CN102340867A

CN102340867A - 一种高精度铁路站场列车无线定位系统及定位方法

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Publication number: CN102340867A
Application number: CN2011102543742A
Authority: CN
Inventors: 陈立; 陈善文; 胡敏惠; 陈敏; 陈晨; 武洁; 李海成; 张金印
Original assignee: 陈立
Current assignee: Northwest Railway Electronic Ltd By Share Ltd
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: CN102340867B

Abstract

本发明涉及一种高精度铁路站场列车无线定位系统及定位方法，包括基站、第一从设备、第二从设备、第三从设备以及目标机车，基站数据无线收发单元与机车数据无线收发单元相互通信，基站定位信息发射单元的输出端、第一定位信息发射单元的输出端、第二定位信息发射单元的输出端、第三定位信息发射单元的输出端均与RF定位信息接收单元一对一通信。本发明解决了现有的无线定位系统精度不高的技术问题，本发明解算出机车的精确位置。

Description

一种高精度铁路站场列车无线定位系统及定位方法

技术领域

本发明涉及一种高精度铁路站场列车无线定位系统及定位方法。

背景技术

现有的无线定位可分为卫星无线定位和地面无线定位。

卫星定位应用最成熟的是GPS全球定位系统，虽然直接利用GPS的定位精度可达到10m以内，可以达到一种较为理想的定位效果，但是GPS完全由美国政府控制，在涉及国家安全的军用领域或对国民经济有重大影响的应用，GPS的应用受到严格限制。

地面无线定位则通过测量无线电波的传播时间、信号场强、相位、入射角度等参数实现移动目标的二维定位，最初应用于船舶导航。目前国际通用的有无线电测向系统、康索尔、罗兰、台卡、奥米加导航系统等。这些导航系统一般都是航海和航空兼用，但各有特殊要求。

铁路钢轨间距为1435mm，如果采用GPS定位系统，定位精度只有10m，不能精确的确定列车在站场中的位置。

发明内容

为了解决现有的无线定位系统精度不高的技术问题，本发明提供一种高精度铁路站场列车无线定位系统及定位方法。

为解决上述技术问题本发明提供以下技术解决方案：

一种高精度铁路站场列车无线定位系统，其特殊之处在于：

包括基站MD、第一从设备SD₁、第二从设备SD₂、第三从设备SD₃以及目标机车ET，

所述第一从设备包括第一同步接收控制单元及第一定位信息发射单元，所述第一同步接收控制单元包括第一信息发送整合单元和第一通信/信息分析核心单元，所述第一通信/信息分析核心单元、第一信息发送整合单元以及第一同步接收控制单元依次连接，

所述第二从设备包括第二同步接收控制单元及第二定位信息发射单元，所述第二同步接收控制单元包括第二信息发送整合单元和第二通信/信息分析核心单元，所述第二通信/信息分析核心单元、第二信息发送整合单元以及第二同步接收控制单元依次连接，

所述第三从设备包括第三同步接收控制单元及第三定位信息发射单元，所述第三同步接收控制单元包括第三信息发送整合单元和第三通信/信息分析核心单元，所述第三通信/信息分析核心单元、第三信息发送整合单元以及第三同步接收控制单元依次连接，

所述目标机车包括机车数据无线收发单元DTR、机车定位信息控制单元DIV以及多个RF定位信息接收单元VR，所述定位信息接收单元包括机车信息接收整合单元、机车信息发送整合单元、相位解算单元以及机车通信/信息分析核心单元，所述机车数据无线收发单元和RF定位信息接收单元的输出信号通过机车信息接收整合单元和相位解算单元给机车通信/信息分析核心单元，所述机车通信/信息分析核心单元输出信号通过机车信息发送整合单元输出信号给机车数据无线收发单元，

所述基站包括基站定位信息发射单元VT₀、基站数据无线收发单元DTR₀以及基站同步接收控制单元SR₀，所述基站同步接收控制单元SR₀包括基站信息发送整合单元、基站信息接收整合单元和基站通信/信息分析核心单元，

