鉄道航法システム
【課題】鉄道航法システムにおいて、高度情報データベース等を利用することなく取得した３次元情報を鉄道車両の運行管理に効果的に活用すること。
【解決手段】鉄道車両に搭載され、線路上を走行する鉄道車両のための鉄道航法システムであって、人工衛星からの電波を受信することにより現在位置の緯度、経度および高度を含む３次元位置情報を測位するＧＰＳ受信器２１と、ＧＰＳ受信器２１が検出した高度情報に基づき、線路４上の一の地点と、線路４上の他の地点との間の勾配値を演算する演算部２２と、演算部２２が演算した勾配値を３次元位置情報に関連づけて表示する表示部１４と、を備える。
【解決手段】鉄道車両に搭載され、線路上を走行する鉄道車両のための鉄道航法システムであって、人工衛星からの電波を受信することにより現在位置の緯度、経度および高度を含む３次元位置情報を測位するＧＰＳ受信器２１と、ＧＰＳ受信器２１が検出した高度情報に基づき、線路４上の一の地点と、線路４上の他の地点との間の勾配値を演算する演算部２２と、演算部２２が演算した勾配値を３次元位置情報に関連づけて表示する表示部１４と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道航法システムに関し、特に鉄道車両の運行管理を支援するシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の車載型あるいは携帯型のナビゲーション装置では、人工衛星からの電波を受信することにより現在位置を出力するＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）受信器が搭載されている。ＧＰＳ受信器は、複数の人工衛星からそれぞれ送信された電波が自己に到達するまでの所要時間をそれぞれ計測し、これらの所要時間に基づいて複数の人工衛星からの各距離を算出し、自己の現在位置を算出する処理を実行する。
【０００３】
また、上記のようなＧＰＳ受信器を鉄道車両に搭載し、線路網上を走行する鉄道車両のための鉄道航法システムを開示した公報が存在する（例えば、特許文献１）。この特許文献１では、方向変化率指示計および走行距離計を用いて、鉄道車両が走行している線路の曲率値を算出するとともに、算出された曲率データと、カーブおよび分岐器の位置を含む鉄道線路の位置を表す線路データベース内のデータと、の比較結果に基づいて、線路網のカーブおよび分岐器に対する鉄道車両の位置を算出するようにしている。なお、この特許文献１の鉄道航法システムでは、ＧＰＳ受信器から得られる情報は２次元情報として取り扱われており、３次元的な処理の概念はない。
【０００４】
一方、鉄道車両に関する装置等ではないものの、ＧＰＳ受信器を搭載し、緯度、経度の２次元情報に高度情報を加えた３次元情報を取り扱うようにした公報が存在する（例えば、特許文献２，３）。
【０００５】
例えば、特許文献２に開示される位置検出装置では、その演算処理部は、ＧＰＳ受信処理部が３次元測位を行っている場合には、一群のエリアの内の現在位置が属するエリアの高度マップを、３次元測位された現在位置の経度、緯度および高度を用いて更新し、ＧＰＳ受信処理部が２次元測位を行っている場合には、一群のエリアの内の現在位置が属するエリアの高度マップを用いて高度を算出する処理を行うようにしている。なお、この高度マップは、演算処理部によって予め作成され、高度情報格納部に格納されている。すなわち、特許文献２による位置検出装置では、測位対象の全領域における高度情報が必要となる。
【０００６】
また、特許文献３に開示される測位装置等では、移動端末からＧＰＳサーバへの接続が確立すると、移動端末が接続したアクセスポイントの情報をＧＰＳサーバに伝達し、ＧＰＳサーバは、移動端末によって伝達され、移動端末が接続したアクセスポイントの情報に基づき、データベースに保持されている高度テーブルを検索することにより、現在の移動端末の位置に対応した高度情報を取得して移動端末に送信する処理が行われる。すなわち、特許文献３による測位装置等でも、移動端末の位置に対応する高度情報の算出には、測位対象の全領域における高度情報が必要となる。
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−２４０４７０号公報
【特許文献２】特開２００７−００３１９５号公報
【特許文献３】特開２００６−１１９００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記特許文献２の位置検出装置および上記特許文献３の測位装置は、車載型あるいは携帯型の装置としての利用態様が想定される。このため、これらの装置の利用者の行動範囲は、道路や道路近傍に位置する建物等に限定されることが多くなる。特に、道路は、不特定多数の者によって利用されるインフラ手段であり、公共性が極めて高いので、道路情報に関する既設の電子データも構築されている。したがって、これらの装置においては、高度情報データベースの構築を容易かつ低コストで行うことができ、高度情報データベースの利用を躊躇させるような要因は殆どないといってもよい。
【０００９】
一方、鉄道車両に搭載されるシステムでは、その行動範囲が鉄道線路に限定されるとともに、線路の敷設箇所が平地のみならず山岳地帯等を含んでいる。また、線路は、線路を利用する鉄道会社のみが利用するものである。このため、敷設線路の高度情報をデータベース化するには、多くの時間および多くのコストが必要となる。
【００１０】
