本发明提供一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位方法及系统。该列车定位方法主要包括GPS完好性监测算法和列车定位解算算法两个子算法。GPS完好性监测算法通过建立一种基于轨道的本地坐标系,并把WGS-84坐标转换为基于轨道的本地新坐标系,用数字轨道地图提供的地理信息来构建余度方程和约束条件,从而监测GPS伪距观测量;列车定位解算算法负责建立列车位置解算模型和速度解算模型,并综合这两种模型实现列车定位解算功能。本发明所提出的列车定位方法不仅能在GPS完备条件下有效地提高列车定位的精度和稳定性,而且还能在GPS不完备条件下提供较高精度的列车定位结果。
1.一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位的方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1、输入系统数据,进行数据提取及处理,其进一步包括:提取来自GPS接收机的卫星星历及伪距等观测数据;以及,包括股道精确地理信息的数字轨道地图数据库;步骤2、实现数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法,所述的GPS完好性监测算法是指:其一,建立一种基于轨道线路的本地坐标系,把WGS-84坐标转换为基于轨道的本地新坐标系;其二,监测GPS伪距观测量;步骤3、实现数字轨道地图辅助的列车定位解算算法,其包括:利用数字轨道地图信息辅助进行列车的位置解算;利用数字轨道地图信息辅助进行列车的速度解算;以及根据权值综合定位结果;所述利用数字轨道地图信息辅助进行列车的位置解算为:其一,建立常规的GPS定位解算方程:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="414"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="67"/>为WGS-84坐标系下的坐标与地心大地坐标系下的坐标间的转换矩阵;其二,在GPS定位解算方程中加入轨道区段的地图信息,并令:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="206"/>则GPS观测方程就可写成:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="570"/>式中,Δρ_i为第i颗卫星相对于初始假设位置的伪距偏差;λ_k为k时刻经度解算结果;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="15"/>为k时刻纬度解算结果;Δλ_k+1为k+1时刻经度解算的修正;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="37"/>为k+1时刻纬度解算的修正;Δh_k+1为k+1时刻获得的高度修正;Δt_k+1为k+1时刻的接收机钟差;其三,最小二乘估算,其最小二乘估计解可以表示为:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="611"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="297"/>这样,在假设列车高程不变的情况下,就可以获得列车位置的经纬度坐标修正及接收机钟差;所述利用数字轨道地图信息辅助进行列车的速度解算为:在GPS解算方程中加上轨道区段地理信息对列车运行速度方向的限制条件,其速度解算模型可以描述为:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="533"/>式中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="28"/>为第i颗卫星的伪距变化率;v_east,k、v_north,k分别为k时刻解算获得的列车东向和北向运行速度;v_east,k+1、v_north,k+1分别为k+1时刻解算获得的列车东向和北向运行速度;ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="20"/>为接收机钟差变化率;v为量测噪声;k_lat/long为单位纬度与单位经度所对应的实际长度之比;G_doppler是与GPS伪距变化率、接收机速度和钟差变化率相对应的观测方程的观测矩阵,其估算方程如下:ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="426"/>式中,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="68"/>为地球在经纬度ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="51"/>位置的东西向曲率半径,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="72"/>为地球在经纬度ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