CN104991266B - 一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及***，该方法包括：采集离线的基础数据；预测在待定位时空范围内分布的各特征点定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；实时提取导航卫星对目标列车的观测信息，并根据观测信息实时计算目标列车定位误差在线保护限值；在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，并根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案。本发明所述技术方案能够有效提升列车定位完好性监测的性能。

Description

一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及***

技术领域

本发明涉及基于卫星导航***的列车定位技术领域。更具体地，涉及一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及***。

背景技术

列车作为铁路运输***的主要载体，采用列车运行控制***(简称列控***)、列车追踪预警***(简称预警***)对其在途运行的安全性具有至关重要的作用。为了实现有效的列车控制，并在存在列车追尾等安全风险的情况下实施有效防护，准确、可靠的列车运行状态信息，特别是列车在轨道上的位置、速度、方向等，是决定相应安全保障措施能够发挥有效作用的关键条件。常规的技术手段，如轮轴速度传感器、多普勒雷达、轨旁应答器等，受制于性能、成本效益均衡的矛盾，不利于满足自主化、低成本化、高效化的技术需求，促进了卫星导航定位这一技术在铁路列车运行控制等安全相关应用领域的应用与发展。

以全球定位***(Global Positioning System，GPS)为代表的全球导航卫星***(Global Navigation Satellite System，GNSS)在铁路运输***中的应用近年来逐步在世界范围内受到关注，采用列车车载GNSS接收机与辅助传感器、轨道地图数据库进行集成，构成位置决策单元(Location Determination Unit，LDU)，能够以相对低廉的建设维护成本、较高的性能水平、显著的车载自主性特征为列控***、预警***等基于位置的铁路服务***提供列车位置、速度、方向等状态信息，辅助确保列车运行安全。然而，采用GNSS实现列车定位，除了在山谷、隧道、车站等复杂地形环境下可能因信号遮挡、多径效应、干扰等因素造成性能恶化以外，还可能由于导航卫星存在故障导致LDU输出的状态信息与真值相比存在较大偏差，进而影响列车运行安全。基于此，采用有效的完好性监测手段对当前列车卫星定位的误差不确定性水平进行评估，在超过预设限值的条件下提供告警，能够有效隔离卫星故障等因素导致的安全风险，使相关应用满足铁路***故障导向安全的原则。常规方案中广泛采用接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM)技术对可用导航卫星数量、卫星星座几何分布、卫星故障状态等进行估计，从而在必要时隔离故障、异常条件的不利影响。然而，RAIM可能因为所接收卫星数量不足等因素导致其可用性无法对计划的列车行程进行完整覆盖，且列车动态运行过程中实时进行的完好性监测可能存在一定的误判及漏检风险，进而影响其准确、及时地发挥定位决策支持作用并辅助列车控制、追踪接近预警等功能的有效实施。

因此，需要提供一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及***。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法及***，针对列车卫星定位所面临的铁路一维轨道坐标系约束特征，考虑常规RAIM技术可能存在的可用性覆盖不足以及漏检风险，利用GNSS导航卫星动态信息、卫星健康状态信息、专用轨道地图数据、列车运行计划数据等先验信息，对列车按计划在途运行过程的完好性监测结果进行离线预测，进而在列车在途运行中与实时LDU结果进行协同决策，确定最终的列车定位信息处理结构及决策结果，有效确保列车卫星定位的安全性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，该方法包括如下步骤：

S1、采集卫星历书数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据和列车运行计划数据；

S2、根据步骤S1采集的各数据，预测在待定位时空范围内分布的各特征点的定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；

S3、实时提取导航卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，并根据观测信息实时计算目标列车定位误差在线保护限值；

S4、在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；

S5、利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，并根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案。

优选地，步骤S1中的专用轨道地图数据由地图数据库获取，该地图数据库中包括各轨道关键点的位置信息、属性特征信息、地形信息。

优选地，步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、根据列车运行计划对待定位时空范围中的里程范围S₀按照空间参数σ_S进行等间隔采样，得到S₀/σ_S+1个里程值；

