專利名稱：：數(shù)字軌道地圖輔助gps實現(xiàn)精確列車定位方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于車輛定位
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種利用數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長，鐵路運輸在國民經(jīng)濟(jì)增長中扮演著越來越重要的角色。鐵路列車運輸能力越大，數(shù)量越多，速度越快，對列車運行的安全性要求就越高。而對列車位置的實時準(zhǔn)確跟蹤就成為列車運行控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，實時準(zhǔn)確地跟蹤列車位置是防止列車沖突、追尾和列車調(diào)度及自動駕駛的基礎(chǔ)。全球定位系統(tǒng)GPS(GlobalPositioningSystem)以其全天候、連續(xù)、實時的高精度定位功能在列車精確定位和保障行車安全方面應(yīng)用廣泛，而GPS列車定位方法技術(shù)是目前車輛定位
技術(shù)領(lǐng)域：
的一個重大研究課題。在傳統(tǒng)的列車運行控制系統(tǒng)中，列車定位大多采用軌道電路、査詢應(yīng)答器、感應(yīng)線圈和里程計等方法實現(xiàn)，這些傳統(tǒng)方法幾乎都存在設(shè)備成本高和定位精度低等缺陷。為了能在GPS定位的基礎(chǔ)上獲得更好的定位效果，通常的做法是將其它導(dǎo)航信息與GPS的輸出定位結(jié)果進(jìn)行融合應(yīng)用，從而提高列車定位精度，但是這一方法存在如下固有缺陷(1)GPS與INS和DR融合應(yīng)用的缺陷。由于INS(InertialNavigationSystem,慣性導(dǎo)航系統(tǒng))需要通過對加速度進(jìn)行積分運算求出導(dǎo)航參數(shù)，從而確定載體位置，在長時間工作以后會產(chǎn)生累積誤差，因此，INS需要再增加其它的輔助定位信息，這將導(dǎo)致整個系統(tǒng)成本較高。DR(DeadReckoning,航位推算系統(tǒng))是從已知的坐標(biāo)位置開始，根據(jù)運動載體在該點的航向、航速和航行時間等參數(shù)，推算下一時刻的坐標(biāo)位置，因此，DR需要GPS來提供車輛的原始位置，并且一旦溫度發(fā)生變化，或者由于慣性器件的漂移誤差、機(jī)械震動、打滑、空轉(zhuǎn)、抱死以及輪徑因素等引起輸出誤差，這些輸出誤差還會隨距離和時間的增長逐漸累積。(2)地圖匹配的缺陷。數(shù)字地圖是一種不受外界影響，穩(wěn)定性較高的導(dǎo)航信息源，因此，地圖匹配成為提高列車定位技術(shù)精度和交通引導(dǎo)的重要力'法之一。然而，由于這種定位是借助數(shù)字地圖存儲的高精度道路數(shù)據(jù)和GPS所輸出的準(zhǔn)確定位結(jié)果之間的相互匹配來提高定位精度的，因此其對GPS自主定位的依賴性高；也就是說，GPS能夠準(zhǔn)確定位是地圖匹配的前提。此外，GPS自主定位過程中產(chǎn)生的誤差將被直接帶入地圖匹配過程中，一旦GPS無法輸出準(zhǔn)確的定位結(jié)果，地圖匹配將會失效。由于鐵路線路不易變更，列車運行軌跡相對固定，在站內(nèi)通過聯(lián)鎖系統(tǒng)可以迅速獲得列車所在股道區(qū)段，所以軌道地圖信息的獲取、提取較為方便。因此，研究一種新的成本更低、穩(wěn)定性更高的列車定位方法，將軌道地圖信息直接用于列車定位解算具有重要的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)有列車定位技術(shù)中利用數(shù)字軌道地圖來改進(jìn)定位效果的方法主要局限于地圖匹配的方法。然而，地圖匹配方法并未參與定位解算過程而是直接依賴于GPS的自主定位結(jié)果；一旦GPS無法輸出準(zhǔn)確的定位結(jié)果，地圖匹配方法將失效，從而很大程度上限制了列車定位的精度和穩(wěn)定性。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明利用數(shù)字軌道地圖高精度和高穩(wěn)定性的優(yōu)勢，將軌道地圖信息直接用于列車定位解算中，綜合運用數(shù)字軌道地圖輔助的GPS完好性監(jiān)測算法和列車定位解算算法，提出了一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位方法及系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位的方法，其包括如下步驟歩驟1輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)提取及處理；步驟2實現(xiàn)數(shù)字軌道地圖輔助的GPS完好性監(jiān)測算法，其通過建立基于軌道的本地坐標(biāo)系，利用數(shù)字軌道地圖提供的地理信息來構(gòu)建余度方程和約束條件，通過GPS觀測量誤差與判決門限的比較來剔除GPS解算過程中誤差較大的觀測量來保證定位精度，并降低傳統(tǒng)的GPS完好性監(jiān)測方法對可視衛(wèi)星數(shù)的要求；步驟3實現(xiàn)數(shù)字軌道地圖輔助的列車定位解算算法，其綜合利用軌道地圖數(shù)據(jù)、GPS衛(wèi)星星歷和原始偽距觀測量等信息，建立數(shù)字軌道地圖輔助的列車位置解算模型和速度解算模型，分別求解列車的位置和速度，最終通過適當(dāng)?shù)臋?quán)重分配來綜合這兩種模型下的定位解算結(jié)果，從而實現(xiàn)精確的列車定位；步驟4輸出列車位置估計的數(shù)據(jù)。