="52"/>位置的子午线曲率半径;所述根据权值综合定位结果具体是指:通过给上述两个解算模型分配一定的权重来综合列车定位结果,得到最终的列车位置坐标,所述分配一定的权重具体方法如下:假设利用位置解算模型进行定位获得的结果所带的均方距离误差(DRMS)大小为σ_pos;利用速度解算模型进行定位获得的结果所带的均方距离误差大小为σ_vel;模型所分配的权重大小取决于两种模型各自定位的误差和HDOP值的大小,权重w表示为:w=1(1+HDOP)2(σvelσpos)2;]]>其中,HDOP值的计算过程如下:假设δL_n为GPS观测量L_n的误差矢量,ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="27"/>为用户坐标修正ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="15"/>的误差矢量,G_n^T为GPS定位解算观测矩阵,则ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="27"/>的协方差矩阵为:cov(δS^n)=(GnTGn)-1GnTcov(δLn)[(GnTGn)-1GnT]T;]]>每颗卫星都具有各自的测距误差,若它们都是彼此独立的,并且方差均为确定值σ₀²;则cov(δLn)=σ02I;]]>其中,I为n×n阶单位矩阵;因此:cov(δS^n)=(GnTGn)-1GnTσ02I[(GnTGn)-1GnT]T;]]>=(GnTGn)-1σ02]]>令cov(δS^n)=(GnTGn)-1σ02]]>=H;]]>=h11h12h13h14h21h22h23h24h31h32h33h34h41h42h43h44]]>则GPS定位的水平精度因子可用测距误差σ₀表示为:HDOP=(h₁₁+h₂₂)^1/2σ₀;最终的列车定位解算结果定义为:Sk+1=w·Sk+1,pos+(1-w)·(Sk+vk+vk+12Δtk+1/k);]]>式中,S_k,pos为k时刻通过最小二乘估计获得的位置定位结果;v_k为k时刻的速度定位结果;Δt_k+1/k为采样时间间隔;S_k+1为k+1时刻最终的定位结果;步骤4、输出列车位置估计的数据。
2.根据权利要求1所述的一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位的方法,其特征还在于,在步骤2中,所述本地新坐标系定义如下:将沿着列车运行方向的已识别的列车所在股道区段方向作为X轴;将垂直于水平面向上,与X轴成直角的方向作为Z轴;将垂直于轨道和Z轴的水平方向向右作为Y轴;坐标原点为该股道区段在列车运行方向上的起点;由于列车的运行轨迹一定位于轨道上,所以在此新坐标系下:Y坐标与Z坐标可视为零;X坐标取决于列车在此股道区段上运行的实际距离。
3.根据权利要求1所述的一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位的方法,其特征还在于,步骤2中,如果列车所在的股道区段在WGS-84坐标系下沿着列车运行方向的头节点坐标为(x_head,y_head,z_head),尾节点坐标为(x_end,y_end,z_end);列车车头在WGS-84坐标系下的三维位置坐标为(x,y,z),在新的本地坐标系下的三维位置坐标为(x′,y′,z′);当x_headend,y_headend,z_headend时,列车车头在本地新坐标系下的坐标可表示为:x′y′z′new=(x-xhead)2+(y-yhead)2+(z-zhead)200WGS-84;]]>所述监测GPS伪距观测量进一步包括:在WGS-84坐标系下,用所有可视的GPS伪距测量量进行列车位置的初解算,并将解算结果转换为新的本地坐标;以及,估算距离残差。
4.根据权利要求3所述的一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位的方法,其特征还在于:在新的本地坐标系下利用约束条件y=z=0,用最小二乘法逆推伪距;所述新的本地坐标可由以下矩阵方程式计算得到:x′y′z′Δtnew=R×(GTG)-1GT×lobserved1lobserved2···lobservedn;]]>其中,G是GPS最小二乘估计的观测矩阵;l_observedⁱ是第i颗卫星的伪距观测值,i=1,2,...,n;x’,y’,z’是新的本地坐标系下的列车位置,R为从WGS-84坐标系到新的本地坐标系的转换矩阵;以及,令y′=z′=0,则可反推得到lⁱ,它是与l_observedⁱ相对应的伪距量:l1l2···ln=G′[(G′)TG′]-1(G′)T×x′00Δtnew;]]>其中,G′=R×G;Δt是钟差。
5.根据权利要求3所述的一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位的方法,其特征还在于:在所述估算距离残差过程中,比较上一步中各颗卫星的伪距观测量与反算得到的伪距相关量的偏差,得到距离残差矢量ω,其估算方法如下:ω=[lobserved1-l1,lobserved2-l2,···,lobservedi-li,···,lobservedn-ln]T,i=1,2,···,n]]>定义Δli=|lobservedi-li|,]]>用Δl_i来衡量卫星号为i的卫星的观测量的好坏,并作为判别故障星的依据,将Δl_i与检测门限ξ_threshold相比,只有当GPS伪距观测值的误差在检测门限ξ_threshold内,用这样的观测值来进行GPS解算才是满足精度要求的;若GPS伪距观测值的误差超出了检测门限ξ_threshold,这样的观测量将被剔除。