S2.2、分别对各里程值所对应的计划时刻在给定的时间窗T_M内按照时间参数σ_T进行等间隔采样，得到各里程值所分别对应的2(T_M/σ_T)+1个时间值；

S2.3、建立在待定位时空范围内分布的特征点集{P}，其中第i个特征点P(S_i,T_i)由该特征点的里程值S_i和时间值T_i构成；

S2.4、确定各特征点P(S_i,T_i)的可用观测卫星；

S2.5、预测在待定位时空范围内分布的各特征点P(S_i,T_i)定位误差离线保护限值E_L(S_i,T_i)，公式如下：

R_t＝I-H_tΦ_t；

公式中，I为单位矩阵；H_t为等效量测矩阵；Φ_t为滤波器增益矩阵；特征点P(S_i,T_i)的时间值T_i对应为时间变量t；σ₀为根据漏检概率选定的检测系数；Φ_t,1j为滤波器增益矩阵Φ_t的第1行、第j列矩阵元素；Φ_t,4j为滤波器增益矩阵Φ_t的第4行、第j列矩阵元素；Φ_t,7j为滤波器增益矩阵Φ_t的第7行、第j列矩阵元素；R_t,jj为矩阵R_t的第j行、第j列矩阵元素。

优选地，步骤S2.5之后还包括如下步骤：

S2.6、根据预设的告警阈值AL，判定各特征点定位误差离线保护限值的时空分布特征库的可用性有效范围，作为规划、调整列车运行计划的参考，公式为：

若特征点P_i定位误差离线保护限值E_L(S_i,T_i)≥AL，则该特征点P(S_i,T_i)标记可用性为无效；

若特征点P_i定位误差离线保护限值E_L(S_i,T_i)<AL，则该特征点P(S_i,T_i)标记可用性为有效。

优选地，步骤S3中计算目标列车定位误差在线保护限值的公式为：

R_t＝I-H_tΦ_t；

公式中，E_Z(S_t,T_t)为目标列车定位误差在线保护限值；I为单位矩阵；H_t为等效量测矩阵；Φ_t为滤波器增益矩阵；目标列车的运行时刻T_t对应为时间变量t；σ₀为根据漏检概率选定的检测系数；Φ_t,1j表示滤波器增益矩阵Φ_t的第1行、第j列矩阵元素；Φ_t,4j表示滤波器增益矩阵Φ_t的第4行、第j列矩阵元素；Φ_t,7j表示滤波器增益矩阵Φ_t的第7行、第j列矩阵元素；R_t,jj表示矩阵R_t的第j行、第j列矩阵元素。

优选地，步骤S4进一步包括如下子步骤：

S4.1、初算目标列车在运行时刻T_t的位置将该位置投影至轨道地图上，求得投影位置进而推算出该投影坐标位置对应的投影里程值

S4.2、以投影里程值及运行时刻T_t为索引，在时空分布特征库中搜索与其匹配的特征点：

若存在特征点P(S_k,T_k)满足且T_t＝T_k，则将该特征点P(S_k,T_k)的定位误差保护限值E_L(S_k,T_k)作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值E_L(S_t,T_t)；

若不存在特征点P(S_k,T_k)满足且T_t＝T_k，则采用平均值法推算离线预测值作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值E_L(S_t,T_t)，推算公式如下：

T_j'≤T_t≤T_j'+σ_T或T_j'-σ_T≤T_t≤T_j'；

公式中，σ_T为时间参数，σ_S为空间参数。

优选地，步骤S5中根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案进一步包括如下子步骤：

若目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值中任一值大于等于预设的告警阈值，则目标列车定位决策方案为隔离卫星定位的观测数据，直接采用辅助定位传感器数据计算目标列车位置；

若目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值均小于预设的告警阈值，则目标列车定位决策方案为综合采用卫星定位接收机及辅助定位传感器观测数据，通过紧耦合融合估算目标列车位置。

一种执行如上文所述方法的基于协同完好性监测的列车卫星定位***，该***包括：

卫星数据获取服务器，用于采集卫星历书数据及卫星健康状态数据；

完好性状态预测服务器，用于接收列车调度指挥***发送的列车运行计划数据，根据列车运行计划数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据，预测在待定位时空范围内分布的各特征点定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；

安置在目标列车上的定位诊断处理终端，用于根据卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，实时计算目标列车定位误差在线保护限值，在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值，并利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案；

安置在目标列车上的列车位置决策单元，用于采集卫星导航接收机及辅助传感器的测量信息，根据实时调整后的目标列车定位决策方案实施列车定位决策，实时输出目标列车的当前位置和速度。

优选地，该***还包括：预测信息分配终端，用于将时空分布特征库通过无线通信网络发送给目标列车的定位诊断处理终端。

优选地，定位诊断处理终端包括：

卫星观测信息接口模块，用于接收卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息；

预测信息接收模块，用于接收时空分布特征库；

完好性监测计算模块，用于根据卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，实时计算目标列车定位误差在线保护限值；

