專利名稱：基于gps和虛擬衛(wèi)星組合定位檢查列車完整性的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于車輛定位技術領域，特別涉及一種基于GPS和虛擬衛(wèi)星組合定位 檢查列車完整性的方法。
背景技術：
由于列車車廂通過掛鉤相互連接而成，為保證列車不脫軌、不脫鉤，確保列 車的完整而進行的檢査稱為列車完整性檢査。列車完整性檢査是關系到鐵路系統(tǒng) 安全性的一個關鍵環(huán)節(jié)，如果列車完整性檢查失效，遺留在區(qū)間或者股道上的車 輛將成為后續(xù)列車的障礙物，直接危及行車安全。
目前，常用的列車完整性檢査方法一種是列車尾部安裝安全防護裝置(簡稱 列尾裝置)。列尾裝置通過列車無線調(diào)度系統(tǒng)中的機車電臺與本列車的機車車載 裝置進行通信。機車電臺與列尾裝置主機通過無線編碼構成"一對一"關系，一 旦此信號中斷，則可以認為列車完整性出現(xiàn)問題，但該方法面臨著管理、調(diào)度、 維護、責任者等多方面問題。另一種方法是列尾裝置能實時檢查列車尾部風管風 壓，并將風壓信息不停的反饋到機車車載裝置，實現(xiàn)欠壓報警，提示司機采取緊 急制動等應急措施，可以有效防止列車在運行中折角塞門關閉、風管折斷、風管 漏風或列車分離等事故發(fā)生。當列車分離，風管斷開漏風，泄漏量超過規(guī)定值時， 列尾裝置會及時向機車乘務員發(fā)出警示，提醒機車乘務員注意列車運行狀態(tài)。但
列尾裝置在使用過程中還存在一些問題，如列尾裝置在某些長大隧道或隧道群 等弱場強區(qū)段，無線列調(diào)所具備的中繼通信功能不能正常使用；既有或新增的無 線列調(diào)，沒有列尾裝置司機控制盒的預留接口，給安裝和使用帶來困難；無線列
調(diào)的使用頻率不當，造成樞紐內(nèi)列尾裝置主機與無線列調(diào)間相互干擾，影響列車 的出發(fā)；列尾裝置對風壓的査詢頻率不夠，有的是一分鐘甚至幾分鐘査詢一次， 這樣完整性檢査的實時性太差。
全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)即GPS，它是利用空間衛(wèi)星作 為導航臺完成無線電定位的系統(tǒng)。每一顆衛(wèi)星連續(xù)不斷的向GPS接收機發(fā)送可跟 蹤的唯一編碼序列，GPS接收機可根據(jù)編碼辨認相關衛(wèi)星，進而計算出接收機的 確切位置和準確時間，其中偽距法是GPS導航定位的基本方法。
近年來，衛(wèi)星定位技術應用得到飛速的發(fā)展，衛(wèi)星定位廣泛應用在航空、空 間運載引導、航海和陸地，其中陸地的應用研究主要在城市交通、特種車輛如警 車、運鈔車管理調(diào)度等領域，而在鐵路應用中較少研究。
如何將衛(wèi)星定位技術引入到列車完整性檢查還沒有成熟地理論與技術，目前 在實際應用中不可能完全取代列尾裝置來獨立進行列車完整性檢查，但是可以輔 助或者結合目前的列尾裝置，通過與列尾裝置信息比較與融合，來構成一個冗余 的列車完整性檢查系統(tǒng)。青藏鐵路對于列車完整性檢查是用列尾裝置實現(xiàn)的，并 可以在列車運行的全過程結合軌旁裝置或通過車載設備對列車的完整性實施不 間斷檢査。基于衛(wèi)星定位的列車完整性檢査系統(tǒng)是通過對列首和列尾實時定位測 算車長實現(xiàn)的，在列車行駛的過程中如果列尾GPS接收機的可見空中范圍受阻(如 車廂遮擋)，列尾接收到的可見衛(wèi)星數(shù)目不足四顆，常規(guī)的衛(wèi)星定位方法受到限 制。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術中安裝在列車首部和列車尾部的GPS接收機對列首和列尾實時定 位，然后根據(jù)位置信息實時地測算車長實現(xiàn)的，當發(fā)現(xiàn)列車有拋車現(xiàn)象時，立即 發(fā)出報警信息。但在實際運行情況中，由于列尾車廂的遮擋，列尾GPS接收器僅能接收到三顆可見衛(wèi)星，因此常規(guī)的衛(wèi)星定位方法受到了限制，本發(fā)明特別提出 了一種基于GPS和虛擬衛(wèi)星組合定位檢查列車完整性的方法。 本發(fā)明的技術方案如下
列車在行駛的過程中，安裝在列車首部和列車尾部的GPS接收機不間斷的接 收衛(wèi)星信號進行定位解算，實時輸出列首和列尾的經(jīng)度、諱度和高程信息。若某