6.一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位系统,其包括:数据提取及数据处理模块,用于提取和处理从GPS接收机的卫星星历及伪距等观测量数据,以及包含股道精确地理信息的数字轨道地图数据库输入的数据;GPS完好性监测模块,建立本地坐标系和进行坐标转换,并通过GPS测量误差与判决门限的比较,剔除误差较大的观测量,从而监测GPS伪距观测量;以及,列车定位解算模块,其负责在所述的监测GPS伪距观测量中加入轨道区段的地图信息,利用最小二乘法进行列车的位置解算,并负责完成列车的速度解算;所述GPS完好性监测模块为:数据提取及处理模块,其负责采集可视卫星的星历数据和伪距观测量,在所述的监测GPS伪距观测量中加入轨道区段的地图信息,计算可视卫星的位置坐标,并负责轨道地图信息的提取和处理;本地坐标系创建及坐标转换模块,其负责建立一种基于轨道线路的本地坐标系,并把列车的WGS-84坐标转换为基于轨道的本地坐标;误差判决及检测门限确定模块,其负责根据最小二乘估计算法,计算误差判据及判决门限,监测GPS伪距观测量;以及,伪距观测量筛选及剔除模块,其通过GPS测量误差与判决门限的比较,筛选出满足误差条件的GPS伪距观测量,剔除误差较大的观测量;所述列车定位解算模块为:定位数据提取及处理模块,负责在所述监测GPS伪距观测量中加入轨道区段的地图信息;列车位置解算模块,其利用最小二乘法进行列车的位置解算;列车速度解算模块,完成列车的速度解算;以及综合模块,其通过非两个解算模型分配一定的权重,从而综合列车定位结果,得到最终的列车位置坐标;各模块之间的连接关系如下:经数据提取及数据处理模块处理后的数据输入到GPS完好性监测模块,由该GPS完好性模块负责监测模监测GPS伪距观测量;在该监测GPS伪距观测量中加入轨道区段的地图信息,通过列车定位解算模块进行列车的位置解算和速度解算;最后输出对列车位置的估计结果。技术领域
本发明属于车辆定位技术领域,特别涉及一种利用数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位方法及系统。
背景技术
随着全球经济的快速增长,铁路运输在国民经济增长中扮演着越来越重要的角色。铁路列车运输能力越大,数量越多,速度越快,对列车运行的安全性要求就越高。而对列车位置的实时准确跟踪就成为列车运行控制系统中的关键问题,实时准确地跟踪列车位置是防止列车冲突、追尾和列车调度及自动驾驶的基础。全球定位系统GPS(Globalxa0Positioningxa0System)以其全天候、连续、实时的高精度定位功能在列车精确定位和保障行车安全方面应用广泛,而GPS列车定位方法技术是目前车辆定位技术领域的一个重大研究课题。在传统的列车运行控制系统中,列车定位大多采用轨道电路、查询应答器、感应线圈和里程计等方法实现,这些传统方法几乎都存在设备成本高和定位精度低等缺陷。为了能在GPS定位的基础上获得更好的定位效果,通常的做法是将其它导航信息与GPS的输出定位结果进行融合应用,从而提高列车定位精度,但是这一方法存在如下固有缺陷:(1)GPS与INS和DR融合应用的缺陷。由于INS(Inertialxa0Navigationxa0System,惯性导航系统)需要通过对加速度进行积分运算求出导航参数,从而确定载体位置,在长时间工作以后会产生累积误差,因此,INS需要再增加其它的辅助定位信息,这将导致整个系统成本较高。DR(Deadxa0Reckoning,航位推算系统)是从已知的坐标位置开始,根据运动载体在该点的航向、航速和航行时间等参数,推算下一时刻的坐标位置,因此,DR需要GPS来提供车辆的原始位置,并且一旦温度发生变化,或者由于惯性器件的漂移误差、机械震动、打滑、空转、抱死以及轮径因素等引起输出误差,这些输出误差还会随距离和时间的增长逐渐累积。(2)地图匹配的缺陷。数字地图是一种不受外界影响,稳定性较高的导航信息源,因此,地图匹配成为提高列车定位技术精度和交通引导的重要方法之一。然而,由于这种定位是借助数字地图存储的高精度道路数据和GPS所输出的准确定位结果之间的相互匹配来提高定位精度的,因此其对GPS自主定位的依赖性高;也就是说,GPS能够准确定位是地图匹配的前提。此外,GPS自主定位过程中产生的误差将被直接带入地图匹配过程中,一旦GPS无法输出准确的定位结果,地图匹配将会失效。由于铁路线路不易变更,列车运行轨迹相对固定,在站内通过联锁系统可以迅速获得列车所在股道区段,所以轨道地图信息的获取、提取较为方便。因此,研究一种新的成本更低、稳定性更高的列车定位方法,将轨道地图信息直接用于列车定位解算具有重要的现实意义。现有列车定位技术中利用数字轨道地图来改进定位效果的方法主要局限于地图匹配的方法。然而,地图匹配方法并未参与定位解算过程而是直接依赖于GPS的自主定位结果;一旦GPS无法输出准确的定位结果,地图匹配方法将失效,从而很大程度上限制了列车定位的精度和稳定性。
