一种实现列车全路况精确定位的装置的制作方法

本实用新型涉及一种定位装置，尤其涉及一种实现列车全路况精确定位的装置。

背景技术：

基于卫星的定位装置，不论GPS还是北斗，都必须在有足够可见卫星的前提下才能实现定位。如果在完全没有可见卫星的环境下，比如隧道中，卫星定位就会完全失效。

现在也有部分技术可以实现在隧道中的定位，但都有各自的弱点和不足。

1、利用陀螺仪、加速度计等传感器，高频率的计算移动者在空间中的位移并累计，以此实现定位。这也是大多数厂家的惯性导航实现方式。但这种方式误差较大，误差一般小于3％的行驶距离(行驶100米，产生小于3米的误差)，随着在隧道中停留的时间增加，误差还会累计。

2、利用移动通信的基站辅助定位。首先该方式本身误差就非常大，可达数十米甚至上百米；其次，该方式只适合在城市环境下使用，而铁路的环境，不能保证整个铁路沿线都能有基站信号，到了隧道中，往往根本都接收不到基站信号，到时此方法也会失效。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种使用隧道测绘数据，结合轮速传感器和前后方向档位传感器，可以实现列车全路况精确定位的装置，以解决列车定位在隧道中的盲区和其他惯性导航装置在隧道中定位不准的问题。

为此，本实用新型提供一种实现列车全路况精确定位的装置，包括分别与计算单元信号连接的卫星定位模块、轮速脉冲传感器、前后方向档位传感器和隧道测绘数据单元。

进一步地，所述卫星定位模块用于向所述计算单元提供列车在隧道外的定位和坐标输出。

进一步地，所述轮速脉冲传感器结合车轮半径计算出车轮进行的距离并传送至所述计算单元。

进一步地，所述前后方向档位传感器用于向所述计算单元提供列车当前的运行方向。

进一步地，所述隧道测绘数据单元用于向所述计算单元提供隧道中和隧道口铁道的走向。

进一步地，所述计算单元根据卫星定位模块、轮速脉冲传感器、前后方向档位传感器和隧道测绘数据单元提供的数据，利用几何算法计算出列车在隧道中的精确经纬度。

进一步地，所述轮速脉冲传感器采用非接触式光电式转速传感器。

进一步地，所述非接触式光电式转速传感器向列车电气控制系统提供与车轮转数成比例的电脉冲信号，并根据脉冲数计算出列车行进的距离。

进一步地，所述前后方向档位传感器安装于所述列车的转向器上。

进一步地，所述隧道测绘数据单元获取的测绘数据为一组点坐标的集合和/或相邻点间的距离。

进一步地，所述隧道测绘数据单元获取的测绘数据至少包括隧道口附近至少100米的铁轨走向和隧道内部的铁轨走向。

优选地，铁轨走向以折线的方式表示。

进一步地，所述测绘数据为一组点坐标的集合，折线中相邻两条线段的夹角不小于160°，折线中每一条线段的长度不超过50米。

进一步地，所述卫星定位模块为GNSS、BDS、GPS、GLONASS、GALILEO、QZSS和GAGAN中的至少一种。

基于上述的公开，与现有技术相比，本实用新型利用安装于列车转向器上的前后方位档位传感器和轮速脉冲传感器，结合隧道测绘数据，不依赖移动通信基站的辅助定位，利用几何算法即可计算列车在隧道中的经纬度，具有定位准确，不受列车在隧道中停留时间和移动基站信号强弱的影响，可惯性导航，成本低廉的优点。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种实现列车全路况精确定位的装置的结构框图；

图2为计算坐标点到折线的投影坐标对应的折线示意图；

图3为计算隧道中任意时刻点的坐标对应的折线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详述。

请参阅图1，本实用新型提供一种实现列车全路况精确定位的装置，包括分别与计算单元1信号连接的卫星定位模块2、轮速脉冲传感器3、前后方向档位传感器4和隧道测绘数据单元5。

其中，所述卫星定位模块2用于向所述计算单元1提供列车在隧道外的定位和坐标输出。

所述轮速脉冲传感器3结合车轮半径可计算出车轮进行的距离并传送至所述计算单元1，采用非接触式光电式转速传感器，向列车电气控制系统提供与车轮转数成比例的电脉冲信号，根据脉冲数计算出列车行进的距离，其准确度由齿轮数和车轮半径决定。

所述前后方向档位传感器4安装于所述列车的转向器上，用于向所述计算单元1提供列车当前的运行方向，前后档位方向可从列车转向器上获得，列车转向器是一个单刀双掷开关，输出为开关信号，前进时，前进开关对应的信号为高电平；后退时，后退开关对应的信号为高电平。

