专利名称：一种基于卫星定位的机车轮径自动校准系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种基于卫星定位的机车轮径自动校准系统及其方法，属于轨 道交通领域，具体属于轨道交通中车辆定位技术领域。
背景技术：
列车定位对于列车运行起着至关重要的作用。目前实际投入应用的列车定
位技术有里程计、轨道电路、查询应答器、惯性传感器、泄漏电缆、多普勒 雷达等，其中，里程计是最常用的列车定位方法，它具有成本低，简单实用等 特点。利用里程计进行列车定位的方法是，根据记录车轮的累计转数乘其周长， 即可计算出列车行驶过的里程。由于列车的轨道线路是一维的，根据列车在线
路上的行驶里程，即可确定列车的具体位置。
车轮磨损导致机车轮径改变是使用里程计进行列车定位时误差的主要来源 之一。里程计是使用车轮周长乘以车轮转数得到行驶距离，进而获得列车当前 的位置，当机车轮径改变时如果定位系统仍以预先设定好的轮径计算周长的话， 势必会引起较大的定位误差。而在列车运行过程中，车轮会不断磨损消耗，尤 其在列车实施制动(特别是紧急制动)之后，车轮磨损更为突出。因此需要修 正定位系统中的车轮轮径来减小误差，以达到列车定位精度高的目的。
目前国内铁路主要通过自动和手动相结合的方法调整定位系统中的轮径 值。在自动闭塞区段，当列车经过一架通过信号机时，其接收到的信号发码频 率会发生变化，使用这一方法判断机车经过了信号机位置，结合这一闭塞分区 的长度以及车轮转数，实现自动轮径过机调整。在半自动闭塞区段，在经过进
站或出站信号机时，司机可以手动按下调整键，实现轮径调整，但这种方法受 人为影响大，产生的误差也很大。此外，在装备有应答器的线路上也可以结合 应答器实现轮径校准，但目前国内布设应答器的线路还较少，且布设应答器所 带来的施工、维护成本都非常大。
全球卫星导航定位系统(GNSS)是指能够在全球范围内精确、实时地提供导
航信息的卫星导航系统。主要包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的 GALILEO等系统。图1是GPS定位原理简图，其基本定位原理是卫星不间断 地向地面用户发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过 计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息等。
卫星导航定位具有地面连续覆盖、精度高、实时定位速度快、抗干扰性能
良好、保密性强等特点。因此，卫星定位导航在军用、民用等方面都有重要的
应用价值，它可以满足各种不同用户的需要，并能从根本上解决人类在地球上
的导航和定位问题。尤其重要的是，通过GNSS可以实现对车辆的精确定位， 完成车辆自动导航功能。
发明内容
为了克服现有技术结构的不足，本发明提供一种基于卫星定位的机车轮径自 动校准系统及方法，其通过在现有定位系统中引入卫星定位技术，实现利用GNSS 定位信息对定位系统中的机车轮径进行自动校准，从而减少现有采用里程计作 为传感器的列车定位系统中由于车轮磨损而导致轮径改变所引起的定位误差， 提高列车定位精度。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种基于卫星定位的机车轮径自动校准系统，其包括五个模块和一个地图
数据库。其中，所述地图数据库用于存储列车运行线路的相关信息，如轨道数
据、铁路专用数据和地形环境数据；而所述五个子系统分别是定位模块、地 图匹配模块、数据记录模块、通信模块和主处理器。
其中，所述定位模块通过卫星定位接收机对机车当前位置进行定位，输出 机车当前的经纬度坐标；所述地图匹配模块将所述定位模块的定位输出和所述 地图数据库进行匹配，得到的匹配结果也就是定位输出在地图上的相应位置； 所述数据记录模块用以接收从主处理器发送过来的轮径校准信息、工作状态信 息等，将这些信息集中记录在SD存储卡里，用于日后调取；所述通信模块负责 与列车控制系统进行通信，发送轮径校准信息；所述主处理器是嵌入式处理器， 完成轮径自动校准算法、控制其它模块、数据交换等功能。
