JP2018028516A - 列車位置検出装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】列車の車両に車両の認証後に位置検出システムを設けなければならない場合に、衛星の測位用電波の直接波を受信できない場所であっても位置精度の低下を抑制する。【解決手段】実施形態の列車位置検出装置の鉄道設計基準記憶部は、列車が走行する線路の鉄道設計基準を予め記憶する。そして、位置検出部は、複数の衛星から受信アンテナを介して測位用電波を受信して列車の位置を検出する動作と並行して自立航法センサからの入力信号に基づいて列車の位置を自立航法により検出する。この際に位置検出部は、測位用電波による列車の位置の検出結果が鉄道設計基準を満たしていない場合に、自立航法による位置の検出結果で測位用電波による列車の位置の検出結果を補正する。【選択図】図５

Description

本発明の実施形態は、列車位置検出装置及び方法に関する。
ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を用いて列車の位置検知を行う位置検知システムを鉄道車両に設置する場合、車両の認証時に装備されていなかったＧＮＳＳの受信アンテナを車両の屋根に装備することはできない。
このため、車両の認証後に位置検知システムを導入しようとする場合には、室内にアンテナを設置することになり、屋根等の障害物により衛星を十分捕捉できない虞がある。
結果として電波の受信状態が悪くなり、衛星数が足りない場合や反射波の影響を受け位置精度が低下することが多かった。駅でも屋根がある場所が多いため衛星による位置精度が低くなることが多い。
特開２００３−２９４８２５号公報
このため、障害物により衛星を十分捕捉できない場所、特に駅やトンネルなどにおいては、衛星の測位用電波の直接波を受信できず、十分な衛星数と電波強度を得られずに位置精度が低下することとなっていた。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、列車の車両に車両の認証後に位置検出システムを設けなければならない場合に、衛星の測位用電波の直接波を受信できない場所であっても位置精度の低下を抑制することが可能な列車位置検出装置及び方法を提供することにある。
実施形態の列車位置検出装置の鉄道設計基準記憶部は、列車が走行する線路の鉄道設計基準を予め記憶する。そして、位置検出部は、複数の衛星から受信アンテナを介して測位用電波を受信して列車の位置を検出する動作と並行して自立航法センサからの入力信号に基づいて列車の位置を自立航法により検出する。
この際に位置検出部は、測位用電波による列車の位置の検出結果が鉄道設計基準を満たしていない場合に、自立航法による位置の検出結果で測位用電波による前記列車の位置の検出結果を補正する。
図１は、実施形態の列車位置検出システムの概要構成ブロック図(平面図)である。 図２は、列車位置検出装置の概要構成ブロック図である。 図３は、列車位置検出装置におけるＧＮＳＳ測位用信号の処理フローチャートである。 図４は、仰角範囲の設定の説明図である。 図５は、演算処理部における全体処理フローチャートである。
次に図面を参照して実施形態について説明する。
［１］実施形態
図１は、実施形態の列車位置検出システムの概要構成ブロック図(平面図)である。
列車位置検出システム１０は、列車１１の先頭車両１１Ｆ及び後尾車両１１Ｒのそれぞれに配置され、測位用電波に対応するＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）測位用信号を出力するＧＮＳＳ受信アンテナ１２と、後述する入力信号としてのＧＮＳＳ測位用信号、方向信号、加速度信号、方位信号及び姿勢信号に基づいて位置算出を行う列車位置検出装置１６と、を備えている。
ここで、列車１１は、中間車両１１Ｍを備えている。
図２は、列車位置検出装置の概要構成ブロック図である。
列車位置検出装置１６には、図２に示すように、ジャイロセンサ等として構成され列車１１の移動方向を検出して方向信号を出力する方向センサ１３と、列車１１の加速度を検出して加速度信号を出力する加速度センサ１４と、地磁気センサ等として構成され列車１１の方位あるいは列車１１の姿勢（傾き）を検出して方位信号及び姿勢信号を出力する方位センサ１５と、が接続されている。
