数字轨道地图辅助ＧＰＳ实现精确列车定位方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种数字轨道地图辅助ＧＰＳ实现精确列车定位方法及系统。该列车定位方法主要包括ＧＰＳ完好性监测算法和列车定位解算算法两个子算法。ＧＰＳ完好性监测算法通过建立一种基于轨道的本地坐标系，并把ＷＧＳ－８４坐标转换为基于轨道的本地新坐标系，用数字轨道地图提供的地理信息来构建余度方程和约束条件，从而监测ＧＰＳ伪距观测量；列车定位解算算法负责建立列车位置解算模型和速度解算模型，并综合这两种模型实现列车定位解算功能。本发明专利技术所提出的列车定位方法不仅能在ＧＰＳ完备条件下有效地提高列车定位的精度和稳定性，而且还能在ＧＰＳ不完备条件下提供较高精度的列车定位结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于车辆定位
，特别涉及一种利用数字轨道地图辅助GPS 实现精确列车定位方法及系统。
技术介绍
随着全球经济的快速增长，铁路运输在国民经济增长中扮演着越来越重要 的角色。铁路列车运输能力越大，数量越多，速度越快，对列车运行的安全性 要求就越高。而对列车位置的实时准确跟踪就成为列车运行控制系统中的关键 问题，实时准确地跟踪列车位置是防止列车冲突、追尾和列车调度及自动驾驶 的基础。全球定位系统GPS(Global Positioning System)以其全天候、连续、实时 的高精度定位功能在列车精确定位和保障行车安全方面应用广泛，而GPS列车 定位方法技术是目前车辆定位
的一个重大研究课题。在传统的列车运行控制系统中，列车定位大多采用轨道电路、査询应答器、 感应线圈和里程计等方法实现，这些传统方法几乎都存在设备成本高和定位精 度低等缺陷。为了能在GPS定位的基础上获得更好的定位效果，通常的做法是 将其它导航信息与GPS的输出定位结果进行融合应用，从而提高列车定位精度， 但是这一方法存在如下固有缺陷(1) GPS与INS和DR融合应用的缺陷。由于INS(Inertial Navigation System, 惯性导航系统)需要通过对加速度进行积分运算求出导航参数，从而确定载体位 置，在长时间工作以后会产生累积误差，因此，INS需要再增加其它的辅助定 位信息，这将导致整个系统成本较高。DR(Dead Reckoning,航位推算系统)是从 已知的坐标位置开始，根据运动载体在该点的航向、航速和航行时间等参数， 推算下一时刻的坐标位置，因此，DR需要GPS来提供车辆的原始位置，并且 一旦温度发生变化，或者由于惯性器件的漂移误差、机械震动、打滑、空转、 抱死以及轮径因素等引起输出误差，这些输出误差还会随距离和时间的增长逐 渐累积。(2)地图匹配的缺陷。数字地图是一种不受外界影响，稳定性较高的导航 信息源，因此，地图匹配成为提高列车定位技术精度和交通引导的重要力'法之 一。然而，由于这种定位是借助数字地图存储的高精度道路数据和GPS所输出的准确定位结果之间的相互匹配来提高定位精度的，因此其对GPS自主定位的 依赖性高；也就是说，GPS能够准确定位是地图匹配的前提。此外，GPS自主定位过程中产生的误差将被直接带入地图匹配过程中， 一旦GPS无法输出准确的定位结果，地图匹配将会失效。由于铁路线路不易变更，列车运行轨迹相对固定，在站内通过联锁系统可以 迅速获得列车所在股道区段，所以轨道地图信息的获取、提取较为方便。因此， 研究一种新的成本更低、稳定性更高的列车定位方法，将轨道地图信息直接用 于列车定位解算具有重要的现实意义。现有列车定位技术中利用数字轨道地图来改进定位效果的方法主要局限于 地图匹配的方法。然而，地图匹配方法并未参与定位解算过程而是直接依赖于GPS的自主定位结果； 一旦GPS无法输出准确的定位结果，地图匹配方法将失效，从而很大程度上限制了列车定位的精度和稳定性。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述不足，本专利技术利用数字轨道地图高精度和高稳定 性的优势，将轨道地图信息直接用于列车定位解算中，综合运用数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法和列车定位解算算法，提出了一种数字轨道地图辅 助GPS实现精确列车定位方法及系统。