一种基于卫星定位的列车走行距离计算方法及装置与流程

1.本发明涉及列车车载测速定位领域，尤其是涉及一种基于卫星定位的列车走行距离计算方法及装置。


背景技术：

2.传统的列车定位方法主要依靠轨道电路、轮速传感器、雷达，以及应答器进行辅助的方式：轮速传感器根据单位时间内接收到的脉冲数量计算得出列车的运行方向、速度，多普勒雷达测速弥补了轮速传感器在空转打滑或者车轮磨损后测速不准的问题，最终将轮速传感器信息和雷达信息进行数据融合得到准确的列车速度，再积分计算列车的相对位移；同时列车驶过应答器时，应答器在激活后将存储的位置信息提供给列车进行位置校正。具体计算方法为列车经过应答器后首先确定一个基准位置，在此基础上依据车上传感器融合的列车累计走行距离，不断递推出列车实时位置，随着时间增加，累计位置误差不断增大；但经过下一个应答器基准位置更新，列车位置得到校正，从而实现列车走行位置的计算。
3.该方法需使用大量的地面设备，在一定程度上增加了列控系统的建设和维护成本，难以满足现代化铁路的需要；同时这些方法受到环境天气影响大，影响特殊天气时列车走行距离的计算。现有技术主要存在以下几个缺点：
4.1、轨旁电子设备、电缆比较多，故障率较高，设备维护工作量大，维护成本高；
5.2、定位精度受到应答器设置间隔影响，无法实时位置校正；
6.3、雷达容易受到环境的影响，雨雪等恶劣天气时测速情况不理想。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种基于卫星定位的列车走行距离计算方法及装置，采用多传感器融合测速定位的方式，利用卫星实时计算列车位置，实现列车走行距离实时更新、实时校正，提升了列车的定位精度，并且无需地面轨旁设备，大量减少运营成本，满足列车安全行车的需要。
8.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
9.一种基于卫星定位的列车走行距离计算方法，所述列车具有卫星定位信息和列车股道信息，包含步骤：
10.t1、基于列车的所述卫星定位信息实时获取当前周期内列车的星测绝对位置a
x
(t)和星测速度v
x
(t)；
11.t2、基于所述星测绝对位置a
x
(t)和列车股道信息，计算出当前周期内列车的股道匹配位置ar(t)和股道匹配速度vr(t)；
12.t3、基于所述股道匹配位置ar(t)与股道匹配速度vr(t)，计算出当前周期走行距离δs；
13.t4、基于所述当前周期走行距离差δs，更新列车累计走行距离s
总
。
14.优选地，步骤t2是通过几何投影算法实现的。
15.优选地，所述列车还具有轮速传感器信息，步骤t1中还包括：基于所述轮速传感器信息实时获取当前周期内列车的传测速度vc(t)。
16.优选地，步骤t2中，星测绝对位置a
x
(t)与列车股道信息通过几何投影计算进行匹配时，还计算出股道匹配位置误差δr(t)。
17.优选地，步骤t2还包括：
18.t2＇、将列车的所述星测绝对位置a
x
(t)、星测速度v
x
(t)与传测速度vc(t)进行数据融合，得到列车的融合位置ak(t)和融合速度vk(t)。
19.优选地，步骤t2＇是通过卡尔曼滤波算法实现的。
20.优选地，步骤t1还包括：
21.基于所述星测绝对位置a
x
(t)、星测速度v
x
(t)和传测速度vc(t)进行数据比对，判断列车车轮是否发生空转打滑，如果发生了空转打滑则对所述传测速度vc(t)进行校正。
22.优选地，步骤t3是通过对当前周期内的所述股道匹配速度vr(t)进行积分运算实现的，计算公式为：
[0023][0024]
其中，m为周期数，t
m-1
是当前周期开始时间，tm是当前周期结束时间。
[0025]
优选地，步骤t3包括：
[0026]
t31、基于所述股道匹配位置误差δr(t)，判断此时列车是否具有精确位置：
[0027]
是，则转入步骤t32；
[0028]
否，则通过对当前周期内的所述股道匹配速度vr(t)进行积分运算，计算出当前周期走行距离δs，计算公式为：
[0029][0030]
其中，m为周期数，t
m-1
是当前周期开始时间，tm是当前周期结束时间；转入步骤t4；
[0031]
t32、基于所述列车融合位置ak(t)、上周期末的列车融合位置ak(t-1)和列车股道信息，获得列车的当前周期走行距离差δs。
[0032]
优选地，步骤t32包括：
[0033]
t321、基于所述列车融合位置ak(t)和列车股道信息，判断当前周期列车是否跨越了车站或者股道：
[0034]
是，则基于跨越的道岔长度，对当前周期列车融合位置ak(t)和当前周期内所述列车融合速度vk(t)进行修正；
[0035]
否，则转入步骤t322；
[0036]
t322、计算获得列车的当前周期走行距离差δs。