時刻列尾GPS接收機由于車廂的遮擋只接收到了三顆可見衛(wèi)星的信號，根據(jù)GPS
衛(wèi)星定位的基本原理，此時列尾的接收機沒有接收到足夠的衛(wèi)星數(shù)目，不能實時
輸出列尾的位置信息。此時利用列車首部GPS接收機輸出的經(jīng)度、諱度和高程信
息為列車尾部定位提供一顆虛擬衛(wèi)星，建立第四個約束方程，并聯(lián)立列車尾部接 收機接收到的三顆可見衛(wèi)星得到的三個約束方程得出列車尾部三維坐標，實現(xiàn)列 車尾部的定位，從而實現(xiàn)列車實時完整性的檢査。
根據(jù)我國鐵路線路標準規(guī)定，在in級鐵路的困難地段，軌道坡度的限制為千
分之三十，按300米列車長度計算，車頭和車尾高差也僅為0.9米，可以近似的 認為高程也是相差0.9米。同時，按列車南北方向行駛，此時緯度相差最大，為 a = D〃，其中D為列車長度，r為地球平均半徑(6371. 03km)。按300米列車長
度計算，緯度相差4.71x10-5弧度。此時的卯酉圈曲率半徑~=," 僅相差
^1-(esinS尸)2
4.73xl0-5米。因此通過利用車頭信息確定虛擬衛(wèi)星，把車頭到虛擬衛(wèi)星的幾何距 離S當作車尾到虛擬衛(wèi)星的距離A是合理可用的。
列車實時完整性的檢查具體實現(xiàn)步驟如下 步驟一、建立第四個約束方程
在列車首部戶'點沿橢球法線的延長線與Z軸的交點處建立一顆虛擬衛(wèi)星，該 衛(wèi)星的三維坐標為(0， 0， Zc)，虛擬衛(wèi)星到列車尾部的偽距P4用它到列車首部
的幾何距離S來表示，即A-S;其中S = A^+/^， A^為列車首部的卯酉圈曲
率半徑，&為列車首部的高程；則第四個約束方程為
/W"")2+(u")2+"-z")2 ，其中(&(=0),少4(=0)，24(=4))為虛擬衛(wèi)星的三 維坐標，(H^)為要求解的列車尾部坐標。
步驟二、建立觀測方程，求解車尾坐標
列車尾部接收機接收到的三顆可見衛(wèi)星得到三個約束方程為
a = - x" )2 + Oi —少")2 + (zi 一么)2 + 3式
P2 A)2+021 )2+(Z2-Z")2 +我4式
其中 ,力,~),/^' = 1,2,3)是可見衛(wèi)星的三維坐標及偽距，(^A,&)為列車尾部 位置，^為接收機時鐘與系統(tǒng)時之間的偏移；
聯(lián)立上述四個方程，得到如下方程組
a = V(x1 - X" )2 + (乂 - >02 + (Zl - Z" )2 + C《
a = V(X2 — X" )2 + (凡—k )2 + (Z2 — Z" )2 + C《.......................................6式
p3 = a/o3 - x )2 + o3 -凡)2 + 03 -乙)2 +
= V(x4 —氣)2 + 04 —凡)2 + (z4 — & )2
對上述非線性方程組進行線性化處理；
假設(m)和c^分別為(Xu，x， )和《的估計值，(A^,Ak,AO和A,"分別為 (^a,0和《估計值的偏移量，令
A = 一 X" )2 + (乃_ k )2 + (Z/ _ Z )2 + C《=/<X ,凡，Z" , )7式
A = a/(X) — A )2 +— A )2 + A — ^ )2 + = , A , ^ , W )8式
即有:
將9式等號右邊的關系式用泰勒級數(shù)在點A,丸,4，《)展開并忽略高次項，并 將7式、8式代入基本方程經(jīng)整理得到線性關系式
<formula>formula see original document page 9</formula>其中<formula>formula see original document page 9</formula>
引入下述新變量以簡化10式
<formula>formula see original document page 9</formula>通過上述的線性化得到如下方程組:
寫成矩陣形式: 射
<formula>formula see original document page 9</formula>其解為<formula>formula see original document page 9</formula>
則列車尾部位置坐標為^ =爻+ 4>; ，且&^《+A^
步驟三、計算列車長度，判斷列車是否完整，完成列車完整性檢查 根據(jù)計算得出列車尾部的三維坐標，然后把車頭坐標和車尾坐標投影到高斯