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位的方法，其包括如下步骤 歩骤1输入系统数据，进行数据提取及处理；步骤2实现数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法，其通过建立基于轨 道的本地坐标系，利用数字轨道地图提供的地理信息来构建余度方程和约束条 件，通过GPS观测量误差与判决门限的比较来剔除GPS解算过程中误差较大的 观测量来保证定位精度，并降低传统的GPS完好性监测方法对可视卫星数的要 求；步骤3实现数字轨道地图辅助的列车定位解算算法，其综合利用轨道地图 数据、GPS卫星星历和原始伪距观测量等信息，建立数字轨道地图辅助的列车位 置解算模型和速度解算模型，分别求解列车的位置和速度，最终通过适当的权 重分配来综合这两种模型下的定位解算结果，从而实现精确的列车定位；步骤4输出列车位置估计的数据。上述歩骤还包括如下技术特征步骤1所述的进行数据提取及处理进一步包括提取来自GPS接收机的卫星 星历及伪距等观测数据；以及包括股道精确地理信息的数字轨道地图数据库。 歩骤2所述的GPS完好性监测算法包括其一，建立一种基于轨道线路的本地坐标系，并把列车位置由WGS-84坐标转换为基于轨道的本地新坐标系；其二， 监测GPS伪距观测量。所述本地新坐标系定义如下将沿着列车运行方向的己识别的列车所在股道 区段方向作为X轴；将垂直于水平面向上，与X轴成直角的方向作为Z轴；将 垂直于轨道和Z轴的水平方向向右作为Y轴；坐标原点为该股道区段在列车运 行方向上的起点。由于列车的运行轨迹一定位于轨道上，所以在此新坐标系下 Y坐标与Z坐标可视为零；X坐标取决于列车在此股道区段上运行的实际距离。假设列车所在的股道区段在WGS-84坐标系下沿着列车运行方向的头节点坐 标为0;^，j^w，^。J，尾节点坐标为0u/';w，z^)。列车(车头)在WGS-84坐标系下的三维位置坐标为"y，z)，在新的本地坐标系下的三维位置坐标为"'，少"')。 当<x < x^,凡^ <少<x^，s^ < z < ze rf时，列车(车头)在本地新坐标系下的坐标可表示为<formula>formula see original document page 10</formula>所述监测GPS伪距观测量进一步包括在WGS-84坐标系下，用所有可视的 GPS伪距观测量进行列车位置的初解算，并将解算结果转换为新的本地坐标；以 及估算距离残差。在新的本地坐标系下利用约束条件>^ z = Q ，用最小二乘法逆推伪距观测量 的值<formula>formula see original document page 10</formula>其中，G是GPS最小二乘估计的观测矩阵；—是第i颗卫星的伪距观测值， 4， 2， ."，n。令/ = 2' = 0，则可反推得到/'，它是与/^^相对应的伪距量，。<formula>formula see original document page 10</formula>其中，<formula>formula see original document page 10</formula>。在所述估算距离残差过程中，比较上一步中各颗卫星的伪距观测量与反算得 到的伪距相关量的偏差，这里将它称为距离残差矢量"。"- [_ Z ， Ls群e" - Z ,…,L謂et/ - Z ，…，U謂e" "J / = 1,2，...,/7本专利技术中定义A/,叫/:—-/'|，用A/,来衡量卫星号为i的卫星的观测量的好 坏，并作为判别故障星的依据，将A/,与检测门限4^。w相比，只有当GPS伪距观 测值的误差在检测门限^&、M内，用这样的观测值来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字轨道地图辅助ＧＰＳ实现精确列车定位的方法，其特征在于，包括如下步骤：　步骤１、输入系统数据，进行数据提取及处理，其进一步包括：提取来自ＧＰＳ接收机的卫星星历及伪距等观测数据；以及，包括股道精确地理信息的数字轨道地图数据库；　步骤２、实现数字轨道地图辅助的ＧＰＳ完好性监测算法，所述的ＧＰＳ完好性监测算法是指：其一，建立一种基于轨道线路的本地坐标系，把ＷＧＳ－８４坐标转换为基于轨道的本地新坐标系；其二，监测ＧＰＳ伪距观测量；　步骤３、实现数字轨道地图辅助的列车定位解算算法，其包括：利用数字轨道地图信息辅助进行列车的位置解算；利用数字轨道地图信息辅助进行列车的速度解算；以及根据权值综合定位结果；　步骤４、输出列车位置估计的数据。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡伯根，王剑，李翀，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]