（交通信息工程及控制专业论文）列车控制专用电子地图生成算法的研究.pdf

中文摘要 摘要： 随着c b t c ( 基于通信的列车控制系统) 技术的广泛应用，作为关键技术列车 定位有了长足的发展采用g p s 和g i s 技术相结合进行精确列车定位是一种全新 的列车定位方法，而它的前提是要有较为精确列车运行线路的g i s 数字地图。在 生成数字地图的过程中，可以采用高精度的g p s 定位信息生成精确的数字地图， 但是这种方法的造价和人工投入都很大。因此利用大量实测低精度g p s 数据自动 生成具有较高精度的数字地图的方法就有具有重要的工程意义和实用价值。 针对如何高效率低成本地生成列车控制用高精度数字地图，本文提出了多轨 迹求径的概念。首先利用g p s 接收机采集高精度的关键点( p o 卜- p o i n to f i n t a 惯t ) 坐标数据和关键点之间的精度较低的轨迹线路g p s 数据；然后算法结合这两种数 据的特点，生成高精度的轨迹线路方程。多轨迹求径算法分为数据采集、数据预 处理、轨迹线路求解、结果评估和地图存储五个部分。本文在简要介绍了算法所 需的几种数据采集方法的基础上，提出了利用霍夫变换进行数据预处理的方法， 然后分别讨论了直线段和曲线段数据在不同约束条件的情况下利用最小二乘拟合 估计线路方程的方法。通过采用回归模型的检验方法对算法的效率、生成数字地 图的精度、数字地图的存储量、地图匹配速度等相关指标进行评估，证明了算法 合理可行。 论文最后总结了多轨迹求径算法的优势，并对于算法在工程领域的应用进行 了分析，指出该算法不仅可以应用于列车控制用数字数字地图的生成，在城市智 能交通系统车载导航地图线路更新，未知区域线路探测等领域也有很好的应用前 景。 关键词：g p s 定位；数字地图；列车控制；多轨迹求径； 分类号：t p 3 9 3 韭塞窑适盔堂亟堂僮j 金塞垦! b ! a b s t r a c t w i t h 砘ed c v e l o p m e n to fc b t c ( c 伽删c a 垃o nb a s e dt r a i nc ，咖1 ) a p p l i c a t i o n s ， 仃a i l lp o s m o n i i l g 勰ak e yt 即h n o l o g yh 嬲b o e np i 切n o t c d 删y u s i n gt l l eg p s 粕d g i si n f o 胁a t i o nt og e tt l l ea c c l l m t e 仃a i l lp o s i t i o ni sa 阳l a t i v en e wm 柏o di nt l l i sa f e 巩 a 删nc 髓璐et l l e 胁a _ b a s eo fs t a t i o n sa n db l o c l 【st o g e i l l 盯w i t hg p sp o s i t i o nf e a d i n g s t 0l o c a l i z ei t s e l eb 眦t h i sa l lb 邪c d 衄孤c i l 】r a t ed e t a i l e dd i g i t a lm a p h i 醢p r e c i s i g p s t r a c k d a t ac o u l db e l l s e d t 0c 懈l t cd i 西t a l m 印，b u t i t t i l l i l so u t t 0 0c ) 【p e l l s i v c 肌d t i m e - c o n s 啪i n 辱t h e f o r c ，h o wt ou s eal a 增p 锄o m to fl o wc o s tg p sd a t at oc a t e l l i g hp r e c i s i o n t m i l lc o m r o l d i 西t a lm a pe f f 跏v c l ya n d o 咖i c a l l yb e c o m 髓 s i g n i f i c a n t 锄di m p o r t a n t i l lt l l c s ea p p l i c a t i o l l s a na l g o r i t i l ：mn 锄e d 朋砌印跆肌驴p 啪，) ，g 船如埘硎砌鲥硎口材吲锄删纠fw 鹪 p r o p o s e di i lm i sp a p 盯t or e a l i z em e 卸t o l n a t i cd a 妇f h l 锄ta n du p d a t i n go fl h e d i 舀t a lm a p h i 曲p r e d s i o np o i ( p o i n to fk t e r 嚣t ) g p sd a t a 锄dag 陀a tn m n l ，盯o fl o w c o s t 粕d l 鹤sa c c l l r a t e t r a c k g p sd a t a l l e c d c d t ob cc o l i e c t e d i t l t l l i s m e l l l o 正1 1 地p o i p o s i t i o nu s c d 黯ar e s 晡c t i o nc o n d i t i i l lc a l c u l a t i l l gt h e 仃a c kf i m c t i o n s t l l i sa l g o r i t h l n i sc o m p o s e db yf i v cp a n s ，n 锄e l yd a t ac o l l 。