上述歩驟還包括如下技術(shù)特征步驟1所述的進(jìn)行數(shù)據(jù)提取及處理進(jìn)一步包括提取來自GPS接收機(jī)的衛(wèi)星星歷及偽距等觀測數(shù)據(jù)；以及包括股道精確地理信息的數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)庫。歩驟2所述的GPS完好性監(jiān)測算法包括其一，建立一種基于軌道線路的本地坐標(biāo)系，并把列車位置由WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于軌道的本地新坐標(biāo)系；其二，監(jiān)測GPS偽距觀測量。所述本地新坐標(biāo)系定義如下將沿著列車運行方向的己識別的列車所在股道區(qū)段方向作為X軸；將垂直于水平面向上，與X軸成直角的方向作為Z軸；將垂直于軌道和Z軸的水平方向向右作為Y軸；坐標(biāo)原點為該股道區(qū)段在列車運行方向上的起點。由于列車的運行軌跡一定位于軌道上，所以在此新坐標(biāo)系下Y坐標(biāo)與Z坐標(biāo)可視為零；X坐標(biāo)取決于列車在此股道區(qū)段上運行的實際距離。假設(shè)列車所在的股道區(qū)段在WGS-84坐標(biāo)系下沿著列車運行方向的頭節(jié)點坐標(biāo)為0;^，j^w，^。J，尾節(jié)點坐標(biāo)為0u/';w，z^)。列車(車頭)在WGS-84坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)為"y，z)，在新的本地坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)為"'，少"')。當(dāng)<x<x^,凡^<少<x^，s^<z<zerf時，列車(車頭)在本地新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>所述監(jiān)測GPS偽距觀測量進(jìn)一步包括在WGS-84坐標(biāo)系下，用所有可視的GPS偽距觀測量進(jìn)行列車位置的初解算，并將解算結(jié)果轉(zhuǎn)換為新的本地坐標(biāo)；以及估算距離殘差。在新的本地坐標(biāo)系下利用約束條件>^z=Q，用最小二乘法逆推偽距觀測量的值<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中，G是GPS最小二乘估計的觀測矩陣；—是第i顆衛(wèi)星的偽距觀測值，4，2，."，n。令/=2'=0，則可反推得到/'，它是與/^^相對應(yīng)的偽距量，。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>。在所述估算距離殘差過程中，比較上一步中各顆衛(wèi)星的偽距觀測量與反算得到的偽距相關(guān)量的偏差，這里將它稱為距離殘差矢量"。"-[_Z，Ls群e"-Z,…,L謂et/-Z，…，U謂e""J/=1,2，...,/7本發(fā)明中定義A/,叫/:—-/'|，用A/,來衡量衛(wèi)星號為i的衛(wèi)星的觀測量的好壞，并作為判別故障星的依據(jù)，將A/,與檢測門限4^。w相比，只有當(dāng)GPS偽距觀測值的誤差在檢測門限^&、M內(nèi)，用這樣的觀測值來進(jìn)行GPS解算才是滿足精度要求的。若GPS偽距觀測值的誤差超出了檢測門限^^。w，這樣的觀測量將被剔除。步驟3所述列車定位解算是指利用數(shù)字軌道地圖信息輔助進(jìn)行列車的位置解算；利用數(shù)字軌道地圖信息輔助進(jìn)行列車的速度解算；以及根據(jù)權(quán)值綜合定位結(jié)果。其具體算法如下所述利用數(shù)字軌道地圖信息輔助進(jìn)行列車的位置解算進(jìn)一歩包括其一，建立常規(guī)的GPS定位解算方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其中，J(義系/0為WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與地心大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換矩陣。令<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其—，在GPS定位解算方程中加入軌道區(qū)段的地圖信息，GPS觀測方程就可寫成<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中，Ap,為第i顆衛(wèi)星相對于初始假設(shè)位置的偽距偏差；^為k時刻經(jīng)度解算結(jié)果；^為k時刻緯度解算結(jié)果；A人+,為k+l時刻經(jīng)度解算的修正；A^+,為k+l時刻緯度解算的修正；A/^為k+l時刻獲得的髙度修止；A^為k+1時刻的接收機(jī)鐘差；其三，最小二乘估算。其最小二乘估計解可以表示為d仍)4)00<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>其中，這樣，在假設(shè)列車高程不變的情況下，就可以獲得列車位置的經(jīng)諱度坐標(biāo)修正及接收機(jī)鐘差。所述利用數(shù)字軌道地圖信息輔助進(jìn)行列車的速度解算進(jìn)一歩包括在GPS解算方程中加上軌道區(qū)段地理信息對列車運行速度方向的限制條件，其速度解算模型可以描述為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>式中，A二為第i顆衛(wèi)星的偽距變化率；、一,分別為k時刻解算獲得的列車東向和北向運行速度；l,w、v"。