一种利用卫星定位实现轮径校准的方法

摘要

本发明涉及一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，包括以下步骤：步骤1：选择校准区域并输入到校准区数据库；步骤2：进行轮径校准，列车在行驶过程中，车载主机周期性采集卫星定位的位置和车轮转速传感器的转数，当车载主机判断列车已进入校准区后，将第一个卫星定位点设为校准起点，记录此时列车的位置Ls和转数Ns，此时车载主机进入校准过程，直到车载主机判断列车已经驶出校准区，将离开校准区后的第一个卫星定位点设为校准终点，记录此时列车的位置Le和转数Ne；步骤3：计算轮径校准结果并进行检验。与现有技术相比，本发明具有精度高、容易实现、成本低和无需限制车速等优点。

权利要求

1.一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：选择校准区域并输入到校准区数据库；

步骤2：进行轮径校准，列车在行驶过程中，车载主机周期性采集卫星定位的位置和轮轴传感器的转数，当车载主机判断列车已进入校准区后，将第一个卫星定位点设为校准起点，记录此时列车的位置Ls和转数Ns，此时车载主机进入校准过程，直到车载主机判断列车已经驶出校准区，将离开校准区后的第一个卫星定位点设为校准终点，记录此时列车的位置Le和转数Ne；

步骤3：计算轮径校准结果并进行检验；

所述的步骤2的具体步骤为：

步骤201：初始化车载主机中的状态机，状态设置为State＝0；

步骤202：判断列车是否在校准区外，若是，则状态变化为State＝1，执行步骤203；否则保持状态不变，重新执行步骤202；

步骤203：在状态State＝1的条件下，判断列车是否进入校准区，若是，则记录此时的车辆位置Ls和车轮转数Ns，状态改变为State＝2，执行步骤204，否则，保持状态不变，重新执行步骤203；

步骤204：在状态State＝2的条件下，判断列车是否离开校准区，若是，则记录此时的车辆位置Le和车轮转数Ne，状态改变为State＝3，执行步骤205，否则，保持状态不变，重新执行步骤204；

步骤205：结束本轮轮径校准，状态设置为State＝0，开始下一次轮径校准。

2.根据权利要求1所述的一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，其特征在于，所述的步骤203中，列车进入校准区后车载主机开始计时，若列车在时限内一直处于校准区内，则认为校准过程异常，超时退出，返回步骤201。

3.根据权利要求2所述的一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，其特征在于，所述的时限设为5分钟。

4.根据权利要求1所述的一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，其特征在于，所述的步骤3的具体步骤为：步骤301：计算行驶距离S；

步骤302：计算车轮转过的圈数N，计算方法为：N＝Ne-Ns；

步骤303：计算校准轮径，计算方法为：D＝S/(N·π)；

步骤304：检验校准轮径，首先判断计算出的校准轮径是否在允许的最大、最小轮径范围内，如果不在此范围内则认为校准结果不可用，丢弃校准结果；如果校准轮径在此范围内，则与上一次校准结果进行比较，如果变化范围在允许的误差范围内，则采用该校准结果，更新轮径值；如果变化范围不在该允许的误差范围内，则认为校准结果不可用，丢弃校准结果，使用之前的轮径值，并且记录错误日志。

5.根据权利要求4所述的一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，其特征在于，所述的步骤302中计算圈数N时，若车辆发生空转打滑，则使用车辆空转打滑算法进行补偿。

6.根据权利要求1所述的一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，其特征在于，所述的校准区数据库中的信息包括校准区编号、校准区起点位置、校准区终点位置、校准区的参考长度。

7.根据权利要求1所述的一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，其特征在于，所述的车载主机若在校准区内启动，则车载主机不进行操作，直到列车驶出校准区。

8.根据权利要求1所述的一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，其特征在于，所述的列车的位置由GNSS定位接收机获得；所述的列车的转数由轮轴传感器测得。

说明书

一种利用卫星定位实现轮径校准的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及轨道交通领域，尤其是涉及一种利用卫星定位实现轮径校准的方法。

