一种轨道交通列车定位方法和系统与流程

1.本技术实施例涉及列车定位技术，尤指一种轨道交通列车定位方法和系统。


背景技术：

2.山地轨道交通的常规轨道运行限速在60～120km/h左右，齿轨区段限速在10～30km/h，与城市轨道交通相仿，符合cbtc(cbtc，communication based on train control，基于通信的列控系统)的运营场景。列车定位技术是cbtc的关键技术之一，实时、精确的定位信息，是保证列车安全、效率的前提。山地轨道交通强大的爬升能力，使得列车运行时，垂直方向的位移变化也很大，对列车定位有了更高的要求。
3.常用的列车定位技术有查询应答器技术、卫星定位技术、轨道区段定位技术、里程累计技术、惯性导航技术等。轨道区段定位技术是按照轨道区段进行定位，精度极差，完全不适用于cbtc系统。查询应答器技术是cbtc系统常用的列车定位技术，但是由于山地轨道交通轨道和列车的独特构造，导致在列车底盘下很难找到无金属区进行应答器接收天线的安装，且轨道上也难以安装符合欧标的应答器。卫星定位技术在山地区域抗干扰能力差，且进入隧道后，还需要额外安装差分基站，同时定位精度难以满足站内精确停车的需求。里程累计技术和惯性导航技术均存在距离计算累积误差的问题。
4.另外，上述定位技术，除了卫星定位技术外，均存在列车初始化上电后，列车位置未知的情况，需要经过一段运行后才能实现列车定位的问题，从而使得列车需要在较低的限制速度下运行，降低了列车运行效率。
5.因此，一种能够满足山地轨道交通列车主动定位需求和精度的列车主动定位技术对于山地轨道交通的发展极为重要。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供了一种轨道交通列车定位方法和系统，能够实现山地轨道交通列车主动定位功能，并满足定位精度要求。
7.本技术实施例提供了一种轨道交通列车定位方法，轨道线路上设置有超宽带uwb地面传感器，列车的设定位置处设置有uwb车载传感器，所述uwb车载传感器包括相互连接的uwb车载主机和uwb车载天线；所述方法可以包括：
8.采集所述uwb地面传感器和uwb车载天线之间的距离信息；
9.采用所述距离信息以及所述uwb地面传感器的坐标计算所述uwb车载天线的空间坐标；
10.根据所述uwb车载天线的空间坐标确定所述列车的定位信息。
11.在本技术的示例性实施例中，所述根据所述uwb车载天线的空间坐标确定所述列车的定位信息，可以包括：
12.将所述uwb车载天线的空间坐标作为所述列车的定位信息；或者，
13.根据所述uwb车载天线的空间坐标计算所述uwb车载天线与线路上预设的定位基
准点之间的第一距离；根据所述第一距离和所述uwb车载天线到车头的第二距离计算所述车头与所述定位基准点的第三距离；根据所述第三距离以及所述定位基准点与轨道区段起点的距离计算所述车头到所述轨道区段起点的距离；将所述车头到所述轨道区段起点的距离作为所述列车的定位信息。
14.在本技术的示例性实施例中，所述采用所述距离信息以及所述uwb地面传感器的坐标计算所述uwb车载天线的空间坐标，可以包括：
15.将所述uwb车载天线的空间坐标作为未知数，根据所述uwb地面传感器的坐标、所述uwb车载天线的空间坐标、所述距离信息以及两点之间的距离公式列出关于所述未知数的方程组；
16.求解所述方程组，获取所述uwb车载天线的空间坐标。
17.在本技术的示例性实施例中，在采用所述距离信息以及所述uwb地面传感器的坐标计算所述uwb车载天线的空间坐标之前，所述方法还可以包括：
18.获取所述uwb地面传感器所在的线路坡道角度，以及所述uwb车载天线所在的列车坡道角度；
19.采用所述线路坡道角度和所述列车坡道角度对所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线之间的距离信息进行校正。
20.在本技术的示例性实施例中，所述采用所述线路坡道角度和所述列车坡道角度对所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线之间的距离信息进行校正，可以包括：
21.根据所述线路坡道角度和所述列车坡道角度计算所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线的夹角；
22.根据所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线的夹角以及所述uwb地面传感器和所述uwb车载天线的距离信息计算校正后的所述uwb地面传感器和所述uwb车载天线的距离信息。
23.在本技术的示例性实施例中，所述获取所述uwb车载天线所在的线路坡道角度，可以包括：
24.获取每个车轮上设置的速度传感器测量的原始车轮速度，并对所述速度传感器测量的原始车轮速度进行滤波获取第一车轮速度；
25.根据所述第一车轮速度计算第一车轮加速度；
26.获取每个车轮上设置的加速度传感器测量的原始车轮加速度，对所述加速度传感器测量的原始车轮加速度进行滤波获取第二车轮加速度；
27.根据所述第一车轮加速度和所述第二车轮加速度的差值计算每个车轮对应的线路坡道加速度；
28.根据车轮是否发生空转或滑行，以及每个车轮对应的线路坡道加速度确定最终线路坡道加速度；
29.根据所述最终线路坡道加速度计算所述线路坡道角度。
30.在本技术的示例性实施例中，所述根据车轮是否发生空转或滑行，以及每个车轮对应的线路坡道加速度确定最终线路坡道加速度，可以包括：
31.当两个车轮均未发生空转或滑行时，计算两个车轮对应的线路坡道加速度的平均值，作为所述最终线路坡道加速度；
32.当任意一个车轮发生空转或滑行时，将未发生空转或滑行的车轮对应的线路坡道加速度作为所述最终线路坡道加速度；
33.当两个车轮均发生空转或滑行时，使用线路数据库中的数据作为所述最终线路坡道加速度。
34.在本技术的示例性实施例中，所述方法还可以包括：
35.根据轮轴速度传感器和加速度传感器的测距信息，以及所述uwb地面传感器和所述uwb车载传感器的测距信息计算测距误差，并根据所述测距误差的大小对所述列车的定位信息进行校验。
36.在本技术的示例性实施例中，所述根据轮轴速度传感器和加速度传感器的测距信息，以及所述uwb地面传感器和所述uwb车载传感器的测距信息计算测距误差，并根据所述测距误差的大小对所述列车的定位信息进行校验，可以包括：
37.根据轮轴速度传感器和加速度传感器的采集数据预估车轮速度，并采用预估的车辆速度计算列车的行走距离；
38.根据所述行走距离和预设的定位基准点计算列车相对于所述定位基准点的位移；
39.根据通过所述uwb地面传感器和所述uwb车载传感器获得的所述列车的定位信息计算列车与所述定位基准点的距离；
40.将计算出的所述位移与所述距离相比较计算所述测距误差；
41.当所述测距误差大于预设的差值阈值时，确认所述列车的定位信息异常；当所述测距误差小于或等于预设的差值阈值时，确认所述列车的定位信息正常。
42.本技术实施例还提供了一种山地轨道交通列车定位系统，可以包括：超宽带uwb地面传感器、uwb车载传感器、速度传感器、加速度传感器、定位基准点、车载控制器和计算机可读存储介质，所述uwb车载传感器包括相互连接的uwb车载主机和uwb车载天线；所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述车载控制器执行时，实现所述的轨道交通列车定位方法。
43.在本技术的示例性实施例中，所述uwb车载天线直接安装在所述uwb车载主机上，或者通过接线与所述uwb车载主机连接；所述uwb车载天线沿着列车前进方向竖向排列安装在车头顶部前端；
44.所述uwb车载天线安装在车顶中心线位置；
45.多个所述uwb车载天线之间的安装间隔大于或等于预设的间隔阈值；
46.在每个坡道分别布置至少一组uwb地面传感器，每组uwb地面传感器分布于轨道两侧；