c t i o i l ，d a t ap r 呻r o o e 路，c a l c u l 舶g 仃a c k f h c t i o 邶锄dr 哪l 忸e s t i m 撕r e s p o c t i v e l y a m o d i f i e d h o u g h 缸越吲e m n w 鹤u s e d 弱a d a 七as d e 咖i n 也e d a t a p r e p f o c e 蹄p a 如t h e l i n e a r 卸dc u r v ef 岫c t i o mw a sd i s c l l s s c dr c s p c c t i v e l yi l lt h ep a r to f c a l c u l a t i n gt h et r a c k f i l r l c t i o n s t h et l l e s i sa l s op r 嚣e n tan 啪b 盯o fe v a l u a t i o nm e t r i c sf b f 懿t i m a t i n gt h e q u a l 时o f t l l em a p st l l ea l g o r i n l mg e n e m t c d t h ep r e c i s i o no ft 1 1 屺缸l c t i o n s ，t h cs t o m g c o f t h e d i 舀t a im a p a i l dt l l es p c c do f m a pm a t c h i l l gp v e dt l l a tt l l ea l 酬t l l mi saf b s i b l e r e 鸽o n a b l e 粕de c o n 伽i c a lm e m o do f 口e a t i n g 佩nc o n 缸d ld i 舀谢m a p a t t l l e do f m e t h 嚣i s ，i t i s p o i l l t e d m 砒t l l ea l g o r i m mc o u l dn o t 砌y u s e i i l m e t r a i n c o m r o ls y s t 咖，b u tc o u l db el l s e di nt h e1 1 r s ( h l _ t e l l i g e n tt r a 伍cs y s t 锄) 豁am a p g e r a t i o nm e t h o d 舔w e n f u “h 咖o ，i tm a yb ep o s s i b l ei i lt l l ef h t i l r ef o rr o a d w a y s n o ty e ta v a i l d b l ew i t h i nag l sd a t a b 鹳et ob ea p p e i l d e dl 塔i n gt h ei 1 1 南m l a t i o n 学e n e r a t e d f 如mt h ep r o p o s 。dm e m o d 1 y w o r d s ：g p sp o s i t i o n i i l 舀d i 舀t a lm a p ；仃a i l lc o n h d l ；m u l t i p l e 蜘e c c o r yda _ t a e x 乜删o na n df e 6 n e m t c l a s s n o ：t p 3 9 3 致谢 时光荏苒如白驹过隙，转眼问，弱冠已过，而立将至。吾自幼求学，寒窗苦 读，已廿年有余。今将止，学将至，回首往事，常感怀恩师孜孜不倦之教导，循 循善诱之苦心，心潮澎湃，久不能息，特立此书，权以鸣谢。 恩师穆建成教授、蔡伯根教授常日：“做人为先，求学次之。” “夫求学者，严谨治学，一丝不苟，知之为知之，不知为不知。对学问，不 可须臾之懈怠，不可片刻之满足。常以先贤前圣为楷模，思进取，以鞭策。 夫大丈夫者，当存大志取大义，勿以善小而不为，勿以恶小而为之。天行健君 子以自强不息，地势坤君子以厚德载物。修身养性，其理同归。” 自甲中秋( 2 0 0 4 ) 师从二位恩师已近三载。恩师之教导常记于心，未敢忘却。 归国开题，时间紧迫，压力剧增，常感学业生活举步为艰。师教导日：“凡事预则 立，不预则废。人生之不如意，十有八九。汝年尚轻，应沉其志，炼其意，耐其 性，利其器，端其行，苦其心，方可有为。”听师之教导，如沐春风，茅塞顿开。 二位恩师所为常以吾之发展为初衷，凡利吾之进步者，为之；凡碍吾之发展 者，不为。乙酉秋允吾远赴异乡求学，丙戌春辅吾终硕士论文之课题，盖归于此。 