[0027] 优选地,步骤S3中计算目标列车定位误差在线保护限值的公式为:
[0028] Rt=I-HtΦt;
[0029]
[0030] 公式中,EZ(St,Tt)为目标列车定位误差在线保护限值;I为单位矩阵;Ht为等效量测矩阵;Φt为滤波器增益矩阵;目标列车的运行时刻Tt对应为时间变量t;σ0为根据漏检概率选定的检测系数;Φt,1j表示滤波器增益矩阵Φt的第1行、第j列矩阵元素;Φt,4j表示滤波器增益矩阵Φt的第4行、第j列矩阵元素;Φt,7j表示滤波器增益矩阵Φt的第7行、第j列矩阵元素;Rt,jj表示矩阵Rt的第j行、第j列矩阵元素。
[0031] 优选地,步骤S4进一步包括如下子步骤:
[0032] S4.1、初算目标列车在运行时刻Tt的位置 将该位置投影至轨道地图上,求得投影位置 进而推算出该投影坐标位置对应的投影里程值
[0033] S4.2、以投影里程值 及运行时刻Tt为索引,在时空分布特征库中搜索与其匹配的特征点:
[0034] 若存在特征点P(Sk,Tk)满足 且Tt=Tk,则将该特征点P(Sk,Tk)的定位误差保护限值EL(Sk,Tk)作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值EL(St,Tt);
[0035] 若不存在特征点P(Sk,Tk)满足 且Tt=Tk,则采用平均值法推算离线预测值作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值EL(St,Tt),推算公式如下:
[0036]
[0037]
[0038] Tj'≤Tt≤Tj'+σT或Tj'-σT≤Tt≤Tj';
[0039] 公式中,σT为时间参数,σS为空间参数。
[0040] 优选地,步骤S5中根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案进一步包括如下子步骤:
[0041] 若目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值中任一值大于等于预设的告警阈值,则目标列车定位决策方案为隔离卫星定位的观测数据,直接采用辅助定位传感器数据计算目标列车位置;
[0042] 若目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值均小于预设的告警阈值,则目标列车定位决策方案为综合采用卫星定位接收机及辅助定位传感器观测数据,通过紧耦合融合估算目标列车位置。
[0043] 一种执行如上文所述方法的基于协同完好性监测的列车卫星定位系统,该系统包括:
[0044] 卫星数据获取服务器,用于采集卫星历书数据及卫星健康状态数据;
[0045] 完好性状态预测服务器,用于接收列车调度指挥系统发送的列车运行计划数据,根据列车运行计划数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据,预测在待定位时空范围内分布的各特征点定位误差离线保护限值,组成时空分布特征库;
[0046] 安置在目标列车上的定位诊断处理终端,用于根据卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息,实时计算目标列车定位误差在线保护限值,在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值,并利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较,根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案;
[0047] 安置在目标列车上的列车位置决策单元,用于采集卫星导航接收机及辅助传感器的测量信息,根据实时调整后的目标列车定位决策方案实施列车定位决策,实时输出目标列车的当前位置和速度。
[0048] 优选地,该系统还包括:预测信息分配终端,用于将时空分布特征库通过无线通信网络发送给目标列车的定位诊断处理终端。
[0049] 优选地,定位诊断处理终端包括:
[0050] 卫星观测信息接口模块,用于接收卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息;
[0051] 预测信息接收模块,用于接收时空分布特征库;
[0052] 完好性监测计算模块,用于根据卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息,实时计算目标列车定位误差在线保护限值;
[0053] 信息推算模块,用于在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值;
[0054] 诊断决策模块,用于利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较,根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案;
