一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及系统，该方法包括：采集离线的基础数据；预测在待定位时空范围内分布的各特征点定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；实时提取导航卫星对目标列车的观测信息，并根据观测信息实时计算目标列车定位误差在线保护限值；在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，并根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案。本发明专利技术所述技术方案能够有效提升列车定位完好性监测的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及系统
本专利技术涉及基于卫星导航系统的列车定位
更具体地，涉及一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及系统。
技术介绍
列车作为铁路运输系统的主要载体，采用列车运行控制系统(简称列控系统)、列车追踪预警系统(简称预警系统)对其在途运行的安全性具有至关重要的作用。为了实现有效的列车控制，并在存在列车追尾等安全风险的情况下实施有效防护，准确、可靠的列车运行状态信息，特别是列车在轨道上的位置、速度、方向等，是决定相应安全保障措施能够发挥有效作用的关键条件。常规的技术手段，如轮轴速度传感器、多普勒雷达、轨旁应答器等，受制于性能、成本效益均衡的矛盾，不利于满足自主化、低成本化、高效化的技术需求，促进了卫星导航定位这一技术在铁路列车运行控制等安全相关应用领域的应用与发展。以全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)为代表的全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)在铁路运输系统中的应用近年来逐步在世界范围内受到关注，采用列车车载GNSS接收机与辅助传感器、轨道地图数据库进行集成，构成位置决策单元(LocationDeterminationUnit，LDU)，能够以相对低廉的建设维护成本、较高的性能水平、显著的车载自主性特征为列控系统、预警系统等基于位置的铁路服务系统提供列车位置、速度、方向等状态信息，辅助确保列车运行安全。然而，采用GNSS实现列车定位，除了在山谷、隧道、车站等复杂地形环境下可能因信号遮挡、多径效应、干扰等因素造成性能恶化以外，还可能由于导航卫星存在故障导致LDU输出的状态信息与真值相比存在较大偏差，进而影响列车运行安全。基于此，采用有效的完好性监测手段对当前列车卫星定位的误差不确定性水平进行评估，在超过预设限值的条件下提供告警，能够有效隔离卫星故障等因素导致的安全风险，使相关应用满足铁路系统故障导向安全的原则。常规方案中广泛采用接收机自主完好性监测(ReceiverAutonomousIntegrityMonitoring，RAIM)技术对可用导航卫星数量、卫星星座几何分布、卫星故障状态等进行估计，从而在必要时隔离故障、异常条件的不利影响。然而，RAIM可能因为所接收卫星数量不足等因素导致其可用性无法对计划的列车行程进行完整覆盖，且列车动态运行过程中实时进行的完好性监测可能存在一定的误判及漏检风险，进而影响其准确、及时地发挥定位决策支持作用并辅助列车控制、追踪接近预警等功能的有效实施。因此，需要提供一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及系统，针对列车卫星定位所面临的铁路一维轨道坐标系约束特征，考虑常规RAIM技术可能存在的可用性覆盖不足以及漏检风险，利用GNSS导航卫星动态信息、卫星健康状态信息、专用轨道地图数据、列车运行计划数据等先验信息，对列车按计划在途运行过程的完好性监测结果进行离线预测，进而在列车在途运行中与实时LDU结果进行协同决策，确定最终的列车定位信息处理结构及决策结果，有效确保列车卫星定位的安全性。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，该方法包括如下步骤：S1、采集卫星历书数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据和列车运行计划数据；S2、根据步骤S1采集的各数据，预测在待定位时空范围内分布的各特征点的定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；S3、实时提取导航卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，并根据观测信息实时计算目标列车定位误差在线保护限值；S4、在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；S5、利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，并根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案。优选地，步骤S1中的专用轨道地图数据由地图数据库获取，该地图数据库中包括各轨道关键点的位置信息、属性特征信息、地形信息。优选地，步骤S2进一步包括如下子步骤：S2.1、根据列车运行计划对待定位时空范围中的里程范围S0按照空间参数σS进行等间隔采样，得到S0/σS+1个里程值；S2.2、分别对各里程值所对应的计划时刻在给定的时间窗TM内按照时间参数σT进行等间隔采样，得到各里程值所分别对应的2(TM/σT)+1个时间值；S2.3、建立在待定位时空范围内分布的特征点集{P}，其中第i个特征点P(Si,Ti)由该特征点的里程值Si和时间值Ti构成；S2.4、确定各特征点P(Si,Ti)的可用观测卫星；S2.5、预测在待定位时空范围内分布的各特征点P(Si,Ti)定位误差离线保护限值EL(Si,Ti)，公式如下：Rt＝I-HtΦt；公式中，I为单位矩阵；Ht为等效量测矩阵；Φt为滤波器增益矩阵；特征点P(Si,Ti)的时间值Ti对应为时间变量t；σ0为根据漏检概率选定的检测系数；Φt,1j为滤波器增益矩阵Φt的第1行、第j列矩阵元素；Φt,4j为滤波器增益矩阵Φt的第4行、第j列矩阵元素；Φt,7j为滤波器增益矩阵Φt的第7行、第j列矩阵元素；Rt,jj为矩阵Rt的第j行、第j列矩阵元素。优选地，步骤S2.5之后还包括如下步骤：S2.6、根据预设的告警阈值AL，判定各特征点定位误差离线保护限值的时空分布特征库的可用性有效范围，作为规划、调整列车运行计划的参考，公式为：若特征点Pi定位误差离线保护限值EL(Si,Ti)≥AL，则该特征点P(Si,Ti)标记可用性为无效；若特征点Pi定位误差离线保护限值EL(Si,Ti)<AL，则该特征点P(Si,Ti)标记可用性为有效。