铁路定位方法和系统与流程

本发明涉及具有高完整性级别的铁路定位方法和系统，针对的目标是位置非完整性和10^-9/h至10^-11/h数量级的速度的风险。

背景技术：

定位铁路车队需要高的完整性级别，所述高的完整性级别目前通过列车上的非自主定位装置实现，与轨道基础设施相关联，所述轨道基础设施如地面通道传感器、rfid信标或轨道的精确和综合地图等。

然而，部署这些设备的维护成本、控制困难以及努力对其发展以及对其性能的改进提出了限制。

通过用于列车的定位的卫星导航系统或“全球导航卫星系统”的首字母缩略词gnss的位置的使用，针对自主位置(在列车上执行)，而无需其他地面装置，并且完整性级别与在铁路领域寻求的目标兼容。

但是，即使这些目标(数量级为10-11/h)通过地面上的专用装置(例如空间增强系统或sbas，“基于卫星的增强系统”的首字母缩略词)来增强以用于确保信号的监测(通常具有10-7/h数量级的非完整性风险)，它们也远远高于由gnss系统提供的完整性能力。

此外，目前只有gps星座允许在目标准确度领域(保护半径方面)内的安全位置，并且不能设想短期内从与其他星座的交叉控制受益。

降低gnss定位非完整性风险的重大限制与由于接收机本地接收环境(特别是多路径和干扰)导致的gnss测量的降低有关。

在诸如铁路环境等不受控制的环境中，由这些局部干扰生成的误差的发生和幅度明显偏离被认为是高斯分布的gnss测量误差的统计分布。

使用瞬时接收机(“快照”)很难在客观保护半径内监测这些误差，其测量噪声不能用足够的置信度(或pnd，“非检测概率”的首字母缩略词)检测到误差。

该限制的替代方案在于，在通过使用载波的相位利用嵌入式gnss接收机来补偿载体的移动之后(受伪距而被极大地噪声影响的测量经过取决于期望的降低水平的水平线上的码载波滤波)，通过伪距测量的时间积分来提高通过视线的测量的准确性(并且因此绝对定位)。

对于所需的保护半径，通过载体进行滤波允许：

-测量噪声的高斯贡献的不准确度的标准偏差被降低，以及

-与局部干扰相关的误差，以提高的效率(较低的pnd)被识别，以便将它们排除在位置解算之外。

这两个条件对于超出通常归因于卫星定位的完整性风险等级至关重要。

然而，这种通过载波相位进行滤波仅在两个频率gnss接收机(“p(y)”军用gps或具有“半无码跟踪”的固定大地测量接收机)的情况下才可行，这是因为关于与电离层传播的演变有关的时间的载波相位发散度。

目前没有办法执行对电离层发散的效应不敏感的单频码载波滤波。

技术实现要素：

本发明的一个目的是减轻上述问题。

根据本发明的一个方面，提出了一种铁路定位方法，该方法基于由嵌入在列车上的卫星导航系统的信号接收机确定的列车的移动以及由嵌入在列车上的里程表确定的所述列车的移动以及铁路轨道的地图，通过与卫星导航系统的信号载波相位的传播偏差相对应的电离层传播偏差的周期性确定(每1至10秒)，该方法包括以下步骤：通过导航系统卫星的视线：