信息推算模块，用于在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；

诊断决策模块，用于利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案；

信息注入模块，用于将实时调整后的目标列车定位决策方案发送至列车位置决策单元。

本发明的有益效果如下：

1、能够有效提升列车定位完好性监测的性能，特别是列车在途运行中定位信息采集、处理可能遇到不确定性、条件时变性，可能导致位置决策单元LDU计算存在异常、漏检的情况下，利用预先实施的离线预测降低这些因素的不利影响，使列车位置决策单元给出的决策输出具备更高的安全效益。

2、与常规仅采用RAIM技术支持的LDU定位决策相比具有更强的应用能力，有效降低位置决策过程存在的安全风险，确保列控***、预警***等安全保障应用的服务水平。

3、具备显著的可拓展性，能够适应多种卫星导航***模式的应用，如单模GNSS、多模GNSS，以及不同的卫星导航/辅助传感器组合定位***结构。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出基于协同完好性监测的列车卫星定位方法流程图。

图2示出列车运行计划与轨道地图的映射关系示意图。

图3示出定位误差保护限值时空分布特征库示意图。

图4示出目标列车定位决策切换原理图。

图5示出基于协同完好性监测的列车卫星定位***结构图。

图6示出定位诊断处理终端结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本实施例提供的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法的应用场景为：已知目标列车从时刻T_A至T_B且在车站A至B之间区段的待定位时空范围内运行的运行计划，相应地，由专用轨道地图数据库、卫星星历数据源的离线数据作为初始条件，位置决策单元中的接收机采用列车搭载北斗卫星导航***(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)接收机，位置决策单元中的辅助传感器采用里程计与陀螺共同构成，组合用于定位计算与输出。

如图1所示，本实施例提供的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法具体包括以下步骤：

S1、采集离线的基础数据，该离线基础数据包括卫星历书数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据、列车运行计划数据；

S2、根据该离线的基础数据，预测在待定位时空范围内分布的各特征点的定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；

S3、通过在目标列车上安置的导航卫星接收机实时提取导航卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，并根据该观测信息实时计算目标列车定位误差在线保护限值；

S4、在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；

S5、利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与预设的告警阈值进行比较，并根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案。

其中：

步骤S1的具体过程为：

通过相应数据库获取覆盖T_A至T_B时段的导航卫星历书以及监测管理信息所得导航卫星健康状态。其中，卫星历书数据与车载接收机解析所得星历数据的作用一致，均为通过相应的卫星轨道参数计算所有卫星在某一时刻的三维坐标位置。

进一步，为实现离线的完好性预测，除了卫星位置信息以外，还需要相应的列车位置作为测站目标，该信息由专用地图数据库、列车运行计划数据共同确定。其中，地图数据库由事先进行的关键点测量、数据处理、编制过程离线获得，利用一个轨道线路关键点集描述轨道的位置信息、属性特征信息、地形信息，对于第i'个关键点Q_i'，对应了编号N_i'、经度λ_i'、纬度φ_i'、高程H_i'、线路编号Tr_i'、里程值S_i'、地形参数集Z_i'、轨旁设施属性Y_i'等；基础数据中的列车运行计划由列车调度指挥***(Train Operation Dispatching CommandSystem，TDCS)或铁路调度集中(Centralized Train Control，CTC)***提供，用“时间-里程”坐标系下的折线表示列车从A站发车到B站到达所经历的中间过程。为从列车运行计划获得在途运行位置(从轨道上一个固定参考点出发的沿轨道距离)随时间的基本描述，利用轨道地图提供的地理坐标信息与轨道里程信息进行映射，能够将一维的计划里程转换至能够与卫星坐标位置相匹配的三维列车位置。图2中右侧所示的折线描述了列车从A站出发到达B站中共计S₀＝33km区段内的运行计划，其中，折线上任意一点P的坐标表示了列车按计划在T_P时刻运行至里程为S_P的一维轨道位置，利用里程S_P在轨道地图数据库中搜索包含该里程的最小折线段由关键点Q_m、Q_n的里程按比例反算S_P对应的经度λ_P、纬度φ_P、高程H_P，如图2左侧所示，利用这一映射方式将时间、空间信息进行关联，将列车的计划位置与卫星位置转换至同一坐标框架。

