基于電子地圖和衛(wèi)星定位的列控技術(shù)研究
2022-12-26 12:29:44李瑩瑩
鐵路通信信號工程技術(shù) 2022年12期
李瑩瑩，張 浩
（1．北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070）
1 概述
衛(wèi)星定位技術(shù)是下一代列控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，衛(wèi)星定位技術(shù)的應(yīng)用可以減少用于輔助列車定位的地面應(yīng)答器等軌旁設(shè)備的部署數(shù)量，節(jié)省系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)成本?；谛l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的列車定位，需在列車上部署衛(wèi)星天線及衛(wèi)星接收設(shè)備，用于衛(wèi)星信號的接收，從而實(shí)時獲取列車所在位置的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)?；诂F(xiàn)場勘測線路關(guān)鍵點(diǎn)的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)和列控系統(tǒng)運(yùn)行所需的信號相關(guān)線路數(shù)據(jù)，編制線路的電子地圖，在線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)的應(yīng)答器、道岔的數(shù)據(jù)描述語言，將衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)與列控?cái)?shù)據(jù)描述成有機(jī)的整體。結(jié)合線路的電子地圖信息，將衛(wèi)星定位的經(jīng)緯度和高程三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一維軌道位置信息（軌道映射），進(jìn)而獲取列車所在軌道線路上的位置，即將三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為列控系統(tǒng)傳統(tǒng)的一維坐標(biāo)。然而，由于衛(wèi)星定位精確度和算法復(fù)雜度的限制，在算法設(shè)計(jì)上，應(yīng)在保持定位精確度的基礎(chǔ)上采用更加簡便快捷的計(jì)算方案，以滿足列車安全高效運(yùn)行對列車定位的性能指標(biāo)要求。在復(fù)線和站內(nèi)復(fù)雜的線路上，還需要結(jié)合其他定位手段輔助完成復(fù)雜場景下的列車安全定位功能，以提高列車安全定位的環(huán)境適應(yīng)性。
因此，本文主要針對衛(wèi)星定位在列車安全定位和線路數(shù)據(jù)獲取方面的特性進(jìn)行分析，提出高效便捷的列車安全定位算法，并結(jié)合實(shí)體應(yīng)答器定位技術(shù)，解決衛(wèi)星定位技術(shù)在列控系統(tǒng)中運(yùn)用遇到的難點(diǎn)，以滿足復(fù)雜場景下的運(yùn)用需求。
2 電子地圖
電子地圖主要由軌道地理信息數(shù)據(jù)和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)組成，其中軌道地理信息數(shù)據(jù)主要記錄軌道信息及軌道上衛(wèi)星參考點(diǎn)的位置信息；固定應(yīng)用數(shù)據(jù)主要包含線路起始管轄邊界、結(jié)束管轄邊界、應(yīng)答器、道岔位置屬性及連接關(guān)系等信息。如圖1所示。
圖1 電子地圖示意Fig.1 Schematic diagram of electronic map
軌道作為電子地圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述上，承載線路上信號相關(guān)設(shè)備關(guān)鍵點(diǎn)的位置和信號屬性相關(guān)信息，衛(wèi)星定位參考點(diǎn)主要用于衛(wèi)星定位軌道映射的使用，確認(rèn)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)匹配的軌道位置信息；管轄邊界主要確定電子地圖中車站之間的連接關(guān)系，道岔和應(yīng)答器主要用于確認(rèn)列車所在唯一軌道，并為列車提供線路數(shù)據(jù)信息。
3 基于電子地圖的衛(wèi)星定位技術(shù)
針對衛(wèi)星定位算法的優(yōu)化處理，可以從以下兩方面進(jìn)行：一是濾除定位質(zhì)量不高的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以減少基于電子地圖的衛(wèi)星定位失敗或者定位質(zhì)量較差的衛(wèi)星定位計(jì)算，降低處理器運(yùn)算的消耗，提高衛(wèi)星定位有效性；二是降低單次衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)與電子地圖匹配運(yùn)算的復(fù)雜度，先通過預(yù)篩選算法識別預(yù)匹配的電子地圖中的軌道位置及相關(guān)衛(wèi)星參考點(diǎn)，減少單純盲目的遍歷性運(yùn)算的消耗，縮小預(yù)匹配范圍后，再通過精確計(jì)算的方式，完成基于電子地圖和衛(wèi)星定位的列車安全定位，采用粗、精兩級運(yùn)算方案提高定位算法的效率。
3.1 衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)簡介
衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)傳輸采用NEMA-0183標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，該協(xié)議采用ASCII文本字符傳遞衛(wèi)星定位信息，數(shù)據(jù)以“$”開頭，以回車符
表1 衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)幀主要功能Tab.1 Main functions of satellite positioning data frame
