[發明專利]基于雙模式導航系統的動車組關鍵數據無線傳輸保障方法

有效

• 申請號: 201510229091.0
• 申請日: 2015-05-07
• 公開（公告）號: CN104933845B
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發明（設計）人: 王金田;呂龍;單正輝;關吉瑞;劉國梁;牛亞男;王文勇;許杰;聶東研;李強;劉長遠;孫正陽;董維金
• 申請（專利權）人: 長春軌道客車股份有限公司
• 主分類號: G08C17/02
• 分類號: G08C17/02;H04W4/02
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所(普通合伙)22210
• 代理人: 田春梅

1.基于雙模式導航系統的動車組關鍵數據無線傳輸保障方法，該方法包括如下步驟：

步驟一：為動車組列車安裝遠程數據無線傳輸裝置，該裝置具備GPS導航定位功能、BDS北斗導航定位功能、GPRS無線移動網絡以及AP無線網絡數據通道并分別調試，使其均能獨立工作；

步驟二：判斷當前AP無線網絡的信號強度指標是否≥預設值，若是則執行步驟三，否則，執行步驟四；

步驟三：啟用AP無線網絡的車載通訊裝置同鐵路沿線的AP無線網絡地面設備進行連接，并通過AP無線網絡中轉，向地面運營調度指揮中心傳送全部兩類動車關鍵數據，然后執行步驟四；

步驟四：判斷當前GPRS等無線移動網絡的信號指標是否≥預設值，若是，則執行步驟五，否則，執行步驟六；

步驟五：采用GPRS等無線移動網絡進行第一類動車關鍵數據的傳輸，并重新執行步驟二；

步驟六：判斷BDS北斗導航系統的信號的性能指標是否≥GPS全球定位系統的信號的性能指標，并且車載天線終端設備至少可以同時檢測到兩個強度大于-133dBm的北斗衛星信號，若是，則執行步驟七，否則直接執行步驟九；

步驟七：采用BDS北斗導航系統的雙向短報文通信功能傳輸不包括列車方位動態信息在內的其余全部第一類動車關鍵數據，然后執行步驟八；

步驟八：直接采用BDS北斗導航系統獲取列車方位動態信息，并通過BDS北斗導航系統雙向短報文通信功能將該列車方位動態信息傳輸給地面運營調度指揮中心以及其它動車，然后重新執行步驟二；

步驟九：改用GPS全球定位系統獲取列車方位的動態信息，其具體包括如下子步驟：

步驟9.1：判斷車載天線終端是否可以同時檢測到至少四個信號強度大于-130dBm的GPS衛星信號，若是，則執行步驟十，否則，執行步驟9.2；

步驟9.2：判斷車載天線終端是否可以同時檢測到至少兩個信號強度大于-130dBm的GPS衛星信號，且同時還能檢測到至少一個信號強度大于-133dBm的北斗衛星信號，若是，則執行步驟十一，否則，執行步驟9.3；

步驟9.3：放棄本次衛星定位和通訊，并在延時三分鐘后，重新執行步驟二；

步驟十：僅采用GPS全球定位系統對當前動車自身的列車方位動態信息進行獨立解算并存儲，然后重新執行步驟二；

步驟十一：采用北斗衛星與GPS衛星混合導航定位技術獲取當前動車自身的列車方位動態信息進行獨立解算并存儲，然后重新執行步驟二；

如步驟六所述導航系統的信號的性能指標為檢測概率、虛警率、平均捕獲時間三項指標的加權平均值。

2.如權利要求1所述的基于雙模式導航系統的動車組關鍵數據無線傳輸保障方法，其特征在于，步驟十一所述的采用北斗衛星與GPS衛星混合導航定位的具體方案包括如下步驟：

步驟11.1：判斷由步驟9.2所述車載天線終端是否可以同時檢測到三個信號強度大于-130dBm的GPS衛星信號，且同時還能檢測到至少一個信號強度大于-133dBm的北斗衛星信號，若是則執行步驟11.2，否則，執行步驟11.7；

步驟11.2：將北斗定位方程組和成GPS定位方程組聯合，形成第一互補解算方程組，以解算當前動車自身的三維坐標(X、Y、Z)：

2(RS0+R0)=cΔtB1R0=(X-X0)2+(Y-Y0)2+(Z-Z0)2Ri=cΔtiRi=(X-Xi)2+(Y-Yi)2+(Z-Zi)2---(7)]]>

式(7)中，R_S0為地面運營調度指揮中心到北斗衛星S0的距離，S0為已知量；常數c表示衛星信號傳輸速度，也為已知量；坐標值(X₀、Y₀、Z₀)為北斗衛星空間三維坐標，而坐標值(X_i、Y_i、Z_i)其中i＝1、2、3則分別表示三顆GPS衛星的空間三維坐標；上述北斗衛星和三顆GPS衛星的空間坐標值均是可以隨時獲得的已知量；R₀表示北斗衛星S0到車載用戶終端設備的距離，R_i表示車載用戶終端設備從第i顆衛星測得的偽距，i＝1、2、3；

