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基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括GPS衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星，設(shè)置于軌道上的軌道定位設(shè)備以及設(shè)置于列車上的北斗-GPS雙模接收機(jī)和車載計(jì)算機(jī)，列控中心以及在軌道定位設(shè)備正常時(shí)與列車實(shí)現(xiàn)雙向通信的GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)，在列車正常運(yùn)行時(shí)本系統(tǒng)可協(xié)同軌道定位系統(tǒng)提供更精準(zhǔn)的定位信息，在軌道定位設(shè)備失效的情況下本系統(tǒng)為列車提供北斗-GPS雙模定位信息，并利用北斗的雙向通信功能不依靠任何地面通信設(shè)備與列車實(shí)現(xiàn)通信，在危機(jī)情況下對列車進(jìn)行自動(dòng)減速乃至剎車確保列車系統(tǒng)正常運(yùn)行作為列車的最后保護(hù)屏障，在確保列車定位信息可靠性的基礎(chǔ)上提高了列車的安全性。
【專利說明】基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及列車的輔助防護(hù)，具體涉及一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]輸送流動(dòng)人口和各種物資資源的不平衡分布對我國的鐵路運(yùn)輸提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，鐵路的安全運(yùn)行顯然是保證運(yùn)輸可靠性至關(guān)重要的因素。中國列車控制系統(tǒng)(CTCS)劃分四個(gè)等級，目前廣泛應(yīng)用的是CTCS-2和CTCS-3。CTCS-2通過軌道電路檢查軌道占用情況，并傳送列控中心向列車發(fā)出的行車許可等信息；通過應(yīng)答器告知列車線路信息，并傳送列控中心發(fā)出的臨時(shí)限速等信息。CTCS-3通過軌道電路檢查軌道占用情況；通過應(yīng)答器向列車傳送定位信息；通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)列車與列控中心的雙向通信。兩種列控系統(tǒng)定位方式都依賴于地面設(shè)施，在極端惡劣的情況下可能會(huì)出現(xiàn)設(shè)備故障，出現(xiàn)錯(cuò)誤的定位信號，造成安全隱患。
[0003]相比之下，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有不依賴于地面設(shè)備定位，定位穩(wěn)定性高，不易受天氣，人為等因素的破壞的優(yōu)點(diǎn)，可以為列車提供更加安全穩(wěn)定的運(yùn)行條件。同時(shí)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)還具有雙向通信功能，可以為列車和列控中心提供一條新的通信通道，作為特殊情況下通信的可靠保障。因此基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套獨(dú)立于現(xiàn)有系統(tǒng)的輔助列車安全防護(hù)裝置，對進(jìn)一步提高列車運(yùn)行的安全性具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明提供一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)系統(tǒng)及方法，在列車正常運(yùn)行時(shí)協(xié)同原列車定位系統(tǒng)提供更精準(zhǔn)的定位信息，在軌道定位設(shè)備失效的極端情況下為列車提供北斗-GPS雙模定位信息并利用北斗的雙向通信功能，有效防止了現(xiàn)有列車定位和通信系統(tǒng)在極端惡劣環(huán)境下發(fā)生故障可能導(dǎo)致的列車安全隱患。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體為:一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)系統(tǒng)，包括設(shè)置于軌道上的軌道定位設(shè)備和設(shè)置于列車上的北斗-GPS雙模接收機(jī)，所述軌道定位設(shè)備用于軌道信息系統(tǒng)正常時(shí)對列車進(jìn)行軌道定位，生成列車軌道定位信息；所述北斗-GPS雙模接收機(jī)在軌道信息系統(tǒng)正常和失效時(shí)均用于接收GPS衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星對列車進(jìn)行定位，生成雙模定位信息。
[0006]車載計(jì)算機(jī)用于對所述軌道定位信息和雙模定位信息進(jìn)行比對，在軌道定位設(shè)備正常時(shí)對所述軌道定位和雙模定位進(jìn)行融合計(jì)算，將生成的更為精確的融合信息傳送給列控中心。
[0007]所述列控中心在軌道定位設(shè)備正常時(shí)通過GSM-R無線通信與列車進(jìn)行雙向通信，綜合分析多方列車的運(yùn)行信息，向列車發(fā)出命令信息；所述列控中心在軌道定位設(shè)備失效時(shí)通過北斗短報(bào)文與列車進(jìn)行雙向通信。