所述基站信息接收整合单元的输出端与基站通信/信息分析核心单元的输入端连接，所述基站通信/信息分析核心单元的输出端与基站信息发送整合单元的输入端连接，所述基站信息发送整合单元的输出端与基站数据无线收发单元DTR和基站定位信息发射单元连接，所述基站数据无线收发单元DTR₀与机车数据无线收发单元相互通信，

所述基站定位信息发射单元的输出端、第一定位信息发射单元的输出端、第二定位信息发射单元的输出端、第三定位信息发射单元的输出端均与RF定位信息接收单元一对一通信。

一种高精度铁路站场列车无线定位方法，其特殊之处在于：包括以下步骤

1】将基站MD、第一从设备SD₁、第二从设备SD₂和第三从设备SD₃搭建在无线可有效覆盖的区域内，构成一个无线网络区域SA；

2】基站定位信息发射单元、第一定位信息发射单元、第二定位信息发射单元以及第三定位信息发射单元分别通过无线网络向外发送基站测距码C₀、第一测距码C₁、第二测距码C₂和第三测距码C₃；

3】在无线网络区域SA内运行的目标机车ET的RF定位信息接收单元接收到基站定位信息发射单元、第一定位信息发射单元、第二定位信息发射单元以及第三定位信息发射单元向外发送的基站测距码C₀、第一测距码C₁、第二测距码C₂和第三测距码C₃，目标机车ET以收到基站测距码C₀的时间作为基准时间t₀，通过相位解算单元计算目标机车收到第一测距码C₁、第二测距码C₂和第三测距码C₃的第一延时间隔Δ1’、第二延时间隔Δ2’、第三延时间隔Δ3’；

4】目标机车通过机车数据无线收发单元将第一延时间隔Δ1’、第二延时间隔Δ2’、第三延时间隔Δ3’以及目标机车的机车号数据，发送至基站MD的基站数据无线收发单元，

5】基站数据无线收发单元将所收到的数据通过基站信息接收整合单元发送给基站通信/信息分析核心单元，基站通信/信息分析核心单元根据预先存储的各从设备SD与基站MD之间的固定时钟差修正第一延时间隔Δ1’、第二延时间隔Δ2’、第三延时间隔Δ3’，为第一修正后延时间隔Δ1、第二修正后延时间隔Δ2和第三修正后延时间隔Δ3

建立方程组；

\{\begin{matrix} {({x - x}_{0})}^{2} + {({y - y}_{0})}^{2} + {({z - z}_{0})}^{2} = {({d - k}_{0})}^{2} \\ {({x - x}_{1})}^{2} + {({y - y}_{1})}^{2} + {({z - z}_{1})}^{2} = {(d - k_{1})}^{2} \\ {({x - x}_{2})}^{2} + {({y - y}_{2})}^{2} + {({z - z}_{2})}^{2} = {({d - k}_{2})}^{2} \\ {({x - x}_{3})}^{2} + {({y - y}_{3})}^{2} + {({z - z}_{3})}^{2} = {({d - k}_{3})}^{2} \end{matrix}

其中：(x，y，z)，(x₀，y₀，z₀)，(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，(x₃，y₃，z₃)为目标机车ET、基站MD、第一从设备SD₁、第二从设备SD₂和第三从设备SD₃的坐标，k₀，k₁，k₂，k₃为基站MD和各从设备的固定时钟差到目标机车ET所产生的距离，d为基站MD到目标机车ET之间的距离，解算出该方程组得到x，y，z，d；即可得到目标机车ET的坐标以及目标机车距离基站MD之间的距离。

还包括步骤6】基站通过通信/信息分析核心单元，将计算的目标机车的坐标、距离、所属轨道股道及运行速率的结果通过基站信息发送整合单元发送给基站数据无线收发单元，基站数据无线收发单元将计算结果发送给机车数据无线收发单元，目标机车ET将该计算结果实时显示。

还包括步骤7】目标列车注销：基站MD在超过10s内未收到来自目标机车ET发送的信息时，则认为目标机车ET已经离站，从当前进站机车数据列表中注销该目标机车ET。

本发明所具有的优点：

1、铁路高精度无线定位系统采用基于局域无线网络的定位方案，地面网络由基站和3个从设备组成，通过基站和从设备向进入无线覆盖区域的机车发送测距码。

机车接收到测距码后，以收到基站测距码时间为基准，通过相位解算单元解算出从设备发射测距码的延时，机车将各延时信息及机车号等相关信息发送给基站MD，再通过适当的算法解算出机车的精确位置，发送给主机和机车ET。