47.所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线的垂直高度差小于或等于预设的高度阈值；
48.多个所述定位基准点之间的距离满足预设的距离阈值要求。
49.与相关技术相比，本技术实施例可以包括：采集uwb地面传感器和uwb车载天线之间的距离信息；采用所述距离信息以及所述uwb地面传感器的坐标计算所述uwb车载天线的空间坐标；根据所述uwb车载天线的空间坐标确定所述列车的定位信息。通过该实施例方案，实现了山地轨道交通列车主动定位功能，并满足定位精度要求。
50.本技术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，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
51.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
52.图1为本技术实施例的轨道交通列车定位方法流程图；
53.图2为本技术实施例的加速度传感器和速度传感器安装位置示意图；
54.图3为本技术实施例的uwb车载天线安装位置示意图；
55.图4为本技术实施例的uwb安装示意图；
56.图5为本技术实施例的轨道交通列车定位算法各模块的架构示意图；
57.图6为本技术实施例的地面传感器安装示意图；
58.图7为本技术实施例的获取uwb车载天线所在的线路坡道角度的方法流程图；
59.图8为本技术实施例的坡道校正示意图；
60.图9为本技术实施例的三个uwb地面传感器的位置示意图；
61.图10为本技术实施例的弯道定位示意图；
62.图11为本技术实施例的弯道定位实施例示意图；
63.图12为本技术实施例的轨道交通列车定位系统组成框图。
具体实施方式
64.本技术描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本技术所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
65.本技术包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本技术已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本技术中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
66.此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本技术实施例的精神和范围内。
67.本技术实施例提供了一种轨道交通列车定位方法，轨道线路上设置有超宽带uwb地面传感器，列车的设定位置处设置有uwb车载传感器，所述uwb车载传感器包括相互连接的uwb车载主机和uwb车载天线；如图1所示，所述方法可以包括步骤s101-s103：
68.s101、采集超宽带uwb地面传感器和uwb车载天线之间的距离信息；
69.s102、采用所述距离信息以及所述uwb地面传感器的坐标计算所述uwb车载天线的空间坐标；
70.s103、根据所述uwb车载天线的空间坐标确定所述列车的定位信息。
71.uwb(ultra wide band，超宽带)是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据；通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，uwb能在10米左右的范围内实现数百mbit/s(兆比特/秒)至数gbit/s(亿比特/秒)的数据传输速率；uwb具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势。
72.轮轴速度传感器是最常见的列车测速测距传感器，其基本原理是通过计算列车车轮的转速来实现列车速度和距离的计算；由于列车车轮存在蠕滑现象，因此，轮轴速度传感器通常需要其他不受列车车轮转速影响的测速测距技术手段进行辅助，如雷达、加速度传感器。
73.加速度传感器是测量列车行进方向加速度的传感器，列车常用的重力伺服式加速度传感器具有灵敏度高、精度高、安全性高等特点。
74.目前，主流cbtc系统的列车测速测距及定位方案是使用轮轴速度传感器和加速度传感器实现列车测速测距，然后通过查询应答器进行列车定位消除列车距离累积误差。
75.在本技术的示例性实施例中，在轮轴速度传感器、加速度传感器的基础上，迭加uwb测距系统，采用信息融合技术，实现山地轨道交通列车主动定位功能。
76.在本技术的示例性实施例中，本技术实施例的目的是满足轨道交通(如山地轨道交通)的列车主动定位技术，主要内容包括：山地轨道交通列车主动定位技术车载传感器配置和安装方案，山地轨道交通列车主动定位技术地面传感器配置和安装方案以及山地轨道交通列车主动定位技术算法。
77.在本技术的示例性实施例中，首先对车载传感器的配置和安装方案进行介绍。
78.在本技术的示例性实施例中，车载传感器可以包括但不限于：速度传感器(如轮轴速度传感器)、加速度传感器和uwb车载传感器(可以包括：uwb车载天线和uwb车载主机)。车载传感器的配置数量如表1所示：
79.表1
[0080][0081][0082]
在本技术的示例性实施例中，如表1所示，轮轴速度传感器数量可以为2个，形成热备冗余配置方案；加速度传感器数量可以为3个，可以形成三取二配置方案；uwb车载天线与uwb车载主机一一对应，uwb车载天线与uwb车载主机的数量可以分别为3个，形成三取二配置方案。
[0083]
在本技术的示例性实施例中，下面介绍轮轴速度传感器安装方案。
[0084]
在本技术的示例性实施例中，轮轴速度传感器的测量精度除了受本身传感器精度的影响外，主要就是受车轮蠕滑的影响。因此，为了减少车轮蠕滑的影响，轮轴速度传感器安装要求如下：
[0085]
1)不得安装在列车前进方向第一个轮对；
[0086]
2)两个轮轴速度传感器不得安装在列车的同一轮对；
[0087]
3)两个轮轴速度传感器尽量安装在同一转向架的不同轴上；
[0088]
4)尽量不安装在动力轴上；
[0089]
5)最好安装在滚动轴上。
[0090]
在本技术的示例性实施例中，下面介绍加速度传感器安装方案。
[0091]
在本技术的示例性实施例中，加速度传感器用于测量列车的加速度。由于重力伺服式加速度传感器受重力影响，因此，为了减少重力影响加速度传感器的差异以及通过轮轴速度传感器消除重力影响的准确性，加速度传感器安装要求如下：
[0092]
1)三个加速度传感器沿列车前进方向并排安装，如图2所示；
[0093]
2)三个加速度传感器尽量靠近安装在轮轴速度传感器上方安装。
[0094]
在本技术的示例性实施例中，下面介绍uwb车载天线安装方案。
[0095]
在本技术的示例性实施例中，uwb车载主机与测量精度无关，安装在车载vobc(vehicle onboard controller，车载控制器，是cbtc的组成部分)主机附近即可。uwb车载天线安装与测量精度相关，为了减少内轨和外轨走行距离测量误差等问题，uwb车载天线安装要求可以包括如下：
[0096]
1)三个uwb车载天线尽量沿着列车前进方向竖向排列安装在车头顶部最前端；
[0097]
2)三个uwb车载天线尽量安装在车顶中心线位置；
[0098]
3)三个uwb车载天线之间的安装间隔不小于50cm。
[0099]
在本技术的示例性实施例中，uwb车载天线安装方案可以如图3所示。
[0100]
在本技术的示例性实施例中，其次对地面传感器配置和安装方案进行介绍。
[0101]
在本技术的示例性实施例中，本技术实施例使用的三种传感器(速度传感器、加速度传感器和uwb传感器)只有uwb传感器配置有地面设备(即uwb地面传感器)，用于与uwb车载天线实现无线通信和定位。