^+,分別為k+1時刻解算獲得的列車東向和北向運行速度；^為接收機(jī)鐘差變化率；v為量測噪聲；^,—為單位緯度與單位經(jīng)度所對應(yīng)的實際長度之比；&。p—是與GPS偽距變化率、接收機(jī)速度和鐘差變化率相對應(yīng)的觀測方程的觀測矩陣。式中，《(々，％)為地球在經(jīng)緯度(々,％)位置的東西向曲率半徑，^"，外)為地球在經(jīng)緯度(A悉)位置的子午線曲率半徑。所述根據(jù)權(quán)值綜合定位結(jié)果具體是指通過給上述兩個解算模型分配一定的權(quán)重來綜合列車定位結(jié)果，得到最終的列車位置坐標(biāo)。假設(shè)利用位置解算模型進(jìn)行定位獲得的結(jié)果所帶的均方距離誤差(DRMS)大小為;利用速度解算模型進(jìn)行定位獲得的結(jié)果所帶的均方距離誤差大小為。模型所分配的權(quán)重大小取決于兩種模型各自定位的誤差和HD0P值的大小。權(quán)重w表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中，HDOP值的計算過程如下假設(shè)^4為GPS觀測量4的誤差矢量，J《為用戶坐標(biāo)修正《的誤差矢量，《為GPS定位解算觀測矩陣，貝1」3《的協(xié)方差矩陣為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>每顆衛(wèi)星都具有各自的測距誤差，若它們都是彼此獨立的，并且方差均為確定值a。2。則<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>其中，I為wx"階單位矩陣。因此<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>令<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>則GPS定位的水平精度因子可用測距誤差cr。表不為朋0尸,！十/^)0最終的列車定位解算結(jié)果定義為-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>式中，&為k時刻通過最小二乘估計獲得的位置定位結(jié)果；、為k時刻的速度定位結(jié)果；A^皿為采樣時間間隔；&+1為1^+1時刻最終的定位結(jié)果。一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)提取及數(shù)據(jù)處理模塊，用于提取和處理從GPS接收機(jī)的衛(wèi)星星歷及偽距等觀測量數(shù)據(jù)，以及包含股道精確地理信息的數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)庫輸入的數(shù)據(jù)；GPS完好性監(jiān)測模塊，其負(fù)責(zé)建立本地坐標(biāo)系和進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并通過GPS測量誤差與判決門限的比較，剔除誤差較大的觀測量，從而監(jiān)測GPS偽距觀測以及，列車定位解算模塊，其負(fù)責(zé)在所述的監(jiān)測GPS偽距觀測量中加入軌道區(qū)段的地圖信息，利用最小二乘法進(jìn)行列車的位置解算，并負(fù)責(zé)完成列車的速度解算。上述各模塊之間的連接關(guān)系如下經(jīng)數(shù)據(jù)提取及數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)輸入到GPS完好性監(jiān)測模塊，由該GPS完好性模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測模監(jiān)測GPS偽距觀測量；在該監(jiān)測GPS偽距觀測量中加入軌道區(qū)段的地圖信息，通過列車定位解算模塊進(jìn)行列車的位置解算和速度解算；最后輸出對列車位置的估計結(jié)果。所述GPS完好性監(jiān)測模塊進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)提取及處理模塊，其負(fù)責(zé)采集可視衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)和偽距觀測量，在所述的監(jiān)測GPS偽距觀測量中加入軌道區(qū)段的地圖信息，計算可視衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，并負(fù)責(zé)軌道地圖信息的提取和處理；本地坐標(biāo)系創(chuàng)建及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，其負(fù)責(zé)建立一種基于軌道線路的本地坐標(biāo)系，并把列車的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于軌道的本地坐標(biāo)；誤差判決及檢測門限確定模塊，其負(fù)責(zé)根據(jù)最小二乘估計算法，計算誤差判據(jù)及判決門限，監(jiān)測GPS偽距觀測量；以及，偽距觀測量篩選及剔除模塊，其通過GPS測量誤差與判決門限的比較，篩選出滿足誤差條件的GPS偽距觀測量，剔除誤差較大的所述列車定位解算模塊進(jìn)一歩包括定位數(shù)據(jù)提取及處理模塊，負(fù)責(zé)在所述監(jiān)測GPS偽距觀測量中加入軌道區(qū)段的地圖信息；列車位置解算模塊，其利用最小二乘法進(jìn)行列車的位置解算；列車速度解算模塊，完成列車的速度解算；以及綜合模塊，其通過非兩個解算模型分配一定的權(quán)重，從而綜合列車定位結(jié)果，得到最終的列車位置坐標(biāo)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明充分利用數(shù)字軌道地圖提供的輔助信息來改善列車定位效果，避免定位結(jié)果對GPS輸出結(jié)果的過分依賴，并降低了傳統(tǒng)的GPS完好性監(jiān)測方法對可視衛(wèi)星數(shù)的要求。