そして、列車位置検出装置１６は、ＧＮＳＳ受信アンテナ１２を介して入力されるＧＮＳＳ測位用信号の高周波増幅を行う高周波増幅部２１と、局部発振器２２が生成した局部発振周波数と混合して中間周波数信号に変換するミキサ２３と、ミキサ２３の出力した中間周波数信号の増幅を行う中間周波増幅部２４と、中間周波増幅部２４の出力した増幅中間周波数信号のアナログ／ディジタル変換を行うＡ−Ｄ変換器２５と、Ａ−Ｄ変換器２５の出力データに基づいてＣ／Ａコードの復調を行うとともに、局部発振器２２の制御を行うコード相関部２６と、を備えている。
さらに列車位置検出装置１６は、コード相関部２６が復調したＣ／Ａコードから航法メッセージデータを復調し、衛星の軌道演算及び衛星の位置を演算してＧＮＳＳ受信アンテナ１２の位置、すなわち、列車１１の先頭車両１１Ｆの位置、速度及び時刻あるいは後尾車両１１Ｒの位置、速度及び時刻を求めるとともに、入力された方向データ、加速度データ、方位データ及び姿勢データに基づいて、列車１１の先頭車両１１Ｆの位置、速度、方位及び車両の傾斜あるいは後尾車両１１Ｒの位置、速度、方位及び車両の傾斜を求め、通信ラインを介して、列車制御装置に通知する演算処理部２７と、予め鉄道の線路設計基準をデータベースとして格納した鉄道設計基準データベース（ＤＢ）２８と、を備えている。
まず、列車位置検出装置１６における列車１１の位置検出に用いる測位用電波を送信している衛星の選択方法について説明する。
この場合において、列車位置検出システム１０は、列車１１を構成している先頭車両１１Ｆ及び後尾車両１１Ｒに対して後から追加して設置されることを前提としており、ＧＮＳＳ受信アンテナ１２は、例えば、先頭車両１１Ｆ及び後尾車両１１Ｒのそれぞれに設けられた運転台の周辺（例えば、フロントウィンドウの近傍）に設置される。
ここで、図１に示すように、列車進行方向に沿って進む列車１１において、先頭車両１１Ｆの運転台周辺に設置したＧＮＳＳ受信アンテナ１２に対して、進行方向前方（図１中、破線三角形で示す）からの測位用電波は、直接波として受信されるが、先頭車両１１Ｆの進行方向前方以外の周囲（特に車両の左右方向）からは、反射波の衛星信号が多く入ることとなる。
特に列車の場合には急に曲がるような曲率を有するカーブは存在しないため、線路の前方には、障害物が少ない。
これに対して線路上を走る列車では左右の幅は比較的狭くても問題がないため、周囲に位置する建物や壁からの反射での測位用電波が入射する可能性は高い。
そこで、本実施形態においては、直接波を受信可能な衛星のみを選択し、位置検出を行うようにしている。
図３は、列車位置検出装置におけるＧＮＳＳ測位用信号の処理フローチャートである。
まず、列車位置検出装置１６は、ＧＮＳＳ受信アンテナ１２を介して衛星から測位用電波を受信する（ステップＳ１１）。
列車位置検出装置１６の演算処理部２７は、衛星毎に測位用電波の電波強度を判定し、位置計算に用いるのに十分か否かを判別するための所定の電波強度閾値以上であるか否かを判別する（ステップＳ１２）。
ステップＳ１２の判別において、所定の電波強度閾値未満である場合には（ステップＳ１２；Ｎｏ）、当該衛星の測位用電波は、位置測定に適していないため除外する（ステップＳ１３）。
ステップＳ１２の判別において、所定の電波強度閾値以上である場合には（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、測位用電波に含まれるアルマナックデータから当該衛星の現在位置におけるおおよその仰角を算出する（ステップＳ１４）。
次にＧＮＳＳ位置演算装置１３の演算処理部２７は、算出した仰角が位置演算対象となり得る所定の仰角範囲内に含まれているか否かを判別する（ステップＳ１５）。
図４は、仰角範囲の設定の説明図である。
車両の運転室内に設置されたＧＮＳＳ受信アンテナ１２に対し、図４に示すように、仰角が小さすぎる（水平線に近すぎる）と位置精度が低下する可能性が高いため、最小仰角θ１を設定するとともに、フロントウィンドウ（運転台前方の窓ガラス）ＦＷの開口に合わせた最大仰角θ２を設定している。したがって、この最小仰角θ１〜最大仰角θ２の間の仰角を有する衛星の測位用電波を位置演算対象としている。
ステップＳ１５の判別において、算出した仰角が位置演算対象となり得る所定の仰角範囲外である場合には（ステップＳ１５；Ｎｏ）、当該衛星の測位用電波は、位置測定に適していないため除外し（ステップＳ１３）、処理をステップＳ１７に移行する。
