一种将卫星三维坐标转换为铁路一维坐标的方法及系统与流程

本发明属于轨道交通领域，特别涉及一种将卫星三维坐标转换为铁路一维坐标的方法及系统。

背景技术：

目前基于卫星的定位技术主要是采用gps，其坐标定位成果形式是基于wgs-84(worldgeodeticsystem1984，为gps全球定位系统使用而建立的坐标系统)坐标系。

凡是采用gps接收机得到的定位结果的格式都是nmea-0183格式，此格式的数据在工程测量中无法直接应用。nmea-0183是美国国家海洋电子协会(nationalmarineelectronicsassociation)为海用电子设备制定的标准格式，并且是gps导航设备统一的rtcm(radiotechnicalcommissionformaritimeservices)标准协议。

现有技术中对列车位置进行确认的方法:在测区内，利用至少3个以上公共点的两套坐标列出坐标转换方程，采用最小二乘原理解算出7个转换参数就可以得到转换方程,其中7个转换参数是指3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。

现有技术的缺陷：1、用七参数坐标转换法进行坐标系转换时，gps网与地面网至少有3个重合点，以求得转换矩阵；

2、由nmea-0183格式的坐标转换为平面坐标需要先转换为克拉索夫斯基椭球空间坐标，然后转换为克拉索夫斯基椭球大地坐标，最后转换为高斯平面坐标，转换过程繁琐，容易损失测量工程精度；

3、由高斯平面坐标无法直接定位列车在铁路线路上准确位置。

在轨道交通行业，我们无需了解列车的详细的经纬度坐标，而是更关注其所处于铁路线路的具体位置，需要快速的寻找到列车在铁路线路的具体位置，防止步骤过多导致列车位置寻找麻烦的状况。并且快速寻找到列车在铁路线路上的位置，能够方便系统调度。因此，需要一种方法，把从gps接收机得到的列车定位转换为可标注在铁路线路上的确定位置的方法。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明涉及一种将卫星三维坐标转换为铁路一维坐标的方法，包括以下步骤：

获取定位参考点和待定位卫星点的三维坐标，并将所述三维坐标转化为二维坐标；

以相邻的两个所述定位参考点之间的铁路线路为参考连线，根据所述参考连线的曲率，确定所述待定位卫星点在所述参考连线上的映射点；

基于所述映射点，将所述定位参考点和所述待定位卫星点的二维坐标转化为铁路线路上的一维坐标。

优选的，所述定位参考点的位置设置在铁路线路上，将相邻的每两个所述定位参考点之间的铁路线路标记为一组所述参考连线。

优选的，删除所述三维坐标中的高程参数，将所述三维坐标转化为所述二维坐标。

优选的，所述以相邻的两个所述定位参考点之间的铁路线路为参考连线，根据所述参考连线的曲率包括：

判断所述参考连线的曲率，根据判断结果执行处理步骤，所述处理步骤包括：

若所述曲率为零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点；

若所述曲率非零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点。

优选的，所述若所述曲率为零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点包括：

判断所述待定位卫星点与所述参考连线的关系，根据判断结果执行处理步骤，所述处理步骤包括：

若所述待定位卫星点在所述参考连线外，所述待定位卫星点向所述参考连线做出映射点；

若所述待定位卫星点在所述参考连线上，计算所述待定位卫星点与所述定位参考点的位置关系。

优选的，所述若所述曲率非零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点包括：

确定所述参考连线的曲率半径和圆心坐标；

判断所述待定位卫星点与所述参考连线的距离是否满足工程精度，根据判断结果执行处理步骤，所述处理步骤包括：

若所述距离满足工程精度，由所述待定位卫星点向所述参考连线做出映射点；

若所述距离不满足工程精度，舍弃所述待定位卫星点。

优选的，基于所述映射点以及所述定位参考点和所述待定位卫星点的二维坐标，判断所述待定位卫星点与所述映射点的距离是否满足工程精度，根据判断结果执行处理步骤，所述处理步骤包括：

