JP4090852B2 - Train travel information detection device by GPS positioning and train travel information detection method - Google Patents

Train travel information detection device by GPS positioning and train travel information detection method Download PDF

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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
【0011】
【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
【0012】
【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
【0013】
【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
【0014】
【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
【0015】
【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
【0016】
【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。
【0017】
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〕。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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〕。
【0021】
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。
【0022】
【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一編成の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配置されるレール頭頂面の高さで3次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心(地球の中心)から前記軌道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、レール頭頂面からのGPSアンテナ高さを含む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、前記列車上の複数の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アンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのGPSアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記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。
【0023】
〕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、前記列車上の複数の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。
【0024】
〕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。
【0025】
〕上記〔〕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。
【0026】
〕上記〔〕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。
【0027】
〕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。
【0028】
〕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一編成の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、レール頭頂面の高さで3次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心(地球の中心)から前記軌道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次元線路マップとを備え前記列車上の複数の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、レール頭頂面からのGPSアンテナ高さを含む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空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのGPSアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記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。
【0029】
〕上記〔〕記載のGPS測位による列車走行情報検出方法において、前記列車上の異なる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、前記列車上の複数の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。
【0030】
【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。
【0031】
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。
【0032】
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は軌道中心線(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)から軌道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。
【0033】
〔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。
【0034】
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ri 、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〕。
【0035】
i =√〔(x−xsi2 +(y−ysi2 +(z−zsi2 〕+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。
【0036】
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dT 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dT により助変数表示することができる。
【0037】
γ(dT )=〔x(dT ),y(dT ),z(dT )〕 …(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。
【0038】
i =√{〔x(dT )−Xsi2 +〔y(dT )−Ysi2 +〔z(dT )−Zsi2 }+s …(3)
ここで、x(dT )、y(dT )、z(dT )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dT 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。
【0039】
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。
【0040】
この図において、11は列車、12は線路、13は軌道中心線(点線)、14は第1の衛星、15は第2の衛星である。
【0041】
列車11上のGPSアンテナの移動軌跡を定めるには、線路12側の情報として軌道中心線13とカント角が最低限必要である。ここでは、軌道中心線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)から軌道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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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、空間曲線である軌道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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
このような場合について、詳細に説明する。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
(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。
【0063】
i =√〔(xi −x0 2 +(yi −y0 2 +(zi −z0 2 〕−s
…(4)
ここで、ri は疑似距離、(x0 ,y0 ,z0 )はGPS受信機の座標、
(xi ,yi ,zi )はi番目の衛星の座標を示す。
【0064】
4機の衛星を受信すると4個の方程式ができるので、(x0 ,y0 ,z0 )とGPS受信機の時計誤差sが求まる。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
(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。
【0070】
(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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
【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。
【0079】
(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。
【0080】
(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。
【0081】
(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。
【0082】
(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。
【0083】
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。
【0084】
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 軌道中心線(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]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a train travel information detecting device by GPS positioning and a train travel information detecting method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as a topic related to a satellite positioning system, plans such as modernization of GPS (Global Positioning System) (US), regeneration of GLONASS (Russia), construction of Galileo (Europe) have been announced one after another. In Japan, construction of a quasi-zenith satellite system is under consideration for the start of operation around 2008.
[0003]
This quasi-zenith satellite system has a feature that, since at least one satellite is arranged near the zenith as its name suggests, 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 being promoted with the goal of ensuring positioning accuracy of about 1 cm for stationary objects and about 25 cm for moving objects by utilizing the electronic reference point of the Geographical Survey Institute.
[0004]
Under such circumstances, development on the application side of satellite positioning is expected to progress. In the aviation field, since GPS positioning is already mainly used as a navigation device, a GPS augmentation system that satisfies the required specifications of positioning accuracy, reliability, continuity (integrity), and integrity (integrity) determined for each flight phase Is being built.
[0005]
Even in the case of railways, it is considered that the application range can be expanded to position detection means for applications where safety is important, such as train control, according to a similar method. However, some measures to improve this problem are required in railways where the reception environment of GPS signals such as shielding by buildings is significantly disadvantageous compared to aircraft.
[0006]
By the way, route information as well as a position detection function is indispensable for so-called train intelligence that applies information technology. For example, in a vehicle body tilt control system, an on-vehicle computer that stores a linear database generates a target angle in a predictive manner and performs control while detecting a position.