上述基于卫星定位的机车轮径自动校准系统具有如下连接关系
所述定位模块确定机车所在位置后，与所述主处理器进行数据通信，在所 述主处理器中采用机车轮径自动校准方法对轮径进行校准，并通过所述数据记 录模块将处理结果进行记录，通信模块将校准后的轮径值发送给负责列车运行 控制的主处理器。
一种基于卫星定位的机车轮径自动校准方法，包括首先，确定轮径校准 关键点的位置，并建立轮径校准关键点的地图数据库，其中，所述地图数据库 的建立可以通过人工建立或通过卫星定位自动建立；然后，通过检测列车经过 两个校准点间的车轮转数、两关键点间的实际距离，并结合卫星定位来判断列 车是否到达所述轮径校准关键点的位置；如果列车没有到达所述轮径校准关键 点的位置，就调用轮径自动修正算法，对所述轮径进行自动修正从而实现所述 轮径自动校准。
上述基于卫星定位的机车轮径自动校准方法中，所述轮径自动修正算法包
括
步骤l接收卫星定位信息和里程计定位信息，并进行信息同步，然后对车 轮空转滑行进行修正补偿；
步骤2判断定位条件，具体是指，当满足口J用卫星数大于4颗和车速在10km/h 以上的条件时，进行车轮轮径自动校准；
步骤3判断列车位置是否已经到达轮径校准关键点的捕获半径内，如果到 达，则从数据库中提取出该点的信息，如公里数、距离上一个关键点的距离等；
步骤4产生轮径校准信息，具体是指，列车在到达关键点后，产生信息的 时刻与列控系统接收到该报文的时刻之间会有一定的延时，在此延时内，列车 会走行一定的距离，由此会产生误差，因此需对该误差进行补偿。所述补偿有 两种方式， 一种是将轮径校准关键点的捕获半径大小定义为一个速度统计特性 的函数，根据列车运行速度的不同，动态定义捕获半径大小；另 -种是随着车 速的增加，适当提高接收机的输出频率；
步骤5根据步骤4获得的误差补偿以及所述一定的距离中一个校准点的距 离，计算列车在两个轮径校准关键点间的实际走行距离L，同时计算列车在两个 校准点间的车轮转数n，并根据L和n计算新的轮径Dc， Dc=L/im;
步骤6判断新的轮径Dc与原轮径D的差值5是否大于原轮径的W，如果大于 则进行修正，否则不进行修正，并将所述新的轮径Dc作为列车运行控制系统中 的轮径值，用于里程计算。
在步骤l中，所述信息同步是指对所述卫星定位信息和里程计发出的所述里 程计定位信息进行同步。具体是指，在系统完成初始化程序后，启动计数器开 始计数，由于里程计的输出是脉冲信号，卫星定位接收机的输出频率为每
次，因此考虑对里程计的脉冲信号以l秒为单位进行计数，计数时以卫星定位接
收机发出的lpps信号为基准，记录两次lpps信号到来之间的脉冲个数，得出列 车的运行速度；当lpps信号来临时提取所述计数器中的值，并对计数器清零后
重新开始计数，实现同步功能。
本发明的效果是根据本发明提供的系统，可以完全依靠车载设备，通过卫 星定位技术来实现机车车轮自动校准，对原有广泛应用的基于里程计的列车定 位系统中的机车轮径进行经常校准，而且不需要地面设备的辅助，这样，既减 少了列车定位误差，又在维护成本F降的情况下提高了列车定位精度，保证了 列车运行安全。
图1为根据本发明的卫星定位示意简图2为根据本发明的基于卫星定位的机车轮径自动校准系统的系统结构示 意图3为根据本发明的基于卫星定位的机车轮径自动校准方法的流程图4为根据本发明的基于卫星定位的机车轮径自动校准方法中卫星定位信
息与里程计信息同步方法的示意图。
具体实施例方式
为使本发明的基于卫星定位的机车轮径自动校准系统及方法要解决的技术 问题、技术特征和所取得的技术效果更加明确，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述