ステップＳ１５の判別において、算出した仰角が位置演算対象となり得る所定の仰角範囲内に含まれている場合には（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、当該衛星の測位用電波は、位置測定に適していると考えられるので、当該衛星を測位用データ（例えば、電波強度）と組みにして位置算出対象衛星のリストに追加する（ステップＳ１６）。
次に受信した全ての衛星の測位用電波に対応するＧＮＳＳ測位用信号について処理が完了したか否かを判別する（ステップＳ１７）。
ステップＳ１７の判別において、未だ受信した全ての衛星の測位用電波に対応するＧＮＳＳ測位用信号について処理が完了していない場合には（ステップＳ１７；Ｎｏ）、処理をステップＳ１２に移行して、以下同様の処理を行う。
ステップＳ１７の判別において、受信した全ての衛星に対応するＧＮＳＳ測位用信号について処理が完了した場合には（ステップＳ１７；Ｙｅｓ）、位置算出対象衛星のリストに追加されている衛星の測位用電波に対応するＧＮＳＳ測位用信号を用いて、列車の現在位置を算出する（ステップＳ１８）。
具体的には、先頭車両１１Ｆの運転室に設けられた列車位置検出装置１６は、ＧＮＳＳ測位用信号を用いて先頭車両１１Ｆの現在位置を算出し、後尾車両１１Ｒの運転室に設けられた列車位置検出装置１６は、ＧＮＳＳ測位用信号を用いて後尾車両１１Ｒの現在位置を算出することとなる。
ＧＮＳＳ測位用電波は、上述したように周囲環境により安定して受信できるとは限らない。
ところで、鉄道においては、車輪間の幅（軌間）及び列車の走行速度に基づいて線路の設置の設計基準が定まっている。
具体的には、最小曲線半径（設計最高速度及び本線路、分岐器付帯曲線あるいは駅ホームに沿った曲線のいずれであるかに基づく）、緩和曲線、スラック、カント、勾配等の鉄道設計基準が定まっている。
ここで、鉄道設計基準は、車両１１（列車）の走行速度により異なるので、検出した車両１１の走行速度に従って参照する鉄道設計基準は異なる。
そこで、本実施形態においては、ＧＮＳＳ測位用信号を用いて得られた車両１１の移動軌跡が、鉄道の設計基準に則って得られる情報に対して逸脱しているか否か、すなわち、鉄道の設計基準からあり得る移動軌跡か否かを判別し、ＧＮＳＳ測位用信号により得られる自車両の移動軌跡が鉄道の設計基準に対して想定されない移動軌跡である場合には、位置演算精度が低下しているものとして、自立航法に基づく自車両位置でＧＮＳＳ測位用信号により得られる自車両位置を補正するようにしている。
図５は、演算処理部における全体処理フローチャートである。
以下、図５を参照して実施形態の動作を説明する。
まず演算処理部２７は、ＧＮＳＳ受信アンテナ１２を介して入力されたＧＮＳＳ測位用信号を用いて図３に示したＧＮＳＳ測位用信号の処理フローチャートにしたがって位置計測を行い列車の現在位置を算出する（ステップＳ２１）。
そして、順次算出した現在位置を移動軌跡データとして記憶する。
続いて演算処理部２７は、ＧＮＳＳ測位用信号により得られた移動軌跡データに基づいて車両１１の移動軌跡の直線性及び回転半径を検出する（ステップＳ２２）。
続いて、演算処理部２７は、ＧＮＳＳ測位用信号により得られた移動軌跡データについて鉄道設計基準データベース２８を参照する（ステップＳ２３）。
上記ステップＳ２１〜ステップＳ２３の処理と並行して、演算処理部２７は、入力された方向データ、加速度データ、方位データ及び姿勢データに基づいて、自立航法方式により車両１１の位置、速度、移動方向及び姿勢計測を行う（ステップＳ２４）。
続いて、演算処理部２７は、入力された方向データ、加速度データ、方位データ及び姿勢データに基づいて移動軌跡データを算出し、算出した移動軌跡データについて鉄道設計基準データベース２８を参照する（ステップＳ２５）。
これにより、演算処理部２７は、ステップＳ２３の参照結果に基づいてＧＮＳＳ測位用信号により得られた移動軌跡データについて鉄道設計基準内であるか、すなわち、鉄道設計基準を満たしているか否かを判別する（ステップＳ２６）。
具体的には、曲線半径が車両１１の速度に応じた最小曲線半径を満たしているか、緩和曲線に対応するとされる線路が所定の鉄道設計基準を満たしているか等を判別する。
ステップＳ２６の判別において、ＧＮＳＳ測位用信号により得られた移動軌跡データについて鉄道設計基準内である場合には（ステップＳ２６；Ｙｅｓ）、ＧＮＳＳ測位用信号により得られた位置計測結果をそのまま採用する（ステップＳ３０）。
そして、処理を再びステップＳ２１、ステップＳ２４に移行して、以下同様に位置計測処理を行う。
