一種實現列車全路況精確定位的裝置及經緯度的計算方法
【專利摘要】本發明公開了一種實現列車全路況精確定位的裝置及經緯度的計算方法，包括分別與嵌入式計算單元信號連接的GNSS衛星定位模塊、輪速脈沖傳感器、前后方向檔位傳感器和隧道測繪數據單元，嵌入式計算單元根據上述四個模塊提供的數據，利用幾何算法計算出列車在隧道中的精確經緯度。本發明利用安裝于列車轉向器上的前后方位檔位傳感器和輪速脈沖傳感器，結合隧道測繪數據，不依賴移動通信基站的輔助定位，利用幾何算法即可計算列車在隧道中的經緯度，具有定位準確，不受列車在隧道中停留時間和移動基站信號強弱的影響，可慣性導航，成本低廉的優點。
【專利說明】
-種實現列車全路況精確定位的裝置及經純度的計算方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種定位裝置，尤其設及一種實現列車全路況精確定位的裝置及經締 度的計算方法。
【背景技術】
[0002] 基于衛星的定位裝置，不論GPS還是北斗，都必須在有足夠可見衛星的前提下才能 實現定位。如果在完全沒有可見衛星的環境下，比如隧道中，衛星定位就會完全失效。
[0003] 現在也有部分技術可W實現在隧道中的定位，但都有各自的弱點和不足。
[0004] 1、利用巧螺儀、加速度計等傳感器，高頻率的計算移動者在空間中的位移并累計， W此實現定位。運也是大多數廠家的慣性導航實現方式。但運種方式誤差較大，誤差一般小 于3%的行駛距離(行駛100米，產生小于3米的誤差），隨著在隧道中停留的時間增加，誤差 還會累計。
[0005] 2、利用移動通信的基站輔助定位。首先該方式本身誤差就非常大，可達數十米甚 至上百米;其次，該方式只適合在城市環境下使用，而鐵路的環境，不能保證整個鐵路沿線 都能有基站信號，到了隧道中，往往根本都接收不到基站信號，到時此方法也會失效。
【發明內容】
[0006] 為了克服現有技術的不足，本發明提供一種使用隧道測繪數據，結合輪速傳感器 和前后方向檔位傳感器，可W實現列車全路況精確定位的裝置及經締度的計算方法，W解 決列車定位在隧道中的盲區和其他慣性導航裝置在隧道中定位不準的問題。
[0007] 為此，本發明第一方面提供一種實現列車全路況精確定位的裝置，包括分別與嵌 入式計算單元信號連接的GNSS衛星定位模塊、輪速脈沖傳感器、前后方向檔位傳感器和隧 道測繪數據單元；
[000引所述GNSS衛星定位模塊用于向所述嵌入式計算單元提供列車在隧道外的定位和 坐標輸出；
[0009] 所述輪速脈沖傳感器結合車輪半徑計算出車輪進行的距離并傳送至所述嵌入式 計算單元；
[0010] 所述前后方向檔位傳感器用于向所述嵌入式計算單元提供列車當前的運行方向；
[0011] 所述隧道測繪數據單元用于向所述嵌入式計算單元提供隧道中和隧道口鐵道的 走向；
[0012] 所述嵌入式計算單元根據上述四個模塊提供的數據，利用幾何算法計算出列車在 隧道中的精確經締度。
[0013] 優選地，所述輪速脈沖傳感器采用非接觸式光電式轉速傳感器，向列車電氣控制 系統提供與車輪轉數成比例的電脈沖信號，并根據脈沖數計算出列車行進的距離。
[0014] 進一步地，所述前后方向檔位傳感器安裝于所述列車的轉向器上。
[0015] 進一步地，所述隧道測繪數據單元獲取的測繪數據為一組點坐標的集合和/或相 鄰點間的距離，所述測繪數據至少包括隧道口附近至少100米的鐵軌走向和隧道內部的鐵 軌走向。
[0016] 優選地，鐵軌走向W折線的方式表示，測繪數據為一組點坐標的集合，折線中相鄰 兩條線段的夾角不小于170°，折線中每一條線段的長度不超過50米。
[0017] 本發明第二方面提供一種經締度的計算方法，基于上述實現列車全路況精確定位 的裝置，包括如下步驟：
[0018] Sl、計算列車在進隧道前最后一次成功定位的點P投影到折線上點Q的坐標(Jc， Wc);
[0019] S2、從定位的時刻點Ta到計算坐標的時刻Td，根據輪速脈沖傳感器和前后方向檔位 傳感器反饋的數據計算列車往前行進的距離D;
[0020] S3、W點Q為起點，沿著折線，往前行進的距離D的坐標就是在Td時刻列車的精確經 締度。
[0021] 當前后方向檔位傳感器指示為"前"時，輪速脈沖傳感器輸出的一個脈沖代表列車 行進的距離Lm;當前后方向檔位傳感器指示為"后"時，輪速脈沖傳感器輸出的一個脈沖代 表列車行進的距離-Lm,從定位的時刻點Ta到計算坐標的時刻Td,每一個脈沖累加，即可得到 列車往前行進的距離D，其中，列車行進的距離Lm為：