发明内容
为了克服现有技术的上述不足,本发明利用数字轨道地图高精度和高稳定性的优势,将轨道地图信息直接用于列车定位解算中,综合运用数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法和列车定位解算算法,提出了一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位方法及系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位的方法,其包括如下步骤:步骤1输入系统数据,进行数据提取及处理;步骤2实现数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法,其通过建立基于轨道的本地坐标系,利用数字轨道地图提供的地理信息来构建余度方程和约束条件,通过GPS观测量误差与判决门限的比较来剔除GPS解算过程中误差较大的观测量来保证定位精度,并降低传统的GPS完好性监测方法对可视卫星数的要求;步骤3实现数字轨道地图辅助的列车定位解算算法,其综合利用轨道地图数据、GPS卫星星历和原始伪距观测量等信息,建立数字轨道地图辅助的列车位置解算模型和速度解算模型,分别求解列车的位置和速度,最终通过适当的权重分配来综合这两种模型下的定位解算结果,从而实现精确的列车定位;步骤4输出列车位置估计的数据。上述步骤还包括如下技术特征:步骤1所述的进行数据提取及处理进一步包括:提取来自GPS接收机的卫星星历及伪距等观测数据;以及包括股道精确地理信息的数字轨道地图数据库。步骤2所述的GPS完好性监测算法包括:其一,建立一种基于轨道线路的本地坐标系,并把列车位置由WGS-84坐标转换为基于轨道的本地新坐标系;其二,监测GPS伪距观测量。所述本地新坐标系定义如下:将沿着列车运行方向的已识别的列车所在股道区段方向作为X轴;将垂直于水平面向上,与X轴成直角的方向作为Z轴;将垂直于轨道和Z轴的水平方向向右作为Y轴;坐标原点为该股道区段在列车运行方向上的起点。由于列车的运行轨迹一定位于轨道上,所以在此新坐标系下:Y坐标与Z坐标可视为零;X坐标取决于列车在此股道区段上运行的实际距离。假设列车所在的股道区段在WGS-84坐标系下沿着列车运行方向的头节点坐标为(x_head,y_head,z_head),尾节点坐标为(x_end,y_end,z_end)。列车(车头)在WGS-84坐标系下的三维位置坐标为(x,y,z),在新的本地坐标系下的三维位置坐标为(x′,y′,z′)。当x_head<x<x_end,y_head<y<y_end,z_head<z<z_end时,列车(车头)在本地新坐标系下的坐标可表示为 x ′ y ′ z ′ new = ( x - x head ) 2 + ( y - y head ) 2 + ( z - z head ) 2 0 0 WGS - 84 ]]>所述监测GPS伪距观测量进一步包括:在WGS-84坐标系下,用所有可视的GPS伪距观测量进行列车位置的初解算,并将解算结果转换为新的本地坐标;以及估算距离残差。在新的本地坐标系下利用约束条件y=z=0,用最小二乘法逆推伪距观测量的值: x ′ y ′ z ′ Δt new = R × ( G T G ) - 1 G T × l observed 1 l observed 2 · · · l observed n ]]>其中,G是GPS最小二乘估计的观测矩阵;ntent="drawing" img-format="tif" wi="42"/>是第i颗卫星的伪距观测值,i=1,2,...,n。令y′=z′=0,则可反推得到li,它是与ntent="drawing" img-format="tif" wi="42"/>相对应的伪距量,。 l 1 l 2 · · · l n = G ′ [ ( G ′ ) T G ′ ] - 1 ( G ′ ) T × x ′ 0 0 Δt new ]]>其中,G′=R×G。在所述估算距离残差过程中,比较上一步中各颗卫星的伪距观测量与反算得到的伪距相关量的偏差,这里将它称为距离残差矢量ω。 ω = [ l observed 1 - l 1 , l observed 2 - l 2 , . . . , l observed i - l i , . . . . l observed n - l n ] T ]]>i=1,2,...,n本发明中定义 Δ l i = | l observed i - l i | , ]]>用Δl_i来衡量卫星号为i的卫星的观测量的好坏,并作为判别故障星的依据,将Δl_i与检测门限ξ_threshold相比,只有当GPS伪距观测值的误差在检测门限ξ_reshold内,用这样的观测值来进行GPS解算才是满足精度要求的。若GPS伪距观测值的误差超出了检测门限ξ_threshold,这样的观测量将被剔除。步骤3所述列车定位解算是指:利用数字轨道地图信息辅助进行列车的位置解算;利用数字轨道地图信息辅助进行列车的速度解算;以及根据权值综合定位结果。