步骤S2的具体过程为：

以特征点定位误差离线保护限值的时空分布特征库这一形式实施离线预测，特征库中以各特征点模拟目标列车在列车运行计划中时间与里程位置的对应关系，各特征点的相关信息构成数据集，各特征点P(S_i,T_i)对应的信息包括其里程值S_i、时间值T_i以及该点的定位误差保护限值预测值E_L(S_i,T_i)。其中，特征点分布的选取采用预设的时间参数σ_T、空间参数σ_S进行控制，本实施例选择恒定量作为该特征库时间、空间分辨率水平的评价依据。

步骤S2进一步包括以下子步骤：

S2.1、将A站至B站区间共计S₀公里的里程范围按照空间参数σ_S进行等间隔采样，如此可得共计N_S＝[S₀/σ_S]+1个里程值，[]表示取整。

S2.2、根据列车运行计划给出的基本运行图线，利用起始及终到时刻T_A、T_B分别对应求解各里程值所对应的计划时刻。因为列车实际运行时分及实际运行速度具有不确定性，所以需要根据这种不确定性给定一个时间窗T_M，用以包含这种不确定性，本实施例中时间窗T_M＝(T_B-T_A)/4，按照时间参数σ_T对该时间窗T_M进行等间隔采样，各里程值分别可得到N_T＝[T_M/σ_T]个时间值，则对于每一个里程值，从其对应的计划时刻出发，分别从正、负两个方向分别选择N_T个时值与该里程值相关联，如此，则每一个特征点的里程值均有2N_T+1个时间值与其关联，从而由里程值和时间值构成各特征点P(S_i,T_i)，由各特征点P(S_i,T_i)组成特征点集{P}，形成列车运行计划的“时段通过带”，如图3所示，其作用在于能够适应列车的实际运行过程与基本计划图线可能的偏离性。

S2.3、根据共计N_S×(2N_T+1)个特征点的里程值、时间值，结合导航卫星信息判断各卫星在相应时刻T_w、轨道位置S_w作为观测端时的可见性(条件：卫星仰角大于限值)、工作状态(条件：卫星未报告故障)，获得观测各特征点的可用卫星集{ID_q,X_q(t),Y_q(t),Z_q(t)；q＝1,2,…,M_i,p(t)}，其中，ID_q为卫星编号，{X_q(t),Y_q(t),Z_q(t)}为地心地固坐标系(Earth-Centered Earth-Fixed,ECEF)下t时刻的卫星q三维坐标，M_i,p(t)为该特征点对应的可用卫星数量，如果要实施完好性监测，则可用卫星数量应满足大于等于5，即M_i,p≥5，本实施例中可用卫星数量满足大于等于5。

S2.4、根据卫星位置及特征点时空信息，按照如下公式预测在待定位时空范围内分布的各特征点P(S_i,T_i)定位误差离线保护限值E_L(S_i,T_i)：

R_t＝I-H_tΦ_t

公式中：

ρ_q(t)为第q颗卫星的伪距观测量，[X_q(t),Y_q(t),Z_q(t)]为ECEF坐标系下的卫星三维坐标，[x_S(i),y_S(i),z_S(i)]为特征点的三维位置，可由其里程值S_i、经度λ_S(i)、纬度高程H_S(i)经过坐标转换算得；

ξ_q(t)为第q颗卫星伪距观测的等效误差，包括电离层误差、对流层误差、时钟误差、多径误差、接收机热噪声等分量；

z_t为当前可用卫星对应的伪距量构成的量测向量；

x_t为由三维坐标位置及其一阶、二阶导构成的滤波器状态向量；

SE_t为检验统计量，其中，e_t、ε_t分别为量测值的估计、预测误差；

I为单位矩阵；

H_t为等效量测矩阵，可由非线性的量测函数h(*)线性化近似求得，为求偏导数符号；

Φ_t为滤波器增益矩阵，分别为量测信息的方差、交互协方差矩阵，分别为与x_t和z_t相关的矩阵，由所采用的非线性滤波器结构决定；

特征点P(S_i,T_i)的时间值对应为时间变量t，σ₀为根据漏检概率选定的检测系数，Φ_t,1j表示滤波器增益矩阵Φ_t的第1行、第j列矩阵元素，Φ_t,4j表示滤波器增益矩阵Φ_t的第4行、第j列矩阵元素，Φ_t,7j表示滤波器增益矩阵Φ_t的第7行、第j列矩阵元素，R_t,jj表示矩阵R_t的第j行、第j列矩阵元素。

