JP5973024B1

JP5973024B1 - 位置検出装置

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Publication number: JP5973024B1
Application number: JP2015075597A
Authority: JP
Inventors: 浅野　晃; 晃浅野
Original assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Kyosan Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-04-02
Filing date: 2015-04-02
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2035-04-02
Also published as: JP2016194497A

Abstract

【課題】ＧＮＳＳを利用して列車の位置を高精度にかつ正確に検出する技術を提供する。【解決手段】列車１の先頭の車両１０に、第１のＧＮＳＳ部１５、第２のＧＮＳＳ部１６、車上装置２０とを備えており、ＧＮＳＳ衛星９８から送信されるＧＮＳＳ信号による走行位置検出を行う。第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａは、車両１０の上部前端近傍に、第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａは、上部後端近傍に設置される。車上装置２０は、ＧＮＳＳ信号にもとづき第１及び第２のＧＮＳＳアンテナ１５ａ、１６ａの位置における速度ベクトルから、速度ベクトルの特徴点を検知したときに、予め備わるシステム固有の情報と比較して、列車１の位置を特定する。【選択図】図１

Description

本発明は、列車の走行位置を検知する位置検出装置に関する。

列車の運行を安全に制御するため、例えば速度発電機（以下、「ＴＧ」と称する。）から取得した信号により、列車が走行している距離を積算して列車の走行位置を検出する技術がある。また、ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）を用いた技術もある。その技術として、ＧＮＳＳ衛星からの電波を列車に設けたＧＮＳＳ受信機で取得して列車の現在位置を検出して列車の速度を制御する技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００４−２７１２５５号公報

ところで、ＴＧからの信号は、車輪の空転や滑走などにより速度が不正確となり、誤差が大きく、距離を積算すると誤差が蓄積して列車の走行位置を正確に検出することが困難という課題がある。また、ＧＮＳＳの測位精度は衛星搭載クロックの精度や衛星からの測距信号の伝播経路上にある電離層等で生じる遅延やＧＮＳＳ受信機の設置されている環境により定まる。列車に搭載したＧＮＳＳ受信機は列車の走行にしたがって位置が変化するとともに周囲の環境も変化し、ＧＮＳＳ受信機の測位精度は刻々と変化する。このＧＮＳＳ受信機を利用して列車の走行位置を検出する場合、ＧＮＳＳ受信機の測位精度が変化すると検出する位置精度も変動して列車の走行位置を正確に検出できなくなるという問題がある。

本発明は、以上のような状況に鑑みなされたものであって、上記課題を解決する技術を提供することにある。

本発明の位置検出装置は、一つの車両の前後方向に所定距離だけ離間して設けられた、ＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を受信する第１及び第２のＧＮＳＳアンテナと、前記第１及び第２のＧＮＳＳアンテナのそれぞれに接続された第１及び第２のＧＮＳＳ受信部と、前記車両が走行する路線のデータベースと、前記第１のＧＮＳＳ受信部が算出する速度ベクトルと前記第２のＧＮＳＳ受信部が算出する速度ベクトルとがなす角度θ、及び前記第１及び第２のＧＮＳＳアンテナとの間の距離にもとづいて軌道のカーブの曲率を算出し、算出結果と前記データベースとを比較して前記カーブの位置を特定し、前記角度θがゼロになった地点で前記車両の位置を特定する位置特定部と、前記データベースをもとに、前記ＧＮＳＳ信号にもとづく前記車両の位置の特定処理を実行できる状態にあるか否かを検定する検定部を備え、前記位置特定部は、前記検定部が前記車両の位置の特定処理を実行できる状態に有ると判断した場合には、前記ＧＮＳＳ信号にもとづく前記車両の位置の特定処理を実行し、前記車両の位置の特定処理を実行できる状態に無いと判断した場合には、速度発電機にもとづいて前記車両の位置の特定処理を実行する。
また、前記位置特定部は、前記曲率が所定より大きい場合、前記曲率にもとづく位置の特定の代わりに、実走したカーブ走行距離と前記データベースに記録されているカーブ走行距離とを比較して前記カーブの位置を特定し、前記角度θがゼロになった地点で前記車両の位置を特定してもよい。
また、前記位置特定部は、前記第１のＧＮＳＳ受信部が算出する前記速度ベクトルと前記第２のＧＮＳＳ受信部が算出する前記速度ベクトルとがなす前記角度θの正負が逆転する点をカーブ変化点として特定し、特定された前記カーブ変化点と前記データベースに記録されているカーブ変化点とを比較して、前記車両の位置を特定してもよい。