一日问恩师何故，师笑日：“师者，所以传道授业解惑也，子若可教，甘为孺子之 牛。”古人云，一日为师，终身为父。师之教诲，师之德行，师之恩情孰可忘呼? 硕士期间，师陈德望，师兄王剑，周达天，友孙二静，张雅静，秦皓，张峰， 袁振江，安毅，陈军，唐一哲等给予吾莫大帮助，在此一并谢过。 北京交通太堂亟堂位i 金奎 庄捡 l 序论 1 1 选题的工程背景 随着国民经济的发展，人们生活水平的不断提高，人们对于运输能力和运输效 率的要求越来越高。铁路是我国主要的客运和货运手段之一。在运输市场竞争日 趋激烈的环境下，如何利用先进的通信、控制、定位等技术，提高运输能力和效 率，减少运营和维护费用，是摆在所有铁路技术工程人员面前的一个重要课题。 列车控制系统是整个铁路运营与控制的关键和核心【l 】。在列车控制系统中，列 车定位是一项关键性的技术。准确、及时地获取列车位置信息，是列车安全、高 效运行的保障。 正确性是列车定位的首要要求。即列车定位技术必须能为列车控制系统提供 正确的列车位置信息；其次，随着轨道交通朝着高速、快捷的方向发展，人们对 列车定位技术的定位精度又提出了更高的要求。 近年来，借助于现代通信和计算机领域的成熟技术，一种新型的基于通信技 术的列车控制系统( c 锄删m i c a t i o nb a s e d 喇nc o n h d l ，c b r i ) 已蓬勃兴起1 2 】【3 】。在 这个技术背景下，列车定位技术也得到了长足地发展。 目前国内外轮轨交通的列车定位技术采用的方法中，全球卫星定位法以其安 装简便，成本低，维护方便，定位精度较高等优点成为新型列车定位的最佳选择。 采用g p s 技术的列车定位系统的优势还在于可以和g i s ( 地理信息系统) 相结合， 利用车辆实时定位数据和高精度的数字地图，进行地图匹配，得出列车的精确位 置。 基于上述原因，铁路的技术人员对基于卫星的列车技术越来越感兴趣，以实 现铁路的“信息化”、“智能化”为目标的列车系统的开发与应用以欧洲、美国、 日本为中心迅速展开。同时众多其它国家和地区也纷纷参与，并投入力量开展研 究活动。2 0 世纪9 0 年代，国外对g p s 技术在铁路上的应用开展了大量研究，获 得一些宝贵的运营经验。从2 0 世纪末至今，已经签约设计或开始施工的c b t c 铁 路里程数大约为9 6 0 7 公里，其中采用g p s 作为列车定位方式的铁路里程数占到了 总里程数2 7 3 8 1 4 j 。 1 2 利用g p s 定位的列车控制系统的国内外研究现状 j e 塞窑适太堂硒堂焦监塞压j 幺 1 9 9 8 年，意大利启动了取i s 项引“，提出了综合g n s s 和g s m r 两项新的 技术来开发新的列车运行控制系统，该项目得到了欧盟委员会的支持，并于2 0 0 2 年开始投入使用。与此同时，奥地利a l c 朋r e l 分公司在公路上应用g n s s 的经 验基础上，提出了基于卫星定位的列车运行控制的问题分析。比利时铁路也启动 了基于g n s s 列车定位系统的o l 呵i a 项目。美国也研发了基于g n s s 定位系统 的r r c s 系统，并在密歇根线路上投入商业运营，也颇具参考价值。 从2 0 0 3 年5 月起，英国w c r m ( w 醅tc o a s tr o u t cm 0 d e f i l i z a l i o np r o g r a m ) 项目 需要更新大量铁道线路，测量公司为铁路设计者提供各类精确的信息成为项目中 一个重要的组成部分。他们在实践中，结合以往的研究成果研制了一套集成实时 动态( 风e a lt i m e 飚n e l n a t i c s ，r t k ) g p s 的多传感器测量系统瑞士手推车嘲。 硬件设备为铁轨上专用的手推车及车载实时动态g p s 设备和相应传感器，测 量时人工推动手推车获取数据，然后对数据进行后期粗大误差检测、数据缩减、 滤波和平滑等处理。这种测量方法存在的问题是需要大量的人力投入；对g p s 设 备定位精度要求高，费用昂贵；测量次数有限，遗留误差。文献【6 】中也提到了合成 多次测量的数据，但是对具体的数据处理方法没有叙述。 利用g p s 技术实现列车的精确定位，首先需要根据列车轨道的g p s 数据生成 精度较高的g i s 数字地图。在利用g p s 信息生成数字地图，评估地图质量的研究 方面，国外的主要研究有： 美国h o n e y w e l l 公司也在轨迹造图的生成方面进行了研究f ”，应用在 l ( 圮o p r o l 项目中。该项目在取得完全可靠的数据和满足安全要求的原则下，完 成g p s 定位和生成轨迹地图数据库两个核心内容。它的轨迹地图数据库由对象数 据库和轨迹数据库( 轨迹数据库又被称为数字轨迹地图) 两部分组成。其中，对 象包括平交路口、限速标志等相关点( 类似于本文后面将要提到的属性点) ；轨迹 数据即铁路轨道信息，在其专用的拓扑结构和几何模型下组织数据。 在利用g p s 数据生成数字地图的研究中，文献【1 9 】提出了一种利用车辆的g p s 信息提高已有数字地图精度的方法，并在实际应用中给出了地图匹配的效率和算 法的评估。 