УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И/ИЛИ СКОРОСТИ НАПРАВЛЯЕМОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА
ADVANCED METHOD FOR DETERMINING POSITION AND/OR SPEED OF A GUIDED VEHICLE, CORRESPONDING SYSTEM

Изобретение относится к области способов и систем определения моментального кинематического состояния направляемого транспортного средства.
В настоящей заявке под направляемым транспортным средством следует понимать любые транспортные средства, принудительно циркулирующие вдоль пути, например, такие как поезд, трамвай, метропоезд и т.д.
Под кинематическим состоянием следует понимать либо положение транспортного средства, либо скорость транспортного средства, либо и то, и другое.
В документе ЕР 1712930 В1 раскрыт способ определения моментальной скорости поезда, применяемый бортовой системой.
Эта система исполняет алгоритм вычисления моментального значения скорости поезда на основании шести возможных пар сигналов определения местоположения, передаваемых группой из четырех спутников, принадлежащих к группировке спутников определения местоположения.
В этом известном способе для того, чтобы значение измеряемой величины имело повышенный уровень надежности, предварительный способ обеспечивает выбор четырех спутников, сигналы которых будут использованы алгоритмом вычисления. Этот выбор осуществляют среди всех спутников группировки, которые являются видимыми для бортовой системы в текущий момент.
Способ выбора служит для исключения видимого спутника, сигнал которого является некорректным или измененным во время приема. Например, это относится к случаю, когда этот сигнал до приема отражается окружающей средой. Такое искажение сигнала называется «явлением альтернативных путей» (“Alternative Path” на английском языке). Действительно, если алгоритм вычисления использует искаженный таким образом сигнал, моментальное значение вычисляемой скорости будет ошибочным.
Для обнаружения искажения сигнала система, описанная в документе ЕР 1712930 В1, содержит два удаленных друг от друга приемника. Как только появляется отклонение между сигналами, поступающими от одного спутника, но принимаемыми каждым из двух приемников, данный спутник исключается из списка спутников, пригодных для использования при определении скорости поезда. Это исключение сохраняется в течение заранее определенного времени, соответствующего расчетному времени, необходимому для прохождения поезда через зону помех.
Затем произвольно выбирают четыре спутника из списка пригодных к использованию спутников для исполнения алгоритма вычисления.
Таким образом, убеждаются, что четыре сигнала определения местоположения, используемые алгоритмом вычисления, не искажены и что исполнение алгоритма вычисления приведет к получению измерения искомой кинематической величины.
В документе FR 2956215 А1 раскрыт способ выбора спутников, пригодных для определения кинематического состояния автотранспортного средства, содержащий этапы, состоящие в том, что:
- вычисляют моментальное измеренное значение величины среди коэффициента Доплера и псевдорасстояния на основании сигналов, принимаемых от множества спутников группировки спутников определения местоположения;
- определяют моментальное оценочное значение упомянутой величины;
- сравнивают моментальные измеренное и оценочное значения; и, в случае большой разницы
- идентифицируют, по меньшей мере, один спутник, сигнал которого является причиной ошибочного моментального измеренного значения, и упомянутый, по меньшей мере, один спутник исключают из списка пригодных к использованию спутников.
В документе FR 2956215 А этап определения моментального оценочного значения основан на модели динамического поведения автотранспортного средства. В этой модели в качестве входных данных используют множество измеряемых данных, выдаваемых различными кинематическими датчиками, установленными на упомянутом автотранспортном средстве. В частности, в предпочтительном варианте выполнения автотранспортное средство имеет на борту инерционный блок, выполненный с возможностью выдачи моментальных значений скорости и положения автотранспортного средства. Затем на основании этого моментального оценочного состояния автотранспортного средства алгоритм вычисляет моментальное оценочное значение искомой величины, коэффициент Доплера и/или псевдорасстояние.
Изобретение призвано предложить альтернативный способ выбора, в частности, адаптированный для частного случая направляемых транспортных средств.
