基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法及捕获系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法及捕获系统，所述虚拟应答器捕获方法首先建立虚拟应答器基础数据库，再根据卫星导航获取列车当前的位置及运行状态，根据基础数据库预测待捕获目标虚拟应答器及预捕获触发时刻；再自预捕获触发时刻，实时计算可视卫星空间分布特征值及预测值，同时根据基础数据库估计卫星空间分布参考值，再根据卫星空间分布特征值、特征值预测值与参考值，判断待捕获目标虚拟应答器捕获状态，确定捕获时刻、校正列车当前位置及更新虚拟应答器基础数据库。本发明专利技术克服了从定位域入手实施捕获空间分析的局限性，提高了虚拟应答器捕获精度和实时性，能够有效支持新型列车控制系统的设计、研制与装备制造。

Acquisition method and system of virtual Transponder Based on satellite spatial distribution test

【技术实现步骤摘要】
基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法及捕获系统
本专利技术属于轨道交通列车运行控制领域，尤其涉及一种基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法及捕获系统。
技术介绍
随着城市的发展，轨道交通在城市及城市间的沟通中发挥着越来越重要的作用。在轨道交通系统的运行过程中，列车运行控制系统是决定列车运行安全、提升运输效率的控制中心。列控系统包括轨旁部分和车载部分，通过轨旁设备和车载设备之间的通信实现列车的定位和控制。为了提高列车定位的精度，需要在铁路线路沿线设置大量应答器，应答器数量的增加也增加了系统的成本和后期维护难度。因此，国际铁路联盟(UIC)提出了基于全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)的虚拟应答器(VirtualBalise,VB)，将卫星定位技术引入新型列车控制系统，对传统的轨旁应答器设备进行替代。虚拟应答器可以有效确保列车定位及控制模式与常规系统模式之间的兼容性。由卫星定位终端实时检测列车位置及其与前方目标虚拟应答器的位置关系，在列车经过虚拟应答器位置的时刻触发车载设备内部逻辑，提取虚拟应答器信息，采用与真实应答器一致的接口及信息结构，实现位置校正及应答器报文传输功能。在这一过程中，如何准确识别列车对虚拟应答器所在位置的“通过”行为，即捕获目标虚拟应答器，是及时触发虚拟应答器功能的关键条件。现有技术中，传统的虚拟应答器捕获方案通常采用基于固定捕获半径的距离判定原则，或结合定位过程对列车与虚拟应答器的空间接近关系进行估计，但是，上述方案并未充分考虑虚拟应答器以卫星定位为基础所具备的核心特征，不能充分发挥导航卫星观测信息的优势作用及应用潜力，限制了虚拟应答器的捕获精度和应用效率。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的是解决虚拟应答器定位精度和效率较低的问题，提供了一种基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法及捕获系统，通过对列车卫星定位所得实际卫星观测量与虚拟应答器的观测特征的实时比对，使用卫星定位接收机所得导航卫星空间分布作为捕获判定决策依据，克服常规捕获方案中从定位域入手实施捕获空间分析的局限性，为准确辨识与确定虚拟应答器的捕获状态、捕获时间提供可行途径，从而提高虚拟应答器捕获精度和实时性，有效支持新型列车控制系统的设计、研制与装备制造。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。第一方面，本专利技术实施例提供了一种基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法，所述虚拟应答器捕获方法包括如下步骤：步骤S1，采集目标轨道线路的数据建立虚拟应答器基础数据库；步骤S2，根据卫星导航信息获取列车当前运行的坐标位置并计算列车运行状态信息，提取所述虚拟应答器基础数据库中与当前运行列车相关的信息，预测待捕获目标虚拟应答器及预捕获触发时刻；步骤S3，自所述预捕获触发时刻开始，实时提取导航卫星观测信息，计算当前时刻可视卫星空间分布特征值以及后续时刻可视卫星空间分布特征值预测值；步骤S4，提取所述虚拟应答器基础数据库中与所述待捕获目标虚拟应答器相关的信息，计算所述待捕获目标虚拟应答器的可视卫星信息并进行约简，估计卫星空间分布参考值；步骤S5，根据所述卫星空间分布特征值、特征值预测值与参考值，判断待捕获目标虚拟应答器捕获状态，确定待捕获目标虚拟应答器捕获时刻；步骤S6，在所述待捕获目标虚拟应答器捕获时刻发送位置校正信息，列车根据所述位置校正信息校正当前位置，同时更新虚拟应答器基础数据库。