[0102]
在本技术的示例性实施例中，此外，还需要进行基准点布置，如表2所示，为地面设备配置表。
[0103]
表2
[0104]
名称数量技术条件uwb地面传感器x根据配置原则和实际线路长度进行配置。定位基准点x根据配置原则和实际线路长度进行配置。
[0105]
在本技术的示例性实施例中，下面介绍uwb地面传感器配置方案。
[0106]
在本技术的示例性实施例中，uwb测距方式是uwb车载主机通过uwb地面传感器与uwb车载天线之间光波传输的时间计算出来的。因此，一个uwb地面传感器只能测量该uwb地面传感器与车载uwb车载天线的距离。因此，要实现空间定位，至少需要4个uwb地面传感器才能实现列车定位，且这4个uwb地面传感器其中任意3个不得安装在同一直线上，否则，四个uwb地面传感器只能构成平面，不能构成空间。但是，如果uwb地面传感器与uwb车载天线在同一平面，则只需要3个uwb地面传感器即可实现列车定位。
[0107]
在本技术的示例性实施例中，为了避免1个uwb地面设备传感器故障导致列车定位功能丢失，本技术实施例采用n+1冗余配置方案，即以n个uwb地面设备为一组实现列车定位功能，1个uwb地面设备备用，以防止单点故障引起的定位功能丢失。因此，考虑整个系统成本，本技术实施例最终可以采用3+1冗余配置方案。
[0108]
在本技术的示例性实施例中，下面介绍uwb地面传感器安装方案。
[0109]
在本技术的示例性实施例中，可以采用3+1冗余配置方案，即采用3个uwb地面传感器实现列车定位，这样就必须保证uwb地面传感器与uwb车载天线处于同一平面。同时，考虑uwb地面传感器与uwb车载天线的通信范围，uwb地面传感器安装可以要求如下：
[0110]
1)以坡道为区段进行uwb地面传感器组进行布置安装；
[0111]
2)不同坡道区段之间的坡度差不大于100
‰
时可进行坡道区段合并；
[0112]
3)合并后的坡道区段uwb地面传感器组布置间隔不大于500m；
[0113]
4)如果一个坡道区段处于一个以上轨道区段，则每个轨道区段需分别布置一组
uwb地面传感器组；
[0114]
5)曲率半径小于预设的半径阈值的坡道区段，uwb地面传感器组之间的布置间隔不大于200m；
[0115]
6)uwb地面传感器的安装高度与列车处于该区段上uwb车载天线高度差不超过10cm；
[0116]
7)每个uwb地面传感器组中包含的4个uwb地面传感器在轨道的两侧分别安装2个uwb地面传感器；
[0117]
8)每个uwb地面传感器组中安装于轨道同侧的2个uwb地面传感器之间的安装间隔应将当前所在的坡道区段平均分为3段；
[0118]
9)每个uwb地面传感器组中安装于轨道两侧的uwb地面传感器尽量安装在同一位置的轨道两侧。
[0119]
在本技术的示例性实施例中，uwb安装示意图如图4所示，每个uwb地面传感器组可以包括：uwb地面传感器1、uwb地面传感器2、uwb地面传感器3和uwb地面传感器4。
[0120]
在本技术的示例性实施例中，下面介绍定位基准点布置原则。
[0121]
在本技术的示例性实施例中，定位基准点布置原则包括但不限于：
[0122]
1)线路区间的直道部分，定位基准点的间隔不大于50m；
[0123]
2)线路区间的弯道部分，定位基准点的间隔不大于5m；
[0124]
3)线路站台区的直道部分，定位基准点的间隔不大于25m；
[0125]
4)线路站台区的弯道部分，定位基准点的间隔不大于3m。
[0126]
在本技术的示例性实施例中，下面对列车主动定位技术算法进行详细介绍。
[0127]
在本技术的示例性实施例中，列车主动定位技术算法可以采用数据预处理模块、线路坡道计算模块、车轮空转滑行判断模块、列车估计位置计算模块等模块完成。
[0128]
在本技术的示例性实施例中，数据预处理模块可以包括加速度传感器数据预处理和uwb传感器数据预处理两个子模块。
[0129]
在本技术的示例性实施例中，线路坡道计算模块是算法根据轮轴速度传感器和加速度传感器的预处理结果，结合车轮空转滑行状态计算列车当前所在坡道加速度，从而得到坡道值。
[0130]
在本技术的示例性实施例中，车轮空转滑行判断模块采用加速度检测法和速度差检测法进行车轮空转滑行判断。
[0131]
在本技术的示例性实施例中，列车估计位置计算模块是采用三边定位方式，实现列车估计位置计算。
[0132]
在本技术的示例性实施例中，算法模块架构可以如图5所示。
[0133]
在本技术的示例性实施例中，列车主动定位技术算法的算法输入可以包括配置输入和实时输入:
[0134]
1)配置输入是指固定的数据，包括算法配置参数和线路固定数据，如表3所示，为配置输入信息示例。
[0135]
2)实时输入数据则是传感器输入数据，如表4所示，为实时输入信息示例。
[0136]
表3
[0137][0138]
表4
[0139]
[0140][0141]
在本技术的示例性实施例中，uwb车载传感器与uwb地面传感器的距离和编号id不止一个，是在有效接收范围内的所有uwb地面传感器。
[0142]
在本技术的示例性实施例中，上面变量定义中，uwb车载传感器(主要是指uwb车载天线)与uwb地面传感器的距离s
2_id
中2_id表示第二个uwb车载传感器与编号为id的uwb地面传感器的距离。例如，s
2_128
表示第二个uwb车载传感器与编号为182的uwb地面传感器的距离。
[0143]
在本技术的示例性实施例中，列车估计位置计算模型可以利用3个uwb地面传感器
到uwb车载天线的距离信息，采用三边定位方法，计算uwb车载天线的空间坐标。
[0144]
在本技术的示例性实施例中，在采用三边定位方法计算uwb车载天线的空间坐标之前，可以首先进行uwb传感器数据预处理，uwb传感器数据预处理是从收到的uwb地面传感器信息中筛选出用于本周期列车位置计算的信息。
[0145]
在本技术的示例性实施例中，uwb车载传感器与uwb地面传感器的通信距离最长可达2000m。因此，按照uwb地面传感器安装方案，每个uwb车载传感器可以收到多组uwb地面传感器组信息。为了提高计算的精度，算法选取与uwb车载传感器处于同一线路坡道区段的uwb地面传感器组信息进行计算。
[0146]
在本技术的示例性实施例中，1个uwb车载传感器最终可筛选出4个uwb地面传感器发送的距离信息，分别记为s
i_1
、s
i_2
、s
i_3
和s
i_4
。其中，i表示车载传感器编号，取值1、2、3，对应3个uwb车载传感器。
[0147]
在本技术的示例性实施例中，每个uwb地面传感器组有4个地面传感器，3个即可确定一个平面，因此需要确定使用哪3个地面传感器构建平面，可以从4个uwb地面传感器中选择出3个地面传感器。
[0148]
在本技术的示例性实施例中，如图6所示，4个地面传感器的坐标分别为d1(x
d1
，y
d1
，z
d1
)、d2(x
d2
，y
d2
，z
d2
)、d3(x
d3
，y
d3
，z
d3
)、d4(x
d4
，y
d4
，z
d4
)的在坡道为α的平面上，遵循定位基准点的布置原则。详细的选择方法包括：
[0149]
1)使用d1、d2、d3确定一个平面，求得该平面的法向量
[0150]
首先，使用d1、d2、d3的坐标，使用叉积法，求得这3个点形成平面的法向量其中，i，j，k分别为三维中各维度的单位向量。
[0151]
与向量与向量垂直，则：
[0152][0153]
根据计算式(1)，可解出a，b，c：
[0154]
a＝(y
d2-y
d1
)
·
(z
d3-z
d1
)-(y
d3-y
d1
)
·
(z
d2-z
d1
)；
[0155]
b＝(z
d2-z
d1
)
·
(x
d3-x
d1
)-(z
d3-z
d1
)
·
(x
d2-x
d1
)；
[0156]
c＝(x
d2-x
d1
)
·
(y
d3-y
d1
)-(x
d3-x
d1
)
·
(y
d2-y
d1