3.2 衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)有效性處理
對衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)有效性處理主要包含以下幾個方面，如圖2所示。
圖2 衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)處理流程Fig.2 Satellite positioning data processing flow
1）組包處理：采用**ZDA、**GGA、**GST和**VTG數(shù)據(jù)幀作為一次衛(wèi)星定位所包含的全部數(shù)據(jù)幀。以**ZDA數(shù)據(jù)幀作為起始數(shù)據(jù)幀，以**GST數(shù)據(jù)幀作為結(jié)束數(shù)據(jù)幀，針對起始和結(jié)束數(shù)據(jù)幀的UTC時間進(jìn)行差值校驗(yàn)，確保各數(shù)據(jù)幀在時間上保持一致性。
2）定位質(zhì)量處理：根據(jù)各個數(shù)據(jù)幀所包含的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行衛(wèi)星定位質(zhì)量判定，濾除定位質(zhì)量較差的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。
3）多衛(wèi)星數(shù)據(jù)橫向比較：多路衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較，包括經(jīng)緯度、高程、速度等衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)信息，采用濾波比較的方式，濾除差異較大的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。
4）衛(wèi)星速度信息比較：將衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)中的速度信息與列車測速測距模塊計(jì)算出的速度信息進(jìn)行比較，濾除速度偏差較大的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。
經(jīng)過以上4步，可以有效的濾除掉衛(wèi)星定位質(zhì)量較差的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，增加衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的可靠性，從而提高衛(wèi)星定位效率。
3.3 衛(wèi)星定位算法優(yōu)化處理
基于電子地圖軌道地理信息數(shù)據(jù)，利用衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道映射過程中最主要的是將列車衛(wèi)星定位點(diǎn)和其最近的兩個衛(wèi)星參考點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為軌道線路上的距離信息，通過垂線匹配算法，計(jì)算得出列車所在軌道的具體位置信息。
利用經(jīng)緯度數(shù)據(jù)計(jì)算距離公式：主要包含經(jīng)緯度轉(zhuǎn)高斯坐標(biāo)算法、Vincenty公式、Haversine公式、余弦的球型定律，以及等矩形近似值（勾股定理）等方式，其算法主要優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。
表2 經(jīng)緯度計(jì)算距離公式的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Advantages and disadvantages of longitude and latitude calculation distance formula
根據(jù)車載電子地圖軌道衛(wèi)星參考點(diǎn)布置規(guī)則，綜合算法精確度和算法復(fù)雜度，采用單一算法很難滿足列控系統(tǒng)對于衛(wèi)星定位的性能指標(biāo)的要求。因此，為提高列車衛(wèi)星定位算法性能，本文設(shè)計(jì)了一種結(jié)合等矩形近似值、Haversine公式和經(jīng)緯度轉(zhuǎn)高斯坐標(biāo)算法的列車衛(wèi)星定位算法。
將衛(wèi)星定位算法分為3步進(jìn)行，如圖3所示。
圖3 衛(wèi)星定位算法優(yōu)化處理流程Fig.3 Satellite positioning algorithm optimization processing flow
1）根據(jù)衛(wèi)星定位點(diǎn)和電子地圖軌道信息進(jìn)行預(yù)匹配最近衛(wèi)星參考點(diǎn)。
2）根據(jù)衛(wèi)星定位點(diǎn)和最近衛(wèi)星參考點(diǎn)及其相鄰衛(wèi)星參考點(diǎn)進(jìn)行三角形判定，確定衛(wèi)星定位點(diǎn)所在的相鄰衛(wèi)星參考點(diǎn)。
3）根據(jù)衛(wèi)星定位點(diǎn)和上一步確認(rèn)的兩個相鄰衛(wèi)星參考點(diǎn)進(jìn)行垂線匹配運(yùn)算，從而完成衛(wèi)星定位。
在進(jìn)行預(yù)匹配最近衛(wèi)星參考點(diǎn)的過程中，采用定積分的等矩形近似法，在進(jìn)行三角形判定過程中，采用Haversine公式算法，在最終垂線匹配運(yùn)算過程中，采用經(jīng)緯度轉(zhuǎn)高斯坐標(biāo)算法。通過上述3步，在保證衛(wèi)星定位精確度的基礎(chǔ)上，減少了衛(wèi)星定位算法中復(fù)雜運(yùn)算的運(yùn)行次數(shù)，降低衛(wèi)星定位算法對車載設(shè)備的性能要求，提升了衛(wèi)星定位算法的運(yùn)算效率和定位效果。
4 基于電子地圖的實(shí)體應(yīng)答器定位技術(shù)