加拿大滑铁卢大学的自动化智能机器人技术实验室提出了一种利用多个车辆 低精度g p s 定位信息的相互通信来提高定位精度，评估地图线路的方法【1 9 】。该 方法证明了随着参与运算的车辆数据的增多，定位的精度将显著的提高。 比较而言，我国在该领域的研究相对落后，相关软硬件的开发还比较薄弱， 但拥有很大的发展空间，有利于向更加深入和广泛的领域发展。 在我国青藏铁路建设项目中，也没有采用传统的轨道电路信号控制方法，而 采用了美国通用电气公司的n s ( 增强型列车控制系统) ，首次全部采用虚拟的信 2 号控制，根据安装在列车上的g p s 定位系统提供的列车位置信息，结合数字地图 中的信号设备位置来实现信号控制。 1 3问题的提出 在利用g p s 定位信息生成g i s 数字数字地图的过程中，g p s 数据的定位精 度和工程造价区别是非常大的嘲【9 】【1 0 】。在地质测量，工程测绘，特定专业数字地图 绘制等应用领域一般采用高精度的测量方法。这种方法首先需要昂贵的高精度测 绘设备，专业的测绘人员长时间大工作量测量才能完成。1 2 中所介绍的各种g p s 信息采集的方法中，也存在着造价高，耗时大，人员需要量大的问题。 在实际运营中，列车自身的定位信息结合已有的数字数字地图，进行地图匹 配，从而完成列车的定位。而地图匹配得到列车的精确定位是建立在数字地图高 精度的基础上的。 根据g p s 测量的国家标准一全球定位系统( g p s ) 测量规范g b 厂r 1 8 3 1 4 【i l 】， 测量的精度从几毫米到十几米不等。就列车运行控制用g p s 的定位精度而言，由 于车站股道之间的距离一般为5 8 米，所以，区间线路和车站股道的定位精度一 般达到米级即可1 4 5 】。但是，在列车定位与行车控制中，有一些关键点( p 0 卜p o i n t o f i m e r e s t ) ，如信号机，道岔绝缘节等，对于列车运行定位、股道占用状态、列车 运行安全等方面起着非常非常重要的作用，因此它们的定位精度要求较高，一般 要达到分米级或厘米级。 所以列车控制用数字地图的精度有自身的特点，在能满足工程中的误差允许 范围的情况下，还应最大程度降低数字地图的成本和存储量，提高地图匹配速度 和成功率。 铁路车站中大量弯曲轨道在数字地图上的表示方法是一个难点，既要考虑数 据的存储结构的合理性，又要兼顾程序运行中的实时性。目前数字地图中经常采 用的曲线表示方法有n i 瓜b s 表示【1 2 1 、b 6 z i 盯曲线表示【1 3 】等，但是这类曲线表示方 法必然造成数据存储量的增大，造成相应地图匹配算法更加复杂。 在铁路数字数据库的表示中，美国g e 公司也依据美国铁路的情况提出了创 建轨道数据库的方法，它的特点是采用半径不同的圆曲线近似轨道曲线，这样的 方法可以保证线路描述的精确性，但是导致了地图匹配算法的复杂。 文献【4 3 l 介绍了用g p s 数据生成g i s 数字地图的一些方法，重点讨论了根据 新的g p s 数据和已有的g i s 地图信息，利用加权平均的思路更新地图数据库的方 法，对于生成数字地图的效率方面也有一些探讨。 文献【1 4 】给出了一种用直线段拟合曲线得到铁路数字数字地图的方法，并给出 j e 基銮煎盔堂亟堂僮途塞庄逾 了相应的算法和误差分析。用直线分段拟合线路方程的优点是拟合方程为两个参 数的直线段，且地图匹配算法简单。但是用直线段分段拟合曲线的时候，为了保 证误差在允许的范围内，使得分段数较多，影响了地图的存储效率。 在这些工作的基础上，本文提出了多轨迹求径的概念，即在高精度关键点位 置的基础上，通过对于铁路轨道和列车运行特性的分析，对大量的列车行驶时采 集的低精度轨道定位数据进行曲线拟合与评估，得出车站和区问的相对高精度轨 迹信息，并以更高效的形式转化为数字地图。 多轨迹求径的主要思路是利用关键点位置信息和数量众多的低成本轨迹信 息，来达到提高轨迹方程解算精度的目的。本文采用了一次方程和二次方程分别 拟合直线段曲线段的方法。通过具体的分析证明，多轨迹求径不仅最大程度的降 低了数据采集成本，简化了数据采集过程，减少了人力和时间的投入，而且在存 储效率和解箅精度上都有较明显的优势，是一种简便、可行的方法。 1 4 论文的安排 本文围绕着多轨迹求径的主要思路，阐述了一整套利用g p s 数据得到线路方 程的方法，并对于算法得出的线路方程进行了分析和评估。 本文主要分为七章，下面分别陈述各章主要内容。 第一章为概述，首先简要介绍了论文提出的问题的工程背景，在对国内外的 研究发展现状分析的基础上，提出了本文的主要工作内容和思路。 第二章简要介绍了论文内容所涉及的些基本背景知识和关键技术的发展现 状主要包括g p s 系统和g i s 系统的一些基本概念和论文中所用到的关键技术。然 后详细阐述了多轨迹求径的概念和基本思路，并给出了多轨迹求径方法的数据处 理流程图，作为以后的各章工作的基础和指导。 第三章到第六章分别阐述了个多轨迹求径方法中的各个关键技术环节。 第三章在对于g p s 不同精度的定位信息采集方法的讨论的基础上，简要介绍 了论文所用数据的具体采集方法。并给出了原始数据的图形显示结果，为后面对 于数据的分析和数据拟合做好准备。 第四章讨论了g p s 粗差剔除的方法。本章在讨论了g p s 数据野值的一般剔除 方法之后，提出了一种全新的利用霍夫变换剔除野值的方法。