基于GPS列车定位技术
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基于GPS列车定位技术
GPS简介
GPS是英文Global Positioning System（全球 定位系统）的简称。GPS起始于1958年美 国军方的一个项目，1964年投入使用。20 世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了 新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为 陆海空三大领域提供实时、全天候和全球 性的导航服务，并用于情报收集、核爆监 测和应急通讯等一些军事目的，经过20余 年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年， 全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座 己布设完成。
• 结合青藏线的特点, 用GPS/ D R 结合的方 法能够实现列车全天候实时动态定位, 该方 法具有设备简单、成本低等特点。
• 此外,随着G LONAS S、NA V SAT、GN S 等导航卫星系统的逐步建设和投人使用, 车 载接收机可以进一步发展为多卫星信号接 收。
• 一方面, 可以利用多系统提供的定位信息进 行相互订正提高精度;
• 法的优缺点, 我们认为可以采用G 玲定位法 作为主要的定位方式。目前民用的口A 码测 距误差已经达到了25 m 左右, 对于在区间 运行的列车,这一误差是可以接受的, 但对于 在站内运行的列车, 由于要分辨经由的站场 线路, 则要求更高的定位精度, 可考虑采用 DGPS(差分GPS)提高定位精度。
GPS在青藏铁路的应用
• 由于青藏线特殊的环境, 因此对信号系统提 出了一些特殊的要求: 系统应尽可能采用较 少的道旁设备, 较低的耗能; 设备和器材应 采用先进成熟技术, 其结构简单, 维修量少, 适应高原环境; 设备尽量做到高可靠无人职 守; 系统应具备完善的诊断检测功能。
• 综合考虑以上四点要求, 并分析各种定位方
• CPS经济性
• 大连至沈阳段400公里需要4-5个差分GPS 基站，而每个基站的费用在10万以下 （2002年）
GPS列车定位的工作原理
• 在铁路上应用GPS定位技术工作原理是机 车上的接收机从24颗在轨卫星中选出4颗最 佳位置的卫星，卫星发出的时间信号好比 一个精确的时钟信号，从而算出每颗卫星 的半径距离，以卫星的位置利用三角定位 原理定出机车的位置及高度
实现GPS/ DR 组合的核心问题
• 实现GPS/DR 组合的核心问题是采用何种 方法来融合两种定位系统的信息以获得最 优的组合定位结果阁。这里我们采用比较 常用的Ka lman滤波, 就是将GPS/DR 的定 位信息同时用于定位解的求解过程中, 将 DR 系统的状态在滤波过程中不断得到修正, 组合定位的输出有可以提供较为准确的初 始位置和方向信息, 从而在GPS失效单独使 用DR 推算定位时也能保持较高的定位精 度。
• 德国铁路部门认为：GPS系统应用于安全 要求较高的地方，卫星导航可代替现有的 常规操作，以卫星导航，移动通讯和引导 系统代替现有的固定信号系统正在试验线 路上进行。
• GPS列车定位系统可不依赖铁路现有的固 定信号系统对列车进行定位，可指导司机 或控制自动驾驶系统以安全，经济的方式 操控列车，作为独立于铁路信号系统的 GPS列车定位系统对高速列车的安全起重 大作用
• 2. 地面控制系统
• 地面控制系统由监测站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna） 所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春 田市（Colorado Spring）。地面控制站负 责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星 历、相对距离，大气校正等数据。
基于GPS 与GIS 列车定位系统设计
• 1.系统结构设计
– 当GPS 信息丢失时, 根据前一时刻GPS 数据、T AX2 箱数据 和线路GIS 数据进行 位置推算处理, 估算 出当前列车位置, 再 利用地图匹配把列车 行驶轨迹强制匹配到 线路中。
• 2.GIS线路数据库的建立
• 建立线路GIS 数据 库是本系统的关键, 是进行地图匹配时的重要依据
GPS组成
• 1.空间部分 • GPS的空间部分是由24颗卫星组成
