基于衛星差分定位的LKJ自動對標方法研究與應用

陳澤華 苗 壯 龍小奇 王 強

湖南中車時代通信信號有限公司 湖南 長沙 412001

引言

目前列車運行監控裝置LKJ基本采用人工開車對標的方式,司機在列車發車前設定發車參數,包括起始站、發車股道和運行徑路等信息。通常以起始站的正線出站信號機或固定對標點作為設定發車參數的起點,當列車運行至正線出站信號機或固定對標點位置時,通過司機人工操作調取預存的車載數據控制。LKJ根據開車對標點位置進行讀取車載數據,調取機車前方線路的限速、坡度和信號機等信息,從而監控機車運行。但是如果機車當前的實際位置與LKJ調取數據的位置不一致或距離誤差較大,就會導致當前的限速、坡度和信號機等信息不正確,影響運行效率甚至造成LKJ誤控等風險,為此本文提出了一種依據衛星差分定位信息自動完成發車信息核對和對標操作的方法。

1 研究目的

目前的列車始發作業時的容易出現問題的操作主要有一下幾點：

1.1 司機輸入的發車參數與機車當前實際位置不一致,或者設定的對標信號機與實際前方信號機不符,造成開車對標后控車數據錯誤。

1.2 人工對標過程本身就存在操作誤差,也可能由于天氣能見度較低等因素的影響導致無法確認前方對標信號機或對標點位置,會出現提前或滯后對標,從而導致存在較大的距離誤差。

本文充分分析了始發作業時容易出現問題的兩個方面,提出了利用衛差分定位的方式,即可以自動核對發車參數由可以自動完成對標操作。

2 差分定位自動對標原理

2.1 獲取機車坐標位置 差分定位也叫差分GPS/BD 技術,即將一臺GPS/BD接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密坐標,計算出基準站到衛星的距離修正值,并由基準站實時將這一數據發送出去。用戶接收機在進行GPS/BD 觀測的同時,也接收到基準站發出的修正值,并對其定位結果進行修正,從而提高定位精度。

可以簡單的理解為在已知坐標的點上安置一臺GPS/BD 接收機(稱為基準站),利用已知坐標和衛星計算出觀測值的校正值,并通過無線設備將校正值發送給運動中的GPS/BD 接收機(稱為移動站),移動站應用接收到的校正值對自己的GPS/BD觀測值進行修正,以消除衛星鐘差、接收機鐘差、大氣電離層和對流層折射誤差的影響。

依據差分定位技術的原理(如圖1所示),在各大站場安裝差分參考站(基準站),例如：肅寧北基準站、黃驊港基準站等。基準站將其觀測值通過3G/4G 或鐵路內網實時發送至地面數據中心,數據中心根據接收到的觀測值與基準站的已知坐標計算出當前環境下的修正值,同時將修正值通過3G/4G 無線網絡發送至每臺機車(移動站),每臺機車通過無線接收裝置接收到坐標修正值,利用此修正值對機車上衛星接收裝置獲取的原始機車坐標進行修正,從而獲得更加精確的機車坐標。

未經差分計算的機車坐標的波動較大,與實際值得偏差可達米級,當遇到特殊天氣或環境偏差可能達到幾十米或幾百米。而經過差分計算后的固定解狀態的機車坐標的精度可以達到厘米級別

圖1 差分定位原理

2.2 股道數據采集 數據采集制作包括外業采集、內業提取和數據文件整合三部分。

外業數據采集主要使用基于GPS＋INS輔助定位的激光,通過全景移動背包或者無人機兩種方式完成,

內業提取首先使用融合軟件,通過融合GPS、INS和激光數據將原始外業測繪數據生成具有真實地理參考的站場三維場景(點云和全景),用于內業數據提取。使用地信行業的著名數據處理軟件ArcGIS軟件,通過插件顯示三維測繪數據,提取信號機的名稱,經緯度坐標。內業處理全過程需要保證數據誤差在10cm 以內。

數據文件整合,根據控件名稱的一一對應,將測繪的地理幾何信息(真實地理坐標)添加到已有的LKJ車載數據中,用于后續利于衛星差分定位信息進行開車對標操作。

2.3 車載數據制作 將采集到的衛星差分定位數據制作到LKJ系統的車載數據中,衛星差分定位數據點分為兩類,輔助功能衛星定位點和對標信號機衛星定位點,如圖2所示。根據股道的長度和彎曲度不同,每個股道上輔助功能衛星定位點的數量不同,保證在誤差允許范圍內能夠描述該股道的變化趨勢,用于同機車的坐標進行自動匹配。

圖2 股道的衛星定位點數據制作示意圖

圖3 LKJ實現自動對標流程圖

4 自動對標實現

始發作業時,司機輸入始發發車參數后,LKJ根據輸入的站場及發車股道等信息從車載數據中讀取當前進路的衛星差分定位數據。在機車差分定位坐標的結果穩定有效后,使用衛星定位算法計算當前進路的衛星定位數據與機車坐標是否匹配,如果匹配成功則進入自動對標過程,如圖3所示,通過人機界面單元顯示前方對標信號機名稱及距離前方信號機的距離,否則提示司機需要核對發車參數是否正確。匹配成功后司機動車越過對標信號機時,LKJ自動轉換至通常模式。

3 應用效果

目前基于衛星差分定位的自動開車對標技術已經在多個萬噸站場進行實際應用,完成發車任務數萬次,達到的技術指標如下：

3.1 目前差分定位坐標的精度可以達到厘米級別,完全滿足LKJ控制精度要求。

3.2 機車定位坐標與軌道誤差小于0.5m,保證了始發股道定位的準確。

3.3 對標信號機的誤差基本控制在2m 內,滿足LKJ對標精度的需求。

基于衛星差分定位自動開車對標技術的應用,使得LKJ在數據控制方面更加準確,提高了LKJ設備的自動化和智能化水平。同時大大減輕了乘務員日常在發車作業中發車參數核對和對標位置確認的工作量,基本上消除了乘務員在按壓開車鍵操作提前或滯后等問題所造成的LKJ數據控制誤差,在列車運行精準控制方面有很大實用價值。