基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法
【专利摘要】本发明提供一种基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法，系统包括GPS卫星和北斗卫星，设置于轨道上的轨道定位设备以及设置于列车上的北斗-GPS双模接收机和车载计算机，列控中心以及在轨道定位设备正常时与列车实现双向通信的GSM-R无线网络，在列车正常运行时本系统可协同轨道定位系统提供更精准的定位信息，在轨道定位设备失效的情况下本系统为列车提供北斗-GPS双模定位信息，并利用北斗的双向通信功能不依靠任何地面通信设备与列车实现通信，在危机情况下对列车进行自动减速乃至刹车确保列车系统正常运行作为列车的最后保护屏障，在确保列车定位信息可靠性的基础上提高了列车的安全性。
【专利说明】基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及列车的辅助防护，具体涉及一种基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法。
【背景技术】
[0002]输送流动人口和各种物资资源的不平衡分布对我国的铁路运输提出了严峻的考验，铁路的安全运行显然是保证运输可靠性至关重要的因素。中国列车控制系统(CTCS)划分四个等级，目前广泛应用的是CTCS-2和CTCS-3。CTCS-2通过轨道电路检查轨道占用情况，并传送列控中心向列车发出的行车许可等信息；通过应答器告知列车线路信息，并传送列控中心发出的临时限速等信息。CTCS-3通过轨道电路检查轨道占用情况；通过应答器向列车传送定位信息；通过GSM-R无线网络实现列车与列控中心的双向通信。两种列控系统定位方式都依赖于地面设施，在极端恶劣的情况下可能会出现设备故障，出现错误的定位信号，造成安全隐患。
[0003]相比之下，北斗导航系统具有不依赖于地面设备定位，定位稳定性高，不易受天气，人为等因素的破坏的优点，可以为列车提供更加安全稳定的运行条件。同时北斗导航系统还具有双向通信功能，可以为列车和列控中心提供一条新的通信通道，作为特殊情况下通信的可靠保障。因此基于北斗导航系统设计一套独立于现有系统的辅助列车安全防护装置，对进一步提高列车运行的安全性具有重要意义。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供一种基于北斗导航的辅助列车防护系统及方法，在列车正常运行时协同原列车定位系统提供更精准的定位信息，在轨道定位设备失效的极端情况下为列车提供北斗-GPS双模定位信息并利用北斗的双向通信功能，有效防止了现有列车定位和通信系统在极端恶劣环境下发生故障可能导致的列车安全隐患。
[0005]本发明采用的技术方案具体为:一种基于北斗导航的辅助列车防护系统，包括设置于轨道上的轨道定位设备和设置于列车上的北斗-GPS双模接收机，所述轨道定位设备用于轨道信息系统正常时对列车进行轨道定位，生成列车轨道定位信息；所述北斗-GPS双模接收机在轨道信息系统正常和失效时均用于接收GPS卫星和北斗卫星对列车进行定位，生成双模定位信息。
[0006]车载计算机用于对所述轨道定位信息和双模定位信息进行比对，在轨道定位设备正常时对所述轨道定位和双模定位进行融合计算，将生成的更为精确的融合信息传送给列控中心。
[0007]所述列控中心在轨道定位设备正常时通过GSM-R无线通信与列车进行双向通信，综合分析多方列车的运行信息，向列车发出命令信息；所述列控中心在轨道定位设备失效时通过北斗短报文与列车进行双向通信。
[0008]一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，首先将基于北斗星导航系统和轨道定位信号系统的定位信息进行比较:
[0009]若两种系统得出的定位信息匹配，则表明轨道定位设备正常，此时对所述两种定位信息进行信息融合，得到更精确的列车定位信息，该种情况下，列车和列控中心通过GSM-R无线网络进行双向通信，实现对列车的正常的调度；
[0010]若两种系统得出的定位信息不匹配，则表明轨道定位设备失效，此时列车与列控中心脱离GSM-R无线网络，利用北斗卫星北斗短报文进行双向通信，对列车进行控制并在紧急情况下对列车进行制动。
[0011]在轨道定位设备正常运行时可协同原列车定位系统提供更精准的定位信息；在轨道定位设备失效的情况下为列车提供北斗-GPS双模定位信息；在危机情况下对列车进行自动减速乃至刹车，作为列车的最后保护屏障，具体包含以下步骤:
[0012]步骤1、信息比对；列车将获取的来自轨道定位设备的轨道定位信息和北斗-GPS双模接收机的双模定位信息进行比较，如果信息在允许误差之内则认为轨道定位设备正常，如果信息超过允许误差则认为轨道定位设备失效，同时通过北斗短报文告知列控中心以便及时采取修理措施；
[0013]步骤2、信息处理；如果所述信息比对的结果为轨道定位设备正常，则将两种位置信息进行信息融合，得到更精确的列车运行信息；如果结果为轨道定位设备失效，则丢弃轨道定位信息，将双模定位信息作为列车运行状态的信息；
[0014]步骤3、信息传递；在轨道定位设备正常的情况下，实时列车运行状态信息通过GSM-R无线通信传送给列控中心；在轨道定位设备失效的情况下，利用北斗短报文功能将实时列车运行状态信息以及轨道故障信息一并传送给列控中心；
[0015]步骤4、控制运行；列控中心对获取的列车运行状态信息进行综合分析，判断列车是否处于安全运行状态，在轨道定位设备正常的情况下通过GSM-R无线网络、在轨道定位设备失效的情况下通过北斗短报文传送给列车，发出调度指令，维持列车的正常运行；