论文不仅对于霍夫 变换的原理和过程给出了详细的阐述，还对于霍夫变换剔除野值的结果给出了图 形上的比较，阐明了霍夫变换剔除野值的优越性。 第五章在数据野值处理的基础上，详细讨论了不同情况下求解线路方程的方 法和提高精度的手段。本章是整个算法的关键之一，在讨论拟合算法时，论文分 4 为直线段拟合与曲线段拟合两部分分别进行阐述 第六章利用统计数据对于多轨迹求径拟合结果进行了分析和评估。通过分析， 证明了多轨迹求径算法的优越性与可行性。 第七章为总结和未来工作展望。本文对于整个算法的优势进行了总结，讨论 分析了算法中的一些难点和关键技术。对于目前未完成的一些功能，算法的一些 缺陷给出了分析，并提出了一些改进思路和方法。最后对算法的应用前景做出了 展望。 5 2 关键技术综述和算法功能简介 本章的内容主要分为两个部分，第一部分是对于系统所涉及的主要关键技术 的简要介绍，包括全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t 锄g p s ) 和地理信息系 统( g c o 聊h i c a li n f o l l l l a t i s y s t 咖一g i s ) 。第二部分是在分析g p s 和g i s 系统 关键技术的基础上，阐述了多轨迹求径方法的概念及其功能上的一些要求。 2 1 全球定位系统( g p s ) 技术 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t 锄) 是以卫星为基础的授时与测距无 线电导航定位系统，能为车辆、轮船等诸多移动站提供精确的三维坐标、速度和 时间【l5 】等信息。 g p s 系统主要由三部分组成：空间部分、地面监控部分和用户设备部分。【3 】【9 】【1 7 】 空间部分：包括2 l 颗工作卫星，3 颗备用卫星，共2 4 颗在轨卫星。这些卫 星全天候的昼夜发送高精度的、连续的、实时的定位和定时信息。提供给 用户三维坐标、三维速度分量和精确定时。 地面支撑系统：包括1 个主控站，3 个注入站，5 个监测站。主控站拥有大 型计算机，负责采集数据、编辑导航电文并发送到3 个地面控制站、诊断 整个地面支持系统及卫星的工作状况并向用户指示以及调度卫星；监测站 是无人值守的数据采集中心，装有精密的铯原子钟和能连续测量所有可见 卫星的伪距的接收机，对卫星进行常年观测，并采集电离层数据和气象数 据；地面控制站的主要组成部分是地面天线。由主控站传送来的卫星星历 和钟参数由这里发送注入到经过该站上空的各个卫星。目前对每颗卫星每 天注入一次或两次。 用户设备部分：包括独立应用的各类g p s 接收机和与其他设备或系统组合 应用的各类产品。 g p s 定位方法按照测量方法可以分为：伪距测量法、多普勒频移法、载波相位 法和干涉法四种。根据测绘学的三角测距原理，接收机只需接收到四颗卫星的信 号就可以通过卫星伪距解算接收机天线的位置，并确定三维坐标和时间。基于多 普勒效应，还可以推算出天线运动速度及角度。 虽然随着s a 干扰政策的取消，粗码已经能满足普通应用的需要，但是对于车 6 道保持，巡航控制，列车自动驾驶等应用技术而言定位精度还稍显不足。由此， 差分g p s ( d i 矗酿埘a lg p s d g p s ) 技术应运而生。d g p s 是有两台g p s 接收机 组成的组合定位系统，其中一台作为基准站。系统进行差分定位时，根据基站接 收到的g p s 定位坐标与该点的已知准确的地理坐标比较，计算出一个修正系数， 并将此信息通过无线电台等手段实时发送出去。移动站接收机在接收g p s 电文的 同时，也接收到基准站发出的修正系数，并以此对其坐标进行校正，从而达到提 高定位精度的目的。 2 2地理信息系统( g i s ) 技术1 7 1 1 1 研 地理信息系统( g e o g r a p h i ch f o 衄a t i s y s t 咖一g i s ) 起源于2 0 世纪6 0 时代。 地理信息系统作为传统学科( 如地理学、地图学和测量学等) 与现代科学技术( 如 遥感技术、计算机科学等) 相结合的产物，正在逐步发展成为一门处理空问数据 的现代化综合性学科。 一个典型的g i s 系统应包括三个基本部分；计算机系统，空间地理数据库系 统，应用人员和组织机构。 图2 1 地理信息系统组成示意图 g i s 的主要应用领域有：地理空间数据管理、综合分析评价与模拟预测、空间 查询和空间分析、地图制图、专题地图和区域信息系统、与遥感图像处理系统结 合的应用、面向具体应用的g i s 二次开发、属性数据的综合及融合应用等。 地理空间的表达式是地理数据组织、存储、运算和分析的基础。地理空间的 表达方法可以概括为矢量、栅格、三角形不规则网( t r i a i l 刚a t c d 胁9 1 1 l a r n e 晰o r k t i n ) 和l r o n o i 等几类，以此为基础可以构造地理空问各种不同的数据模型和 数据结构。然而对于铁路道路网络来说，下面介绍的方法更适合建立简单有效的 7 数学模型和计算机模型。 节点和路段是铁路网络中的两类基本几何元素。节点是路段与路段的交点或 路段终点，反映了线路中的道岔，信号机等信息。