[0008]一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)方法，其特征在于，首先將基于北斗星導(dǎo)航系統(tǒng)和軌道定位信號系統(tǒng)的定位信息進(jìn)行比較:
[0009]若兩種系統(tǒng)得出的定位信息匹配，則表明軌道定位設(shè)備正常，此時(shí)對所述兩種定位信息進(jìn)行信息融合，得到更精確的列車定位信息，該種情況下，列車和列控中心通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)對列車的正常的調(diào)度；
[0010]若兩種系統(tǒng)得出的定位信息不匹配，則表明軌道定位設(shè)備失效，此時(shí)列車與列控中心脫離GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)，利用北斗衛(wèi)星北斗短報(bào)文進(jìn)行雙向通信，對列車進(jìn)行控制并在緊急情況下對列車進(jìn)行制動(dòng)。
[0011]在軌道定位設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)可協(xié)同原列車定位系統(tǒng)提供更精準(zhǔn)的定位信息；在軌道定位設(shè)備失效的情況下為列車提供北斗-GPS雙模定位信息；在危機(jī)情況下對列車進(jìn)行自動(dòng)減速乃至剎車，作為列車的最后保護(hù)屏障，具體包含以下步驟:
[0012]步驟1、信息比對；列車將獲取的來自軌道定位設(shè)備的軌道定位信息和北斗-GPS雙模接收機(jī)的雙模定位信息進(jìn)行比較，如果信息在允許誤差之內(nèi)則認(rèn)為軌道定位設(shè)備正常，如果信息超過允許誤差則認(rèn)為軌道定位設(shè)備失效，同時(shí)通過北斗短報(bào)文告知列控中心以便及時(shí)采取修理措施；
[0013]步驟2、信息處理；如果所述信息比對的結(jié)果為軌道定位設(shè)備正常，則將兩種位置信息進(jìn)行信息融合，得到更精確的列車運(yùn)行信息；如果結(jié)果為軌道定位設(shè)備失效，則丟棄軌道定位信息，將雙模定位信息作為列車運(yùn)行狀態(tài)的信息；
[0014]步驟3、信息傳遞；在軌道定位設(shè)備正常的情況下，實(shí)時(shí)列車運(yùn)行狀態(tài)信息通過GSM-R無線通信傳送給列控中心；在軌道定位設(shè)備失效的情況下，利用北斗短報(bào)文功能將實(shí)時(shí)列車運(yùn)行狀態(tài)信息以及軌道故障信息一并傳送給列控中心；
[0015]步驟4、控制運(yùn)行；列控中心對獲取的列車運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析，判斷列車是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)，在軌道定位設(shè)備正常的情況下通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)、在軌道定位設(shè)備失效的情況下通過北斗短報(bào)文傳送給列車，發(fā)出調(diào)度指令，維持列車的正常運(yùn)行；
[0016]步驟5、緊急制動(dòng)；在極端危急情況下，當(dāng)列控中心檢測到前后相鄰的兩列車之間的距離d小于安全值S時(shí)，列車通過北斗短報(bào)文與所述列控中心進(jìn)行雙向通信，前方列車向后方列車發(fā)出緊急制動(dòng)指令，所述車載計(jì)算機(jī)根據(jù)獲取的包括前、后方列車的距離、自身列車的速度信息以及線路狀況的信息計(jì)算出后方列車的所需的制動(dòng)曲線，采取緊急制動(dòng)措施。
[0017]所述步驟I的允許誤差的具體計(jì)算過程為:記錄每20次軌道定位位置和北
斗-GPS雙模定位位置的差值A(chǔ) X1, A X2,…A X20并求其均值
【權(quán)利要求】
1.一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置于軌道上的軌道定位設(shè)備和設(shè)置于列車上的北斗-GPS雙模接收機(jī)，所述軌道定位設(shè)備用于軌道信息系統(tǒng)正常時(shí)對列車進(jìn)行軌道定位，生成列車軌道定位信息；所述北斗-GPS雙模接收機(jī)在軌道信息系統(tǒng)正常和失效時(shí)均用于接收GPS衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星對列車進(jìn)行定位，生成雙模定位信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，車載計(jì)算機(jī)用于對所述軌道定位信息和雙模定位信息進(jìn)行比對，在軌道定位設(shè)備正常時(shí)對所述軌道定位和雙模定位進(jìn)行融合計(jì)算，將生成的更為精確的融合信息傳送給列控中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述列控中心在軌道定位設(shè)備正常時(shí)通過GSM-R無線通信與列車進(jìn)行雙向通信，綜合分析多方列車的運(yùn)行信息，向列車發(fā)出命令信息；所述列控中心在軌道定位設(shè)備失效時(shí)通過北斗短報(bào)文與列車進(jìn)行雙向通信。