步骤S2还包括如下子步骤：

S2.5、根据预设的告警阈值，判定各特征点定位误差离线保护限值的时空分布特征库的可用性有效范围，作为规划、调整列车运行计划的参考，具体过程为：

根据列车定位决策输出的应用需求确定告警阈值AL，以列车在区间内的运行控制为例，选择告警阈值为AL＝5.0m，将前一步骤中预测所得时空分布特征库中各个特征点定位误差保护限值E_L(S_i,T_i)与AL进行比较，比较结果直接决定了特征点的可用性属性：

(i)若E_L(S_i,T_i)≥AL，该特征点标记可用性属性为V(不可用)；

(ii)若E_L(S_i,T_i)<AL，该特征点标记可用性属性为A(可用)。

如图3所示，通过上述判定方式，能够在上述列车运行计划的“时段通过带”中确定完好性状态的属性分布空间，起到在列车实际运行前预测的作用，作为规划、调整列车运行计划的参考。

步骤S3的具体过程为：

利用列车车载位置决策单元实时提取导航卫星的观测信息，包括卫星星历、各可视卫星的伪距等，采用与离线预测特征库中各特征点定位误差保护限值E_L(S_i,T_i)<AL一致的计算逻辑，实时在线计算每个运行时刻T_t下的目标列车定位误差在线保护限值E_Z(S_t,T_t)，公式如下：

公式中，目标列车的运行时刻T_t对应为时间变量t。

在线计算目标列车定位误差在线保护限值与离线预测各特征点保护限值的主要区别在于两点：一是卫星状态的信息的来源不同，分别为在线、离线模式下由不同数据源获取；二是伪距等卫星观测量直接由接收机获取，而不需采用观测误差模型进行预测和叠加计算。

步骤S4的具体过程为：

为了使在线计算E_Z(S_t,T_t)、离线预测E_L(S_i,T_i)进行比较的过程中实现时间、空间属性的一致，使该比较具有实际意义，需要结合专用轨道数据库实施对准操作，其中，车载***进行实时计算采用的专用轨道地图数据库与离线预测所用保持一致。具体对准过程包括以下步骤：

S4.1、结合计算E_Z(S_t,T_t)的过程初算目标列车在当前时刻T_t的位置将其投影至轨道地图上，求得投影位置进而推算出该投影坐标位置对应的投影里程值初算目标列车在当前时刻T_t的位置的方法为应用非线性Kalman滤波器求解滤波器状态向量x_t的估计解，然后从中提出第1、4、7个向量元素，构成三维坐标量；

S4.2、以投影里程值及运行时刻T_t为索引，在离线预测所得时空分布特征库中搜索与其匹配的特征点：

若存在特征点P(S_k,T_k)满足且T_t＝T_k，则将该特征点P(S_k,T_k)的定位误差保护限值E_L(S_k,T_k)作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值E_L(S_t,T_t)；

若不存在特征点P(S_k,T_k)满足且T_t＝T_k，则在特征库中确定包含T_t的最小四边形，提取其四个端点位置(S_j',T_j')、(S_j'+σ_S,T_j')、(S_j',T_j'±σ_T)、(S_j'+σ_S,T_j'±σ_T)，其中，端点位置满足且满足T_j'≤T_t≤T_j'+σ_T或T_j'-σ_T≤T_t≤T_j'，

利用该最小四边形的中心近似对准位置，采用平均值法估计对准情况下的离线预测值即

将推算出的定位误差保护限值作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值E_L(S_t,T_t)。

步骤S5的具体过程为：

E_L(S_t,T_t)<AL、E_Z(S_t,T_t)<AL两个条件的同时满足可以用来更为准确地确定当前列车位置决策单元采用卫星定位接收机提供的测量信息是否可以安全地用于最终决策过程。进一步可通过对里程计与陀螺构成的辅助定位传感器进行状态自检，包括输出检测以及输出量判决，以状态字的形式标识辅助传感器处于正常、异常状态，进而与卫星定位误差保护限值的判别共同作为定位信息处理结构调整的判断依据。如图4所示，预设四种处理结构：(1)BDS/辅助传感器紧组合决策，(2)辅助传感器独立定位决策，(3)BDS独立定位决策，(4)决策失效。E_L(S_t,T_t)<AL、E_Z(S_t,T_t)<AL两个条件、以及辅助定位传感器状态字这一条件的并行检验，结合上一时刻所采纳的处理方案，判断当前时刻T_t下应采用何种信息处理方案用于最终位置决策的生成，具体可分为：

(i)若E_L(S_t,T_t)≥AL、E_Z(S_t,T_t)≥AL任意一种情况出现，则列车位置决策过程隔离BDS观测数据，将从上一时刻T_t-1的方案①处理结构转换至方案②，或从上一时刻T_t-1的方案③转换至失效模式④；