节点通常用g i s 系统采用的坐 标系中的坐标对来表示路段就是节点问的线段，用来表示一段线路。直线通常 用两个端节点来表示，而曲线以连续的拐点集合或曲线方程表示。 目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种。国外较著名的有a r c ，玳f o ， g e n a m a p ，m g e ，m a p h l f o 等；国内较著名的有m a p g i s ，g e o s t a r 和c r r y s t a r 等。 2 3多轨迹求径问题的一般描述和解决思路 本文所述的多轨迹求径问题，就是利用g p s 和g i s 技术相结合，利用g p s 定 位信息，通过一定的算法，得到g i s 数字地图的方法。 如第一章所述，列车控制用数字地图有其自身的特点和精度要求，这就决定 了以生成列车控制用数字地图为目的的多轨迹求径的算法在利用g p s 信息，生成 数字地图所需要的信息的时候，也有自身的特点和要求。 2 3 1数学描述和算法基本要求 多轨迹求径是一种快捷、经济、有效的利用g p s 定位信息得出列车控制用数 字地图的方法。它是建立在已有的大量低精度轨道g p s 数据和少数高精度关键点 位置信息的基础上，通过对于g p s 接收误差和列车行车特性的分析，利用数学的 方法估算出轨迹线路的数学表达式。多轨迹求径包含两个层面的意思，即“求径” 和“求精”。 所谓“求径”，是该算法功能上的要求。在获得相应的g p s 定位信息的基础上， 要求算法能够得出线路的方程表达式，用于存储为数字地图的需求。 所谓“求精”，是该算法在性能上的要求。估算出的线路轨迹方程在地图存储、 地图匹配和实际列车控制过程中，精度需满足系统的误差要求。 在利用g p s 数据提高定位精度的方面，已经有了一些探讨和研究。首先，在 定位方式上，采用伪距差分、r t k 等方法，通过基站为周围的移动站广播误差来 提高定位精度；其次在实时解算方面，不同的算法也可以提高最后的定位精度， 如整周模糊度快速解算方法【9 】，卡尔曼滤波法，载波相位平滑算法【2 0 】，带约束条 件的g p s 定位滤波方法【l6 】等等。它们的基本思路都是在分析g p s 误差来源的基础 上，建立系统误差模型和数学模型，对于定位数据进行预测，对产生误差的各个 8 环节进行修正，补偿或者调整，以达到快速的动态定位中提高定位精度 但是本文所述的多轨迹求径的算法，是完全采用另一种思路来提高定位精度。 首先，它是一个非实时的数据处理过程，是在大量已知数据的基础上进行误差 的剔除和精度的提高。 其次，在提高精度的时候，并没有从g p s 定位本身入手，而是将大量精度较 低的数据点作为已知点，在高精度关键点的约束下，从数据自身的分布特性入 手，提高定位精度。 本文所述的多轨迹求径问题中，一个很重要的约束条件是：关键点的坐标精度 很高，线路曲线通过关键点，所以关键点的坐标也应该满足拟合得出的曲线方程。 然而无约束的最小二乘拟合的方法并不能保证这一点。大量的低精度g p s 数据点 在拟合曲线的周围按照g p s 误差分布规律分布，拟合结果在整体上靠近每一个数 据点，但并不能保证通过其中的任一点。因此考虑用关键点的信息修正拟合曲线， 保证曲线一定经过关键点。 从误差分布的角度分析，关键点误差最小，所以曲线拟合时关键点的坐标作 为权重最重的数据点处理，每段拟合后的曲线都应该先满足通过或者最接近两个 关键点。就整个线路而言，每经过一次关键点，拟合数据的误差减小为零一次。 即关键点也是线路上误差的校正点，正是有了高精度坐标的存在，才保证了整体 线路的可信度，也为分析系统误差提供了可能。 因此用关键点的数据约束修正低精度数据得出的轨迹线路是本文处理数据中 的一个基本思路和方法。 多轨迹求径算法的数学描述是带有约束条件( 固定点的精确坐标信息) 的静 态离散数据最优化拟合。它在功能上满足： 有剔除野值( 粗大误差点) ，判别线路属性( 直线还是曲线) ，进行数据拟合得 出线路轨迹的能力； 拟合结果有良好的自我修正能力，随着数据量的不断更新和增加，解算出来的 线路曲线应该逐渐的逼近真实的线路，数据量越大，精度越高。 当线路改造后，有大量新数据出现的时候，有更新改造已有数据曲线的能力。 2 3 2数据处理的基本思路 为了实现算法的如上功能，又考虑到多轨迹求径算法的特点，所以给出数据 处理的流程图如图2 2 所示。 9 图2 - 2 多轨迹求径数据处理流程图 由图2 - 2 可知，多轨迹求径的数据处理流程大致分为五个部分，它们分别是： 1 数据采集。数据采集工作是所有工作的基础和前提，包括高精度的关键点 ( p o i ) 数据采集和大量低精度的轨道线路数据采集。采集工作的主要任务是 按照全球定位系统( g p s ) 测量规范，高效、准确的采集所需要定位信息。 2 数据预处理。数据预处理的主要任务是对于采集的原始g p s 信息，进行坐 标转换，线路分段，野值剔除，滤波平滑等工作，为数据的拟合做好准备。 3 线路求径。线路求径的主要方法是数据拟合。数据拟合首先需要考虑的是 在大量数据的情况下，在哪些数据段进行什么样的拟合( 即用多少阶的多项 式拟合数据) 。