铁路沿线上北斗卫星差分基站的选址方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种铁路沿线上北斗卫星差分基站的选址方法及系统，其中，方法包括：建立铁路线路的数学模型；根据所述铁路线路的数学模型，建立北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型；根据所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，采用粒子群算法，寻找在铁路线路上建立北斗卫星差分基站的最佳位置及个数。本发明专利技术能够在铁路线路上进行北斗卫星差分基站的选址，寻找在铁路沿线上北斗卫星差分基站建设的最佳位置及个数，实现铁路线路的全面覆盖，满足整条铁路的高精度定位业务需求。

【技术实现步骤摘要】
铁路沿线上北斗卫星差分基站的选址方法及系统
本专利技术涉及铁路交通及卫星定位
，尤其涉及一种铁路沿线上北斗卫星差分基站的选址方法及系统。
技术介绍
高速铁路网络中的列车运行具有高速度、高密度、高正点率和高安全性的要求。到2015年底，全国铁路营业里程超过12.1万公里，其中高铁1.9万公里，居世界第一位。根据最新发布的《中长期铁路网规划》，到2020年，铁路网规模达到15万公里，其中高速铁路3万公里。在铁路网规模不断扩大、高铁大量投产，列车开行数量尤其是高速列车大幅度增加，自然环境和治安环境更为复杂的情况下，铁路运输高精度位置服务需求愈来愈显著，技术创新越来越迫切，同时，国家战略安全也越来越重要。北斗卫星导航系统(简称“北斗”)是我国独立研制、自主运行的全球卫星导航系统，是国家重要的战略性时空基础设施。系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航和授时服务，并具有短报文通信能力，已初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于10m，授时精度优于20ns。差分基站是提高北斗服务最有效可靠的地面基础设施，为了达到铁路运输位置服务的高标准高要求，需在铁路沿线架设北斗差分基站，通过地面通信系统播发导航信号修正量和辅助定位信号，向列车提供厘米级至亚米级高精度、高动态的定位服务。鉴于此，如何在铁路线路上进行北斗卫星差分基站的选址，以获得在铁路沿线上差分基站建设的最佳位置及个数，实现铁路的全面覆盖，满足整条铁路的高精度定位业务需求成为目前需要解决的技术问题。
技术实现思路
为解决上述的技术问题，本专利技术提供一种铁路沿线上北斗卫星差分基站的选址方法及系统，能够在铁路线路上进行北斗卫星差分基站的选址，寻找在铁路沿线上北斗卫星差分基站建设的最佳位置及个数，实现铁路线路的全面覆盖，满足整条铁路的高精度定位业务需求。第一方面，本专利技术提供一种铁路沿线上北斗卫星差分基站的选址方法，包括：建立铁路线路的数学模型；根据所述铁路线路的数学模型，建立北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型；根据所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，采用粒子群算法，寻找在铁路线路上建立北斗卫星差分基站的最佳位置及个数；其中，所述根据所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，采用粒子群算法，寻找在铁路线路上建立北斗卫星差分基站的最佳位置及个数，包括：步骤S1、初始化铁路沿线最优覆盖问题参数，所述铁路沿线最优覆盖问题参数，包括：所覆盖的目标铁路线路内所有粒子的个数、最优选址总维数、惯性因子ω(t)、个人因子c1、社会因子c2、最大迭代次数、每个粒子的初始位置和初始速度、每个粒子的个体最优位置pbest、每个粒子所属群体的群体最优位置gbest和总迭代时间t，其中，所述粒子为覆盖组成目标铁路线路的有序离散点；步骤S2、将总迭代时间更新为t＝t+1，并设置在[0，1]上的随机数r1、r2、r3、r4、r5和r6的初始值；步骤S3、更新每个粒子当前的个体最优位置pbest和每个粒子所属群体当前的群体最优位置gbest；步骤S4、按照第一公式，更新每个粒子当前的速度和位置；步骤S5、判断更新后每个粒子当前的速度和位置是否满足收敛条件；如果满足，则执行步骤S7；如果不满足，则执行步骤S6；步骤S6、调整每个粒子当前的速度和位置，使调整后每个粒子当前的速度和位置满足收敛条件，然后执行步骤S7；步骤S7、判断当前迭代次数是否超过所述最大迭代次数或者判断每个粒子所属群体当前的群体最优位置gbest的目标函数值是否达到预设精度要求，如果当前迭代次数超过所述最大迭代次数或者每个粒子所属群体当前的群体最优位置gbest的目标函数值达到预设精度要求，则终止迭代，否则返回执行所述步骤S2；其中，所述第一公式为：其中，Vij(t)为在t时刻的第i个粒子第j维速度，Vij(t+1)为在t+1时刻的第i个粒子第j维速度，Xij(t)为在t时刻的第i个粒子第j维位置，Xij(t+1)为在t+1时刻的第i个粒子第j维位置，pbestij(t)为从最开始到t时刻为止第i个粒子第j维最优的位置，gbestij(t)为从最开始到t时刻为止所有粒子第j维最优的位置。