-通过由接收机执行的综合多普勒估计和由里程表执行的列车运动的偏差估计之间的差来估计观测时段上的电离层漂移偏差；

-通过接收机的本地时钟的漂移偏差以及里程表漂移偏差对列车速度的最小二乘解算，来估计里程表漂移偏差和接收机本地时钟漂移偏差；

-通过减去估计的里程表漂移偏差来校正电离层漂移的估计；以及

-使用接收机的本地时钟的漂移偏差和电离层漂移偏差来校正综合多普勒项，并使用电离层漂移偏差来校正伪距偏离。

因此，对里程表的漂移偏差的观测允许测量载体(列车)在已知曲线路径上的移动，其可以用作观测电离层偏差的漂移的参考。

伪距和综合多普勒的单频gnss测量因此可以校正群延迟的和载波相位的漂移效应，通常用于减少伪距误差，否则这会限制码载波滤波的收敛能力。

在一个实施方式中，该方法还包括以下步骤：通过导航系统的卫星的视线，通过在范围从几十秒到几百秒的整个周期内除去其电离层偏差的综合多普勒测量来对伪距测量进行滤波。

因此，通过载波对代码进行滤波，确保没有被电离层误差的时间变化所偏置的滤波后的伪距的中期收敛(经过几十秒)。

根据一个实现方式，该方法还包括以下步骤：通过导航系统的卫星的视线，基于通过在单频模式下位置和接收机的时间的最小二乘解算供给的从码载波滤波导出的伪距残差来周期性地估计(大约每10分钟至30分钟)电离层延迟误差。

因此，由于消除了电离层误差的漂移，所以通过码载波滤波能够显着降低伪距估计噪声，从而电离层传播延迟通过伪距残差观察到的视线然后构成伪距误差的主要预算。因此，基于从gnss位置(pvt)的最小二乘解算导出的滤波后的伪距残差的估计，可以观察到通过视线的电离层延迟偏差。

在一种实施方式中，该方法还包括以下步骤：

-对由位置和接收机的本地时钟的时间偏差的最小二乘解算的第一步获得的瞬时滤波的伪距残差执行第一估计(每秒)

-然后在10秒到100秒的时间段内对这些瞬时伪距残差进行滤波，

–并且最后在10分钟至30分钟的时间范围校正随后用这些存储的滤波的残差获得的伪距。

因此，滤波的伪距测量被去除了电离层延迟偏差。

在一种实现方式中，该方法还包括以下步骤：基于所述经滤波的伪距测量，通过对位置和接收机的本地时钟的时间偏差进行最小二乘法来解算。

因此，所达到的精度性能水平与利用差分定位系统所获得的精度性能水平相同，但是不需要用于观测电离层传播偏差所需的地面上的固定的基础设施。

根据一种实现方式，按卫星视线估计电离层误差项在10至100秒之间的时间段内执行，并且大约每10分钟至30分钟重复一次。

因此，电离层误差的校正会定期更新，以适应电离层传播误差的局部和时间趋势。

在一种实现方式中，所述时段是一秒。

根据本发明的另一方面，还提出了一种铁路定位系统，基于由嵌入在列车上的卫星导航系统的信号接收机确定的列车的移动以及由嵌入在列车上的里程表确定的所述列车的移动以及铁路轨道的地图，通过确定与卫星导航系统的信号载波相位的传播偏差对应的电离层传播偏差，包括计算机，所述计算机被配置为执行以下步骤，通过导航系统的卫星的视线：

-通过由接收机确定的综合多普勒项与由里程表对列车的移动的偏差估计之间的差来估计偏差的电离层漂移；

-通过对由卫星导航系统确定的速度、接收机的本地时钟的漂移偏差以及里程表漂移偏差的最小二乘解算，来估计接收机的里程表的漂移偏差和本地时钟的漂移偏差以及里程表漂移偏差；

-通过减去估计的里程表漂移偏差来校正电离层漂移的估计；以及

-使用接收机的本地时钟的漂移偏差和电离层漂移偏差来校正综合多普勒项，并使用电离层漂移偏差来校正伪距偏离。

附图说明

在研究描述为非限制性示例并由附图示出的几个实施例时，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1示意性地示出了列车的速度向量朝向卫星的视线的投影。

-图2示意性地示出了根据本发明的方面的方法的实现方式。

在不同的图中，具有相同参考标记的元素是相同的。

具体实施方式

本发明利用了这样的事实，即列车在轨道上移动，该轨道的方案已被完美地知晓，或者至少以本领域现有技术所认识的足够的置信度而被知晓。

作为第一种方法，在里程表测量没有偏差的简化假设下，本发明旨在通过将按卫星视线(在卫星视线中)与载波相位的趋势相对应的移动与根据由嵌入在列车上的里程表测量的地图的移动进行比较来识别电离层传播延迟误差的漂移(在本说明书的其余部分中也简称为电离层漂移)。