應(yīng)用本發(fā)明提供的數(shù)字軌道地圖輔助的GPS完好性監(jiān)測算法可以準(zhǔn)確地對GPS觀測量進(jìn)行監(jiān)測，在衛(wèi)星數(shù)充足的情況下，可以有效地剔除誤差較大的GPS觀測量，保證GPS定位解算的精度。參見下表(表l)可知，在GPS完備條件下，本發(fā)明在同等條件下比現(xiàn)行的GPS定位方法具有更高的定位精度和更好的定位穩(wěn)定性；在GPS不完備條件下，本發(fā)明也可以提供在一定可用精度范圍內(nèi)的定位結(jié)果；以及在GPS衛(wèi)星信號受到嚴(yán)重遮掩的環(huán)境下，它可以作為列車準(zhǔn)確定位的重要方法和補充。表l列車定位方法比較<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>圖l是數(shù)字軌道地圖輔助GPS的列車定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2是數(shù)字軌道地圖輔助的GPS完好性監(jiān)測算法流程圖3是本發(fā)明的GPS完好性監(jiān)測模塊結(jié)構(gòu)子框圖4是WGS-84坐標(biāo)與基于軌道的本地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換示意圖5是本發(fā)明的數(shù)字軌道地圖輔助的列車定位模塊結(jié)構(gòu)子框下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。具體實施例方式實施例l:如圖1所示，本發(fā)明所研究的數(shù)字軌道地圖輔助的列車定位方法的核心是地圖輔助列車定位算法。該地圖輔助列車定位系統(tǒng)可大致分為數(shù)據(jù)提取及處理、GPS完好性監(jiān)測和列車定位解算三個模塊。這三個模塊雖然在結(jié)構(gòu)上是獨立的，但在每個計算周期中都是相互關(guān)聯(lián)的。該地圖輔助列車定位系統(tǒng)包括數(shù)字軌道地圖輔助的GPS完好性監(jiān)測算法和列車定位解算算法兩個主要子算法。該系統(tǒng)的輸入包括來自GPS接收機(jī)的衛(wèi)星星歷及偽距等觀測量數(shù)據(jù)，以及包含股道精確地理信息的數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)輸出的是對列車位置的估計。實施例2如附圖2所示，通過具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在一個實施例中，根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字軌道地圖輔助的GPS完好性監(jiān)測算法的具體流程如下1.采集可視衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)和偽距觀測量，并計算可視衛(wèi)星的位置坐標(biāo)。具體地，利用NovAtelGPS接收機(jī)采集可視衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)、偽距觀測量數(shù)據(jù)，并提取衛(wèi)星星歷中的相關(guān)參數(shù)計算可視衛(wèi)星的位置坐標(biāo)；2.軌道地圖信息的提取和處理。在一個實施例中，通過車站聯(lián)鎖系統(tǒng)獲取列車股道占用信息，從軌道地圖數(shù)據(jù)庫中提取出相應(yīng)股道的地圖信息，并將這些地圖信息轉(zhuǎn)換為本發(fā)明所提出的算法中所需的格式；最后結(jié)合具體數(shù)據(jù)驗證算法的可行性；3.建立一種基于軌道線路的本地坐標(biāo)系，并把列車的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于軌道的本地坐標(biāo)；4.根據(jù)最小二乘估計算法，計算誤差判據(jù)及判決門限，監(jiān)測GPS偽距觀測5.根據(jù)所選閾值進(jìn)行誤差判斷，剔除不合精度要求的觀測數(shù)據(jù)，確定滿足誤差要求的觀測量，以便進(jìn)一歩進(jìn)行GPS定位解算。實施例3如附圖3所示，本發(fā)明的GPS完好性監(jiān)測算法可總結(jié)描述為以下4個主要子模塊數(shù)據(jù)提取及處理模塊，數(shù)據(jù)提取及數(shù)據(jù)處理模塊用于提取和處理從GPS接收機(jī)的衛(wèi)星星歷及偽距等觀測量數(shù)據(jù)，以及包含軌道精確地理信息的數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)庫輸入的數(shù)據(jù)；，并計算可視衛(wèi)星的位置坐標(biāo)和負(fù)責(zé)軌道地圖信息的提取和處理；經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)輸入GPS完好性監(jiān)測模塊，由該GPS監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)建立一種基于軌道線路的木地坐標(biāo)系，并把列車位置由WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于軌道的本地新坐標(biāo)系；誤差判決及檢測門限確定模塊，其負(fù)責(zé)根據(jù)最小二乘估計算法，計算誤差判據(jù)及判決門限，監(jiān)測GPS偽距觀測量；以及，監(jiān)測GPS偽距觀測量模塊，其負(fù)責(zé)篩選和剔除偽距觀測量。