可选地，所述建立铁路线路的数学模型，包括：将铁路线路L分解为有序的离散点，得到铁路线路的数学模型；所述铁路线路的数学模型为：L＝{(x1,y1),...,(xa,ya),...,(xm,ym)}，其中，(xa,ya)为第a个离散点的经纬度坐标，a＝1,...,m，m为组成铁路线路的所有离散点的总个数。可选地，所述根据所述铁路线路的数学模型，建立北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，包括：根据所述铁路线路的数学模型，确定铁路线路的最优覆盖条件为：覆盖组成铁路线路的有序离散点的个数达到最大值，且所述铁路线路中重叠覆盖的有序离散点的个数达到最小值；根据所述铁路线路的最优覆盖条件，建立北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型；所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型为：其中，fb(x)为第b个北斗卫星差分基站首次覆盖组成铁路线路的有序离散点的个数，gb(x)为第b个北斗卫星差分基站与除了北斗第b个卫星差分基站的剩余其他北斗卫星差分基站共同覆盖组成铁路线路的有序离散点的个数，b＝1,...,n，n为北斗卫星差分基站的总个数。可选地，所述步骤S3，包括：计算每个粒子当前位置的目标函数值，所述目标函数值为所有北斗卫星差分基站覆盖铁路节点总数，并将每个粒子当前位置的目标函数值与该粒子当前的个体最优位置pbest进行比较，如果该粒子当前位置的目标函数值更优，则将该粒子当前的pbest更新为该粒子当前位置的目标函数值；将每个粒子当前的pbest对应的目标函数值与该粒子所属群体当前的群体最优位置gbest对应的目标函数值进行比较，如果该粒子当前的pbest对应的目标函数值更优，则将该粒子所属群体当前的gbest更新为该粒子当前的pbest。可选地，所述步骤S6，包括：通过第二公式，调整每个粒子当前的速度和位置，使调整后每个粒子当前的速度和位置满足收敛条件；其中，所述第二公式为：其中，Xmax(j)为所有粒子第j维位置中的最大值，Xmin(j)为所有粒子第j维位置中的最小值，Vmax(j)为所有粒子第j维速度中的最大值，Vmin(j)为所有粒子第j维速度中的最小值。第二方面，本专利技术提供一种铁路沿线上北斗卫星差分基站的选址系统，包括：第一建立模块，用于建立铁路线路的数学模型；第二建立模块，用于根据所述铁路线路的数学模型，建立北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型；选址模块，用于根据所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，采用粒子群算法，寻找在铁路线路上建立北斗卫星差分基站的最佳位置及个数；其中，所述选址模块，包括：初始化单元，用于初始化铁路沿线最优覆盖问题参数，所述铁路沿线最优覆盖问题参数，包括：所覆盖的目标铁路线路内所有粒子的个数、最优选址总维数、惯性因子ω(t)、个人因子c1、社会因子c2、最大迭代次数、每个粒子的初始位置和初始速度、每个粒子的个体最优位置pbest、每个粒子所属群体的群体最优位置gbest和总迭代时间t，其中，所述粒子为覆盖组成目标铁路线路的有序离散点；第一更新单元，用于将总迭代时间更新为t＝t本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁路沿线上北斗卫星差分基站的选址方法，其特征在于，包括：建立铁路线路的数学模型；根据所述铁路线路的数学模型，建立北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型；根据所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，采用粒子群算法，寻找在铁路线路上建立北斗卫星差分基站的最佳位置及个数；其中，所述根据所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，采用粒子群算法，寻找在铁路线路上建立北斗卫星差分基站的最佳位置及个数，包括：步骤S1、初始化铁路沿线最优覆盖问题参数，所述铁路沿线最优覆盖问题参数，包括：所覆盖的目标铁路线路内所有粒子的个数、最优选址总维数、惯性因子ω(t)、个人因子c

【技术特征摘要】