平面，實時計算出列車長度L: V(X,-X2)2+"-力)2，通過與列車實際長度對比，
則可實現(xiàn)列車實時完整性的檢查，其中(x,，乃)為車頭平面坐標，(X2，力)為車尾平
面坐標。
本發(fā)明的有益效果是列車尾部接收機在GPS不完備條件下，通過列車首部 提供的高程信息，增加了第四個約束方程仍然可以實現(xiàn)定位，克服了現(xiàn)有技術中 的不足，仍然可以進行列車完整性檢查，保證了列車的行車安全。


圖l是GPS不完備條件下列車完整性檢査系統(tǒng)結構圖2是GPS和虛擬衛(wèi)星組合定位檢查列車完整性程序流程圖3是子午面直角坐標系下通過列首位置確定虛擬衛(wèi)星位置示意圖。
具體實施例方式
下面通過附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。
參見附圖1，列車在行駛的過程中，通過列車信息傳輸系統(tǒng)把列車首部接收 機輸出的經(jīng)度、緯度和高程信息發(fā)送給列尾設備，在已知列首和列尾三維坐標的 情況下通過實時測算車長實現(xiàn)列車完整性檢査，當發(fā)現(xiàn)列車有拋車現(xiàn)象時，立即
發(fā)出報警信息。但由于車廂的遮擋，在GPS不完備條件下，常規(guī)的衛(wèi)星定位方法 受到限制。
參見附圖2，通過具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明
1、 采集可視衛(wèi)星的星歷、偽距數(shù)據(jù)，接收車頭信息
用GPS接收機采集可視衛(wèi)星的偽距、星歷數(shù)據(jù)，通過列車信息傳輸系統(tǒng)接收 列首接收機輸出的經(jīng)度、緯度和高程信息。
2、 計算可視衛(wèi)星坐標；
3、 對衛(wèi)星坐標和偽距進行誤差修正
本發(fā)明考慮到實用性，對衛(wèi)星坐標和偽距誤差進行了地球旋轉(zhuǎn)效應誤差修 正、衛(wèi)星信號發(fā)射時刻誤差修正和相對論誤差修正。 4、通過車頭信息建立虛擬衛(wèi)星
參見附圖3，空間大地坐標依附于參考橢球。為建立大地坐標與直角坐標的
數(shù)學關系，必須首先定義參考橢球。建立子午面直角坐標系xoz。因為參考橢球
是旋轉(zhuǎn)對稱的，所以只需在X0Z平面直角坐標系內(nèi)作為二維問題考慮。 尸'點為列車首部的位置； P點為,點沿橢球法線量測到橢球面的交點；
//p為尸'點沿橢球法線量測到橢球面的距離，稱為橢球面高程，簡稱為大地高；
W點為過P點的卯酉圈的曲率中心，位于橢球的旋轉(zhuǎn)軸上，即,點沿橢球法 線的延長線與Z軸的交點；
為過P點的卯酉圈曲率半徑，等于法線介于橢球面和短軸之間的長度，即 P點到W點的距離。
在W點建立一顆虛擬衛(wèi)星，并將當前列首經(jīng)度、緯度和高程的大地坐標轉(zhuǎn)換 成WGS-84空間直角坐標
<formula>formula see original document page 12</formula>
由卯酉圈曲率半徑公式~=," 可求得虛擬衛(wèi)星到列首的幾何距離 為S = A^+//,，其中a為地球參考橢球的長半軸，e為地球參考橢球偏心率。
由兩點之間的距離公式
<formula>formula see original document page 12</formula>
求解虛擬衛(wèi)星的三維坐 標(14(=0),;;4(=0),24(=4))。
5、建立第四個約束方程 由虛擬衛(wèi)星得到求解列車尾部實時位置的第四個約束方程
其中",凡A)為要求解的列車尾部坐標。
6、建立觀測方程，求解車尾坐標
列車尾部接收機接收到的三顆可見衛(wèi)星得到三個約束方程為:
.2式
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中(x^,A),A(X2,3)是可見衛(wèi)星的三維坐標及偽距，(xj")為列車尾部 位置，《為接收機時鐘與系統(tǒng)時之間的偏移。 聯(lián)立上述四個方程，得到如下方程組
<formula>formula see original document page 12</formula>
對上述非線性方程組進行線性化處理
首先假設(m)和《分別為(^凡,、)和《的估計值，(A^A凡，AzJ和A^分別 為(&,凡,、)和&估計值的偏移量，令