實施例4如附圖4所示，在一個實施例中，本地新坐標(biāo)系定義如下沿著列車運行方向的己識別的列車所在股道區(qū)段方向為X軸；垂直于水平面向上，與X軸成直角的方向為Z軸；垂直于軌道和Z軸的水平方向向右為Y軸；坐標(biāo)原點為該股道區(qū)段在列車運行方向上的起點。由于列車的運行軌跡一定位于軌道上，所以在該新坐標(biāo)系下Y坐標(biāo)與Z坐標(biāo)可視為零；X坐標(biāo)取決于列車在此股道區(qū)段上運行的實際距離。假設(shè)列車所在的股道區(qū)段在WGS-84坐標(biāo)系下沿著列車運行方向的頭節(jié)點坐標(biāo)為"^,J^,U，尾節(jié)點坐標(biāo)為(x^,J^,U。列車(以車頭為位置基準(zhǔn))在WGS-84坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)為(x,j^)，在新的本地坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)為時，列車在本地新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>實施例5在一個實施例中，如圖2所示，利用最小二乘法估算誤差判據(jù)及判決門限，監(jiān)測GPS偽距觀測量。具體實現(xiàn)如下在WGS-84坐標(biāo)系下，用所有可視的GPS偽距測量量進(jìn)行列車位置的初解算，并將解算結(jié)果轉(zhuǎn)換為新的本地坐標(biāo)。在新的本地坐標(biāo)系下利用約朿條件y=z=0，用最小二乘法逆推偽距。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>其中，G是GPS最小二乘估計的觀測矩陣；'ww是第i顆衛(wèi)星的偽距觀測值，i:l,2,…,n。令/==0，則可反推得到/'，它是與/^^相對應(yīng)的偽距量。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>其中，G'=WxG。比較上一歩中各顆衛(wèi)星的偽距觀測量與反算得到的偽距相關(guān)量的偏差，這里將它稱為距離殘差矢量w。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>本發(fā)明中定義A/,=|/*^-/'|，用么/,來衡量衛(wèi)星號為i的衛(wèi)星的觀測量的好壞，并作為判別故障星的依據(jù)，將A/,與檢測門限4^。w相比，只有當(dāng)GPS偽距觀測值的誤差在檢測門限4^。w內(nèi)，用這樣的觀測值來進(jìn)行GPS解算才是滿足精度要求的。若GPS偽距觀測值的誤差超出了檢測門限《^,^，這樣的觀測量將被剔除。實施例6如圖5所示的根據(jù)本發(fā)明的數(shù)字軌道地圖輔助的列車定位模塊結(jié)構(gòu)子框圖，依據(jù)GPS衛(wèi)星星歷和GPS觀測數(shù)據(jù)確定GPS定位解算方程，列車定位解算模塊接收數(shù)據(jù)提取及數(shù)據(jù)處理模塊和GPS完好性監(jiān)測模塊的信息，在所述的監(jiān)測GPS偽距觀測量中加入軌道區(qū)段的地圖信息，并利用最小二乘法進(jìn)行列車的位置解算；列車定位解算模塊輸出對列車位置的估計。具體實施例過程如下在常規(guī)的GPS定位解算方程中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>0△Z0△A0001其中，J(義車/0為WGS-84坐標(biāo)系下的坐與地心大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換矩陣。令17<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>在GPS定位解算方程中加入軌道區(qū)段的地圖信息，GPS<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>l方程就可寫成:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>—(A-A)(A-A)+"-4)(A-外)—式中，AA為第i顆衛(wèi)星相對于初始假設(shè)位置的偽距偏差；^為k時刻經(jīng)度解算結(jié)果；^為k時刻緯度解算結(jié)果；zU,+,為k+l時刻經(jīng)度解算的修正；A^+,為k+1時刻緯度解算的修正；Al為k+1時刻獲得的高度修正；A^為k+1時刻的接收機(jī)鐘差。這樣，其最小二乘估計解可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>這樣，在假設(shè)列車高程不變的情況下，就可以獲得列車位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)修正及接收機(jī)鐘差。所謂接收機(jī)鐘差，指的是接收機(jī)的鐘面時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時之間的差異，GPS接收機(jī)一般采用高精度的石英鐘，一般把每個觀測時刻的接收機(jī)鐘差當(dāng)作一個獨立的未知數(shù)，與接收機(jī)的位置參數(shù)一并求解。