(ii)若E_L(S_t,T_t)<AL、E_Z(S_t,T_t)<AL两种情况同时满足，则列车位置决策过程中BDS观测数据为可用状态，定位信息处理结构方案将从上一时刻转换至方案①或方案③。

当采用方案①时，辅助定位传感器能够通过编排计算所得列车经、纬度位置信息结合BDS卫星状态反推伪距量，进而与BDS接收机解算伪距量进行误差推算，可以采用其误差量构成状态向量建立***方程与量测方程，采用非线性Kalman滤波器实现紧组合模式下的状态估计及综合决策。

当采用方案②时，直接采用辅助定位传感器的编排计算结果作为列车位置决策与输出。

当采用方案③时，可直接采用步骤S4中定位误差保护限值E_Z(S_t,T_t)计算时所进行的预先状态估计结果用于列车位置决策与输出。

当转入方案④时，表明当前BDS接收机或辅助定位传感器信息均存在安全性、可用性风险，不再提供位置决策输出，而是发送相应的失效状态告警标志。

本实施例提供的方法在列车位置决策处理过程中增加了离线的、静态的预测信息对决策过程的约束作用，使列车定位计算中的完好性监测深度得到提升，体现了离线过程与在线过程的协同。所给出的输出趋于保守，但是能够确保无效的、或者可能存在风险的卫星定位观测信息不被引入位置决策过程，从而有效提升列车定位的自主化调整能力及安全性水平，有力支持列车运行控制、列车追踪接近预警等多个与行车安全相关的***应用。

如图5所示，本实施例提供的执行上述方法的基于协同完好性监测的列车卫星定位***，包括：地面安装的卫星数据获取服务器、完好性状态预测服务器、轨道地图数据服务器、预测信息分配终端，以及在列车上安置的诊断处理终端和列车位置决策单元；

卫星数据获取服务器，用于通过网络请求查询卫星历书数据及卫星健康状态数据，在检测到数据更新的情况下载卫星历书及卫星健康状态数据，并重新组帧按照协议将其存储至内部存储单元。

轨道地图数据服务器，用于通过人工操作获取各列车车次所对应的轨道地图数据库并存储，对轨道地图进行更新和一致性维护。

完好性状态预测服务器，用于通过网络端口向既有铁路调度指挥***、卫星数据获取服务器、轨道地图数据服务器请求信息，以获得列车运行计划数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据等数据写入存储器，由逻辑运算单元根据时间参数、空间参数等设置，离线计算生成待定位时空范围内分布的各特征点定位误差离线保护限值，将待定位时空范围内分布的各特征点定位误差离线保护限值组成时空分布特征库，并向预测信息分配终端发送转发指令。

预测信息分配终端，用于根据所接收的转发指令，利用所解析的车次信息作为依据，将完好性状态预测服务器生成的时空分布特征库通过无线通信网络发送给目标列车的定位诊断处理终端。

定位诊断处理终端，用于在目标列车发车前通过无线通信网络接收时空分布特征库，列车启动运行后，在每个采样周期从卫星导航接收机提取导航卫星星历数据、观测信息以及辅助定位传感器的状态字信息，采用与完好性状态预测服务器一致的计算逻辑计算当前运行时刻目标列车定位误差在线保护限值，并以当前里程、时间信息为参照，在离线特征库中进行搜索与对准，提取对应的特征点定位误差离线保护限值进行比较，根据比较结果基于预定的切换规则确定当前的定位信息处理方案，生成方案调整指令，进而实时调整目标列车定位决策方案。

列车位置决策单元，用于实时接收诊断处理终端发送的调整后的目标列车定位决策方案，完成列车位置决策运算并利用目标列车的当前位置、速度等状态量生成位置输出数据帧，通过数据接口向外部发送。

其中：

如图6所示，诊断处理终端包括：

卫星观测信息接口模块，用于接收从卫星导航接收机发送的卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息；

预测信息接收模块，用于在列车发车前通过无线通信网络接收并存储由预测信息分配终端发送的时空分布库；

完好性监测计算模块，用于根据卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，实时计算目标列车定位误差在线保护限值；

信息推算模块，用于在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；

诊断决策模块，用于利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案；

信息注入模块，用于与列车位置决策单元的定位处理器进行接口，向其发送所生成的定位信息处理结构调整指令。

地面子***包含的卫星数据获取服务器、完好性状态预测服务器、轨道地图数据服务器、预测信息分配终端均可采用双套配置，增加***的可靠性和故障容错能力，从而在单个设备存在故障的情况下，***依然能够采用后备设备继续按照上述流程实现离线预测及信息发布。