В связи с этим объектом изобретения является способ выбора группы пригодных к использованию видимых спутников среди группы видимых спутников группировки спутников определения местоположения для определения моментального кинематического состояния направляемого транспортного средства, содержащий этапы, состоящие, для каждого спутника из группы видимых спутников, в том, что:
- вычисляют моментальное измеренное значение среди коэффициента Доплера и псевдорасстояния на основании сигнала, принятого от упомянутого видимого спутника;
- определяют моментальное оценочное значение упомянутой величины;
- сравнивают моментальные измеренное и оценочное значения в соответствии с критерием и, в случае несоответствия этому критерию:
- исключают упомянутый спутник из группы пригодных к использованию видимых спутников,
отличающийся тем, что на этапе определения оценочного значения величины применяют динамическую модель направляемого транспортного средства, в которой используют исключительно кинематическое состояние направляемого транспортного средства, определенное в прошедший момент, для вычисления моментального оценочного кинематического состояния.
Согласно частным вариантам выполнения, способ имеет один или несколько следующих признаков, взятых отдельно или во всех возможных технических комбинациях:
- в динамической модели направляемого транспортного средства используют картографию пути, по которому перемещается направляемое транспортное средство;
- на этапе определения оценочного значения величины используют эфемериду, позволяющую оценить положение и относительную скорость спутника из группы видимых спутников и направляемого транспортного средства в моментальном оценочном кинематическом состоянии;
- этап сравнения включает в себя определение отклонения между моментальными измеренным и оценочным значениями величины и/или определение ковариации между моментальными измеренным и оценочным значениями величины;
- критерий состоит в проверке, чтобы отклонение было меньше порогового отклонения и/или чтобы ковариация была меньше пороговой ковариации.
Объектом изобретения является также способ вычисления моментального кинематического состояния направляемого транспортного средства на основании сигналов, передаваемых группой спутников группировки спутников определения местоположения, отличающийся тем, что способ начинается со способа выбора, соответствующего вышеуказанному способу, с тем, чтобы создать группу пригодных для использования видимых спутников, и тем, что способ продолжается вычислением моментального кинематического состояния направляемого транспортного средства исключительно на основании сигналов, передаваемых спутниками из списка пригодных для использования видимых спутников.
Объектом изобретения является также система определения моментальной кинематической величины направляемого транспортного средства, установленная на борту транспортного средства, содержащая приемник сигналов, передаваемых спутниками группировки спутников определения местоположения, средства запоминания и средства вычисления, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью исполнения команд компьютерной программы для осуществления способа вычисления моментального кинематического состояния, соответствующего вышеописанному способу.
Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид поезда, оборудованного бортовой системой определения моментального кинематического состояния на основании сигналов, передаваемых группировкой спутников определения местоположения.
Фиг. 2 - блок-схема структуры системы, показанной на Фиг. 1.
Фиг. 3 - блок-схема средства выбора из списка пригодных для использования видимых спутников, которым оснащена система, показанная на Фиг. 2.
Фиг. 4 - блок-схема способа выбора, осуществляемого при помощи средства выбора, показанного на Фиг. 3.
Далее следует подробное описание варианта реализации способа выбора и системы, позволяющей осуществлять этот способ и обеспечивающей фильтрацию искаженных сигналов определения местоположения.
Как показано на Фиг. 1, поезд 2 движется по железнодорожному пути 4, траектория которого известна.
Для определения моментального кинематического состояния E(t), которое включает в себя моментальное положение Р(t) и моментальную скорость V(t) поезда 2, этот поезд оборудован бортовой системой 8.
Система 8 выполнена с возможностью приема сигналов определения местоположения Si, передаваемых различными спутниками i, принадлежащими к одной группировке 6 спутников определения местоположения.
В качестве примера такой группировки спутников можно указать группировку GPS (от “global positioning system” на английском языке), состоящую из трех десятков спутников NAVSTAR.
В зависимости от текущего момента t и от положения Р(t) поезда 2 в текущий момент t система 8 может видеть N спутников i. Это значит, что система 8 поезда 2 принимает сигнал определения местоположения Si, передаваемый каждым из этих N спутников i.
Как схематично показано на Фиг. 2, система 8 является вычислительным устройством, которое содержит средства вычисления, такие как процессор 10, средства запоминания, такие как оперативная память 12 и база данных 14, модуль 16 приема сигналов, передаваемых спутниками группировки 16 (при этом модуль 16 соединен с антенной 15), и входной-выходной интерфейс 18, обеспечивающий обмен данными между системой 8 и другими системами, установленными на борту поезда 2.
Различные составные элементы системы 8 соединены друг с другом при помощи шины внутренней связи.
В памяти 12 записаны команды различных компьютерных программ, которые пригодны для исполнения процессором 10. В частности, память 12 хранит команды программы для осуществления способа выбора видимых спутников.