實施例7參見附圖5，根據(jù)本發(fā)明完成列車的速度解算。在GPS解算方程中加上軌道區(qū)段地理信息對列車運行速度方向的限制條件，其速度解算模型可以描述為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>式中，A^為第i顆衛(wèi)星的偽距變化率；v、一分別為k時刻解算獲得的列車東向和北向運行速度；v?！?,、v^,w+,分別為k+l時刻解算獲得的列車東向和北向運行速度；A,為接收機(jī)鐘差變化率；v為量測噪聲；為單位緯度與單位經(jīng)度所對應(yīng)的實際長度之比；G,一是與GPS偽距變化率、接收機(jī)速度和鐘差變化率相對應(yīng)的觀測方程的觀測矩陣。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>式巾，iu々,外)為地球在經(jīng)緯度(4,^)位置的東西向曲率半徑，&(;%)為地球在經(jīng)緯度"屑)位置的子午線曲率半徑。實施例8根據(jù)本發(fā)明提供的算法模型，給上述實施例6和實施例7的兩個解算模型分配一定的權(quán)重，從而綜合列車定位結(jié)果，得到最終的列車位置坐標(biāo)，參見附圖5。假設(shè)利用位置解算模型進(jìn)行定位獲得的結(jié)果所帶的均方距離誤差(DRMS)大小為cx，；利用速度解算模型進(jìn)行定位獲得的結(jié)果所帶的均方距離誤差大小為^,。模型所分配的權(quán)重大小取決于兩種模型各自定位的誤差和HDOP值的大'禾又重w表示為1其中，HDOP值的計算過程如下假設(shè)^4為GPS觀測量4的誤差矢量，為用戶坐標(biāo)修正《的誤差矢]為GPS定位解算觀測矩陣，貝ik《的協(xié)方差矩陣為每顆衛(wèi)星都具有各自的測距誤差，若它們都是彼此獨立的，并且方差均為確定值2。則其巾，I為wn階單位矩陣。因此:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>令<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>則GPS定位的水平精度因子可用測距誤差表示為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>最終的列車定位解算結(jié)果定義為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>式中，^，為k時刻通過最小二乘估計獲得的位置定位結(jié)果；^為k時刻的速度定位結(jié)果；A々w為采樣時間間隔；^+,為k+l時刻最終的定位結(jié)果。上述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用來限定本發(fā)明的實施范圍。也就是說，任何依照本發(fā)明的權(quán)利要求范圍所做的同等變化與修改，皆為本發(fā)明的權(quán)利要求范圍所涵蓋。權(quán)利要求1.一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1、輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)提取及處理，其進(jìn)一步包括提取來自GPS接收機(jī)的衛(wèi)星星歷及偽距等觀測數(shù)據(jù)；以及，包括股道精確地理信息的數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)庫；步驟2、實現(xiàn)數(shù)字軌道地圖輔助的GPS完好性監(jiān)測算法，所述的GPS完好性監(jiān)測算法是指其一，建立一種基于軌道線路的本地坐標(biāo)系，把WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于軌道的本地新坐標(biāo)系；其二，監(jiān)測GPS偽距觀測量；步驟3、實現(xiàn)數(shù)字軌道地圖輔助的列車定位解算算法，其包括利用數(shù)字軌道地圖信息輔助進(jìn)行列車的位置解算；利用數(shù)字軌道地圖信息輔助進(jìn)行列車的速度解算；以及根據(jù)權(quán)值綜合定位結(jié)果；步驟4、輸出列車位置估計的數(shù)據(jù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位的方法，其特征還在于，在步驟2中，所述本地新坐標(biāo)系定義如下將沿著列車運行方向的已識別的列車所在股道區(qū)段方向作為X軸；將垂直于水平面向上，與X軸成直角的方向作為Z軸；將垂直于軌道和Z軸的水平方向向右作為Y軸；坐標(biāo)原點為該股道區(qū)段在列車運行方向上的起點；由于列車的運行軌跡一定位于軌道上，所以在此新坐標(biāo)系下Y坐標(biāo)與Z坐標(biāo)可視為零；X坐標(biāo)取決于列車在此股道區(qū)段上運行的實際距離。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位的方法，其特征還在于，歩驟2中，如果列車所在的股道區(qū)段在WGS-84坐標(biāo)系下沿著列車運行方向的頭節(jié)點坐標(biāo)為"w^。。"'