之后在所选择的数据段分别进行数据拟合，得出该段数据的拟 合表达式。 1 0 4 曲线评估。对于拟合出的轨迹方程的性能进行评估，在不满足误差要求的 情况下，进行曲线重新划分，滤波参数修改，曲线重新拟合和重新评估等步 骤，直到满足误差为止。本文中所涉及的滤波参数修改主要是指霍夫变换后 阈值范围的缩小 5 结果存储。曲线拟合评估之后，对于已经得出的各个数据段的线路进行合 并，减少分段数，并在满足精度要求的条件下，将线路方程结果转化为g i s 数字地图的形式。 多轨迹求径方法的关键是线路求径与结果评估。线路求径得出线路的方程， 数据拟合的时候，要利用已有的高精度关键点和多轨迹数据，提高拟合精度。结 果评估则决定着算法的误差收敛能力和自我更新能力。实际上，多轨迹求径方法 中，粗差剔除、数据拟合与曲线评估是相互影响相互制约密不可分的一个整体。 数据处理为曲线拟合和评估的前提，数据拟合在数据处理的基础上进行，拟合的 效果在很大程度上决定于数据处理的结果，而拟合数据的评估又是前两个过程的 指导和标准。租差剔除的力度是否满足结果需求，拟合的精度是否可以满足系统 要求都取决于拟合评估的结果。 为了叙述方便，本文将数据处理，拟合，评估三个过程分开描述。下面各章 将分别介绍多轨迹求径各个环节的关键技术和实现方法。 韭廛窑煎太堂亟堂僮逾塞鱼呈s 熬握墨塞 3g p s 数据采集 本章主要内容围绕着g p s 数据采集而展开。首先简要介绍了g p s 定位测量的 不同方法及得到的不同精度的定位数据，然后给出了多轨迹求径算法中所需要的 各种g p s 定位数据的采集方法和采集结果。 3 1g p s 定位测量方法分类嗍1 9 l g p s 定位中，按照用户接收机是否处于静止状态，可分为静态定位和动态定 位。静态定位时，由于待定点位置固定不动，因此可通过大量重复观测提高定位 精度。随着快速解算整周待定值技术的出现，使得静态定位时间大为减少，从而 在工程领域中有了更广泛的应用 若定位时接收机处于运动状态，则称为动态定位。动态定位则为用户提供了 接收机的实时位置信息。 根据参考点的不同，g p s 定位测量又分为绝对定位和相对定位 绝对定位是以地球质点为参考点，由于定位工作仅需一台接收机。所以又称 为单点定位。其定位结果受卫星星历误差和信号传播误差影响较为显著，所以定 位精度较低。 若以地面某个固定点为参考点，确定接收机天线相位中心相对参考点的位置， 则称相对定位。由于相对定位至少使用两台以上的接收机同步跟踪4 颗以上的g p s 卫星，因此相对定位所获得的观测量具有相关性，并且观测量中所包含的误差也 同样具有相关性。采用适当的数学模型，即可消除或者削弱观测量所含的误差， 使定位结果达到相当高的精度。 在动态相对定位技术中，差分定位即d g p s 定位( d i 仃h 饥t i a l 酉o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) 受到了普遍重视。在进行d g p s 定位时，一台接收机被安置在参考点上固 定不动，其余接收机则分别安置在需要定位的运动载体上。固定接收机和流动接 收机颗可分别跟踪4 颗以上g p s 卫星信号，并以伪距作为观测量。根据参考点的 已知坐标，可计算出定位结果的坐标改正数或者距离改正数，并可通过数据传输 电台发射给流动站，以改进流动站定位结果的精度。 d g p s 是建立在c a 码伪距测量基础上的一种实时定位技术，其定位精度为 米级。最近出现的一种实时动态定位技术称为r t k ( r e a l 缸i eb n 锄a t i c s ) g p s 测 量，采用了载波相位观测量作为基本观测量，能够达到厘米级的定位精度。在r ：i x 北京交通太堂亟堂位论奎鱼s 熬据爰塞 测量作业中，位于参考站的g p s 接收机，通过数据链将参考点的已知坐标和载波 相位观测量一起传输给流动站，流动站根据参考站传递的定位信息和自己的测量 结果，组成差分模型并进行基线向量的实时解算，可获得厘米级精度的定位结果。 3 2 算法使用数据的采集 3 2 1实际采集数据的接收机简介 本文所用的接收机采用了n o v a l e l 测量型g p s 接收机瞄删之所以选用该接 收机，是因为它有如下显著特点，所采集的数据能够满足多轨迹求径算法的要求。 1 n o v a t e l 的d l 4 是高性能高精度的g p s 接收 图3 - 2 n o v a l e l 接收机 机，具有高数据更新率，集成有内部存贮器 供数据记录用。它体积小，轻便灵活，适于安 装在机车上采集数据。 2 接口简单，操作方便，数据传输速率高。它有 两个双向c o m 口，一个辅助数据口，软件可 在现场升级。 3 具有采集多种g p s 信息的能力。根据n o v a t e l 接收机的可以设置为不同的 工作模式，可以进行单点，伪距差分，r t k 等不同g p s 定位精度的数据 采集。 3 2 2低精度轨道线路的数据采集 所谓精度相对较低的线路数据即车站内的各正、侧线与区间轨道的轨迹信息。 在车站内，相对于区间而言，车站的覆盖范围较小，股道集中因此可以在 车站内选择合适的地点建立基站，采集精度相对较高的d g p s 定位数据作为轨道线 路的数据。 g p s 基站站址对与周围环境有较高的要求。