)。
[0157]
2)使用判断d4是否在同一平面上，若d4与其他3个地面传感器在同一平面上，则向量d3d4(x
d4-x
d3
，y
d4-y
d3
，z
d4-z
d3
)应与法向量垂直，则有：
[0158][0159]
若计算式(2)成立，则代表4个地面传感器处于同一平面上，在确定列车位置时，使用d1、d2、d3确定的平面即可。
[0160]
如计算式(2)不成立，则计算d3d4与平面的倾角，当倾角小于预设的门限值
limitangle时，继续使用d1、d2、d3确定平面；若超过该门限值limitangle，则代表某个地面传感器有较大的安装误差，计算每3个地面传感器对应的点确定的平面，与实际水平面的倾角βi，与本定位基站组所在坡道α进行比较，取最接近的α的平面：
[0161]
1)d1、d2、d3确定平面与水平面的倾角为β1，与α差值为θ1；
[0162]
2)d1、d2、d3确定平面与水平面的倾角为β2，与α差值为θ2；
[0163]
3)d1、d2、d3确定平面与水平面的倾角为β3，与α差值为θ3；
[0164]
例如，如果θ1最小，则取d1、d2、d3确定的平面作为计算依据。在本技术的示例性实施例中，线路坡道区段存在合并，以及uwb地面传感器安装误差等原因，实际上可能导致uwb车载天线和3个uwb地面传感器不处于同一平面，造成三边定位计算误差；因此，在计算uwb车载天线的空间坐标之前，可以首先对3个uwb地面传感器到uwb车载天线的距离信息进行校正，以保证这些距离信息的准确性。
[0165]
在本技术的示例性实施例中，线路坡道计算模块是计算当前列车uwb车载传感器天线所处坡道信息，可以用于uwb测距校正计算使用。
[0166]
在本技术的示例性实施例中，车轮在未发生空转滑行时，车轮加速度与列车实际加速度最为接近，从而再根据加速度传感器测量的加速度，即可计算线路坡道加速度，得到坡道值。若车轮发生空转滑行，则车轮加速度不再准确，此时使用线路数据库中的线路坡道值，下面对详细方案进行介绍。
[0167]
在本技术的示例性实施例中，在采用所述距离信息以及所述uwb地面传感器的坐标计算所述uwb车载天线的空间坐标之前，所述方法还可以包括：
[0168]
获取所述uwb地面传感器所在的线路坡道角度，以及所述uwb车载天线所在的列车坡道角度；
[0169]
采用所述线路坡道角度和所述列车坡道角度对所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线之间的距离信息进行校正。
[0170]
在本技术的示例性实施例中，如图7所示，所述获取所述uwb车载天线所在的线路坡道角度，可以包括步骤s201-s206：
[0171]
s201、获取每个车轮上设置的速度传感器测量的原始车轮速度，并对所述速度传感器测量的原始车轮速度进行滤波获取第一车轮速度。
[0172]
在本技术的示例性实施例中，可以采用上周期(n-1)速度传感器的滤波后车轮速度对本周期(n)速度传感器的原始车轮速度v
raw_i
(i＝1，2)进行滤波处理，获取本周期(n)速度传感器的滤波后车轮速度v
wheel_i
(n)：
[0173][0174]
其中，p＝p_vwheel，为车轮速度滤波参数；本周期(n)速度传感器的滤波后车轮速度v
wheel_i
(n)即上述的第一车轮速度。
[0175]
s202、根据所述第一车轮速度计算第一车轮加速度。
[0176]
在本技术的示例性实施例中，可以根据上周期(n-1)的滤波后车轮速度v
wheel_i
(n-1)和本周期(n)的滤波后车轮速度v
wheel_i
(n)计算本周期车轮加速度a
wheel_i
(n)，计算式包括：
[0177][0178]
在本技术的示例性实施例中，该本周期车轮加速度a
wheel_i
(n)即上述的第一车轮加速度。
[0179]
s203、获取每个车轮上设置的加速度传感器测量的原始车轮加速度，对所述加速度传感器测量的原始车轮加速度进行滤波获取第二车轮加速度。
[0180]
在本技术的示例性实施例中，可以根据上周期(n-1)加速度传感器测量的加速度对本周期(n)的加速度传感器测得的原始加速度的平均值进行滤波处理，得到本周期的加速度传感器测量的加速度a
meas
(n)：
[0181][0182]
其中，p＝p_ameas，为加速度传感器的滤波参数，该本周期的加速度传感器测量的加速度a
meas
(n)即上述的第二车轮加速度。在本技术的示例性实施例中，在此之前，可以首先采用数据预处理模块中的速度传感器预处理子模块对速度传感器的数据进行预处理：
[0183]
1)加速度传感器数据有效性判断：
[0184]
如果加速度传感器的测量加速度值不满足以下条件：
[0185]
system_minimum_acceleration(预设的系统最小加速度)＜a
raw_i
＜system_maximum_acceleration(预设的系统最大加速度)；
[0186]
则判断本周期加速度传感器测量的加速值无效，不能用于本周期的数据计算。
[0187]
2)计算加速度传感器的平均加速度：
[0188]
根据采集到的加速度传感器原始加速度的有效值，可计算加速度传感器的原始加速度的平均值a
raw
：
[0189]
①
如果三个加速度传感器的原始加速度均有效：
[0190][0191]
其中，a
raw_1
、a
raw_2
、a
raw_3
分别为三个加速度传感器的原始加速度。
[0192]
②
如果两个加速度传感器的原始加速度有效(假设加速度传感器1和加速度传感器2的原始加速度有效)：
[0193][0194]
③
如果只有一个加速度传感器的原始加速度有效，则算法不再执行加速度的平均计算。
[0195]
s204、根据所述第一车轮加速度和所述第二车轮加速度的差值计算每个车轮对应的线路坡道加速度。
[0196]
在本技术的示例性实施例中，可以根据上周期加速度传感器和速度传感器滤波后的加速度【即a
meas
(n-1)和a
wheel_i
(n)】差值，对本周期加速度传感器测量的加速度a
meas
(n)(即第一车轮加速度)和根据本周期速度传感器获得的车轮加速度a
wheel_i
(n)(即第二车轮加速度)的差值进行滤波处理，得到本周期速度传感器和加速度传感器的滤波后的差值a
dif_i
(n)：
[0197][0198]
其中，p＝p_adif，为车轮加速度与加速度传感器加速度差值滤波参数；
[0199]
本周期的每个车轮对应的线路坡道加速度a
grade_i
(n)：
[0200][0201]
s205、根据车轮是否发生空转或滑行，以及每个车轮对应的线路坡道加速度确定最终线路坡道加速度。
[0202]
在本技术的示例性实施例中，所述根据车轮是否发生空转或滑行，以及每个车轮对应的线路坡道加速度确定最终线路坡道加速度，可以包括：
[0203]
当两个车轮均未发生空转或滑行时，计算两个车轮对应的线路坡道加速度的平均值，作为所述最终线路坡道加速度；
[0204]
当任意一个车轮发生空转或滑行时，将未发生空转或滑行的车轮对应的线路坡道加速度作为所述最终线路坡道加速度；
[0205]
当两个车轮均发生空转或滑行时，使用线路数据库中的数据作为所述最终线路坡道加速度。
[0206]
在本技术的示例性实施例中，如果两个车轮未发生空转或滑行，则根据上周期的坡道加速度a
grade_i
(n-1)和本周期的加速度传感器测量的加速度a
meas
(n)(即第一车轮加速度)与根据本周期速度传感器获得的车轮加速度a
wheel_i
(n)(即第二车轮加速度)的滤波后的差值(可以简称为本周期的速度传感器和加速度传感器滤波后的加速度差值)计算本周期的坡道加速度a
grade_i
(n)：
[0207][0208]
取本周期两个车轮的坡道加速度平均值作为本周期的坡道加速度a
grade
(n)：
[0209][0210]
如果只有一个车轮未发生空转或滑行，则根据计算式(9)计算可得本周期的坡道加速度；