优选地，步骤S3中计算目标列车定位误差在线保护限值的公式为：Rt＝I-HtΦt；公式中，EZ(St,Tt)为目标列车定位误差在线保护限值；I为单位矩阵；Ht为等效量测矩阵；Φt为滤波器增益矩阵；目标列车的运行时刻Tt对应为时间变量t；σ0为根据漏检概率选定的检测系数；Φt,1j表示滤波器增益矩阵Φt的第1行、第j列矩阵元素；Φt,4j表示滤波器增益矩阵Φt的第4行、第j列矩阵元素；Φt,7j表示滤波器增益矩阵Φt的第7行、第j列矩阵元素；Rt,jj表示矩阵Rt的第j行、第j列矩阵元素。优选地，步骤S4进一步包括如下子步骤：S4.1、初算目标列车在运行时刻Tt的位置将该位置投影至轨道地图上，求得投影位置进而推算出该投影坐标位置对应的投影里程值S4.2、以投影里程值及运行时刻Tt为索引，在时空分布特征库中搜索与其匹配的特征点：若存在特征点P(Sk,Tk)满足且Tt＝Tk，则将该特征点P(Sk,Tk)的定位误差保护限值EL(Sk,Tk)作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值EL(St,Tt)；若不存在特征点P(Sk,Tk)满足且Tt＝Tk，则采用平均值法推算离线预测值作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值EL(St,Tt)，推算公式如下：Tj'≤Tt≤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、采集卫星历书数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据和列车运行计划数据；S2、根据步骤S1采集的各数据，预测在待定位时空范围内分布的各特征点的定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；S3、实时提取导航卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，并根据所述观测信息实时计算目标列车定位误差在线保护限值；S4、在所述时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；S5、利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，并根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案。

【技术特征摘要】
1.一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、采集卫星历书数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据和列车运行计划数据；S2、根据步骤S1采集的各数据，预测在待定位时空范围内分布的各特征点的定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；S3、实时提取导航卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，并根据所述观测信息实时计算目标列车定位误差在线保护限值；S4、在所述时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；S5、利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，并根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案；步骤S5中所述根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案进一步包括如下子步骤：若目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值中任一值大于等于预设的告警阈值，则目标列车定位决策方案为隔离卫星定位的观测数据，直接采用辅助定位传感器数据计算目标列车位置；若目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值均小于预设的告警阈值，则目标列车定位决策方案为综合采用卫星定位接收机及辅助定位传感器观测数据，通过紧耦合融合估算目标列车位置。2.根据权利要求1所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，步骤S1中的专用轨道地图数据由地图数据库获取，该地图数据库中包括各轨道关键点的位置信息、属性特征信息、地形信息。3.根据权利要求1所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，步骤S2进一步包括如下子步骤：S2.1、根据列车运行计划对待定位时空范围中的里程范围S0按照空间参数σS进行等间隔采样，得到S0/σS+1个里程值；S2.2、分别对各里程值所对应的计划时刻在给定的时间窗TM内按照时间参数σT进行等间隔采样，得到各里程值所分别对应的2(TM/σT)+1个时间值；S2.3、建立在待定位时空范围内分布的特征点集{P}，其中第i个特征点P(Si,Ti)由该特征点的里程值Si和时间值Ti构成；S2.4、确定各特征点P(Si,Ti)的可用观测卫星；S2.5、预测在待定位时空范围内分布的各特征点P(Si,Ti)定位误差离线保护限值EL(Si,Ti)，公式如下：Rt＝I-HtΦt；公式中，I为单位矩阵；Ht为等效量测矩阵；Φt为滤波器增益矩阵；特征点P(Si,Ti)的时间值Ti对应为时间变量t；σ0为根据漏检概率选定的检测系数；Φt,1j为滤波器增益矩阵Φt的第1行、第j列矩阵元素；Φt,4j为滤波器增益矩阵Φt的第4行、第j列矩阵元素；Φt,7j为滤波器增益矩阵Φt的第7行、第j列矩阵元素；Rt,jj为矩阵Rt的第j行、第j列矩阵元素。4.根据权利要求3所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，步骤S2.5之后还包括如下步骤：S2.6、根据预设的告警阈值AL，判定各特征点定位误差离线保护限值的时空分布特征库的可用性有效范围，作为规划、调整列车运行计划的参考，公式为：若特征点Pi定位误差离线保护限值EL(Si,Ti)≥AL，则该特征点P(Si,Ti)标记可用性为无效；若特征点Pi定位误差离线保护限值EL(Si,Ti)＜AL，则该特征点P(Si,Ti)标记可用性为有效。5.根据权利要求1所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，步骤S3中所述计算目标列车定位误差在线保护限值的公式为：Rt＝I-HtΦt；公式中，EZ(St,Tt)为目标列车定位误差在线保护限值；I为单位矩阵；Ht为等效量测矩阵；Φt为...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘江，蔡伯根，王剑，上官伟，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11