В базе данных 14 хранится альманах 20. Группировка 6 периодически обновляет альманах 20. Он имеет срок достоверности t0 между первым моментом t1 и вторым моментом t2. Альманах 20 передается на землю в качестве части полезной нагрузки сигналов определения местоположения Si, передаваемых спутниками i.
Приемный модуль 16 системы 8 выполнен с возможностью идентификации части альманаха 20 в принимаемом сигнале и ее записи в базу данных 14. Альманах 20 позволяет системе 8 определять группу спутников группировки 6, которые являются потенциально видимыми между моментами t1 и t2 из любой точки на поверхности земли.
Для каждого видимого спутника в базе данных 14 хранится также эфемерида 21. Группировка 6 периодически обновляет эфемериду 21. Она имеет срок достоверности t3 между первым моментом достоверности t4 и вторым моментом достоверности t5. Эфемерида 21 передается на землю в качестве части полезной нагрузки сигнала определения местоположения Si, передаваемого соответствующим спутником i.
Приемный модуль 16 системы 8 выполнен с возможностью идентификации части эфемериды 21 в принимаемом сигнале и ее записи в базу данных 14. Эфемерида 21 позволяет системе 8 определять положение, скорость и погрешности времени соответствующего спутника.
В базе данных 14 хранится картография 24 пути 4, по которому движется поезд 2.
Память 12 содержит команды программы 30 определения моментального кинематического состояния E(t) поезда 2 в текущий момент t.
Программа 30 содержит средство 34 выбора, выполненное с возможностью выдачи списка пригодных для использования видимых спутников LSVU, и средство 36 вычисления моментального кинематического состояния E(t) на основании списка пригодных для использования видимых спутников LSVU.
Как показано детально на Фиг. 3, средство 34 выбора содержит модуль 38 обновления списка видимых спутников LSV, модуль 40 измерения, по меньшей мере, одной величины, модуль 42 оценки упомянутой, по меньшей мере, одной величины, модуль 44 сравнения и модуль обновления списка пригодных для использования видимых спутников LSVU.
Модуль 38 обновления списка видимых спутников LSV выполнен с возможностью обновления моментального списка, указывающего идентификатор i каждого из видимых спутников, указанных средством 16.
Модуль 40 измерения содержит подмодуль 50 вычисления, выполненный с возможностью вычисления, для каждого спутника i из списка LSV, моментального измеренного значения Di коэффициента Доплера на основании сигнала Si, передаваемого этим спутником.
Модуль 40 измерения содержит подмодуль 52, выполненный с возможностью вычисления для каждого спутника i из списка LSV моментального измеренного значения РDi псевдорасстояния на основании сигнала Si, передаваемого этим спутником.
Модуль 42 оценки содержит подмодуль 60 оценки текущего кинематического состояния. Подмодуль 60 может принимать на входе кинематическое состояние E(t-1) поезда 2, определенное в предыдущий момент t-1, генерированное на выходе средства 36 вычисления для предыдущего момента t-1.
На основании картографии 24, содержащейся в базе данных 14, и в зависимости от кинематического состояния в предыдущий момент E(t-1) подмодуль 60 может извлекать информацию, касающуюся части пути, по которой поезд движется между t-1 и t.
На основании кинематического состояния E(t-1) и информации, касающейся части пути, по которой движется поезд 2, подмодуль 60, который содержит динамическую модель М поведения поезда 2, может определять оценочное кинематическое состояние E*(t) поезда в текущий момент t.
В частном варианте выполнения динамическая модель М поведения поезда 2, применяемая подмодулем 60, предполагает, что поезд движется с постоянным ускорением. Таким образом, оценку нового кинематического состояния E(t) поезда производят, определяя при помощи картографии 24 новое положение поезда, экстраполируя перемещение поезда с постоянным ускорением из предыдущего кинематического состояния E(t-1). Учитывая медленные колебания скорости железнодорожных транспортных средств, эта весьма рудиментарная динамическая модель дает хорошие оценки реального кинематического поведения поезда за рассматриваемые интервалы времени.
Средство 60 оценки содержит подмодуль 64, выполненный с возможностью вычисления, для каждого спутника i из списка LSV, моментального оценочного значения D*i коэффициента Доплера. Для этого подмодуль 64 рассматривает моментальные положения спутников Si, указанные в эфемериде 21, хранящейся в базе данных 14, и оценочное положение Р*(t), указанное в оценочном кинематическом состоянии Е*(t) поезда в текущий момент t.