实施例1如图2所示，基于卫星定位的机车轮径自动校准系统包括主处理 器、定位模块、地图匹配模块、数据记录模块、通信模块以及地图数据库。在列车运行过程中，定位模块通过卫星定位接收机接收机车所在位置信息，将这 些位置信息解算后得到机车当前的经纬度信息，并根据实际需要转换为大地坐 标信息。这些定位信息通过地图匹配模块进行地图匹配，主处理器从地图数据 库中读取数字地图，并且在数字地图上搜索定位坐标对应的匹配点，得到列车 在地图上的位置。主处理器根据列车位置信息和车轮转数通过相关算法得到轮 径校准信息，并发送给列车控制系统。同时，数据记录模块记录相关的数据信 息，供日后查阅。
实施例2图3是根据本发明的基于卫星定位的机车轮径自动校准方法的流 程图。基于卫星定位的机车轮径自动校准方法包括如下歩骤首先，确定轮径 校准关键点的位置，建立轮径校准关键点的地图数据库，在该实施例中地图数 据库的建立可以通过人工建立或通过卫星定位自动建立；然后，通过检测列车 经过两个校准点间的车轮转数、两个关键点间的实际距离，并结合卫星定位来
判断列车是否到达轮径校准关键点，从而实现轮径校准。在本实施例中，如图3
所示，其实现轮径校准的具体流程步骤如下
步骤l接收卫星定位信息(即GPS定位信息)和里程计定位信息(即图中ODO 信息)，并进行信息同步处理，进而进行车轮空转滑行的修正补偿；
步骤2判断定位条件，当满足可用卫星数大于4颗和车速在10km/h以上的条 件时，进行车轮轮径校准；否则，重复步骤l的处理，并继续进行条件判断，直 到条件满足为止，转入步骤3;
步骤3判断列车位置是否进入第N个轮径校准关键点的捕获区域，在一个实 施例中，判断列车当前位置距下一个校准点的距离D是否小于捕获半径，如果满 足捕获条件，就判定列车已经到达轮径校准关键点的捕获区域，此时从数据库
中提取出该点的信息，如公里数、距离上一个关键点的距离等，作为列车在到 达关键点后所产生的轮径校准信息。
步骤4获取轮径校准信息用以修正捕获延时误差。由于产生轮径校准信息 的时刻与列车控制系统接收到报文的时刻之间会有一定的延时，在此延时内， 列车会走行一定的距离，由此会产生误差，因此需对误差进行补偿。所述对误 差进行补偿有两种方式 一种是将轮径校准关键点的捕获半径大小定义为一个 速度统计特性的函数，根据列车运行速度的不同，动态定义捕获半径大小；另 一种是随着车速的增加，适当提高接收机的输出频率；
歩骤5根据步骤4获得的误差补偿以及距离上一个校准点的距离，得到列车 在第N-1个与第N个校准关键点之间的实际距离L，同时计算列车在第N-1个与第N 个校准关键点之间的车轮转数n，根据L和n计算新的轮径Dc， Dc二L/n兀；
步骤6判断新的轮径Dc与原轮径D的差值5 (S=|Dc-D|)是否大于远轮径 的1%，如果大于则进行修正，修正后的轮径为D=Dc，否则不进行修正；并将新 的轮径Dc作为列车运行控制系统中的轮径值，用于里程计算。
实施例3在上述步骤l中，对于里程计发出的里程信息与卫星定位信息要进 行同步。图4是根据本发明的卫星定位信息与里程计信息同步方法的示意图，如 图中所示，在系统完成初始化后，启动计数器；里程计的输出是脉冲信号，卫 星定位接收机的输出频率为每秒一次，因此考虑对里程计的脉冲信号以l秒为单 位进行计数，计数时以卫星定位接收机发出的lpps信号为基准，记录两次lpps 信号到来之间的脉冲个数，得出列车的运行速度；当lpps信号来临时提取计数 器中的值，并对计数器清零后重新开始计数，实现同步功能。
权利要求
1.一种基于卫星定位的机车轮径自动校准系统，其特征足包括五个模块和一个地图数据库，其中，所述地图数据库用于存储列车运行线路的相关信息，如轨道数据、铁路专用数据和地形环境数据；所述五个模块分别是，定位模块，地图匹配模块，数据记录模块，通信模块和主处理器。
2. 根据权利要求l所述的一种基于卫星定位的机车轮径自动校准系统，其特征是所述定位模块通过卫星定位接收机对机车当前位置进行定位，输出机 车当前的经纬度坐标；所述地图匹配模块是将所述定位模块的定位输出和所述 地图数据库进行匹配，得到的匹配结果也就是定位输出在地图上的相应位置； 所述数据记录模块用以接收从主处理器发送过来的轮径校准信息、工作状态信 息等，将这些信息集中记录在SD存储卡里，用于日后调取；所述通信模块负责 向外发送轮径校准信息；所述主处理器是嵌入式处理器，完成轮径自动校准算 法、控制其它模块、数据交换功能。