由于衛(wèi)星定位精確度條件的限制，在站間單線情況下，列車能夠通過列車衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的衛(wèi)星定位算法，完成基于電子地圖的衛(wèi)星定位。針對站間復(fù)線和站內(nèi)復(fù)雜線路的情況，采用衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)、電子地圖、實(shí)體應(yīng)答器、道岔位置狀態(tài)等多源信息融合的定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車所在線路及列車運(yùn)行方向的高可靠性判定，以滿足列車安全定位的要求，提高列車運(yùn)行效率及復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性。
4.1 電子地圖動態(tài)更新
為滿足長交路列車在不同線路上的跨線運(yùn)行需求，同時解決電子地圖人工拷貝上車可能引入的風(fēng)險(xiǎn)，降低線路電子地圖人工管理的難度，電子地圖采用動態(tài)更新上車的方式進(jìn)行存儲和使用。
電子地圖以車站為單位進(jìn)行劃分，存儲在其所屬的地面中心設(shè)備中。車載設(shè)備上電啟動時與地面中心設(shè)備建立連接，獲取電子地圖索引文件，根據(jù)列車所在位置，請求并獲取列車當(dāng)前所在線路相關(guān)范圍的電子地圖軌道地理信息文件和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件，并轉(zhuǎn)化處理生成電子地圖軌道地理和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)。
隨著列車的運(yùn)行，在列車駛?cè)胂乱粋€車站后，更新列車當(dāng)前所在車站的車站信息，清除非該車站及非該車站相鄰車站的電子地圖軌道地理和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)，同時請求并獲取該車站及該車站相鄰車站的電子地圖軌道地理信息文件和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)文件，解析生成電子地圖軌道地理和固定應(yīng)用數(shù)據(jù)，完成電子地圖的動態(tài)更新。
4.2 實(shí)體應(yīng)答器定位處理
列車經(jīng)過實(shí)體應(yīng)答器時，存在車載設(shè)備已存儲或尚未存儲該實(shí)體應(yīng)答器所在車站的電子地圖數(shù)據(jù)兩種情況。因此，在進(jìn)行基于電子地圖的實(shí)體應(yīng)答器定位時，應(yīng)對實(shí)體應(yīng)答器進(jìn)行正確性和有效性兩方面的判定，確保其正確有效后，方可利用其在電子地圖軌道中位置及方向信息，完成所在列車軌道位置和軌道方向的判定，如圖4所示。
圖4 實(shí)體應(yīng)答器定位處理流程Fig.4 Physical balise positioning processing flow
正確性判定：根據(jù)實(shí)體應(yīng)答器獲取其編號、個數(shù)和屬性等信息并與電子地圖中該編號的應(yīng)答器個數(shù)和屬性等信息進(jìn)行校驗(yàn)，濾除錯誤的實(shí)體應(yīng)答器。
有效性判定：若列車經(jīng)過實(shí)體應(yīng)答器時，車載設(shè)備存有該實(shí)體應(yīng)答器所在車站的電子地圖，實(shí)體應(yīng)答器有效；若列車經(jīng)過實(shí)體應(yīng)答器時，車載設(shè)備尚未存有該實(shí)體應(yīng)答器所在車站的電子地圖，請求并獲取車站的電子地圖，并記錄列車距該實(shí)體應(yīng)答器的行駛距離，待電子地圖動態(tài)更新完成后，通過列車距該實(shí)體應(yīng)答器的行駛距離與該實(shí)體應(yīng)答器距相鄰道岔或管轄邊界的軌道距離進(jìn)行有效性判定。其有效性判定如下。
1）如圖5所示，若列車經(jīng)過的實(shí)體應(yīng)答器為單實(shí)體應(yīng)答器，則按照軌道雙方向計(jì)算該單實(shí)體應(yīng)答器距相鄰道岔或管轄邊界的軌道距離。若軌道距離均大于列車距該單實(shí)體應(yīng)答器的行駛距離，則判定列車未駛出該單實(shí)體應(yīng)答器所在軌道，單實(shí)體應(yīng)答器有效，利用該單實(shí)體應(yīng)答器完成列車所在軌道位置判定。否則，該單實(shí)體應(yīng)答器無效。
圖5 單實(shí)體應(yīng)答器有效性判定示意Fig.5 Schematic diagram of validity determination of single physical balise
2）如圖6所示，若列車經(jīng)過的實(shí)體應(yīng)答器為兩個及以上應(yīng)答器組成的實(shí)體應(yīng)答器組，按照實(shí)體應(yīng)答器組方向計(jì)算該實(shí)體應(yīng)答器組距相鄰道岔或者管轄邊界的軌道距離。若軌道距離大于列車距該實(shí)體應(yīng)答器組的行駛距離，則判定列車未行駛出該實(shí)體應(yīng)答器組所在軌道，實(shí)體應(yīng)答器組有效，利用該實(shí)體應(yīng)答器組完成列車所在軌道位置和軌道方向判定。否則，該實(shí)體應(yīng)答器組無效。
圖6 實(shí)體應(yīng)答器組有效性判定示意Fig.6 Schematic diagram of validity determination of physical balise group
結(jié)合基于電子地圖的實(shí)體應(yīng)答器定位技術(shù)，可以輔助衛(wèi)星定位在站間復(fù)線或者站內(nèi)復(fù)雜線路的情況下完成列車所在軌道位置和軌道方向的判定，極大提高了列車基于電子地圖衛(wèi)星定位的適用范圍，提高列車運(yùn)行效率。
5 總結(jié)
本文主要分析研究復(fù)雜場景下結(jié)合車載電子地圖和衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的列車定位算法，并針對列車定位的準(zhǔn)確性及運(yùn)算效率等問題提出優(yōu)化方案，使其滿足列控系統(tǒng)及車載設(shè)備的性能要求、指標(biāo)要求；提出采用實(shí)體應(yīng)答器融合定位的技術(shù)，解決衛(wèi)星定位技術(shù)在復(fù)雜線路上場景中應(yīng)用的不足，提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。