本発明によると、ＧＮＳＳを利用して列車の位置をより精度良く検出する技術を実現できる。

本実施形態に係る、ＧＮＳＳ信号による走行位置検出機能を備えた列車の構成を示す機能ブロック図である。本実施形態に係る、ＧＮＳＳ信号による走行位置検出機能を実行する際の検定処理原理を説明する図である。本実施形態に係る、ＧＮＳＳ信号による走行位置検出機能を説明する図である。本実施形態に係る、ＧＮＳＳ信号による走行位置検出機能を説明する図である。本実施形態に係る、先頭の車両に搭載される車上装置の構成を示す機能ブロック図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本実施形態に係る列車１の機能ブロック図である。列車１は、先頭の車両１０に、第１のＧＮＳＳ部１５、第２のＧＮＳＳ部１６、車上装置２０とを備えており、ＧＮＳＳ衛星９８から送信されるＧＮＳＳ信号による走行位置検出を行う。

第１のＧＮＳＳ部１５は、第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａ及び第１のＧＮＳＳ受信部１５ｂを備える。第２のＧＮＳＳ部１６は、第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａと第２のＧＮＳＳ受信部１６ｂとを備える。

第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａは、車両１０の上部前端近傍に設置される。第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａは、車両１０の上部後端近傍に設置される。第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａと第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａとは、所定の距離（以下、「設置距離Ｌ」という）だけ離間して設置されている。

第１のＧＮＳＳ受信部１５ｂは、第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａが受信したＧＮＳＳ信号をもとに第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａの位置情報を算出するとともに、第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａの位置における速度ベクトルを算出し、各算出結果を車上装置２０に出力する。第２のＧＮＳＳ受信部１６ｂは、第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａが受信したＧＮＳＳ信号をもとに第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａの位置情報を算出するとともに、第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａの位置における速度ベクトルを算出し、各算出結果を車上装置２０に出力する。車上装置２０は、速度ベクトルの特徴点を検知したときに、予め備わるシステム固有の情報と比較して、列車１の位置を特定する。

ここで、図２〜図４を参照して、ＧＮＳＳ信号による走行位置検出の原理について説明する。本実施形態では、上述の様に車上装置２０は、速度ベクトルが変化する所定の特徴点を検知したときに、予め備わるシステム固有の情報（後述する図５の運行用データ部６０の情報）と比較して、想定されている特徴点と一致していると判断した場合には、「データベースに記録されている位置にある」と判断する。ここで、特徴点とは、例えば、軌道９９がカーブする際のその始点や終点等である。なお特徴点の検出処理の前には、ＧＮＳＳ信号に基づく位置情報の算出処理を実行してもよい状態にあるか否かのＧＮＳＳ検定を実行する。

＜基本技術＞
１．ＧＮＳＳ検定
ＧＮＳＳ検定は、ＧＮＳＳ情報の信頼性を向上するために行うものである。ＧＮＳＳ検定に合格したときのみ、そのＧＮＳＳ情報に基づく位置情報が車両１０の位置特定に使用される。ＧＮＳＳ検定には、２台のＧＮＳＳ受信機（第１のＧＮＳＳ受信部１５ｂ、第２のＧＮＳＳ受信部１６ｂ）が用いられる。

上述の様に、第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａと第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａは相関の無い設置距離Ｌで設置されている。具体的には、車両１０の前後端（列車１の編成の前後ではなく、例えば先頭の車両１０の先頭側と連結側の２箇所）に第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａと第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａが設置される。このとき、設置距離Ｌだけで無く、車両１０の屋根による電波環境の非相関環境が構築される。すなわち、第１及び第２のＧＮＳＳアンテナ１５ａ、１６ａに、異なるフェージング環境が構築される。これにより、２つのＧＮＳＳ受信機（第１及び第２のＧＮＳＳ受信部１５ｂ、１６ｂ）が、同じフェージングの影響で誤情報を出力しないように構成される。

