高铁定位装置及定位方法与流程

本发明具体涉及一种高铁定位装置及定位方法。

背景技术：

随着国家经济技术的发展和人们生活水平的提高，高铁因其运行速度快、舒适性好、性价比高等优点，已经逐渐成为了人们日常出行的首选交通方式。也正因为如此，高铁在运行过程中对自身的各种状态就进行监控就成为了重中之重。

高铁车辆在运行时，需要随时对自身的位置进行定位，从而能够有效的进行自身的控制。目前最为常用的高铁定位技术即为gps定位技术，而gps定位技术是全球目前为止最为成熟的定位技术。但是，高铁由于经常需要穿越隧道，因此采用gps定位模块进行自身定位时经常遇到隧道中gps没有信号或者信号非常微弱的情况，因此单独的gps定位模块无法准确、持续地进行高铁车辆定位。正因如此，现在已经开始采用gps+陀螺仪+加速度计组成的惯导系统进行高铁车辆的位置定位，由于惯导系统不存在信号盲区等问题，因此惯导系统能够较好的完成高铁车辆的位置定位。但是，惯导系统却存在成本高昂的问题，而且其均存在累积误差，因此在高铁定位时其定位精度相对较低，此外惯导系统的维护也非常麻烦。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种定位精准、维护方便、成本低廉的高铁定位装置。

本发明的目的之二在于提供一种所述高铁定位装置的定位方法。

本发明提供的这种高铁定位装置，包括电源模块，第一gnss定位模块，第一控制模块和数据接口电路，还包括雷达测速模块和加速度检测模块；电源模块用于为所述高铁定位装置供电；第一gnss定位模块用于采用全球卫星定位系统对高铁进行实时定位并将定位信息上传第一控制模块；雷达测速模块安装在高铁车辆车顶，用于对隧道洞壁或高铁架空线缆发射雷达波并接收隧道洞壁或高铁架空线缆反射的雷达波，从而对高铁车辆的运行速度进行检测并将检测信息上传第一控制模块；加速度检测模块安装在车体上，用于检测高铁车辆的运行加速度信息并将检测信息上传第一控制模块；第一控制模块用于根据接收的高铁车辆的gnss定位信息、车辆速度信息和车辆运行加速度信息对高铁进行定位，并将定位信息和所述高铁定位装置的工作状态信息通过接口电路与外部进行数据通信。

所述的高铁定位装置还包括外扩ddr模块；外扩ddr模块与第一控制模块连接，用于储存和运行高铁定位装置的程序。

所述的高铁定位装置还包括外扩flash模块；外扩flash模块与第一控制模块连接，用于储存高铁定位装置的数据。

所述的gnss定位模块为gps定位模块、glonass定位模块、galileo定位模块或北斗定位模块。

所述的第一控制模块采用型号为xc7z020clg484i的soc芯片构成的第一控制模块。

所述的数据接口电路包括以太网数据接口电路、串口数据接口电路和4g通信电路。

所述的雷达测速模块采用型号为er-cr的雷达测速模块。

所述的加速度检测模块采用型号为mma7361的三轴加速度计检测模块。

所述的加速度检测模块包括加速度传感器和ad转换电路；加速度传感器有三个，以x-y-z轴的方式安装在高铁车辆机壳的三个轴面上并检测高铁车辆的在三个方向上的加速度，所述三轴加速度传感器中的x轴为高铁车辆前进方向，z轴为重力方向，y轴与x、z轴成右手坐标系，并将检测到的加速度信息通过ad转换电路上传第一控制模块。

所述的加速度传感器采用型号为jb4的石英加速度传感器。

所述的ad转换电路采用型号为ad7609的ad转换芯片构成的电路。

所述的高铁定位装置还包括第二gnss定位模块、第二控制模块和cpld信号转换电路；第二gnss定位模块与第二控制模块直接连接，雷达测速模块、加速度检测模块和数据接口电路通过cpld信号转换电路同时连接第一控制模块化和第二控制模块；第一控制模块和第二控制模块采用总线连接并通信；第一控制模块和第二控制模块互为冗余备份，第一gnss定位模块和第二gnss定位模块互为冗余备份。

