鐵路機(jī)車精確位置定位裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鐵路機(jī)車精確位置定位裝置，包括機(jī)車后備電源、機(jī)車操縱機(jī)構(gòu)、信號控制燈、平板電腦、機(jī)車速度傳感器和GNSS板卡，平板電腦通過通信接口分別與集成后備電源、集成操縱機(jī)構(gòu)、集成速度傳感器、GNSS板卡和信號控制燈連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明本發(fā)明擬運用GNSS、GIS和無線通信技術(shù)，通過在機(jī)車上安裝定位裝置、制作軌道線路電子地圖，采集站場微機(jī)聯(lián)鎖信息和軌道電路信息，實現(xiàn)對機(jī)車的高精度定位、軌跡追蹤和安全監(jiān)控管理；通過在機(jī)車上安裝導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)輔助駕駛；通過網(wǎng)絡(luò)信息傳遞實現(xiàn)對機(jī)車車輛運營調(diào)度的精確控制。本發(fā)明能夠提升鐵路運輸安全監(jiān)管能力、優(yōu)化鐵路運營效率、提高機(jī)車駕駛的安全性，具有推廣應(yīng)用的價值。
【專利說明】鐵路機(jī)車精確位置定位裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鐵路機(jī)車輔助裝置，尤其涉及一種鐵路機(jī)車精確位置定位裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]機(jī)車的位置跟蹤在鐵路運輸安全監(jiān)管、效率優(yōu)化和安全駕駛等方面，都有著至關(guān)重要的作用。目前的鐵路運管環(huán)境，雖然已裝備多項設(shè)備和管理系統(tǒng)，對鐵路運輸管理也可以起到一定的保障作用，但對于機(jī)車位置的跟蹤，只能達(dá)到區(qū)間定位或區(qū)段跟蹤，基于機(jī)車的精確定位(點定位)系統(tǒng)仍是空白。
[0003]如果能實現(xiàn)機(jī)車精確定位，我們?nèi)魏螘r候都可以知道機(jī)車在哪一股道、哪一個點、機(jī)車前后軌道電路和信號機(jī)狀態(tài)、本機(jī)車前后軌道運行車輛的情況、相隔的精確距離等，這對我們解決諸多機(jī)車運營管理中的安全問題、效率問題、自動駕駛問題等將提供一套全新方法。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種鐵路機(jī)車精確位置定位裝置。
[0005]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的:
[0006]本發(fā)明包括機(jī)車后備電源、機(jī)車操縱機(jī)構(gòu)、信號控制燈、平板電腦、機(jī)車速度傳感器和GNSS板卡，所述平板電腦通過通信接口分別與所述集成后備電源、所述集成操縱機(jī)構(gòu)、所述集成速度傳感器、所述GNSS板卡和所述信號控制燈連接。
[0007]具體地，所述通信接口為RS232接口。
[0008]本發(fā)明所述的鐵路機(jī)車精確位置定位裝置的實現(xiàn)方式包括以下步驟:
[0009](I)通過GNSS板卡獲取衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，通過機(jī)車速度傳感器獲取集成速度脈沖數(shù)據(jù)，通過機(jī)車操縱機(jī)構(gòu)獲取機(jī)車換向手柄的通斷數(shù)據(jù)和通過機(jī)車后備電源獲取系統(tǒng)電源關(guān)機(jī)電平數(shù)據(jù)；
[0010](2)將獲取到的數(shù)據(jù)信息通過通信接口發(fā)送到平板電腦上；
[0011](3)平板電腦根據(jù)收到的信息通過通信接口控制信號控制燈的開關(guān)。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:
[0013]本發(fā)明是一種鐵路機(jī)車精確位置定位裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明擬運用GNSS (全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))、GIS(地理信息系統(tǒng))和無線通信網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)，通過在機(jī)車上安裝機(jī)車精確位置定位裝置、制作鐵路精確的軌道線路電子地圖，采集站場微機(jī)聯(lián)鎖信息和軌道電路信息等，實現(xiàn)對機(jī)車的高精度定位、軌跡追蹤和安全監(jiān)控管理；通過在機(jī)車上安裝導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)對機(jī)車的輔助駕駛；通過地面網(wǎng)絡(luò)信息傳遞，可實現(xiàn)對機(jī)車車輛運營調(diào)度的精確控制。該發(fā)明的實現(xiàn)，可大大提升鐵路運輸安全監(jiān)管能力、優(yōu)化鐵路運營效率、提高機(jī)車駕駛的安全性，具有推廣應(yīng)用的價值。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]圖1是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0017]如圖1所示:本發(fā)明包括機(jī)車后備電源、機(jī)車操縱機(jī)構(gòu)、信號控制燈、平板電腦、機(jī)車速度傳感器和GNSS板卡(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))，所述平板電腦通過通信接口分別與所述集成后備電源、所述集成操縱機(jī)構(gòu)、所述集成速度傳感器、所述GNSS板卡和所述信號控制燈連接。通信接口為RS232接口。
[0018]如圖2所示:本發(fā)明所述的鐵路機(jī)車精確位置定位裝置的實現(xiàn)方式包括以下步驟:
[0019](I)通過GNSS板卡獲取衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，通過機(jī)車速度傳感器獲取集成速度脈沖數(shù)據(jù)(速度脈沖為方波，峰值10-15V，占空比50%，此處需要做隔離，不允許與電源共地)，通過機(jī)車操縱機(jī)構(gòu)獲取機(jī)車換向手柄的通斷數(shù)據(jù)(換向器手柄狀態(tài)為開關(guān)。斷路時為后退檔，短路時為前進(jìn)檔，換向器在前進(jìn)檔時，每收到一個速度脈沖，里程數(shù)+1;換向器在后退檔時，每收到一個速度脈沖，里程數(shù)-1;速度為每秒脈沖數(shù)，此處需要做隔離，不允許與電源共地)和通過機(jī)車后備電源獲取系統(tǒng)電源關(guān)機(jī)電平信號；
[0020](2)將獲取到的數(shù)據(jù)信息通過通信接口發(fā)送到平板電腦上；
[0021](3)平板電腦根據(jù)收到的信息通過通信接口控制信號控制燈的開關(guān)(此處信號只輸出，不輸入，且不需要做隔尚)。
[0022]如圖2所示:GNSS是所有衛(wèi)星定位系統(tǒng)的總稱，GNSS板卡是針對不同的衛(wèi)星定位系統(tǒng)來選擇的衛(wèi)星定位模塊，這個板卡是一個現(xiàn)成的配件，這個板卡本身在應(yīng)用上已經(jīng)設(shè)計了相關(guān)的二次開發(fā)硬件接口，其方式是通過插針式的連接方式，每個插針?biāo)鶎?yīng)的定義都是有規(guī)定的，在設(shè)計機(jī)車位置傳感裝置的電路板時，只要根據(jù)對應(yīng)插針在電路板上設(shè)計一個插座就可以，本發(fā)明的電路板需要按照GNSS板卡的接口插針的定義來設(shè)計相應(yīng)的連接電路即可。主要功能就是獲取衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)信息。關(guān)機(jī)電平是指來自于機(jī)車后備電源發(fā)出的一個電平信號，這個信號傳輸?shù)奖狙b置后，本裝置可識別機(jī)車供電已經(jīng)切斷的信息，然后轉(zhuǎn)換成后備電源的電池供電，此時由于后備電源供電量的有限，該關(guān)機(jī)電平信號通過本裝置向相關(guān)的平板電腦發(fā)出自動關(guān)機(jī)信號。
[0023]如圖1所示:GNSS板卡具有數(shù)據(jù)接口、Reset腳、IPPS腳和Position Valid腳，其中:數(shù)據(jù)接口:3個全雙工3.3V CMOS，分別為PortA, PortB, PortC0其中PortA和PortB與本設(shè)備相連，并且有數(shù)據(jù)交換；PortC不需要與本設(shè)備通訊，但是需在電路板上做轉(zhuǎn)接電路，轉(zhuǎn)成串口，并留出3pin插座備用。Reset腳:open collector, 3.3V typical ;需要根據(jù)指令控制其復(fù)位。IPPS 腳:0utput Active low, falling edge, 3.3V CMOS ;需要讀取此腳狀態(tài)，在外殼 LED 上顯不。Position Valid 腳:0utput Status indicator, 3.3V CMOS,active low ;需要讀取此腳狀態(tài),在外殼LED上顯示。