[0037]
优选地，步骤t321中，还对上一股道终点、当前股道终点进行修正，并将全部的修正后数据作为下一周期卡尔曼滤波的输入参数。
[0038]
优选地，步骤t322中列车的所述当前周期走行距离差δs，是基于上周期末的列车融合位置ak(t-1)、修正后的当前周期列车融合位置ak(t)和列车股道信息进行计算得到的。
[0039]
优选地，步骤t322中列车的所述当前周期走行距离差δs，是对修正后的所述当前周期列车融合速度vk(t)进行积分运算得到的，计算公式为：
[0040][0041]
其中，m为周期数，t
m-1
是当前周期开始时间，tm是当前周期结束时间。
[0042]
一种列车车载测速定位装置，其用于实现上述的基于卫星定位的列车走行距离计算方法，包括：
[0043]
卫星接收机，安装在列车上，用于接收卫星信号，并输出列车的所述卫星定位信息；
[0044]
轮速传感器，安装在列车上，用于通过测量列车车轮的旋转角速度得到列车行驶速度，并输出所述轮速传感器信息；
[0045]
数据处理模块，与所述卫星接收机和轮速传感器分别电连接，用于接收所述卫星接收机和轮速传感器输出的信息，并计算获得所述列车累计走行距离s
总
。
[0046]
优选地，所述卫星接收机包括：第一卫星接收机和第二卫星接收机，所述第一卫星接收机和第二卫星接收机完全相同、互为备份。
[0047]
优选地，所述轮速传感器包括：第一轮速传感器和第二轮速传感器，所述第一轮速传感器和第轮速传感器完全相同、互为备份。
[0048]
综上所述，与现有技术相比，本发明提供的基于卫星定位的列车走行距离计算方法及装置，具有如下有益效果：
[0049]
1、列车实时计算走行距离，使实时定位更加精确；
[0050]
2、通过使用卫星数据，对轮速传感器的空转打滑进行实时校正，减少了轮速传感器的误差；
[0051]
3、无需地面设备，极大的减少了地面轨旁设备的成本及维护成本；
[0052]
4、受到雨雪等特殊天气及环境影响小。
附图说明
[0053]
图1为本发明的列车车载测速定位装置的结构图；
[0054]
图2为本发明的列车走行距离计算的单周期流程图。
具体实施方式
[0055]
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的基于卫星定位的列车走行距离计算方法及装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0056]
需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或
者设备所固有的要素。
[0057]
本发明的原理为：
[0058]
1、设置车载设备软件运行周期为测量周期，自当前周期开始，通过安装在列车上的轮速传感器实时获取轮速脉冲信息，并通过该轮速脉冲信息结合列车车轮直径可以实时计算得到列车的传测速度vc(t)；同时通过安装在列车上的卫星接收机实时获取列车的星测绝对位置a
x
(t)和星测速度v
x
(t)；将a
x
(t)和v
x
(t)与列车的当前股道进行匹配，实时计算出当前周期内列车相对于当前股道的位置和速度：股道匹配位置ar(t)与股道匹配速度vr(t)；将卫星接收机的数据与轮速传感器的数据进行比对，判断列车车轮是否发生空转打滑，如果发生了空转打滑则利用卫星接收机的数据对vc(t)进行校正。
[0059]
2、基于卡尔曼滤波算法(kalman filtering，是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法；由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程)，对卫星接收机的数据与轮速传感器的数据进行融合，得到列车的融合位置ak(t)和融合速度vk(t)(因为卫星接收机的数据容易受环境的影响，融合卫星接收机的数据与轮速传感器的数据可以增强数据的稳定性)。
[0060]
3、判断当前周期是否具有列车精确位置(通过计算当前周期内的股道匹配位置vr(t)的误差是否小于阈值(阈值根据经验确定)来判断当前周期是否具有列车精确位置)：
[0061]
否，则通过对vr(t)积分计算获得当前周期走行距离差δs，再将当前周期走行距离差δs与当前周期前的列车累计走行距离s
总
累加，更新列车累计走行距离s
总
；
[0062]
是，则基于列车融合位置ak(t)进行跨站或跨越股道判断及位置修正(判断当前周期是否跨越了车站和股道，由于车站间和变换股道需要经过道岔，而线路数据中未计算道岔长度，所以需要进行修正)，再根据列车融合位置ak(t)或修正后的融合位置计算得到当前周期走行距离差δs，再将当前周期走行距离差δs与当前周期前的列车累计走行距离s