gnss和里程表运动的比较在每个时刻提供gnss系统的卫星的每个视线方向上的电离层漂移。

gnss载波相位测量因此可以被去除电离层误差的漂移，并且因此可以使得执行码载波类型的有效的长期滤波成为可能，以获得准确性和完整性。

然而，众所周知，里程表测量迅速漂移(大约是行进距离的5％至10％)，这将使得该方法不可用，因为gnss位置误差将再次包括与里程表的漂移有关的误差。

由里程表估计的运动基于综合多普勒测量的运动的补偿因此示出了通过视线来估计电离层延迟的漂移的残余偏差等于在卫星轴的每个方向上里程表运动偏差βodot的投影：

使，

depvrai：是在观测时间δt内列车在其运动方向t上的真实运动，以米为单位，

diono：在卫星i的方向si上并且在观测周期δt内、减少到数米的电离层延迟的漂移(未知)，

βodo：是在运动方向t上并且在观察时间段δt内由里程表供给的以米为单位的运动的测量的漂移(未知)(在下文中称为里程表漂移偏差)，

dop_inti：是由接收机基于卫星i的方向si上的并且在观测周期δt等内的载波相位而测量的，减少到数米的综合多普勒，

depodo：是在列车运动t的方向t上并且在观察时间段δt内由里程表测量的运动，以米为单位，以及

t：是沿列车运动的弧度的单一引导向量，假定在观测时间δt等内为常数。

以下关系可以写成：

其中运算符“”表示向量之间的标量乘积。

通过由从接收机导出的综合多普勒项与由里程表供给的行进距离的估计之间的差(假定没有偏差)执行的对电离层漂移(在卫星i的视线方向si上)的估计，写成下面的形式：

其中：

因此有以下关系：

其中：

t表示列车的运动的单一引导向量，

si表示卫星i的视线的单一引导向量，

因此，以下情况适用：

因此电离层漂移(偏置电离层漂移)的估计受到偏差(电离层漂移偏差)的不利影响，该偏差等于：

s表示在每个卫星视线方向上的单一引导向量，后者可以根据以下关系写入本地几何参照系：

si＝cos(elⁱ)cos(azⁱ)i+cos(elⁱ)sin(azⁱ)j+sin(elⁱ)k(1)

其中：

i,j,k是本地参考帧的三个酉向量(x^b,y^b,z^b)

elⁱ和azⁱ是在本地参考系中的每个视线i的仰角(根据相反的图1，以弧度表示)。

t表示在对卫星信号进行综合多普勒测量期间假设为直线的列车的轨迹的单一引导向量(在轨道或海上应用的情况下在1秒的典型时间段内是合法的)，后者可以根据以下关系在本地几何参考系中写成：

t＝cos(elt)cos(azt)i+cos(elt)sin(azt)j+sin(elt)k(2)

其中：

i,j,k是本地参考帧的3个酉向量(x^b,y^b,z^b)

elⁱ和azⁱ是在本地参考系中列车的轨迹的方向的仰角和方位角，假设也是借助于地图匹配而已知的。

以下关系适用：

βodo＝βodot

其中运算符“°”表示向量之间的标量乘积。

当n颗卫星可见时，通过视线的残余电离层漂移偏差的集合因此可表示为以下形式：

因此，所提出的解决方案的新颖性不仅在于通过里程表移动来补偿gnss载波相位测量，而且还在于基于在补偿之后获得的综合多普勒测量、借助线性连接残余离子计偏差和里程表漂移偏差的向量的先前表达式来解算gnss速度。

图1表示列车的速度向量在卫星视线方向上的投影。

与里程表漂移(βodo)有关的附加偏差然后可以通过基于在所有视线上获得的经补偿的综合多普勒而执行的速度的最小二乘解算来估计，但需要额外的视线用于其向量的解算：(vx,vy,vz,δt,βodo)。