z^)，尾節(jié)點坐標(biāo)為"""，乂""，；')；列車車頭在WGS-84坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)為"，^z)，在新的本地坐標(biāo)系下的三維位置坐標(biāo)為(X〕；當(dāng)<X<^"d,A^<f<Ld'、W<Z<時，列車車頭在本地新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>所述監(jiān)測GPS偽距觀測量進(jìn)一歩包括在WGS-84坐標(biāo)系下，用所有可視的GPS偽距測量量進(jìn)行列車位置的初解算，并將解算結(jié)果轉(zhuǎn)換為新的本地坐標(biāo)；以及，估算距離殘差。4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位的方法，其特征還在于在新的本地坐標(biāo)系下利用約束條件^^z:G，用最小二乘法逆推偽距；所述新的本地坐標(biāo)可由以下矩陣方程式計算得到z,/x(G'G)一1(^x其中，G是GPS最小二乘估計的觀測矩陣；/^是第i顆衛(wèi)星的偽距觀測值,:1，2,…，n;以及，令/=2'=0，則可反推得到/',它是與C目對應(yīng)的偽距量=G'[(G')7G']—'(G')7、x,00其中，G':ixG。5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位的方法，其特征還在于在所述估算距離殘差過程中，比較上一步中各顆衛(wèi)星的偽距觀測量與反算得到的偽距相關(guān)量的偏差，得到距離殘差矢量w，其估算方法如下^=一Z，A)fee/W一Z，…，U謂e"—Z，…,乙A、'cnW—Z]Z一1，2，…，W定義八/,=|/1。^-/'|，用A/,來衡量衛(wèi)星號為i的衛(wèi)星的觀測量的好壞，并作為判別故障星的依據(jù)，將六/,與檢測門限4^。,,相比，只有當(dāng)GPS偽距觀測值的誤差在檢測門限4^w內(nèi)，用這樣的觀測值來進(jìn)行GPS解算才是滿足精度要求的；若GPS偽距觀測值的誤差超出了檢測門限^^。w，這樣的觀測量將被剔除。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位的方法，其特征還在于，在步驟3中，所述利用數(shù)字軌道地圖信息輔助進(jìn)行列車的位置解算進(jìn)一步包括其一，建立常規(guī)的GPS定位解算方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中，J(/L,p,/0為WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)與地心大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)間的轉(zhuǎn)換矩陣;其二，在GPS定位解算方程中加入軌道區(qū)段的地圖信息，并令:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>則GPS觀測方程就可寫成:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，AA為第i顆衛(wèi)星相對于初始假設(shè)位置的偽距偏差；人為k時刻經(jīng)度解算結(jié)果；外為k時刻緯度解算結(jié)果；A義w為k+1時刻經(jīng)度解算的修正；A^+,為k+l時刻緯度解算的修正；A/^為k+l時刻獲得的高度修正；A^為k+1時刻的接收機(jī)鐘差；其三，最小二乘估算，其最小二乘估計解可以表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>;其中，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>這樣，在假設(shè)列車高程不變的情況下，就可以獲得列車位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)修正及接收機(jī)鐘差。7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位的方法，其特征還在于，所述利用數(shù)字軌道地圖信息輔助進(jìn)行列車的速度解算進(jìn)一步包括在GPS解算方程中加上軌道區(qū)段地理信息對列車運行速度方向的限制條件，其速度解算模型可以描述為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中，A二為第i顆衛(wèi)星的偽距變化率；ta、iWw分別為k時刻解算獲得的列車東向和北向運行速度；；,,,+1、v"一w分別為k+1時刻解算獲得的列車東向和北向運行速度；A,為接收機(jī)鐘差變化率；v為量測噪聲；位經(jīng)度所對應(yīng)的實際長度之比；變化率相對應(yīng)的觀測方程的觀測矩陣，其估算方程如下180、w,力單位緯度與單G^，是與GPS偽距變化率、接收機(jī)速度和鐘差二G(義，一力180式中，i,",^)為地球在經(jīng)緯度(^悉)位置的東西向曲率半徑，^d外)為地球在經(jīng)緯度(人,外)位置的子午線曲率半徑。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位的方法，其特征還在于，所述根據(jù)權(quán)值綜合定位結(jié)果具體是指通過給上述兩個解算模型分配一定的權(quán)重來綜合列車定位結(jié)果，得到最終的列車位置坐標(biāo)，所述分配一定的權(quán)重具體方法如下假設(shè)利用位置解算模型進(jìn)行定位獲得的結(jié)果所帶的均方距離誤差(DRMS)大小為^。