[0007]
In addition, the digital ATC scheduled to be introduced to the Yamanote Line / Keihin Tohoku Line and the train control system CARAT (Computer And Radio Aided Train control system) [Non-patent Document 1] that realizes movement blockage are also detected based on route information. Perform security speed control. The reason why such a system is established in the railway is that movement on the track is essentially one-dimensional and it is easier to create route information than a road or the like.
[0008]
When using GPS positioning for railway train position detection with such characteristics, prepare a three-dimensional track map that is more precise than map matching as done in car navigation systems. If it is assumed that a train is present somewhere on the track, it is considered that positioning calculation can be performed only with GPS signals from two satellites. The fact that the number of satellites required for positioning can be halved compared to the positioning method using GPS signals from the four conventional satellites means that performance such as reliability is improved in railways where the GPS signal reception environment is inferior compared to aircraft. Improvements can be made.
[0009]
The inventors of the present application have already proposed as [Patent Document 1] that a GPS receiver is mounted on a railway vehicle to perform 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 2001-56234 pp. 3-5 FIG.
[0011]
[Non-Patent Document 1]
Haruo Yamamoto, Noriyuki Nishibori: CARAT, RRR, Vol. 56, no. 9, pp. 8-9, 19999.9
[0012]
[Non-Patent Document 2]
Masayuki Matsumoto, Akiyoshi Hosokawa, Chitaro Kawada: Database construction of digital ATC on-board equipment, Proceedings of domestic symposium on cybernetics in railways, pp. 226-229, 200.11
[0013]
[Non-Patent Document 3]
Tadashi Okutani: Information infrastructure for national land management, Annual Report of the National Research Institute, 1, pp. 24-28, 2002.2.3
[0014]
[Non-Patent Document 4]
Akio Yasuda: GPS and its applications, GPS Symposium 2001, pp. 193-216, 2001.11.
[0015]
[Non-Patent Document 5]
Masatoshi Ikeda: Trend of train position detection method, Railway Research Institute report, Vol. 13, no. 8, pp. 1-6, 19999.8
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The on-line position of the train can be specified by line name (including identification of upper and lower lines), kilometer, and number line. Such a simple position identification method is possible because the movement of the train is essentially one-dimensional as described above. However, in this method, when a train passes through a line other than the main line within the station, the distance traveled becomes longer than that via the main line, causing a deviation from about a kilometer, or when the track is detoured or short-circuited due to construction. However, there is a drawback that the occurrence of repeated duplication is inevitable in about a kilometer.
[0017]
Control systems such as a vehicle body tilt control system, digital ATC, and CARAT that perform position detection based on route information require an accurate distance, and therefore do not directly use about a kilometer. For example, in the vehicle body tilt control system, the position of the curve to be controlled is specified by the distance from the reference ATS ground element. In digital ATC, a unique route ID is assigned to every ATC route, and the absolute position is recognized by a combination with the remaining distance in the route [Non-Patent Document 2].
[0018]
In addition, CARAT is similar to this and is expressed by a data link of a logical block having a branch obtained by dividing a line at a node as a unit, and an absolute position is recognized by a block number and a block inner distance.
[0019]
As described above, in each system, by using a method that is easy to use, the existing line position is identified to meet the required level of the system and used for control. Since these systems are based on route information, it is necessary to maintain consistency between ground equipment that may be changed by construction and the corresponding data on the vehicle.
[0020]
Various applications such as driving support system (AHS) and pedestrian ITS, which are positioned at the center of ITS (Intelligent Transport System), allow automobiles and pedestrians to grasp the position on the road with an accuracy of several tens of centimeters. Assuming For this reason, the National Institute for Land and Infrastructure Management (Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism) Advanced Information Technology Research Center (hereinafter abbreviated as National Research Institute) is in charge of road alignment and superelevation as part of research and development aimed at establishing an information infrastructure for national land management. A method for constructing road map data (road infrastructure data) with a high accuracy of about 1/500 regarding road structures such as steps on sidewalks is being studied [Non-Patent Document 3].
