬似距離を出力するように設定する。列車位置検知装置23本体は、3次元線路マップ記憶装置27に3次元線路マップを格納しており、空間曲線である線路中心線をレール面からのアンテナ高さとカント角により補正しながら測位計算を行う。なお、分岐器の開通方向に関する情報が与えられないとすれば、分岐方向の判断のために角速度センサ28が必要となる。
【0042】
以上の構成により、GPS測位に必要となる衛星が2個となり、従来のように4個の衛星を必要としていたのに比べると半減するため、信頼性が向上する。また、GPS信号の異常などにより線路上に解が求められないような状況を認識できるため、完全性(インテグリティ)の向上にも寄与する。
【0043】
建物等によるGPS信号の遮蔽が避けられない鉄道において、位置検知の連続性を維持するには、速度発電機や加速度センサなどのセンサを併用する方法が一般的である。なかでも、3次元線路マップとの相性がよいセンサは、加速度センサである。
【0044】
図4は本発明にかかる列車位置検知装置の構成図である。
【0045】
この実施例においては、第1実施例の装置に加速度センサ31と線路のトレース部32を追加したもので、線路のトレース部32は、この加速度センサ31からの情報と、角速度センサ28からの情報を取り込み、列車の走行距離を積算して実際の走行距離を求めるほか、列車走行に伴い線形によって車両に加わる加速度・角速度を検出し、3次元線路マップを活用して線路上の位置をトレースするとともに、線路の特定・トレース部25は、アンテナ高さ記憶装置26と3次元線路マップ記憶装置27からの情報に基づいて、線路の特定・トレースを行い、GPS測位による線路の特定・トレース部25と、慣性センサ(加速度センサ,角速度センサ)による線路のトレース部32との比較照合・相互補完を行うように構成することができる。
【0046】
すなわち、走行中、列車位置検知装置30本体では、3次元線路マップ記憶装置27からの3次元線路マップに基づくGPS測位とは独立して、加速度センサ31、角速度センサ28からなる慣性センサに基づく3次元線路マップのトレースを行う。これらの比較照合や相互補完により、第1実施例の構成にも増して完全性および信頼性を向上させることができる。
【0047】
なお、上記列車位置検知装置は1個示されているが、1台の車両の場合は、その組を車両の前後に配置して、それぞれ少なくとも2個の衛星からのGPS信号を受信して情報の授受を行うことにより、鉄道車両の在線位置と向きを把握することができる。
【0048】
図5は本発明の第1実施例を示す列車位置検知装置の構成図であり、図5(a)はその列車位置検知装置の全体構成図、図5(b)はその位置検知装置の構成図である。
【0049】
この実施例において、101は複数の車両101−1,101−2,…,101−nからなる列車、110は第1の列車位置検知システム、111はGPSアンテナ、112はGPS受信機、113は列車位置検知装置、114は角速度センサ、115は加速度センサ、121は複数の車両101−1,101−2,…,101−n内に配置される車内LAN、130は第nの列車位置検知システム、131はGPSアンテナ、132はGPS受信機、133は列車位置検知装置、134は角速度センサ、135は加速度センサである。
【0050】
上記した列車位置検知装置113,133は、図5(b)に示すように、受信機ID・疑似距離を入力して測位計算及びチェックを行う測位計算及びチェック部201、線路の特定・トレースを行う線路の特定・トレース部202、各センサの編成上の位置情報記憶装置203、3次元線路マップ記憶装置204、センサID・加速度とセンサID・角速度を取り込んで、線路のトレースを行う線路のトレース部205とを備えている。
【0051】
1編成上に分散配置されたGPS受信機および各種センサの全てを活用し、編成全体の在線位置と向きを把握する。そのため、各機器を車内LAN121に接続する。この構成では、各受信機、センサの編成上の設置位置が重要となることから、列車位置検知装置本体では、これらの位置把握と出力メッセージの識別を行う。従って、センサ、受信機側にも識別情報送出などの機能付加が必要となる。各運転台屋根上にGPSアンテナ111,131が設置されるとすれば、単純に冗長構成になるということで信頼性が向上するだけでなく、編成長が長いほど同一要因(ビルとか駅の庇など)による遮蔽等の影響を受け難くなるという利点がある。
【0052】
また、受信機時計が同期していれば、離れた運転台上の受信機が別々の衛星を1機ずつ捕捉できるような状況でも測位できる。
【0053】
このような場合について、詳細に説明する。
【0054】
列車の前後にGPS受信機を配置すると、ビルとか駅構内の庇などの軽微な遮蔽物があっても列車の前後では見晴らしが異なることにより、異なった衛星を捕捉可能である。ここでは、このように別のGPS受信機で受信した疑似距離を用いることで軽微な遮蔽によるGPS測位不能を避ける受信方式をとることができる。
【0055】
図6はかかる列車において、3次元線路マップを測位計算に用いずGPS測位率を高める方法の説明図である。
【0056】
この図に示すように、2台のGPS受信機による測位は8つの未知数を持つ。この未知数を既知のものとして追加することで必要な衛星数を減らしていくことができる。図6は4衛星まで減らしていけることを示している。
【0057】
つまり、第1のGPS受信機と第2のGPS受信機との距離r、高低角φを不変、時計誤差dt1,dt2を予測可能と仮定すると、3次元線路マップを測位計算に用いず4衛星でGPS測位が可能であり、慣性センサからの情報なしで、測位が可能である。換言すれば、これに加えて3次元線路マップを測位計算に用いれば、列車上の複数のGPS受信機が少なくとも1機の衛星からのGPS信号を受信してから全体として少なくとも異なる2機の衛星からのGPS信号を受信することにより、慣性センサからの情報なしで、測位が可能である。
【0058】
そこで、以下に上記で不変及び予測可能とした未知数の予測方法について説明する。
【0059】
(1)GPS受信機の時計誤差の予測
真の時刻(この場合はGPS時刻)からGPS受信機の時刻はずれていく。しかし、単独測位を行うことで、そのGPS受信機の時計誤差を知ることができる。
【0060】
=√〔(x−x+(y−y+(z−z〕−s…(4)
ここで、rは疑似距離、(x,y,z)はGPS受信機の座標、
(x,y,z)はi番目の衛星の座標を示す。
【0061】
4機の衛星を受信すると4個の方程式ができるので、(x,y,z)とGPS受信機の時計誤差sが求まる。
【0062】
いま仮にGPS受信機が受信不能となって時計誤差を予測しようとすると、計算できた(予測できた)期間のsの変化曲線から予測することになる。
【0063】
一般のGPS受信機の時計精度は、10−6程度であり、安定性もあまり良くない。
【0064】
図7及び図8は実際のGPS受信機の時計誤差の変化を示す図であり、それぞれ上段に時計誤差、下段に時計誤差の変化率を示しており、図7はその長時間の変化を、図8はその短時間の変化を示して示している。
【0065】
図8で15分間のデータで予測した変化率を30分のところまで延長すると、毎秒6mにも相当する予測はずれとなる。GPS受信機の時計の精度を10−8程度(十分実現可能な値)に高くすると、毎秒0.06m以内に予測は入ることになり、実用的な範囲での予測が可能である。
【0066】
(2)GPS受信機間の高低差の不変性
列車が高低差のある線路を登り降りすることでGPS受信機の高低差(高低角φ)が変化するが、これが期待する計測位置の誤差に比べ少なければこの条件は成り立つ。つまり、高低角φを受信できなくなった時の値に固定する。
【0067】
(3)GPS受信機間の距離の不変性
列車がカーブを曲がるとGPS受信機間の距離rが変化するが、これが期待する計測位置の誤差に比べて少なければ、この条件は成り立つ。つまり、距離rを受信できなくなった時の値に固定する。
【0068】
このように、これらの値を仮定することで測位計算を行う。
【0069】
図9は本発明の第2実施例の慣性センサなしでGPS測位率を高める列車位置検知方法を示す模式図である。
【0070】
前述の方法で、第1のGPS受信機301と第2のGPS受信機302の時計誤差及び2点間のベクトルが予測できたとして、第2のGPS受信機302で受信した疑似距離を予測時計誤差で時計誤差を補正後、第1のGPS受信機301の場所で受信した疑似距離に変換する。
【0071】