1.一种铁路沿线上北斗卫星差分基站的选址方法，其特征在于，包括：建立铁路线路的数学模型；根据所述铁路线路的数学模型，建立北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型；根据所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，采用粒子群算法，寻找在铁路线路上建立北斗卫星差分基站的最佳位置及个数；其中，所述根据所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，采用粒子群算法，寻找在铁路线路上建立北斗卫星差分基站的最佳位置及个数，包括：步骤S1、初始化铁路沿线最优覆盖问题参数，所述铁路沿线最优覆盖问题参数，包括：所覆盖的目标铁路线路内所有粒子的个数、最优选址总维数、惯性因子ω(t)、个人因子c1、社会因子c2、最大迭代次数、每个粒子的初始位置和初始速度、每个粒子的个体最优位置pbest、每个粒子所属群体的群体最优位置gbest和总迭代时间t，其中，所述粒子为覆盖组成目标铁路线路的有序离散点；步骤S2、将总迭代时间更新为t＝t+1，并设置在[0，1]上的随机数r1、r2、r3、r4、r5和r6的初始值；步骤S3、更新每个粒子当前的个体最优位置pbest和每个粒子所属群体当前的群体最优位置gbest；步骤S4、按照第一公式，更新每个粒子当前的速度和位置；步骤S5、判断更新后每个粒子当前的速度和位置是否满足收敛条件；如果满足，则执行步骤S7；如果不满足，则执行步骤S6；步骤S6、调整每个粒子当前的速度和位置，使调整后每个粒子当前的速度和位置满足收敛条件，然后执行步骤S7；步骤S7、判断当前迭代次数是否超过所述最大迭代次数或者判断每个粒子所属群体当前的群体最优位置gbest的目标函数值是否达到预设精度要求，如果当前迭代次数超过所述最大迭代次数或者每个粒子所属群体当前的群体最优位置gbest的目标函数值达到预设精度要求，则终止迭代，否则返回执行所述步骤S2；其中，所述第一公式为：其中，Vij(t)为在t时刻的第i个粒子第j维速度，Vij(t+1)为在t+1时刻的第i个粒子第j维速度，Xij(t)为在t时刻的第i个粒子第j维位置，Xij(t+1)为在t+1时刻的第i个粒子第j维位置，pbestij(t)为从最开始到t时刻为止第i个粒子第j维最优的位置，gbestij(t)为从最开始到t时刻为止所有粒子第j维最优的位置。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立铁路线路的数学模型，包括：将铁路线路L分解为有序的离散点，得到铁路线路的数学模型；所述铁路线路的数学模型为：L＝{(x1,y1),...,(xa,ya),...,(xm,ym)}，其中，(xa,ya)为第a个离散点的经纬度坐标，a＝1,...,m，m为组成铁路线路的所有离散点的总个数。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述铁路线路的数学模型，建立北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型，包括：根据所述铁路线路的数学模型，确定铁路线路的最优覆盖条件为：覆盖组成铁路线路的有序离散点的个数达到最大值，且所述铁路线路中重叠覆盖的有序离散点的个数达到最小值；根据所述铁路线路的最优覆盖条件，建立北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型；所述北斗卫星差分基站覆盖铁路线路的最优模型为：其中，fb(x)为第b个北斗卫星差分基站首次覆盖组成铁路线路的有序离散点的个数，gb(x)为第b个北斗卫星差分基站与除了北斗第b个卫星差分基站的剩余其他北斗卫星差分基站共同覆盖组成铁路线路的有序离散点的个数，b＝1,...,n，n为北斗卫星差分基站的总个数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3，包括：计算每个粒子当前位置的目标函数值，所述目标函数值为所有北斗卫星差分基站覆盖铁路节点总数，并将每个粒子当前位置的目标函数值与该粒子当前的个体最优位置pbest进行比较，如果该粒子当前位置的目标函数值更优，则将该粒子当前的pbest更新为该粒子当前位置的目标函数值；将每个粒子当前的pbest对应的目标函数值与该粒子所属群体当前的群体最优位置gbest对应的目标函数值进行比较，如果该粒子当前的pbest对应的目标函数值更优，则将该粒子所属群体当前的gbest更新为该粒子当前的pbest。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6，包括：通过第二公式，调整每个粒子当前的速度和位置，使调整后每个粒子当前的速度和位置满足收敛条件；其中，所述第二公式为：其中，Xmax(j)为所有粒子第j维位置中的最大值，Xmin(j)为所有粒子第j维位置中的最小值，Vmax(j)为所有粒子第j维速度中的最大值，Vmin(j)为所有...

【专利技术属性】
技术研发人员：李平，王英杰，刘军，潘佩芬，孟川舒，封博卿，魏晓娟，杨峰雁，
申请(专利权)人：中国铁道科学研究院，中国铁道科学研究院电子计算技术研究所，北京经纬信息技术公司，
类型：发明
国别省市：北京,11