[0021]
In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a train travel information detecting device and a train travel information detecting method based on GPS positioning capable of improving continuity, completeness, and reliability.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] A train travel information detection device using GPS positioning, comprising a plurality of railway vehicles One organization A plurality of GPS antennas distributed on the train, a GPS receiver connected to the GPS antenna, a train position detection device connected to the GPS receiver, and the train position detection device The cant angle, which is a declination with respect to a straight line extending from the center of the orbital center (the center of the earth) to the position on the orbital centerline that faithfully expresses the three-dimensional alignment by the height of the rail top surface to be arranged including 3D track map and Including the GPS antenna height from the rail top surface A storage device that stores GPS antenna installation position information, and an in-vehicle LAN that connects between the GPS receiver and a train position detection system including a train position detection device, Said A plurality of GPS receivers on the train each receive GPS signals from at least two satellites, and the GPS antenna N Based on the position information, the train position detection device While correcting the trajectory center line, which is a space curve, with the GPS antenna height from the rail top surface and the cant angle By performing positioning calculation, Said It is characterized by knowing the position and direction of the entire train.
[0023]
[ 2 In the train travel information detecting device by GPS positioning described in [1] above, Said By making the distance between different GPS receivers on the train, the elevation angle unchanged, and the clock error predictable, Said A plurality of GPS receivers on a train receive GPS signals from at least one satellite and then receive GPS signals from at least two different satellites as a whole, and the train position detection device performs positioning calculation. It is characterized by that.
[0024]
[ 3 In the train travel information detecting device by GPS positioning described in [1] above, the train position detection system has an inertial sensor.
[0025]
[ 4 〕the above〔 3 In the train travel information detecting device by GPS positioning described above, the inertial sensor is an angular velocity sensor.
[0026]
[ 5 〕the above〔 3 In the train travel information detecting device by GPS positioning described above, the inertial sensor is an angular velocity sensor and an acceleration sensor.
[0027]
[ 6 In the train travel information detecting device by GPS positioning described in [1] above, a odometer is mounted.
[0028]
[ 7 ] In the train travel information detection method by GPS positioning, it consists of a plurality of railway vehicles One organization GPS antennas and GPS receivers distributed on a train, and a train position detector When , Faithfully express 3D linearity at the height of rail top surface Orbit Center line And the sky From the center of the coordinate (center of the earth) Orbit A three-dimensional line map including a cant angle, which is a declination with respect to a straight line extending to a position on the center line; With , Said A plurality of GPS receivers on the train each receive GPS signals from at least two satellites, Includes GPS antenna height from rail top surface Based on the GPS antenna installation position information, the train position detection device While correcting the trajectory center line, which is a space curve, with the GPS antenna height from the rail top surface and the cant angle By performing positioning calculation, Said It is characterized by knowing the position and direction of the entire train.
[0029]
[ 8 〕the above〔 7 ] In the train travel information detection method by the GPS positioning described, Said By making the distance between different GPS receivers on the train, the elevation angle unchanged, and the clock error predictable, Said A plurality of GPS receivers on a train receive GPS signals from at least one satellite and then receive GPS signals from at least two different satellites as a whole, and the train position detection device performs positioning calculation. It is characterized by that.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 1 is a schematic diagram of the structure of a three-dimensional track map according to the present invention.
[0032]
In this figure, there is a line 1 in a three-dimensional space having x, y and z axes. Orbit It can be drawn by a center line (dotted line) 2, has a gradient 3, and has a vertical curve 4, a straight line 5, a relaxation curve 6, a circular curve 7 and the like. Also, from the center of spatial coordinates (center of the earth) Orbit A cant angle θ that is a declination with respect to a straight line extending to a position on the center line is used.
[0033]
[1] Principle of GPS positioning of trains using 3D track maps
First, a train position detection method that mainly uses GPS positioning on the premise of using a three-dimensional track map will be described.
[0034]
In normal GPS positioning, the observation point position is set to three unknowns x, y, and z, and the position of the i-th satellite is set to x. si , Y si , Z si , The pseudorange between the satellite and the observation point is r i When the influence on the distance due to the clock error of the GPS receiver is s, the following equation (1) is established [Non-Patent Document 3].
[0035]
r i = √ [(xx si ) 2 + (Y−y si ) 2 + (Z−z si ) 2 ] + S (1)
In this case, in order to obtain the four unknowns of the three-dimensional coordinates of the observation point and the receiver clock error, four equations are required, and therefore at least four satellites must be observed.