ステップＳ２６の判別において、ＧＮＳＳ測位用信号により得られた移動軌跡データについて鉄道設計基準外である場合、すなわち、鉄道設計基準を満たしていない場合には（ステップＳ２６；Ｎｏ）、ステップＳ２４の処理において求めた自立航法方式による位置、速度、移動方向及び姿勢についての計測結果としての移動軌跡データについて鉄道設計基準内であるか、すなわち、鉄道設計基準を満たしているか否かを判別する（ステップＳ２７）。
具体的には、曲線半径が車両１１の速度に応じた最小曲線半径を満たしているか、緩和曲線に対応するとされる線路が所定の鉄道設計基準を満たしているか、曲線に応じて対応するカントが設けられているか、所定の鉄道設計基準を満たす勾配が検出されているか等を判別する。
ステップＳ２７の判別において、ステップＳ２４の処理において求めた自立航法方式による位置、速度、移動方向及び姿勢についての計測結果としての移動軌跡データについて鉄道設計基準外である、すなわち、鉄道設計基準を満たしていない場合には（ステップＳ２７；Ｎｏ）、自立航法方式による位置計測結果よりもＧＮＳＳによる位置計測結果の方が信頼性が高いと考えられるので、ＧＮＳＳ測位用信号により得られた位置計測結果をそのまま採用する（ステップＳ３０）。
そして、処理を再びステップＳ２１、ステップＳ２４に移行して、以下同様に位置計測処理を行う。
一方、ステップＳ２７の判別において、ステップＳ２４の処理において求めた自立航法方式による位置、速度、移動方向及び姿勢についての計測結果としての移動軌跡データについて鉄道設計基準内である、すなわち、鉄道設計基準を満たしている場合には（ステップＳ２７；Ｙｅｓ）、ＧＮＳＳによる位置計測結果を自立航法方式による位置計測結果で補正し（ステップＳ２８）、補正した結果を、ＧＮＳＳによる位置計測結果として採用する（ステップＳ２９）。
具体的な補正方法としては、ＧＮＳＳによる位置計測結果が鉄道設計基準を満たしていない区間のＧＮＳＳによる位置計測結果を自立航法方式による位置計測結果で置換して位置計測結果として採用したり、両位置計測結果を単純平均した結果を位置計測結果として採用したり、それぞれの位置計測結果に鉄道設計基準との差の大きさに基づいて重み付けをして加重平均した結果を位置計測結果として採用したりすることが可能である。
以上の説明のように、本実施形態によれば、所定の鉄道設計基準を満たしていないＧＮＳＳによる位置計測結果が得られた場合には、自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正するので、位置計測結果の精度向上が図れ、より正確に列車位置を特定することができる。
［２］実施形態の変形例
上記実施形態においては、ＧＮＳＳによる位置計測結果が所定の鉄道設計基準を満たさなかった場合にその都度、自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正する構成としていたが、線路は所定の位置に設置されているため、基本的に毎回同様の場所でＧＮＳＳによる位置計測結果が所定の鉄道設計基準を満たさなくなる可能性が高い。
そこで、過去の補正履歴から自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正した場所を列車が運行する場合には、過去の列車の走行履歴に基づいて、当該場所に至ったことを検出し、当該場所において自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正する構成とすることも可能である。
上記実施形態においては、軌間については考慮していなかったが、軌間が変更される区間を同一の車両が走行する場合、軌間によって鉄道設計基準が異なることとなる。
そこで、鉄道設計基準データベース２８に予め複数の軌間に対応する鉄道設計基準を記憶しておき、ＧＮＳＳによる位置計測結果あるいはＧＮＳＳによる位置計測結果を自立航法方式による位置計測結果で補正した結果により軌間が変更される区間に車両１１が移動したことを検出した場合には、参照する鉄道設計基準を変更し、対応する軌間の鉄道設計基準にしたがって同様に処理を行うように構成することが可能である。
このように構成することにより、運行区間の途中で軌間が異なる場合であっても、ＧＮＳＳによる位置計測結果を自立航法方式による位置計測結果で正しく補正し、位置計測結果の精度向上が図れ、より正確に列車位置を特定することができる。
列車位置検出システム１０（の列車位置検出装置１６）は、ＭＰＵなどの制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭなどの記憶装置等を備えた通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。