2、系统采用基于时间的定位算法，该方法是机车接收到测距码后，以基站测距码到达机车的时间为基准，计算出各从设备测距码到达机车的延时，机车将各延时信息及机车号等相关信息发送给基站MD，基站再通过适当的算法解算出机车的精确位置，发送给主机和机车ET。

3、目标机车通过数据无线收发单元接收基站发送的定位信息，确定本车在站场中的位置(精度可达1米)，目标机车将该信息实时显示。同时，基站将机车的定位信息通过数据无线收发单元发送给主机，供站场对本机车进行跟踪管理。

附图说明

图1为本发明的系统布局图；

图2为本发明的原理框图；

图3为本发明的基站的功能框图；

图4为本发明的从设备的功能框图；

图5为本发明的机车的功能框图。

其中附图标记为：ET-目标机车，DIV-机车定位信息控制单元，DTR-机车数据无线收发单元，VR-RF定位信息接收单元，MD-基站，DTR₀-基站数据无线收发单元，VT₀-基站定位信息发射单元，SR₀-基站同步接收控制单元，DIV₀-基站定位信息控制单元，ET2-驰离机车，SD₁-第一从设备，VT₁-第一定位信息发射单元，SR₁-第一同步接收控制单元，SD₂-第二从设备，VT₂-第二定位信息发射单元，SR₂-第二同步接收控制单元，SD₃-第三从设备，VT₃-第三定位信息发射单元，SR₃-第三同步接收控制单元。

具体实施方式

铁路高精度无线定位车载装置由安装在列车防控系统车载主机上互为热备两个无线定位单元和无线定位天线组成。

图1中为分系统布局图，ET为进入有效覆盖区域的目标机车，ET₂为驰离的机车。基站MD、第一从设备SD₁、第二从设备SD₂以及第三从设备SD₃，

如图4所示，第一从设备包括第一同步接收控制单元及第一定位信息发射单元，第一同步接收控制单元包括第一信息发送整合单元和第一通信/信息分析核心单元，第一通信/信息分析核心单元、第一信息发送整合单元以及第一同步接收控制单元依次连接，

第二从设备包括第二同步接收控制单元及第二定位信息发射单元，第二同步接收控制单元包括第二信息发送整合单元和第二通信/信息分析核心单元，第二通信/信息分析核心单元、第二信息发送整合单元以及第二同步接收控制单元依次连接，

第三从设备包括第三同步接收控制单元及第三定位信息发射单元，第三同步接收控制单元包括第三信息发送整合单元和第三通信/信息分析核心单元，第三通信/信息分析核心单元、第三信息发送整合单元以及第三同步接收控制单元依次连接，

如图5所示，目标机车包括机车数据无线收发单元DTR、机车定位信息控制单元DIV以及多个RF定位信息接收单元VR，所述定位信息接收单元包括机车信息接收整合单元、机车信息发送整合单元、相位解算单元以及机车通信/信息分析核心单元，所述机车数据无线收发单元和RF定位信息接收单元的输出信号通过机车信息接收整合单元和相位解算单元给机车通信/信息分析核心单元，所述机车通信/信息分析核心单元输出信号通过机车信息发送整合单元输出信号给机车数据无线收发单元，

如图3所示，基站包括基站定位信息发射单元VT₀、基站数据无线收发单元DTR₀以及基站同步接收控制单元SR₀，基站同步接收控制单元SR₀包括基站信息发送整合单元、基站信息接收整合单元和基站通信/信息分析核心单元，

基站信息接收整合单元的输出端与基站通信/信息分析核心单元的输入端连接，基站通信/信息分析核心单元的输出端与基站信息发送整合单元的输入端连接，基站信息发送整合单元的输出端与基站数据无线收发单元DTR和基站定位信息发射单元连接，基站数据无线收发单元DTR₀与机车数据无线收发单元相互通信，