若所述待定位卫星点与所述映射点的距离满足工程精度，则得到所述待定位卫星点在铁路线路上的实际一维坐标位置；

若所述待定位卫星点与所述映射点的距离不满足工程精度，则舍弃所述待定位卫星点。

优选的，所述若所述待定位卫星点在所述参考连线外，所述待定位卫星点向所述参考连线做出映射点包括：

由所述待定位卫星点向所述参考连线或所述参考连线的延长线做垂线，所述垂线与所述参考连线的交点为映射点。

优选的，所述垂线的距离满足工程精度，则所述映射点与所述定位参考点的距离为列车在真实铁路上的一维坐标位置；

所述垂线的距离不满足工程精度，则舍弃所述待定位卫星点。

优选的，所述若所述待定位卫星点在所述参考连线上，计算所述待定位卫星点与所述定位参考点的位置关系包括：

计算所述待定位卫星点与所述定位参考点的距离，所述距离为列车在真实铁路上的一维坐标位置。

优选的，所述若所述待定位卫星点与所述映射点的距离满足工程精度，则得到所述待定位卫星点映射在铁路线路上的实际一维坐标位置包括：

经过所述待定位卫星点和所述圆心的直线与所述参考连线的交点为映射点；

所述映射点与所述定位参考点的距离为列车在真实铁路上的一维坐标位置。

一种将卫星三维坐标转换为铁路一维坐标的系统，包括定位模块、曲率模块和映射模块；

所述定位模块用于获取定位参考点和待定位卫星点的三维坐标，并将所述三维坐标转化为二维坐标；

所述曲率模块用于以相邻的两个所述定位参考点之间的铁路线路为参考连线，根据所述参考连线的曲率，确定所述待定位卫星点在所述参考连线上的映射点；

所述映射模块用于基于所述映射点，将所述定位参考点和所述待定位卫星点的二维坐标转化为铁路线路上的一维坐标；

所述定位模块与曲率模块连接，所述曲率模块与映射模块连接。

优选的，所述曲率模块包括直线单元和曲线单元；

所述直线单元用于若所述曲率为零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点；

所述曲线单元用于若所述曲率非零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点。

优选的，所述映射模块包括映射点单元；

所述映射点单元用于若所述待定位卫星点与所述映射点的距离满足工程精度，则所述映射点与所述定位参考点的距离为列车在真实铁路上的一维坐标位置。

本发明的技术效果：首先，将待定位卫星点的三维坐标转换为地面二维坐标；其次，把待定位卫星点映射到参考连线上，求得其映射点；最后，根据工程精度需求，判断对映射结果的取舍，从而得到待定位卫星点基于实际铁路线路的一维坐标，从而将卫星定位的三维坐标转化为铁路轨道的一维坐标。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例的整体流程示意图；

图2示出了本发明实施例的待定位卫星点在参考连线上的示意图；

图3示出了本发明实施例的待定位卫星点不在参考连线上的示意图；

图4示出了本发明实施例的待定位卫星点与参考连线的位置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例的整体流程示意图。如图1所示，本发明提供一种将卫星三维坐标转换为铁路一维坐标的方法，包括以下步骤：

步骤一：获取定位参考点和待定位卫星点的三维坐标，并将所述三维坐标转化为二维坐标；

根据现场实际测量，以现场设备作为定位参考点，其三维坐标为定位参考点坐标，从卫星处实时获取列车的(至少)三维位置坐标。其中，三维坐标包括经度、纬度和高程。示例性的，通过三维数据对定位参考点和待定位卫星点的选取，能够准确的确定具体方位。

示例性的，如果在盘山路上，高程参数对三维数据确认尤为重要，在经度和纬度都相同的状况下，只是高程的不同来对各个不同的坐标点进行区分。由于铁路建设的特殊性，对铁路工程进行数据测量时，在一定距离范围内，高程参数对列车影响近乎不计，从而只是单独的通过经度和纬度来确定方位，从而将卫星定位的三维坐标变成二维坐标，从而得到定位参考点和待定位卫星点的二维坐标。

步骤二：以相邻的两个所述定位参考点之间的铁路线路为参考连线，根据所述参考连线的曲率，确定所述待定位卫星点在所述参考连线上的映射点；

所述定位参考点设置在列车运行的铁路线路上，多个定位参考点将铁路线路分成多个线路，每相邻的两个定位参考点形成一组，将一组定位参考点之间的连线设定为参考连线。示例性的，选取定位参考点和待定位卫星点时，都是在卫星地图上显示的，其中定位参考点是选取的已知其准确的经纬度坐标的固定点，而待定位卫星点是从gps接收机得到的列车定位点。

示例性的，每组定位参考点之间的铁路线路构成参考连线，其中，参考连线的曲率是通过测量来获取的，获取的一条线路的电子地图时，就能够通过测量的方式获取参考连线的曲率。

例如：在地图上建立平面直角坐标系，将列车在地图上运行的轨迹进行描绘，并将定位参考点a和b设置在轨迹上。若描绘的轨迹为曲线，将曲线的圆心作为平面直角坐标系的原点，曲线连线为ab，曲线连线ab的圆心为原点。