[0036]
On the other hand, in a railway, since the movement of the train is essentially one-dimensional, the train position is the movement distance d (from the initial position). T The track that is the trajectory is determined by the movement distance d as a space curve as shown in the following equation (2). T The auxiliary variable can be displayed by
[0037]
γ (d T ) = [X (d T ), Y (d T ), Z (d T ]] ... (2)
If there is no branching point on the track, or if there is an opening direction of the branching device, equation (2) is traced unless the train derails, so equation (1) is used for GPS positioning on the train. Is expressed by the following equation (3).
[0038]
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 track in the 3D track map, the unknown is d T And s. In other words, two equations are necessary for obtaining the unknown, and positioning calculation is possible if at least two satellites can be observed.
[0039]
FIG. 2 is an explanatory diagram of the principle of GPS positioning of a train using the three-dimensional track map according to the present invention.
[0040]
In this figure, 11 is a train, 12 is a track, 13 is Orbit A center line (dotted line), 14 is a first satellite, and 15 is a second satellite.
[0041]
To determine the movement path of the GPS antenna on the train 11, information on the track 12 side Orbit The center line 13 and the cant angle are the minimum required. here, Orbit The center line 13 is the height of the rail top surface, and it is assumed to faithfully represent a three-dimensional alignment (see FIG. 1) such as a straight line 5, a circular curve 7, a relaxation curve 6, a gradient 3, and a vertical curve 4. The cant angle is from the center of spatial coordinates (= center of the earth) Orbit It is given as a declination with respect to a straight line extending to a position on the center line.
[0042]
FIG. 3 is a minimum configuration diagram of a train position detection apparatus according to the present invention.
[0043]
In this figure, 21 is a GPS antenna distributed in a train, 22 is a GPS receiver, 23 is a train position detection device, 24 is a positioning calculation unit in the train position detection device 23, and 25 is a track identification / trace unit. , 26 is an antenna height storage device from the rail surface, 27 is a three-dimensional track map storage device, and 28 is an angular velocity sensor for determining the branching direction.
[0044]
In the implementation of the train position detection device 23, as shown in FIG. 3, the GPS receiver 22 is a normal one, but is set to output a pseudorange. The train position detection device 23 main body stores a three-dimensional track map in the three-dimensional track map storage device 27 and is a space curve. Orbit Positioning calculation is performed while correcting the center line by the antenna height and cant angle from the rail surface. In addition, if the information regarding the opening direction of a branching device is not given, the angular velocity sensor 28 will be needed for judgment of a branching direction.
[0045]
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 prior art, so the reliability is improved. In addition, since it is possible to recognize a situation in which a solution is not required on the track due to an abnormality in the GPS signal or the like, it also contributes to an improvement in integrity.
[0046]
In order to maintain the continuity of position detection in railways where shielding of GPS signals by buildings or the like is unavoidable, a method using a sensor such as a speed generator or an acceleration sensor is generally used. Among them, a sensor having a good compatibility with the three-dimensional track map is an acceleration sensor.
[0047]
FIG. 4 is a configuration diagram of a train position detection apparatus according to the present invention.
[0048]
In this embodiment, an acceleration sensor 31 and a line trace section 32 are added to the apparatus of the first embodiment. The line trace section 32 includes information from the acceleration sensor 31 and information from the angular velocity sensor 28. The actual travel distance is calculated by adding the train travel distance, and the acceleration and angular velocity applied to the vehicle linearly as the train travels is detected, and the position on the track is traced using the 3D track map. At the same time, the line identification / trace unit 25 identifies and traces the line based on information from the antenna height storage device 26 and the three-dimensional line map storage device 27, and identifies and traces the line by GPS positioning. Can be configured to perform comparative verification and mutual complementation with the trace portion 32 of the track by an inertial sensor (acceleration sensor, angular velocity sensor). .
[0049]
That is, while traveling, the train position detection device 30 main body 3 based on an inertial sensor composed of an acceleration sensor 31 and an angular velocity sensor 28 is independent of GPS positioning based on the three-dimensional track map from the three-dimensional track map storage device 27. Trace the dimensional track map. By these comparison and collation, the completeness and reliability can be improved as compared with the configuration of the first embodiment.