作为本专利技术一个优选的实施例，所述步骤S1中的虚拟应答器基础数据库中的数据为轨道线路空间数据、沿线地形环境数据、虚拟应答器状态序列、虚拟应答器空间数据；其中，轨道线路空间数据用于存储若干线路关键点相关信息，所述轨道线路空间数据包括线路关键点编号Pindex、线路关键点里程S(Pindex)、线路关键点三维坐标位置(Lindex,Bindex,Hindex)、所在线路编号N(Pindex)、线路关键点属性U(Pindex)、运行方向D(Pindex)，其中，下标index表示线路关键点标号；沿线地形环境数据为线路关键点在预定方向W(Pindex)的地形遮蔽区域边界(AU(Pindex),AD(Pindex))，其中，W(Pindex)表示以线路关键点Pindex为中心的方位角，且W(Pindex)∈[0°,360°]，AU(Pindex)、AD(Pindex)分别为可视仰角的上界与下界；虚拟应答器状态序列包括目标线路索引号N、方向标志位DN、虚拟应答器编号bi、虚拟应答器捕获状态Acq(i,DN)；虚拟应答器空间数据包括虚拟应答器编号bi、虚拟应答器里程Si、虚拟应答器三维坐标位置(Li,Bi,Hi)。作为本专利技术一个优选的实施例，所述步骤S2，具体包括如下步骤：步骤S21，融合卫星定位接收机与辅助定位传感器在当前t时刻获得的实时观测信息，计算列车当前运行的三维空间位置运行方向D(t)、所在线路编号N(t)，并将三维空间位置转换为坐标位置步骤S22，根据列车当前运行数据，提取虚拟应答器基础数据库中的轨道线路空间数据，计算列车当前运行里程S(t)；步骤S23，利用列车当前运行里程S(t)、上一定位计算周期运行里程S(t-τ)估计列车当前沿轨道纵向运行速度预测列车在后续m个时刻的运行里程其中，τ为预设的计算周期时长，k＝1,2,…,m，m为最大探测步长；步骤S24，根据当前列车运行方向D(t)，提取虚拟应答器基础数据库中的虚拟应答器状态序列，确定该方向待捕获目标虚拟应答器编号bj；步骤S25，根据所述待捕获目标虚拟应答器编号bj提取相应的虚拟应答器空间数据，确定目标虚拟应答器里程Sj，当在t时刻按最大探测步长m进行的前向探测满足式(1)：其中，Hcap为虚拟应答器一维预捕获半径；则预测当前时刻t为待捕获目标虚拟应答器的预捕获触发时刻作为本专利技术一个优选的实施例，所述步骤S3，具体包括如下步骤：步骤S31，自预捕获触发时刻的下一个时间周期开始，每一周期实时从卫星定位接收机提取当前导航卫星观测的可视卫星数量n、卫星标识号λn、卫星仰角φn、卫星方位角ωn以及导航卫星星历数据；步骤S32，根据所提取的当前导航卫星观测的可视卫星数量n、卫星标识号λn、卫星仰角φn、卫星方位角ωn以及导航卫星星历数据，通过式(2)计算当前时刻可视卫星空间分布特征值：式(2)中，下标σ表示时间，Fβ为可视卫星空间特征矩阵F的第β个对角线元素，F＝(MTM)-1，且M矩阵由式(3)计算：步骤S33，提取轨道线路空间数据，利用所述后续α(α≤m)个时刻运行里程预测值计算列车在后续时刻的三维空间位置预测值步骤S34，采用导航卫星星历数据，计算后续α个时刻n个导航卫星的卫星仰角预测值卫星方位角预测值采用式(2)计算后续时刻的可视卫星空间分布特征值预测值作为本专利技术一个优选的实施例，所述步骤S4，具体包括如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法，其特征在于，所述虚拟应答器捕获方法包括如下步骤：/n步骤S1，采集目标轨道线路的数据建立虚拟应答器基础数据库；/n步骤S2，根据卫星导航信息获取列车当前运行的坐标位置并计算列车运行状态信息，提取所述虚拟应答器基础数据库中与当前运行列车相关的信息，预测待捕获目标虚拟应答器及预捕获触发时刻；/n步骤S3，自所述预捕获触发时刻开始，实时提取导航卫星观测信息，计算当前时刻可视卫星空间分布特征值以及后续时刻可视卫星空间分布特征值预测值；/n步骤S4，提取所述虚拟应答器基础数据库中与所述待捕获目标虚拟应答器相关的信息，计算所述待捕获目标虚拟应答器的可视卫星信息并进行约简，估计卫星空间分布参考值；/n步骤S5，根据所述卫星空间分布特征值、特征值预测值与参考值，判断待捕获目标虚拟应答器捕获状态，确定待捕获目标虚拟应答器捕获时刻；/n步骤S6，在所述待捕获目标虚拟应答器捕获时刻发送位置校正信息，列车根据所述位置校正信息校正当前位置，同时更新虚拟应答器基础数据库。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法，其特征在于，所述虚拟应答器捕获方法包括如下步骤：
步骤S1，采集目标轨道线路的数据建立虚拟应答器基础数据库；
步骤S2，根据卫星导航信息获取列车当前运行的坐标位置并计算列车运行状态信息，提取所述虚拟应答器基础数据库中与当前运行列车相关的信息，预测待捕获目标虚拟应答器及预捕获触发时刻；
步骤S3，自所述预捕获触发时刻开始，实时提取导航卫星观测信息，计算当前时刻可视卫星空间分布特征值以及后续时刻可视卫星空间分布特征值预测值；
步骤S4，提取所述虚拟应答器基础数据库中与所述待捕获目标虚拟应答器相关的信息，计算所述待捕获目标虚拟应答器的可视卫星信息并进行约简，估计卫星空间分布参考值；
步骤S5，根据所述卫星空间分布特征值、特征值预测值与参考值，判断待捕获目标虚拟应答器捕获状态，确定待捕获目标虚拟应答器捕获时刻；
步骤S6，在所述待捕获目标虚拟应答器捕获时刻发送位置校正信息，列车根据所述位置校正信息校正当前位置，同时更新虚拟应答器基础数据库。