若描绘的轨迹为直线，将平面直角坐标系的原点作为一个定位参考点，形成一个经过原点的直线连线。

判断所述参考连线的曲率，根据判断结果执行处理步骤，所述处理步骤包括：

若参考连线的曲率为零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点。当参考连线的曲率为零时，则需要测量的参考连线为直线，在卫星地图上，两个相邻定位参考点之间的铁路线路的轨道线路连线，即参考点a和参考点b之间的直线线段，参考点a为起始点，参考点b为终末点。

对待定位卫星点的位置进行判定，若待定位卫星点在参考连线上时，计算待定位卫星点与定位参考点的距离，得出列车在真实铁路线路上的具体位置。对列车的具体位置进行确定时，需要将定位参考点的坐标和待定位卫星店的坐标进行确认，根据坐标来计算待定位卫星点与定位参考点的距离。图2示出了本发明实施例的待定位卫星点在参考连线上的示意图。如图2所示，待定位卫星点p在参考连线ab上，此时计算pa之间的距离，在确认参考点a和参考点b的具体坐标值后，从而能够确定待定位卫星点p与参考点a的距离为真实铁路线路上的一维坐标位置。

示例性的，以平面直角坐标系为准进行距离计算时，参考点a的坐标为(x1，y1)，待定位卫星点p的坐标为(x2，y2)，则进而得到待定位卫星点p与参考点a的实际距离，从而得到待定位卫星点p在真实铁路上的具体位置。

例如，对地球上的两个坐标之间的距离进行计算时，通过公式1：

其中，r为地球半径，可取平均值6371km；d为两个坐标之间距离；表示两个坐标之间纬度；δλ表示两个坐标经度之间的差值；

其中，haversin(θ)＝sin²(θ/2)＝(1-cos(θ))/2；

将haversine转化成正弦和余弦两种方式，从而对两个坐标之间的距离进行计算，对比计算结果，从而得到比较准确的结果，两个坐标的经度和纬度来计算两个坐标之间的距离。

若待定位卫星点不在参考连线上时，待定位卫星点在参考连线上做出映射点。图3示出了本发明实施例的待定位卫星点不在参考连线上的示意图。如图3所示，通过待定位卫星点p向参考连线ab做垂线，垂线与参考连线的交点为映射点d。此时，需要对垂线pd进行工程精度判定，示例性的，对垂线pd的工程精度进行判定时，当垂线pd≤5m时，垂线pd在工程精度确定范围之内，当垂线pd＞5m时，垂线pd在工程精度确定范围之外。若垂线pd满足工程精度需求，则直接计算ad长度，进而映射点d与参考点a的距离就是列车在真实铁路线路上的一维坐标位置。示例性的，待定位卫星点p向参考连线ab做垂线时，垂线与参考连线的延长线的交点为q，此时需要对垂线pq和连线aq的距离做工程精度判定，若垂线pq和连线aq满足工程精度需求，从而确认交点q与参考点a的距离就是列车在真实铁路线路上的一维坐标位置。

若参考连线的曲率非零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点。图4示出了本发明实施例的待定位卫星点与参考连线的位置结构示意图。如图4所示，当参考连线的曲率非零时，需要测量的参考连线为曲线，在卫星地图上确认参考连线的曲率半径和圆心坐标，即参考点a和参考点b之间的曲线连线，参考点a为起始点，参考点b为终末点，圆心为o。

判断待定位卫星点与参考连线的距离是否满足工程精度，根据判断结果执行处理步骤，所述处理步骤包括：

若所述距离满足工程精度，由所述待定位卫星点向所述参考连线做出映射点。待定位卫星点p与圆心o连线，由待定位卫星点p向参考连线ab做出映射点q，即经过待定位卫星点p和圆心o的直线与参考连线ab的交点为映射点q，此时对连线pq进行工程精度判定，判定待定位卫星点p与参考连线ab的距离能否满足工程精度。若连线po满足工程精度需求，由待定位卫星点p向参考连线ab做出映射点，即待定位卫星点p和圆心o的连线或延长线与参考连线ab的交点q，点q即为待定位卫星点在参考连线ab的映射点，即列车的具体位置。计算待定位参考点p与起始参考点a的距离pa，则近似认为|pa|≈|qa|。从而可以计算待定位参考点p和起始参考点a两个坐标之间的距离，来近似的得到qa的距离，从而确认交点q与参考点a的距离就是列车在真实铁路线路上的一维坐标位置。

若所述距离不满足工程精度，舍弃所述待定位卫星点。

步骤三：基于所述映射点，将所述定位参考点和所述待定位卫星点的二维坐标转化为铁路线路上的一维坐标；

待定位卫星点在参考连线上做出映射点，判定时，在图3中，垂足点d在参考连线ab上时，垂线pd的工程精度判定；垂足点q在参考连线ab的延长线上时，对垂线pq和连线aq的工程精度判定。在图4中，将待定位卫星点p与圆心o的连线进行工程精度判定，即连线po的工程精度判定。