（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于 距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨 道面上（每个轨道面4 颗），轨道倾角为 55°。卫星的分布使得在全球任何地方、 任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能 在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为 大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航 精度会逐渐降低。
GPS在实际列车应用中的缺陷
• GPS定位法自身存在很多缺陷, 例如当列车 行驶进山区或通过隧道时, 接收到的CPS信 号会非常微弱, 甚至收不到, 使定位失效。
• 基于以上考虑, 我们采用D R （航位推算法） 作为辅助定位技术, 即根据前进方向、速度 和时间进行估算。D R 是典型的独立定位 技术, 在短时间内能够保持较高的精度, 但 该法确定的只是相对位置。D R 的优缺点 与GPS定位具有很强的互补性, 因此采用G PS/ D R 组合定位可获得较高的定位精度和 可靠性。
• 另一方面, 可以减少对单一定位导航系统的 依赖性。
基于GPS 和GIS 的列车定位系统
• GIS简介
– GIS即地理信息系统（Geographic Information System）
– GIS 是解决空间问题的工具、方法和技术。
• 在列车定位中的作用
– 当列车接收GPS的信号丢失时，利用GIS数据 库信息进行电子地图匹配，推算出列车的运行 轨迹，保证列车的安全运行
• 方法
• 假设曲线AE 是实 际铁路线路的某一 段。把它用A、B、 C、D、E 节点分 割成AB、BC、 CD、DE 4 个直线 段, 用以代替真实 线路
• 3.用户设备部分
•
用户设备部分即GPS 信号接收机。
GPS在列车中应用的可行性
• 将GPS应用于铁路列车，最早的报道见于 1984年美国伯林顿北方铁路公司和Rock well公司的合作，于80年代开发的ARES系 统，并且已将GPS作为国家铁路标准精确 定位系统。目前欧洲各国铁路正在加强利 用GPS技术，并将沿线设置差分机战，并 使之与移动通信技术相结合，以提高铁路 运输能力。
GPS简介
GPS是英文Global Positioning System（全球 定位系统）的简称。GPS起始于1958年美 国军方的一个项目，1964年投入使用。20 世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了 新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为 陆海空三大领域提供实时、全天候和全球 性的导航服务，并用于情报收集、核爆监 测和应急通讯等一些军事目的，经过20余 年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年， 全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座 己布设完成。
• 结合青藏线的特点, 用GPS/ D R 结合的方 法能够实现列车全天候实时动态定位, 该方 法具有设备简单、成本低等特点。
• 此外,随着G LONAS S、NA V SAT、GN S 等导航卫星系统的逐步建设和投人使用, 车 载接收机可以进一步发展为多卫星信号接 收。
• 一方面, 可以利用多系统提供的定位信息进 行相互订正提高精度;
• 法的优缺点, 我们认为可以采用G 玲定位法 作为主要的定位方式。目前民用的口A 码测 距误差已经达到了25 m 左右, 对于在区间 运行的列车,这一误差是可以接受的, 但对于 在站内运行的列车, 由于要分辨经由的站场 线路, 则要求更高的定位精度, 可考虑采用 DGPS(差分GPS)提高定位精度。
GPS在青藏铁路的应用
• 由于青藏线特殊的环境, 因此对信号系统提 出了一些特殊的要求: 系统应尽可能采用较 少的道旁设备, 较低的耗能; 设备和器材应 采用先进成熟技术, 其结构简单, 维修量少, 适应高原环境; 设备尽量做到高可靠无人职 守; 系统应具备完善的诊断检测功能。
• 综合考虑以上四点要求, 并分析各种定位方
• CPS经济性
• 大连至沈阳段400公里需要4-5个差分GPS 基站，而每个基站的费用在10万以下 （2002年）
GPS列车定位的工作原理