他方、鉄道車両において、３次元情報を活用した航法システムを整備することは、経済性および定時到達性を追求した運行管理を行う観点において、看過することはできない。例えば、特急列車などの長距離列車であれば、敷設線路の勾配情報を利用することで、より経済的な運行管理を支援することが期待される。また、貨物列車などの長距離列車であれば、敷設線路の勾配情報を利用することで、経済性と定時到達性とを両立させるような運行管理を支援することが期待される。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高度情報データベース等を利用することなく取得した３次元情報を鉄道車両の運行管理に効果的に活用することができる鉄道航法システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる鉄道航法システムは、鉄道車両に搭載され、線路上を走行する鉄道車両のための鉄道航法システムであって、人工衛星からの電波を受信することにより現在位置の緯度、経度および高度を含む３次元位置情報を測位するＧＰＳ受信器と、前記ＧＰＳ受信器が検出した高度情報に基づき、線路上の一の地点と、該線路上の他の地点との間の勾配値を演算する演算部と、前記演算部が演算した勾配値を前記３次元位置情報に関連づけて表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる鉄道航法システムによれば、人工衛星からの電波を受信することにより現在位置の緯度、経度および高度を含む３次元位置情報を測位するとともに、検出された３次元位置情報のうちの高度情報に基づいて演算された、線路上の一の地点と他の地点との間の勾配値を３次元位置情報に関連づけて表示するようにしているので、高度情報が格納されたデータベース等を利用することなく取得した３次元情報を鉄道車両の運行管理に効果的に活用することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の好適な実施の形態にかかる鉄道航法システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態１．
（システムの構成）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。同図において、実施の形態１にかかる鉄道航法システムは、鉄道車両１の先頭車両（または後部車両）２に搭載される構成部として、ＧＰＳアンテナ２０、ＧＰＳ受信器２１、演算部２２、記憶部２３、データ処理装置１２、制御コンソール１８、送信器１１、表示器１４および送信アンテナ１０を備えるとともに、線路４近傍の所定位置に設置される受信アンテナ９および受信器８、ならびに伝送路７を通じて受信器８と接続され、地上中央局や駅舎等に設置される運行管理装置６を備えている。
【００１６】
（各構成部の機能）
ＧＰＳアンテナ２０は、複数の衛星（好ましくは４個以上）から送信された電波（ＧＰＳ信号）を受信する。ＧＰＳ受信器２１は、ＧＰＳアンテナ２０を介して受信したＧＰＳ信号から鉄道車両の現在位置（緯度、経度、標高）および当該現在位置における時刻の情報を演算して演算部２２に伝送する。演算部２２は、ＧＰＳ受信器２１から伝達された位置（緯度、経度、標高）の情報に基づいて線路勾配を演算する。演算した線路勾配の情報は、位置および時刻情報と共に記憶部２３およびデータ処理装置１２に出力される。記憶部２３は、伝達された線路勾配の情報、時刻および位置の情報に関連づけて蓄積する。運転台５に設置された制御コンソール１８は、所要情報の入力部およびデータ処理装置１２、表示器１４などの制御部である。データ処理装置１２は、伝達された位置、線路勾配、時刻等の情報を表示器１４に伝送する。また、データ処理装置１２は、必要に応じ、送信器１１、送信アンテナ１０、受信アンテナ９、受信器８を通じて運行管理装置６に所要情報を伝送する。
【００１７】
なお、図１において、データ処理装置１２、制御コンソール１８、送信器１１、表示器１４、送信アンテナ１０、受信アンテナ９、受信器８および運行管理装置６は、列車の運行管理に必要な既設のシステムである。すなわち、本実施の形態の鉄道航法システムは、既設のシステムの機能を利用する実施態様を一例として示しており、既設の列車情報管理装置の処理部であるデータ処理装置１２にデータを伝送し、既設の列車情報管理装置の表示部である表示器１４の機能を利用して所要情報を鉄道車両の運転手、車掌等に通知している。
【００１８】
（システムの動作）
つぎに、実施の形態１にかかる鉄道航法システムの動作について図１〜図３を参照して説明する。なお、図２は、実施の形態１にかかる鉄道航法システムの動作を説明するためのフローチャートであり、図３は、図２に示した勾配検出処理の細部フローを示すフローチャートである。
【００１９】
図２において、まず、ＧＰＳ受信器２１の電源をオンすることによって、ＧＰＳ受信器２１はイニシャライズされる（ステップＳ１１）。つぎに、制御コンソール１８を通じて入力した目的地の情報（要すれば経由地の情報）が設定される（ステップＳ１２）。ＧＰＳ受信器２１は、鉄道車両の現在位置を検出し（ステップＳ１３）、演算部２２は、後述するサブフローである勾配値演算処理を実行する（ステップＳ１４）。ＧＰＳ受信器２１によって検出された位置情報および演算部２２によって演算された勾配情報はデータ処理装置１２に伝送され、表示器１４を用いて表示されるとともに、記憶部２３に記憶される（ステップＳ１５）。なお、表示器１４に対する表示制御、および記憶部２３に対する伝送制御は、制御コンソール１８を通じて行うことができる。
【００２０】
また、図３において、時刻ｔ1ときの位置を始点Ｐ（東経α1°,北緯β1°,標高ｈ1[ｍ]）とし、時刻ｔ2ときの位置を終点Ｒ（東経α2°,北緯β2°,標高ｈ2[ｍ]）とするとき、演算部２２に対し、これらの始点情報および終点情報が入力される（ステップＳ１０１）。つぎに、演算部２２は、始点Ｐと終点Ｒとの間の水平距離Ｌを算出するとともに（ステップＳ１０２）、次式に基づいて線路４の勾配値θを演算する（ステップＳ１０３）。