<formula>formula see original document page 13</formula>7式
<formula>formula see original document page 13</formula>8式
即有
<formula>formula see original document page 13</formula>9式
將9式等號右邊的關系式用泰勒級數(shù)在點(&，丸,《,^)展開并忽略高次項，并
將7式、8式代入基本方程經(jīng)整理得到線性關系式
<formula>formula see original document page 13</formula>10式
0 0 0
其中6 = V(x, _ ^ )2 + (力-丸)2 + (z, - 5" )2 引入下述新變量以簡化IO式
<formula>formula see original document page 13</formula>
通過上述的線性化得到如下方程組:
<formula>formula see original document page 13</formula>
寫成矩陣形式<formula>formula see original document page 14</formula>其解為<formula>formula see original document page 14</formula>則列車尾部位置坐標為
<formula>formula see original document page 14</formula>如果偏移超過了可接受的值，便重新迭代上述過程，即以算出的點坐標 (、，凡， )和A作為新的估計值，以代替A。
7、計算列車長度，判斷列車是否完整，完成列車完整性檢查 根據(jù)計算得出列車尾部的三維坐標，然后把車頭坐標和車尾坐標投影到高斯
平面，實時計算出列車長度1^= V(X廣X2)2,1)2，通過與列車實際長度對比，
則可實現(xiàn)列車實時完整性的檢查，其中(x,，;;,)為車頭平面坐標，(12,^2)為車尾平 面坐標。
結合具體數(shù)據(jù)驗證算法的可行性(列車長度200米)
1、 根據(jù)星歷、偽距數(shù)據(jù)，計算出某時刻的3顆衛(wèi)星坐標和偽距分別為
① (-22781196.6671364, 12947927.1458501， -3503295.48443899) ， 23579153.063479米；
② (18479871.2164924, 17029482.6204795, 9233398.05532481) ， 24738978.7116908米；
③ (-16375764.3287473,-5717268,10950374,20126393.2307071)， 23710728.4489978米；
2、 根據(jù)車頭信息(39.949661666666700, 116.114858333333000， 108.57)由第4步驟得 出虛擬衛(wèi)星坐標和偽距分別為(0, 0, -27454.7038572952)和6387066.19029854米；
3、 通過虛擬衛(wèi)星建立第四個方程，同時聯(lián)立三顆可見衛(wèi)星得到的三個約束
方程，按步驟5和步驟6的方法計算出車尾坐標為
(-2155096.82360339, 4396500.57158991,4073881.04491515);
4、 將車頭、車尾坐標投影到高斯平面后的坐標分別為 車頭平面坐標(4423981.07091756,509815.395941799) 車尾平面坐t示(4424123.05298492, 509689.039866217)
5、 根據(jù)車頭、車尾平面坐標求解車長
L= V(x,_x2)2+(u2)2= 190.07米，與真實車長相差約10米，設置合理的 列車完整性檢查報警門限，將可以有效的避免漏警和虛警現(xiàn)象。
權利要求