[0050]
In addition, although the said train position detection apparatus is shown one piece, in the case of one vehicle, the group is arrange | positioned in the front and back of a vehicle, and each receives the GPS signal from at least two satellites, and information By giving and receiving, it is possible to grasp the position and direction of the railway vehicle.
[0051]
FIG. 5 is a block diagram of a train position detecting device showing a first embodiment of the present invention, FIG. 5 (a) is an overall block diagram of the train position detecting device, and FIG. 5 (b) is a configuration of the position detecting device. FIG.
[0052]
In this embodiment, 101 is a train composed of 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 Train position detection apparatus, 114 is an angular velocity sensor, 115 is an acceleration sensor, 121 is an in-vehicle LAN disposed in a plurality of vehicles 101-1, 101-2, ..., 101-n, and 130 is an nth train position detection system. 131 is a GPS antenna, 132 is a GPS receiver, 133 is a train position detection device, 134 is an angular velocity sensor, and 135 is an acceleration sensor.
[0053]
As shown in FIG. 5 (b), the train position detecting devices 113 and 133 described above perform positioning calculation and checking unit 201 for performing positioning calculation and checking by inputting the receiver ID and pseudorange, and identifying and tracing the track. Line identification / trace unit 202 to be performed, position information storage unit 203 on the organization of each sensor, three-dimensional line map storage unit 204, line trace for taking in the line by taking in sensor ID / acceleration and sensor ID / angular velocity Part 205.
[0054]
Utilizing all of the GPS receivers and various sensors distributed and arranged on one knitting, grasps the position and orientation of the entire line of the knitting. Therefore, each device is connected to the in-vehicle LAN 121. In this configuration, since the installation positions of the receivers and sensors in the organization are important, the train position detection device main body recognizes these positions and identifies output messages. Therefore, it is necessary to add functions such as sending identification information to the sensor and receiver side. If the GPS antennas 111 and 131 are installed on each cab roof, not only the reliability is improved by simply having a redundant configuration, but the same factor (building or station Etc.) has an advantage that it is difficult to be affected by shielding.
[0055]
In addition, if the receiver clocks are synchronized, positioning can be performed even in a situation in which receivers on remote driver's cabs can capture separate satellites one by one.
[0056]
Such a case will be described in detail.
[0057]
If GPS receivers are placed in front of and behind the train, different satellites can be captured because the view is different before and after the train, even if there are minor obstructions such as buildings or fences in the station. Here, by using the pseudo distance received by another GPS receiver in this way, it is possible to adopt a reception method that avoids GPS positioning failure due to slight shielding.
[0058]
FIG. 6 is an explanatory diagram of a method for increasing the GPS positioning rate without using a three-dimensional track map for positioning calculation in such a train.
[0059]
As shown in this figure, positioning by two GPS receivers has eight unknowns. By adding this unknown as a known one, the number of necessary satellites can be reduced. FIG. 6 shows that the number of satellites can be reduced to four.
[0060]
That is, the distance r between the first GPS receiver and the second GPS receiver and the elevation angle φ are unchanged, and the clock error d t1 , D t2 Is assumed to be predictable, GPS positioning is possible with four satellites without using a three-dimensional track map for positioning calculation, and positioning is possible 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.
[0061]
Therefore, an unknown prediction method that is invariable and predictable will be described below.
[0062]
(1) Prediction of GPS receiver clock error
The GPS receiver time deviates from the true time (GPS time in this case). However, it is possible to know the clock error of the GPS receiver by performing single positioning.
[0063]
r i = √ [(x i -X 0 ) 2 + (Y i -Y 0 ) 2 + (Z i -Z 0 ) 2 ] -S
(4)
Where r i Is the pseudorange, (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.
[0064]
When 4 satellites are received, 4 equations are generated, so (x 0 , Y 0 , Z 0 ) And the GPS receiver clock error s.
[0065]
If the GPS receiver is unable to receive the signal and tries to predict the clock error, it is predicted from the change curve of s in the calculated (predictable) period.
[0066]
The clock accuracy of a general GPS receiver is 10 -6 The stability is not so good.
[0067]
FIGS. 7 and 8 are diagrams showing changes in the clock error of an actual GPS receiver, the upper part shows the clock error and the lower part shows the rate of change of the clock error, respectively, and FIG. FIG. 8 shows the change in a short time.