【００２１】
θ＝ｔａｎ-1［(ｈ2−ｈ1)／Ｌ] …（１）
【００２２】
なお、終点Ｒを算出するときの時刻ｔ2と、始点Ｐを算出するときの時刻ｔ1との時間間隔ΔＴ（＝ｔ2−ｔ1）は、線路勾配を演算する際の処理間隔であり、任意に設定することができる。
【００２３】
（システム利用の効果）
つぎに、実施の形態１にかかる鉄道航法システムを利用することによる効果について説明する。
【００２４】
まず、実施の形態１にかかる鉄道航法システムによれば、線路４の勾配情報を表示することができるので、運転手および車掌等に与える情報の質および量を従来よりも増加させることができる。即ち、２次元の位置情報に加えて、勾配情報を含めた３次元情報が得られるため、例えば勾配情報を考慮した、より経済的な列車の走行や、線路勾配を考慮した列車速度の設定による定時到達性の向上を図ることができる。
【００２５】
また、実施の形態１にかかる鉄道航法システムによれば、必要に応じ、送信器１１、送信アンテナ１０、受信アンテナ９、受信器８を通じて運行管理装置６に所要情報を伝送するようにしているので、例えば中央監視局等の地上局において、詳細な列車情報を得ることができ、中央監視局等の監視能力を向上させることができる。特に、位置情報等のデータ伝送を定期的に行うような運用により、例えば列車事故が起こった場合などにおいて、事故の状況を迅速かつ的確に把握することが可能となる。
【００２６】
また、実施の形態１にかかる鉄道航法システムにおいて、地図データベースの情報（２次元情報）をデータ処理装置１２に保持することにより、例えば表示器１４に走行位置情報や遅延時間等の運行情報を視覚的に表示することができ、また、取得した線路勾配の情報に基づいて、減速、加速等の警告、注意喚起等を行うことができるので、経済性と定時到達性とを両立させた運行管理を支援することができ、運転手および車掌にかかる負荷を軽減することができる。
【００２７】
なお、主要駅の絶対位置情報をデータ処理装置１２に保持するようにすれば、主要駅に到着する都度、現在位置情報の補正を行うことができるので、位置情報および勾配情報の誤差の累積的増加を減少させることが可能となる。
【００２８】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。同図の鉄道航法システムでは、図１に示した鉄道航法システムの構成において、鉄道車両の進行方位を検出するための方位センサ１５をさらに備えるように構成されている。方位センサ１５は、先頭車両２の進行方位を検出することができる方位センサであり、例えばジャイロコンパス、振動ジャイロ、光ファイバジャイロ、磁気コンパス等によって実現することができる。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１の構成と同一または同等であり、これらの共通の構成部には、同一の符号を付して示すとともに、その説明を省略する。
【００２９】
図５は、実施の形態２の鉄道航法システムにおける勾配検出処理の細部フローを示すフローチャートであり、図３に示した処理フローと同一または同等の部分には、同一符号を付して示している。
【００３０】
図５において、時刻ｔ1ときの位置を始点Ｐ（東経α1°,北緯β1°,標高ｈ1[ｍ]）とし、時刻ｔ2ときの位置を終点Ｒ（東経α2°,北緯β2°,標高ｈ2[ｍ]）とするとき、演算部２２に対し、これらの始点情報および終点情報が入力される（ステップＳ１０１）。データ処理装置１２は、方位センサ１５が検出した進行方位の情報に基づき、始点Ｐにおける進行方位φ1および終点Ｒにおける進行方位φ2を検出し、検出したこれらの方位情報を演算部２２に通知する（ステップＳ２０１）。なお、図４の構成において、方位センサ１５の出力を演算部２２に入力し、ステップＳ２０１の処理を演算部２２が行うようにしてもよい。つぎに、演算部２２は、演算上の仮想的な地点（図５の例では、演算上の中間点）である地点Ｑを設定し、始点Ｐと地点Ｑとの間の距離ＰＱと地点Ｑと終点Ｒとの間の距離ＱＲとを演算するとともに（ステップＳ２０２）、始点Ｐと終点Ｒとの間の水平距離Ｌを次式に基づいて算出する（ステップＳ２０３）。
【００３１】
Ｌ＝√[ＰＱ2＋ＱＲ2＋２・ＰＱ・ＱＲ・ｃｏｓ(φ2−φ1)] …（２）
【００３２】
さらに、演算部２２は、上記（２）式にて算出された水平距離Ｌの情報に基づき、線路４の勾配値θを上記（１）式を用いて演算する（ステップＳ１０３）。
θ＝ｔａｎ-1［(ｈ2−ｈ1)／Ｌ] …（１） （再掲）
【００３３】
なお、終点Ｒを算出するときの時刻ｔ2と、始点Ｐを算出するときの時刻ｔ1との時間間隔ΔＴ（＝ｔ2−ｔ1）は、線路勾配を演算する際の処理間隔であり、任意に設定することができる。
【００３４】
（システム利用の効果）
実施の形態２にかかる鉄道航法システムによれば、実施の形態１と同様の効果が得られる他、以下に示す固有の効果が得られる。
【００３５】
まず、実施の形態２にかかる鉄道航法システムによれば、始点Ｐと終点Ｒとの間の水平距離Ｌを、演算上の仮想的な地点である地点Ｑを設定して算出しているので、始点Ｐと終点Ｒとの間で進行方位が大きく変化するような演算区間における演算誤差の抑制が可能となる。
【００３６】
また、実施の形態２にかかる鉄道航法システムによれば、進行方位の情報や進行方位の変化率の情報を保持することにより、取得した線路勾配およびカーブの情報に基づいて、減速、加速等の警告、注意喚起等を行うことができるので、運転手および車掌にかかる負荷をより効果的に軽減することが可能となる。