ＧＮＳＳ検定の論理では、ＧＮＳＳ衛星９８からの情報をシステム固有の情報と比較し、検定に合格したときのみＧＮＳＳ情報を使用する。

２．ＧＮＳＳ情報の速度情報を用いた走行距離積算による位置検知
ＧＮＳＳ情報の速度情報の積算による位置検知は、絶対位置が確定した後に、速度情報を積分して走行距離を算出することによってなされる。

ＧＮＳＳ検定論理には、図２（ａ）の「トレース」検定、図２（ｂ）の「位置」検定、図２（ｃ）の「方位」検定が用いられる。検定に合格した場合のみＧＮＳＳ情報に基づく速度情報が利用される。検定に不合格の場合は、ＴＧ９２（図５参照）等の他の速度検出手段からの速度情報が利用される。なお、検定の際には、運行用データ部６０が参照され、記録されているデータと比較される。

「トレース」検定とは、予定されている走行経路を走行しているか否かを判断するものである。「位置」検定とは、ＧＮＳＳ信号から得られる第１及び第２のＧＮＳＳアンテナ１５ａ、１６ａの間隔（後述の図３の「実測距離Ｄ」）が、実際の設置距離Ｌと一致しているか否かを判断するものである。「方位」検定とは、予定されている方位（軌道方位）と一致しているか否かを判断するものである。

３．ＧＮＳＳの速度情報を用いた絶対位置検知
ＧＮＳＳの速度情報を用いた絶対位置検知には、２台のＧＮＳＳ受信機（第１のＧＮＳＳ受信部１５ｂ、第２のＧＮＳＳ受信部１６ｂ）にて算出される速度ベクトルが軌道９９のカーブで時々刻々と変化することを利用する。この軌道のカーブでの速度ベクトルの変化は、以下に示す条件（ａ）〜（ｃ）を満足していれば、ＧＮＳＳの故障、受信機の故障、フェージングの影響に対しての変化と識別不能となる確率がきわめて低い。
（ａ）カーブ始点前にＴＧ等によりカーブの始点が来ることが予定されている。
（ｂ）カーブ始点前からカーブ終点後までＧＮＳＳ検定に合格する。
（ｃ）路線データベース（運行用データ部６０）に絶対位置検知情報が登録されている。

（１）軌道の曲率による位置検知
図３を参照して軌道９９の曲率にもとづく位置検知処理を説明する。ここでは、曲率の代わりに曲率半径Ｒを用いる。２台のＧＮＳＳ受信機（第１のＧＮＳＳ受信部１５ｂ、第２のＧＮＳＳ受信部１６ｂ）から得られる速度ベクトルＶ（Ｖ１、Ｖ２）は、車両１０が直線９９ａからカーブ９９ｂに進入すると、軌道９９（カーブ９９ｂ）の曲率半径Ｒに応じて角度θが変化する。ここで、第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａの速度ベクトルＶ１と第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａの速度ベクトルＶ２とがなす角を角度θとする。

この角度θから軌道９９（カーブ９９ｂ）の曲率半径Ｒを次の式にて算出し、路線データベース（運行用データ部６０）に登録された軌道９９の曲率（曲率半径）と比較することにより、カーブ位置（始点Ｃ１と終点Ｃ２）を特定し、終点Ｃ２でθ＝０度になった地点で絶対位置検知とする。
Ｓｉｎ（θ／２）＝（Ｄ／２）／Ｒ
Ｒ＝（Ｄ／２）／Ｓｉｎ（θ／２）
Ｄ：ＧＮＳＳ信号に基づいて算出される第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａと第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａとの実測距離。

（２）軌道のカーブ走行距離による位置検知
上記の軌道９９の曲率（曲率半径Ｒ）による位置検知の場合、曲率が大きいと角度θが絶対値が小さくなるため、誤差によりカーブ位置を特定できないことがある。そこで、曲率が所定より大きい場合、軌道９９のカーブ走行距離ＬＲによる位置検知を行う。すなわち、軌道９９がカーブ９９ｂとなる始点Ｃ１から終点Ｃ２までのカーブ走行距離ＬＲを算出し、路線データベース（運行用データ部６０）に登録されたカーブ９９ｂの距離と比較することにより、カーブ位置を特定し、カーブ終点でθ＝０度になった地点で絶対位置検知とする。

