專利名稱：一種虛擬應答器的實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鐵路系統(tǒng)中使用虛擬應答器的實現(xiàn)方法，特別是一種利用衛(wèi)星定位技術，實現(xiàn)虛擬應答器，最終以較低成本實現(xiàn)列車定位的方法。

背景技術：
應答器是重要的信號基礎設施，在國外的鐵路、地鐵、以及城市輕軌交通中得到廣泛應用，近年來歐共體正在試驗并推廣使用基于無線閉塞的新型信號系統(tǒng)，其中原有信號系統(tǒng)中的應答器得以保留、并發(fā)揮了十分重要的作用，僅法國國內的列車控制系統(tǒng)中使用了數(shù)萬余套的地面應答器。在中國，地面與機車的信息傳遞主要依靠連續(xù)式軌道電路，可以用來連續(xù)傳遞列車控制信息，但是信息量嚴重不足，低頻信息種類僅為18種，對于坡道、彎道、道岔、橋梁等限速點不能給出限速信息，不能滿足高速運行的需要。
采用應答器定位時，定位精度與應答器的布設密度有關。為了準確的定位就必須大量的設置地面應答器。這樣就帶來了高額的成本，比如在一條2500km長的鐵路上布設歐洲應答器的話，費用高達一千萬歐元。因此，應答器的高昂成本，給ETCS的推廣帶來了阻力。
國內的高速鐵路以及客運專線已經(jīng)大量使用應答器。在第六次大提速中，鐵路在京哈、京滬、京廣、隴海、滬昆、膠濟、廣深、京九、蘭新等18條主要干線上開行了時速達200公里、部分區(qū)段達到250公里的動車組列車。地面采用軌道電路+點式應答器的方式，提供運行許可和線路數(shù)據(jù)，實現(xiàn)列車連續(xù)式速度目標-距離控制模式。
在地鐵、輕軌列車控制系統(tǒng)中，使用了和鐵路相類似的方法。北京地鐵的10號線采用TrainGuard MT移動閉塞列車控制系統(tǒng)(含試車線)并以電子裝備(LEU S21)和應答器(Balises)為基礎，實現(xiàn)了列車運行自動控制。
由此可見，應答器定位技術已經(jīng)廣泛用于鐵路和城鐵的控制系統(tǒng)當中。
隨著衛(wèi)星定位技術不斷發(fā)展，衛(wèi)星定位服務已經(jīng)開始逐漸進入到鐵路領域，這對列車定位的方式產(chǎn)生了重要的影響。全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS-GlobeNavigation Satellites System)是一種以衛(wèi)星為基礎的無線電導航系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)送高精度、全天時、全天候的導航、定位和授時信息，是一種可供海陸空領域的軍民用戶共享的信息資源。目前GNSS主要包含美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲Galileo以及相關增強系統(tǒng)。基于GNSS的定位技術可以有效地節(jié)約列車定位的成本，并具有較高的定位精度。國際鐵路聯(lián)盟(UIC)提出了基于GNSS技術的虛擬應答器(Virtual Balise)的概念，采用GNSS組合定位來代替固定應答器。
將GNSS技術引入列車控制系統(tǒng)，可以降低列車定位的成本。采用GNSS支持的定位技術可以減少對應答器的需求，甚至取代應答器，從而減低建設和維修費用。近年來，GPS去除SA政策，EGNOS開始運行，特別是伽利略(GALILEO)系統(tǒng)開始建設，歐洲鐵路開始考慮將GNSS引入列車控制系統(tǒng)。GNSS目前以GPS為主，定位精度可達米一級。雖然衛(wèi)星定位信號會被隧道、建筑物、山等等遮擋，造成GPS局部無法定位，但通過GNSS與其它傳感器和數(shù)字地圖組合可以提高定位的可用性和完善性。不遠的將來，新的伽利略系統(tǒng)將投入運行，不僅會削弱對GPS的依賴，而且能提供民用服務保證。