,；利用速度解算模型進(jìn)行定位獲得的結(jié)果所帶的均方距離誤差大小為模型所分配的權(quán)重人小取決于兩種模型各自定位的誤差和HD0P值的大'權(quán)重w表示為1cr)2;其中，HDOP值的計算過程如下假設(shè)M"為GPS觀測量A的誤差矢量，5《為用戶坐標(biāo)修正《的誤差矢]為GPS定位解算觀測矩陣，貝IU《的協(xié)方差矩陣為cov(5《)='Gjcov(5Z^)[(G:G")-'G:]7.:，g:每顆衛(wèi)星都具有各自的測距誤差，若它們都是彼此獨立的，并且方差均為確定值2;則其中，I為,7W階單位矩陣；因此<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>令<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>則GPS定位的水平精度因子可用測距誤差表示為朋0尸=(/^+&2)1/20"0;最終的列車定位解算結(jié)果定義為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>《巾，&，為^寸刻皿31最+二乘{(lán)古計^#的〖立胃*4立^^;v^力k日寸刻白勺速度定位結(jié)果；A^^為采樣時間間隔；&+,為1^+1時刻最終的定位結(jié)果。9.一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)提取及數(shù)據(jù)處理模塊，用于提取和處理從GPS接收機(jī)的衛(wèi)星星歷及偽距等觀測量數(shù)據(jù)，以及包含股道精確地理信息的數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)庫輸入的數(shù)據(jù)；GPS完好性監(jiān)測模塊，建立本地坐標(biāo)系和進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并通過GPS測量誤差與判決門限的比較，剔除誤差較大的觀測量，從而監(jiān)測GPS偽距觀測量；以及，列車定位解算模塊，其負(fù)責(zé)在所述的監(jiān)測GPS偽距觀測量中加入軌道區(qū)段的地圖信息，利用最小二乘法進(jìn)行列車的位置解算，并負(fù)責(zé)完成列車的速度解算；各模塊之間的連接關(guān)系如下經(jīng)數(shù)據(jù)提取及數(shù)據(jù)處理模塊處理后的數(shù)據(jù)輸入到GPS完好性監(jiān)測模塊，由333322226該GPS完好性模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測模監(jiān)測GPS偽距觀測量；在該監(jiān)測GPS偽距觀測量中加入軌道區(qū)段的地圖信息，通過列車定位解算模塊進(jìn)行列車的位置解算和速度解算；最后輸出對列車位置的估計結(jié)果。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位系統(tǒng)，其特征還在于，所述GPS完好性監(jiān)測模塊進(jìn)一歩包括數(shù)據(jù)提取及處理模塊，其負(fù)責(zé)采集可視衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)和偽距觀測量，在所述的監(jiān)測GPS偽距觀測量中加入軌道區(qū)段的地圖信息，計算可視衛(wèi)星的位置坐標(biāo)，并負(fù)責(zé)軌道地圖信息的提取和處理；本地坐標(biāo)系創(chuàng)建及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，其負(fù)責(zé)建立一種基于軌道線路的本地坐標(biāo)系，并把列車的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于軌道的本地坐標(biāo)；誤差判決及檢測門限確定模塊，其負(fù)責(zé)根據(jù)最小二乘估計算法，計算誤差判據(jù)及判決門限，監(jiān)測GPS偽距觀測量；以及，偽距觀測量篩選及剔除模塊，其通過GPS測量誤差與判決門限的比較，篩選出滿足誤差條件的GPS偽距觀測量，剔除誤差較大的觀測量；所述列車定位解算模塊進(jìn)一步包括定位數(shù)據(jù)提取及處理模塊，負(fù)責(zé)在所述監(jiān)測GPS偽距觀測量中加入軌道區(qū)段的地圖信息；列車位置解算模塊，其利用最小二乘法進(jìn)行列車的位置解算；列車速度解算模塊，完成列車的速度解算;以及綜合模塊，其通過非兩個解算模型分配一定的權(quán)重，從而綜合列車定位結(jié)果，得到最終的列車位置坐標(biāo)。全文摘要本發(fā)明提供一種數(shù)字軌道地圖輔助GPS實現(xiàn)精確列車定位方法及系統(tǒng)。該列車定位方法主要包括GPS完好性監(jiān)測算法和列車定位解算算法兩個子算法。GPS完好性監(jiān)測算法通過建立一種基于軌道的本地坐標(biāo)系，并把WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為基于軌道的本地新坐標(biāo)系，用數(shù)字軌道地圖提供的地理信息來構(gòu)建余度方程和約束條件，從而監(jiān)測GPS偽距觀測量；列車定位解算算法負(fù)責(zé)建立列車位置解算模型和速度解算模型，并綜合這兩種模型實現(xiàn)列車定位解算功能。本發(fā)明所提出的列車定位方法不僅能在GPS完備條件下有效地提高列車定位的精度和穩(wěn)定性，而且還能在GPS不完備條件下提供較高精度的列車定位結(jié)果。文檔編號B61L25/00GK101357643SQ20081011875公開日2009年2月4日申請日期2008年8月21日優(yōu)先權(quán)日2008年8月21日發(fā)明者翀李,劍王,蔡伯根申請人:北京交通大學(xué)