本実施形態の列車位置検出装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（FD）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供されるようにしてもよい。
また、本実施形態の列車位置検出装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の列車位置検出装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。
また、本実施形態の列車位置検出装置のプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ 列車位置検出システム
１１ 列車
１２ ＧＮＳＳ受信アンテナ
１３ 方向センサ（自立航法センサ）
１４ 加速度センサ
１５ 方位センサ
１６ 列車位置検出装置
２１ 高周波増幅部
２２ 局部発振器
２３ ミキサ
２４ 中間周波増幅部
２５ Ａ−Ｄ変換器
２６ コード相関部
２７ 演算処理部
２８ 鉄道設計基準データベース
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Claims (6)

  1. 複数の衛星から受信アンテナを介して測位用電波を受信して列車の位置を検出する列車位置検出装置であって、
    前記列車が走行する線路の鉄道設計基準を予め記憶する鉄道設計基準記憶部と、
    自立航法センサからの入力信号に基づいて前記列車の位置を自立航法により検出する位置検出部と、を備え、
    前記位置検出部は、前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たしていない場合に、前記自立航法による位置の検出結果で前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果を補正する、
    列車位置検出装置。
  2. 前記位置検出部は、前記列車の位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たしていない場合、かつ、前記自立航法による位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たしている場合に
    前記自立航法による位置の検出結果で前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果を補正する、
    請求項１記載の列車位置検出装置。
  3. 前記位置検出部は、前記列車の速度に従って対応する前記鉄道設計基準を参照する、
    請求項１又は請求項２記載の列車位置検出装置。
  4. 前記位置検出部は、過去の列車の走行履歴に基づいて、列車の位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たさない場所に至ったことを検出し、当該場所において自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正する、
    請求項１又は請求項２記載の列車位置検出装置。
  5. 前記自立航法センサからの入力信号は、方向信号、加速度信号、方位信号あるいは姿勢信号を含む、
    請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の列車位置検出装置。
  6. 列車が走行する線路の鉄道設計基準を予め記憶する鉄道設計基準記憶部を有し、前記列車の位置を検出する列車位置検出装置で実行される方法であって、
    複数の衛星から受信アンテナを介して測位用電波を受信して前記列車の位置を検出する過程と、
    自立航法センサからの入力信号に基づいて前記列車の位置を自立航法により検出する過程と、
    前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たしていない場合に、前記自立航法による位置の検出結果で前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果を補正する過程と、
    を備えた方法。
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