[0068]
If the rate of change predicted with 15-minute data in FIG. 8 is extended to 30 minutes, the prediction corresponding to 6 m per second is shifted. The accuracy of the GPS receiver clock is 10 -8 If it is increased to a level (a sufficiently realizable value), the prediction is made within 0.06 m per second, and a prediction within a practical range is possible.
[0069]
(2) Invariance of elevation difference between GPS receivers
The level difference (altitude angle φ) of the GPS receiver changes as the train climbs up and down the track with a level 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 when it becomes impossible to receive.
[0070]
(3) Invariance of distance between GPS receivers
When the train turns a curve, the distance r between the GPS receivers changes, but this condition is satisfied if this is less than the expected measurement position error. That is, the distance r is fixed to a value when it becomes impossible to receive.
[0071]
Thus, positioning calculation is performed by assuming these values.
[0072]
FIG. 9 is a schematic diagram showing a train position detection method for increasing the GPS positioning rate without the inertial sensor of the second embodiment of the present invention.
[0073]
Assuming that the clock error of 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 calculated as the predicted clock. After correcting the clock error with the error, it is converted into a pseudorange received at the location of the first GPS receiver 301.
[0074]
If there are data for a total of four satellites, positioning can be performed by substituting values into the above equation (4) and performing calculations by the positioning computer 303 to perform positioning calculation. In other words, in addition to this, if a three-dimensional track map is used, if there are data of two satellites in total, positioning calculation can be performed and positioning can be performed. This positioning computer 303 does not require a high processing capacity.
[0075]
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 can be supplemented by another GPS receiver, and more reliable GPS positioning can be performed.
[0076]
As for the improvement of completeness, it becomes possible to mutually check the output of each receiver based on the positional relationship of a plurality of antennas. Moreover, there is a possibility that errors due to bugs and the like can be eliminated by using a plurality of GPS receivers as different models.
[0077]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0078]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0079]
(1) In the GPS positioning of a train using a three-dimensional track map, the positioning accuracy is the best in a situation where two satellites with medium and low elevation angles at the front and rear (azimuth) of the train can be captured. In railways, except for the front and rear of the tunnel, the sky in the front-rear direction of the railway is normally open. Therefore, by using the present invention, it is possible to expect a dramatic improvement in positioning accuracy and reliability in urban areas and mountainous areas. In other words, the present invention can be said to be a method suitable for a Japanese railway with a large urban area and many mountainous areas.
[0080]
(2) When three or more satellites can be acquired, it can be used for checking in the same manner as in RAIM (receiver autonomous integrity monitoring) of the navigation system, which leads to improvement in completeness. Further, when a positioning solution is not obtained on the three-dimensional track map, it can be regarded as an abnormality of the GPS signal, which leads to an improvement in completeness as well.
[0081]
(3) Even when GPS satellites cannot be captured, such as in tunnels, position detection is performed by using an inertial sensor (acceleration sensor, angular velocity sensor) that is compatible with the three-dimensional track map and performing matching processing with the three-dimensional track map. Accuracy can be improved.
[0082]
(4) If the quasi-zenith satellite is operated, satellites that are always located near the zenith contribute to the improvement of VDOP (Vertical Dilution of Precision), and thus the usefulness of the three-dimensional track map including altitude increases.
[0083]
As described above, the train position detection device of the present invention further improves the already proposed train position detection device to improve the performance of GPS positioning by making the track map three-dimensional, and the inertial sensor (acceleration sensor, angular velocity). By improving the affinity with the sensor), the performance of the train position detector can be greatly improved. You see It can be included.