合計4個の衛星のデータがあれば、上記式(4)に値を代入して測位計算機303により演算を行い測位計算して測位することができる。換言すれば、これに加えて3次元線路マップを用いれば合計2個の衛星のデータがあれば、測位計算して測位することができる。この測位計算機303は高度な処理能力を必要としない。
【0072】
このように、本発明では、列車編成が長いという特徴を利用して、ある測位地点では受信不能な衛星情報を他のGPS受信機で補い、より信頼性の高いGPS測位を行うことができる。
【0073】
完全性の向上については、複数アンテナの位置関係に基づいて各受信機出力を相互にチェックすることが可能となる。また、複数のGPS受信機を異機種とすることで、バグ等による誤りを排除できる可能性がある。
【0074】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0075】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【0076】
(1)3次元線路マップを用いる列車のGPS測位においては、列車の前方、後方(方位)の中低仰角の2衛星を捕捉できる状況で最も測位精度が良くなる。鉄道では、トンネル前後を除くと通常は線路の前後方向の上空は開けているため、本発明を用いることにより、市街地や山間部などにおける測位精度、信頼性の飛躍的向上が期待できる。すなわち、本発明は、市街地が拡がり、山間部の多い日本の鉄道に適した方式であると言える。
【0077】
(2)3機以上の衛星が捕捉できる場合は、航法システムのRAIM(receiver autonomous integrity monitoring)と同様にチェックに使えるため、完全性の向上につながる。また、3次元線路マップ上に測位解が求められない場合は、GPS信号の異常とみなすことができるため、同様に完全性の向上につながる。
【0078】
(3)トンネル内などGPS衛星を捕捉できない場合でも、3次元線路マップとの相性が良い慣性センサ(加速度センサ、角速度センサ)を用い、3次元線路マップとのマッチング処理を行うことによって、位置検知精度を向上させることができる。
【0079】
(4)準天頂衛星が運用されれば、常時天頂付近に配置される衛星がVDOP(Vertical Dilution of Precision)改善に貢献するため、高度を含む3次元線路マップの有用性が高まる。
【0080】
以上のように、本発明の列車位置検知装置は、既に提案した列車位置検知装置を更に改良して線路マップの3次元化により、GPS測位の性能を向上させ、かつ慣性センサ(加速度センサ、角速度センサ)との親和性を高めることによって列車位置検知装置としての大幅な性能向上が込めるものである。
【0081】
また、精密な3次元線路マップは、準天頂衛星の運用により測位精度が向上し受信機が使いやすいものになれば、線路、周辺設備、構造物の絶対位置管理など多用途に利用できる可能性がある。但し、3次元線路マップを利用したアプリケーションが成立するには、国総研高度情報化研究センターにおいて取り組まれているようなデータ更新の枠組みの構築が極めて重要である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる3次元線路マップの構造の模式図である。
【図2】本発明にかかる3次元線路マップを用いる列車のGPS測位の原理の説明図である。
【図3】本発明にかかる列車位置検知装置の最小構成図である。
【図4】本発明にかかる列車位置検知装置の構成図である。
【図5】本発明の第1実施例を示す列車位置検知装置の構成図である。
【図6】本発明の第2実施例の慣性センサなしでGPS測位率を高める方法の説明図である。
【図7】実際のGPS受信機の時計誤差の変化(長時間の変化)を示す図である。
【図8】実際のGPS受信機の時計誤差の変化(短時間の変化)を示す図である。
【図9】本発明の第2実施例の慣性センサなしでGPS測位率を高める列車位置検知方法を示す模式図である。
【符号の説明】
1,12 線路
2,13 線路中心線(点線)
3 勾配
4 縦曲線
5 直線
6 緩和曲線
7 円曲線
11,101 列車
14 第1の衛星
15 第2の衛星
21,111,131 列車に分散配置されたGPSアンテナ
22,112,132 GPS受信機
23,30,113,133 列車位置検知装置
24 測位計算部
25,202 線路の特定・トレース部
26 レール面からのアンテナ高さ記憶装置
27,204 3次元線路マップ記憶装置
28,114,134 角速度センサ
31,115,135 加速度センサ
32,205 線路のトレース部
101−1,101−2,…,101−n 複数の車両
110 第1の列車位置検知システム
121 車内LAN
130 第nの列車位置検知システム
201 測位計算及びチェック部
203 各センサの編成上の位置情報記憶装置
301 第1のGPS受信機
302 第2のGPS受信機
303 測位計算機
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a train traveling information detection device based on GPS positioning and a method for detecting train traveling information.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as the topics related to the satellite positioning system, plans such as modernization of the Global Positioning System (GPS) (USA), reproduction of GLONASS (Russia), and construction of Galileo (Europe) have been announced one after another. In Japan, construction of a quasi-zenith satellite system is under study for operation start around 2008.
[0003]
In this quasi-zenith satellite system, at least one satellite is arranged near the zenith as its name suggests, so that it can be always captured at an elevation angle of 70 ° or more and is not easily affected by buildings or the like. In addition, development is underway to secure positioning accuracy of about 1 cm for a stationary body and about 25 cm for a moving body by utilizing an electronic reference point of the Geographical Survey Institute.
[0004]
Under such circumstances, it is expected that the development of the satellite positioning use application will also progress. In the aeronautics field, since GPS positioning is mainly used as a navigation device, a GPS augmentation system that satisfies the required specifications of positioning accuracy, reliability, continuity (continuity), and integrity (integrity) determined for each flight phase Is being built.
[0005]