（３）軌道のカーブ変化点による位置検知
図４に示す様に、第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａ、第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａから得られる速度ベクトル差は、軌道９９が右カーブ９９ｄから左カーブ９９ｅへ、左カーブから右カーブへと変化する場合、速度ベクトルＶ１とＶ２の差をとると、符号（正負）が逆転する。この軌道のカーブ変化点Ｃ３の前後でＧＮＳＳ検定に合格し、前述の条件（ａ）と（ｂ）を満足することにより、カーブ変化点Ｃ３を特定し、カーブ変化点Ｃ３で絶対位置検知とする。

（４）システムへの適用
なお、上記の（１）〜（３）の位置検知の方式は、適用線区に合わせて選択して組み組むことになる。

＜具体的技術＞
上記の絶対位置検知処理を実行するための構成を図５を参照して説明する。図５は、車上装置２０の概略構成を示す機能ブロック図である。

車上装置２０は、第１のＧＮＳＳ部１５、第２のＧＮＳＳ部１６が設置された車両１０に設けられており、列車１の運行を制御する。具体的には、車上装置２０は、列車１の速度を制御したり、列車位置を推定したり、列車の向きを推定したりすることで、列車１の運行状態を把握し、適切な列車運行を実行するものである。

車上装置２０は、運行制御部３０と、列車状態特定部４０と、運行用データ部６０と、走行履歴部６５と、ＴＧ９２と、通信部９４とを備える。

運行用データ部６０は、列車１が運行する路線の情報（運行情報）を記録している。運行情報として、列車１（車両１０）が走行する経路情報、地点情報、各地点における列車進行方向の方位Ｄｐ、カーブ情報（始点、終点、曲率半径）及び速度制限区間毎の制限速度情報等がある。

走行履歴部６５は、列車１の走行履歴が記録される。ＴＧ９２は、従来より用いられている車輪の回転に基づいて速度を計測する速度計測装置である。通信部９４は、外部の装置、例えば運行司令部等と無線により情報を送受信する。

運行制御部３０は、列車状態特定部４０やＴＧ９２、運行用データ部６０を用いて列車１の運行を制御する。運行の制御とは、例えば、列車１の位置を特定したり、速度を算出したりし、算出結果等を所定の表示装置に表示する。速度の表示には、いずれか一方の速度を表示させてもよいし、両方の速度を表示させてもよい。

列車状態特定部４０は、列車位置算出部４２と、列車方位算出部４４と、ＧＮＳＳ検定部４６と、特定位置検出部４８とを備える。

列車位置算出部４２は、第１のＧＮＳＳ部１５及び第２のＧＮＳＳ部１６から、それぞれが検出した位置情報を取得する。また、列車位置算出部４２は、第１及び第２のＧＮＳＳ部１５、１６から出力される位置情報にもとづき、第１のＧＮＳＳアンテナ１５ａ、第２のＧＮＳＳアンテナ１６ａ間の実測距離Ｄを算出する。

列車方位算出部４４は、列車位置算出部４２が取得した位置情報をもとに、車両１０の進行方向（方位）を算出する。算出された進行方向（方位）は、特定位置検出部４８に出力される。

ＧＮＳＳ検定部４６は、上述のＧＮＳＳ検定処理を行う。すなわち、ＧＮＳＳ検定部４６は、図２（ａ）の「トレース」検定、図２（ｂ）の「位置」検定、図２（ｃ）の「方位」検定で示した処理を行う。このとき、ＧＮＳＳ検定部４６は、運行用データ部６０を参照する。