背景技术

[0002] 轮径校准的基本原理就是利用列车行驶过的距离S除以车轮转过的圈数N，得到列车车轮的直径D，D＝S/(N·π)。校准过程中距离S的测量和轮对转过的圈数N的测量是关键，有不同的方法来实现。如轨道电路，查询应答器，卫星定位等方式。现有列车控制系统中，测速定位方案多是基于轮轴转速传感器加定位应答器的方式，在铁路沿线每间隔一段距离布置一个应答器，列车行驶过应答器时，获得即时准确位置，在应答器与应答器之间时，通过轮轴转速传感器测量列车行驶过的距离，推算位置。由于轮轴传感器的累计误差及车轮的磨损、空转、打滑等影响因素，测量出来的位置偏差比较大。卫星导航系统在信号好的地段，可以提供连续定位的服务，且精度比查询应答器高，可以用来进行列车轮径校准。传统的卫星定位使用方法，采用虚拟应答器的方式，即在轨道上设置虚拟的“信标”，通过捕获过程，来获得列车经过信标的时刻，进而确定列车的位置及行驶距离。这种方式会带来“捕获误差”，原因是卫星定位是离散的，周期性输出的位置，不可能刚好在虚拟信标处输出定位，有可能在前、后一个范围内(称为捕获半径)。

[0003] 中国发明专利申请号CN201310654448.0中公开了一种列车自动轮径校正方法，主要应用于地铁线路中，利用平直线路上的相邻两个应答器作为轮径校正的参考基准，根据列车初始轮径值确定一个速度，再利用这个速度对两个应答器之间的距离进行测定，与实际距离进行比较，获取轮径更新值。同时也根据轮径转过的圈数进行校验。最终计算结果进行多次平均和有效性检验，剔除异常轮径数据。

[0004] 中国发明专利申请号CN201410038768.8中公开了一种列车轮径的校准方法及校准系统，利用脉冲测距装置来测量校准距离。该方法无需依赖地面设备，如信标、应答器等，可以随时进行轮径校准，比较方便。脉冲测距装置为多普勒雷达或者其它类似设备。

[0005] 中国发明专利申请号CN201610066064.0中公开了一种轨道交通列车轮径校准方法，利用应答器数据库中的多个应答器对作为轮径校准参考源，列车以相同的稳定速度经过所有轮径校准应答器对，并且对校准期间的车轮空转、打滑进行参数补偿，校准结果进行判断和算术平均，提高校准的可靠度和精度。

[0006] 中国发明专利申请号CN201811054729.1中公开了一种双重校准的短距精确轮径校准方法，利用查询应答器来实现标定距离，为了提高精度，在信标读取步骤中，分别记录信标读取信号的上升沿和下降沿时刻的脉冲计数，计算时间信标旁瓣宽度，利用实际的信标旁瓣宽度去抵消一部分理论信标旁瓣宽度的误差，获得更高的校准精度。

[0007] 中国发明专利申请号CN201611228233.2中公开了一种列车轮对轮径自动校验方法及装置，利用列车上的多个车轴进行校验。首先判断列车是否处于惰行工况，其次在惰行工况下，获取各动力轴相邻拖车的速度及轮径，分别对动力轴的轮对轮径进行校验。利用刚体运动特性保证各轴测量的运动速度相同。

[0008] 以下专利使用卫星定位技术进行轮径校准。

[0009] 中国发明专利申请号CN200810222045.8中公开了一种基于卫星定位的机车轮径自动校准系统及其方法，就是采用这样一种方案进行测距的，列车行驶过第N-1个和第N个轮径校准点时，记录该点对应的公里数，计算距离S，记录两点间车轮转数N，利用公式D＝S/(N·π)计算车轮轮径。

[0010] 中国专利申请号CN201711036113.7中公开了一种基于精确测距的列车轮径自动校准系统及其方法，在上述申请号为CN200810222045.8专利的基础上增加了TW-TOF精确测距模块，用于提高距离S的测量精度。其它操作一致。

[0011] 以上专利分析中，使用地面信标的方法，涉及地面设备，需要地面设备配合，而且地面信标的捕获也是有区间的，造成无法精准定位到一个点，而是一个区间，这个区间的大小与信标天线的旁瓣宽度有关，使用虚拟信标的卫星定位方法中，存在一个虚拟信标捕获误差的问题，另外行驶距离是基于线路电子地图计算，通过地图匹配，获得当前点的公里数，电子地图的制作误差也会影响测距的精度。