车载子***包含的诊断处理终端可采用双套配置，两个终端并行工作，采用完全一致的硬件结构和软件逻辑，列车位置决策单元同时接收两个终端的注入信息，采用一致性判决逻辑，仅在从两个终端接收的定位信息处理结构调整指令完全一致的情况下，执行相应的方案调整操作并进行信息处理和组帧输出。

地面的轨道地图数据服务器与车载的列车位置决策单元存储完全一致的专用轨道地图数据库，分别用于实施离线预测计算以及在线诊断计算，车-地间定期进行数据库维护与校验，在校验失败的情况下发出警告并及时进行同步。因轨道线路施工、改造等原因导致地图信息发生改变的情况下，地图数据库将由操作人员及时进行升级维护，确保***提供有效服务。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、采集卫星历书数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据和列车运行计划数据；

S2、根据步骤S1采集的各数据，预测在待定位时空范围内分布的各特征点的定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；

S3、实时提取导航卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，并根据所述观测信息实时计算目标列车定位误差在线保护限值；

S4、在所述时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；

S5、利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，并根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案；

步骤S5中所述根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案进一步包括如下子步骤：

若目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值中任一值大于等于预设的告警阈值，则目标列车定位决策方案为隔离卫星定位的观测数据，直接采用辅助定位传感器数据计算目标列车位置；

若目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值均小于预设的告警阈值，则目标列车定位决策方案为综合采用卫星定位接收机及辅助定位传感器观测数据，通过紧耦合融合估算目标列车位置。

2.根据权利要求1所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，步骤S1中的专用轨道地图数据由地图数据库获取，该地图数据库中包括各轨道关键点的位置信息、属性特征信息、地形信息。

3.根据权利要求1所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，步骤S2进一步包括如下子步骤：

S2.1、根据列车运行计划对待定位时空范围中的里程范围S₀按照空间参数σ_S进行等间隔采样，得到S₀/σ_S+1个里程值；

S2.2、分别对各里程值所对应的计划时刻在给定的时间窗T_M内按照时间参数σ_T进行等间隔采样，得到各里程值所分别对应的2(T_M/σ_T)+1个时间值；

S2.3、建立在待定位时空范围内分布的特征点集{P}，其中第i个特征点P(S_i,T_i)由该特征点的里程值S_i和时间值T_i构成；

S2.4、确定各特征点P(S_i,T_i)的可用观测卫星；

S2.5、预测在待定位时空范围内分布的各特征点P(S_i,T_i)定位误差离线保护限值E_L(S_i,T_i)，公式如下：

R_t＝I-H_tΦ_t；

$E_L(S_i,T_i)={\mathrm{\&sigma;}}_0\&CenterDot;\underset{j}{\max }\sqrt{\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_{t,1j}^2+{\mathrm{\&Phi;}}_{t,4j}^2+{\mathrm{\&Phi;}}_{t,7j}^2}{R_{t,jj}}};$

公式中，I为单位矩阵；H_t为等效量测矩阵；Φ_t为滤波器增益矩阵；特征点P(S_i,T_i)的时间值Ti对应为时间变量t；σ₀为根据漏检概率选定的检测系数；Φ_t,_1j为滤波器增益矩阵Φ_t的第1行、第j列矩阵元素；Φ_t,4j为滤波器增益矩阵Φ_t的第4行、第j列矩阵元素；Φ_t,7j为滤波器增益矩阵Φ_t的第7行、第j列矩阵元素；R_t,_jj为矩阵R_t的第j行、第j列矩阵元素。

4.根据权利要求3所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，步骤S2.5之后还包括如下步骤：

S2.6、根据预设的告警阈值AL，判定各特征点定位误差离线保护限值的时空分布特征库的可用性有效范围，作为规划、调整列车运行计划的参考，公式为：

若特征点P_i定位误差离线保护限值E_L(S_i,T_i)≥AL，则该特征点P(S_i,T_i)标记可用性为无效；

若特征点P_i定位误差离线保护限值E_L(S_i,T_i)＜AL，则该特征点P(S_i,T_i)标记可用性为有效。

5.根据权利要求1所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，步骤S3中所述计算目标列车定位误差在线保护限值的公式为：