[0055] 信息注入模块,用于将实时调整后的目标列车定位决策方案发送至列车位置决策单元。
[0056] 本发明的有益效果如下:
[0057] 1、能够有效提升列车定位完好性监测的性能,特别是列车在途运行中定位信息采集、处理可能遇到不确定性、条件时变性,可能导致位置决策单元LDU计算存在异常、漏检的情况下,利用预先实施的离线预测降低这些因素的不利影响,使列车位置决策单元给出的决策输出具备更高的安全效益。
[0058] 2、与常规仅采用RAIM技术支持的LDU定位决策相比具有更强的应用能力,有效降低位置决策过程存在的安全风险,确保列控系统、预警系统等安全保障应用的服务水平。
[0059] 3、具备显著的可拓展性,能够适应多种卫星导航系统模式的应用,如单模GNSS、多模GNSS,以及不同的卫星导航/辅助传感器组合定位系统结构。
附图说明
[0060] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0061] 图1示出基于协同完好性监测的列车卫星定位方法流程图。
[0062] 图2示出列车运行计划与轨道地图的映射关系示意图。
[0063] 图3示出定位误差保护限值时空分布特征库示意图。
[0064] 图4示出目标列车定位决策切换原理图。
[0065] 图5示出基于协同完好性监测的列车卫星定位系统结构图。
[0066] 图6示出定位诊断处理终端结构图。
具体实施方式
[0067] 为了更清楚地说明本发明,下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。
[0068] 本实施例提供的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法的应用场景为:已知目标列车从时刻TA至TB且在车站A至B之间区段的待定位时空范围内运行的运行计划,相应地,由专用轨道地图数据库、卫星星历数据源的离线数据作为初始条件,位置决策单元中的接收机采用列车搭载北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)接收机,位置决策单元中的辅助传感器采用里程计与陀螺共同构成,组合用于定位计算与输出。
[0069] 如图1所示,本实施例提供的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法具体包括以下步骤:
[0070] S1、采集离线的基础数据,该离线基础数据包括卫星历书数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据、列车运行计划数据;
[0071] S2、根据该离线的基础数据,预测在待定位时空范围内分布的各特征点的定位误差离线保护限值,组成时空分布特征库;
[0072] S3、通过在目标列车上安置的导航卫星接收机实时提取导航卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息,并根据该观测信息实时计算目标列车定位误差在线保护限值;
[0073] S4、在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值;
[0074] S5、利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与预设的告警阈值进行比较,并根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案。
[0075] 其中:
[0076] 步骤S1的具体过程为:
[0077] 通过相应数据库获取覆盖TA至TB时段的导航卫星历书以及监测管理信息所得导航卫星健康状态。其中,卫星历书数据与车载接收机解析所得星历数据的作用一致,均为通过相应的卫星轨道参数计算所有卫星在某一时刻的三维坐标位置。
[0078] 进一步,为实现离线的完好性预测,除了卫星位置信息以外,还需要相应的列车位置作为测站目标,该信息由专用地图数据库、列车运行计划数据共同确定。其中,地图数据库由事先进行的关键点测量、数据处理、编制过程离线获得,利用一个轨道线路关键点集描述轨道的位置信息、属性特征信息、地形信息,对于第i'个关键点Qi',对应了编号Ni'、经度λi'、纬度φi'、高程Hi'、线路编号Tri'、里程值Si'、地形参数集Zi'、轨旁设施属性Yi'等;基础数据中的列车运行计划由列车调度指挥系统(Train Operation Dispatching Command System,TDCS)或铁路调度集中(Centralized Train Control,CTC)系统提供,用“时间-里程”坐标系下的折线表示列车从A站发车到B站到达所经历的中间过程。为从列车运行计划获得在途运行位置(从轨道上一个固定参考点出发的沿轨道距离)随时间的基本描述,利用轨道地图提供的地理坐标信息与轨道里程信息进行映射,能够将一维的计划里程转换至能够与卫星坐标位置相匹配的三维列车位置。图2中右侧所示的折线描述了列车从A站出发到达B站中共计S0=33km区段内的运行计划,其中,折线上任意一点P的坐标表示了列车按计划在TP时刻运行至里程为SP的一维轨道位置,利用里程SP在轨道地图数据库中搜索包含该里程的最小折线段 由关键点Qm、Qn的里程按比例反算SP对应的经度λP、纬度φP、高程HP,如图2左侧所示,利用这一映射方式将时间、空间信息进行关联,将列车的计划位置与卫星位置转换至同一坐标框架。