[0024]如圖2所示:關(guān)機(jī)電平:機(jī)車后備電源是給整個系統(tǒng)供電的設(shè)備，從機(jī)車總電源DCllOV上連接，然后傳換成DC12V再給本發(fā)明裝置和其它機(jī)車配套設(shè)備供電，圖2中的關(guān)機(jī)電平是指由機(jī)車后備電源發(fā)出，在檢測到機(jī)車DCllOV電源斷供后，因不能用再用直接轉(zhuǎn)換后的DC12V給外圍設(shè)備供電，為了保證平板電腦不非法關(guān)機(jī)，所以后備電源在此時可以轉(zhuǎn)換成電池給外設(shè)供電，但后備電源的容量是有限的，所以在電池供電的同時，后備電源還會給本發(fā)明裝置發(fā)出一個關(guān)機(jī)電平信號，本發(fā)明裝置接收到這個關(guān)機(jī)電平信號后，會通過通訊的方式把這個關(guān)機(jī)信號發(fā)出給平板電腦，平板電腦在收到該關(guān)機(jī)信號時，就自動啟動關(guān)機(jī)程序，以避免因非法斷電后的非法關(guān)機(jī)。從另一個角度理解，我們所設(shè)計的機(jī)車后備電源，就是在機(jī)車主電源關(guān)斷后，自動轉(zhuǎn)換由后備電源供電以保證外設(shè)可以正常地自動關(guān)機(jī)，是一種系統(tǒng)安全性的保障手段。
[0025]差分定位的引入
[0026]“GNSS”系統(tǒng)是全天候、全日時提供衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息的導(dǎo)航系統(tǒng)，我們發(fā)明的“鐵路機(jī)車精確位置定位裝置”隨時都可以接收到衛(wèi)星廣播的詢問信號，如果選擇“北斗”系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收模塊，由于其服務(wù)范圍以大陸地區(qū)為主，可以充分保障國內(nèi)鐵路機(jī)車精確位置定位要求。
[0027]GNSS衛(wèi)星系統(tǒng)的定位原理采用3球交會測星原理進(jìn)行定位，以2顆衛(wèi)星為球心，2球心至機(jī)車終端的距離為半徑可畫出2個球面，另一個球面是以地心為球心，畫出以機(jī)車所在位置點至地心的距離為半徑的球面，3個球面的交會點即為機(jī)車的位置。
[0028]GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是由太空的導(dǎo)航通信衛(wèi)星、地面控制中心和客戶端三部分組成:太空部分有2枚地球同步軌道衛(wèi)星，執(zhí)行地面控制中心與客戶端的雙向無線電信號的中繼任務(wù)；地面控制中心包括我公司配套設(shè)計的機(jī)車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理中心，主要負(fù)責(zé)無線電信號的發(fā)送接收，及整個系統(tǒng)的監(jiān)控管理，其中，機(jī)車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理中心負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)車的標(biāo)記、識別和運行管理；客戶端即為由我公司專門設(shè)計并安裝于機(jī)車上的包含有本裝置之一的車載設(shè)備，主要用于接收地面控制中心經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的測距信號。
[0029]單純通過GNSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)所獲得的機(jī)車位置大約在20m_200m之間，這個數(shù)據(jù)顯然不能稱之為精確的位置數(shù)據(jù)信息，20m-200m的這種精度很難區(qū)分軌道與軌道之間的差別，這個精度對于鐵路機(jī)車位置的判別是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，尤其在復(fù)雜的站場線路情況下，要想實時地判定出機(jī)車距前方道岔、信號機(jī)和其它特征點的距離，那是根本不可能的。
