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技術 列車位置検出装置及び方法

出願人 株式会社東芝東芝インフラシステムズ株式会社
発明者 小林広幸行木英明瀬戸直人鴨雄史江蘇蘇服部陽平
出願日 2016年8月19日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2016-161468
公開日 2018年2月22日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2018-028516
状態 特許登録済
技術分野 鉄道交通の監視、制御、保安 無線による位置決定
主要キーワード 本線路 補正履歴 最大仰角 列車位置検出装置 受け位置 位置検知システム 位置計測処理 仰角範囲
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年2月22日)のものです。
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図面 (6)

課題

列車の車両に車両の認証後に位置検出システムを設けなければならない場合に、衛星の測位用電波直接波を受信できない場所であっても位置精度の低下を抑制する。

解決手段

実施形態の列車位置検出装置鉄道設計基準記憶部は、列車が走行する線路の鉄道設計基準を予め記憶する。そして、位置検出部は、複数の衛星から受信アンテナを介して測位用電波を受信して列車の位置を検出する動作と並行して自立航法センサからの入力信号に基づいて列車の位置を自立航法により検出する。この際に位置検出部は、測位用電波による列車の位置の検出結果が鉄道設計基準を満たしていない場合に、自立航法による位置の検出結果で測位用電波による列車の位置の検出結果を補正する。

概要

背景

GNSS(Global Navigation Satellite System)を用いて列車位置検知を行う位置検知システム鉄道車両に設置する場合、車両の認証時に装備されていなかったGNSSの受信アンテナを車両の屋根に装備することはできない。
このため、車両の認証後に位置検知システムを導入しようとする場合には、室内にアンテナを設置することになり、屋根等の障害物により衛星を十分捕捉できない虞がある。
結果として電波受信状態が悪くなり、衛星数が足りない場合や反射波の影響を受け位置精度が低下することが多かった。でも屋根がある場所が多いため衛星による位置精度が低くなることが多い。

概要

列車の車両に車両の認証後に位置検出システムを設けなければならない場合に、衛星の測位用電波直接波を受信できない場所であっても位置精度の低下を抑制する。実施形態の列車位置検出装置鉄道設計基準記憶部は、列車が走行する線路の鉄道設計基準を予め記憶する。そして、位置検出部は、複数の衛星から受信アンテナを介して測位用電波を受信して列車の位置を検出する動作と並行して自立航法センサからの入力信号に基づいて列車の位置を自立航法により検出する。この際に位置検出部は、測位用電波による列車の位置の検出結果が鉄道設計基準を満たしていない場合に、自立航法による位置の検出結果で測位用電波による列車の位置の検出結果を補正する。

目的

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、列車の車両に車両の認証後に位置検出システムを設けなければならない場合に、衛星の測位用電波の直接波を受信できない場所であっても位置精度の低下を抑制することが可能な列車位置検出装置及び方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

複数の衛星から受信アンテナを介して測位用電波を受信して列車の位置を検出する列車位置検出装置であって、前記列車が走行する線路鉄道設計基準を予め記憶する鉄道設計基準記憶部と、自立航法センサからの入力信号に基づいて前記列車の位置を自立航法により検出する位置検出部と、を備え、前記位置検出部は、前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たしていない場合に、前記自立航法による位置の検出結果で前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果を補正する、列車位置検出装置。

請求項2

前記位置検出部は、前記列車の位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たしていない場合、かつ、前記自立航法による位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たしている場合に前記自立航法による位置の検出結果で前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果を補正する、請求項1記載の列車位置検出装置。

請求項3

前記位置検出部は、前記列車の速度に従って対応する前記鉄道設計基準を参照する、請求項1又は請求項2記載の列車位置検出装置。

請求項4

前記位置検出部は、過去の列車の走行履歴に基づいて、列車の位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たさない場所に至ったことを検出し、当該場所において自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正する、請求項1又は請求項2記載の列車位置検出装置。

請求項5

前記自立航法センサからの入力信号は、方向信号加速度信号方位信号あるいは姿勢信号を含む、請求項1乃至請求項3のいずれか一項記載の列車位置検出装置。

請求項6

列車が走行する線路の鉄道設計基準を予め記憶する鉄道設計基準記憶部を有し、前記列車の位置を検出する列車位置検出装置で実行される方法であって、複数の衛星から受信アンテナを介して測位用電波を受信して前記列車の位置を検出する過程と、自立航法センサからの入力信号に基づいて前記列車の位置を自立航法により検出する過程と、前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果が前記鉄道設計基準を満たしていない場合に、前記自立航法による位置の検出結果で前記測位用電波による前記列車の位置の検出結果を補正する過程と、を備えた方法。

