专利名称：铁路导航系统的制作方法
本申请讲授的发明涉及下列共同待批专利申请火车制动性能监视器。该参考专利申请于
申请，并已转让于本发明的受让人。把该参考专利申请所讲授的援引于此，以作参考。
本发明一般涉及铁路导航系统，本发明尤其涉及使用无线电导航系统、航向指示器或转弯率(转弯程度turn rate)指示器和里程表的无线电导航系统，以提供轨道标识和轨道定位。
在本发明之前，如铁路工业中众所周知的，具有确定轨迹ID能力的火车定位系统总是需要一些地面基础构造。这一般是通过使用轨道电路和/或轨道脉冲转发器来完成的。
已经用全球定位系统(GPS)作为唯一的定位装置进行了试验。在这种试验中，确定GPS系统要求高的精度，所以必须周期地对GPS系统获得的位置进行校正。在这些系统中的这些校正是从向火车上的接收机发射校正信号的地面站获得。
在本发明之前，也已知开发了一些公路型车辆的导航系统，它使用GPS系统来确定车辆相对于街道数据库的近似位置。通过把车辆的近似位置与有关于其行进的方向信息相关联，有时可以确定车辆在数据库中的位置。在这种系统中不可能确定车辆在一组平行和相邻的车道的哪一条上行进。
在第一方面，本发明提供一种行进在轨道系统上的的铁路车辆的导航系统。该系统使用带有表示铁路线位置(包括弯道和岔道的位置)的轨道数据库的车上计算机。该系统具有速度测量装置，它可以是一个带有对时间进行微分以提供速度信号的里程表。该系统使用转弯率指示器和速度测量装置，以获得铁路车辆运行的轨道的曲率(curvature)值。把该数据与轨道数据库内的数据比较，确定车辆相对于设置在轨道系统内的弯道和岔道的位置。该位置至少可以用于向铁路车辆的操作者进行显示，作为向铁路车辆的预定的控制装置的输入，或者作为计算机系统中进行计算的信号。
在第二方面，本发明提供一种在轨道系统内行进的铁路车辆的导航系统。在该实施例中，该系统使用GPS接收机来产生表示可以是一近似位置的车辆位置的信号。该系统还使用里程表来产生表示位置的另一个信号和指示速度的信号，使用转弯指示器来产生指示相对于设置在轨道系统内弯道和/或岔道的位置的信号。该系统有一个车上计算机系统，它包括设置在其内的轨道系统数据库。车上计算机把GPS接收机、里程表和转弯指示器或航向指示器的信息结合起来，产生指示车辆位置的信号。该最终的位置可以比从GPS接收机获得的位置更精确，可以获得轨道系统上远离弯道和岔道的点的位置的值。
在另一个方面，本发明提供一种确定铁路车辆在轨道系统的轨道上行进的轨道标识的方法。在铁路车辆上设置一个计算机系统，该计算机系统设置有一个具有定义轨道系统的弯道和岔道以及其它轨道标识的位置与方向信息的数据库。该方法包括下列步骤把指示铁路车辆近似位置的信号以及指示铁路车辆改变航向的时间的信号提供给计算机系统。也把指示里程表读数的信号提供给计算机系统。计算机系统使用上面引用的信息产生指示轨道系统的特定岔道的信号，并改变在岔道上移动得到的轨道标识。
因此，本发明的一个主要目的在于提供一种铁路导航系统的方法和装置，它以提供轨道I.D.以及火车在轨道系统上行进的位置，而不需要使用诸如轨道电路和/或脉冲转发器等地面基础构造。
本发明的另一个目的在于提供一种铁路导航系统的方法和装置，它可以提供轨道I.D.以及火车在轨道系统上的位置，而不需要全球定位系统结合多个向设置在火车上的导航系统发送校正信号的地面站进行极其精确的定位。
本发明的再一个目的在于提供一种铁路导航系统的方法和装置，它表现出足够的精度以确定火车在一组平行和相邻的轨道上的哪一条轨道上行进。
本发明的另一个目的在于提供一种维护较简单的铁路导航系统的装置。
本发明的又一个目的在于提供一种容易安装的铁路导航系统的方法和装置。
除了上面已一般描述的本发明的各种目的和优点之外，对于铁路导航技术领域的熟练人员根据下面对本发明更详细的描述可以较容易地理解本发明的其它各种目的和优点，下面结合附图和所附的权利要求书进行详细描述。
图1是根据本发明的装置的较佳实施例的车上计算机系统以及其驱动的输入端与位置显示器的示意图。
在全部本申请中，使用术语铁路车辆。对于如此处所用的货运列车，安装有本系统的铁路车辆多半是机车。然而于客运列车，安装有本系统的铁路车辆多半是运载火车操作者的车辆。
现在尤其参见图1。图中所示的是铁路导航系统的较佳实施例，一般用10表示。该铁路导航系统10设置在列车的铁路车辆上。系统10包括计算机，一般用20表示。计算机20包括中央处理单元22、轨道数据库和指令25。