其具体算法如下:所述利用数字轨道地图信息辅助进行列车的位置解算进一步包括:其一,建立常规的GPS定位解算方程:ntent="drawing" img-format="tif" wi="410"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" wi="66"/>为WGS-84坐标系下的坐标与地心大地坐标系下的坐标间的转换矩阵。令:ntent="drawing" img-format="tif" wi="199"/>其二,在GPS定位解算方程中加入轨道区段的地图信息,GPS观测方程就可写成:ntent="drawing" img-format="tif" wi="568"/>式中,Δρ_i为第i颗卫星相对于初始假设位置的伪距偏差;λ_k为k时刻经度解算结果;ntent="drawing" img-format="tif" wi="14"/>为k时刻纬度解算结果;Δλ_k+1为k+1时刻经度解算的修正;ntent="drawing" img-format="tif" wi="37"/>为k+1时刻纬度解算的修正;Δh_k+1为k+1时刻获得的高度修正;Δt_k+1为k+1时刻的接收机钟差;其三,最小二乘估算。其最小二乘估计解可以表示为:ntent="drawing" img-format="tif" wi="611"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" wi="292"/>这样,在假设列车高程不变的情况下,就可以获得列车位置的经纬度坐标修正及接收机钟差。所述利用数字轨道地图信息辅助进行列车的速度解算进一步包括:在GPS解算方程中加上轨道区段地理信息对列车运行速度方向的限制条件,其速度解算模型可以描述为:ntent="drawing" img-format="tif" wi="518"/>式中,ntent="drawing" img-format="tif" wi="27"/>为第i颗卫星的伪距变化率;v_east,k、v_north,k分别为k时刻解算获得的列车东向和北向运行速度;v_east,k+1、v_north,k+1分别为k+1时刻解算获得的列车东向和北向运行速度;ntent="drawing" img-format="tif" wi="18"/>为接收机钟差变化率;v为量测噪声;k_lat/long为单位纬度与单位经度所对应的实际长度之比;G_doppler是与GPS伪距变化率、接收机速度和钟差变化率相对应的观测方程的观测矩阵。ntent="drawing" img-format="tif" wi="423"/>式中,ntent="drawing" img-format="tif" wi="68"/>为地球在经纬度ntent="drawing" img-format="tif" wi="51"/>位置的东西向曲率半径,ntent="drawing" img-format="tif" wi="72"/>为地球在经纬度ntent="drawing" img-format="tif" wi="52"/>位置的子午线曲率半径。所述根据权值综合定位结果具体是指:通过给上述两个解算模型分配一定的权重来综合列车定位结果,得到最终的列车位置坐标。假设利用位置解算模型进行定位获得的结果所带的均方距离误差(DRMS)大小为σ_pos;利用速度解算模型进行定位获得的结果所带的均方距离误差大小为σ_vel。模型所分配的权重大小取决于两种模型各自定位的误差和HDOP值的大小。权重w表示为: w = 1 ( 1 + HDOP ) 2 ( σ vel σ pos ) 2 ]]>其中,HDOP值的计算过程如下:假设δL_n为GPS观测量L_n的误差矢量,ntent="drawing" img-format="tif" wi="27"/>为用户坐标修正ntent="drawing" img-format="tif" wi="13"/>的误差矢量,ntent="drawing" img-format="tif" wi="19"/>GPS定位解算观测矩阵,则ntent="drawing" img-format="tif" wi="26"/>的协方差矩阵为: cov ( δ S ^ n ) = ( G n T G n ) - 1 G n T cov ( δ L n ) [ ( G n T G n ) - 1 G n T ] T ]]>每颗卫星都具有各自的测距误差,若它们都是彼此独立的,并且方差均为确定值ntent="drawing" img-format="tif" wi="27"/>则 cov ( δ L n ) = δ 0 2 I ]]>其中,I为n×n阶单位矩阵。因此: cov ( δ S ^ n ) = ( G n T G n ) - 1 G n T σ 0 2 I [ ( G n T G n ) - 1 G n T ] T ]]> = ( G n T G n ) - 1 σ 0 2 ]]>令 cov ( δ S ^ n ) = ( G n T G n ) - 1 σ 0 2 ]]> = H ]]> = h 11 h 12 h 13 h 14 h 21 h 22 h 23 h 24 h 31 h 32 h 33 h 34 h 41 h 42 h 43 h 44 ]]>则GPS定位的水平精度因子可用测距误差σ₀u3000表示为:HDOP=(h₁₁+h₂₂)^1/2σ₀最终的列车定位解算结果定义为: S k + 1 = w · S k + 1 , pos + ( 1 - w ) · ( S k + v k + v k + 1 2 Δ t k + 1 / k ) ]]>式中,S_k,Pos为k时刻通过最小二乘估计获得的位置定位结果;v_k为k时刻的速度定位结果;Δt_k+1/k为采样时间间隔;S_k+1为k+1时刻最终的定位结果。