总
累加，更新列车累计走行距离s
总
。
[0063]
具体为，结合附图1、2所示，本实施例提供一种基于卫星定位的列车走行距离计算方法，用于通过列车的卫星定位信息和轮速传感器信息获得列车总走行距离s
总
，包含步骤：
[0064]
s01、基于轮速传感器信息实时获取当前周期内列车的传测速度vc(t)，基于卫星定位信息实时获取当前周期内列车的星测绝对位置a
x
(t)和星测速度v
x
(t)。
[0065]
s02、基于星测绝对位置a
x
(t)、星测速度v
x
(t)和传测速度vc(t)进行数据比对，判断列车车轮是否发生空转打滑，如果发生了空转打滑则对vc(t)进行校正。
[0066]
s03、将星测绝对位置a
x
(t)与列车股道信息通过几何投影计算进行匹配，得到股道匹配位置ar(t)、股道匹配速度vr(t)以及股道匹配位置误差δr(t)；再基于股道匹配位置ar(t)、股道匹配速度vr(t)和校正后的传测速度vc(t)，通过卡尔曼滤波算法进行数据融合，得到列车的融合位置ak(t)和融合速度vk(t)。
[0067]
s04、如果股道匹配位置误差δr(t)小于阈值(根据经验值配置)，则认为列车具有精确位置；区分此时列车是否具有精确位置：
[0068]
是，则转入步骤s05；
[0069]
否，则对当前周期内股道匹配速度vr(t)进行积分运算，获取当前周期走行距离δs，计算公式为：
[0070][0071]
其中，m为周期数，t
m-1
是当前周期开始时间，tm是当前周期结束时间；
[0072]
转入步骤s07。
[0073]
s05、基于列车融合位置ak(t)和列车股道信息，判断当前周期列车是否跨越了车站或者股道：
[0074]
是，则基于股道信息，对上一股道终点、当前股道终点数据进行更新；并基于所跨越的车站或者股道的道岔长度数据，对当前周期列车融合位置ak(t)进行弥补更新；并根据更新后的列车融合位置ak(t)对当前周期内融合速度vk(t)进行修正，并将全部修正后的数据作为下一周期的卡尔曼滤波的输入参数，从而减少列车走行距离累计误差，增强计算准确度；转入步骤s06；
[0075]
否，则转入步骤s06。
[0076]
s06、获得当前周期走行距离差δs，可以通过两种方法的任意一种实现：
[0077]
方法一：基于上周期末的列车融合位置ak(t-1)和修正后的列车融合位置ak(t)，获得当前周期走行距离差δs，计算方法为：根据列车股道信息查询到修正后的列车融合位置ak(t)与上周期末的列车融合位置ak(t-1)两点之间的轨道长度即为δs；转入步骤07；
[0078]
方法二：基于修正后的当前周期列车融合速度vk(t)，进行积分运算获取当前周期走行距离差δs，计算公式为：
[0079][0080]
其中，m为周期数，t
m-1
是当前周期开始时间，tm是当前周期结束时间；转入步骤07。
[0081]
s07、将当前周期走行距离差δs与当前周期前的列车累计走行距离s
总
累加，更新列车累计走行距离s
总
，计算公式为：
[0082]s总
＝s
总
δs。
[0083]
另外，本实施例还提供一种列车车载测速定位装置，用于实现上述的基于卫星定位的列车走行距离计算方法，如附图1所示，该列车车载测速定位装置包括：
[0084]
卫星接收机，安装在列车上，用于接收卫星信号，并输出列车的卫星定位信息；为了增加系统冗余度，该列车车载测速定位装置设置了两个同样的卫星接收机互为备份：第一卫星接收机和第二卫星接收机；
[0085]
轮速传感器，安装在列车的行走轴上，用于输出轮速传感器信息，即通过测量列车车轮的转动角度，并且通过周期性采样获得列车车轮的旋转角速度，再通过列车车轮直径换算得到列车行驶速度；为了增加系统冗余度，该列车车载测速定位装置设置了两个同样的轮速传感器互为备份：第一轮速传感器和第二轮速传感器；
[0086]
数据处理模块，与第一卫星接收机、第二卫星接收机、第一轮速传感器和第二轮速传感器分别电连接，用于接收各卫星接收机和各轮速传感器输出的信息，并按照上述的基于卫星定位的列车走行距离计算方法进行计算，从而获得列车累计走行距离s
总
。
[0087]
综上所述，本发明提供的基于卫星定位的列车走行距离计算方法及装置，列车实时计算走行距离，使实时定位更加精确；通过使用卫星数据，对轮速传感器的空转打滑进行实时校正，减少了轮速传感器的误差；无需地面设备，极大的减少了地面轨旁设备的成本及
维护成本；受到雨雪等特殊天气及环境影响小；通过采用卫星实时校正列车走行距离，避免由于长时间运行导致走行距离误差不断增大，同时大幅减少地面设备，降低成本。
[0088]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。