[0211]
如果两个车轮均发生空转滑行，则使用线路数据库中的数据作为本周期的坡道加速度。在本技术的示例性实施例中，确定车轮是否发生空转或滑行的方法可以包括加速度检测法，该加速度检测法可以包括：根据从一个周期到下一个周期所述第一车轮加速度和所述第二车轮加速度的差值的变化大小，以及所述第一车轮加速度和所述第二车轮加速度的差值的绝对值的大小确定车轮是否发生空转或滑行。在本技术的示例性实施例中，确定车轮是否发生空转或滑行的方法还可以包括速度差检测法，该速度差检测法可以包括：
[0212]
当根据所述第一车轮加速度和所述第二车轮加速度的差值的变化大小以及绝对值的大小未检测出车轮是否空转或滑行时，根据预设的限制条件检测车轮是否空转或滑行。
[0213]
在本技术的示例性实施例中，可以通过车轮空转滑行判断模型采用加速度检测法和速度差检测法判断车轮是否发生空转滑行：
[0214]
(1)加速度检测法
[0215]
如果速度传感器出现下列任何情况，则设置该速度传感器对应的加速度空转或滑行检测标记为真：
[0216]
1)a
dif_i
从一个周期到下一个周期的变化超过aslip_tol(加速度差值的变化判断空转滑行的阈值)；
[0217]
2)|a
dif_i
|的值大于ah_limit(加速度差值判断空转滑行的阈值)；
[0218]
(2)速度差检测法
[0219]
当速度传感器没有检测到有空转/滑行发生时，计算速度差空转/滑行检测限制条件speed_slip_limit_i(n)跟随当前速度进行调整：
[0220]
speed_slip_limit_i(n)＝max[v
dif
(n)，speed_slip_limit_min]；
ꢀꢀ
(12)
[0221]
其中：speed_slip_limit_min计算公式如下
[0222]
当列车的估计速度v
calculated_i
＜vcalculated_low：
[0223]
speed_slip_limit_min＝velocity_slip_limit_min_low；
ꢀꢀ
(13)
[0224]
当v
calculated_i
≥vcalculated_low：
[0225]
speed_slip_limit_min＝velocity_slip_limit_min_high；
ꢀꢀ
(14)
[0226]
其中：
[0227]
speed_slip_limit_i为本周期速差法判断空转滑行的门限值；
[0228]vdif
为本周期速传计算速度和加速度计积分速度的差值；speed_slip_limit_min为速差判断空转滑行的最小门限值；
[0229]vcalculated_i
为本周期的估计速度；
[0230]
vcalculated_low为速度判断较低门限值；
[0231]
vcalculated_high为速度判断较高门限值；
[0232]
velocity_slip_limit_min_low为空转滑行判断阈值的最小值；
[0233]
velocity_slip_limit_min_low为空转滑行判断阈值的最大值。
[0234]
当加速度空转/滑行检测标记为假，但速度差空转/滑行检测标记为真时，由于速度差空转/滑行检测法是次要空转/滑行检测手段，因此在加速度空转/滑行没有检测到的时候，需要增大速度差空转/滑行检测法的检测限制条件，从而减少不可信状态的发生。计算速度差空转/滑行检测限制条件speed_slip_limit可以包括：
[0235]
speed_slip_limit_i(n)＝speed_slip_limit_i(n-1)+velocity_slip_limit_add；
ꢀꢀ
(15)
[0236]
temp＝min[speed_slip_limit_max，v
calculated
/2]，
[0237]
temp＝max[temp，speed_slip_limit_min]；
[0238]
当speed_slip_limit_i(n)＞temp，
[0239]
speed_slip_limit_i(n)＝temp；
ꢀꢀ
(16)
[0240]
其中：
[0241]
speed_slip_limit_i为本周期速差法判断空转滑行的门限值；
[0242]
velocity_slip_limit_add为速差法判断空转滑行阈值的补充值；
[0243]
speed_slip_limit_min为速差判断空转滑行的最小门限值；
[0244]
speed_slip_limit_max为速差判断空转滑行的最大门限值；
[0245]vcalculated
为本周期的估计速度。
[0246]
当加速度空转/滑行检测标记为真时，由于加速度空转/滑行检测法是第一检测法，因此当加速度空转/滑行检测法检测到了空转/滑行，速度差空转/滑行检测法就应该降低检测条件，从而提高速度差空转/滑行检测法的灵敏度。计算速度差空转/滑行检测限制条件speed_slip_limit可以包括：
[0247][0248]
其中：
[0249]
speed_slip_limit_i为本周期速差法判断空转滑行的门限值；
[0250]
velocity_slip_limit_sub：为速差法判断空转滑行阈值的参考值。
[0251]
由于在计算空转/滑行的阈值以及列车的运行速度时采用了上一周期的速度，因此，在本周期进行空转/滑行判断的依据是：如果|v
dif_i
(n)|＞speed_slip_limit_i(n-1)，则该速度传感器的速度差空转/滑行检测法的标志标记为真，说明检测到了空转/滑行。
[0252]
对于空转滑行的状态需要结合车轴的类型进行。
[0253]
(1)如果速度传感器所在轴为动力轴，则车轮可能出现的状态为无空转/滑行状态、空转/滑行状态、空转状态、滑行状态和不可信状态；
[0254]
(2)如果速度传感器所在轴为制动轴，则车轮可能出现的状态为无空转/滑行状态、空转/滑行状态、滑行状态和不可信状态；若判断出空转状态，则归类为不可信状态；
[0255]
(3)如果速度传感器所在轴为滚动轴，则车轮可能出现的状态为无空转/滑行状态和不可信状态；若判断出空转状态、滑行状态以及空转\滑行状态，则归类为不可信状态。
[0256]
根据是否速度差值和加速度差值判断的列车的空转滑行状态，和速度传感器所在的轮轴类型，对空转滑行进行进一步的细分，最终判断车轮处于：
[0257]
1)正常状态，无空转、滑行；
[0258]
2)空转滑行带判断状态，需要继续观察才可识别出是空转、滑行，还是不可信；
[0259]
3)空转状态：车轮速度高于列车速度；
[0260]
4)滑行状态：车轮速度低于列车速度；
[0261]
5)不可信状态：与物理现象相反(例如制动轴上的速度传感器判断出空转状态)，可能是传感器发生故障，误差较大。
[0262]
s206、根据所述最终线路坡道加速度计算所述线路坡道角度。
[0263]
在本技术的示例性实施例中，可以根据坡道加速度值和下述的计算式计算本周期的线路坡道角度，即坡道γ(n)：
[0264][0265]
在本技术的示例性实施例中，所述采用所述线路坡道角度和所述列车坡道角度对所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线之间的距离信息进行校正，可以包括：
[0266]
根据所述线路坡道角度和所述列车坡道角度计算所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线的夹角；
[0267]
根据所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线的夹角以及所述uwb地面传感器和所述uwb车载天线的距离信息计算校正后的所述uwb地面传感器和所述uwb车载天线的距离信
息。
[0268]