通过卫星视线获得的所有综合多普勒测量因此将受到由从与里程表测量的漂移相对应的公共偏差(里程表漂移偏差)导出的残余电离层漂移估计偏差(电离层漂移偏差)的影响。

其中，

是在观测期δt内视线i上的残余电离层漂移偏差，单位为米，

vi是在整个观测周期δt内标准偏差σi的假设的高斯中心的综合多普勒的测量的热噪声，单位为米

mi对应于在观测周期δt内的运动的真正的综合多普勒，，单位为米，以及

对应于在观测周期δt内的综合多普勒，其由接收机基于卫星i的方向si上的载波相位估计，单位为米

该偏差被加到接收机的本地时钟的漂移偏差(δt)上，该漂移偏差在基于通过卫星视线的综合多普勒测量来估计接收机的速度的情况下以常规方式被解算。

其中，

δt是在观察周期δt内，接收机的时钟的漂移偏差，以秒为单位

再次，通过将电离层漂移偏差的表达式替换为里程表的漂移的函数：

已知通过卫星视线引起的真实运动(综合多普勒)与列车的真实速度通过以下常规关系相关联：

其中，

ωx,ωyetωz是列车在本地参考系中真实速度的组成部分，

mi是针对卫星i的真正的综合多普勒，

然后可以考虑列车的速度、里程表漂移偏差和接收机的时钟漂移偏差，来表示综合多普勒测量和状态向量的分量之间的线性关系关系：

再次让，

其中，是在观察时间段δt内接收机的时钟的漂移偏差，以秒为单位。并且，在产品开发和状态向量的条件因式分解之后：

或者，m＝h.ω+v

(2b)

其中

并且然后由最小二乘法来估计列车的状态向量：

通过将估计误差的向量写成如下形式，以下情况适用：

然后给出误差的协方差矩阵(假定残差噪声的正态分布)：

其中，r＝e(vv^t)是只有噪声项的协方差矩阵。

通过假设针对每个视线的综合多普勒测量噪声的标准偏差等同于σv，则估计的误差矩阵变为：

否则，以规范化的形式：

此外，矩阵h根据卫星星座的配置(卫星的数量、视线的方向)演变，从而修改导航精度。

这个方差的轨迹的平方路线代表了由于卫星几何结构(gdop)导致的准确度稀释，从而可能估计所得到的导航性能；

通常情况下，gdop(gps)为3，而相位测量噪声为1厘米(仅在热噪声中，一旦电离层误差得到解决)，导致3cm/s(0.1km/h)的速度精度，在这种情况下每隔一秒执行一次测量，并在一分钟滤波后得到码载波滤波(仍在消除电离层误差后)后几厘米的绝对定位精度。

残留误差针对对里程表的漂移的估计是等效的，在gnss掩码1分钟的情况下导致大约2m的误差。

列车的瞬时gnss速度和里程表的瞬时漂移偏差的无偏差电离层解算使得有可能：

-重构去偏差的载波相位的趋势并执行伪距测量的码载波滤波，以获得列车的厘米级定位精度以接近码载波滤波器的收敛(通常为60s至100s)

–基于载波相位的趋势监测多路径(和干扰)误差，以明确提高系统的完整性性能水平

-对里程表的偏差进行持续估计，这使得在gnss的可用性丧失(丧失可见度、检测到多条路径、完整性不可用等)的情况下可以增强列车定位的连续性。

图2示出了根据本发明的一个方面的方法的实现方式。

图2描述了导致单频率gnsspvt点的最终提供的所有步骤，其是准确的(即1cm的误差的数量级)，通常在代码载波滤波之后获得，但是在这里，在码相位(伪距偏离)和载波(综合多普勒)的趋势的测量已经被去除了与在电离层中gnss波的传播有关的码载波发散误差，所述码载波发散误差通常会限制滤波的持续时间。

pvt点应该被理解为意味着由gps接收机基于原始伪距和通过卫星视线的综合多普勒测量而执行的对位置p、速度v和本地时钟t的时间偏差的最小二乘的解算。

根据第一创新原理，凭借由里程表提供的附加运动测量和路线规划(铁路情况下为铁路)，部分可能实现对电离层误差的发散进行观察。“部分地”，因为里程表本身漂移，并且因此不能自行允许电离层发散得到纠正。

为了解决这个问题，第二创新原理包括在短期内(每秒或几百毫秒)同时解算速度、本地时钟的时间漂移(时钟的漂移偏差)和里程表的漂移(里程表漂移偏差)，其可观测性已基于由gnss接收机通常供给的原始综合多普勒测量结果得到证明。