3. 根据权利要求1所述的基于卫星定位的机车轮径自动校准系统，其特征 是，具有如下连接关系所述定位模块确定机车所在位置后，将机车位置数据信息发送给主处理器， 在所述主处理器中采用机车轮径自动校准方法对轮径进行校准，并通过所述数 据记录模块将处理结果进行记录，并由通信模块将校准后的轮径值发送给负责 列车运行控制的主处理器。
4. 一种基于卫星定位的机车轮径自动校准方法，其特征是，所述方法包括:首先，确定轮径校准关键点的位置，并建立轮径校准关键点的地图数据库，其中，所述地图数据库的建立通过人工建立或通过卫星定位自动建立；然后，通 过检测列车经过两个校准点间的车轮转数、两关键点间的实际距离，并结合卫 星定位来判断列车是否到达所述轮径校准关键点的位置；如果列车没有到达所 述轮径校准关键点的位置，就调用轮径自动修正算法，对所述轮径进行自动修 正从而实现所述轮径自动校准。
5. 根据权利要求4所述的基于卫星定位的机车轮径自动校准方法，其特征 是，所述轮径自动修正过程包括步骤l接收卫星定位信息和里程计定位信息，并进行信息同歩，然后对车 轮空转滑行进行修正补偿；步骤2判断定位条件，当满足可用卫星数大于4颗和车速在10km/h以上的条 件时，进行车轮轮径自动校准；步骤3判断列车位置是否已经到达轮径校准关键点的捕获半径内，如果到 达，则从数据库中提取出该点的公里数和距离上一个关键点的距离信息；步骤4产生轮径校准信息，具体是指，列车在到达关键点后，产生信息的 时刻与列控系统接收到该报文的时刻之间会有延时，在此延时内，列车走行一 定的距离从而产生误差，并进行误差补偿；步骤5根据歩骤4所述的误差补偿以及步骤3中所述的距离上一个关键点的 距离，计算列车在两个轮径校准关键点间的实际走行距离L，同时计算列车在两 个校准点间的车轮转数n，并根据L和n计算新的轮径Dc， Dc二L/n兀；步骤6判断新的轮径Dc与原轮径D的差值5是否大于原轮径的P/。，如果大于 则进行修正，否则不进行修正，并将所述新的轮径Dc作为列车运行控制系统中 的轮径值，用于里程计算。
6. 根据权利要求5所述的基于卫星定位的机车轮径自动校准方法，其特征是，步骤l中所述信息同步是指对所述卫星定位信息和所述里程计定位信息进 行同步。
7. 根据权利要求5所述的基于卫星定位的机车轮径自动校准方法，其特征 是，步骤4中所述补偿有两种方式， 一种是将轮径校准关键点的捕获半径大小定 义为一个速度统计特性的函数，根据列车运行速度的不同，动态定义捕获半径 大小；另一种是随着车速的增加，适当提高接收机的输出频率。
8. 根据权利要求5或6所述的基于卫星定位的机车轮径自动校准方法，其特征是，所述对所述卫星定位信息和所述里程计定位信息进行同歩具体是指在系统完成初始化程序后，启动计数器开始计数，由于里程计的输出是脉冲信号， 卫星定位接收机的输出频率为每秒一次，因此考虑对里程计的脉冲信号以l秒为单位进行计数，计数时以卫星定位接收机发出的lpps信号为基准，记录两次lpps 信号到来之间的脉冲个数，得出列车的运行速度；当lpps信号来临时提取所述计数器中的值，并对计数器清零后重新开始计数，实现同步功能。
全文摘要
本发明公开了一种基于卫星定位的机车轮径自动校准系统及方法。其包括五个模块和一个地图数据库，其中，一个地图数据库用于存储列车运行线路的相关信息；五个模块分别是定位模块、地图匹配模块、数据记录模块、通信模块和主处理器。本发明通过引入卫星定位技术，实现利用GNSS定位信息对定位系统中的机车轮径进行自动校准，减少由于车轮磨损而导致轮径改变所引起的定位误差，提高列车定位精度。
文档编号G01S5/02GK101357644SQ20081022204
公开日2009年2月4日 申请日期2008年9月8日 优先权日2008年9月8日
发明者辉 张, 剑 王, 蔡伯根 申请人:北京交通大学