In the case of railroads, it is considered that a similar technique can be used to extend the range of application to position detection means for applications in which safety such as train control is important. However, in a railway where the reception environment of the GPS signal is significantly disadvantageous as compared with an aircraft such as shielding by a building or the like, some measures to improve this problem are required.
[0006]
By the way, route information as well as a position detection function is indispensable for so-called intelligent trains to which information technology is applied. For example, in a vehicle body inclination control system, an on-vehicle computer that stores a linear database generates and controls a target angle foreseeing with a curve while detecting position.
[0007]
In addition, a digital ATC to be introduced on the Yamanote Line / Keihin Tohoku Line and a train control system CARAT (Computer And Radio Aided Train control system) [Non-patent Document 1] that realizes movement blockage are also used as a location detector based on route information. Perform security speed control. The reason that such a system is established in a railway is that movement on a railroad is essentially one-dimensional, and it is easier to create route information than a road or the like.
[0008]
When using GPS positioning to detect the position of a train having such characteristics, a three-dimensional track map that is more precise than map matching performed in a car navigation system is prepared and a single line map is prepared. Assuming that the train is located somewhere on the track, it is considered that positioning calculation can be performed only by GPS signals from two satellites. The fact that the number of satellites required for positioning can be reduced by half as compared with the conventional positioning method based on GPS signals from four satellites means that the performance of reliability and other performance in railways where the GPS signal reception environment is inferior to aircraft is poor. Improvement can be achieved.
[0009]
The inventors of the present application have already proposed, as [Patent Document 1], mounting a GPS receiver on a railway vehicle and performing GPS positioning of the railway vehicle. In this case, one GPS receiver is mounted on the railway vehicle to perform GPS positioning.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-2001-56234, page 3-5, FIG.
[Non-patent document 1]
Haruo Yamamoto, Noriyuki Nishibori: CARAT, RRR, Vol. 56, no. 9, pp. 8-9, 19999.9
[Non-patent document 2]
Masayuki Matsumoto, Akiyoshi Hosokawa, Chitaro Kawada: Database configuration of digital ATC on-board equipment, Proceedings of domestic symposium on cybernetics in railways, pp. 226-229, 2000.11
[Non-Patent Document 3]
Tadashi Okutani: Information Infrastructure for National Land Management, NRI Annual Report, No. 1, pp. 24-28, 2002.3
[Non-patent document 4]
Akio Yasuda: GPS and its applications, GPS Symposium 2001, pp. 193-116, 2001.11
[Non-Patent Document 5]
Masatoshi Ikeda: Trends in Train Position Sensing Techniques, Railway Technical Research Institute Report, Vol. 13, No. 8, pp. 1-6, 19999.8
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The location of the train can be specified by the line section name (including the identification of the upper and lower lines), the kilometers, and the number lines. Such a simple location identification method is possible because the movement of the train is essentially one-dimensional, as described above. However, in this method, if the train travels other than the main line in the station yard, the traveling distance will be longer than the main line and it will differ from the kilometer, or if the train is bypassed or shorted due to construction work However, there is a disadvantage that the occurrence of overlap is inevitable for about a kilometer.