【００３７】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。同図の鉄道航法システムは、図１に示した実施の形態１にかる鉄道航法システムを、Ｄ−ＧＰＳ（差動−ＧＰＳ）として構成したものである。図６において、後述するＤ−ＧＰＳの基準局として機能するＧＰＳ受信器を搭載した送受信器８ａが設けられるとともに、送受信器８ａが生成する補正信号を送信するための送受信アンテナ９ａ、補正信号を受信するための受信アンテナ１７が備えられ、生成された補正信号がＧＰＳ受信器２１に入力されるように構成される。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１の構成と同一または同等であり、これらの共通の構成部には、同一の符号を付して示すとともに、その説明を省略する。
【００３８】
（Ｄ−ＧＰＳの概念）
ここで、Ｄ−ＧＰＳの概念について簡単に説明する。Ｄ−ＧＰＳとは、位置が既知である基準局が発信するＦＭ放送等の電波を利用して、ＧＰＳの計測結果の誤差を修正して精度を高める技術である。基準局で、ＧＰＳによる測量を行い、実際の位置とＧＰＳで算出された位置のずれをＦＭ放送等などの地上波で送信することにより、ＧＰＳ衛星からの信号により計測した結果を補正する。通常のＧＰＳでは、１００ｍ程度の位置誤差が生じるが、Ｄ−ＧＰＳによっておおむね５ｍ程度（水平方向）に誤差が軽減される。ただし、１００ｍの位置誤差は、米国防総省が提供していたＧＰＳに安全保障を理由として故意にノイズが混入されていたために発生したものであり、ノイズ混入が行われなくなった現在では、Ｄ−ＧＰＳを採用しなくても誤差は１０ｍ程度までに収まると言われている。逆に、ノイズ混入が行われなくなった現在において、Ｄ−ＧＰＳを利用することにより、水平方向の測位誤差である位置誤差は、±１ｍの精度までに減少させることができるとの内容が、下記特許文献４に示されている。
【００３９】
【特許文献４】特表２００２−５０９６０３号公報
【００４０】
（ＧＰＳの垂直方向における測位誤差）
ところで、ＧＰＳの場合、垂直方向の測位誤差を表す標高誤差は、水平方向の測位誤差を表す位置誤差に比べて、非常に大きいと言われている。しかしながら、下記非特許文献１には、ＧＰＳの高度測定誤差は、水平方向の測位誤差の約１．５倍と規定されており、ＧＰＳにおける垂直方向の測位誤差を改善することは可能である。
【００４１】
【非特許文献１】Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｐｅｒｆｏｍａｎｃｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ，Ｏｃｔ，２００１．
【００４２】
（システム利用の効果）
実施の形態３にかかる鉄道航法システムによれば、Ｄ−ＧＰＳ方式の処理が可能なシステムとして構成しているので、実施の形態１と同様の効果が得られる他、経済性と定時到達性とを両立させた運行管理を効果的に支援することが可能となる。
【００４３】
なお、実施の形態３にかかる鉄道航法システムは、図１に示す実施の形態１にかる鉄道航法システムをＤ−ＧＰＳとして構成する一例を示したが、図４に示す実施の形態２にかる鉄道航法システムに対しても適用することができ、さらに実施の形態２にかかる効果をも得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明にかかる鉄道航法システムは、高度情報データベース等を利用することなく取得した３次元情報を鉄道車両の運行管理に効果的に活用することができる発明として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかる鉄道航法システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２に示した勾配検出処理の細部フローを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。
【図５】実施の形態２の鉄道航法システムにおける勾配検出処理の細部フローを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態３にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 鉄道車両
２ 先頭車両
４ 線路
５ 運転台
６ 運行管理装置
７ 伝送路
８ 受信器
８ａ 送受信器
９，１７ 受信アンテナ
９ａ 送受信アンテナ
１０ 送信アンテナ
１１ 送信器
１２ データ処理装置
１４ 表示器
１５ 方位センサ
１８ 制御コンソール
２０ ＧＰＳアンテナ
２１ ＧＰＳ受信器
２２ 演算部
２３ 記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄道航法システムに関し、特に鉄道車両の運行管理を支援するシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の車載型あるいは携帯型のナビゲーション装置では、人工衛星からの電波を受信することにより現在位置を出力するＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）受信器が搭載されている。ＧＰＳ受信器は、複数の人工衛星からそれぞれ送信された電波が自己に到達するまでの所要時間をそれぞれ計測し、これらの所要時間に基づいて複数の人工衛星からの各距離を算出し、自己の現在位置を算出する処理を実行する。
【０００３】
また、上記のようなＧＰＳ受信器を鉄道車両に搭載し、線路網上を走行する鉄道車両のための鉄道航法システムを開示した公報が存在する（例えば、特許文献１）。この特許文献１では、方向変化率指示計および走行距離計を用いて、鉄道車両が走行している線路の曲率値を算出するとともに、算出された曲率データと、カーブおよび分岐器の位置を含む鉄道線路の位置を表す線路データベース内のデータと、の比較結果に基づいて、線路網のカーブおよび分岐器に対する鉄道車両の位置を算出するようにしている。なお、この特許文献１の鉄道航法システムでは、ＧＰＳ受信器から得られる情報は２次元情報として取り扱われており、３次元的な処理の概念はない。