[0084]
In addition, if a precise three-dimensional track map improves the positioning accuracy and makes the receiver easy to use through the operation of the quasi-zenith satellite, 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 establish a data update framework that is being worked on at the National Institute of Advanced Information 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 detection apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a train position detection apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a block diagram of a train position detection device showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a method for increasing a GPS positioning rate without an inertial sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing 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 an actual clock error of the 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 Orbit Center line (dotted line)
3 slope
4 Vertical curve
5 straight lines
6 Relaxation curve
7 Circular curve
11,101 train
14 First satellite
15 Second satellite
21, 111, 131 GPS antennas distributed on the train
22, 112, 132 GPS receiver
23, 30, 113, 133 Train position detection device
24 Positioning calculator
25,202 Line specific / trace part
26 Antenna height storage device from rail surface
27,204 3D track map storage device
28, 114, 134 Angular velocity sensor
31, 115, 135 Accelerometer
32,205 Track traces
101-1, 101-2, ..., 101-n Multiple vehicles
110 First train position detection system
121 Car LAN
130 nth train position detection system
201 Positioning calculation and check section
203 Positional information storage device for organization of each sensor
301 first GPS receiver
302 second GPS receiver
303 Positioning calculator

Claims (8)

(a)複数の鉄道車両からなる一編成の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配置されるレール頭頂面の高さで3次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心(地球の中心)から前記軌道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、レール頭頂面からのGPSアンテナ高さを含む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)前記列車上の複数の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アンテナ設置位置情報に基づき、前記列車位置検知装置が空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのGPSアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記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 and arranged in a train composed of a plurality of railway vehicles;
(B) a GPS receiver connected to the GPS antenna;
(C) a train position detection device connected to the GPS receiver;
(D) The trajectory center line that faithfully represents the three-dimensional alignment at the height of the rail top surface arranged in the train position detecting device and the center of the spatial coordinates (center of the earth) are extended to the position on the orbit center line. A storage device for storing a three-dimensional track map including a cant angle that is a declination with respect to a straight line, and GPS antenna installation position information including a GPS antenna height from the rail top surface ;
(E) The in-vehicle LAN connecting between the GPS receiver and a train position detection system including a train position detection device,
(F) a plurality of GPS receivers on the train receives a GPS signal from a satellite of the at least two aircraft, respectively, on the basis of the GPS antenna Installation location information, wherein the train position detector is space curve Train travel information by GPS positioning, wherein the position and orientation of the entire train are grasped by performing positioning calculation while correcting the track center line with the GPS antenna height from the rail top surface and the cant angle 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、前記列車上の複数の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。In a train traveling information detecting device according to the GPS positioning according to claim 1, wherein the distance between the different GPS receivers on the train, immutable elevation angle, and by a predictable clock error, a plurality of GPS on the train A GPS in which a receiver receives GPS signals from at least one satellite and then receives GPS signals from at least two different satellites as a whole, and the train position detection device performs positioning calculation. Train travel information detection device by positioning. 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 by GPS positioning according to claim 1, wherein the train position detecting system has an inertial sensor. 請求項記載の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 by GPS positioning according to claim 3 , wherein the inertial sensor is an angular velocity sensor. 請求項記載の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。The train travel information detecting device by GPS positioning according to claim 3 , wherein the 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 by GPS positioning according to claim 1, further comprising a odometer. 複数の鉄道車両からなる一編成の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、レール頭頂面の高さで3次元の線形を忠実に表現する軌道中心線と空間座標の中心(地球の中心)から前記軌道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次元線路マップとを備え前記列車上の複数の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、レール頭頂面からのGPSアンテナ高さを含む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空間曲線である前記軌道中心線を前記レール頭頂面からのGPSアンテナ高さと前記カント角により補正しながら測位計算を行うことにより、前記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 GPS antenna and a GPS receiver which is distributed to one organization of the train composed of a plurality of rail cars, and train position detecting device, the track center line to faithfully represent the 3-dimensional linear at the level of the rail head surface and Availability centered between coordinates and a three-dimensional line map including a cant angle is declination for the straight line extended to the position of the track center line from the (center of the earth) of said at least plurality of GPS receivers on the train respectively 2 A GPS signal from the satellite of the aircraft, and based on the GPS antenna installation position information including the GPS antenna height from the rail top surface , the train position detection device defines the track center line as a space curve to the rail top surface. by performing the positioning calculation with corrected by GPS antenna height and the cant angle from measurement GPS is characterized by grasping the train entire rail position and orientation Train traveling information detection method according to. 請求項記載のGPS測位による列車走行情報検出方法において、前記列車上の異なる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、前記列車上の複数の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。In a train traveling information detecting method according to the GPS positioning according to claim 7, wherein the distance between the different GPS receivers on the train, immutable elevation angle, and by a predictable clock error, a plurality of GPS on the train A GPS in which a receiver receives GPS signals from at least one satellite and then receives GPS signals from at least two different satellites as a whole, and the train position detection device performs positioning calculation. Train travel information detection method by positioning.
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