[0012] 这些测量方法均存在上述的“捕获误差”和线路地图误差，为了解决上述两个问题，本文提出了一种新的轮径校准方法，利用卫星定位的原始数据直接计算行驶距离S，避免了捕获误差和电子地图误差。程序实现更简单，方便。

发明内容

[0013] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用卫星定位实现轮径校准的方法。

[0014] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0015] 一种利用卫星定位实现轮径校准的方法，包括以下步骤：

[0016] 步骤1：选择校准区域并输入到校准区数据库；

[0017] 步骤2：进行轮径校准，列车在行驶过程中，车载主机周期性采集卫星定位的位置和车轮转速传感器的转数，当车载主机判断列车已进入校准区后，将第一个卫星定位点设为校准起点，记录此时列车的位置Ls和转数Ns，此时车载主机进入校准过程，直到车载主机判断列车已经驶出校准区，将离开校准区后的第一个卫星定位点设为校准终点，记录此时列车的位置Le和转数Ne；

[0018] 步骤3：计算轮径校准结果并进行检验。

[0019] 优选地，所述的步骤2的具体步骤为：

[0020] 步骤201：初始化车载主机中的状态机，状态设置为State＝0；

[0021] 步骤202：判断列车是否在校准区外，若是，则状态变化为State＝1，执行步骤203；否则保持状态不变，重新执行步骤202；

[0022] 步骤203：在状态State＝1的条件下，判断列车是否进入校准区，若是，则记录此时的车辆位置Ls和车轮转数Ns，状态改变为State＝2，执行步骤204，否则，保持状态不变，重新执行步骤203；

[0023] 步骤204：在状态State＝2的条件下，判断列车是否离开校准区，若是，则记录此时的车辆位置Le和车轮转数Ne，状态改变为State＝3，执行步骤205，否则，保持状态不变，重新执行步骤204；

[0024] 步骤205：结束本轮轮径校准，状态设置为State＝0，开始下一次轮径校准。

[0025] 优选地，所述的步骤203中，列车进入校准区后车载主机开始计时，若列车在时限内一直处于校准区内，则认为校准过程异常，超时退出，返回步骤201。

[0026] 优选地，所述的时限可设为5分钟。

[0027] 优选地，所述的步骤3的具体步骤为：

[0028] 步骤301：计算行驶距离S；

[0029] 步骤302：计算车轮转过的圈数N，计算方法为：N＝Ne-Ns；

[0030] 步骤303：计算校准轮径，计算方法为：D＝S/(N·π)；

[0031] 步骤304：检验校准轮径，首先判断计算出的校准轮径是否在允许的最大、最小轮径范围内，如果不在此范围内则认为校准结果不可用，丢弃校准结果；如果校准轮径在此范围内，则与上一次校准结果进行比较，如果变化范围在允许的误差范围内，则采用该校准结果，更新轮径值；如果变化范围不在该范围内，则认为校准结果不可用，丢弃校准结果，使用之前的轮径值，并且记录错误日志。

[0032] 优选地，所述的步骤301中距离S的计算方法为平面直角坐标系下的两点距离公式或经纬度坐标系下的GCD公式。

[0033] 优选地，所述的步骤302中计算圈数N时，若车辆发生空转打滑，则使用车辆空转打滑算法进行补偿。

[0034] 优选地，所述的校准数据库中的信息包括校准区编号、校准区起点位置、校准区终点位置、校准区的参考长度。

[0035] 优选地，所述的车载主机若在校准区内启动，则车载主机不进行操作，直到列车驶出校准区。

[0036] 优选地，所述的列车的位置由GNSS定位接收机获得；所述的列车的转数由轮轴传感器测得。

[0037] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：

[0038] 一、精度高：本发明无需地面安装应答器，也无需依赖电子地图，避免了虚拟信标的捕获误差和电子地图制作误差，校准轮径的计算精度高。

[0039] 二、容易实现：本发明使用的距离计算直接基于Le和Ls的几何位置，无需依赖地图匹配，方法简便灵活，更容易实现。

[0040] 三、成本低：本发明只需要GNSS定位接收机和轮轴传感器，无需地面设备，成本低。

[0041] 四、无需限制车速：本发明中的轮径校准方法对校准过程的要求更加宽松，无需限制车速。

附图说明

[0042] 图1为本发明中轮径校准过程的流程图；

[0043] 图2为本发明中轮径校准过程原理的结构示意图；

[0044] 图3为本发明中轮径校准过程的状态机状态迁移图。

具体实施方式

[0045] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

[0046] 现有技术中的测量方法均存在捕获误差和电子地图误差，为了解决这两个问题，本发明提出了一种新的轮径校准方法，利用卫星定位的原始数据直接计算行驶距离S，避免了捕获误差和电子地图误差，本发明中的轮径校准方法的一种实施例如下：