[0012]
Control systems, such as a vehicle inclination control system, a digital ATC, and a CARAT, which perform position detection based on route information, do not directly use a distance of about km because they require an accurate distance. For example, in a vehicle body inclination control system, the position of a curve to be controlled is specified by a distance from an ATS ground vehicle as a reference. In the digital ATC, a unique route ID is assigned to every ATC route, and the absolute position is recognized in combination with the remaining distance in the route [Non-Patent Document 2].
[0013]
The CARAT is similar to the above, and is represented by a data link of a logical block in which a branch obtained by dividing a line at a node is used as a unit, and an absolute position is recognized based on a block number and an intra-block distance.
[0014]
As described above, in each system, the on-rail position identification that satisfies the required level of the system is performed by an easy-to-use method and used for control. In these systems, since the route information is used as a base, it is necessary to maintain consistency between the ground equipment which may be changed due to construction work and the corresponding data on the vehicle.
[0015]
Various applications such as the driving support system (AHS) and pedestrian ITS, which are positioned at the center of ITS (Intelligent Transport System), enable cars and pedestrians to know the position on the road with an accuracy of about several tens of cm. Is assumed. For this reason, the Advanced Land Information Technology Research Center (MLIT) of the Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism (hereinafter referred to as the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) has developed road alignment, A study is underway on a method of constructing road map data (road base data) with a high accuracy of about 1/500 for road structures such as sidewalk steps [Non-Patent Document 3].
[0016]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a train travel information detection device and a train travel information detection method using GPS positioning that can improve continuity, completeness, and reliability.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in order to achieve the above object,
[1] In a train traveling information detection device based on GPS positioning, a plurality of GPS antennas distributed in a train composed of a plurality of railway vehicles, a GPS receiver connected to the GPS antenna, and a GPS receiver connected to the GPS receiver A train position detecting device, a storage device for storing a three-dimensional track map and GPS antenna installation position information in the train position detecting device, and a train position detecting system including the GPS receiver and the train position detecting device. A plurality of GPS receivers on the train each receive GPS signals from at least two satellites, and the train position detection device performs positioning calculation based on the installation position information of the GPS antenna. Thus, the present invention is characterized in that the train position and direction of the entire train are grasped.
[0018]
[2] In the train travel information detection device based on GPS positioning according to [1], the three-dimensional track map includes a track center line that faithfully represents a three-dimensional line shape by a height of a rail top surface, and a spatial coordinate line. It is characterized by including a cant angle which is a declination angle with respect to a straight line extending from the center (center of the earth) to a position on the track center line.
[0019]
[3] In the train traveling information detection device based on GPS positioning according to [1], the GPS antenna installation position information includes a GPS antenna height from a rail top surface.
[0020]
[4] In the train running information detection device based on GPS positioning according to [1], the distance between different GPS receivers on the train, the elevation angle is invariable, and the clock error can be predicted, so that a plurality of Receiving a GPS signal from at least one satellite and then receiving GPS signals from at least two different satellites as a whole, and the train position detecting device performs positioning calculation. I do.
[0021]
[5] In the train traveling information detecting device based on GPS positioning according to [1], the train position detecting system includes an inertial sensor.
[0022]
[6] The train traveling information detecting device based on GPS positioning according to [5], wherein the inertial sensor is an angular velocity sensor.
[0023]
[7] In the train traveling information detecting device based on GPS positioning according to the above [5], the inertial sensor is an angular velocity sensor and an acceleration sensor.
[0024]
[8] The train traveling information detecting device based on GPS positioning according to the above [1], wherein a odometer is mounted.
[0025]
[9] In a method of detecting train running information by GPS positioning, a train comprising a plurality of railway vehicles is provided with a GPS antenna, a GPS receiver, and a train position detecting device, and the height of the rail top surface is three-dimensional. A three-dimensional line map including a line centerline that faithfully represents the line shape of the train, a cant angle that is a declination with respect to a straight line extending from the center of space coordinates (center of the earth) to a position on the line centerline, GPS receivers receive GPS signals from at least two satellites, respectively, and the train position detection device performs positioning calculation based on GPS antenna installation position information, thereby grasping the on-rail position and direction of the entire train It is characterized by doing.
[0026]
[10] In the method for detecting train running information by GPS positioning according to the above [9], the distance between different GPS receivers on the train, the elevation angle is invariable, and the clock error can be predicted. A GPS receiver from at least one satellite receives GPS signals from at least two different satellites as a whole, and the train position detecting device performs positioning calculation. .
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0028]
FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of a three-dimensional line map according to the present invention.
[0029]
In this figure, there is a line 1 in a three-dimensional space having x, y, and z axes. This line 1 can be drawn by a line center line (dotted line) 2, has a slope 3, a vertical curve 4, a straight line 5, a relaxation curve 6, a circular curve 7, and the like. Also, a cant angle θ, which is a declination angle with respect to a straight line extending from the center of the space coordinates (the center of the earth) to a position on the line center line, is used.