特定位置検出部４８は、ＧＮＳＳ検定が合格と判断された場合に、上述したＧＮＳＳの速度情報を用いた絶対位置検知処理を行う。絶対位置検知処理がなされると、運行制御部３０等が行う列車１の各種制御の為の位置情報が、検出された位置情報に更新される。すなわち、例えば、絶対位置検知処理が実行される前の走行状態の把握においてＴＧ９２が用いられたことで、車輪の空転や滑走などによって誤差が生じていた場合であっても、その誤差が適正にキャンセルされる。なお、運行制御部３０は、生じている誤差が所定以上に大きい場合、列車１の車輪等に不具合が発生している虞や運行用データ部６０のデータの誤り等があると判断し、運転者に警告したり、通信部９４を介して、運行司令部等へ通知してもよい。

絶対位置検知処理については、特定位置検出部４８は、（１）軌道の曲率による位置検知、（２）軌道のカーブ走行距離による位置検知、（３）軌道のカーブ変化点による位置検知の３種類の位置検知方法が選択的に用いられる。必要に応じてそれらを組み合わせてもよい。

以上、本実施形態によれば、列車１の先頭の車両１０において、前後に所定の設置距離Ｌだけ隔てて設けられた第１及び第２のＧＮＳＳアンテナ１５ａ、１６ａに接続された第１及び第２のＧＮＳＳ受信部１５ｂ、１６ｂから出力される情報をもとに、列車１（車両１０）の絶対位置を高精度に安定して決定することができる。

また、第１及び第２のＧＮＳＳ部１５、１６から出力される位置情報により列車１の走行位置を決定することから、列車１の走行位置を高精度に安定して決定することができる。したがって列車１の走行位置を検出するための地上子やトランスポンダ等を地上に設置する必要がなく、地上設備を簡略化して設備費を低減することができる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１列車
１０車両
１５第１のＧＮＳＳ部
１５ａ第１のＧＮＳＳアンテナ
１５ｂ第１のＧＮＳＳ受信部
１６第２のＧＮＳＳ部
１６ａ第２のＧＮＳＳアンテナ
１６ｂ第２のＧＮＳＳ受信部
２０車上装置
３０運行制御部
４０列車状態特定部
４２列車位置算出部
４４列車方位算出部
４６ＧＮＳＳ検定部
４８特定位置検出部
６０運行用データ部
６５走行履歴部
９２ＴＧ
９４通信部

Claims

一つの車両の前後方向に所定距離だけ離間して設けられた、ＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を受信する第１及び第２のＧＮＳＳアンテナと、
前記第１及び第２のＧＮＳＳアンテナのそれぞれに接続された第１及び第２のＧＮＳＳ受信部と、
前記車両が走行する路線のデータベースと、
前記第１のＧＮＳＳ受信部が算出する速度ベクトルと前記第２のＧＮＳＳ受信部が算出する速度ベクトルとがなす角度θ、及び前記第１及び第２のＧＮＳＳアンテナとの間の距離にもとづいて軌道のカーブの曲率を算出し、算出結果と前記データベースとを比較して前記カーブの位置を特定し、前記角度θがゼロになった地点で前記車両の位置を特定する位置特定部と、
前記データベースをもとに、前記ＧＮＳＳ信号にもとづく前記車両の位置の特定処理を実行できる状態にあるか否かを検定する検定部を備え、
前記位置特定部は、前記検定部が前記車両の位置の特定処理を実行できる状態に有ると判断した場合には、前記ＧＮＳＳ信号にもとづく前記車両の位置の特定処理を実行し、前記車両の位置の特定処理を実行できる状態に無いと判断した場合には、速度発電機にもとづいて前記車両の位置の特定処理を実行する
ことを特徴とする位置検出装置。
前記位置特定部は、前記曲率が所定より大きい場合、前記曲率にもとづく位置の特定の代わりに、実走したカーブ走行距離と前記データベースに記録されているカーブ走行距離とを比較して前記カーブの位置を特定し、前記角度θがゼロになった地点で前記車両の位置を特定することを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
前記位置特定部は、前記第１のＧＮＳＳ受信部が算出する前記速度ベクトルと前記第２のＧＮＳＳ受信部が算出する前記速度ベクトルとがなす前記角度θの正負が逆転する点をカーブ変化点として特定し、特定された前記カーブ変化点と前記データベースに記録されているカーブ変化点とを比較して、前記車両の位置を特定することを特徴とする請求項１または２に記載の位置検出装置。