在采用GNSS定位的基礎上，輔以組合定位技術，可以實現(xiàn)虛擬應答器。通過軟件處理GNSS組合定位單元的導航信息，實現(xiàn)應答器的功能。虛擬應答器可以實現(xiàn)列車定位而無需軌旁設備，它與ETCS標準定義的車載設備規(guī)范兼容。虛擬應答器在列車定位上的功能可以完全替代歐洲應答器。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種虛擬應答器的實現(xiàn)方法，該方法將GNSS支持的定位技術應用到列車控制系統(tǒng)中，輔以地圖匹配技術，實現(xiàn)虛擬應答器，從而減少對真實應答器的需求，甚至取代真實應答器，從而減低建設和維護費用。
本發(fā)明采用的技術方案如下，一種虛擬應答器的實現(xiàn)方法包括以下步驟， 步驟1，確定虛擬應答器的捕獲區(qū)域，定義捕獲區(qū)域為以虛擬應答器點為圓心，以r2為半徑作的圓，當前時刻虛擬應答器的捕獲半徑r2的計算公式為 r2＝(v0/2H+a/4H2+ξ)q 式中v0——列車當前速度，單位為m/s； H——頻率，單位為Hz； a——加速度，單位為m/s2； ξ——捕獲半徑的修正值，ξ＜L，L是兩次定位點之間的距離； q——控制捕獲率的系數(shù)，0＜q≤1。
步驟2，當前點尚未進入虛擬應答器的捕獲區(qū)域，虛擬應答器進入預捕獲狀態(tài)，當前的定位結果不會觸發(fā)虛擬應答器給出定位信息，預捕獲狀態(tài)的判斷條件為L≤L1且L2≥r2；L1為上一點到虛擬應答器點的距離，L2為當前點到虛擬應答器點的距離，L是兩次定位點即上一點到當前點的距離； 步驟3，當前點進入虛擬應答器的捕獲區(qū)域，虛擬應答器處于捕獲狀態(tài)，應答器捕獲的判斷條件為L2＜r2；如果L＞L1且L2≥r2，則為漏捕獲狀態(tài)； 步驟4，虛擬應答器捕獲位置后，產(chǎn)生與實際應答器相同的報文，傳遞給應答器傳輸模塊。
本發(fā)明的優(yōu)點在于使用該方法可以在保證定位精度以及列車位置信息可靠的情況下，實現(xiàn)虛擬應答器，節(jié)省大量成本。



圖1虛擬查詢應答器的功能原理圖； 圖2捕獲半徑示意圖； 圖3捕獲區(qū)域示意圖； 圖4預捕獲狀態(tài)示意圖； 圖5捕獲狀態(tài)示意； 圖6漏捕獲狀態(tài)示意； 圖中，L為上一點到當前點的距離，L1為上一點到虛擬應答器點的距離，L2為當前點到虛擬應答器點的距離，r2為當前時刻虛擬應答器的捕獲半徑。

具體實施例方式 下面結合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
。
虛擬應答器的定義如下虛擬應答器模擬一個真正放置在軌道上的應答器，當列車運行到軌道上的一個參考點時，虛擬應答器就向應答器傳輸模塊(BTM)發(fā)送一個位置信息，該信息與真正軌道上的應答器發(fā)送的信息完全一樣。虛擬應答器內部由三個模塊組成定位單元模塊、安全判別模塊、應答器(VB)模塊。如圖1所示 其中所述的定位單元模塊包括GNSS接收機，還有卡爾曼濾波器，在接收到GPS信號以后，對接收機的定位信息進行卡爾曼濾波。
所述的安全判別模塊包括安全性判別和地圖匹配兩個模塊，對定位單元傳輸來的位置信息進行判別，與數(shù)據(jù)庫中的地圖進行匹配。判定定位誤差。