GPS接收机30通过通信路线32向计算机20的输出端34提供信号。该信号提供有关该铁路车辆或者另一辆铁路车辆地理位置的相关信息，它还可以提供航向信息。
铁路导航系统10还包括一里程表40，它通过通信路线42向计算机20的输入端44提供信号。计算机20还装备成通过通信路线52和输入端54从转弯率指示器50接转弯率信息。
在本发明的较佳实施例中，铁路车辆的操作者可以通过操作者输入设备60、通信路线62和输入端64向计算机20提供另外的输入。例如操作者输入设备60可以是设置在机车的驾驶室内的计算机键盘或者显示功能键(未示出)。
计算机20通过通信路线72从输出端74向位置显示器70提供信号。位置显示器70向铁路车辆操作者显示信息。这种位置显示器70的用途是通知火车操作者火车相对于轨道系统的精确位置。
本发明最主要方面是提供在轨道车辆上行进的铁路车辆的导航系统10。该系统10使用带有安装在其内的表示铁路线装置的轨道数据库24。这种轨道数据库24包括设置在轨道系统内的弯道的岔道的位置。
另外，导航系统10使用转弯率指示器50和里程表40。里程表40可以包括车轮转数传感装置。可以把从里程表40得到的信号对时间进行微分，以获得铁路车辆的速度。通过把该速度与转弯率相结合，可以获得车辆运行的轨道的曲率值。把该曲率数据与轨道数据库内的数据比较，确定铁路车辆相对于轨道系统的弯道与岔道的位置。该数据还可以用于获得铁路车辆正在运行的轨道的轨道标识。
本发明的导航系统10还可以包括检测和产生表示铁路车辆正通过轨道系统中具有从正到负或从负到正变换的曲率的区域的事件的信号。在本实施例中，导航系统10可以把该信号用于指示铁路车辆已经转换到轨道系统的相邻轨道上。该数据还可以用于获得铁路车辆正在运行的轨道的轨道标识，以把该轨道标识传输给操作者显示器或者铁路车辆的控制装置。
导航系统10还可以用里程表40，确定铁路车辆在远离轨道系统的弯道和岔道的直线部分时的位置，并向操作者显示器和/或铁路车辆的控制装置产生指示该位置的信号。
导航系统10还可以具有一个一般用60表示的装置，以允许火车的操作者向车上计算机20手动输入轨道标识和沿轨道的位置。较佳地，这种装置60为显示单元上的小键盘。
在另一个可选的方面，导航系统10可以包括一GPS接收机30。该GPS接收机30向导航系统10提供铁路车辆相对于诸如经度或纬度的全球坐标的位置。GPS接收机30还可以提供航向信息。可以预料，该GPS接收机30的精度适于鉴别铁路车辆所在的弯道或岔道，但也可以预料，它本身的精度不足以确定车辆位于一组相邻平行的轨道中的哪一条轨道。该GPS接收机30从地球轨道卫星的发射机接收信号。
本发明的较佳实施例中的里程表40可以包括车轮转数传感装置，它指示铁路车辆的车轮的角度移动。
导航系统10还进一步包括获得车轮直径的校准信号的装置，以使里程表40的距离测量功能更精确。这可以通过这样来实现，例如或用GPS接收机基准数据，或获得铁路车辆对设置在轨道系统内的弯道或岔道的关系来在轨道上建立两个位置。把数据库来的该两位置之间的距离与从里程表40得到的在该两位置上的信号之间的差值进行比较，可以校准车轮直径。这用于补偿车轮的磨损。
该导航系统10还可以包括用于检测轨道系统的直线部分并对该直线部分进行校准的装置。这是更希望有的定位，因为例如在弯道上，任何车轴的右轮或左轮必定是打滑的。
在本较佳实施例中，转弯率指示器50可以是陀螺仪，陀螺仪最好是固态陀螺仪。另一方面，转弯率还可以根据航向数据的变化从GPS系统30获得。
值得注意的是虽然不带地面校正的GPS系统的精确度不足以确定铁路车辆位于两平行的相邻轨道的哪一条轨道上，但仍可以用GPS系统的航向数据检测铁路车辆转换到一条相邻平行轨道上的情况。这是因为岔道总是会引起铁路车辆通过这些岔道时航向明显的变化。
根据本发明的较佳实施例，导航系统10包括确定GPS接收机30不起作用，并在这种情况下，指令计算机系统20根据里程表40和转弯率指示器50的相对于该计算机系统20内的轨道数据库的信息来确定位置。GPS接收机30不起作用可以发生在例如过大的无线电干扰期间，或者在铁路车辆穿越隧道或者在大桥下面。
又一方面，本发明提供一种确定铁路车辆在轨道系统上运行的轨道标识的方法。在铁路车辆上设置一个计算机系统20，该计算机系统20设置有指示具有定义轨道系统的弯道、岔道和轨道标识的位置和方向信息的轨道数据库的信号。计算机系统20还较好地设置有表示铁路车辆的近似位置的信号。另外，计算机系统20至少设置有一个表示铁路车辆的航向的信号。计算机系统20还进一步设置有表示里程信息或速度的信号。