本发明还提供到了所述高铁定位装置的定位方法，包括如下步骤：

s1.获取三轴加速度传感器检测的加速度值与高铁车辆的实际加速度值之间的转换系数矩阵从而将三轴加速度传感器的安装误差进行修正；

s2.在gnss定位系统有效的情况下，利用gnss定位系统直接获取高铁车辆的定位信息，将该定位信息与测绘数据库中已有的测绘信息进行比对，并按照如下规则确定是否需要进行新建线路的定位：

若定位信息存在于测绘数据库中，或定位信息在测绘数据库中已有的铁路路轨信息周围半径为x米的范围内，x为自然数，则认定高铁车辆位于已经测绘过的铁路路轨上，则依据现有的铁路路轨信息，采用如下公式对高铁车辆进行定位：

poutput＝pgps+vradat

式中poutput为高铁车辆的定位信息，pgps为gnss定位系统对高铁车辆的当前定位信息，vrada为雷达测速模块检测到的高铁车辆运行速度信息，t为下一个定位预测点的时间与当前时间的差值；

若定位信息不存在于测绘数据中，且定位信息不在测绘数据库中已有的铁路路轨信息周围半径为x米的范围内，x为自然数，则认定高铁车辆位于新建的铁路路轨上，则开始对车辆进行定位；

s3.计算高铁车辆与水平面的夹角；

s4.根据高铁车辆的与水平面的夹角计算高铁车辆所行驶的轨道的外轨超高值，并依据得到的外轨超高值和高铁车辆轨道设计规范判定高铁车辆所行驶的位置为直线轨道、缓和曲线轨道或圆曲线轨道；

s5.根据高铁车辆所行驶的位置，采用如下规则进行高铁车辆的定位：

若高铁车辆行驶在直线轨道上，则利用最后一次gnss定位系统对高铁车辆的定位信息和雷达测速模块测得的高铁车辆的行驶速度对高铁车辆进行定位；

若高铁车辆行驶在缓和曲线上，则利用最后一次gnss定位系统对高铁车辆的定位信息、高铁车辆轨道设计规范所规定的缓和曲线的线型和雷达测速模块测得的高铁车辆的行驶速度对高铁车辆进行定位；

若高铁车辆行驶在圆曲线上，则利用缓和曲线的定位结果和雷达测速模块测得的高铁车辆的行驶速度对高铁车辆进行定位。

步骤s1所述的获取三轴加速度传感器检测的加速度值与高铁车辆的实际加速度值之间的转换系数矩阵，具体为采用如下算式获取转换系数矩阵：

式中为转换系数矩阵，n为列车在校正阶段的试验次数，m^b＝[g^b直平匀a^{b直平加速}g^b直平匀×a^{b直平加速}]，m^m＝[g^m直平匀a^{m直平加速}g^m直平匀×a^{m直平加速}]，g^b直平匀为列车自身在直线水平线路匀速行驶时的重力加速度值，a^{b直平加速}为列车自身在直线水平线路加速行驶时的加速度值，g^m直平匀为列车在直线水平线路匀速行驶时的三轴加速度传感器检测到的重力加速度值，a^{m直平加速}为列车在直线水平线路加速行驶时的三轴加速度传感器检测到的加速度值。

步骤s3所述的计算高铁车辆与水平面的夹角，具体为采用如下步骤计算高铁车辆与水平面的夹角：

a.采用如下算式计算高铁车辆的x轴、z轴与水平面的夹角：

式中θ和β为高铁车辆的x轴、z轴与水平面的夹角；为三轴加速度传感器测量到的高铁车辆在x、z轴两个方向的加速度值；g为重力加速度值；v1和v2为雷达测速模块两次检测的高铁车辆的速度值，t1和t2为雷达测速模块两次检测的高铁车辆速度的时间；