一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位系统,其包括:数据提取及数据处理模块,用于提取和处理从GPS接收机的卫星星历及伪距等观测量数据,以及包含股道精确地理信息的数字轨道地图数据库输入的数据;GPS完好性监测模块,其负责建立本地坐标系和进行坐标转换,并通过GPS测量误差与判决门限的比较,剔除误差较大的观测量,从而监测GPS伪距观测量;以及,列车定位解算模块,其负责在所述的监测GPS伪距观测量中加入轨道区段的地图信息,利用最小二乘法进行列车的位置解算,并负责完成列车的速度解算。上述各模块之间的连接关系如下:经数据提取及数据处理模块处理后的数据输入到GPS完好性监测模块,由该GPS完好性模块负责监测模监测GPS伪距观测量;在该监测GPS伪距观测量中加入轨道区段的地图信息,通过列车定位解算模块进行列车的位置解算和速度解算;最后输出对列车位置的估计结果。所述GPS完好性监测模块进一步包括:数据提取及处理模块,其负责采集可视卫星的星历数据和伪距观测量,在所述的监测GPS伪距观测量中加入轨道区段的地图信息,计算可视卫星的位置坐标,并负责轨道地图信息的提取和处理;本地坐标系创建及坐标转换模块,其负责建立一种基于轨道线路的本地坐标系,并把列车的WGS-84坐标转换为基于轨道的本地坐标;误差判决及检测门限确定模块,其负责根据最小二乘估计算法,计算误差判据及判决门限,监测GPS伪距观测量;以及,伪距观测量筛选及剔除模块,其通过GPS测量误差与判决门限的比较,筛选出满足误差条件的GPS伪距观测量,剔除误差较大的观测量。所述列车定位解算模块进一步包括:定位数据提取及处理模块,负责在所述监测GPS伪距观测量中加入轨道区段的地图信息;列车位置解算模块,其利用最小二乘法进行列车的位置解算;列车速度解算模块,完成列车的速度解算;以及综合模块,其通过非两个解算模型分配一定的权重,从而综合列车定位结果,得到最终的列车位置坐标。本发明的有益效果是:本发明充分利用数字轨道地图提供的辅助信息来改善列车定位效果,避免定位结果对GPS输出结果的过分依赖,并降低了传统的GPS完好性监测方法对可视卫星数的要求。应用本发明提供的数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法可以准确地对GPS观测量进行监测,在卫星数充足的情况下,可以有效地剔除误差较大的GPS观测量,保证GPS定位解算的精度。参见下表(表1)可知,在GPS完备条件下,本发明在同等条件下比现行的GPS定位方法具有更高的定位精度和更好的定位稳定性;在GPS不完备条件下,本发明也可以提供在一定可用精度范围内的定位结果;以及在GPS卫星信号受到严重遮掩的环境下,它可以作为列车准确定位的重要方法和补充。表1列车定位方法比较ntent="drawing" img-format="tif" wi="657"/>
附图说明
图1是数字轨道地图辅助GPS的列车定位系统结构图;图2是数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法流程图;图3是本发明的GPS完好性监测模块结构子框图;图4是WGS-84坐标与基于轨道的本地坐标系的转换示意图;图5是本发明的数字轨道地图辅助的列车定位模块结构子框图;下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
实施例1:如图1所示,本发明所研究的数字轨道地图辅助的列车定位方法的核心是地图辅助列车定位算法。该地图辅助列车定位系统可大致分为数据提取及处理、GPS完好性监测和列车定位解算三个模块。这三个模块虽然在结构上是独立的,但在每个计算周期中都是相互关联的。该地图辅助列车定位系统包括数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法和列车定位解算算法两个主要子算法。该系统的输入包括:来自GPS接收机的卫星星历及伪距等观测量数据,以及包含股道精确地理信息的数字轨道地图数据库。系统输出的是对列车位置的估计。实施例2如附图2所示,通过具体实施方式对本发明做进一步详细说明。在一个实施例中,根据本发明的数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法的具体流程如下:1.采集可视卫星的星历数据和伪距观测量,并计算可视卫星的位置坐标。具体地,利用NovAtelxa0GPS接收机采集可视卫星的星历数据、伪距观测量数据,并提取卫星星历中的相关参数计算可视卫星的位置坐标;2.轨道地图信息的提取和处理。在一个实施例中,通过车站联锁系统获取列车股道占用信息,从轨道地图数据库中提取出相应股道的地图信息,并将这些地图信息转换为本发明所提出的算法中所需的格式;最后结合具体数据验证算法的可行性;3.建立一种基于轨道线路的本地坐标系,并把列车的WGS-84坐标转换为基于轨道的本地坐标;4.