【０００４】
一方、鉄道車両に関する装置等ではないものの、ＧＰＳ受信器を搭載し、緯度、経度の２次元情報に高度情報を加えた３次元情報を取り扱うようにした公報が存在する（例えば、特許文献２，３）。
【０００５】
例えば、特許文献２に開示される位置検出装置では、その演算処理部は、ＧＰＳ受信処理部が３次元測位を行っている場合には、一群のエリアの内の現在位置が属するエリアの高度マップを、３次元測位された現在位置の経度、緯度および高度を用いて更新し、ＧＰＳ受信処理部が２次元測位を行っている場合には、一群のエリアの内の現在位置が属するエリアの高度マップを用いて高度を算出する処理を行うようにしている。なお、この高度マップは、演算処理部によって予め作成され、高度情報格納部に格納されている。すなわち、特許文献２による位置検出装置では、測位対象の全領域における高度情報が必要となる。
【０００６】
また、特許文献３に開示される測位装置等では、移動端末からＧＰＳサーバへの接続が確立すると、移動端末が接続したアクセスポイントの情報をＧＰＳサーバに伝達し、ＧＰＳサーバは、移動端末によって伝達され、移動端末が接続したアクセスポイントの情報に基づき、データベースに保持されている高度テーブルを検索することにより、現在の移動端末の位置に対応した高度情報を取得して移動端末に送信する処理が行われる。すなわち、特許文献３による測位装置等でも、移動端末の位置に対応する高度情報の算出には、測位対象の全領域における高度情報が必要となる。
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−２４０４７０号公報
【特許文献２】特開２００７−００３１９５号公報
【特許文献３】特開２００６−１１９００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記特許文献２の位置検出装置および上記特許文献３の測位装置は、車載型あるいは携帯型の装置としての利用態様が想定される。このため、これらの装置の利用者の行動範囲は、道路や道路近傍に位置する建物等に限定されることが多くなる。特に、道路は、不特定多数の者によって利用されるインフラ手段であり、公共性が極めて高いので、道路情報に関する既設の電子データも構築されている。したがって、これらの装置においては、高度情報データベースの構築を容易かつ低コストで行うことができ、高度情報データベースの利用を躊躇させるような要因は殆どないといってもよい。
【０００９】
一方、鉄道車両に搭載されるシステムでは、その行動範囲が鉄道線路に限定されるとともに、線路の敷設箇所が平地のみならず山岳地帯等を含んでいる。また、線路は、線路を利用する鉄道会社のみが利用するものである。このため、敷設線路の高度情報をデータベース化するには、多くの時間および多くのコストが必要となる。
【００１０】
他方、鉄道車両において、３次元情報を活用した航法システムを整備することは、経済性および定時到達性を追求した運行管理を行う観点において、看過することはできない。例えば、特急列車などの長距離列車であれば、敷設線路の勾配情報を利用することで、より経済的な運行管理を支援することが期待される。また、貨物列車などの長距離列車であれば、敷設線路の勾配情報を利用することで、経済性と定時到達性とを両立させるような運行管理を支援することが期待される。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高度情報データベース等を利用することなく取得した３次元情報を鉄道車両の運行管理に効果的に活用することができる鉄道航法システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる鉄道航法システムは、鉄道車両に搭載され、線路上を走行する鉄道車両のための鉄道航法システムであって、人工衛星からの電波を受信することにより現在位置の緯度、経度および高度を含む３次元位置情報を測位するＧＰＳ受信器と、前記ＧＰＳ受信器が検出した高度情報に基づき、線路上の一の地点と、該線路上の他の地点との間の勾配値を演算する演算部と、前記演算部が演算した勾配値を前記３次元位置情報に関連づけて表示する表示部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる鉄道航法システムによれば、人工衛星からの電波を受信することにより現在位置の緯度、経度および高度を含む３次元位置情報を測位するとともに、検出された３次元位置情報のうちの高度情報に基づいて演算された、線路上の一の地点と他の地点との間の勾配値を３次元位置情報に関連づけて表示するようにしているので、高度情報が格納されたデータベース等を利用することなく取得した３次元情報を鉄道車両の運行管理に効果的に活用することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の好適な実施の形態にかかる鉄道航法システムを図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１５】
実施の形態１．
（システムの構成）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。同図において、実施の形態１にかかる鉄道航法システムは、鉄道車両１の先頭車両（または後部車両）２に搭載される構成部として、ＧＰＳアンテナ２０、ＧＰＳ受信器２１、演算部２２、記憶部２３、データ処理装置１２、制御コンソール１８、送信器１１、表示器１４および送信アンテナ１０を備えるとともに、線路４近傍の所定位置に設置される受信アンテナ９および受信器８、ならびに伝送路７を通じて受信器８と接続され、地上中央局や駅舎等に設置される運行管理装置６を備えている。