根据本发明，把计算机系统20的程序编制成根据铁路车辆的近似位置和该铁路车辆的航向确定铁路车辆通过轨道系统的岔道的情况。在那附近定义一个特定的岔道，由此，定义一个轨道标识。可以用全球定位系统提供本方法所用的铁路车辆近似位置。
本发明的方法可以进一步包括下列步骤用表示里程的信息或者表示速度的信号确定运行在轨道系统上的铁路车辆的位置。可以根据在铁路车辆通过位于轨道系统内的岔道或弯道时获得的航向信息更新指示位置的信号。
现在转到最佳实施例，应当注意本发明依赖的技术正在迅速变化，落入本发明的权利要求书的精神和范围内的进一步实施例可以与本最佳实施例显著不同。
当前，计算机系统20可以是使用诸如“486”或者Intel Pentium(英特公司的奔腾)等微处理器的加固计算机。轨道数据库24和指令25可以通过软盘驱动器、串行端口、高速调制解调器等输入。位置显示器70可以是诸如阴极射线管、液晶显示器或者发光二极管显示器等加固显示监视器。
该计算机和显示器可以专用于本系统，或者也可以用于其它系统。一般，每当火车运行时，计算机周期性地运行一些指令，以保持跟踪火车的位置。
全球定位系统没有必要使用需要在固定地点上的地面站与火车之间有通信链路的差分校正。本发明的装置和方法使它可以确定轨道的I.D.以及火车位置，而无需对从全球定位系统获得的位置坐标进行差分校正。
较好地GPS系统30提供诸如纬度和经度的位置坐标，也提供表示机车速度和航向的数据。本全球定位系统能根据与卫星信号内的“可选有效”位置误差系数无关的多普勒位移测量提供运行的车辆的速度和航向数据。
本发明的较佳实施例还使用转弯率指示器50，它可以是对水平方向的转弯轴向敏感的陀螺仪。也可以用固态陀螺仪。
计算机系统20最好从全球定位系统接收航向信息和转弯率信息作为对其的输入。该计算机系统20应当设置变量来表示航向信息和转弯率信息，它们可以由本系统的其它程序进行访问。如果计算机系统20计算得到的航向的时间变化率与转弯率信息不一致，应当向火车操作者发适指示。
在本技术领域中，里程表40是产生脉冲(火车车轮每转的已知数)的装置。对于该信息，计算机系统20可以把计数得到的脉冲数乘以校准参数计算行进的距离。校准参数随车轮的直径变化。计算机系统20起初应具有校准参数的初始值。
计算机系统20可以有识别轨道系统的直线部分的程序，并在轨道的该部分上没有请求制动的情况下，根据火车定位的知识获得两种场合以及这些场合时的脉冲计数时的校准参数。最好有一个装置在计算机系统20内把表示在轨道系统上的一些区域行进的距离的参数设置为0。这可以是计算里程标志数据的区域。
最好是计算机系统20计算火车沿轨道运行时的速度的值。这可以根据例如里程表40的两个脉冲之间的时间倒数获得。
应当为火车的操作者设置装置60，以向计算机系统20提供信息的输入手段。该装置60可以包括加固的计算机键盘。程序应当在开始运行时向操作者提供进行输入的机会。这些输入可以包括轨道I.D.和里程标志信息。该程序还应为操作者提供有选择地在火车运行时向计算机系统20输入这些数量的方法。
较佳的是在计算机系统20内设置用轨道数据库和目前已知的位置计算表示航向的变量值和表示转弯率的变量值的程序。例如，可以根据转弯率信息和火车速度获得轨道曲率。计算机系统20应当把这与轨道数据库内弯道和岔道的曲率一致。同样，可以把表示航向的变量值与轨道数据库内的航向信息进行比较。
可以根据航向或曲率信号与轨道数据库内的信号之间小的不一致更新表示位置的变量值。如果计算机系统20不能在接近其计算得到的位置的轨道数据库的该部分的航向或曲率信号之间进行匹配，则应向火车的操作者送出一信号。
计算机系统20程序应编制成如果无线电导航系统发生停机，则仍可以根据定义相对于轨道系统的弯道与岔道的位置的转弯指示以及获得远离弯道与岔道的位置的里程计40的信息获得位置。
表示相对于轨道数据库的火车位置的信号可以在上述共同等批申请中的系统内使用，它与制动的控制有关。这些信号还可用于强制火车分离系统，或者用于将来的火车管理系统，在该系统中，计算机在工程师的监视下操纵火车。
虽然已经根据专利法对本发明较佳的和各种附加的可选的实施例作了详细的描述，但应当认识到相关领域的熟练人员可以在不脱离所附权利要求书的精神或范围的情况下对本发明作出种种其它的变动和改变。