b.根据步骤a计算得到的高铁车辆的x轴、z轴与水平面的夹角，计算高铁车辆的y轴与水平面的夹角：

步骤s4所述的判定高铁车辆所行驶的位置为直线轨道、缓和曲线轨道或圆曲线轨道，具体为采用如下规则判定高铁车辆所行驶的位置：

若外轨超高值小于或等于设定的阈值a，则判定高铁车辆行驶在直线轨道上；

若外轨超高值大于阈值a且小于或等于阈值b，则判定高铁车辆行驶在缓和曲线上；

若外轨超高值大于阈值b且持续不变，则判定高铁车辆行驶在圆曲线上。

步骤s5所述的对直线轨道上的高铁车辆进行定位，具体为采用如下公式进行直线轨道的高铁车辆进行定位：

poutput＝p0gps+vradat

其中poutput为高铁车辆直线轨道的定位信息，p0gps为gnss定位系统对最后一次对高铁车辆定位时的定位信息，vrada为雷达测速模块检测到的高铁车辆运行速度信息，t为下一个定位预测点的时间与当前时间的差值。

步骤s5所述的对缓和曲线的高铁车辆进行定位，具体为采用如下步骤进行缓和曲线的高铁车辆进行定位：

a.高铁车辆记录从直线线路进入缓和曲线线路的时间点tzh和从缓和曲线线路进入圆曲线线路的时间点thy，从而得到缓和曲线的总长度式中v为雷达测速模块检测到的高铁车辆的运行速度；

b.采用如下算式得到缓和曲线的测绘结果：

式中y为缓和曲线上的任意坐标点m的纵坐标，l为点m距缓和曲线与直线的交点之间的曲线的长度，即高铁车辆从缓和曲线与直线的交点行驶至点m的总行驶距离，r为缓和曲线所连接的圆曲线的半径；

c.采用如下公式进行高铁车辆进行定位：

poutput＝p0gps+vradat

其中poutput为高铁车辆的定位信息，p0gps为gnss定位系统对最后一次对高铁车辆定位时的定位信息，vrada为雷达测速模块检测到的高铁车辆运行速度信息，t为下一个定位预测点的时间与当前时间的差值。

步骤s5所述的对圆曲线的高铁车辆进行定位，具体为采用如下步骤进行圆曲线的高铁车辆的定位：

(1)采用如下算式计算圆曲线的半径r：

式中v为高铁车辆行驶的速度，为测量的高铁车辆在y轴上的加速度，g为重力加速度，v1和v2为雷达测速模块两次检测的高铁车辆的速度值，t1和t2为雷达测速模块两次检测的高铁车辆速度的时间，为测量的高铁车辆在y轴上的加速度，为测量的高铁车辆在y轴上的加速度；

(2)采用如下算式计算圆曲线的长度：

式中v为高铁车辆行驶的速度，t1和t2为高铁车辆行驶的时间；

(3)采用如下公式进行高铁车辆进行定位：

poutput＝p0gps+vradat

其中poutput为高铁车辆的定位信息，p0gps为gnss定位系统对最后一次对高铁车辆定位时的定位信息，vrada为雷达测速模块检测到的高铁车辆运行速度信息，t为下一个定位预测点的时间与当前时间的差值。

本发明提供的这种高铁定位装置及定位方法，通过雷达测速传感器和加速度传感器获取高铁车辆的速度信息和加速度信息，并结合现有的gnss定位方式，克服了传统高铁定位时遇到隧道等无gnss信号则无法对高铁车辆进行定位的缺点，从而实现了高铁车辆全路段的实时定位和位置的实时获取，而且本发明定位精准、维护方便、成本低廉。