基站定位信息发射单元的输出端、第一定位信息发射单元的输出端、第二定位信息发射单元的输出端、第三定位信息发射单元的输出端均与RF定位信息接收单元一对一通信。

数据无线收发模块：用于定位数据通信；RF定位信息接收单元：射频单元；信息接收整合单元：解出接收的数据包，将信息分发到各个处理单元；信息发送整合单元：收集本地相关信息，打包后以无线发射出去；相位解算单元：根据各个信道发送来的定位信息，解算出相位差，换算成时间延迟；通信/信息分析核心单元为中央处理器。

一种高精度铁路站场列车无线定位方法，包括以下步骤

建立方程组；

\{\begin{matrix} {({x - x}_{0})}^{2} + {({y - y}_{0})}^{2} + {({z - z}_{0})}^{2} = {({d - k}_{0})}^{2} \\ {({x - x}_{1})}^{2} + {({y - y}_{1})}^{2} + {({z - z}_{1})}^{2} = {(d - k_{1})}^{2} \\ {({x - x}_{2})}^{2} + {({y - y}_{2})}^{2} + {({z - z}_{2})}^{2} = {({d - k}_{2})}^{2} \\ {({x - x}_{3})}^{2} + {({y - y}_{3})}^{2} + {({z - z}_{3})}^{2} = {({d - k}_{3})}^{2} \end{matrix}

实施例：

在该平面范围内或者附近无线可有效覆盖的区域内(该区域简称为SA)运行的机车(以下简称ET)作为其监控的对象。其工作原理如下：

1】MD和SD在时间上同步；

2】MD和SD定时向外发射固定的测距码C₀～C₃；

3】在SA内运行的ET，接收MD和SD发射的测距码C₀～C₃；

4】ET以MD发射的测距码C₀作为基准t₀，测量SD发射的测距码的延时Δ₁′～Δ₃′；

5】ET将该延时Δ₁′～Δ₃′、本机车信息等发送至MD；

6】SD与MD之间的钟差是固定的，且已事先写入MD存储器中，MD修正该延时获得Δ₁～Δ₃，据此建立方程组；

\{\begin{matrix} {({x - x}_{0})}^{2} + {({y - y}_{0})}^{2} + {({z - z}_{0})}^{2} = {({d - k}_{0})}^{2} \\ {({x - x}_{1})}^{2} + {({y - y}_{1})}^{2} + {({z - z}_{1})}^{2} = {(d - k_{1})}^{2} \\ {({x - x}_{2})}^{2} + {({y - y}_{2})}^{2} + {({z - z}_{2})}^{2} = {({d - k}_{2})}^{2} \\ {({x - x}_{3})}^{2} + {({y - y}_{3})}^{2} + {({z - z}_{3})}^{2} = {({d - k}_{3})}^{2} \end{matrix}

其中(x，y，z)，(x₀，y₀，z₀)，(z₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，(x₃，y₃，z₃)为ET、MD(SD₀)、SD₁、SD₂和SD₃的坐标，k₀，k₁，k₂，k₃为MD和SD_(i)的固定钟差与到ET之间的距离，d为MD到ET之间的距离，解算出该方程组即可得到x，y，z，d；

7】MD解析出ET的坐标，据此判断出其所属轨道股道；

8】根据最近两组数据，计算出ET的运行速率；

9】MD将计算结果传给主机，同时下传给ET；

10】ET将该信息实时显示出来；

11】MD在超过10s内未收到来自ET的信息，则认为ET已经离站，从当前进站机车数据列表中注销该ET；

每次计算结果可由基站主机记录入本地数据库，以备查询。

Claims

1.一种高精度铁路站场列车无线定位系统，其特征在于：

包括基站(MD)、第一从设备(SD₁)、第二从设备(SD₂)、第三从设备(SD₃)以及目标机车(ET)，

所述目标机车包括机车数据无线收发单元(DTR)、机车定位信息控制单元(DIV)以及多个RF定位信息接收单元(VR)，所述定位信息接收单元包括机车信息接收整合单元、机车信息发送整合单元、相位解算单元以及机车通信/信息分析核心单元，所述机车数据无线收发单元和RF定位信息接收单元的输出信号通过机车信息接收整合单元和相位解算单元给机车通信/信息分析核心单元，所述机车通信/信息分析核心单元输出信号通过机车信息发送整合单元输出信号给机车数据无线收发单元，