权利要求
1.一种行进在轨道系统上的铁路车辆的导航系统，其特征在于，所述导航系统包含(a)设置在该铁路车辆内的计算机系统内的数据库，用于表示该轨道系统的岔道和弯道曲率的第一组信号；(b)设置在该铁路车辆上的第一装置，用于把表示该铁路车辆的转弯率的第二信号传递给该计算机系统；(c)设置在该铁路车辆上的第二装置，用于把表示该铁路车辆的第三信号传递给该计算机系统；(d)设置在该计算机系统内的一组第四信号；用于提供根据所述第二信号和所述第三信号产生第五信号的指令，所述第五信号表示该铁路车辆运行的弯道和岔道中之一的曲率；所述计算机系统具有把所述第五信号与所述第一组信号进行比较以产生表示该铁路车辆在其正行进到弯道或岔道之一时相对于所述数据库的第一位置的第六信号的装置；所述导航系统具有把所述第六信号用于至少一个操作者显示器、把所述第六信号输入到该铁路车辆的控制装置以及把所述第六信号用作该计算机系统进行计算的信号的装置。
2.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统进一步包括所述计算机系统。
3.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于，所述第一装置包括转弯指示器。
4.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于，所述第二装置包括车轮转数传感装置。
5.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，所述导航装置进一步包括产生表示轨道标识的第七信号的装置和把所述第七信号用于操作者显示器之一、输入到该铁路车辆的控制装置以及用于所述计算机系统进行计算的装置。
6.根据权利要求1所述的导航装置，其特征在于，所述导航系统进一步包括设置在该铁路车辆上把表示里程信息的第八信号传递给该计算机系统的装置；用所述数据库和所述第八信号产生表示该铁路车辆在轨道系统中远离该轨道系统的弯道和岔道的部分的第二位置的第九信号的装置；和把所述第九信号用于操作者显示器之一和把所述第九信号输入到该铁路车辆的控制装置的装置。
7.根据权利要求6所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统进一步包括提供在由所述第六信号表示的所述第一位置和由所述第九信号表示的所述第二位置不一致的情况下报警的第十信号的装置。
8.根据权利要求1所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统进一步包括从该铁路车辆的操作者接受至少一个表示轨道标识的信号和至少一个表示该铁路车辆沿该轨道的位置的信号的装置。
9.一种在轨道系统上行进的铁路车辆的导航系统，其特征在于，所述导航系统包含(a)无线电导航第一装置，用于产生表示该铁路车辆的第一位置的第一信号；(b)设置在该铁路车辆内的计算机系统内的数据库，用于提供表示该轨道系统的岔道与弯道的地理分布的第二信号；(c)设置在该铁路车辆上的第二装置，用于把表示该铁路车辆的转弯率的第三信号传递给该计算机系统；(d)设置在该铁路车辆上的第三装置，用于把表示该铁路车辆的速度的第四信号传递给该计算机系统；(e)设置在所述计算机内的一组第五信号，用于提供根据所述第二信号和所述第三信号产生第六信号的指令，所述第六信号表示该铁路车辆正在运行的弯道和岔道之一的曲率；(f)所述计算机系统具有用所述第一信号在所述第一部分附近选择表示该轨道系统的一部分的所述第二信号组的第一部分，并把所述第六信号与所述第二信号组的所述第一部分比较以产生表示该铁路车辆正在至少弯道和岔道之一上行进时该铁路车辆相对于所述数据库的位置的第七信号的装置；所述第六信号表示的所述第二位置比所述第一信号表示的所述第一位置更精确；所述计算机系统具有把所述第六信号用于至少一个操作者显示器、输入到所述铁路车辆的控制装置以及用作所述计算机系统进行计算的信号的装置。
10.根据权利要求9所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统进一步包括所述计算机系统。
11.根据权利要求9所述的导航系统，其特征在于，所述第二装置包括转弯指示器。
12.根据权利要求9所述的导航系统，其特征在于，所述第三装置包括车轮转数传感装置。