待求解的變量中，△t_B1表示第一延遲量t_B1與信號在衛星S0處中轉耗費時間t_S0的時間差；△t_i表示終端設備接收到GPS衛星信號的時間與衛星發送信號時間的差值；(X、Y、Z)為待求解的列車三維坐標值；

步驟11.3：直接應用克拉默法將式(7)展開變換為：

(X-X0)2+(Y-Y0)2+(Z-Z0)2=(12cΔtB1-RS0)2=R02(a)(X-X1)2+(Y-Y1)2+(Z-Z1)2=(cΔt1)2=R12(b)(X-X2)2+(Y-Y2)2+(Z-Z2)2=(cΔt2)2=R22(c)(X-X3)2+(Y-Y3)2+(Z-Z3)2=(cΔt3)2=R32(d)---(8)]]>

步驟11.4：對式(8)進行整理，用式(a)分別與式(b)、式(c)和式(d)做差，則可得到三新的方程組：

(2X1-2X0)X+(2Y1-2Y0)Y+(2Z1-2Z0)Z=R12-R02+X12+Y12+Z12-X02-Y02-Z02(2X2-2X0)X+(2Y2-2Y0)Y+(2Z2-2Z0)Z=R22-R02+X22+Y22+Z22-X02-Y02-Z02(2X3-2X0)X+(2Y3-2Y0)Y+(2Z3-2Z0)Z=R32-R02+X32+Y32+Z32-X02-Y02-Z02]]>

步驟11.5：將上式寫為克拉默法則形式：

a11X+a12Y+a13Z=b1a21X+a22Y+a23Z=b2a31X+a32Y+a33Z=b3---(9)]]>

式(9)中，a_mn(m，n均為自然數)均為矩陣系數；

步驟11.6：應用克拉默法則，則求解的列車三維坐標值(X、Y、Z)：

X=b1a12a13b2a22a23b3a32a33a11a12a13a21a22a23a31a32a33,Y=a11b1a13a21b2a23a31b3a33a11a12a13a21a22a23a31a32a33,Z=a11a12b1a21a12b2a31a32b3a11a12a13a21a22a23a31a32a33]]>

所求得坐標值(X、Y、Z)即為當前動車車載天線終端設備自身的三維坐標；

步驟11.7：判斷由步驟9.2所述的車載天線終端是否僅能同時檢測到兩個信號強度大于-130dBm的GPS衛星信號，且同時還能檢測到至少一個信號強度大于-133dBm的北斗衛星信號，若是，則執行步驟11.8，否則，放棄本次衛星定位和通訊，并在延時三分鐘后，重新執行步驟二；

步驟11.8：將北斗定位方程組和成GPS定位方程組聯合，形成第二互補解算方程組，以解算當前動車自身的二維坐標(X、Y)值：

2(RS0+R0)=cΔtB1R0=(X-X0)2+(Y-Y0)2Ri=cΔtiRi=(X-Xi)2+(Y-Yi)2---(10)]]>

式(10)中的各參量含義和求解方法均與第一互補解算方程組的求解過程相同，但由于GPS衛星信號僅有兩個，該方程組中GPS衛星坐標值(X_i、Y_i、Z_i)中i只能為1或2，且坐標值i＝1、2則分別表示兩顆GPS衛星的空間三維坐標，其解算過程如下：

步驟11.9：直接應用克拉默法將式(10)展開變換為：

(X-X0)2+(Y-Y0)2=(12cΔtB1-RS0)2=R02(a)(X-X1)2+(Y-Y1)2=(cΔt1)2=R12(b)(X-X2)2+(Y-Y2)2=(cΔt2)2=R22(c)---(11)]]>

步驟11.10：對式(11)進行整理，用式(a)分別與式(b)、式(c)做差，則可得到三新的方程組：

(2X1-2X0)X+(2Y1-2Y0)Y=R12-R02+X12+Y12-X02-Y02(2X2-2X0)X+(2Y2-2Y0)Y=R22-R02+X22+Y22-X02-Y02]]>

步驟11.11：將上式寫為克拉默法則形式：

a11X+a12Y=b1a21X+a22Y=b2---(12)]]>

式(12)中，a_mn(m，n均為自然數)均為矩陣系數；

步驟11.12：應用克拉默法則，則求解的列車三維坐標值(X、Y)：

X=b1a12b2a22a11a12a21a22,Y=a11b1a12b2a11a12a21a22]]>

所求得坐標值(X、Y)即為當前動車車載天線終端設備自身的二維坐標；

步驟11.13：北斗衛星的地面運營調度指揮中心根據步驟11.12所求得的列車二維坐標值(X、Y)在鐵路沿線數字化電子地圖查詢該坐標值當前的理論高程值Z，從而也可以解算出空間三維坐標。