1、一種基于GPS和虛擬衛(wèi)星組合定位檢查列車完整性的方法，列車將2個GPS接收機分別置于列車頭部的機車上方和列車尾部的車鉤上面，其特征在于當列車尾部的GPS接收機接收衛(wèi)星信號不完備條件下，即可見衛(wèi)星數(shù)為3顆時，利用列車頭部機車上方的GPS接收機輸出的經(jīng)度、緯度和高程信息為列車尾部定位提供一顆虛擬衛(wèi)星，建立第四個約束方程，并聯(lián)立列車尾部接收機接收到的三顆可見衛(wèi)星得到的三個約束方程得出列車尾部三維坐標，實現(xiàn)列車尾部的定位，從而實現(xiàn)列車實時完整性的檢查。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于GPS和虛擬衛(wèi)星組合定位檢查列車完整 性的方法，其特征在于包括如下步驟步驟一、為建立第四個約束方程，在列車頭部的機車上方P'點沿橢球法線的 延長線與Z軸的交點處建立一顆虛擬衛(wèi)星，該衛(wèi)星的三維坐標為(0， 0， Zc)， 虛擬衛(wèi)星到列車尾部的偽距P4用它到列車頭部的機車上方的幾何距離S來表示，即A-S;其中5 = ^+/^， A^為列車首部的卯酉圈曲率半徑，//p為列車首部的高程；則第四個約束方程為A = )x4 -x )2 +(z4 -、)2 ，其中(14(=0),;;4(=0),24(=^))為虛擬衛(wèi)星的三維坐標，(\,凡,^)為要求解的列車尾部坐標；步驟二、建立觀測方程，求解車尾坐標列車尾部接收機接收到的三顆可見衛(wèi)星得到三個約束方程為A = V(X1 — X" )2 + U —乂 )2 + (Zl — Z" )2 + C《3式 A =V(X2-X")2+02-凡)2+0廣^)2 4式其中(x"力,z,),p,(j、l,2,3)是可見衛(wèi)星的三維坐標及偽距，(^A,^)為列車尾部 位置，《為接收機時鐘與系統(tǒng)時之間的偏移； 聯(lián)立上述四個方程，得到如下方程組<formula>formula see original document page 3</formula>對上述非線性方程組進行線性化處理假設(H之)和W 分別為(&,A，z )和《的估計值，(Ax , A凡，Az )和分別為 (\,凡,^)和《估計值的偏移量，令<formula>formula see original document page 3</formula>即有<formula>formula see original document page 3</formula> 將9式等號右邊的關系式用泰勒級數(shù)在點A,丸A,《)展開并忽略高次項，并 將7式、8式代入基本方程經(jīng)整理得到線性關系式<formula>formula see original document page 3</formula>其中<formula>formula see original document page 3</formula>引入下述新變量以簡化IO式<formula>formula see original document page 4</formula>通過上述的線性化得到如下方程組:<formula>formula see original document page 4</formula>寫成矩陣形式: <formula>formula see original document page 4</formula>其解為AZ = H-則列車尾部位置坐標為<formula>formula see original document page 4</formula>歩驟三、計算列車長度，判斷列車是否完整，完成列車完整性檢查 根據(jù)計算得出列車尾部的三維坐標，然后把車頭坐標和車尾坐標投影到高斯平面，實時計算出列車長度L- x2)2+(u;2)2，通過與列車實際長度對比，則可實現(xiàn)列車實時完整性的檢查，其中(x,，W為車頭平面坐標，(X2，力)為車尾平 面坐標。
全文摘要
本發(fā)明屬于車輛定位技術領域，特別涉及一種基于GPS和虛擬衛(wèi)星組合定位檢查列車完整性的方法。當列車尾部的GPS接收機接收衛(wèi)星信號不完備條件下，即可見衛(wèi)星數(shù)為3顆時，利用列車頭部機車上方的GPS接收機輸出的經(jīng)度、緯度和高程信息為列車尾部定位提供一顆虛擬衛(wèi)星，并建立第四個約束方程，實現(xiàn)列車尾部的定位解算。利用本發(fā)明在列車尾部GPS接收機接收衛(wèi)星信號不完備條件下，仍然可以進行列車完整性檢查，保證了列車的行車安全。
文檔編號G01B15/00GK101187550SQ20071017842
公開日2008年5月28日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權日2007年11月30日
發(fā)明者毅 安, 惠希云, 劍 王, 蔡伯根 申請人:北京交通大學