【００１６】
（各構成部の機能）
ＧＰＳアンテナ２０は、複数の衛星（好ましくは４個以上）から送信された電波（ＧＰＳ信号）を受信する。ＧＰＳ受信器２１は、ＧＰＳアンテナ２０を介して受信したＧＰＳ信号から鉄道車両の現在位置（緯度、経度、標高）および当該現在位置における時刻の情報を演算して演算部２２に伝送する。演算部２２は、ＧＰＳ受信器２１から伝達された位置（緯度、経度、標高）の情報に基づいて線路勾配を演算する。演算した線路勾配の情報は、位置および時刻情報と共に記憶部２３およびデータ処理装置１２に出力される。記憶部２３は、伝達された線路勾配の情報、時刻および位置の情報に関連づけて蓄積する。運転台５に設置された制御コンソール１８は、所要情報の入力部およびデータ処理装置１２、表示器１４などの制御部である。データ処理装置１２は、伝達された位置、線路勾配、時刻等の情報を表示器１４に伝送する。また、データ処理装置１２は、必要に応じ、送信器１１、送信アンテナ１０、受信アンテナ９、受信器８を通じて運行管理装置６に所要情報を伝送する。
【００１７】
なお、図１において、データ処理装置１２、制御コンソール１８、送信器１１、表示器１４、送信アンテナ１０、受信アンテナ９、受信器８および運行管理装置６は、列車の運行管理に必要な既設のシステムである。すなわち、本実施の形態の鉄道航法システムは、既設のシステムの機能を利用する実施態様を一例として示しており、既設の列車情報管理装置の処理部であるデータ処理装置１２にデータを伝送し、既設の列車情報管理装置の表示部である表示器１４の機能を利用して所要情報を鉄道車両の運転手、車掌等に通知している。
【００１８】
（システムの動作）
つぎに、実施の形態１にかかる鉄道航法システムの動作について図１〜図３を参照して説明する。なお、図２は、実施の形態１にかかる鉄道航法システムの動作を説明するためのフローチャートであり、図３は、図２に示した勾配検出処理の細部フローを示すフローチャートである。
【００１９】
図２において、まず、ＧＰＳ受信器２１の電源をオンすることによって、ＧＰＳ受信器２１はイニシャライズされる（ステップＳ１１）。つぎに、制御コンソール１８を通じて入力した目的地の情報（要すれば経由地の情報）が設定される（ステップＳ１２）。ＧＰＳ受信器２１は、鉄道車両の現在位置を検出し（ステップＳ１３）、演算部２２は、後述するサブフローである勾配値演算処理を実行する（ステップＳ１４）。ＧＰＳ受信器２１によって検出された位置情報および演算部２２によって演算された勾配情報はデータ処理装置１２に伝送され、表示器１４を用いて表示されるとともに、記憶部２３に記憶される（ステップＳ１５）。なお、表示器１４に対する表示制御、および記憶部２３に対する伝送制御は、制御コンソール１８を通じて行うことができる。
【００２０】
また、図３において、時刻ｔ1ときの位置を始点Ｐ（東経α1°,北緯β1°,標高ｈ1[ｍ]）とし、時刻ｔ2ときの位置を終点Ｒ（東経α2°,北緯β2°,標高ｈ2[ｍ]）とするとき、演算部２２に対し、これらの始点情報および終点情報が入力される（ステップＳ１０１）。つぎに、演算部２２は、始点Ｐと終点Ｒとの間の水平距離Ｌを算出するとともに（ステップＳ１０２）、次式に基づいて線路４の勾配値θを演算する（ステップＳ１０３）。
【００２１】
θ＝ｔａｎ-1［(ｈ2−ｈ1)／Ｌ] …（１）
【００２２】
なお、終点Ｒを算出するときの時刻ｔ2と、始点Ｐを算出するときの時刻ｔ1との時間間隔ΔＴ（＝ｔ2−ｔ1）は、線路勾配を演算する際の処理間隔であり、任意に設定することができる。
【００２３】
（システム利用の効果）
つぎに、実施の形態１にかかる鉄道航法システムを利用することによる効果について説明する。
【００２４】
まず、実施の形態１にかかる鉄道航法システムによれば、線路４の勾配情報を表示することができるので、運転手および車掌等に与える情報の質および量を従来よりも増加させることができる。即ち、２次元の位置情報に加えて、勾配情報を含めた３次元情報が得られるため、例えば勾配情報を考慮した、より経済的な列車の走行や、線路勾配を考慮した列車速度の設定による定時到達性の向上を図ることができる。
【００２５】
また、実施の形態１にかかる鉄道航法システムによれば、必要に応じ、送信器１１、送信アンテナ１０、受信アンテナ９、受信器８を通じて運行管理装置６に所要情報を伝送するようにしているので、例えば中央監視局等の地上局において、詳細な列車情報を得ることができ、中央監視局等の監視能力を向上させることができる。特に、位置情報等のデータ伝送を定期的に行うような運用により、例えば列車事故が起こった場合などにおいて、事故の状況を迅速かつ的確に把握することが可能となる。
【００２６】
また、実施の形態１にかかる鉄道航法システムにおいて、地図データベースの情報（２次元情報）をデータ処理装置１２に保持することにより、例えば表示器１４に走行位置情報や遅延時間等の運行情報を視覚的に表示することができ、また、取得した線路勾配の情報に基づいて、減速、加速等の警告、注意喚起等を行うことができるので、経済性と定時到達性とを両立させた運行管理を支援することができ、運転手および車掌にかかる負荷を軽減することができる。
【００２７】
なお、主要駅の絶対位置情報をデータ処理装置１２に保持するようにすれば、主要駅に到着する都度、現在位置情報の補正を行うことができるので、位置情報および勾配情報の誤差の累積的増加を減少させることが可能となる。