如基站周围没有高于1 0 度高度角的 建筑物；基站天线要远离大功率无线电发射源( 如电视台、无线电台、微波台) ，其 距离不小于1 0 0 0 米；基站应避开多路径效应严重区、雷击区及强磁场区。 基站地址选定之后，还要将g p s 基准站点与附近的水准点、重力点和国家高等 级三角点进行精密联测，以提高基站坐标的精度。 有关基站的选址，建立，配置方法等方面已经有详尽和标准的方法和步骤 【l i 】例【2 ”，这里不再赘述。 j e 夏銮亟盔堂亟堂焦监塞鱼数握丞基 但是在成带状分布的区间内，分别建立基准站甚至建网，显然是不经济，工 程造价太高，这里采用单点定位的信息作为区问内的轨迹数据信息。其定位误差 有时候会较大，需要后期的数据处理降低误差的干扰。 多轨迹求径需要大量多次的轨迹线路信息，因此，采集线路信息时，将g p s 接收机天线安装在活动频繁的机车车顶，车内的g p s 接收机负责采集和记录数据。 在一定时间内，机车在站内各股道和区间执行调车和行车任务的时候，便可采集 到多次行车定位信息。由于列车一定是行驶在轨道上的，所以这些定位数据经接 收机记录存储，便可以当作机车所行驶的轨道线路的定位信息。 图3 - 3 为在京郊某车站采集的轨道定位信息在图形上的显示( 车站数据片断) 。 其中横坐标为经度，纵坐标为纬度。 o 0 f o f t h e a f 宝d a t 图3 3 车站轨道g p s 数据片断 3 2 3高精度关键点数据的采集 所谓p o i 关键点，指的是对列车运行控制具有重要意义的地点或设备，包括 每个车站信号杌、分区通过信号机、调车信号机、道岔、公里标、限速标示牌、 隧道的入出口等。 如前所述，关键点对于股道占用，列车接近，行车位置等与安全相关的状态 和行车行为密切相关，因此关键点的精度要高于轨道的定位精度，一般要达到分 米或者厘米级。 在实际采集中，我们采用了单点长时间定位的方式来测量关键点的定位信息。 定点长时间测量取平均值的方法是一种有效的提高单点定位精度的方法，可以满 足关键点定位的精度要求。下图为测量的各个关键点信息和轨道定位信息在图形 上的显示( 片断) 。横坐标为经度，纵坐标为纬度。 1 4 图3 _ 4 车站轨道g p s 信息和关键点信息 3 2 4 砌 l ( 轨道数据线路的采集 r 1 x 作为定位精度很高的定位方法，并不适于多轨迹求径的算法。但是为了 数据的后期验证和算法的评估，我们也采集了一些r 1 x 的定位数据。r 1 k 定位数 据如下。 f 盯雌智t k 椭- m p o 图3 5 车站轨道r t k 数据和关键点数据 由图3 4 和图3 5 可知，r 1 x 的数据分布很规律，与关键点相互位置确定( 关 键点就在r n 定位数据的线路上) 。因为r 1 k 是选择性的采集了部分轨道进行测 量，而不是所有的线路，所以图形中，并不是所有关键点都在采集的轨迹上，就 是因为这个原因。 1 5 4 数据预处理 精度相对较低的轨道线路g p s 的定位信息，存在着各种误差。在数据拟合前， 首先要对已经采集的g p s 数据进行分析和处理。处理的主要步骤有：l ，坐标转换； 2 ，线路分段；3 ，拟合阶数判定；4 ，粗大误差( 野值) 的剔除及平滑滤波。本章 首先分析了g p s 误差的分类和基本数量级，给出了坐标变换的一般方法和思路， 然后分别介绍了线路分段，拟合阶数判定的方法。最后详细讨论了基于霍夫变换 进行野值剔除的方法，并将该方法与传统的粗差剔除方法作了比较，体现了霍夫 变换粗差剔除方法的优越性。 4 1g p s 误差源及分析 按误差性质来讲，影响g p s 测量精度的误差主要是系统误差和偶然误差。从 误差来源分析，g p s 测量误差大体上又可分为以下3 类。 1 ) 与卫星有关的误差 主要包括卫星星历误差和卫星钟误差，两者都是系统误差。在测量作业时， 可以通过一定的方法消除或者削弱其影响，也可以用某种数学模型对其修正。 2 ) 与g p s 卫星信号传播有关的误差 g p s 信号要穿过地球上空电离层和对流层，由于传播速度发生变化而产生 延时，使得测量结果产生系统误差。 当卫星信号到达地面时，往往受到某些物体表面的反射，使得接收机接收 到的信号包含了一部分反射信号，从而产生信号的多路径误差。多径误差取决 于测站周围的环境，具有随机性质，属于随机误差。 3 ) 与g p s 信号接收机有关的误差 这类误差包括接收机分辨率误差、接收机的时钟误差以及接收机天线相位 中心的位置偏差。 4 ) 其他误差 除了上述三种主要误差源之外，定位测量还受到一些其他误差源的影响，其 中最主要的是地球自转的影响和相对论效应。g p s 卫星导航定位误差的量级如下 表所示【8 】 1 6 表4 - lg p s 各类误差量级比较 p 码伪距 c a 码伪距 误差源 无s a有s a无s a有s a 卫星 星历误差5 m1 0 m l o m 5 ml o 蜘4 0 m 误差 时钟误差l ml o 蜘p 5 0 m1 ml o m 5 0 m 传播 电离层时延改正误差 c i n d mc n 州m锄d l nc n p 勘 对流层时延改正误差d m d md 1 1 】d i l l 误差 多径误差 l m1 m 5 m5 m 接收 观测噪声误差 o 1 l