附图说明

图1为本发明的高铁定位装置的功能模块图。

图2为本发明的定位方法的方法流程图。

图3为本发明的定位方法中高铁车辆自身坐标与水平面的夹角关系示意图。

图4为本发明的定位方法中缓和曲线轨道的示意图。

图5为本发明的定位方法中圆曲线轨道的示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的高铁定位装置的功能模块图：本发明提供的这种高铁定位装置，包括电源模块，第一gnss定位模块，第一控制模块、数据接口电路、雷达测速模块、加速度检测模块、第二gnss定位模块、第二控制模块、cpld信号转换电路、外扩ddr模块和外扩flash模块；电源模块用于为所述高铁定位装置供电；第一gnss定位模块用于采用全球卫星定位系统对高铁进行实时定位并将定位信息上传第一控制模块；雷达测速模块安装在高铁车辆车顶，用于对隧道洞壁或高铁架空线缆发射雷达波并接收隧道洞壁或高铁架空线缆反射的雷达波，从而对高铁车辆的运行速度进行检测并将检测信息上传第一控制模块；加速度检测模块安装在车体上，用于检测高铁车辆的运行加速度信息并将检测信息上传第一控制模块；第一控制模块用于根据接收的高铁车辆的gnss定位信息、车辆速度信息和车辆运行加速度信息对高铁进行定位，并将定位信息和所述高铁定位装置的工作信息通过数据接口电路与外部进行数据通信；第二gnss定位模块与第二控制模块直接连接，雷达测速模块、加速度检测模块和数据接口电路通过cpld信号转换电路同时连接第一控制模块化和第二控制模块；第一控制模块和第二控制模块采用总线连接并通信；第一控制模块和第二控制模块互为冗余备份，第一gnss定位模块和第二gnss定位模块互为冗余备份；外扩ddr模块与第一(或第二)控制模块连接，用于储存和运行高铁定位装置的程序；外扩flash模块与第一(或第二)控制模块连接，用于储存高铁定位装置的数据。

gnss定位模块可以采用gps定位模块、glonass定位模块、galileo定位模块或北斗定位模块；第一和第二控制模块采用型号为xc7z020clg484i的soc芯片构成的控制模块；数据接口电路包括以太网数据接口电路、串口数据接口电路和4g通信电路；雷达测速模块采用型号为er-cr的雷达测速模块；加速度检测模块可以有两种方法，一种为采用型号为mma7361的三轴加速度计检测模块；另一种则包括加速度传感器和ad转换电路；加速度传感器有三个，以x-y-z轴的方式安装在高铁车辆机壳的三个轴面上并检测高铁车辆的在三个方向上的加速度，所述三轴加速度传感器中的x轴为高铁车辆前进方向，z轴为重力方向，y轴与x、z轴成右手坐标系，并将检测到的加速度信息通过ad转换电路上传第一控制模块，加速度传感器采用型号为jb4的石英加速度传感器，而ad转换电路采用型号为ad7609的ad转换芯片构成的电路。

如图2所示为本发明的定位方法的方法流程图：本发明提供的这种高铁定位装置的定位方法，包括如下步骤：

s1.获取三轴加速度传感器检测的加速度值与高铁车辆的实际加速度值之间的转换系数矩阵从而三轴加速度传感器的安装误差进行修正；

由于三轴加速度传感器在安装时，不可能完全与高铁车辆在水平面上行驶时的坐标系完全重合，因此三轴加速度传感器所检测得到的三轴加速度值a^m并非高铁车辆自身实际的三轴加速度值，而是需要进行修正后才能够得到高铁车辆的实际加速度值；具体的修正过程如下：

假定转换系数矩阵为即a^m即三轴加速度传感器检测到的加速度值，a^b为高铁车辆自身的加速度值；

当列车在平直路段匀速行驶时，列车在收到的加速度仅为重力加速度即：

当列车在平直路段加速行驶时，列车在收到的加速度仅为重力加速度即：

由此得到的测量坐标系和本体坐标系的信息矩阵之间的关系为：

因此，转换矩阵的计算则为采用如下算式获取转换系数矩阵：

式中为转换系数矩阵，n为列车在校正阶段的试验次数，m^b＝[g^b直平匀a^{b直平加速}g^b直平匀×a^{b直平加速}]，m^m＝[g^m直平匀a^{m直平加速}g^m直平匀×a^{m直平加速}]，g^b直平匀为列车自身在直线水平线路匀速行驶时的重力加速度值，a^{b直平加速}为列车自身在直线水平线路加速行驶时的加速度值，g^m直平匀为列车在直线水平线路匀速行驶时的三轴加速度传感器检测到的重力加速度值，a^{m直平加速}为列车在直线水平线路加速行驶时的三轴加速度传感器检测到的加速度值；

s2.在gnss定位系统有效的情况下，利用gnss定位系统直接获取高铁车辆的定位信息，将该定位信息与测绘数据库中已有的测绘信息进行比对，并按照如下规则确定是否需要进行新建线路的定位：