当垂足点d或交点q不满足工程精度时，则此时的待定位卫星点p失去定位作用，需要舍弃待定位卫星点p。示例性的，由gps接收机得到的列车的待定位卫星点p在参考连线ab上无法得到准确的位置定位时，需要舍弃此时的待定位卫星点p，从而再次通过gps接收机接收列车定位点的待定位卫星点p，方便对列车位置做出下一次检测。

根据工程精度判断结果执行处理步骤，所述处理步骤包括：

若所述待定位卫星点满足工程精度，则得到所述待定位卫星点p映射在铁路线路上的实际一维坐标位置；

参考连线的曲率为零：

当待定位卫星点p在参考连线ab上时，待定位卫星点p就是映射点，根据映射点得到列车在真实铁路上的一维坐标位置；

当待定位卫星点p不在参考连线上时，由待定位卫星点p向参考连线ab或参考连线ab的延长线做垂线，其中垂线与参考连线ab或参考连线ab的延长线得到的交点，就是待定位卫星点p在参考连线ab上的映射点，根据映射点得到列车在真实铁路上的一维坐标位置。

参考连线曲率不为零：

其中待定位卫星点p和圆心的连线以及连线的延长线与参考连线的交点，就是待定位卫星点p在参考连线ab上的映射点，根据映射点得到列车在真实铁路上的一维坐标位置。

若所述待定位卫星点不满足工程精度，则舍弃所述待定位卫星点p。

本发明还提供一种将卫星三维坐标转换为铁路一维坐标的系统，包括定位模块、曲率模块和映射模块；

所述定位模块用于获取定位参考点和待定位卫星点的三维坐标，并将所述三维坐标转化为二维坐标；定位参考点选取的已知其准确的经纬度坐标的固定点，而待定位卫星点是从gps接收机得到的列车定位点。

所述曲率模块用于以相邻的两个所述定位参考点之间的铁路线路为参考连线，根据所述参考连线的曲率，确定所述待定位卫星点在所述参考连线上的映射点；通过对参考连线曲率进行判定，从而判定参考连线是曲线还是直线，然后将待定位卫星点映射在参考连线上。

所述映射模块用于基于所述映射点，将所述定位参考点和所述待定位卫星点的二维坐标转化为铁路线路上的一维坐标；在铁路线路上确认定位参考点的位置坐标，待定位卫星点映射在两个相邻的定位参考点之间的铁路线路上，从而待定位卫星点映射的位置为列车在铁路线路上的具体位置。

所述定位模块与曲率模块连接，所述曲率模块与映射模块连接。

所述曲率模块包括直线单元和曲线单元；

所述直线单元用于若所述曲率为零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点。

当待定位卫星点在参考连线上时，此时的待定位卫星点就是待定位卫星点在参考连线上的映射点；

当待定位卫星点不在参考连线上时，通过待定位卫星点向参考连线或参考连线的延长线做垂线，垂线与参考连线的交点为映射点。

所述曲线单元用于若所述曲率非零，由所述待定位卫星点向所述参考连线做映射，确定所述映射点；

由待定位卫星点向参考连线做出映射点，待定位卫星点和圆心的连线或连线的延长线与参考连线的交点，即待定位卫星点在参考连线的映射点。

所述映射模块包括映射点单元；

所述映射点单元用于若所述待定位卫星点与所述映射点的距离满足工程精度，则所述映射点与所述定位参考点的距离为列车在真实铁路上的一维坐标位置。

现有技术中，经度和纬度是标识坐标数据的一种类型，西安80北京54坐标系统都可以用经纬度来表示坐标位置。

wgs-84地心坐标系可以与1954北京坐标系或1980西安坐标系等参照坐标系相互转换，其中：在测区内，利用至少3个以上公共点的两套坐标列出坐标转换方程，采用最小二乘原理解算出7个转换参数就可以得到转换方程。其中7个转换参数是3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。

本发明考虑到工程的实际情况，首先，将待定位卫星点的三维坐标(经度、纬度和高程)转换为地面二维坐标(经度和纬度)；其次，把待定位卫星点映射到参考连线上，求得其映射点；最后，根据工程的工程精度需求，判断对映射结果的取舍，从而得到待定位卫星点基于实际铁路线路的一维坐标，从而将卫星定位的三维坐标转化为铁路轨道的一维坐标。

与现有技术相比，本发明通过两个定位参考点和一个待定位卫星点来确认列车在铁路线路上的位置，减少了查询坐标参数的数据，以及缩减了检索步骤，从而能够快速的寻找到列车在铁路线路上的位置。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。