【００２８】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。同図の鉄道航法システムでは、図１に示した鉄道航法システムの構成において、鉄道車両の進行方位を検出するための方位センサ１５をさらに備えるように構成されている。方位センサ１５は、先頭車両２の進行方位を検出することができる方位センサであり、例えばジャイロコンパス、振動ジャイロ、光ファイバジャイロ、磁気コンパス等によって実現することができる。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１の構成と同一または同等であり、これらの共通の構成部には、同一の符号を付して示すとともに、その説明を省略する。
【００２９】
図５は、実施の形態２の鉄道航法システムにおける勾配検出処理の細部フローを示すフローチャートであり、図３に示した処理フローと同一または同等の部分には、同一符号を付して示している。
【００３０】
図５において、時刻ｔ1ときの位置を始点Ｐ（東経α1°,北緯β1°,標高ｈ1[ｍ]）とし、時刻ｔ2ときの位置を終点Ｒ（東経α2°,北緯β2°,標高ｈ2[ｍ]）とするとき、演算部２２に対し、これらの始点情報および終点情報が入力される（ステップＳ１０１）。データ処理装置１２は、方位センサ１５が検出した進行方位の情報に基づき、始点Ｐにおける進行方位φ1および終点Ｒにおける進行方位φ2を検出し、検出したこれらの方位情報を演算部２２に通知する（ステップＳ２０１）。なお、図４の構成において、方位センサ１５の出力を演算部２２に入力し、ステップＳ２０１の処理を演算部２２が行うようにしてもよい。つぎに、演算部２２は、演算上の仮想的な地点（図５の例では、演算上の中間点）である地点Ｑを設定し、始点Ｐと地点Ｑとの間の距離ＰＱと地点Ｑと終点Ｒとの間の距離ＱＲとを演算するとともに（ステップＳ２０２）、始点Ｐと終点Ｒとの間の水平距離Ｌを次式に基づいて算出する（ステップＳ２０３）。
【００３１】
Ｌ＝√[ＰＱ2＋ＱＲ2＋２・ＰＱ・ＱＲ・ｃｏｓ(φ2−φ1)] …（２）
【００３２】
さらに、演算部２２は、上記（２）式にて算出された水平距離Ｌの情報に基づき、線路４の勾配値θを上記（１）式を用いて演算する（ステップＳ１０３）。
θ＝ｔａｎ-1［(ｈ2−ｈ1)／Ｌ] …（１） （再掲）
【００３３】
なお、終点Ｒを算出するときの時刻ｔ2と、始点Ｐを算出するときの時刻ｔ1との時間間隔ΔＴ（＝ｔ2−ｔ1）は、線路勾配を演算する際の処理間隔であり、任意に設定することができる。
【００３４】
（システム利用の効果）
実施の形態２にかかる鉄道航法システムによれば、実施の形態１と同様の効果が得られる他、以下に示す固有の効果が得られる。
【００３５】
まず、実施の形態２にかかる鉄道航法システムによれば、始点Ｐと終点Ｒとの間の水平距離Ｌを、演算上の仮想的な地点である地点Ｑを設定して算出しているので、始点Ｐと終点Ｒとの間で進行方位が大きく変化するような演算区間における演算誤差の抑制が可能となる。
【００３６】
また、実施の形態２にかかる鉄道航法システムによれば、進行方位の情報や進行方位の変化率の情報を保持することにより、取得した線路勾配およびカーブの情報に基づいて、減速、加速等の警告、注意喚起等を行うことができるので、運転手および車掌にかかる負荷をより効果的に軽減することが可能となる。
【００３７】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。同図の鉄道航法システムは、図１に示した実施の形態１にかる鉄道航法システムを、Ｄ−ＧＰＳ（差動−ＧＰＳ）として構成したものである。図６において、後述するＤ−ＧＰＳの基準局として機能するＧＰＳ受信器を搭載した送受信器８ａが設けられるとともに、送受信器８ａが生成する補正信号を送信するための送受信アンテナ９ａ、補正信号を受信するための受信アンテナ１７が備えられ、生成された補正信号がＧＰＳ受信器２１に入力されるように構成される。なお、その他の構成については、図１に示した実施の形態１の構成と同一または同等であり、これらの共通の構成部には、同一の符号を付して示すとともに、その説明を省略する。
【００３８】
（Ｄ−ＧＰＳの概念）
ここで、Ｄ−ＧＰＳの概念について簡単に説明する。Ｄ−ＧＰＳとは、位置が既知である基準局が発信するＦＭ放送等の電波を利用して、ＧＰＳの計測結果の誤差を修正して精度を高める技術である。基準局で、ＧＰＳによる測量を行い、実際の位置とＧＰＳで算出された位置のずれをＦＭ放送等などの地上波で送信することにより、ＧＰＳ衛星からの信号により計測した結果を補正する。通常のＧＰＳでは、１００ｍ程度の位置誤差が生じるが、Ｄ−ＧＰＳによっておおむね５ｍ程度（水平方向）に誤差が軽減される。ただし、１００ｍの位置誤差は、米国防総省が提供していたＧＰＳに安全保障を理由として故意にノイズが混入されていたために発生したものであり、ノイズ混入が行われなくなった現在では、Ｄ−ＧＰＳを採用しなくても誤差は１０ｍ程度までに収まると言われている。逆に、ノイズ混入が行われなくなった現在において、Ｄ−ＧＰＳを利用することにより、水平方向の測位誤差である位置誤差は、±１ｍの精度までに減少させることができるとの内容が、下記特許文献４に示されている。
【００３９】
【特許文献４】特表２００２−５０９６０３号公報
【００４０】
（ＧＰＳの垂直方向における測位誤差）
ところで、ＧＰＳの場合、垂直方向の測位誤差を表す標高誤差は、水平方向の測位誤差を表す位置誤差に比べて、非常に大きいと言われている。しかしながら、下記非特許文献１には、ＧＰＳの高度測定誤差は、水平方向の測位誤差の約１．５倍と規定されており、ＧＰＳにおける垂直方向の測位誤差を改善することは可能である。
【００４１】