• 在铁路上应用GPS定位技术工作原理是机 车上的接收机从24颗在轨卫星中选出4颗最 佳位置的卫星，卫星发出的时间信号好比 一个精确的时钟信号，从而算出每颗卫星 的半径距离，以卫星的位置利用三角定位 原理定出机车的位置及高度
实现GPS/ DR 组合的核心问题
• 实现GPS/DR 组合的核心问题是采用何种 方法来融合两种定位系统的信息以获得最 优的组合定位结果阁。这里我们采用比较 常用的Ka lman滤波, 就是将GPS/DR 的定 位信息同时用于定位解的求解过程中, 将 DR 系统的状态在滤波过程中不断得到修正, 组合定位的输出有可以提供较为准确的初 始位置和方向信息, 从而在GPS失效单独使 用DR 推算定位时也能保持较高的定位精 度。
• 德国铁路部门认为：GPS系统应用于安全 要求较高的地方，卫星导航可代替现有的 常规操作，以卫星导航，移动通讯和引导 系统代替现有的固定信号系统正在试验线 路上进行。
• GPS列车定位系统可不依赖铁路现有的固 定信号系统对列车进行定位，可指导司机 或控制自动驾驶系统以安全，经济的方式 操控列车，作为独立于铁路信号系统的 GPS列车定位系统对高速列车的安全起重 大作用
• 2. 地面控制系统
• 地面控制系统由监测站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna） 所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春 田市（Colorado Spring）。地面控制站负 责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星 历、相对距离，大气校正等数据。
基于GPS 与GIS 列车定位系统设计
• 1.系统结构设计
– 当GPS 信息丢失时, 根据前一时刻GPS 数据、T AX2 箱数据 和线路GIS 数据进行 位置推算处理, 估算 出当前列车位置, 再 利用地图匹配把列车 行驶轨迹强制匹配到 线路中。
• 2.GIS线路数据库的建立
• 建立线路GIS 数据 库是本系统的关键, 是进行地图匹配时的重要依据
GPS组成
• 1.空间部分 • GPS的空间部分是由24颗卫星组成
（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于 距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨 道面上（每个轨道面4 颗），轨道倾角为 55°。卫星的分布使得在全球任何地方、 任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能 在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为 大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航 精度会逐渐降低。
GPS在实际列车应用中的缺陷
• GPS定位法自身存在很多缺陷, 例如当列车 行驶进山区或通过隧道时, 接收到的CPS信 号会非常微弱, 甚至收不到, 使定位失效。
• 基于以上考虑, 我们采用D R （航位推算法） 作为辅助定位技术, 即根据前进方向、速度 和时间进行估算。D R 是典型的独立定位 技术, 在短时间内能够保持较高的精度, 但 该法确定的只是相对位置。D R 的优缺点 与GPS定位具有很强的互补性, 因此采用G PS/ D R 组合定位可获得较高的定位精度和 可靠性。
• 另一方面, 可以减少对单一定位导航系统的 依赖性。
基于GPS 和GIS 的列车定位系统
• GIS简介
– GIS即地理信息系统（Geographic Information System）
– GIS 是解决空间问题的工具、方法和技术。
• 在列车定位中的作用
– 当列车接收GPS的信号丢失时，利用GIS数据 库信息进行电子地图匹配，推算出列车的运行 轨迹，保证列车的安全运行
• 方法
• 假设曲线AE 是实 际铁路线路的某一 段。把它用A、B、 C、D、E 节点分 割成AB、BC、 CD、DE 4 个直线 段, 用以代替真实 线路
• 3.用户设备部分
•
用户设备部分即GPS 信号接收机。
GPS在列车中应用的可行性
• 将GPS应用于铁路列车，最早的报道见于 1984年美国伯林顿北方铁路公司和Rock well公司的合作，于80年代开发的ARES系 统，并且已将GPS作为国家铁路标准精确 定位系统。目前欧洲各国铁路正在加强利 用GPS技术，并将沿线设置差分机战，并 使之与移动通信技术相结合，以提高铁路 运输能力。