[0079] 步骤S2的具体过程为:
[0080] 以特征点定位误差离线保护限值的时空分布特征库这一形式实施离线预测,特征库中以各特征点模拟目标列车在列车运行计划中时间与里程位置的对应关系,各特征点的相关信息构成数据集,各特征点P(Si,Ti)对应的信息包括其里程值Si、时间值Ti以及该点的定位误差保护限值预测值EL(Si,Ti)。其中,特征点分布的选取采用预设的时间参数σT、空间参数σS进行控制,本实施例选择恒定量作为该特征库时间、空间分辨率水平的评价依据。
[0081] 步骤S2进一步包括以下子步骤:
[0082] S2.1、将A站至B站区间共计S0公里的里程范围按照空间参数σS进行等间隔采样,如此可得共计NS=[S0/σS]+1个里程值,[]表示取整。
[0083] S2.2、根据列车运行计划给出的基本运行图线,利用起始及终到时刻TA、TB分别对应求解各里程值所对应的计划时刻。因为列车实际运行时分及实际运行速度具有不确定性,所以需要根据这种不确定性给定一个时间窗TM,用以包含这种不确定性,本实施例中时间窗TM=(TB-TA)/4,按照时间参数σT对该时间窗TM进行等间隔采样,各里程值分别可得到NT=[TM/σT]个时间值,则对于每一个里程值,从其对应的计划时刻出发,分别从正、负两个方向分别选择NT个时值与该里程值相关联,如此,则每一个特征点的里程值均有2NT+1个时间值与其关联,从而由里程值和时间值构成各特征点P(Si,Ti),由各特征点P(Si,Ti)组成特征点集{P},形成列车运行计划的“时段通过带”,如图3所示,其作用在于能够适应列车的实际运行过程与基本计划图线可能的偏离性。
[0084] S2.3、根据共计NS×(2NT+1)个特征点的里程值、时间值,结合导航卫星信息判断各卫星在相应时刻Tw、轨道位置Sw作为观测端时的可见性(条件:卫星仰角大于限值)、工作状态(条件:卫星未报告故障),获得观测各特征点的可用卫星集{IDq,Xq(t),Yq(t),Zq(t);q=1,2,…,Mi,p(t)},其中,IDq为卫星编号,{Xq(t),Yq(t),Zq(t)}为地心地固坐标系(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)下t时刻的卫星q三维坐标,Mi,p(t)为该特征点对应的可用卫星数量,如果要实施完好性监测,则可用卫星数量应满足大于等于5,即Mi,p≥5,本实施例中可用卫星数量满足大于等于5。
[0085] S2.4、根据卫星位置及特征点时空信息,按照如下公式预测在待定位时空范围内分布的各特征点P(Si,Ti)定位误差离线保护限值EL(Si,Ti):
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
[0091] Rt=I-HtΦt
[0092]
[0093]
[0094]
[0095] 公式中:
[0096] ρq(t)为第q颗卫星的伪距观测量,[Xq(t),Yq(t),Zq(t)]为ECEF坐标系下的卫星三维坐标,[xS(i),yS(i),zS(i)]为特征点的三维位置,可由其里程值Si、经度λS(i)、纬度高程HS(i)经过坐标转换算得;
[0097] ξq(t)为第q颗卫星伪距观测的等效误差,包括电离层误差、对流层误差、时钟误差、多径误差、接收机热噪声等分量;
[0098] zt为当前可用卫星对应的伪距量构成的量测向量;
[0099] xt为由三维坐标位置及其一阶、二阶导构成的滤波器状态向量;
[0100] SEt为检验统计量,其中,et、εt分别为量测值的估计、预测误差;
[0101] I为单位矩阵;
[0102] Ht为等效量测矩阵,可由非线性的量测函数h(*)线性化近似求得,为求偏导数符号;
[0103] Φt为滤波器增益矩阵, 分别为量测信息的方差、交互协方差矩阵,分别为与xt和zt相关的矩阵,由所采用的非线性滤波器结构决定;
[0104] 特征点P(Si,Ti)的时间值对应为时间变量t,σ0为根据漏检概率选定的检测系数,Φt,1j表示滤波器增益矩阵Φt的第1行、第j列矩阵元素,Φt,4j表示滤波器增益矩阵Φt的第4行、第j列矩阵元素,Φt,7j表示滤波器增益矩阵Φt的第7行、第j列矩阵元素,Rt,jj表示矩阵Rt的第j行、第j列矩阵元素。