在本技术的示例性实施例中，线路坡道区段存在合并，以及uwb地面传感器安装误差等，因此实际上会导致uwb车载天线和3个uwb地面传感器不处于同一平面，造成三边定位计算误差，因此，可以采用所述线路坡道角度和列车坡道角度对uwb地面传感器与uwb车载天线之间的距离信息进行校正，如图8所示，为坡道校正示意图。
[0269]
在本技术的示例性实施例中，设uwb车载天线所在坡道角度为γ，uwb地面传感器所在坡道角度β，uwb车载天线与3个uwb地面传感器的距离分别为d1、d2和d3；则uwb车载天线与第一个uwb地面传感器的角度θ为：
[0270]
θ＝β-γ；
ꢀꢀ
(19)
[0271]
因此，可计算uwb车载天线与uwb地面传感器的实际距离d
′1为：
[0272]d′1＝d1·
cosθ；
ꢀꢀ
(20)
[0273]
在本技术的示例性实施例中，同理，可以计算获得uwb车载天线与第二个uwb地面传感器的实际距离d
′2和uwb车载天线与第三个uwb地面传感器的实际距离d
′3。
[0274]
在本技术的示例性实施例中，所述采用所述距离信息以及所述uwb地面传感器的坐标计算所述uwb车载天线的空间坐标，可以包括：
[0275]
将所述uwb车载天线的空间坐标作为未知数，根据所述uwb地面传感器的坐标、所述uwb车载天线的空间坐标、所述距离信息以及两点之间的距离公式列出关于所述未知数的方程组；
[0276]
求解所述方程组，获取所述uwb车载天线的空间坐标。
[0277]
在本技术的示例性实施例中，如图9所示，存在三个uwb地面传感器d1(x
d1
，y
d1
，z
d1
)、d2(x
d2
，y
d2
，z
d2
)、d3(x
d3
，y
d3
，z
d3
)。
[0278]
在本技术的示例性实施例中，根据3个uwb地面传感器的坐标可以求出一个平面，平面方程的求解如下：
[0279]
求出该平面的法向量法向量的解法如计算式(1)，然后根据法向量求平面计算式：
[0280]
ax+by+cz+d＝0
ꢀꢀ
(21)
[0281]
其中d＝-ax
d1-by
d1-cz
d1
。
[0282]
在本技术的示例性实施例中，假设uwb车载天线和uwb地面传感器在同一个平面上，利用uwb车载天线到3个uwb地面传感器的距离、uwb地面传感器的空间坐标和距离公式求得关于平面上uwb车载天线的空间坐标p(x，y，z)的距离方程组，将距离方程组两边同时平方，得到如下方程：
[0283]d′
12
＝(x
d1-x)2+(y
d1-y)2+(z
d1-z)2；
ꢀꢀ
(22)
[0284][0285][0286]
根据计算式(22)、(23)、(24)可求解uwb车载天线的空间坐标。
[0287]
在本技术的示例性实施例中，按照上述计算方案，可计算出3个uwb车载天线的空间分别为p1(x1，y1，z1)、p2(x2，y2，z2)和p3(x3，y3，z3)。
[0288]
在本技术的示例性实施例中，所述方法还可以包括：
[0289]
根据所述uwb车载天线的空间坐标计算所述uwb车载天线与线路上预设的定位基准点之间的第一距离；
[0290]
根据所述第一距离和所述uwb车载天线到车头的第二距离计算所述车头与所述定位基准点的第三距离；
[0291]
根据所述第三距离以及所述定位基准点与轨道区段起点的距离计算所述车头到所述轨道区段起点的距离；
[0292]
将所述车头到所述轨道区段起点的距离作为所述列车的定位信息。
[0293]
在本技术的示例性实施例中，获取uwb车载天线的空间坐标之后，可以根据3个uwb车载天线的空间坐标和定位基准点的空间坐标计算3个uwb车载天线和定位基准点之间的距离，再根据3个uwb车载天线距离车头的距离计算列车车头距离定位基准点的距离，最终根据本周期列车车头距离定位基准点的距离和定位基准点所在轨道区段的位置，计算本周期列车所在轨道区段的位置。
[0294]
在本技术的示例性实施例中，线路修建后，可以采集线路的三维地图信息，做成电子地图。已知3个天线的空间坐标，定位基准点的空间坐标，结合电子地图，可识别列车在电子地图中位置，并计算车载天线到定位基准点的相对距离。
[0295]
在本技术的示例性实施例中，在计算列车位置相对于定位基准点的距离时，需要考虑轨道的形状，如果轨道是直轨，且坡度不变，则可直接用定位基准点的空间坐标和车载天线的空间坐标计算。若轨道区段为弯轨，需要结合电子地图中弯道的曲率半径，和弯道的起点、终点进行计算，下面分别针对两种情况进行详细介绍。
[0296]
情况一、轨道区段为同一坡道的直轨
[0297]
在本技术的示例性实施例中，下面给出uwb车载天线与定位基准点之间的距离的计算实施例：
[0298]
在本技术的示例性实施例中，可以设第i(i为正整数)个定位基准点的空间坐标为g(x
g_i
，y
g_i
，z
g_i
)，则可根据空间距离公式计算uwb车载天线31、32、33与该定位基准点的距离分别为s1、s2和s3；
[0299]
s1＝(x
1-x
g_i
)2+(y
1-y
g_i
)2+(z
1-z
g_i
)2；
ꢀꢀ
(25)
[0300]
s2＝(x
2-x
g_i
)2+(y
2-y
g_i
)2+(z
2-z
g_i
)2；
ꢀꢀ
(26)
[0301]
s3＝(x
3-x
g_i
)2+(y
3-y
g_i
)2+(z
3-z
g_i
)2。
ꢀꢀ
(27)
[0302]
情况二、轨道区段含有弯道(水平或垂直)
[0303]
在本技术的示例性实施例中，弯道定位示意图可以如图10所示，将车载天线的空间坐标和定位基准点的空间坐标映射到电子地图上，然后查阅电子地图，获得两点之间的距离。
[0304]
在本技术的示例性实施例中，已知定位基准点4的位置和车载天线的位置，根据电子地图中的轨道信息(包括起点、终点、长度、坡度变化、曲率变化等信息)，得到距离s
x
，其中，x代表车载天线的编号。
[0305]
在本技术的示例性实施例中，详细求解方式可以根据电子地图中封装信息决定，可以采用既有的数据方法，以下仅做一种情况的示例：
[0306]
如图11所示，假设应答器4和5之间的轨道坡度相同，曲率半径r不变：则可根据车载天线到应答器4的距离，解出对应角度的sin值，然后查表得到角度，乘以圆周得到曲线距
离；l
4-c
为应答器4到车载天线c的直线距离，s
4-c
为应答器4到车载天线c的直线距离；sinδ＝(r
×
l
4-c
)/2；)/2；
[0307]
在本技术的示例性实施例中，需要注意的是：车载天线的空间坐标与地面轨道有高度偏离，在设定地面定位基准点的坐标时，需要对这个偏离做转换，尽量与车载天线处于同一水平面(相对于轨道平面)：
[0308]
1)定位基准点在地面，轨道中间：则在设置空间坐标时，需要增加与轨道垂直的列车的高度。
[0309]
2)定位基准点不在地面：则需要考虑定位基准点相对于轨道的垂直和水平的偏移量。
[0310]
在本技术的示例性实施例中，下面给出列车车头与定位基准点之间的距离的计算实施例：
[0311]
设uwb车载天线31、32、33距离列车车头的距离分别为l1、l2和l3则可分别计算列车车头与定位基准点的距离s
g_1
、s
g_2
和s
g_3
为：
[0312]sg_1
＝s1+l1；
ꢀꢀ
(28)
[0313]sg_2
＝s2+l2；
ꢀꢀ
(29)
[0314]sg_3
＝s3+l3。
ꢀꢀ
(30)
[0315]
在本技术的示例性实施例中，下面可以对计算出的列车车头与定位基准点之间的距离进行有效性判断。
[0316]
在本技术的示例性实施例中，有效性判断方法可以包括但不限于：车载天线两两比较法、uwb计算的距离与非uwb计算的距离的比较法。
[0317]
在本技术的示例性实施例中，车载天线两两比较法：
[0318]
对列车车头与定位基准点之间的3个距离s
g_1
、s
g_2
和s
g_3
进行有效性判断，包括：将列车车头与定位基准点的距离s
g_1
、s
g_2
和s
g_3
进行两两比较，如果比较结果的差值不在预设的距离比较阈值范围(tol_distance_compare)内，则认为该距离无效：如果s