所述基站包括基站定位信息发射单元(VT₀)、基站数据无线收发单元(DTR₀)以及基站同步接收控制单元(SR₀)，所述基站同步接收控制单元(SR₀)包括基站信息发送整合单元、基站信息接收整合单元和基站通信/信息分析核心单元，

所述基站信息接收整合单元的输出端与基站通信/信息分析核心单元的输入端连接，所述基站通信/信息分析核心单元的输出端与基站信息发送整合单元的输入端连接，所述基站信息发送整合单元的输出端与基站数据无线收发单元(DTR)和基站定位信息发射单元连接，所述基站数据无线收发单元(DTR₀)与机车数据无线收发单元相互通信，

2.一种高精度铁路站场列车无线定位方法，其特征在于：包括以下步骤

1】将基站(MD)、第一从设备(SD₁)、第二从设备(SD₂)和第三从设备(SD₃)搭建在无线可有效覆盖的区域内，构成一个无线网络区域(SA)；

3】在无线网络区域(SA)内运行的目标机车(ET)的RF定位信息接收单元接收到基站定位信息发射单元、第一定位信息发射单元、第二定位信息发射单元以及第三定位信息发射单元向外发送的基站测距码C₀、第一测距码C₁、第二测距码C₂和第三测距码C₃，目标机车ET以收到基站测距码C₀的时间作为基准时间t₀，通过相位解算单元计算目标机车收到第一测距码C₁、第二测距码C₂和第三测距码C₃的第一延时间隔Δ1’、第二延时间隔Δ2’、第三延时间隔Δ3’；

4】目标机车通过机车数据无线收发单元将第一延时间隔Δ1’、第二延时间隔Δ2’、第三延时间隔Δ3’以及目标机车的机车号数据，发送至基站(MD)的基站数据无线收发单元，

5】基站数据无线收发单元将所收到的数据通过基站信息接收整合单元发送给基站通信/信息分析核心单元，基站通信/信息分析核心单元根据预先存储的各从设备(SD)与基站(MD)之间的固定时钟差修正第一延时间隔Δ1’、第二延时间隔Δ2’、第三延时间隔Δ3’，为第一修正后延时间隔Δ1、第二修正后延时间隔Δ2和第三修正后延时间隔Δ3

建立方程组；

\{\begin{matrix} {({x - x}_{0})}^{2} + {({y - y}_{0})}^{2} + {({z - z}_{0})}^{2} = {({d - k}_{0})}^{2} \\ {({x - x}_{1})}^{2} + {({y - y}_{1})}^{2} + {({z - z}_{1})}^{2} = {(d - k_{1})}^{2} \\ {({x - x}_{2})}^{2} + {({y - y}_{2})}^{2} + {({z - z}_{2})}^{2} = {({d - k}_{2})}^{2} \\ {({x - x}_{3})}^{2} + {({y - y}_{3})}^{2} + {({z - z}_{3})}^{2} = {({d - k}_{3})}^{2} \end{matrix}

其中：(x，y，z)，(x₀，y₀，z₀)，(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)，(x₃，y₃，z₃)为目标机车(ET)、基站(MD)、第一从设备(SD₁)、第二从设备(SD₂)和第三从设备(SD₃)的坐标，k₀，k₁，k₂，k₃为基站(MD)和各从设备的固定时钟差到目标机车(ET)所产生的距离，d为基站(MD)到目标机车(ET)之间的距离，解算出该方程组得到x，y，z，d；即可得到目标机车(ET)的坐标以及目标机车距离基站(MD)之间的距离。

3.根据权利要求2所述的高精度铁路站场列车无线定位方法，其特征在于：还包括步骤6】基站通过通信/信息分析核心单元，将计算的目标机车的坐标、距离、所属轨道股道及运行速率的结果通过基站信息发送整合单元发送给基站数据无线收发单元，基站数据无线收发单元将计算结果发送给机车数据无线收发单元，目标机车(ET)将该计算结果实时显示。

4.根据权利要求3所述的高精度铁路站场列车无线定位方法，其特征在于：还包括步骤7】目标列车注销：基站(MD)在超过10s内未收到来自目标机车(ET)发送的信息时，则认为目标机车(ET)已经离站，从当前进站机车数据列表中注销该目标机车(ET)。