技術分野

0001

本発明の実施形態は、列車位置検出装置及び方法に関する。

背景技術

0002

GNSS(Global Navigation Satellite System)を用いて列車位置検知を行う位置検知システム鉄道車両に設置する場合、車両の認証時に装備されていなかったGNSSの受信アンテナを車両の屋根に装備することはできない。
このため、車両の認証後に位置検知システムを導入しようとする場合には、室内にアンテナを設置することになり、屋根等の障害物により衛星を十分捕捉できない虞がある。
結果として電波受信状態が悪くなり、衛星数が足りない場合や反射波の影響を受け位置精度が低下することが多かった。でも屋根がある場所が多いため衛星による位置精度が低くなることが多い。

先行技術

0003

特開2003−294825号公報

発明が解決しようとする課題

0004

このため、障害物により衛星を十分捕捉できない場所、特に駅やトンネルなどにおいては、衛星の測位用電波直接波を受信できず、十分な衛星数と電波強度を得られずに位置精度が低下することとなっていた。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、列車の車両に車両の認証後に位置検出システムを設けなければならない場合に、衛星の測位用電波の直接波を受信できない場所であっても位置精度の低下を抑制することが可能な列車位置検出装置及び方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0005

実施形態の列車位置検出装置の鉄道設計基準記憶部は、列車が走行する線路の鉄道設計基準を予め記憶する。そして、位置検出部は、複数の衛星から受信アンテナを介して測位用電波を受信して列車の位置を検出する動作と並行して自立航法センサからの入力信号に基づいて列車の位置を自立航法により検出する。
この際に位置検出部は、測位用電波による列車の位置の検出結果が鉄道設計基準を満たしていない場合に、自立航法による位置の検出結果で測位用電波による前記列車の位置の検出結果を補正する。

図面の簡単な説明

0006

図1は、実施形態の列車位置検出システム概要構成ブロック図(平面図)である。
図2は、列車位置検出装置の概要構成ブロック図である。
図3は、列車位置検出装置におけるGNSS測位用信号処理フローチャートである。
図4は、仰角範囲の設定の説明図である。
図5は、演算処理部における全体処理フローチャートである。

実施例

0007

次に図面を参照して実施形態について説明する。
[1]実施形態
図1は、実施形態の列車位置検出システムの概要構成ブロック図(平面図)である。
列車位置検出システム10は、列車11の先頭車両11F及び後尾車両11Rのそれぞれに配置され、測位用電波に対応するGNSS(Global Navigation Satellite System)測位用信号を出力するGNSS受信アンテナ12と、後述する入力信号としてのGNSS測位用信号、方向信号加速度信号方位信号及び姿勢信号に基づいて位置算出を行う列車位置検出装置16と、を備えている。
ここで、列車11は、中間車両11Mを備えている。

0008

図2は、列車位置検出装置の概要構成ブロック図である。
列車位置検出装置16には、図2に示すように、ジャイロセンサ等として構成され列車11の移動方向を検出して方向信号を出力する方向センサ13と、列車11の加速度を検出して加速度信号を出力する加速度センサ14と、地磁気センサ等として構成され列車11の方位あるいは列車11の姿勢(傾き)を検出して方位信号及び姿勢信号を出力する方位センサ15と、が接続されている。

0009

そして、列車位置検出装置16は、GNSS受信アンテナ12を介して入力されるGNSS測位用信号の高周波増幅を行う高周波増幅部21と、局部発振器22が生成した局部発振周波数と混合して中間周波数信号に変換するミキサ23と、ミキサ23の出力した中間周波数信号の増幅を行う中間周波増幅部24と、中間周波増幅部24の出力した増幅中間周波数信号のアナログディジタル変換を行うA−D変換器25と、A−D変換器25の出力データに基づいてC/Aコードの復調を行うとともに、局部発振器22の制御を行うコード相関部26と、を備えている。