[0030]
[1] Principle of GPS positioning of train using three-dimensional track map
First, here, a description will be given of a train position detection method that mainly uses GPS positioning on the premise that a three-dimensional track map is used.
[0031]
In ordinary GPS positioning, the observation point position is set to three unknowns x, y, and z, and the position of the i-th satellite is x. si , Y si , Z si , The pseudorange between the satellite and the observation point is r i , And the effect of the clock error of the GPS receiver on the distance is s, the following equation (1) holds [Non-Patent Document 3].
[0032]
r i = √ [(xx si ) 2 + (Y-y si ) 2 + (Z−z si ) 2 ] + S ... (1)
In this case, four equations are required to obtain the three unknowns of the three-dimensional coordinates of the observation point and the clock error of the receiver, and therefore, it is necessary to observe at least four satellites.
[0033]
On the other hand, in railways, the train position is essentially the moving distance d (from the initial position) because the train movement is essentially one-dimensional. T And the track, which is the trajectory, is represented as a space curve by a moving distance d as shown in the following equation (2). T Can be displayed as a parameter.
[0034]
γ (d T ) = [X (d T ), Y (d T ), Z (d T )]… (2)
If there is no branching point on the track or if the direction of opening of the turnout is known, the train movement traces equation (2) as long as it does not derail, so equation (1) is used for GPS positioning on the train. Is given by the following equation (3).
[0035]
r i = √ {[x (d T ) -X si ] 2 + [Y (d T ) -Y si ] 2 + [Z (d T ) -Z si ] 2 } + S (3)
Where x (d T ), Y (d T ), Z (d T ) Is uniquely determined by the moving distance if a three-dimensional track map is used. Therefore, if it is clear that the train is located somewhere on one of the three-dimensional track maps, the unknown is d T And s. In other words, there are two equations required to determine the unknowns, and positioning calculations are possible as long as at least two satellites can be observed.
[0036]
FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of GPS positioning of a train using a three-dimensional track map according to the present invention.
[0037]
In this figure, 11 is a train, 12 is a track, 13 is a track center line (dotted line), 14 is a first satellite, and 15 is a second satellite.
[0038]
In order to determine the movement trajectory of the GPS antenna on the train 11, at least the track center line 13 and the cant angle are required as information on the track 12 side. Here, the track center line 13 is the height of the rail top surface and faithfully represents a three-dimensional line (see FIG. 1) such as a straight line 5, a circular curve 7, a transition curve 6, a gradient 3, and a vertical curve 4. I do. The cant angle is given as a declination angle with respect to a straight line extending from the center of the space coordinates (= the center of the earth) to a position on the line center line.
[0039]
FIG. 3 is a minimum configuration diagram of the train position detecting device according to the present invention.
[0040]
In this figure, 21 is a GPS antenna dispersedly arranged in a train, 22 is a GPS receiver, 23 is a train position detecting device, 24 is a positioning calculation unit in the train position detecting device 23, and 25 is a line specification / trace unit. , 26 is a storage device for the antenna height from the rail surface, 27 is a storage device for the three-dimensional line map, and 28 is an angular velocity sensor for determining the branching direction.
[0041]
In mounting the train position detecting device 23, as shown in FIG. 3, a normal GPS receiver 22 is used, but the GPS receiver 22 is set to output a pseudo distance. The main body of the train position detecting device 23 stores the three-dimensional track map in the three-dimensional track map storage device 27, and performs the positioning calculation while correcting the track center line, which is a space curve, by the antenna height and the cant angle from the rail surface. Do. If information on the opening direction of the branching device is not given, the angular velocity sensor 28 is required to determine the branching direction.
[0042]
With the above configuration, the number of satellites required for GPS positioning is two, which is halved compared to the case where four satellites are required as in the related art, so that the reliability is improved. In addition, it is possible to recognize a situation where a solution cannot be obtained on the track due to an abnormality in the GPS signal or the like, thereby contributing to an improvement in integrity.
[0043]
In railways where GPS signals are inevitably obstructed by buildings or the like, in order to maintain continuity of position detection, it is common to use a sensor such as a speed generator or an acceleration sensor in combination. Among them, a sensor that is compatible with the three-dimensional line map is an acceleration sensor.
[0044]
FIG. 4 is a configuration diagram of the train position detecting device according to the present invention.
[0045]
In this embodiment, an acceleration sensor 31 and a trace section 32 of a track are added to the apparatus of the first embodiment, and the trace section 32 of the track includes information from the acceleration sensor 31 and information from the angular velocity sensor 28. In addition to calculating the actual mileage by integrating the mileage of the train, detecting the acceleration and angular velocity applied to the vehicle linearly as the train travels, and tracing the position on the track using a three-dimensional track map At the same time, the line identification / trace unit 25 identifies and traces the line based on the information from the antenna height storage device 26 and the three-dimensional line map storage device 27, and specifies and traces the line by GPS positioning. And comparison and mutual complementation with the trace part 32 of the line by an inertial sensor (acceleration sensor, angular velocity sensor). .
[0046]
That is, during traveling, the main body of the train position detecting device 30 is based on the inertial sensor including the acceleration sensor 31 and the angular velocity sensor 28 independently of the GPS positioning based on the three-dimensional line map from the three-dimensional line map storage device 27. Trace a two-dimensional track map. Due to the comparison and collation and mutual complementation, completeness and reliability can be improved as compared with the configuration of the first embodiment.