[0047] 本发明的具体实施过程如图1所示，分成两个部分，首先，通过现场走访、卫星图片、系统线路设计数据或者其它线路信息来源，寻找适合作为校准区域的线路段，并且输入到校准区数据库中，数据库中包含校准区编号，校准区起点的位置，校准区终点的位置，参考长度。校准区长度一般在100～200米长度直线轨道，选择校准区域时应该避免路口、车站、陡坡、弯道等地点，以降低车轮空转、打滑的概率，保证列车尽量匀速前进，提高精度，当然，也可以包含该类地点，以优先满足校准功能。

[0048] 其次，车辆启动，并且进行自主定位，车载主机周期性地接收卫星定位位置，车辆实际转数等信息。在接收到卫星定位信息后，车载主机判断列车是否经过校准区，如果没有经过校准区则持续等待，如果经过校准区，则查看是否有有效的校准结果，并且检验校准结果是否合理，如果合理则输出校准结果，如果不合理则丢弃校准结果。

[0049] 完整的校准过程包括列车从非校准区驶入校准区(校准开始)和列车从校准区驶出(校准结束)两个步骤，如图2所示，车辆从图2右侧向左侧移动，依次经过校准开始，校准结束过程。校准区以外的定位点用空心圆圈代表，校准区内的定位点用实心圆点代表。从图2中可以看出，事先选定的校准区域起点和卫星定位的时间校准起点Ls不是一个位置，而是位于卫星连续两次定位之间，同理，校准区域终点和实际校准终点Le也不是在一个位置上。
传统的做法如虚拟信标法，会通过运动补偿去计算这个误差，本发明专利直接避开了这个误差。利用Le和Ls实际计算出来的校准距离S来代替校准区域的理论校准距离，消除了补偿误差，从而提高精度。

[0050] 轮径校准过程中的状态机状态迁移图如图3所示，车载主机启动时，状态机默认状态为State＝0，然后车载主机根据接收到的位置信息判断列车当前是否处于任一校准区，即车载主机启动时就处于校准区，此时会出现单次驶出校准区的现象，为了避免这种现象，规定车载主机在校准区内启动时，不进行任何操作，直到驶出校准区。列车在非校准区时，收到有效的定位信息即可进入State＝1状态，等待校准起点，所谓的校准起点就是车载主机当前收到的定位点从位于校准区以外，到位于校准区以内。此时，校准区内的第一个定位点即为校准起点，对应的时刻为校准开始时刻，记录此时刻的车轮转数值Ns，记录车辆开始校准的位置Ls。状态机变为State＝2状态，在等待校准结束的过程中车载还额外进行计时，当列车长时间处于校准区内，如5分钟以上时，则认为校准过程异常，超时退出，状态机状态恢复到状态0。当车载主机没有超时，并且检测到校准终点时，车载状态切换到State＝3，此时车载主机计算校准轮径值，并且进行检验，决定校准结果是否可用，处理完毕后，状态机切换到状态0，开始等待下一次校准过程。

[0051] 本发明具有以下创新点：

[0052] 1.本发明中的轮径校准方法使用卫星定位的原始数据即可进行轮径校准，无需卫星定位到轨道一维定位位置的转换，无需依赖轨道电子地图。

[0053] 2.本发明中的轮径校准方法无需地面安装应答器，无需测量应答器间的精确距离，避免了应答器天线旁瓣宽度的影响，直接根据卫星定位位置进行距离测量。

[0054] 3.本发明中的轮径校准方法避免了虚拟应答器的捕获误差，进一步提高了校准的精度。

[0055] 4.本发明中的轮径校准方法对校准过程的要求更宽松，无需限制车速。

[0056] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。