[0105] 步骤S2还包括如下子步骤:
[0106] S2.5、根据预设的告警阈值,判定各特征点定位误差离线保护限值的时空分布特征库的可用性有效范围,作为规划、调整列车运行计划的参考,具体过程为:
[0107] 根据列车定位决策输出的应用需求确定告警阈值AL,以列车在区间内的运行控制为例,选择告警阈值为AL=5.0m,将前一步骤中预测所得时空分布特征库中各个特征点定位误差保护限值EL(Si,Ti)与AL进行比较,比较结果直接决定了特征点的可用性属性:
[0108] (i)若EL(Si,Ti)≥AL,该特征点标记可用性属性为V(不可用);
[0109] (ii)若EL(Si,Ti)
[0110] 如图3所示,通过上述判定方式,能够在上述列车运行计划的“时段通过带”中确定完好性状态的属性分布空间,起到在列车实际运行前预测的作用,作为规划、调整列车运行计划的参考。
[0111] 步骤S3的具体过程为:
[0112] 利用列车车载位置决策单元实时提取导航卫星的观测信息,包括卫星星历、各可视卫星的伪距等,采用与离线预测特征库中各特征点定位误差保护限值EL(Si,Ti)
[0113]
[0114] 公式中,目标列车的运行时刻Tt对应为时间变量t。
[0115] 在线计算目标列车定位误差在线保护限值与离线预测各特征点保护限值的主要区别在于两点:一是卫星状态的信息的来源不同,分别为在线、离线模式下由不同数据源获取;二是伪距等卫星观测量直接由接收机获取,而不需采用观测误差模型进行预测和叠加计算。
[0116] 步骤S4的具体过程为:
[0117] 为了使在线计算EZ(St,Tt)、离线预测EL(Si,Ti)进行比较的过程中实现时间、空间属性的一致,使该比较具有实际意义,需要结合专用轨道数据库实施对准操作,其中,车载系统进行实时计算采用的专用轨道地图数据库与离线预测所用保持一致。具体对准过程包括以下步骤:
[0118] S4.1、结合计算EZ(St,Tt)的过程初算目标列车在当前时刻Tt的位置 将其投影至轨道地图上,求得投影位置 进而推算出该投影坐标位置对应的投影里程值初算目标列车在当前时刻Tt的位置 的方法为应用非线性Kalman滤波器求解滤波器状态向量xt的估计解,然后从中提出第1、4、7个向量元素,构成三维坐标量;
[0119] S4.2、以投影里程值 及运行时刻Tt为索引,在离线预测所得时空分布特征库中搜索与其匹配的特征点:
[0120] 若存在特征点P(Sk,Tk)满足 且Tt=Tk,则将该特征点P(Sk,Tk)的定位误差保护限值EL(Sk,Tk)作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值EL(St,Tt);
[0121] 若不存在特征点P(Sk,Tk)满足 且Tt=Tk,则在特征库中确定包含 Tt的最小四边形,提取其四个端点位置(Sj',Tj')、(Sj'+σS,Tj')、(Sj',Tj'±σT)、(Sj'+σS,Tj'±σT),其中,端点位置满足 且满足Tj'≤Tt≤Tj'+σT或Tj'-σT≤Tt≤Tj',
[0122] 利用该最小四边形的中心近似对准位置,采用平均值法估计对准情况下的离线预测值 即
[0123]
[0124] 将推算出的定位误差保护限值 作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值EL(St,Tt)。
[0125] 步骤S5的具体过程为:
[0126] EL(St,Tt)
(1)BDS/辅助传感器紧组合决策,(2)辅助传感器独立定位决策,(3)BDS独立定位决策,(4)决策失效。EL(St,Tt)[0127] (i)若EL(St,Tt)≥AL、EZ(St,Tt)≥AL任意一种情况出现,则列车位置决策过程隔离BDS观测数据,将从上一时刻Tt-1的方案①处理结构转换至方案②,或从上一时刻Tt-1的方案③转换至失效模式④;
[0128] (ii)若EL(St,Tt)
[0129] 当采用方案①时,辅助定位传感器能够通过编排计算所得列车经、纬度位置信息结合BDS卫星状态反推伪距量,进而与BDS接收机解算伪距量进行误差推算,可以采用其误差量构成状态向量建立系统方程与量测方程,采用非线性Kalman滤波器实现紧组合模式下的状态估计及综合决策。
[0130] 当采用方案②时,直接采用辅助定位传感器的编排计算结果作为列车位置决策与输出。
[0131] 当采用方案③时,可直接采用步骤S4中定位误差保护限值EZ(St,Tt)计算时所进行的预先状态估计结果用于列车位置决策与输出。
[0132] 当转入方案④时,表明当前BDS接收机或辅助定位传感器信息均存在安全性、可用性风险,不再提供位置决策输出,而是发送相应的失效状态告警标志。