g_1
和s
g_2
比较超出范围，且s
g_1
和s
g_3
比较超出范围，则设置s
g_1
异常；否则，设置s
g_1
正常。
[0319]
在本技术的示例性实施例中，因此，如果s
g_1
、s
g_2
和s
g_3
均正常，则列车车头距离定位基准点的距离sg为：
[0320][0321]
如果s
g_1
异常，s
g_2
和s
g_3
均正常，则列车车头距离定位基准点的距离sg为：
[0322][0323]
在本技术的示例性实施例中，uwb计算的距离与非uwb计算的距离的比较法：使用uwb定位得到的车载天线相对于定位基准点的距离sg,使用非uwb定位得到距离为s
estimate_offset
，若两者误差超过tol_distance_diff_compare，则给出警告，提示定位结果异常。
[0324]
在本技术的示例性实施例中，即，所述方法还可以包括：
[0325]
根据轮轴速度传感器和加速度传感器的测距信息，以及所述uwb地面传感器和所述uwb车载传感器的测距信息计算测距误差，并根据所述测距误差的大小对所述列车的定
位信息进行校验。
[0326]
在本技术的示例性实施例中，所述根据轮轴速度传感器和加速度传感器的测距信息，以及所述uwb地面传感器和所述uwb车载传感器的测距信息计算测距误差，并根据所述测距误差的大小对所述列车的定位信息进行校验，可以包括：
[0327]
根据轮轴速度传感器和加速度传感器的采集数据预估车轮速度，并采用预估的车辆速度计算列车的行走距离；
[0328]
根据所述行走距离和预设的定位基准点计算列车相对于所述定位基准点的位移；
[0329]
根据通过所述uwb地面传感器和所述uwb车载传感器获得的所述列车的定位信息计算列车与所述定位基准点的距离；
[0330]
将计算出的所述位移与所述距离相比较计算所述测距误差；
[0331]
当所述测距误差大于预设的差值阈值时，确认所述列车的定位信息异常；当所述测距误差小于或等于预设的差值阈值时，确认所述列车的定位信息正常。
[0332]
在本技术的示例性实施例中，预估车轮速度可以通过列车估计速度计算模型实现。
[0333]
在本技术的示例性实施例中，可以通过列车估计速度计算模型计算每周期车轮速度：
[0334]
(1)加速度积分速度计算
[0335]
已知上周期列车的估计速度为v
pre_estimate
，本周期加速度传感器测得的列车加速度为a
raw
，采样周期为t
cycle
，则本周期的加速度积分速度v
acc
为：
[0336]vacc
＝v
pre_estimate
+a
raw
*t
cycle
ꢀꢀ
(33)
[0337]
(2)轮轴速度传感器速度计算
[0338]
根据车轮得到的列车速度v
wheel
，因轮轴速度传感器的精度、安装误差等原因，使用前先对其进行滤波。
[0339]
设上周期的车轮速度为v
pre_wheel
，即前述的v
wheel_i
(n-1)，本周期两个车轮(如车轮1和车轮2)轮轴速度传感器采集的原始速度分别为v
raw_1
、v
raw_2
，滤波参数为p
wheel
，采样周期为t
cycle
，则本周期的滤波之后的两个车轮的车轮速度分别为：
[0340][0341][0342]
在本技术的示例性实施例中，可以根据车轮的空转滑行判断结果，对车轮1和车轮2的数据进行校正，可以包括：
[0343]
车轮1、2均正常，则v
cal_wheel1
和v
cal_wheel2
为计算式(34)和计算式(35)的计算结果。
[0344]
仅车轮1发生空转滑行，车轮2正常，则将车轮2的滤波结果给车轮1：
[0345]vcal_wheel1
＝v
cal_wheel2
ꢀꢀ
(36)
[0346]
仅车轮2发生空转滑行，车轮1正常，则将车轮1的滤波结果车轮2：
[0347]vcal_wheel2
＝v
cal_wheel1
；
ꢀꢀ
(37)
[0348]
车轮1、2都发生空转滑行，使用加速度值来计算：
[0349][0350][0351]
最后计算车轮速度v
wheel
(即前述的度v
wheel_i
(n))：
[0352][0353]
在本技术的示例性实施例中，还可以计算uwb速度，并根据uwb速度估计最终的车轮速度，此时的车轮速度可以采用v
estimate
表示。
[0354]
在本技术的示例性实施例中，计算uwb速度可以包括：根据uwb计算的距离和时间戳，计算两次uwb定位之间的时间差t
uwb_diff
和位移差s
uwb_diff
,本周期的uwb速度为v
uwb
：
[0355][0356]
在本技术的示例性实施例中，估计最终的车轮速度可以包括：将预处理之后的轮轴速度传感器和加速度传感器的进行数据融合。
[0357][0358]
其中：
[0359]
1＝p1+p2+p3ꢀꢀ
(43)
[0360]
其中，p1，p2，p3的取值有3组，分别在3种场景下设置不同的值：
[0361]
1)常规轨道区段，未发生空转滑行，或单轮发生空转滑行：p1，p2偏大；
[0362]
2)齿轨轨道区段，未发生空转滑行，或单轮发生空转滑行：p1，p3偏大；
[0363]
3)双轮空转滑行：p2比例继续减小。
[0364]
在本技术的示例性实施例中，可以根据速度传感器和加速度传感器判定的距离校准定位基准点的距离信息。已求得列车的估计速度v
estimate
，使用速度在时间上的积分，得到列车的位移s
estimate
。
[0365]sestimate
＝∑(v
estimate
*t
cycle
)
ꢀꢀ
(44)
[0366]
当经过定位基准点时，对s
estimate
进行校准，得到相对于定位基准点的距离s
estimate_offset
。
[0367]
较准方式有很多种，较为成熟，以下以等比例法举例说明。
[0368]
在收到定位基准点的信息后，记录时间戳t
stamp
，然后查找前后两组速度信息及其对应的时间戳：v
estimate_1
、s
estimate_1
、t
estimate_1
、v
estimate_2
、s
estimate_2
、t
estimate_2
。
[0369]
根据t
stamp
在t
estimate_1
和t
estimate_2
之间的分割比例，求得t
stamp
时刻的v
estimate_stamp
和s
estimate_stamp
。
[0370][0371]
然后：
[0372][0373]sestimate_offset
＝s
estimate-s
estimate_stamp
。
ꢀꢀ
(47)
[0374]
在本技术的示例性实施例中，使用uwb定位得到的车载天线相对于定位基准点的距离sg,使用非uwb定位得到距离为s
estimate_offset
，若两者误差超过tol_distance_diff_compare，则给出警告，提示定位结果异常。
[0375]
在本技术的示例性实施例中，试用有效的车载天线，根据车载天线31、32、33的空间坐标以及l1、l2、l3，根据前述的uwb传感器数据预处理方案和uwb车载传感器天线的空间坐标计算方法，可以得到车头的空间坐标g(x，y，z)。在本技术的示例性实施例中，可以计算列车车头距离轨道区段起点距离，作为对当前列车的定位数据，设定位基准点距离轨道区段起点的距离为s0，则列车车头距离轨道区段起点的距离s
offset
为：
[0376]soffset
＝sg+s0。
ꢀꢀ
(48)
[0377]
在本技术的示例性实施例中，在轮轴速度传感器和加速度传感器的基础上，增加uwb测距系统，从而在兼顾既有的测速方案的基础上，在应答器安装困难的山地轨道交通中实现了列车主动定位。
[0378]
本技术实施例还提供了一种轨道交通列车定位系统a，如图12所示，可以包括：uwb地面传感器a1、uwb车载天线a2、uwb车载主机a3、速度传感器a4、加速度传感器a5、定位基准点a6、车载控制器a7和计算机可读存储介质a8，uwb车载传感器包括相互连接的uwb车载主机a3和uwb车载天线aa2；所述计算机可读存储介质a8中存储有指令，当所述指令被所述车载控制器a7执行时，实现所述的轨道交通列车定位方法。