[0047]
Although one train position detecting device is shown, in the case of one vehicle, the trains are arranged before and after the vehicle, and receive GPS signals from at least two satellites to receive information. , The location and direction of the railcar can be grasped.
[0048]
FIG. 5 is a configuration diagram of a train position detection device showing a first embodiment of the present invention. FIG. 5 (a) is an overall configuration diagram of the train position detection device, and FIG. 5 (b) is a configuration of the position detection device. FIG.
[0049]
In this embodiment, 101 is a train including a plurality of vehicles 101-1, 101-2,..., 101-n, 110 is a first train position detection system, 111 is a GPS antenna, 112 is a GPS receiver, and 113 is a GPS receiver. A train position detecting device, 114 is an angular velocity sensor, 115 is an acceleration sensor, 121 is an in-vehicle LAN arranged in a plurality of vehicles 101-1, 101-2, ..., 101-n, and 130 is an n-th train position detecting system , 131 is a GPS antenna, 132 is a GPS receiver, 133 is a train position detecting device, 134 is an angular velocity sensor, and 135 is an acceleration sensor.
[0050]
As shown in FIG. 5 (b), the train position detection devices 113 and 133 described above perform positioning calculation and checking unit 201 which performs positioning calculation and check by inputting a receiver ID and a pseudo distance, and specifies and traces a track. Line identification and tracing unit 202, position information storage device 203 for the organization of each sensor, three-dimensional line map storage device 204, line tracing that fetches sensor ID / acceleration, sensor ID / angular velocity, and traces the line Unit 205.
[0051]
Utilize all of the GPS receivers and various sensors distributed on one formation to grasp the on-rail position and orientation of the entire formation. Therefore, each device is connected to the in-vehicle LAN 121. In this configuration, since the installation positions of the receivers and sensors on the formation of the trains are important, the train position detection device main body grasps these positions and identifies output messages. Therefore, it is necessary to add functions such as transmission of identification information to the sensor and the receiver. Assuming that the GPS antennas 111 and 131 are installed on each cab roof, not only the reliability is improved by simply forming a redundant configuration, but also the longer the knitting growth, the same factor (eaves of buildings and stations). , Etc.) is less likely to be affected by shielding or the like.
[0052]
If the receiver clocks are synchronized, positioning can be performed even in a situation where a receiver on a remote cab can capture separate satellites one by one.
[0053]
Such a case will be described in detail.
[0054]
If GPS receivers are arranged before and after the train, different satellites can be captured due to different perspectives before and after the train even if there is a small shielding such as a building or eaves in the station yard. Here, by using the pseudo-range received by another GPS receiver in this way, a reception method that avoids GPS positioning inability due to slight shielding can be adopted.
[0055]
FIG. 6 is an explanatory diagram of a method for increasing the GPS positioning rate without using the three-dimensional track map for the positioning calculation in such a train.
[0056]
As shown in this figure, the positioning by two GPS receivers has eight unknowns. The number of required satellites can be reduced by adding the unknown as a known one. FIG. 6 shows that the number can be reduced to four satellites.
[0057]
That is, the distance r between the first GPS receiver and the second GPS receiver, the elevation angle φ are unchanged, and the clock error d t1 , D t2 Is assumed to be predictable, GPS positioning can be performed with four satellites without using a three-dimensional line map for positioning calculation, and positioning can be performed without information from an inertial sensor. In other words, in addition to this, if a three-dimensional track map is used for positioning calculation, at least two different satellites as a whole after a plurality of GPS receivers on the train receive GPS signals from at least one satellite. By receiving the GPS signal from, positioning is possible without information from the inertial sensor.
[0058]
Therefore, a method of predicting an unknown variable that is invariable and predictable above will be described below.
[0059]
(1) Prediction of clock error of GPS receiver
The time of the GPS receiver deviates from the true time (in this case, the GPS time). However, by performing sole positioning, the clock error of the GPS receiver can be known.
[0060]
r i = √ [(x i -X 0 ) 2 + (Y i -Y 0 ) 2 + (Z i -Z 0 ) 2 ] -S (4)
Where r i Is the pseudo distance, (x 0 , Y 0 , Z 0 ) Is the coordinates of the GPS receiver,
(X i , Y i , Z i ) Indicates the coordinates of the i-th satellite.
[0061]
When four satellites are received, four equations are created, so (x 0 , Y 0 , Z 0 ) And the clock error s of the GPS receiver are obtained.
[0062]
If the GPS receiver becomes unable to receive the signal and tries to predict the clock error, it is predicted from the change curve of s during the calculated (predictable) period.
[0063]
The clock accuracy of a general GPS receiver is 10 -6 And the stability is not very good.
[0064]
7 and 8 are diagrams showing changes in the clock error of the actual GPS receiver. The upper part shows the clock error and the lower part shows the rate of change of the clock error. FIG. 7 shows the long-term change. FIG. 8 shows the short-time change.
[0065]
If the change rate predicted by the data for 15 minutes in FIG. 8 is extended to 30 minutes, the prediction corresponding to 6 m per second is shifted. GPS receiver clock accuracy 10 -8 If it is increased to a degree (a sufficiently achievable value), the prediction will be within 0.06 m per second, and a prediction within a practical range is possible.