4.一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)方法，其特征在于，首先將基于北斗星導(dǎo)航系統(tǒng)和軌道定位信號系統(tǒng)的定位信息進(jìn)行比較: 若兩種系統(tǒng)得出的定位信息匹配，則表明軌道定位設(shè)備正常，此時(shí)對所述兩種定位信息進(jìn)行信息融合，得到更精確的列車 定位信息，該種情況下，列車和列控中心通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)對列車的正常的調(diào)度； 上述的信息融合包括對列車3的速度信息的融合和位置信息的融合；其中，列車3獲取的速度信息來源包括設(shè)置于列車3上的北斗-GPS雙模接收機(jī)、車輪脈沖測速傳感器和雷達(dá)測速等，作為一種較佳實(shí)施例，上述的速度信息的融合采用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法，以脈沖測速信息作為公共參考信息，經(jīng)各個(gè)子濾波器分別濾波后將信息送入主濾波器，和主濾波器的估計(jì)值一起融合得到全局最優(yōu)估計(jì)；CTCS-3以地面應(yīng)答器收到的位置信息為基準(zhǔn)，通過測速單元等設(shè)備測量列車運(yùn)行距離來獲得列車位置，將這兩種方式獲取的定位信息用卡爾曼濾波的方式進(jìn)行融合，得到更精準(zhǔn)的定位信息； 若兩種系統(tǒng)得出的定位信息不匹配，則表明軌道定位設(shè)備失效，此時(shí)列車與列控中心脫離GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)，利用北斗衛(wèi)星北斗短報(bào)文進(jìn)行雙向通信，對列車進(jìn)行控制并在緊急情況下對列車進(jìn)行制動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)方法，其特征在于，在軌道定位設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)可協(xié)同原列車定位系統(tǒng)提供更精準(zhǔn)的定位信息；在軌道定位設(shè)備失效的情況下為列車提供北斗-GPS雙模定位信息；在危機(jī)情況下對列車進(jìn)行自動(dòng)減速乃至剎車，作為列車的最后保護(hù)屏障，具體包含以下步驟: 步驟1、信息比對；列車將獲取的來自軌道定位設(shè)備的軌道定位信息和北斗-GPS雙模接收機(jī)的雙模定位信息進(jìn)行比較，如果信息在允許誤差之內(nèi)則認(rèn)為軌道定位設(shè)備正常，如果信息超過允許誤差則認(rèn)為軌道定位設(shè)備失效，同時(shí)通過北斗短報(bào)文告知列控中心以便及時(shí)采取修理措施； 步驟2、信息處理；如果所述信息比對的結(jié)果為軌道定位設(shè)備正常，則將兩種位置信息進(jìn)行信息融合，得到更精確的列車運(yùn)行信息；如果結(jié)果為軌道定位設(shè)備失效，則丟棄軌道定位信息，將雙模定位信息作為列車運(yùn)行狀態(tài)的信息； 步驟3、信息傳遞；在軌道定位設(shè)備正常的情況下，實(shí)時(shí)列車運(yùn)行狀態(tài)信息通過GSM-R無線通信傳送給列控中心；在軌道定位設(shè)備失效的情況下，利用北斗短報(bào)文功能將實(shí)時(shí)列車運(yùn)行狀態(tài)信息以及軌道故障信息一并傳送給列控中心； 步驟4、控制運(yùn)行；列控中心對獲取的列車運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析，判斷列車是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)，在軌道定位設(shè)備正常的情況下通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)、在軌道定位設(shè)備失效的情況下通過北斗短報(bào)文傳送給列車，發(fā)出調(diào)度指令，維持列車的正常運(yùn)行； 步驟5、緊急制動(dòng)；在極端危急情況下，當(dāng)列控中心檢測到前后相鄰的兩列車之間的距離d小于安全值S時(shí)，列車通過北斗短報(bào)文與所述列控中心進(jìn)行雙向通信，列控中心向后方列車發(fā)出緊急制動(dòng)指令，所述車載計(jì)算機(jī)根據(jù)獲取的包括前、后方列車的距離、自身列車的速度信息以及線路狀況的信息計(jì)算出后方列車的所需的制動(dòng)曲線，采取緊急制動(dòng)措施。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)方法，其特征在于，所述步驟I的允許誤差的具體計(jì)算過程為:記錄每20次軌道定位位置和北斗-GPS雙模定位位置的差值A(chǔ)Xl，Ax2,…A X2tl并求其均值
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)方法，其特征在于，
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于北斗導(dǎo)航的輔助列車防護(hù)方法，其特征在于，所述步驟5中極端危險(xiǎn)的判別方法為:設(shè)lngl、lng2分別表示前、后方列車的經(jīng)度，IatU lat2分別表示前、后方列車的緯度，則列控中心某時(shí)刻收到的前方列車位置信息為(lngl, Iatl)，后方列車的位置信息(lng2, lat2)，通過公式0 /180將角度制化為弧度制位置信息(radlngl, radlatl)和(radlng2, radlat2),然后將所述前、后方列車的弧度制位置信息代入經(jīng)緯度距離轉(zhuǎn)換公式
【文檔編號】G01S19/48GK103770808SQ201410038314
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】陳圓圓, 楊乾麗, 諸斐琴 申請人:北京交通大學(xué)