[0016]步骤5、紧急制动；在极端危急情况下，当列控中心检测到前后相邻的两列车之间的距离d小于安全值S时，列车通过北斗短报文与所述列控中心进行双向通信，前方列车向后方列车发出紧急制动指令，所述车载计算机根据获取的包括前、后方列车的距离、自身列车的速度信息以及线路状况的信息计算出后方列车的所需的制动曲线，采取紧急制动措施。
[0017]所述步骤I的允许误差的具体计算过程为:记录每20次轨道定位位置和北
斗-GPS双模定位位置的差值A X1, A X2,…A X20并求其均值
【权利要求】
1.一种基于北斗导航的辅助列车防护系统，其特征在于，包括设置于轨道上的轨道定位设备和设置于列车上的北斗-GPS双模接收机，所述轨道定位设备用于轨道信息系统正常时对列车进行轨道定位，生成列车轨道定位信息；所述北斗-GPS双模接收机在轨道信息系统正常和失效时均用于接收GPS卫星和北斗卫星对列车进行定位，生成双模定位信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护系统，其特征在于，车载计算机用于对所述轨道定位信息和双模定位信息进行比对，在轨道定位设备正常时对所述轨道定位和双模定位进行融合计算，将生成的更为精确的融合信息传送给列控中心。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护系统，其特征在于，所述列控中心在轨道定位设备正常时通过GSM-R无线通信与列车进行双向通信，综合分析多方列车的运行信息，向列车发出命令信息；所述列控中心在轨道定位设备失效时通过北斗短报文与列车进行双向通信。
4.一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，首先将基于北斗星导航系统和轨道定位信号系统的定位信息进行比较: 若两种系统得出的定位信息匹配，则表明轨道定位设备正常，此时对所述两种定位信息进行信息融合，得到更精确的列车 定位信息，该种情况下，列车和列控中心通过GSM-R无线网络进行双向通信，实现对列车的正常的调度； 上述的信息融合包括对列车3的速度信息的融合和位置信息的融合；其中，列车3获取的速度信息来源包括设置于列车3上的北斗-GPS双模接收机、车轮脉冲测速传感器和雷达测速等，作为一种较佳实施例，上述的速度信息的融合采用联邦卡尔曼滤波算法，以脉冲测速信息作为公共参考信息，经各个子滤波器分别滤波后将信息送入主滤波器，和主滤波器的估计值一起融合得到全局最优估计；CTCS-3以地面应答器收到的位置信息为基准，通过测速单元等设备测量列车运行距离来获得列车位置，将这两种方式获取的定位信息用卡尔曼滤波的方式进行融合，得到更精准的定位信息； 若两种系统得出的定位信息不匹配，则表明轨道定位设备失效，此时列车与列控中心脱离GSM-R无线网络，利用北斗卫星北斗短报文进行双向通信，对列车进行控制并在紧急情况下对列车进行制动。
5.根据权利要求4所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，在轨道定位设备正常运行时可协同原列车定位系统提供更精准的定位信息；在轨道定位设备失效的情况下为列车提供北斗-GPS双模定位信息；在危机情况下对列车进行自动减速乃至刹车，作为列车的最后保护屏障，具体包含以下步骤: 步骤1、信息比对；列车将获取的来自轨道定位设备的轨道定位信息和北斗-GPS双模接收机的双模定位信息进行比较，如果信息在允许误差之内则认为轨道定位设备正常，如果信息超过允许误差则认为轨道定位设备失效，同时通过北斗短报文告知列控中心以便及时采取修理措施； 步骤2、信息处理；如果所述信息比对的结果为轨道定位设备正常，则将两种位置信息进行信息融合，得到更精确的列车运行信息；如果结果为轨道定位设备失效，则丢弃轨道定位信息，将双模定位信息作为列车运行状态的信息； 步骤3、信息传递；在轨道定位设备正常的情况下，实时列车运行状态信息通过GSM-R无线通信传送给列控中心；在轨道定位设备失效的情况下，利用北斗短报文功能将实时列车运行状态信息以及轨道故障信息一并传送给列控中心； 步骤4、控制运行；列控中心对获取的列车运行状态信息进行综合分析，判断列车是否处于安全运行状态，在轨道定位设备正常的情况下通过GSM-R无线网络、在轨道定位设备失效的情况下通过北斗短报文传送给列车，发出调度指令，维持列车的正常运行； 步骤5、紧急制动；在极端危急情况下，当列控中心检测到前后相邻的两列车之间的距离d小于安全值S时，列车通过北斗短报文与所述列控中心进行双向通信，列控中心向后方列车发出紧急制动指令，所述车载计算机根据获取的包括前、后方列车的距离、自身列车的速度信息以及线路状况的信息计算出后方列车的所需的制动曲线，采取紧急制动措施。
6.根据权利要求5所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，所述步骤I的允许误差的具体计算过程为:记录每20次轨道定位位置和北斗-GPS双模定位位置的差值AXl，Ax2,…A X2tl并求其均值
7.根据权利要求6所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，
8.根据权利要求5所述的一种基于北斗导航的辅助列车防护方法，其特征在于，所述步骤5中极端危险的判别方法为:设lngl、lng2分别表示前、后方列车的经度，IatU lat2分别表示前、后方列车的纬度，则列控中心某时刻收到的前方列车位置信息为(lngl, Iatl)，后方列车的位置信息(lng2, lat2)，通过公式0 /180将角度制化为弧度制位置信息(radlngl, radlatl)和(radlng2, radlat2),然后将所述前、后方列车的弧度制位置信息代入经纬度距离转换公式
【文档编号】G01S19/48GK103770808SQ201410038314
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】陈圆圆, 杨乾丽, 诸斐琴 申请人:北京交通大学