[0066]
(2) Invariance of height difference between GPS receivers
The difference in elevation (elevation angle φ) of the GPS receiver changes as the train climbs or descends on a track with a height difference, but this condition is satisfied if this is less than the expected error in the measurement position. In other words, the elevation angle φ is fixed to the value at the time when reception cannot be performed.
[0067]
(3) Invariance of distance between GPS receivers
When the train turns a curve, the distance r between the GPS receivers changes. If this is small compared to the expected error in the measurement position, this condition is satisfied. That is, the distance r is fixed to the value at the time when the reception becomes impossible.
[0068]
Thus, positioning calculation is performed by assuming these values.
[0069]
FIG. 9 is a schematic diagram showing a train position detecting method for increasing a GPS positioning rate without an inertial sensor according to the second embodiment of the present invention.
[0070]
Assuming that the clock error between the first GPS receiver 301 and the second GPS receiver 302 and the vector between the two points can be predicted by the above-described method, the pseudo distance received by the second GPS receiver 302 is predicted by the prediction clock. After correcting the clock error by the error, the clock is converted into a pseudo distance received at the location of the first GPS receiver 301.
[0071]
If there is data of a total of four satellites, the values can be substituted into the above equation (4), and calculations can be performed by the positioning calculator 303 to calculate the positioning and perform positioning. In other words, in addition to this, if a three-dimensional line map is used, if there is data of a total of two satellites, positioning can be calculated and positioning can be performed. The positioning calculator 303 does not require a high processing capability.
[0072]
As described above, in the present invention, by utilizing the feature that the train organization is long, satellite information that cannot be received at a certain positioning point is supplemented by another GPS receiver, and more reliable GPS positioning can be performed.
[0073]
As for the improvement of the integrity, it is possible to mutually check the outputs of the respective receivers based on the positional relationship of the plurality of antennas. In addition, there is a possibility that an error caused by a bug or the like can be eliminated by using a plurality of different GPS receivers.
[0074]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible based on the spirit of the present invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0075]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0076]
(1) In the GPS positioning of a train using a three-dimensional track map, the positioning accuracy is highest in a situation where two satellites having a medium and low elevation angle in front and behind (azimuth) of the train can be captured. In a railway, the sky above the front and rear of the track is usually open except for the front and rear of the tunnel. Therefore, by using the present invention, a drastic improvement in positioning accuracy and reliability in an urban area or a mountainous area can be expected. That is, it can be said that the present invention is a method suitable for a Japanese railway in which an urban area is expanded and many mountainous parts are provided.
[0077]
(2) When three or more satellites can be acquired, they can be used for checking in the same manner as RAIM (receiver autonomous integrity monitoring) of a navigation system, which leads to improvement in integrity. Further, when a positioning solution is not obtained on the three-dimensional line map, it can be regarded as an abnormality of the GPS signal, which similarly leads to improvement of the integrity.
[0078]
(3) Even when a GPS satellite cannot be captured, such as in a tunnel, position detection is performed by using an inertial sensor (acceleration sensor, angular velocity sensor) that is compatible with the three-dimensional line map and performing matching processing with the three-dimensional line map. Accuracy can be improved.
[0079]
(4) If the quasi-zenith satellite is operated, the satellites always arranged near the zenith contribute to the improvement of VDOP (Vertical Dilution of Precision), so that the usefulness of the three-dimensional line map including altitude is enhanced.
[0080]
As described above, the train position detecting device of the present invention further improves the performance of the GPS positioning by further improving the train position detecting device already proposed and making the track map three-dimensional, and the inertial sensor (acceleration sensor, angular velocity By improving the affinity with the sensor, the performance as a train position detecting device can be greatly improved.
[0081]
In addition, if the precise three-dimensional track map improves the positioning accuracy by the operation of the quasi-zenith satellite and makes the receiver easy to use, there is a possibility that it can be used for various purposes such as absolute position management of tracks, peripheral equipment, and structures. There is. However, in order to establish an application using a three-dimensional track map, it is extremely important to construct a data update framework, such as that being undertaken at the National Institute of Advanced Information Science and Technology.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of a three-dimensional line map according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of GPS positioning of a train using a three-dimensional track map according to the present invention.
FIG. 3 is a minimum configuration diagram of a train position detecting device according to the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a train position detection device according to the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a train position detection device showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a method of increasing a GPS positioning rate without an inertial sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a change (a long-term change) of a clock error of an actual GPS receiver.
FIG. 8 is a diagram showing a change (short-time change) of a clock error of an actual GPS receiver.