【非特許文献１】Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｅｒｖｉｃｅ Ｐｅｒｆｏｍａｎｃｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ，Ｏｃｔ，２００１．
【００４２】
（システム利用の効果）
実施の形態３にかかる鉄道航法システムによれば、Ｄ−ＧＰＳ方式の処理が可能なシステムとして構成しているので、実施の形態１と同様の効果が得られる他、経済性と定時到達性とを両立させた運行管理を効果的に支援することが可能となる。
【００４３】
なお、実施の形態３にかかる鉄道航法システムは、図１に示す実施の形態１にかる鉄道航法システムをＤ−ＧＰＳとして構成する一例を示したが、図４に示す実施の形態２にかる鉄道航法システムに対しても適用することができ、さらに実施の形態２にかかる効果をも得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
以上のように、本発明にかかる鉄道航法システムは、高度情報データベース等を利用することなく取得した３次元情報を鉄道車両の運行管理に効果的に活用することができる発明として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１にかかる鉄道航法システムの動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２に示した勾配検出処理の細部フローを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。
【図５】実施の形態２の鉄道航法システムにおける勾配検出処理の細部フローを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態３にかかる鉄道航法システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 鉄道車両
２ 先頭車両
４ 線路
５ 運転台
６ 運行管理装置
７ 伝送路
８ 受信器
８ａ 送受信器
９，１７ 受信アンテナ
９ａ 送受信アンテナ
１０ 送信アンテナ
１１ 送信器
１２ データ処理装置
１４ 表示器
１５ 方位センサ
１８ 制御コンソール
２０ ＧＰＳアンテナ
２１ ＧＰＳ受信器
２２ 演算部
２３ 記憶部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄道車両に搭載され、線路上を走行する前記鉄道車両のための鉄道航法システムであって、
人工衛星からの電波を受信することにより現在位置の緯度、経度および高度を含む３次元位置情報を測位するＧＰＳ受信器と、
前記ＧＰＳ受信器が検出した高度情報に基づき、前記線路上の一の地点と、該線路上の他の地点との間の勾配値を演算する演算部と、
前記演算部が演算した前記勾配値を前記３次元位置情報に関連づけて表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする鉄道航法システム。
【請求項２】
前記鉄道車両の進行方位を検出するための方位センサをさらに備え、
前記演算部は、前記方位センサが検出した前記一の地点の進行方位および前記他の地点の進行方位の情報を考慮して、前記勾配値を演算することを特徴とする請求項１に記載の鉄道航法システム。
【請求項３】
前記線路近傍の所定位置に設置され、Ｄ−ＧＰＳの基準局として機能するＧＰＳ受信器を搭載した送受信器をさらに備え、
前記送受信器内のＧＰＳ受信器によって生成された補正信号が、前記鉄道車両内のＧＰＳ受信器に伝達されるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道航法システム。
【請求項１】
鉄道車両に搭載され、線路上を走行する前記鉄道車両のための鉄道航法システムであって、
人工衛星からの電波を受信することにより現在位置の緯度、経度および高度を含む３次元位置情報を測位するＧＰＳ受信器と、
前記ＧＰＳ受信器が検出した高度情報に基づき、前記線路上の一の地点と、該線路上の他の地点との間の勾配値を演算する演算部と、
前記演算部が演算した前記勾配値を前記３次元位置情報に関連づけて表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする鉄道航法システム。
【請求項２】
前記鉄道車両の進行方位を検出するための方位センサをさらに備え、
前記演算部は、前記方位センサが検出した前記一の地点の進行方位および前記他の地点の進行方位の情報を考慮して、前記勾配値を演算することを特徴とする請求項１に記載の鉄道航法システム。
【請求項３】
前記線路近傍の所定位置に設置され、Ｄ−ＧＰＳの基準局として機能するＧＰＳ受信器を搭載した送受信器をさらに備え、
前記送受信器内のＧＰＳ受信器によって生成された補正信号が、前記鉄道車両内のＧＰＳ受信器に伝達されるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の鉄道航法システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−３０２８２０（Ｐ２００８−３０２８２０Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１５２０３５（Ｐ２００７−１５２０３５）
【出願日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月７日（２００７．６．７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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