R_t＝I-H_tΦ_t；

$E_Z(S_t,T_t)={\mathrm{\&sigma;}}_0\&CenterDot;\underset{j}{max}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&Phi;}}_{t,1j}^2+{\mathrm{\&Phi;}}_{t,4j}^2+{\mathrm{\&Phi;}}_{t,7j}^2}{R_{t,jj}}};$

公式中，E_Z(S_t,T_t)为目标列车定位误差在线保护限值；I为单位矩阵；H_t为等效量测矩阵；Φ_t为滤波器增益矩阵；目标列车的运行时刻T_t对应为时间变量t；σ₀为根据漏检概率选定的检测系数；Φ_t,1j表示滤波器增益矩阵Φ_t的第1行、第j列矩阵元素；Φ_t,4j表示滤波器增益矩阵Φ_t的第4行、第j列矩阵元素；Φ_t,_7j表示滤波器增益矩阵Φ_t的第7行、第j列矩阵元素；R_t,jj表示矩阵R_t的第j行、第j列矩阵元素。

6.根据权利要求1所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位方法，其特征在于，步骤S4进一步包括如下子步骤：

S4.1、初算目标列车在运行时刻T_t的位置将该位置投影至轨道地图上，求得投影位置进而推算出该投影坐标位置对应的投影里程值

S4.2、以投影里程值及运行时刻T_t为索引，在所述时空分布特征库中搜索与其匹配的特征点：

若存在特征点P(S_k,T_k)满足且T_t＝T_k，则将该特征点P(S_k,T_k)的定位误差保护限值E_L(S_k,T_k)作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值E_L(S_t,T_t)；

若不存在特征点P(S_k,T_k)满足且T_t＝T_k，则采用平均值法推算离线预测值作为与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值E_L(S_t,T_t)，推算公式如下：

${\hat{E}}_L(S_t^{*},T_t)=\frac{1}{4}\&lsqb;E_L(S_{j^{\&prime;}},T_{j^{\&prime;}})+E_L(S_{j^{\&prime;}}+{\mathrm{\&sigma;}}_S,T_{j^{\&prime;}})+E_L(S_{j^{\&prime;}},T_{j^{\&prime;}}\&PlusMinus;{\mathrm{\&sigma;}}_T)+E_L(S_{j^{\&prime;}}+{\mathrm{\&sigma;}}_S,T_{j^{\&prime;}}\&PlusMinus;{\mathrm{\&sigma;}}_T)\&rsqb;;$

$S_{j^{\&prime;}}\&le;S_t^{*}\&le;S_{j^{\&prime;}}+{\mathrm{\&sigma;}}_S;$

T_j'≤T_t≤T_j'+σ_T或T_j'-σ_T≤T_t≤T_j'；

公式中，σ_T为时间参数，σ_S为空间参数。

7.一种执行如权利要求1-6中任一所述方法的基于协同完好性监测的列车卫星定位***，其特征在于，该***包括：

卫星数据获取服务器，用于采集卫星历书数据及卫星健康状态数据；

完好性状态预测服务器，用于接收列车调度指挥***发送的列车运行计划数据，根据列车运行计划数据、卫星健康状态数据、专用轨道地图数据，预测在待定位时空范围内分布的各特征点定位误差离线保护限值，组成时空分布特征库；

安置在目标列车上的定位诊断处理终端，用于根据卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，实时计算目标列车定位误差在线保护限值，在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值，并利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案；

安置在目标列车上的列车位置决策单元，用于采集卫星导航接收机及辅助传感器的测量信息，根据实时调整后的目标列车定位决策方案实施列车定位决策，实时输出目标列车的当前位置和速度。

8.根据权利要求7所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位***，其特征在于，该***还包括：预测信息分配终端，用于将时空分布特征库通过无线通信网络发送给目标列车的定位诊断处理终端。

9.根据权利要求7所述的基于协同完好性监测的列车卫星定位***，其特征在于，所述定位诊断处理终端包括：

卫星观测信息接口模块，用于接收卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息；

预测信息接收模块，用于接收时空分布特征库；

完好性监测计算模块，用于根据卫星对运行在待定位时空范围内的目标列车的观测信息，实时计算目标列车定位误差在线保护限值；

信息推算模块，用于在时空分布特征库中推算与目标列车定位误差在线保护限值的运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值；

诊断决策模块，用于利用目标列车定位误差在线保护限值和与其运行时刻、里程值对应的特征点定位误差离线保护限值分别与告警阈值进行比较，根据比较结果实时调整目标列车定位决策方案；

信息注入模块，用于将实时调整后的目标列车定位决策方案发送至列车位置决策单元。