2.根据权利要求1所述基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法，其特征在于，所述步骤S1中的虚拟应答器基础数据库中的数据为轨道线路空间数据、沿线地形环境数据、虚拟应答器状态序列、虚拟应答器空间数据；其中，
轨道线路空间数据用于存储若干线路关键点相关信息，所述轨道线路空间数据包括线路关键点编号Pindex、线路关键点里程S(Pindex)、线路关键点三维坐标位置(Lindex,Bindex,Hindex)、所在线路编号N(Pindex)、线路关键点属性U(Pindex)、运行方向D(Pindex)，其中，下标index表示线路关键点标号；
沿线地形环境数据为线路关键点在预定方向W(Pindex)的地形遮蔽区域边界(AU(Pindex),AD(Pindex))，其中，W(Pindex)表示以线路关键点Pindex为中心的方位角，且W(Pindex)∈[0°,360°]，AU(Pindex)、AD(Pindex)分别为可视仰角的上界与下界；
虚拟应答器状态序列包括目标线路索引号N、方向标志位DN、虚拟应答器编号bi、虚拟应答器捕获状态Acq(i,DN)；
虚拟应答器空间数据包括虚拟应答器编号bi、虚拟应答器里程Si、虚拟应答器三维坐标位置(Li,Bi,Hi)。