若定位信息存在于测绘数据库中，或定位信息在测绘数据库中已有的铁路路轨信息周围半径为x米的范围内，x为自然数，则认定高铁车辆位于已经测绘过的铁路路轨上，则依据现有的铁路路轨信息，采用如下公式对高铁车辆进行定位：

poutput＝pgps+vradat

式中poutput为高铁车辆的定位信息，pgps为gnss定位系统对高铁车辆的当前定位信息，vrada为雷达测速模块检测到的高铁车辆运行速度信息，t为下一个定位预测点的时间与当前时间的差值；

若定位信息不存在于测绘数据中，且定位信息不在测绘数据库中已有的铁路路轨信息周围半径为x米的范围内，x为自然数(比如100m范围)，则认定高铁车辆位于新建的铁路路轨上，则开始对车辆进行定位；

s3.计算高铁车辆与水平面的夹角；具体为采用如下步骤计算高铁车辆与水平面的夹角：

a.采用如下算式计算高铁车辆的x轴、z轴与水平面的夹角(如图3所示)：

式中θ和β为高铁车辆的x轴、z轴与水平面的夹角；为三轴加速度传感器测量到的高铁车辆在x、z轴两个方向的加速度值；g为重力加速度值；v1和v2为雷达测速模块两次检测的高铁车辆的速度值，t1和t2为雷达测速模块两次检测的高铁车辆速度的时间；

b.根据步骤a计算得到的高铁车辆的x轴、z轴与水平面的夹角(如图3所示)，计算高铁车辆的y轴与水平面的夹角：

在高铁车辆的外轨高差倾角测量时，其精度大致如下：

若采用精度为10^-6g的加速度计测量加速度，则加速度计的精度与0.1％的测速精度相比精度要高几个量级，因此在整个测量过程中由加表引起的误差可以忽略不计。而计算误差由测速误差决定，因此有：

式中δv1为测速误差，以京沪高铁计算设定时速350km/h，转弯半径7000m，测速误差0.1％，加表精度10^-6g，最大爬坡0.2％，δα累积误差约为0.0144°，折合外轨超检测误差为0.377mm；

s4.根据高铁车辆的与水平面的夹角计算高铁车辆所行驶的轨道的外轨超高值，并依据得到的外轨超高值和高铁车辆轨道设计规范判定高铁车辆所行驶的位置为直线轨道、缓和曲线轨道或圆曲线轨道；由于我国高铁有着严格的设计规范，因此高铁车辆的轨道同样有着非常严格的设计规范，具体为采用如下规则判定高铁车辆所行驶的位置：

若外轨超高值小于或等于设定的阈值a，则判定高铁车辆行驶在直线轨道上(即直线轨道的外轨超高值必须小于一个较小值，以保证直线行驶时高铁车辆的平稳性和舒适性)；

若外轨超高值大于阈值a且小于或等于阈值b，则判定高铁车辆行驶在缓和曲线上(由于高铁列车转弯时，需要由外轨超高的方式来提供一部分的向心力，而高铁列车转弯是采用圆曲线转换，而高铁车辆在直线轨道进入圆曲线轨道时，其外轨超高值将从直线轨道的外轨超高值连续变换到最终的圆曲线所需要的外轨超高值，因此在缓和曲线阶段，其外轨超高值是介于两者之间且随里程均匀增大或减小；

