一種實現(xiàn)列車全路況精確定位的裝置及經(jīng)緯度的計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)列車全路況精確定位的裝置及經(jīng)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(wèi)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(shù)據(jù)單元，嵌入式計算單元根據(jù)上述四個模塊提供的數(shù)據(jù)，利用幾何算法計算出列車在隧道中的精確經(jīng)緯度。本發(fā)明利用安裝于列車轉(zhuǎn)向器上的前后方位檔位傳感器和輪速脈沖傳感器，結(jié)合隧道測繪數(shù)據(jù)，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(jīng)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(yōu)點。
【專利說明】
-種實現(xiàn)列車全路況精確定位的裝置及經(jīng)純度的計算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種定位裝置，尤其設(shè)及一種實現(xiàn)列車全路況精確定位的裝置及經(jīng)締 度的計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于衛(wèi)星的定位裝置，不論GPS還是北斗，都必須在有足夠可見衛(wèi)星的前提下才能 實現(xiàn)定位。如果在完全沒有可見衛(wèi)星的環(huán)境下，比如隧道中，衛(wèi)星定位就會完全失效。
[0003] 現(xiàn)在也有部分技術(shù)可W實現(xiàn)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(xiàn)定位。運也是大多數(shù)廠家的慣性導航實現(xiàn)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(chǎn)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(shù)十米甚 至上百米;其次，該方式只適合在城市環(huán)境下使用，而鐵路的環(huán)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(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種使用隧道測繪數(shù)據(jù)，結(jié)合輪速傳感器 和前后方向檔位傳感器，可W實現(xiàn)列車全路況精確定位的裝置及經(jīng)締度的計算方法，W解 決列車定位在隧道中的盲區(qū)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(fā)明第一方面提供一種實現(xiàn)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(wèi)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(shù)據(jù)單元；
[000引所述GNSS衛(wèi)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(jié)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(shù)據(jù)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(jù)上述四個模塊提供的數(shù)據(jù)，利用幾何算法計算出列車在 隧道中的精確經(jīng)締度。
[0013] 優(yōu)選地，所述輪速脈沖傳感器采用非接觸式光電式轉(zhuǎn)速傳感器，向列車電氣控制 系統(tǒng)提供與車輪轉(zhuǎn)數(shù)成比例的電脈沖信號，并根據(jù)脈沖數(shù)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(zhuǎn)向器上。
[0015] 進一步地，所述隧道測繪數(shù)據(jù)單元獲取的測繪數(shù)據(jù)為一組點坐標的集合和/或相 鄰點間的距離，所述測繪數(shù)據(jù)至少包括隧道口附近至少100米的鐵軌走向和隧道內(nèi)部的鐵 軌走向。
[0016] 優(yōu)選地，鐵軌走向W折線的方式表示，測繪數(shù)據(jù)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(fā)明第二方面提供一種經(jīng)締度的計算方法，基于上述實現(xiàn)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(jù)輪速脈沖傳感器和前后方向檔位 傳感器反饋的數(shù)據(jù)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(jīng) 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(zhuǎn)一周對應(yīng)的齒輪數(shù)。
[0024] 設(shè)最后一次成功定位的點P經(jīng)締度坐標為(Ja，Wa)，隧道測繪數(shù)據(jù)有i個點，i個點對 應(yīng)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(shè)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(guān)
，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(yīng)同時滿足兩個直線方程：
[002引
[0029] 將兩方程聯(lián)立，即可求出點Q的坐標(Jc, Wc)。
[0030] 優(yōu)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(jù)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(yōu)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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用安裝于列車轉(zhuǎn)向器上的前后方位 檔位傳感器和輪速脈沖傳感器，結(jié)合隧道測繪數(shù)據(jù)，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(jīng)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(yōu)點。
【附圖說明】
[0042] 圖1為本發(fā)明提供的一種實現(xiàn)列車全路況精確定位的裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0043] 圖2為計算坐標點到折線的投影坐標對應(yīng)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(yīng)的折線示意圖。
【具體實施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳述。
[0046] 請參閱圖1，本發(fā)明提供一種實現(xiàn)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(wèi)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(shù)據(jù)單元5。