3.根据权利要求2所述基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法，其特征在于，所述步骤S2，具体包括如下步骤：
步骤S21，融合卫星定位接收机与辅助定位传感器在当前t时刻获得的实时观测信息，计算列车当前运行的三维空间位置运行方向D(t)、所在线路编号N(t)，并将三维空间位置转换为坐标位置
步骤S22，根据列车当前运行数据，提取虚拟应答器基础数据库中的轨道线路空间数据，计算列车当前运行里程S(t)；
步骤S23，利用列车当前运行里程S(t)、上一定位计算周期运行里程S(t-τ)估计列车当前沿轨道纵向运行速度预测列车在后续m个时刻的运行里程其中，τ为预设的计算周期时长，k＝1,2,…,m，m为最大探测步长；
步骤S24，根据当前列车运行方向D(t)，提取虚拟应答器基础数据库中的虚拟应答器状态序列，确定该方向待捕获目标虚拟应答器编号bj；
步骤S25，根据所述待捕获目标虚拟应答器编号bj提取相应的虚拟应答器空间数据，确定目标虚拟应答器里程Sj，当在t时刻按最大探测步长m进行的前向探测满足式(1)：



其中，Hcap为虚拟应答器一维预捕获半径；
则预测当前时刻t为待捕获目标虚拟应答器的预捕获触发时刻


4.根据权利要求3所述基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法，其特征在于，所述步骤S3，具体包括如下步骤：
步骤S31，自预捕获触发时刻的下一个时间周期开始，每一周期实时从卫星定位接收机提取当前导航卫星观测的可视卫星数量n、卫星标识号λn、卫星仰角φn、卫星方位角ωn以及导航卫星星历数据；
步骤S32，根据所提取的当前导航卫星观测的可视卫星数量n、卫星标识号λn、卫星仰角φn、卫星方位角ωn以及导航卫星星历数据，通过式(2)计算当前时刻可视卫星空间分布特征值：



式(2)中，下标σ表示时间，Fβ为可视卫星空间特征矩阵F的第β个对角线元素，F＝(MTM)-1，且M矩阵由式(3)计算：



步骤S33，提取轨道线路空间数据，利用所述后续α(α≤m)个时刻运行里程预测值计算列车在后续时刻的三维空间位置预测值
步骤S34，采用导航卫星星历数据，计算后续α个时刻n个导航卫星的卫星仰角预测值卫星方位角预测值采用式(2)计算后续时刻的可视卫星空间分布特征值预测值


5.根据权利要求4所述基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获方法，其特征在于，所述步骤S4，具体包括如下步骤：
步骤S41，在预捕获触发时刻的下一个时间周期时刻，从虚拟应答器空间数据、沿线地形环境数据中提取待捕获目标虚拟应答器三维空间位置及地形遮蔽区域边界信息；
步骤S42，结合导航卫星星历数据，每一周期实时计算前方最邻近虚拟应答器在当前时刻σ及后续α个时刻仰角大于0的可视卫星数量以及每个时刻颗卫星的卫星标识号与三维空间位置下标u表示卫星序号，并进一步计算各个时刻待捕获目标虚拟应答器可视卫星的仰角方位角
步骤S43，结合目标虚拟应答器所在位置区域地形遮蔽区域边界信息，根据仰角条件对可视卫星数据进行约简，将不满足式(4)的卫星信息剔除：



其中，分别为待捕获目标虚拟应答器bj在方位角或其最邻近方位角特征值条件下的卫星可视仰角下界与上界；
步骤S44，利用约简后颗卫星的仰角、方位角信息，按式(2)计算每个时刻目标虚拟应答器可观测的颗卫星的空间分布参考值


6.根据权利要求5所述基于卫星空间分布检验的虚拟应答器捕获...

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