Средство 60 оценки содержит подмодуль 66, выполненный с возможностью вычисления, для каждого спутника i из списка LSV, моментального оценочного значения PD*i псевдорасстояния. Для этого подмодуль 66 рассматривает моментальные положения спутников Si, указанные в эфемериде 21, хранящейся в базе данных 14, и оценочное положение Р*(t), указанное в оценочном кинематическом состоянии Е*(t) поезда в текущий момент t.
Модуль 44 сравнения содержит подмодуль 70 определения отклонения ΔDi между моментальными измеренным и оценочным значениями Di и D*i коэффициента Доплера для спутника i.
Модуль 44 сравнения содержит подмодуль 72 определения ковариации CovD между моментальными измеренным и оценочным значениями Di и D*i коэффициента Доплера для спутника i.
Модуль 44 сравнения содержит подмодуль 74 определения отклонения ΔPD между моментальными измеренным и оценочным значениями РDi и РD*i псевдорасстояния для спутника i.
Модуль сравнения содержит подмодуль 76 определения ковариации CovPD между моментальными измеренным и оценочным значениями РDi и РD*i псевдорасстояния для спутника i.
Модуль сравнения содержит подмодуль 78 проверки измеренного значения коэффициента Доплера. Подмодуль 78 выполнен с возможностью сравнения значения ΔDi с пороговым значением ΔD0 и значения CovDi с пороговым значением CovD0. Если ΔDi превышает ΔD0 и если CovDi превышает CovD0, подмодуль 76 может передать идентификатор i в модуль 46 обновления списка пригодных для использования видимых спутников LSVU.
Модуль сравнения содержит подмодуль 80 проверки измеренного значения псевдорасстояния. Подмодуль 80 выполнен с возможностью сравнения значения ΔРDi с пороговым значением ΔРD0 и значения CovРDi с пороговым значением CovРD0. Если ΔРDi превышает ΔРD0 и если CovРDi превышает CovРD0, подмодуль 78 может передать идентификатор i в модуль 46 обновления списка пригодных для использования видимых спутников LSVU.
Модуль 46 выполнен с возможностью создания списка пригодных для использования видимых спутников LSVU. Для этого модуль 46 может инициализировать список пригодных для использования видимых спутников на основании списка видимых спутников LSV на выходе модуля 48 при каждом изменении этого последнего списка. Затем модуль 46 может исключить из этого инициализированного списка идентификатор i спутника, который был ему передан подмодулем 78 или подмодулем 80.
Средство 36 вычисления принимает на входе список LSVU, созданный на выходе средства 44 выбора, для вычисления моментального кинематического состояния Е(t) поезда 2 исключительно на основании сигналов, поступающих от спутников, указанных в списке LSVU.
Далее следует описание способа определения моментального кинематического состояния Е(t) поезда 2 в ходе исполнения программы 30 системой 8.
Исполнение программы 30 начинается с исполнения 100 функции средства 34 выбора для выдачи списка пригодных для использования видимых спутников LSVU.
На этапе 110 исполнение функции средства 34 выбора начинается с исполнения функции модуля 38. На основании идентификаторов i видимых спутников, указанных средством 16, модуль 38 создает список видимых в текущий момент спутников LSV. Сразу после формирования списка LSV модуль 46 инициализирует список пригодных для использования видимых спутников LSVU, копируя список видимых спутников LSV.
Затем на этапе 120 используют подмодуль 50 вычисления таким образом, чтобы для каждого спутника i из списка LSV вычислить моментальное измеренное значение Di коэффициента Доплера на основании сигнала Si, переданного этим спутником. На этапе 122 используют подмодуль 52 для вычисления, для каждого спутника i из списка LSV, моментального измеренного значения РDi псевдорасстояния на основании сигнала Si, переданного этим спутником.
Затем используют подмодуль 60 для генерирования моментального оценочного кинематического состояния Е*(t) поезда 2.
t-1
t-1
t
На этапе 130 подмодуль 60 принимает на входе кинематическое состояние Е(t-1) поезда, определенное в предыдущий момент . Подмодуль 60 входит в базу данных 14 для считывания картографии 24. Затем, в зависимости от этих двух входных данных, подмодуль 60 определяет информацию, касающуюся участка пути 4, по которому движется поезд 2 между  и .