[0022] Lm= 2 X JT X R今 Ng,
[0023] R為車輪半徑，Ng為車輪旋轉一周對應的齒輪數。
[0024] 設最后一次成功定位的點P經締度坐標為(Ja，Wa)，隧道測繪數據有i個點，i個點對 應的點集合坐標為(Xi~i，Yi~1)，點P投影到折線上的點Q坐標為(Je，We)，設列車行駛過程中A 點到D點的方向為進隧道方向，且A點的坐標為(Xi，Yi)，B點的坐標為(X2，Y2)，C點的坐標為 (乂3，￥3)，0點的坐標為^4八4)，線段48的斜率關
，過P的與線段AB垂直的直線V斜 率 kl=- 7,則： k
[0025] AB線段的方程可表示為:Y = kXX+Y廣kX Xi,
[0026] 直線V的方程可表示為:Y = ki X X+WA-ki X Ja，
[0027] 投影點Q為線段AB與直線V的交點，其坐標應同時滿足兩個直線方程：
[002引
[0029] 將兩方程聯立，即可求出點Q的坐標(Jc, Wc)。
[0030] 優選地，所述步驟Sl中，判斷點P的投影是否落在折線的某條線段上的依據必須滿 足：
[0031] Yi>klXXi+WA-klXjAAND Y2《klXX2+WA-klXJA或者
[0032] Y2>klX X2+WA-klXjAAND Yi《klXXi+WA-klXjA。
[0033] 優選地，所述步驟S3中，計算點Q與點B之間的距離Lqb是否大于D，
[0034] 若不是，再計算B點和C的距離Lbc，Lqb+Lbc是否大于D;
[0035] 若不是，再計算C點和D點的距離Lcd;
[0036] 若Lqb+Lb化cd〉D，說明目標點P落在C點和D點之間，則：
[0039]
[0037] AL = Lqb+Lbc+Lcd-D；[003引目標點的坐標(Jd，化)的計算方法：
[0040]
[0041] 基于上述的公開，與現有技術相比，本發明利用安裝于列車轉向器上的前后方位 檔位傳感器和輪速脈沖傳感器，結合隧道測繪數據，不依賴移動通信基站的輔助定位，利用 幾何算法即可計算列車在隧道中的經締度，具有定位準確，不受列車在隧道中停留時間和 移動基站信號強弱的影響，可慣性導航，成本低廉的優點。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發明提供的一種實現列車全路況精確定位的裝置的結構框圖；
[0043] 圖2為計算坐標點到折線的投影坐標對應的折線示意圖；
[0044] 圖3為計算隧道中任意時刻點的坐標對應的折線示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合附圖對本發明的實施例進行詳述。
[0046] 請參閱圖1，本發明提供一種實現列車全路況精確定位的裝置，包括分別與嵌入式 計算單元1信號連接的GNSS衛星定位模塊2、輪速脈沖傳感器3、前后方向檔位傳感器4和隧 道測繪數據單元5。
[0047] 所述GNSS衛星定位模塊2用于向所述嵌入式計算單元1提供列車在隧道外的定位 和坐標輸出。
[0048] 所述輪速脈沖傳感器3結合車輪半徑可計算出車輪進行的距離并傳送至所述嵌入 式計算單元1，采用非接觸式光電式轉速傳感器，向列車電氣控制系統提供與車輪轉數成比 例的電脈沖信號，根據脈沖數計算出列車行進的距離，其準確度由齒輪數和車輪半徑決定。
[0049] 所述前后方向檔位傳感器4安裝于所述列車的轉向器上，用于向所述嵌入式計算 單元1提供列車當前的運行方向，前后檔位方向可從列車轉向器上獲得，列車轉向器是一個 單刀雙擲開關，輸出為開關信號，前進時，前進開關對應的信號為高電平;后退時，后退開關 對應的信號為高電平。
[0050] 所述隧道測繪數據單元5用于向所述嵌入式計算單元1提供隧道中和隧道口鐵道 的走向，其獲取的測繪數據為一組點坐標的集合和/或相鄰點間的距離，至少包括隧道口附 近至少100米的鐵軌走向和隧道內部的鐵軌走向；鐵軌走向W折線的方式表示，測繪數據為 一組點坐標的集合，折線中相鄰兩條線段的夾角不小于170%折線中每一條線段的長度不 超過50米。
[0051] 嵌入式計算單元1根據上述四個模塊提供的數據，利用幾何算法計算出列車在隧 道中的精確經締度。