0010

さらに列車位置検出装置16は、コード相関部26が復調したC/Aコードから航法メッセージデータを復調し、衛星の軌道演算及び衛星の位置を演算してGNSS受信アンテナ12の位置、すなわち、列車11の先頭車両11Fの位置、速度及び時刻あるいは後尾車両11Rの位置、速度及び時刻を求めるとともに、入力された方向データ、加速度データ方位データ及び姿勢データに基づいて、列車11の先頭車両11Fの位置、速度、方位及び車両の傾斜あるいは後尾車両11Rの位置、速度、方位及び車両の傾斜を求め、通信ラインを介して、列車制御装置通知する演算処理部27と、予め鉄道の線路設計基準をデータベースとして格納した鉄道設計基準データベース(DB)28と、を備えている。

0011

まず、列車位置検出装置16における列車11の位置検出に用いる測位用電波を送信している衛星の選択方法について説明する。
この場合において、列車位置検出システム10は、列車11を構成している先頭車両11F及び後尾車両11Rに対して後から追加して設置されることを前提としており、GNSS受信アンテナ12は、例えば、先頭車両11F及び後尾車両11Rのそれぞれに設けられた運転台周辺(例えば、フロントウィンドウの近傍)に設置される。

0012

ここで、図1に示すように、列車進行方向に沿って進む列車11において、先頭車両11Fの運転台周辺に設置したGNSS受信アンテナ12に対して、進行方向前方図1中、破線三角形で示す)からの測位用電波は、直接波として受信されるが、先頭車両11Fの進行方向前方以外の周囲(特に車両の左右方向)からは、反射波の衛星信号が多く入ることとなる。

0013

特に列車の場合には急に曲がるような曲率を有するカーブは存在しないため、線路の前方には、障害物が少ない。
これに対して線路上を走る列車では左右の幅は比較的狭くても問題がないため、周囲に位置する建物や壁からの反射での測位用電波が入射する可能性は高い。

0014

そこで、本実施形態においては、直接波を受信可能な衛星のみを選択し、位置検出を行うようにしている。

0015

図3は、列車位置検出装置におけるGNSS測位用信号の処理フローチャートである。
まず、列車位置検出装置16は、GNSS受信アンテナ12を介して衛星から測位用電波を受信する(ステップS11)。

0016

列車位置検出装置16の演算処理部27は、衛星毎に測位用電波の電波強度を判定し、位置計算に用いるのに十分か否かを判別するための所定の電波強度閾値以上であるか否かを判別する(ステップS12)。

0017

ステップS12の判別において、所定の電波強度閾値未満である場合には(ステップS12;No)、当該衛星の測位用電波は、位置測定に適していないため除外する(ステップS13)。

0018

ステップS12の判別において、所定の電波強度閾値以上である場合には(ステップS12;Yes)、測位用電波に含まれるアルマナックデータから当該衛星の現在位置におけるおおよその仰角を算出する(ステップS14)。
次にGNSS位置演算装置13の演算処理部27は、算出した仰角が位置演算対象となり得る所定の仰角範囲内に含まれているか否かを判別する(ステップS15)。

0019

図4は、仰角範囲の設定の説明図である。
車両の運転室内に設置されたGNSS受信アンテナ12に対し、図4に示すように、仰角が小さすぎる(水平線に近すぎる)と位置精度が低下する可能性が高いため、最小仰角θ1を設定するとともに、フロントウィンドウ(運転台前方の窓ガラス)FWの開口に合わせた最大仰角θ2を設定している。したがって、この最小仰角θ1〜最大仰角θ2の間の仰角を有する衛星の測位用電波を位置演算対象としている。

0020

ステップS15の判別において、算出した仰角が位置演算対象となり得る所定の仰角範囲外である場合には(ステップS15;No)、当該衛星の測位用電波は、位置測定に適していないため除外し(ステップS13)、処理をステップS17に移行する。

0021

ステップS15の判別において、算出した仰角が位置演算対象となり得る所定の仰角範囲内に含まれている場合には(ステップS15;Yes)、当該衛星の測位用電波は、位置測定に適していると考えられるので、当該衛星を測位用データ(例えば、電波強度)と組みにして位置算出対象衛星リストに追加する(ステップS16)。
次に受信した全ての衛星の測位用電波に対応するGNSS測位用信号について処理が完了したか否かを判別する(ステップS17)。

0022

ステップS17の判別において、未だ受信した全ての衛星の測位用電波に対応するGNSS測位用信号について処理が完了していない場合には(ステップS17;No)、処理をステップS12に移行して、以下同様の処理を行う。