根据最小二乘估计算法,计算误差判据及判决门限,监测GPS伪距观测量;5.根据所选阈值进行误差判断,剔除不合精度要求的观测数据,确定满足误差要求的观测量,以便进一步进行GPS定位解算。实施例3如附图3所示,本发明的GPS完好性监测算法可总结描述为以下4个主要子模块:数据提取及处理模块,数据提取及数据处理模块用于提取和处理从GPS接收机的卫星星历及伪距等观测量数据,以及包含轨道精确地理信息的数字轨道地图数据库输入的数据;,并计算可视卫星的位置坐标和负责轨道地图信息的提取和处理;经处理后的数据输入GPS完好性监测模块,由该GPS监测模块负责建立一种基于轨道线路的本地坐标系,并把列车位置由WGS-84坐标转换为基于轨道的本地新坐标系;误差判决及检测门限确定模块,其负责根据最小二乘估计算法,计算误差判据及判决门限,监测GPS伪距观测量;以及,监测GPS伪距观测量模块,其负责筛选和剔除伪距观测量。实施例4如附图4所示,在一个实施例中,本地新坐标系定义如下:沿着列车运行方向的已识别的列车所在股道区段方向为X轴;垂直于水平面向上,与X轴成直角的方向为Z轴;垂直于轨道和Z轴的水平方向向右为Y轴;坐标原点为该股道区段在列车运行方向上的起点。由于列车的运行轨迹一定位于轨道上,所以在该新坐标系下:Y坐标与Z坐标可视为零;X坐标取决于列车在此股道区段上运行的实际距离。假设列车所在的股道区段在WGS-84坐标系下沿着列车运行方向的头节点坐标为(x_head,y_head,z_head),尾节点坐标为(x_end,y_end,z_end)。列车(以车头为位置基准)在WGS-84坐标系下的三维位置坐标为(x,y,z),在新的本地坐标系下的三维位置坐标为(x′,y′,z′)。当x_head<x<x_end,y_head<y<y_end,z_head<z<z_end时,列车在本地新坐标系下的坐标可表示为 x ′ y ′ z ′ new = ( x - x head ) 2 + ( y - y head ) 2 + ( z - z head ) 2 0 0 WGS - 84 ]]>实施例5在一个实施例中,如图2所示,利用最小二乘法估算误差判据及判决门限,监测GPS伪距观测量。具体实现如下:在WGS-84坐标系下,用所有可视的GPS伪距测量量进行列车位置的初解算,并将解算结果转换为新的本地坐标。在新的本地坐标系下利用约束条件y=z=0,用最小二乘法逆推伪距。 x ′ y ′ z ′ Δt new = R × ( G T G ) - 1 G T × l observed 1 l observed 2 · · · l observed n ]]>其中,G是GPS最小二乘估计的观测矩阵;ntent="drawing" img-format="tif" wi="42"/>是第i颗卫星的伪距观测值,i=1,2,...,n。令y′=z′=0,则可反推得到li,它是与ntent="drawing" img-format="tif" wi="42"/>相对应的伪距量。 l 1 l 2 · · · l n = G ′ [ ( G ′ ) T G ′ ] - 1 ( G ′ ) T × x ′ 0 0 Δt new ]]>其中,G′=R×G。比较上一步中各颗卫星的伪距观测量与反算得到的伪距相关量的偏差,这里将它称为距离残差矢量ω。 ω = [ l observed 1 - l 1 , l observed 2 - l 2 , . . . , l observed i - l i , . . . . l observed n - l n ] T ]]>i=1,2,...,n本发明中定义 Δ l i = | l observed i - l i | , ]]>用Δl_i来衡量卫星号为i的卫星的观测量的好坏,并作为判别故障星的依据,将Δl_i与检测门限ξ_threshold相比,只有当GPS伪距观测值的误差在检测门限ξ_threshold内,用这样的观测值来进行GPS解算才是满足精度要求的。若GPS伪距观测值的误差超出了检测门限ξ_threshold,这样的观测量将被剔除。实施例6如图5所示的根据本发明的数字轨道地图辅助的列车定位模块结构子框图,依据GPS卫星星历和GPS观测数据确定GPS定位解算方程,列车定位解算模块接收数据提取及数据处理模块和GPS完好性监测模块的信息,在所述的监测GPS伪距观测量中加入轨道区段的地图信息,并利用最小二乘法进行列车的位置解算;列车定位解算模块输出对列车位置的估计。具体实施例过程如下:在常规的GPS定位解算方程中,ntent="drawing" img-format="tif" wi="411"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" wi="66"/>为WGS-84坐标系下的坐与地心大地坐标系下的坐标间的转换矩阵。令:ntent="drawing" img-format="tif" wi="199"/>在GPS定位解算方程中加入轨道区段的地图信息,GPS观测方程就可写成:ntent="drawing" img-format="tif" wi="577"/>式中,Δρ_i为第i颗卫星相对于初始假设位置的伪距偏差;λ_k为k时刻经度解算结果;ntent="drawing" img-format="tif" wi="14"/>为k时刻纬度解算结果;Δλ_k+1为k+1时刻经度解算的修正;ntent="drawing" img-format="tif" wi="37"/>为k+1时刻纬度解算的修正;Δh_k+1为k+1时刻获得的高度修正;Δt_k+1为k+1时刻的接收机钟差。