[0052] 列車行駛過程中某一點經締度的計算方法，主要包括如下步驟：
[0053] Sl、計算列車在進隧道前最后一次成功定位的點P投影到折線上點Q的坐標(Jc， Wc);
[0054] S2、從定位的時刻點Ta到計算坐標的時刻Td，根據輪速脈沖傳感器和前后方向檔位 傳感器反饋的數據計算列車往前行進的距離D;
[0055] S3、W點Q為起點，沿著折線，往前行進的距離D的坐標就是在Td時刻列車的精確經 締度。
[0056] 請參閱圖2,由于衛星定位精度的問題，定位點不可能完全在折線上，所W需要求 出點P投影到折線上的點Q坐標(Jc，Wc)。
[0057] 設最后一次成功定位的點P經締度坐標為(Ja，Wa)，隧道測繪數據有i個點，i個點對 應的點集合坐標為(Xi~i，Yi~1)，點P投影到折線上的點Q坐標為(Je，We)，設列車行駛過程中A 點到D點的方向為進隧道方向，且A點的坐標為(Xi，Yi)，B點的坐標為(X2，Y2)，C點的坐標為 (乂3八3)，0點的坐標為^4，￥4)，線段48的斜率為
過P的與線段AB垂直的直線V斜 率
貝IJ:
[0化引 AB線段的方程可表示為:Y = k X X+Y廣k X Xi，
[0059] 直線V的方程可表示為:Y = ki X X+WA-ki X Ja，
[0060] 判斷點P的投影是否落在折線的某條線段上，只需判斷直線與線段是否有交點即 可，WAB兩點為例，判斷A點和B點分別在直線的兩側或在直線上即可，需滿足W下條件才能 確定相交：
[0061] Yi>klXXi+WA-klXjAAND Y2《klXX2+WA-klXJA或者
[0062] Y2 > k 1 X 拉+WA-k 1 X JaAND Yi《k 1 X Xi+WA-k 1 X Ja。
[0063] 投影點Q為線段AB與直線V的交點，其坐標應同時滿足兩個直線方程：
[0064]
[0(?日]將兩方程聯立，即可求出點Q的坐標(Jg，Wc)。
[0066] 若點P向兩條線段作垂線，交點都在線段上，則選擇垂直距離較短的線段為準。
[0067] 從Ta時刻開始，到Td時刻，根據輪速脈沖和前后檔位方向傳感器可W得到列車往前 行進的距離D，計算方法為：
[0068] 當前后方向檔位傳感器指示為"前"時，輪速脈沖傳感器輸出的一個脈沖代表列車 行進的距離Lm;當前后方向檔位傳感器指示為"后"時，輪速脈沖傳感器輸出的一個脈沖代 表列車行進的距離-Lm,從定位的時刻點Ta到計算坐標的時刻Td,每一個脈沖累加，即可得到 列車往前行進的距離D，其中，列車行進的距離Lm的算法為：
[0069] Lm= 2 X JT X R今 Ng,
[0070] R為車輪半徑，Ng為車輪旋轉一周對應的齒輪數。
[0071] W點Q為起點，沿著折線，往前距離D的坐標就是在Td時刻列車的精確經締度。
[0072] 如圖3所示，A到D的方向為進隧道方向，
[0073] 計算點Q與點B之間的距離Lqb是否大于D，
[0074] 若不是，再計算B點和C的距離Lbc，Lqb+Lbc是否大于D;
[0075] 若不是，再計算C點和D點的距離Lcd;
[0076] 若Lqb+Lb化cd〉D，說明目標點P落在C點和D點之間，則：
[0077] AL = Lqb+Lbc+Lcd-D；
[007引目標點的坐標(Jd，化)的計算方法：
[0079]
[0080]
[0081] 綜上，本發明利用安裝于列車轉向器上的前后方位檔位傳感器和輪速脈沖傳感 器，結合隧道測繪數據，不依賴移動通信基站的輔助定位，利用幾何算法即可計算列車在隧 道中的經締度，具有定位準確，不受列車在隧道中停留時間和移動基站信號強弱的影響，可 慣性導航，成本低廉的優點。
[0082] W上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明掲露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其 發明構思加 W等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種實現列車全路況精確定位的裝置，其特征在于，包括分別與嵌入式計算單元信 號連接的GNSS衛星定位模塊、輪速脈沖傳感器、前后方向檔位傳感器和隧道測繪數據單元， 其中： 所述GNSS衛星定位模塊用于向所述嵌入式計算單元提供列車在隧道外的定位和坐標 輸出； 所述輪速脈沖傳感器結合車輪半徑計算出車輪進行的距離并傳送至所述嵌入式計算 單元； 所述前后方向檔位傳感器用于向所述嵌入式計算單元提供列車當前的運行方向； 所述隧道測繪數據單元用于向所述嵌入式計算單元提供隧道中和隧道口鐵道的走向； 所述嵌入式計算單元根據上述四個模塊提供的數據，利用幾何算法計算出列車在隧道 中的精確經煒度。