FIG. 9 is a schematic diagram showing a train position detection method for increasing a GPS positioning rate without an inertial sensor according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,12 tracks
2,13 Line center line (dotted line)
3 gradient
4 Vertical curve
5 straight line
6 Relaxation curve
7 Circle curve
11,101 train
14 First satellite
15 Second satellite
21,111,131 GPS antennas distributed on trains
22,112,132 GPS receiver
23, 30, 113, 133 Train position detection device
24 Positioning calculation unit
25,202 Line identification / trace section
26 Storage device for antenna height from rail surface
27,204 3D track map storage device
28,114,134 angular velocity sensor
31,115,135 acceleration sensor
32,205 Trace section of track
101-1, 101-2, ..., 101-n Multiple vehicles
110 First Train Position Detection System
121 Car LAN
130 n-th Train Position Detection System
201 Positioning calculation and checking unit
203 Position information storage device on the composition of each sensor
301 first GPS receiver
302 Second GPS receiver
303 positioning calculator

Claims (10)

(a)複数の鉄道車両からなる列車に分散配置された複数のGPSアンテナと、
(b)該GPSアンテナに接続されるGPS受信機と、
(c)該GPS受信機に接続される列車位置検知装置と、
(d)該列車位置検知装置に3次元線路マップとGPSアンテナ設置位置情報とを格納する記憶装置と、
(e)前記GPS受信機、列車位置検知装置を含む列車位置検知システム間を接続する車内LANとを備え、
(f)列車上の複数のGPS受信機がそれぞれ少なくとも2機の衛星からのGPS信号を受信して、前記GPSアンテナの設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことにより、列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出装置。
(A) a plurality of GPS antennas distributed on a train composed of a plurality of railway vehicles,
(B) a GPS receiver connected to the GPS antenna;
(C) a train position detecting device connected to the GPS receiver;
(D) a storage device for storing a three-dimensional track map and GPS antenna installation position information in the train position detection device;
(E) an in-vehicle LAN for connecting between the GPS receiver and a train position detecting system including a train position detecting device;
(F) A plurality of GPS receivers on the train each receive GPS signals from at least two satellites, and the train position detection device performs positioning calculation based on the installation position information of the GPS antenna, A train travel information detecting device based on GPS positioning, wherein the train position and direction of the entire train are grasped.
請求項1記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記3次元線路マップは、レール頭頂面の高さで3次元の線形を忠実に表現する線路中心線と、空間座標の中心(地球の中心)から線路中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含むことを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出装置。2. The train travel information detecting device based on GPS positioning according to claim 1, wherein the three-dimensional track map includes a track center line that faithfully expresses a three-dimensional line shape by a height of a rail top surface, and a center of spatial coordinates (earth. A train traveling information detecting device based on GPS positioning, including a cant angle which is a declination angle with respect to a straight line extending from the center to a position on the track center line. 請求項1記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記GPSアンテナ設置位置情報はレール頭頂面からのGPSアンテナ高さを含むことを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出装置。2. The train traveling information detecting apparatus according to claim 1, wherein said GPS antenna installation position information includes a GPS antenna height from a rail top surface. 請求項1記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、列車上の異なるGPS受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、列車上の複数のGPS受信機が少なくとも1機の衛星からのGPS信号を受信してから全体として少なくとも異なる2機の衛星からのGPS信号を受信して、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出装置。The train running information detecting device based on GPS positioning according to claim 1, wherein the distance between different GPS receivers on the train, the elevation angle is invariable, and the clock error can be predicted, so that a plurality of GPS receivers on the train can be predicted. Receiving GPS signals from at least one satellite and then receiving GPS signals from at least two different satellites as a whole, and the train position detecting device performs positioning calculation. Train running information detection device. 請求項1記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記列車位置検知システムは慣性センサを有することを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出装置。The train travel information detecting device based on GPS positioning according to claim 1, wherein the train position detecting system has an inertial sensor. 請求項5記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサであることを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出装置。The train travel information detecting device based on GPS positioning according to claim 5, wherein the inertial sensor is an angular velocity sensor. 請求項5記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、前記慣性センサは、角速度センサおよび加速度センサであることを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出装置。6. The train travel information detecting apparatus according to claim 5, wherein said inertial sensor is an angular velocity sensor and an acceleration sensor. 請求項1記載のGPS測位による列車走行情報検出装置において、走行距離計を搭載させることを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出装置。The train travel information detecting device based on GPS positioning according to claim 1, further comprising an odometer mounted thereon. 複数の鉄道車両からなる列車に分散配置されたGPSアンテナとGPS受信機と、列車位置検知装置を備え、レール頭頂面の高さで、3次元の線形を忠実に表現する線路中心線と、空間座標の中心(地球の中心)から線路中心線上の位置に延ばした直線に対する偏角であるカント角を含む3次元線路マップと、列車上の複数のGPS受信機がそれぞれ少なくとも2機の衛星からのGPS信号を受信して、GPSアンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことにより、列車全体の在線位置と向きを把握することを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出方法。A track center line that includes a GPS antenna and a GPS receiver distributed on a train composed of a plurality of railcars, and a train position detecting device, and faithfully expresses a three-dimensional alignment at the height of a rail top surface; A three-dimensional track map including a cant angle, which is a declination angle with respect to a straight line extending from the center of coordinates (the center of the earth) to a position on the track center line, and a plurality of GPS receivers on the train are transmitted from at least two satellites. Train running information detection by GPS positioning, wherein a GPS signal is received, and the train position detecting device performs positioning calculation based on GPS antenna installation position information to grasp the on-rail position and direction of the entire train. Method. 請求項9記載のGPS測位による列車走行情報検出方法において、列車上の異なるGPS受信機間の距離、高低角を不変、及び時計誤差を予測可能とすることにより、列車上の複数のGPS受信機が少なくとも1機の衛星からのGPS信号を受信してから全体として少なくとも異なる2機の衛星からのGPS信号を受信して、前記列車位置検知装置が測位計算を行うことを特徴とするGPS測位による列車走行情報検出方法。10. The method for detecting train running information by GPS positioning according to claim 9, wherein the distance between different GPS receivers on the train, the elevation angle is invariable, and the clock error can be predicted, so that a plurality of GPS receivers on the train are provided. Receiving GPS signals from at least one satellite and then receiving GPS signals from at least two different satellites as a whole, and the train position detecting device performs positioning calculation. Train running information detection method.
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