这样,其最小二乘估计解可以表示为:ntent="drawing" img-format="tif" wi="590"/>其中,ntent="drawing" img-format="tif" wi="292"/>这样,在假设列车高程不变的情况下,就可以获得列车位置的经纬度坐标修正及接收机钟差。所谓接收机钟差,指的是接收机的钟面时与GPS标准时之间的差异,GPS接收机一般采用高精度的石英钟,一般把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数,与接收机的位置参数一并求解。实施例7参见附图5,根据本发明完成列车的速度解算。在GPS解算方程中加上轨道区段地理信息对列车运行速度方向的限制条件,其速度解算模型可以描述为:ntent="drawing" img-format="tif" wi="514"/>式中,ntent="drawing" img-format="tif" wi="27"/>为第i颗卫星的伪距变化率;v_eastk、v_north,k分别为k时刻解算获得的列车东向和北向运行速度;v_east,k+1、v_north,k+1分别为k+1时刻解算获得的列车东向和北向运行速度;ntent="drawing" img-format="tif" wi="18"/>为接收机钟差变化率;v为量测噪声;k_lat/long为单位纬度与单位经度所对应的实际长度之比;G_doppler是与GPS伪距变化率、接收机速度和钟差变化率相对应的观测方程的观测矩阵。ntent="drawing" img-format="tif" wi="398"/>式中,ntent="drawing" img-format="tif" wi="68"/>为地球在经纬度ntent="drawing" img-format="tif" wi="51"/>位置的东西向曲率半径,ntent="drawing" img-format="tif" wi="73"/>为地球在经纬度ntent="drawing" img-format="tif" wi="52"/>位置的子午线曲率半径。实施例8根据本发明提供的算法模型,给上述实施例6和实施例7的两个解算模型分配一定的权重,从而综合列车定位结果,得到最终的列车位置坐标,参见附图5。假设利用位置解算模型进行定位获得的结果所带的均方距离误差(DRMS)大小为σ_pos;利用速度解算模型进行定位获得的结果所带的均方距离误差大小为σ_vel。模型所分配的权重大小取决于两种模型各自定位的误差和HDOP值的大小。权重w表示为: w = 1 ( 1 + HDOP ) 2 ( σ vel σ pos ) 2 ]]>其中,HDOP值的计算过程如下:假设δL_n为GPS观测量L_n的误差矢量,ntent="drawing" img-format="tif" wi="26"/>为用户坐标修正ntent="drawing" img-format="tif" wi="14"/>的误差矢量,ntent="drawing" img-format="tif" wi="19"/>为GPS定位解算观测矩阵,则ntent="drawing" img-format="tif" wi="27"/>的协方差矩阵为: cov ( δ S ^ n ) = ( G n T G n ) - 1 G n T cov ( δ L n ) [ ( G n T G n ) - 1 G n T ] T ]]>每颗卫星都具有各自的测距误差,若它们都是彼此独立的,并且方差均为确定值ntent="drawing" img-format="tif" wi="27"/>则 cov ( δ L n ) = δ 0 2 I ]]>其中,I为n×n阶单位矩阵。因此: cov ( δ S ^ n ) = ( G n T G n ) - 1 G n T σ 0 2 I [ ( G n T G n ) - 1 G n T ] T ]]> = ( G n T G n ) - 1 σ 0 2 ]]>令 cov ( δ S ^ n ) = ( G n T G n ) - 1 σ 0 2 ]]> = H ]]> = h 11 h 12 h 13 h 14 h 21 h 22 h 23 h 24 h 31 h 32 h 33 h 34 h 41 h 42 h 43 h 44 ]]>则GPS定位的水平精度因子可用测距误差σ₀u3000表示为:HDOP=(h₁₁+h₂₂)^1/2σ₀最终的列车定位解算结果定义为: S k + 1 = w · S k + 1 , pos + ( 1 - w ) · ( S k + v k + v k + 1 2 Δ t k + 1 / k ) ]]>式中,S_k,pos为k时刻通过最小二乘估计获得的位置定位结果;v_k为k时刻的速度定位结果;Δt_k+1/k为采样时间间隔;S_k+1为k+1时刻最终的定位结果。上述仅为本发明的较佳实施例,并不用来限定本发明的实施范围。也就是说,任何依照本发明的权利要求范围所做的同等变化与修改,皆为本发明的权利要求范围所涵盖。