所述的虛擬應答器(VB)模塊包括VB數(shù)據(jù)庫、VB捕獲器和VB信息產(chǎn)生器。VB數(shù)據(jù)庫保存了虛擬應答器的位置信息，當列車在軌道上運行的時候，列車位置信息經(jīng)安全判別模塊確認后將其傳遞給VB捕獲器，VB捕獲器通過動態(tài)預測，根據(jù)上一點列車定位的速度，將信息與VB數(shù)據(jù)庫中的位置信息進行捕獲運算，如果捕獲成功，VB信息產(chǎn)生器產(chǎn)生與實際應答器相兼容的報文信息遞給應答器傳輸模塊(BTM)，應答器傳輸模塊再將信息輸送給車載計算機處理。
虛擬應答器是用來實現(xiàn)實時定位的，為了實現(xiàn)實時、準確的定位，需要在列車正好經(jīng)過虛擬應答器所在的點的時候捕獲虛擬應答器。由于GPS接收機是在一定頻率下接收數(shù)據(jù)的，列車大部分情況下不能在虛擬應答器點處剛好接收到定位信息，因此必須以虛擬應答器所在點為中心設定一定的捕獲區(qū)域。定義以虛擬應答器點為圓心，該捕獲區(qū)域的半徑即為捕獲半徑，如圖2所示。
以下介紹捕獲半徑的推導過程 根據(jù)運動學公式，兩次定位點之間的距離為 Δs＝v0t+at2/2 因此捕獲半徑為 r＝Δs/2＝(v0t+at2/2)/2 考慮到邊界情況，即定位點在捕獲半徑的臨界點，為了防止這種臨界狀態(tài)的發(fā)生，需要給捕獲半徑加一個修正值ξ，此時捕獲半徑為 r＝(v0t+at2/2)/2+ξ 此時的捕獲半徑公式只能滿足捕獲率的要求，即在接收機定位正常的情況下能夠達到100％的捕獲率。由于捕獲率隨著捕獲半徑的增加而增加，捕獲精度隨著捕獲半徑的增加而降低，為了在捕獲率與捕獲精度之間找到一種平衡關系，還應該為捕獲半徑增加一個控制捕獲率和精度的系數(shù)q，即捕獲半徑為 r＝((v0t+at2/2)/2+ξ)q 用頻率和速度來表示捕獲半徑為 r＝(v0/2H+a/4H2+ξ)q 式中v0——列車當前速度，單位為m/s； H——頻率，單位為Hz； a——加速度，單位為m/s2； ξ——捕獲半徑的修正值； q——控制捕獲率的系數(shù)，取值范圍(0＜q≤1)。
捕獲半徑公式中的修正值ξ，是考慮到邊界情況即列車定位點在捕獲區(qū)域的臨界點，為了在此種情況下也能夠捕獲虛擬應答器，需要增大捕獲半徑，使列車定位點進入虛擬應答器的捕獲區(qū)域，因此需要給捕獲半徑增加一個修正值ξ，如圖3所示情況。
為了能夠在臨界點捕獲虛擬應答器，給虛擬應答器的捕獲半徑r增加修正值ξ后，列車定位的當前點進入虛擬應答器的捕獲區(qū)域，此時的捕獲半徑為r+ξ。如果ξ取值過大，則會使上一點和當前點都進入虛擬應答器的捕獲區(qū)域，為了避免這種情況的發(fā)生，ξ的取值就應該小于上一點和當前點兩點之間的距離Δs，即ξ＜Δs或可表示為ξ＜L。在速度變化的情況下，只要ξ＜Δsmin即可。以接收機頻率10Hz，列車加速度0.1m/s2計算，Asmin＝0.005。
為實現(xiàn)上述功能，本發(fā)明提供一種虛擬應答器的實現(xiàn)方法，步驟如下 步驟1，確定虛擬應答器的捕獲區(qū)域，定義捕獲區(qū)域為以虛擬應答器點為圓心，以r2為半徑作的圓，當前時刻虛擬應答器的捕獲半徑r2的計算公式為 r2＝(v0/2H+a/4H2+ξ)q 步驟2，當前點尚未進入虛擬應答器的捕獲區(qū)域，虛擬應答器進入預捕獲狀態(tài)，當前的定位結果不會觸發(fā)虛擬應答器給出定位信息，預捕獲狀態(tài)的判斷條件為L≤L1且L2≥r2；L1為上一點到虛擬應答器點的距離，L2為當前點到虛擬應答器點的距離，L是兩次定位點即上一點到當前點的距離；如圖4所示。
步驟3，當前點進入虛擬應答器的捕獲區(qū)域，虛擬應答器處于捕獲狀態(tài)，應答器捕獲的判斷條件為L2＜r2，如圖5所示；如果L＞L1且L2≥r2，則為漏捕獲狀態(tài)，如圖6所示。
步驟4，虛擬應答器捕獲位置后，產(chǎn)生與實際應答器相同的報文，傳遞給應答器傳輸模塊。