На этапе 132 используют динамическую модель М подмодуля 60 для определения оценочного кинематического состояния Е*(t) поезда в текущий момент t на основании кинематического состояния Е(t-1) и данных об участке пути, по которому движется поезд 2.
На этапе 140 исполнение функции средства 60 оценки продолжается исполнением функции подмодуля 64, чтобы для каждого спутника i из списка LSV вычислить моментальное оценочное значение D*i коэффициента Доплера. Для этого используют моментальные положение и скорость спутника i, вычисленные при помощи данных, содержащихся в эфемериде 21, хранящейся в базе данных 14, и моментальные оценочные положение и скорость поезда 2 Р*(t) и V*(t), содержащиеся в оценочном кинематическом состоянии Е*(t), для определения относительных положения и скорости между спутником i и поездом 2 с целью оценки принятых сигналов S*i и определения на их основании значения D*i.
Затем на этапе 142 используют подмодуль 66, чтобы для каждого спутника i из списка LSV вычислить моментальное оценочное значение РD*i псевдорасстояния. Для этого используют моментальные положение и скорость спутника i, вычисленные при помощи данных, содержащихся в эфемериде 21 из базы данных 14, и моментальные оценочные положение и скорость поезда 2 Р*(t) и V*(t), содержащиеся в оценочном кинематическом состоянии Е*(t), для определения относительных положения и скорости между спутником i и поездом 2 с целью оценки принятых сигналов S*i и определения на их основании значения РD*i.
Затем на этапе 150, соответствующем исполнению функции подмодуля 70 модуля 44 сравнения, вычисляют отклонение ΔDi посредством определения разности между моментальными измеренным и оценочным значениями Di и D*i для спутника i.
На этапе 152, соответствующем исполнению функции подмодуля 72, вычисляют ковариацию CovDi между моментальными измеренным и оценочным значениями Di и D*i коэффициента Доплера для спутника i.
На этапе 154, соответствующем исполнению функции подмодуля 74, вычисляют отклонение ΔРDi посредством определения разности между моментальными измеренным и оценочным значениями РDi и РD*i для спутника i.
На этапе 156, соответствующем исполнению функции подмодуля 76, вычисляют ковариацию CovРDi между моментальными измеренным и оценочным значениями РDi и РD*i для спутника i.
На этапе 160 собственно сравнения исполнение функции подмодуля 78 позволяет проверить, что значение ΔDi меньше порогового отклонения ΔD0 и что значение CovDi меньше порогового значения CovD0. При отрицательном результате идентификатор i передают в модуль 46.
Аналогично, на этапе 162 исполнение функции подмодуля 80 позволяет проверить, что значение ΔРDi меньше порогового отклонения ΔРD0 и что значение CovРDi меньше порогового значения CovРD0. При отрицательном результате идентификатор i передают в модуль 46.
Наконец, на этапе 170 обновления списка пригодных для использования видимых спутников LSVU модуль 46 исключает из списка LSVU, инициализированного на основании списка LSV, идентификатор i спутника, который был ему передан после этапа 160 или этапа 162.
Средство 36 вычисления принимает на входе список LSVU, генерированный на выходе средства 34 выбора, чтобы вычислить моментальное кинематическое состояние Е(t) поезда 2 исключительно на основании сигналов, поступающих от спутников, указанных в списке LSVU.
После создания списка LSVU осуществляют этап 200 вычисления текущего моментального кинематического состояния Е(t) исключительно на основании сигналов спутников, указанных в списке LSVU.
Предпочтительно способ применяет вычисление коэффициента Доплера или псевдорасстояния, являющихся величинами, которые в случае искажения сигнала определения местоположения колеблются с большой амплитудой. Так, если амплитуда измеренного значения одной или другой из этих величин является большой и значительно меняется во времени, это позволяет сделать вывод, что соответствующий сигнал определения местоположения искажен. В этом случае передающий этот сигнал спутник исключают из списка пригодных для использования видимых спутников при дальнейшем вычислении кинематического состояния транспортного средства.
Предпочтительно способ выбора осуществляют намного раньше, чтобы заблаговременно обнаружить искажение сигнала определения местоположения и избежать учета этого искаженного сигнала при вычислении кинематического состояния направляемого транспортного средства, что могло бы иметь серьезные отрицательные последствия.