[0047] 所述GNSS衛(wèi)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(jié)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(zhuǎn)速傳感器，向列車電氣控制系統(tǒng)提供與車輪轉(zhuǎn)數(shù)成比 例的電脈沖信號，根據(jù)脈沖數(shù)計算出列車行進的距離，其準確度由齒輪數(shù)和車輪半徑?jīng)Q定。
[0049] 所述前后方向檔位傳感器4安裝于所述列車的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向器上獲得，列車轉(zhuǎn)向器是一個 單刀雙擲開關(guān)，輸出為開關(guān)信號，前進時，前進開關(guān)對應(yīng)的信號為高電平;后退時，后退開關(guān) 對應(yīng)的信號為高電平。
[0050] 所述隧道測繪數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)部的鐵軌走向；鐵軌走向W折線的方式表示，測繪數(shù)據(jù)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(jù)上述四個模塊提供的數(shù)據(jù)，利用幾何算法計算出列車在隧 道中的精確經(jīng)締度。
[0052] 列車行駛過程中某一點經(jīng)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(jù)輪速脈沖傳感器和前后方向檔位 傳感器反饋的數(shù)據(jù)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(jīng) 締度。
[0056] 請參閱圖2,由于衛(wèi)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(shè)最后一次成功定位的點P經(jīng)締度坐標為(Ja，Wa)，隧道測繪數(shù)據(jù)有i個點，i個點對 應(yīng)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(shè)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(cè)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(yīng)同時滿足兩個直線方程：
[0064]
[0(?日]將兩方程聯(lián)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(jù)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(zhuǎn)一周對應(yīng)的齒輪數(shù)。
[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(jīng)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(fā)明利用安裝于列車轉(zhuǎn)向器上的前后方位檔位傳感器和輪速脈沖傳感 器，結(jié)合隧道測繪數(shù)據(jù)，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(jīng)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(yōu)點。
[0082] W上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明掲露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其 發(fā)明構(gòu)思加 W等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種實現(xiàn)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(wèi)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(shù)據(jù)單元， 其中： 所述GNSS衛(wèi)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(jié)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(shù)據(jù)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(jù)上述四個模塊提供的數(shù)據(jù)，利用幾何算法計算出列車在隧道 中的精確經(jīng)煒度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)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(zhuǎn)速傳感器，向列車電氣控制系統(tǒng)提供與車輪轉(zhuǎn)數(shù)成比例 的電脈沖信號，并根據(jù)脈沖數(shù)計算出列車行進的距離。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)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(zhuǎn)向器上。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的一種實現(xiàn)列車全路況精確定位的裝置，其特征在 于，所述隧道測繪數(shù)據(jù)單元獲取的測繪數(shù)據(jù)為一組點坐標的集合和/或相鄰點間的距離，所 述測繪數(shù)據(jù)至少包括隧道口附近至少100米的鐵軌走向和隧道內(nèi)部的鐵軌走向。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jīng)煒度的計算方法，基于如權(quán)利要求1至權(quán)利要求5所述的實現(xiàn)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(jù)輪速脈沖傳感器和前后方向檔位傳感 器反饋的數(shù)據(jù)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(jīng)煒度。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種經(jīng)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(zhuǎn)一周對應(yīng)的齒輪數(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種經(jīng)煒度的計算方法，其特征在于，最后一次成功定位的點 P經(jīng)煒度坐標為(Ja，Wa)，隧道測繪數(shù)據(jù)有i個點，i個點對應(yīng)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(shè)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(yīng)同時滿足兩個直線方程：兩方程聯(lián)立，即可求出點Q的坐標(Jc, Wc)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種經(jīng)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(jù)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(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的一種經(jīng)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(fā)明人】李挺, 何志國
【申請人】株洲太昌電子信息技術(shù)股份有限公司