[0133] 本实施例提供的方法在列车位置决策处理过程中增加了离线的、静态的预测信息对决策过程的约束作用,使列车定位计算中的完好性监测深度得到提升,体现了离线过程与在线过程的协同。所给出的输出趋于保守,但是能够确保无效的、或者可能存在风险的卫星定位观测信息不被引入位置决策过程,从而有效提升列车定位的自主化调整能力及安全性水平,有力支持列车运行控制、列车追踪接近预警等多个与行车安全相关的系统应用。
[0134] 如图5所示,本实施例提供的执行上述方法的基于协同完好性监测的列车卫星定位系统,包括:地面安装的卫星数据获取服务器、完好性状态预测服务器、轨道地图数据服务器、预测信息分配终端,以及在列车上安置的诊断处理终端和列车位置决策单元;
[0135] 卫星数据获取服务器,用于通过网络请求查询卫星历书数据及卫星健康状态数据,在检测到数据更新的情况下载卫星历书及卫星健康状态数据,并重新组帧按照协议将其存储至内部存储单元。
[0136] 轨道地图数据服务器,用于通过人工操作获取各列车车次所对应的轨道地图数据库并存储,对轨道地图进行更新和一致性维护。
[0137] 完好性状态预测服务器,用于通过网络端口向既有铁路调度指挥系统、卫星数据获取服务器、轨道地图数据服务器请求信息,以获得列车运行计划数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据等数据写入存储器,由逻辑运算单元根据时间参数、空间参数等设置,离线计算生成待定位时空范围内分布的各特征点定位误差离线保护限值,将待定位时空范围内分布的各特征点定位误差离线保护限值组成时空分布特征库,并向预测信息分配终端发送转发指令。
[0138] 预测信息分配终端,用于根据所接收的转发指令,利用所解析的车次信息作为依据,将完好性状态预测服务器生成的时空分布特征库通过无线通信网络发送给目标列车的定位诊断处理终端。
[0139] 定位诊断处理终端,用于在目标列车发车前通过无线通信网络接收时空分布特征库,列车启动运行后,在每个采样周期从卫星导航接收机提取导航卫星星历数据、观测信息以及辅助定位传感器的状态字信息,采用与完好性状态预测服务器一致的计算逻辑计算当前运行时刻目标列车定位误差在线保护限值,并以当前里程、时间信息为参照,在离线特征库中进行搜索与对准,提取对应的特征点定位误差离线保护限值进行比较,根据比较结果基于预定的切换规则确定当前的定位信息处理方案,生成方案调整指令,进而实时调整目标列车定位决策方案。
[0140] 列车位置决策单元,用于实时接收诊断处理终端发送的调整后的目标列车定位决策方案,完成列车位置决策运算并利用目标列车的当前位置、速度等状态量生成位置输出数据帧,通过数据接口向外部发送。
[0141] 其中:
[0142] 如图6所示,诊断处理终端包括:
[0143] 卫星观测信息接口模块,用于接收从卫星导航接收机发送的卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息;
[0144] 预测信息接收模块,用于在列车发车前通过无线通信网络接收并存储由预测信息分配终端发送的时空分布库;
[0145] 完好性监测计算模块,用于根据卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息,实时计算目标列车定位误差在线保护限值;
[0146] 信息推算模块,用于在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值;
[0147] 诊断决策模块,用于利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较,根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案;
[0148] 信息注入模块,用于与列车位置决策单元的定位处理器进行接口,向其发送所生成的定位信息处理结构调整指令。
[0149] 地面子系统包含的卫星数据获取服务器、完好性状态预测服务器、轨道地图数据服务器、预测信息分配终端均可采用双套配置,增加系统的可靠性和故障容错能力,从而在单个设备存在故障的情况下,系统依然能够采用后备设备继续按照上述流程实现离线预测及信息发布。
[0150] 车载子系统包含的诊断处理终端可采用双套配置,两个终端并行工作,采用完全一致的硬件结构和软件逻辑,列车位置决策单元同时接收两个终端的注入信息,采用一致性判决逻辑,仅在从两个终端接收的定位信息处理结构调整指令完全一致的情况下,执行相应的方案调整操作并进行信息处理和组帧输出。
[0151] 地面的轨道地图数据服务器与车载的列车位置决策单元存储完全一致的专用轨道地图数据库,分别用于实施离线预测计算以及在线诊断计算,车-地间定期进行数据库维护与校验,在校验失败的情况下发出警告并及时进行同步。因轨道线路施工、改造等原因导致地图信息发生改变的情况下,地图数据库将由操作人员及时进行升级维护,确保系统提供有效服务。
[0152] 显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。