[0379]
在本技术的示例性实施例中，所述uwb车载天线直接安装在所述uwb车载主机上，或者通过接线与所述uwb车载主机连接；所述uwb车载天线沿着列车前进方向竖向排列安装在车头顶部前端；
[0380]
所述uwb车载天线安装在车顶中心线位置；
[0381]
多个所述uwb车载天线之间的安装间隔大于或等于预设的间隔阈值；
[0382]
在每个坡道分别布置至少一组uwb地面传感器，每组uwb地面传感器分布于轨道两侧；
[0383]
所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线的垂直高度差小于或等于预设的高度阈值；
[0384]
多个所述定位基准点之间的距离满足预设的距离阈值要求。
[0385]
在本技术的示例性实施例中，前述的轨道交通列车定位方法实施例中的任意实施例均适用于该系统实施例中，在此不再一一赘述。
[0386]
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被
实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

技术特征：
1.一种轨道交通列车定位方法，其特征在于，轨道线路上设置有超宽带uwb地面传感器，列车的设定位置处设置有uwb车载传感器，所述uwb车载传感器包括相互连接的uwb车载主机和uwb车载天线；所述方法包括：采集所述uwb地面传感器和所述uwb车载天线之间的距离信息；采用所述距离信息以及所述uwb地面传感器的坐标计算所述uwb车载天线的空间坐标；根据所述uwb车载天线的空间坐标确定所述列车的定位信息。2.根据权利要求1所述的轨道交通列车定位方法，其特征在于，所述根据所述uwb车载天线的空间坐标确定所述列车的定位信息，包括：将所述uwb车载天线的空间坐标作为所述列车的定位信息；或者，根据所述uwb车载天线的空间坐标计算所述uwb车载天线与所述轨道线路上预设的定位基准点之间的第一距离；根据所述第一距离和所述uwb车载天线到车头的第二距离计算所述车头与所述定位基准点的第三距离；根据所述第三距离以及所述定位基准点与轨道区段起点的距离计算所述车头到所述轨道区段起点的距离；将所述车头到所述轨道区段起点的距离作为所述列车的定位信息。3.根据权利要求1所述的轨道交通列车定位方法，其特征在于，在采用所述距离信息以及所述uwb地面传感器的坐标计算所述uwb车载天线的空间坐标之前，所述方法还包括：获取所述uwb地面传感器所在的线路坡道角度，以及所述uwb车载天线所在的列车坡道角度；采用所述线路坡道角度和所述列车坡道角度对所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线之间的距离信息进行校正。4.根据权利要求3所述的轨道交通列车定位方法，其特征在于，所述采用所述线路坡道角度和所述列车坡道角度对所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线之间的距离信息进行校正，包括：根据所述线路坡道角度和所述列车坡道角度计算所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线的夹角；根据所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线的夹角以及所述uwb地面传感器和所述uwb车载天线的距离信息计算校正后的所述uwb地面传感器和所述uwb车载天线的距离信息。5.根据权利要求3所述的轨道交通列车定位方法，其特征在于，所述获取所述uwb车载天线所在的线路坡道角度，包括：获取每个车轮上设置的速度传感器测量的原始车轮速度，并对所述速度传感器测量的原始车轮速度进行滤波获取第一车轮速度；根据所述第一车轮速度计算第一车轮加速度；获取每个车轮上设置的加速度传感器测量的原始车轮加速度，对所述加速度传感器测量的原始车轮加速度进行滤波获取第二车轮加速度；根据所述第一车轮加速度和所述第二车轮加速度的差值计算每个车轮对应的线路坡道加速度；根据车轮是否发生空转或滑行，以及每个车轮对应的线路坡道加速度确定最终线路坡道加速度；
根据所述最终线路坡道加速度计算所述线路坡道角度。6.根据权利要求5所述的轨道交通列车定位方法，其特征在于，所述根据车轮是否发生空转或滑行，以及每个车轮对应的线路坡道加速度确定最终线路坡道加速度，包括：当两个车轮均未发生空转或滑行时，计算两个车轮对应的线路坡道加速度的平均值，作为所述最终线路坡道加速度；当任意一个车轮发生空转或滑行时，将未发生空转或滑行的车轮对应的线路坡道加速度作为所述最终线路坡道加速度；当两个车轮均发生空转或滑行时，使用线路数据库中的数据作为所述最终线路坡道加速度。7.根据权利要求1所述的轨道交通列车定位方法，其特征在于，所述方法还包括：根据轮轴速度传感器和加速度传感器的测距信息，以及所述uwb地面传感器和所述uwb车载传感器的测距信息计算测距误差，并根据所述测距误差的大小对所述列车的定位信息进行校验。8.根据权利要求7所述的轨道交通列车定位方法，其特征在于，所述根据轮轴速度传感器和加速度传感器的第一测距信息，以及所述uwb地面传感器和所述uwb车载传感器的第二测距信息计算测距误差，并根据所述测距误差的大小对所述列车的定位信息进行校验，包括：根据轮轴速度传感器和加速度传感器的采集数据预估车轮速度，并采用预估的车辆速度计算列车的行走距离；根据所述行走距离和预设的定位基准点计算列车相对于所述定位基准点的位移；根据通过所述uwb地面传感器和所述uwb车载传感器获得的所述列车的定位信息计算列车与所述定位基准点的距离；将计算出的所述位移与所述距离相比较计算所述测距误差；当所述测距误差大于预设的差值阈值时，确认所述列车的定位信息异常；当所述测距误差小于或等于预设的差值阈值时，确认所述列车的定位信息正常。9.一种轨道交通列车定位系统，其特征在于，包括：超宽带uwb地面传感器、uwb车载传感器、速度传感器、加速度传感器、定位基准点、车载控制器和计算机可读存储介质，所述uwb车载传感器包括相互连接的uwb车载主机和uwb车载天线；所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述车载控制器执行时，实现如权利要求1-8任意一项所述的轨道交通列车定位方法。10.根据权利要求9所述的轨道交通列车定位系统，其特征在于，所述uwb车载天线直接安装在所述uwb车载主机上，或者通过接线与所述uwb车载主机连接；所述uwb车载天线沿着列车前进方向竖向排列安装在车头顶部前端；所述uwb车载天线安装在车顶中心线位置；多个所述uwb车载天线之间的安装间隔大于或等于预设的间隔阈值；在每个坡道分别布置至少一组uwb地面传感器，每组uwb地面传感器分布于轨道两侧；所述uwb地面传感器与所述uwb车载天线的垂直高度差小于或等于预设的高度阈值。

技术总结
本申请实施例公开了一种轨道交通列车定位方法和系统，轨道线路上设置有超宽带UWB地面传感器，列车的设定位置处设置有UWB车载传感器，所述UWB车载传感器包括相互连接的UWB车载主机和UWB车载天线；该方法包括：采集UWB地面传感器和UWB车载天线之间的距离信息；采用所述距离信息以及所述UWB地面传感器的坐标计算所述UWB车载天线的空间坐标；根据所述UWB车载天线的空间坐标确定所述列车的定位信息。通过该实施例方案，实现了山地轨道交通列车主动定位功能，并满足定位精度要求。并满足定位精度要求。并满足定位精度要求。


技术研发人员：彭萍萍 林颖 周超文 李兰春 魏柏全 郭瑞省 白东
受保护的技术使用者：北京和利时系统工程有限公司
技术研发日：2022.11.17
技术公布日：2023/4/5