完成之后，第三创新原理包括基于去除了如此估计的电离层漂移的伪距和综合多普勒(每秒一次或一百毫秒一次的重复)的测量来执行码载波滤波，然后在基于滤波后的伪距测量而产生准确的pvt点中，其通过单频接收机完成，而没有sbas增强，也没有限制与电离层发散有关的地理应用(例如赤道地区)。

最后，最后一项创新原理包括基于在最小二乘后获得的伪距残差，通过视线估计电离层延迟偏差(并且不再是电离层漂移误差)；与电离层延迟偏差(几十米)相比，码载波滤波之后的伪距测量噪声可忽略不计(几厘米)，在解算位置(p)及其在大约10到100秒的时间段内的滤波时在最小二乘后获得的伪距残差的周期性观察(大约每10分钟至30分钟)提供了对仅这些电离层偏差的良好估计，其然后可以被重新使用以校正滤波的码载波伪距测量。

应该提醒的是，电离层误差的发散同时影响码(伪距)和载波(综合多普勒)的测量，但是在相反的方向上，这阻止了在受电离层传播变化影响的区域中执行码载波滤波(在基于宽带码估计的伪距的趋势与基于载波相位估计的伪距的趋势之间的减法)。

基本上，综合多普勒与由里程表供给的运动之间的比较首先用于评估与电离层传播有关的载波相位漂移(或综合多普勒)。

这种比较可能减少通过gnss相位观测到的运动测量误差，并且因此一旦去除了(减除)由综合多普勒供给的运动(存在与电离层误差有关的相位漂移会引起限制收敛的偏差，因此限制了可接近位置的准确度)就可以减少“码载波”滤波之后的位置误差(即，伪距(极大地受噪声影响)的测量随时间的积分)。

然而，里程表的速度偏差(里程表漂移偏差)确实阻止了对电离层误差的“直接”观测；相反，里程表运动的这种漂移是常见的，可以通过将该误差投影到每个视线上来观察，如前所解释的(参见图1)。

基本上，电离层传播对伪距测量造成了未知的延迟(“电离层误差”)。

根据电离层的物理性质(电离层误差的漂移，称为“电离层漂移”)，该误差会随时间而变化。只要这个漂移误差没有被估计，它就会在综合多普勒测量上引入“电离层漂移偏差”。

由于该层是分散的，因此这种趋势在码(伪距)和载波(产生综合多普勒的载波相位)的宽带测量上以相反方向发生。

因此不存在两个计算，而是在两个步骤a和b中的处理操作：

步骤a)首先，通过从通过卫星视线的综合多普勒测量结果中减去投影到视线上的(有偏差的)里程表移动，通过视线估计每1至10秒的电离层传播偏差(电离层漂移)；

步骤b)然后，通过gnss速度的最小二乘解算，估计每1至10秒的本地时钟(其供应接收机的本地时间)的漂移偏差和里程表漂移偏差。

一旦知道里程表的偏差，将执行以下处理操作：

步骤c)针对每个卫星视线，通过步骤b)中获得的时钟漂移和里程表漂移偏差来校正步骤a)中获得的电离层传播偏差。

步骤d)在范围从几十秒到几百秒的时间段内，通过去除其电离层传播偏差的综合多普勒测量来对伪距测量进行码载波滤波。

步骤e)基于步骤d)中获得的滤波后的伪距测量结果，来对位置和gnss时间进行常规最小二乘解算。

为了完整起见，增加最后的步骤f)也是必要的：基于通过每秒对位置进行最小二乘解算获得的伪距残差，大约估计每10分钟至30分钟的电离层延迟误差(并且不再是电离层漂移误差)；然后在10秒和100秒之间的时间段内对残差进行滤波。

一旦在初始化阶段获得这些延迟误差，就可以通过连续校正电离层漂移并在gnss掩蔽的情况下通过使用里程表(校正其漂移)来维持精确的pvt点。

还有必要提到没有电离层漂移的码载波滤波中的“自然”下降，即部分减少与多路径和干扰有关的误差(事实上，这对于热带/赤道地区或最北端的铁路应用来说非常重要)，该误差严重影响了定位的准确性并降低了gnss的完整性。