[发明专利]数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位方法及系统

权利要求书

1.一种数字轨道地图辅助GPS实现精确列车定位的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、输入系统数据，进行数据提取及处理，其进一步包括：提取来自GPS接收机的卫星星历及伪距等观测数据；以及，包括股道精确地理信息的数字轨道地图数据库；

步骤2、实现数字轨道地图辅助的GPS完好性监测算法，所述的GPS完好性监测算法是指：其一，建立一种基于轨道线路的本地坐标系，把WGS-84坐标转换为基于轨道的本地新坐标系；其二，监测GPS伪距观测量；

步骤3、实现数字轨道地图辅助的列车定位解算算法，其包括：利用数字轨道地图信息辅助进行列车的位置解算；利用数字轨道地图信息辅助进行列车的速度解算；以及根据权值综合定位结果；

所述利用数字轨道地图信息辅助进行列车的位置解算为：

其一，建立常规的GPS定位解算方程：

其中，为WGS-84坐标系下的坐标与地心大地坐标系下的坐标间的转换矩阵；

其二，在GPS定位解算方程中加入轨道区段的地图信息，并令：

则GPS观测方程就可写成：

式中，Δρ_i为第i颗卫星相对于初始假设位置的伪距偏差；λ_k为k时刻经度解算结果；为k时刻纬度解算结果；Δλ_k+1为k+1时刻经度解算的修正；为k+1时刻纬度解算的修正；Δh_k+1为k+1时刻获得的高度修正；Δt_k+1为k+1时刻的接收机钟差；

其三，最小二乘估算，其最小二乘估计解可以表示为：

其中，

这样，在假设列车高程不变的情况下，就可以获得列车位置的经纬度坐标修正及接收机钟差；

所述利用数字轨道地图信息辅助进行列车的速度解算为：

在GPS解算方程中加上轨道区段地理信息对列车运行速度方向的限制条件，其速度解算模型可以描述为：

式中，为第i颗卫星的伪距变化率；v_east，k、v_north，k分别为k时刻解算获得的列车东向和北向运行速度；v_east，k+1、v_north，k+1分别为k+1时刻解算获得的列车东向和北向运行速度；为接收机钟差变化率；v为量测噪声；k_lat/long为单位纬度与单位经度所对应的实际长度之比；G_doppler是与GPS伪距变化率、接收机速度和钟差变化率相对应的观测方程的观测矩阵，其估算方程如下：

式中，为地球在经纬度位置的东西向曲率半径，为地球在经纬度位置的子午线曲率半径；

所述根据权值综合定位结果具体是指：通过给上述两个解算模型分配一定的权重来综合列车定位结果，得到最终的列车位置坐标，所述分配一定的权重具体方法如下：

假设利用位置解算模型进行定位获得的结果所带的均方距离误差(DRMS)大小为σ_pos；利用速度解算模型进行定位获得的结果所带的均方距离误差大小为σ_vel；模型所分配的权重大小取决于两种模型各自定位的误差和HDOP值的大小，权重w表示为：

w=1(1+HDOP)2(σvelσpos)2;]]>

其中，HDOP值的计算过程如下：

假设δL_n为GPS观测量L_n的误差矢量，为用户坐标修正的误差矢量，G_n^T为GPS定位解算观测矩阵，则的协方差矩阵为：

cov(δS^n)=(GnTGn)-1GnTcov(δLn)[(GnTGn)-1GnT]T;]]>

每颗卫星都具有各自的测距误差，若它们都是彼此独立的，并且方差均为确定值σ₀²；则

cov(δLn)=σ02I;]]>

其中，I为n×n阶单位矩阵；因此：

cov(δS^n)=(GnTGn)-1GnTσ02I[(GnTGn)-1GnT]T;]]>

=(GnTGn)-1σ02]]>

令

cov(δS^n)=(GnTGn)-1σ02]]>

=H;]]>

=h11h12h13h14h21h22h23h24h31h32h33h34h41h42h43h44]]>

则GPS定位的水平精度因子可用测距误差σ₀表示为：

HDOP＝(h₁₁+h₂₂)^1/2σ₀；

最终的列车定位解算结果定义为：

Sk+1=w·Sk+1,pos+(1-w)·(Sk+vk+vk+12Δtk+1/k);]]>

式中，S_k，pos为k时刻通过最小二乘估计获得的位置定位结果；v_k为k时刻的速度定位结果；Δt_k+1/k为采样时间间隔；S_k+1为k+1时刻最终的定位结果；

步骤4、输出列车位置估计的数据。