0023

ステップS17の判別において、受信した全ての衛星に対応するGNSS測位用信号について処理が完了した場合には(ステップS17;Yes)、位置算出対象衛星のリストに追加されている衛星の測位用電波に対応するGNSS測位用信号を用いて、列車の現在位置を算出する(ステップS18)。

0024

具体的には、先頭車両11Fの運転室に設けられた列車位置検出装置16は、GNSS測位用信号を用いて先頭車両11Fの現在位置を算出し、後尾車両11Rの運転室に設けられた列車位置検出装置16は、GNSS測位用信号を用いて後尾車両11Rの現在位置を算出することとなる。

0025

GNSS測位用電波は、上述したように周囲環境により安定して受信できるとは限らない。
ところで、鉄道においては、車輪間の幅(軌間)及び列車の走行速度に基づいて線路の設置の設計基準が定まっている。

0026

具体的には、最小曲線半径(設計最高速度及び本線路分岐器付帯曲線あるいは駅ホームに沿った曲線のいずれであるかに基づく)、緩和曲線スラックカント勾配等の鉄道設計基準が定まっている。
ここで、鉄道設計基準は、車両11(列車)の走行速度により異なるので、検出した車両11の走行速度に従って参照する鉄道設計基準は異なる。

0027

そこで、本実施形態においては、GNSS測位用信号を用いて得られた車両11の移動軌跡が、鉄道の設計基準に則って得られる情報に対して逸脱しているか否か、すなわち、鉄道の設計基準からあり得る移動軌跡か否かを判別し、GNSS測位用信号により得られる自車両の移動軌跡が鉄道の設計基準に対して想定されない移動軌跡である場合には、位置演算精度が低下しているものとして、自立航法に基づく自車両位置でGNSS測位用信号により得られる自車両位置を補正するようにしている。

0028

図5は、演算処理部における全体処理フローチャートである。
以下、図5を参照して実施形態の動作を説明する。
まず演算処理部27は、GNSS受信アンテナ12を介して入力されたGNSS測位用信号を用いて図3に示したGNSS測位用信号の処理フローチャートにしたがって位置計測を行い列車の現在位置を算出する(ステップS21)。
そして、順次算出した現在位置を移動軌跡データとして記憶する。

0029

続いて演算処理部27は、GNSS測位用信号により得られた移動軌跡データに基づいて車両11の移動軌跡の直線性及び回転半径を検出する(ステップS22)。
続いて、演算処理部27は、GNSS測位用信号により得られた移動軌跡データについて鉄道設計基準データベース28を参照する(ステップS23)。

0030

上記ステップS21〜ステップS23の処理と並行して、演算処理部27は、入力された方向データ、加速度データ、方位データ及び姿勢データに基づいて、自立航法方式により車両11の位置、速度、移動方向及び姿勢計測を行う(ステップS24)。

0031

続いて、演算処理部27は、入力された方向データ、加速度データ、方位データ及び姿勢データに基づいて移動軌跡データを算出し、算出した移動軌跡データについて鉄道設計基準データベース28を参照する(ステップS25)。

0032

これにより、演算処理部27は、ステップS23の参照結果に基づいてGNSS測位用信号により得られた移動軌跡データについて鉄道設計基準内であるか、すなわち、鉄道設計基準を満たしているか否かを判別する(ステップS26)。
具体的には、曲線半径が車両11の速度に応じた最小曲線半径を満たしているか、緩和曲線に対応するとされる線路が所定の鉄道設計基準を満たしているか等を判別する。

0033

ステップS26の判別において、GNSS測位用信号により得られた移動軌跡データについて鉄道設計基準内である場合には(ステップS26;Yes)、GNSS測位用信号により得られた位置計測結果をそのまま採用する(ステップS30)。
そして、処理を再びステップS21、ステップS24に移行して、以下同様に位置計測処理を行う。

0034

ステップS26の判別において、GNSS測位用信号により得られた移動軌跡データについて鉄道設計基準外である場合、すなわち、鉄道設計基準を満たしていない場合には(ステップS26;No)、ステップS24の処理において求めた自立航法方式による位置、速度、移動方向及び姿勢についての計測結果としての移動軌跡データについて鉄道設計基準内であるか、すなわち、鉄道設計基準を満たしているか否かを判別する(ステップS27)。