虛擬應答器捕獲成功后，就向車載查詢器發(fā)送一個位置信息。這個信息與真正的軌道上的歐洲應答器發(fā)送的信息完全相同。虛擬應答器的布置點，也就是虛擬應答器的參考點的信息(地理坐標、編號等等)保存在車載虛擬應答器數(shù)據(jù)庫和無線閉塞中心的數(shù)據(jù)庫里。
在非正常情況下，由于對捕獲精度的要求以及GPS接收機無法提供定位信息會造成漏捕獲。此時，如果GPS接收機無法提供定位信息的時間比較短，可以用擬合函數(shù)法外推若干點的速度；而如果無法提供的定位點數(shù)比較多只能等待GPS再次定位信息后重新初始化，從而實現(xiàn)捕獲。
使用上述實施案例，此外在軌道上鋪設查詢應答器。于是，機車可以通過GNSS系統(tǒng)的位置信息進行報文的接收也可以通過查詢應答器接收到的數(shù)據(jù)進行位置信息的更新從而進行數(shù)據(jù)的接收，因此可以保障鐵路行車安全。
權利要求
1.一種虛擬應答器的實現(xiàn)方法，其特征在于該方法包括以下步驟，
步驟1，確定虛擬應答器的捕獲區(qū)域，定義捕獲區(qū)域為以虛擬應答器點為圓心，以r2為半徑作的圓，當前時刻虛擬應答器的捕獲半徑r2的計算公式為
r2＝(v0/2H+a/4H2+ξ)q
式中v0——列車當前速度，單位為m/s；
H——頻率，單位為Hz；
a——加速度，單位為m/s2；
ξ——捕獲半徑的修正值，ξ＜L，L是兩次定位點之間的距離；
q——控制捕獲率的系數(shù)，0＜q≤1；
步驟2，當前點尚未進入虛擬應答器的捕獲區(qū)域，虛擬應答器進入預捕獲狀態(tài)，當前的定位結果不會觸發(fā)虛擬應答器給出定位信息，預捕獲狀態(tài)的判斷條件為L≤L1且L2≥r2；L1為上一點到虛擬應答器點的距離，L2為當前點到虛擬應答器點的距離，L是兩次定位點即上一點到當前點的距離；
步驟3，當前點進入虛擬應答器的捕獲區(qū)域，虛擬應答器處于捕獲狀態(tài)，應答器捕獲的判斷條件為L2＜r2；如果L＞L1且L2≥r2，則為漏捕獲狀態(tài)；
步驟4，虛擬應答器捕獲位置后，產(chǎn)生與實際應答器相同的報文，傳遞給應答器傳輸模塊。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種虛擬應答器的實現(xiàn)方法，其特征在于所述的虛擬應答器由三個模塊組成定位單元模塊、安全判別模塊、應答器模塊；所述的定位單元模塊包括GNSS接收機，還有卡爾曼濾波器，在接收到GPS信號以后，對接收機的定位信息進行卡爾曼濾波；所述的安全判別模塊包括安全性判別和地圖匹配兩個模塊，對定位單元傳輸來的位置信息進行判別，與數(shù)據(jù)庫中的地圖進行匹配，判定定位誤差；所述的虛擬應答器模塊包括VB數(shù)據(jù)庫、VB捕獲器和VB信息產(chǎn)生器。
全文摘要
本發(fā)明涉及鐵路系統(tǒng)中使用應答器實現(xiàn)精確定位，特別是一種低成本方式的虛擬應答器實現(xiàn)方法。虛擬應答器是用來實現(xiàn)實時定位的，以虛擬應答器所在點為中心設定一定的捕獲區(qū)域，列車經(jīng)過虛擬應答器所在的點捕獲區(qū)域內的時候進行捕獲，進而配合地圖匹配算法，得出列車在地圖上的精確位置。通過上述系統(tǒng)，可實現(xiàn)應答器相應的功能，從而達到節(jié)省成本保障行車安全的目的。
文檔編號B61L25/02GK101817354SQ201010152938
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權日2010年4月19日
發(fā)明者上官偉, 蔡伯根, 王劍, 陳德旺 申請人:北京交通大學