13.根据权利要求12所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统进一步包括连接到所述计算机上从所述车轮转数传感装置接收并产生至少一个表示该铁路车辆行进的距离的第七信号的装置；设置在所述计算机系统内用于根据通过该轨道系统的岔道和弯道之一时获得的所述第六信号和所述第七信号确定第八信号的装置；所述第八信号表示该铁路车辆在该轨道系统上远离该轨道系统的弯道和岔道的点上的第三位置；所述计算机系统具有把所述第八信号用于至少一个操作者显示器、把所述第八信号输入到该铁路车辆的控制装置以及把所述第八信号用作所述计算机系统进行计算的信号的装置。
14.根据权利要求9所述的导航系统，其特征在于，所述无线电导航装置包括在该车辆上的接收机，所述接收机从地球轨道卫上的发射机接收信号。
15.根据权利要求14所述的导航系统，其特征在于，所述无线电导航系统是全球定位系统。
16.根据权利要求13所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统进一步包括根据所述第七信号和从所述无线电导航装置获得的至少两个位置以及该轨道的弯道和岔道产生表示校准车轮直径的信号的装置，所述校准用于接着确定所述第七信号。
17.根据权利要求16所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统包括检测轨道的直线部分并获得当该铁路车辆无制动地行进在轨道的该直线部分上时的所述校准。
18.根据权利要求11所述的导航系统，其特征在于，所述转弯指示装置包括陀螺仪。
19.根据权利要求18所述的导航系统，其特征在于，所述陀螺仪为固态陀螺仪。
20.根据权利要求9所述的导航系统，其特征在于，所述导航系统进一步包括向所述计算机产生表示所述无线电导航装置不起作用的第八信号以根据所述第一信号的前一值和所述第七信号的前一值产生表示该铁路车辆的最好的已知位置的装置，以及至少在该铁路车辆正行进到该轨道系统的弯道和岔道之一时根据所述第六信号和所述第二信号组更新所述第九信号的装置。
21.一种确定正在轨道系统的轨道上运行的铁路车辆的轨道标识的方法，其特征在于，所述方法包含(a)把计算机设置在所述铁路车辆上；(b)向所述计算机提供表示轨道数据库的信号，所述轨道数据库具有定义所述轨道系统的弯道、岔道和轨道标识的位置和方向的信息；(c)向所述计算机提供至少一个表示所述铁路车辆的近似位置的信号；(d)向所述计算机提供至少一个表示所述铁路车辆的时间变化航向的信号；(e)向所述计算机提供至少一个表示里程表读数和所述铁路车辆的速度中至少一个的信号；(f)向所述计算机提供表示指令的信号，以根据所述至少一个表示所述铁路车辆的近似位置的信号和所述至少一个表示所述铁路车辆的时间变化航向的信号确定所述铁路车辆通过所述轨道系统的岔道的情况，以产生表示所述轨道数据库上的特定的岔道的信号，从而为所述铁路车辆产生一个表示轨道标识的信号；以及(g)把所述表示所述轨道标识的信号提供给操作者显示器和火车控制系统中的至少一个。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，向所述铁路车辆提供近似位置的所述步骤(c)包括使用全球定位系统。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，该方法包括下列附加步骤(a)向所述计算机提供表示指令的信号，以用表示里程表信息的信号和表示速度的信号中的一个信号产生表示所述轨道位置的信号；(b)根据至少一个表示时间变化航向的所述信号和表示弯道的所述信号以及表示所述轨道系统的岔道的所述信号更新表示所述轨道上的位置的所述信号。
全文摘要
本发明涉及一种铁路导航系统的方法和装置，提供定义铁路车辆在轨道系统上的位置的信息。该系统使用带有表示铁路线的位置(包括弯道和岔道的位置)的轨道数据库的车上计算机。该系统使用转弯率指示器和速度里程装置获得铁路车辆运行的轨道的曲率值。把如此获得的曲率数据与轨道数据库中的数据进行比较，以确定铁路车辆相对于轨道系统的弯道和岔道的位置。
文档编号B60L15/40GK1157948SQ9610826
公开日1997年8月27日 申请日期1996年9月20日 优先权日1996年2月20日
发明者罗伯特C·克尔, 罗杰P·伍德沃德 申请人:西屋气刹车公司