0035

具体的には、曲線半径が車両11の速度に応じた最小曲線半径を満たしているか、緩和曲線に対応するとされる線路が所定の鉄道設計基準を満たしているか、曲線に応じて対応するカントが設けられているか、所定の鉄道設計基準を満たす勾配が検出されているか等を判別する。

0036

ステップS27の判別において、ステップS24の処理において求めた自立航法方式による位置、速度、移動方向及び姿勢についての計測結果としての移動軌跡データについて鉄道設計基準外である、すなわち、鉄道設計基準を満たしていない場合には(ステップS27;No)、自立航法方式による位置計測結果よりもGNSSによる位置計測結果の方が信頼性が高いと考えられるので、GNSS測位用信号により得られた位置計測結果をそのまま採用する(ステップS30)。

0037

そして、処理を再びステップS21、ステップS24に移行して、以下同様に位置計測処理を行う。

0038

一方、ステップS27の判別において、ステップS24の処理において求めた自立航法方式による位置、速度、移動方向及び姿勢についての計測結果としての移動軌跡データについて鉄道設計基準内である、すなわち、鉄道設計基準を満たしている場合には(ステップS27;Yes)、GNSSによる位置計測結果を自立航法方式による位置計測結果で補正し(ステップS28)、補正した結果を、GNSSによる位置計測結果として採用する(ステップS29)。

0039

具体的な補正方法としては、GNSSによる位置計測結果が鉄道設計基準を満たしていない区間のGNSSによる位置計測結果を自立航法方式による位置計測結果で置換して位置計測結果として採用したり、両位置計測結果を単純平均した結果を位置計測結果として採用したり、それぞれの位置計測結果に鉄道設計基準との差の大きさに基づいて重み付けをして加重平均した結果を位置計測結果として採用したりすることが可能である。

0040

以上の説明のように、本実施形態によれば、所定の鉄道設計基準を満たしていないGNSSによる位置計測結果が得られた場合には、自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正するので、位置計測結果の精度向上が図れ、より正確に列車位置を特定することができる。

0041

[2]実施形態の変形例
上記実施形態においては、GNSSによる位置計測結果が所定の鉄道設計基準を満たさなかった場合にその都度、自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正する構成としていたが、線路は所定の位置に設置されているため、基本的に毎回同様の場所でGNSSによる位置計測結果が所定の鉄道設計基準を満たさなくなる可能性が高い。

0042

そこで、過去の補正履歴から自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正した場所を列車が運行する場合には、過去の列車の走行履歴に基づいて、当該場所に至ったことを検出し、当該場所において自立航法方式による位置計測結果により位置計測結果を補正する構成とすることも可能である。

0043

上記実施形態においては、軌間については考慮していなかったが、軌間が変更される区間を同一の車両が走行する場合、軌間によって鉄道設計基準が異なることとなる。
そこで、鉄道設計基準データベース28に予め複数の軌間に対応する鉄道設計基準を記憶しておき、GNSSによる位置計測結果あるいはGNSSによる位置計測結果を自立航法方式による位置計測結果で補正した結果により軌間が変更される区間に車両11が移動したことを検出した場合には、参照する鉄道設計基準を変更し、対応する軌間の鉄道設計基準にしたがって同様に処理を行うように構成することが可能である。

0044

このように構成することにより、運行区間の途中で軌間が異なる場合であっても、GNSSによる位置計測結果を自立航法方式による位置計測結果で正しく補正し、位置計測結果の精度向上が図れ、より正確に列車位置を特定することができる。

0045

列車位置検出システム10(の列車位置検出装置16)は、MPUなどの制御装置と、ROM(Read Only Memory)やRAMなどの記憶装置等を備えた通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。

0046

本実施形態の列車位置検出装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルCD−ROMフレキシブルディスクFD)、CD−R、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供されるようにしてもよい。

0047

また、本実施形態の列車位置検出装置で実行されるプログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の列車位置検出装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。

0048

また、本実施形態の列車位置検出装置のプログラムを、ROM等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

0049

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

0050

10列車位置検出システム
11列車
12 GNSS受信アンテナ
13方向センサ(自立航法センサ)
14加速度センサ
15方位センサ
16列車位置検出装置
21高周波増幅部
22局部発振器
23ミキサ
24中間周波増幅部
25 A−D変換器
26コード相関部
27演算処理部
28鉄道設計基準データベース
FW フロントウィンドウ

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