若外轨超高值大于阈值b且持续不变，则判定高铁车辆行驶在圆曲线上；

s5.根据高铁车辆所行驶的位置，采用如下规则进行高铁车辆的定位：

若高铁车辆行驶在直线轨道上，则利用最后一次gnss定位系统对高铁车辆的定位信息和雷达测速模块测得的高铁车辆的行驶速度对高铁车辆进行定位；具体为采用如下公式进行直线轨道的高铁车辆进行定位：

poutput＝p0gps+vradat

其中poutput为高铁车辆直线轨道的定位信息，p0gps为gnss定位系统对最后一次对高铁车辆定位时的定位信息，vrada为雷达测速模块检测到的高铁车辆运行速度信息，t为下一个定位预测点的时间与当前时间的差值；

若高铁车辆行驶在缓和曲线上(如图4所示)，则利用最后一次gnss定位系统对高铁车辆的定位信息、高铁车辆轨道设计规范所规定的缓和曲线的线型和雷达测速模块测得的高铁车辆的行驶速度对高铁车辆进行定位；

缓和曲线指的是铁路线路平面，在直线与圆曲线，圆曲线与圆曲线之间设置的曲率连续变化的曲线，它是设置在直线与圆曲线之间或半径相差较大的两个转向相同的圆曲线之间的一种曲率连续变化的曲线。缓和曲线具有以下几何特征：缓和曲线连接直线和半径为r的圆曲线，其曲率由零至1/r逐渐变化；缓和曲线的外轨超高，由直线上的零值逐渐增至圆曲线的超高度，与圆曲线超高相连接；因此，具体为采用如下步骤进行缓和曲线的高铁车辆进行定位：

a.高铁车辆记录从直线线路进入缓和曲线线路的时间点tzh和从缓和曲线线路进入圆曲线线路的时间点thy，从而得到缓和曲线的总长度式中v为雷达测速模块检测到的高铁车辆的运行速度；

b.采用如下算式得到缓和曲线的测绘结果：

式中y为缓和曲线上的任意坐标点m的纵坐标，l为点m距缓和曲线与直线的交点之间的缓和曲线的长度，即高铁车辆从缓和曲线与直线的交点行驶至点m的总行驶距离，r为缓和曲线所连接的圆曲线的半径；

c.采用如下公式进行高铁车辆进行定位：

poutput＝p0gps+vradat

其中poutput为高铁车辆的定位信息，p0gps为gnss定位系统对最后一次对高铁车辆定位时的定位信息，vrada为雷达测速模块检测到的高铁车辆运行速度信息，t为下一个定位预测点的时间与当前时间的差值；

按照列车时速300km/h，京沪高铁最小转弯半径7000m，雷达测速精度0.1％，gps定位精度10m，最大预测时间0.075s，进行计算可得输出定位误差为16.3m；

若高铁车辆行驶在圆曲线上(如图5所示)，则利用缓和曲线的定位结果和雷达测速模块测得的高铁车辆的行驶速度对高铁车辆进行定位；具体为采用如下步骤进行圆曲线的高铁车辆的定位：

(1)采用如下算式计算圆曲线的半径r：

式中v为高铁车辆行驶的速度，为测量的高铁车辆在y轴上的加速度，g为重力加速度，v1和v2为雷达测速模块两次检测的高铁车辆的速度值，t1和t2为雷达测速模块两次检测的高铁车辆速度的时间，为测量的高铁车辆在y轴上的加速度，为测量的高铁车辆在y轴上的加速度；

若采用了高精度(精度为10^-6g)的加速度传感器，因此加速度传感器的测量误差相比于测速模块的误差可以忽略，因此误差表达式为：

以京沪高铁计算设定时速350km/h，转弯半径7000m，测速误差0.1％，加表精度10-6g，最大爬坡0.2％，δr累积误差约为11.2348m；

(2)采用如下算式计算圆曲线的长度：

式中v为高铁车辆行驶的速度，t1和t2为高铁车辆行驶的时间；

若运行时速300km/h，测速误差0.1％，累积时间600s，可得累积纵向里程误差50m；

(3)采用如下公式进行高铁车辆进行定位：

poutput＝p0gps+vradat

其中poutput为高铁车辆的定位信息，p0gps为gnss定位系统对最后一次对高铁车辆定位时的定位信息，vrada为雷达测速模块检测到的高铁车辆运行速度信息，t为下一个定位预测点的时间与当前时间的差值。