[0030]在本發(fā)明裝置中，我們采用了差分定位的方式解決了機(jī)車在站場運行中精確位置定位的問題。差分定位:即在本發(fā)明裝置可以收到至少三顆衛(wèi)星以上數(shù)據(jù)信號的時候，通過在地面建立衛(wèi)星差分基準(zhǔn)站獲得標(biāo)準(zhǔn)固定點的精確位置與實時衛(wèi)星數(shù)據(jù)的修正參數(shù)，通過這個修正參數(shù)對所收到機(jī)車移動端衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行差分校正獲得機(jī)車當(dāng)前的精確定位狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)并不一定是全部可以利用的，我們在本裝置中的軟件會自動判定當(dāng)前衛(wèi)星數(shù)據(jù)的精度因子，只有精度因子符合判定標(biāo)準(zhǔn)條件的數(shù)據(jù)，才可以直接用于機(jī)車精確位置的定位，通過此直接衛(wèi)星定位的方式，有效解決了機(jī)車在站場運行中衛(wèi)星信號無遮擋而且衛(wèi)星數(shù)據(jù)無干擾時的機(jī)車精確位置定位的問題。
[0031]由上可知，如果單純地依靠衛(wèi)星數(shù)據(jù)來對機(jī)車進(jìn)行精確定位，滿足不了機(jī)車在全站場、全線路環(huán)境下的精確定位，為此，我們開創(chuàng)了機(jī)車綜合傳感數(shù)據(jù)的(動態(tài)推演)解算算法:
[0032]在實際測試中，由于受環(huán)境因素的影響和干擾，采用單純的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，即使是通過在站場環(huán)境架設(shè)差分基站，通過差分定位的方式也是不可能完全保證機(jī)車車載客戶端的精確定位，因為站場環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，比如在有建筑物遮擋的環(huán)境，在有強(qiáng)干擾的電磁環(huán)境，在軌道線路上的隧道區(qū)域或地下區(qū)域等等，這些地方，衛(wèi)星定位技術(shù)是失效的，不能有效解決機(jī)車的精確位置的定位。由于機(jī)車的運行是很規(guī)則地在兩根鐵軌上運行，只有兩個特定的方向(我們稱之為“前向”和“后向”)，我們只要通過算法判定在有效的衛(wèi)星數(shù)據(jù)丟失的那一刻開始，并可以通過機(jī)車運行的時間、運行速度和運行的方向等機(jī)車本身的運行狀態(tài)來精確地推算出機(jī)車精確的運行距離，這個推算的自動完成便是本發(fā)明裝置的獨到之點。
[0033]本發(fā)明有效地做到了上述兩個關(guān)鍵點的無縫結(jié)合，在實際測試中得到了完全的驗證，可以獲得機(jī)車靜態(tài)定位精度達(dá)到_(毫米)級、動態(tài)定位可以達(dá)到cm(厘米)級的位置精度，機(jī)車的精確位置數(shù)據(jù)與經(jīng)過精密測量而形成的站場軌道電子地圖實現(xiàn)高度吻合，完全解決了機(jī)車基于位置的監(jiān)控、管理和服務(wù)的問題，在目前國內(nèi)的機(jī)車車輛定位系統(tǒng)應(yīng)用中是獨一無二的。
[0034]本發(fā)明裝置的硬件設(shè)計和與之配套的軟件算法有如下幾點:
[0035]1、通過對是否獲得有效的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的判定，自動選擇是采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)定位方式還是采用機(jī)車動態(tài)推演數(shù)據(jù)定位方式，并且裝置可以實現(xiàn)兩種定位方式判定的相互交替、互為補(bǔ)充，實現(xiàn)兩種定位方式自動切換的無縫連接。
[0036]2、采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)定位的方式時，有如下計算:
[0037](I)自動計算衛(wèi)星數(shù)據(jù)的精度因子，并自動判定所獲得的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的可用性，只有定位精度因子達(dá)到設(shè)定范圍，才被視為可用，并直接應(yīng)用到機(jī)車的精確位置定位，由于該衛(wèi)星數(shù)據(jù)同時經(jīng)過了差分修正，可以滿足靜態(tài)定位精度達(dá)到mm級，動態(tài)定位精度達(dá)到20mm以下的標(biāo)準(zhǔn)。
[0038](2)本算法還考慮了因數(shù)據(jù)計算和信息傳輸、機(jī)車運動發(fā)生延時后對機(jī)車當(dāng)前定位精度的影響，所以規(guī)劃了最高可達(dá)20次/秒的數(shù)據(jù)計算頻率，完全可以滿足現(xiàn)實應(yīng)用中各種高低速機(jī)車運行的狀況。
[0039]3、采用機(jī)車動態(tài)推演數(shù)據(jù)定位方式時，需要進(jìn)行如下計算:
[0040](I)通過本發(fā)明硬件所檢測到的來自機(jī)車速度傳感器(速度傳感器可能是一個也可能是多個)的脈沖個數(shù)，軟件可自動判定機(jī)車輪對所轉(zhuǎn)的圈數(shù)。(如機(jī)車所用速度傳感器轉(zhuǎn)一圈所發(fā)生的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)是200個，則如果裝置計數(shù)為3600個時，可計算出輪對所轉(zhuǎn)圈數(shù)為3600 + 200 = 18圈，如果裝置計數(shù)為16個時，即可計算出輪對所轉(zhuǎn)圈數(shù)為16 + 200 =
0.08圈等)；
[0041](2)軟件可以通過輪對所轉(zhuǎn)圈數(shù)的自動計算，結(jié)合輪徑的長度可以自動計算出機(jī)車輪子的周長，機(jī)車輪子所轉(zhuǎn)圈數(shù)與輪子周長相結(jié)合進(jìn)行計算，即可獲得機(jī)車運行時移動的位移(即距離)；
[0042](3)由于機(jī)車在軌道線路上長期作業(yè)，會發(fā)生輪緣磨損，即機(jī)車的輪徑和周長會隨著作業(yè)時間而發(fā)生變化，本發(fā)明設(shè)計了輪徑自動校正的算法，即通過在衛(wèi)星信號連續(xù)良好的軌道區(qū)段，通過機(jī)車位移的長度(距離)與在相同時間內(nèi)本發(fā)明裝置所檢測到的脈沖個數(shù)反推計算出一個校正后的輪徑值，以此值作為機(jī)車動態(tài)推演計算時的輪徑值，可以達(dá)到消除定位精度誤差的目的；
[0043](4)通過本發(fā)明硬件所檢測到的機(jī)車駕駛方向，軟件算法可自動判定裝置所獲取的機(jī)車速度脈沖數(shù)自衛(wèi)星數(shù)據(jù)丟失的那一刻起，是做“累加”計數(shù)還是“累減”計數(shù)，如“前向”定為“累加”，“后向”則為“累減”。此“累加”或“累減”，即為計算機(jī)車在軌道上運行距離的準(zhǔn)確依據(jù)。(因軌道交通運輸?shù)奶攸c，決定了機(jī)車的運行只能在軌道的“前進(jìn)”或“后退”兩個固定的方向，通過“前向”或“后向”位移距離的準(zhǔn)確計算，確保機(jī)車定位的準(zhǔn)確性)。
[0044]上述過程的反復(fù)判定和計算，即可獲得機(jī)車任意時刻、任何環(huán)境下的機(jī)車精確位置，該算法也是本發(fā)明裝置的精髓。
[0045]經(jīng)過測試，獲得完整的驗證數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車位置的精確計算和在站場GIS地圖中精確的位置顯示，并可實現(xiàn)機(jī)車運行作業(yè)過程中，對前后方線路狀態(tài)和距信號燈準(zhǔn)確的距離的計算與語音播報，這在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)。
[0046]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種鐵路機(jī)車精確位置定位裝置，包括機(jī)車后備電源、機(jī)車操縱機(jī)構(gòu)和信號控制燈，其特征在于:還包括平板電腦、機(jī)車速度傳感器和GNSS板卡，所述平板電腦通過通信接口分別與所述集成后備電源、所述集成操縱機(jī)構(gòu)、所述集成速度傳感器、所述GNSS板卡和所述信號控制燈連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路機(jī)車精確位置定位裝置，其特征在于:所述通信接口為RS232 接口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路機(jī)車精確位置定位裝置的實現(xiàn)方式包括以下步驟: (1)通過GNSS板卡獲取衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，通過機(jī)車速度傳感器獲取集成速度脈沖數(shù)據(jù)，通過機(jī)車操縱機(jī)構(gòu)獲取機(jī)車換向手柄的通斷數(shù)據(jù)和通過機(jī)車后備電源獲取系統(tǒng)電源關(guān)機(jī)電平數(shù)據(jù)； (2)將獲取到的數(shù)據(jù)信息通過RS232接口發(fā)送到平板電腦上； (3)平板電腦根據(jù)收到的信息通過RS485接口控制信號控制燈的開關(guān)。
【文檔編號】G01C21/26GK103954290SQ201410193700
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】楊吉釗, 鄧珂, 何文利, 薛萬軍, 鄧軍民, 李明聰 申請人:成都可益軌道技術(shù)有限公司