所述隧道测绘数据单元5用于向所述计算单元1提供隧道中和隧道口铁道的走向，其获取的测绘数据为一组点坐标的集合和/或相邻点间的距离，优选的是，至少包括隧道口附近至少100米的铁轨走向和隧道内部的铁轨走向；铁轨走向以折线的方式表示，测绘数据为一组点坐标的集合，折线中相邻两条线段的夹角不小于160°，折线中每一条线段的长度不超过50米。

所述计算单元1根据卫星定位模块2、轮速脉冲传感器3、前后方向档位传感器4和隧道测绘数据单元5提供的数据，利用几何算法计算出列车在隧道中的精确经纬度。

另外，所述卫星定位模块可以为GNSS、BDS、GPS、GLONASS、GALILEO、QZSS和GAGAN中的至少一种。其中，GNSS为全球卫星导航系统，GPS(Global Positioning System,通常简称GPS)为全球定位系统,又称全球卫星定位系统；Glonass为格洛纳斯系统,是俄语“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的缩写；GALILEO(Galileo Positioning System)为伽利略定位系统；BDS(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)为中国北斗卫星导航系统，是中国自行研制的全球卫星导航系统；QZSS(Quasi-Zenith Satellite System)是日本推动的准天顶卫星系统；GAGAN(GPS Aided Geo Augmented Navigation)为印度无线电导航卫星系统。

列车行驶过程中某一点经纬度的计算方法，主要包括如下步骤：

S1、计算列车在进隧道前最后一次成功定位的点P投影到折线上点Q的坐标(J_C,W_C)；

S2、从定位的时刻点T_A到计算坐标的时刻T_D，根据轮速脉冲传感器和前后方向档位传感器反馈的数据计算列车往前行进的距离D；

S3、以点Q为起点，沿着折线，往前行进的距离D的坐标就是在T_D时刻列车的精确经纬度。

请参阅图2，由于卫星定位精度的问题，定位点不可能完全在折线上，所以需要求出点P投影到折线上的点Q坐标(J_C,W_C)。

设最后一次成功定位的点P经纬度坐标为(J_A,W_A)，隧道测绘数据有i个点，i个点对应的点集合坐标为(X_1～i,Y_1～i)，点P投影到折线上的点Q坐标为(J_C,W_C)，设列车行驶过程中A点到D点的方向为进隧道方向，且A点的坐标为(X₁，Y₁)，B点的坐标为(X₂，Y₂)，C点的坐标为(X₃，Y₃)，D点的坐标为(X₄，Y₄)，线段AB的斜率为过P的与线段AB垂直的直线V斜率k1＝，则：

AB线段的方程可表示为：Y＝k×X+Y₁-k，

直线V的方程可表示为：Y＝k₁×X+W_A-k₁，

判断点P的投影是否落在折线的某条线段上，只需判断直线与线段是否有交点即可，以AB两点为例，判断A点和B点分别在直线的两侧或在直线上即可，需满足以下条件才能确定相交：

Y₁≥k1×X₁+W_A-k1AND Y₂≤k1×X₂+W_A-k1或者

Y₂≥k1×X₂+W_A-k1AND Y₁≤k1×X₁+W_A-k1。

投影点Q为线段AB与直线V的交点，其坐标应同时满足两个直线方程：

将两方程联立，即可求出点Q的坐标(J_C,W_C)。

若点P向两条线段作垂线，交点都在线段上，则选择垂直距离较短的线段为准。

从T_A时刻开始，到T_D时刻，根据轮速脉冲和前后档位方向传感器可以得到列车往前行进的距离D，计算方法为：

当前后方向档位传感器指示为“前”时，轮速脉冲传感器输出的一个脉冲代表列车行进的距离L_m；当前后方向档位传感器指示为“后”时，轮速脉冲传感器输出的一个脉冲代表列车行进的距离-L_m，从定位的时刻点T_A到计算坐标的时刻T_D，每一个脉冲累加，即可得到列车往前行进的距离D，其中，列车行进的距离L_m的算法为：

L_m＝2×π×R÷N_g，

R为车轮半径，N_g为车轮旋转一周对应的齿轮数。

以点Q为起点，沿着折线，往前距离D的坐标就是在T_D时刻列车的精确经纬度。

如图3所示，A到D的方向为进隧道方向，

计算点Q与点B之间的距离L_QB是否大于D，

若不是，再计算B点和C的距离L_BC，L_QB+L_BC是否大于D；

若不是，再计算C点和D点的距离L_CD；

若L_QB+L_BC+L_CD>D，说明目标点P落在C点和D点之间，则：

ΔL＝L_QB+L_BC+L_CD-D；

目标点的坐标(J_D,W_D)的计算方法：

综上，本实用新型利用安装于列车转向器上的前后方位档位传感器和轮速脉冲传感器，结合隧道测绘数据，不依赖移动通信基站的辅助定位，利用几何算法即可计算列车在隧道中的经纬度，具有定位准确，不受列车在隧道中停留时间和移动基站信号强弱的影响，可惯性导航，成本低廉的优点。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。