2. 根據權利要求1所述的一種實現列車全路況精確定位的裝置，其特征在于，所述輪速 脈沖傳感器采用非接觸式光電式轉速傳感器，向列車電氣控制系統提供與車輪轉數成比例 的電脈沖信號，并根據脈沖數計算出列車行進的距離。3. 根據權利要求1所述的一種實現列車全路況精確定位的裝置，其特征在于，所述前后 方向檔位傳感器安裝于所述列車的轉向器上。4. 根據權利要求1至3中任一項所述的一種實現列車全路況精確定位的裝置，其特征在 于，所述隧道測繪數據單元獲取的測繪數據為一組點坐標的集合和/或相鄰點間的距離，所 述測繪數據至少包括隧道口附近至少100米的鐵軌走向和隧道內部的鐵軌走向。5. 根據權利要求4所述的一種實現列車全路況精確定位的裝置，其特征在于，鐵軌走向 以折線的方式表示，測繪數據為一組點坐標的集合，折線中相鄰兩條線段的夾角不小于 170°，折線中每一條線段的長度不超過50米。6. -種經煒度的計算方法，基于如權利要求1至權利要求5所述的實現列車全路況精確 定位的裝置，其特征在于，包括如下步驟： 51、 計算列車在進隧道前最后一次成功定位的點P投影到折線上點Q的坐標(JC，WC); 52、 從定位的時刻點Ta到計算坐標的時刻TD，根據輪速脈沖傳感器和前后方向檔位傳感 器反饋的數據計算列車往前行進的距離D; 53、 以點Q為起點，沿著折線，往前行進的距離D的坐標就是在Td時刻列車的精確經煒度。7. 根據權利要求6所述的一種經煒度的計算方法，其特征在于，當前后方向檔位傳感器 指示為"前"時，輪速脈沖傳感器輸出的一個脈沖代表列車行進的距離U;當前后方向檔位 傳感器指示為"后"時，輪速脈沖傳感器輸出的一個脈沖代表列車行進的距離-L m，從定位的 時刻點Ta到計算坐標的時刻TD，每一個脈沖累加，即可得到列車往前行進的距離D，其中，列 車行進的距離L mS: Lm=2 XjiXR-I-Ng R為車輪半徑，Ng為車輪旋轉一周對應的齒輪數。8. 根據權利要求7所述的一種經煒度的計算方法，其特征在于，最后一次成功定位的點 P經煒度坐標為(Ja，Wa)，隧道測繪數據有i個點，i個點對應的點集合坐標為(Xhi，Yhi)，點P 投影到折線上的點Q坐標為(Jc，Wc)，設列車行駛過程中A點到D點的方向為進隧道方向，且A 點的坐標為(Xi，Yi)，B點的坐標為(X2，Y2)，C點的坐標為(X3，Y 3)，D點的坐標為(X4，Y4)，線段 AB的斜率為：過P的與線段AB垂直的直線V斜〗貝1J: AB線段的方程可表示為:Y = k X X+Yrk X X1， 直線V的方程可表示為:Y = Iu X X+Wa-1u X Ja， 投影點Q為線段AB與直線V的交點，其坐標應同時滿足兩個直線方程：兩方程聯立，即可求出點Q的坐標(Jc, Wc)。9. 根據權利要求8所述的一種經煒度的計算方法，其特征在于，所述步驟Sl中，判斷點P 的投影是否落在折線的某條線段上的依據必須滿足： Yi彡kl XXi+WA-kl X JaAND Y2彡kl XX2+WA_kl X Ja或者 Y2 彡 kI X X2+WA_kI X JaAND Yi 彡kI X Xi+WA-kI X Ja〇10. 根據權利要求6至9中任一項所述的一種經煒度的計算方法，其特征在于，所述步驟 S3中，計算點Q與點B之間的距離Lqb是否大于D， 若不是，再計算B點和C的距i^Lb(；，Uib+Lb(；是否大于D; 若不是，再計算C點和D點的距離Lcd; 若Lqb+Lbc+Lcd>D，說明目標點P落在C點和D點之間，則： Δ L = Lqb+Lbc+Lcd_D； 目標點的坐標(Jd，Wd )的計算方法：
【文檔編號】G01S19/48GK106019349SQ201610471607
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月24日
【發明人】李挺, 何志國
【申請人】株洲太昌電子信息技術股份有限公司