CN108363087B - 利用直放站的铁路定位系统及其定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用直放站的铁路定位系统，包括一直放站，所述直放站包括一近端机和复数个远端机，复数个所述远端机沿列车的轨道布置；所述近端机内设有一第一光口、一数据处理中心和一计算模块，每个所述远端机内设有一第二光口、一天线、一数据处理器和一定位芯片，所述数据处理中心分别与计算模块及第一光口连接，所述第一光口连接至第二光口，所述数据处理器分别与第二光口、定位芯片及天线连接。本发明还提供一种利用直放站的铁路定位方法，利用远端机的位置信息及经由其转发的列车信息来实现列车的定位。

Description

利用直放站的铁路定位系统及其定位方法
技术领域
本发明涉及一种定位系统，尤其涉及一种利用直放站的铁路定位系统及其定位方法。
背景技术
现今的列车定位常采用的方法有两种：列车自带定位信号接收器，或者是沿铁路设立固定监测点，通过接收监测点发出的信号计算定位。前者由于位置及地形原因(隧道等)不能保证列车随时都能接收到定位信号，无法做到实时定位；后者由于铁路范围庞大的原因，需要设置的监测点数量大，花费的成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种利用直放站的铁路定位系统，利用远端机的位置信息及经由其转发的列车信息来实现列车的定位。
本发明的问题之一，是这样实现的：
一种利用直放站的铁路定位系统，包括一直放站，所述直放站包括一近端机和复数个远端机，复数个所述远端机沿列车的轨道布置；所述近端机内设有一第一光口、一数据处理中心和一计算模块，每个所述远端机内设有一第二光口、一天线、一数据处理器和一定位芯片，所述数据处理中心分别与计算模块及第一光口连接，所述第一光口连接至第二光口，所述数据处理器分别与第二光口、定位芯片及天线连接。
进一步地，所述定位芯片的型号为VK1612Z2M3L。
进一步地，所述直放站为光纤直放站，所述近端机与远端机之间通过第一光口和第二光口进行光纤连接。
本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种利用直放站的铁路定位方法，利用远端机的位置信息及经由其转发的列车信息来实现列车的定位。
本发明的问题之二，是这样实现的：
一种利用直放站的铁路定位方法，所述铁路定位方法需提供上述的一种利用直放站的铁路定位系统，所述铁路定位方法具体包括如下步骤：
步骤1、每个远端机在装机时通过定位芯片获取自身远端机的位置信息，发送给对应远端机的数据处理器，远端机之后每次发送的信息都包含位置信息；
步骤2、列车在行驶过程中发送列车信息，发送的列车信息中包含时间信息，不同远端机经各自的天线接收该列车信息，并传输至各自的数据处理器；
步骤3、不同远端机的数据处理器将自身远端机的位置信息和接收到的列车信息经各自的第二光口传输至近端机，所述近端机的第一光口接收远端机发送的数据并传输至数据处理中心；
步骤4、所述数据处理中心接收到远端机发送的数据，从数据中剥离出远端机的位置信息和列车的时间信息后，并选取其中两远端机对应的位置信息和列车的时间信息发送到所述计算模块；
步骤5、所述计算模块根据已知参数和列车的时间信息计算出列车信息到达两远端机的时间差，再根据时间差、已知参数、列车的时间信息和两远端机对应的位置信息，计算出列车在发送列车信息时刻的位置。
进一步地，所述步骤5具体为：
该已知参数包括有：信号传播速度V，其一远端机1到近端机的距离D1，另一远端机2到近端机的距离D2；两个远端机之间的距离S，列车发出信息的时刻a，列车经由远端机1发送的信息到达近端机的时刻a+t1，列车经由远端机2发送的信息到达近端机的时刻a+t2，两个远端机的位置信息；
根据信号传播速度V、其一远端机1到近端机的距离D1以及另一远端机2到近端机的距离D2，计算出远端机1发送的信息到达近端机的用时T1＝D1/V和远端机2发送的信息到达近端机的用时T2＝D2/V；
再根据时刻a、时刻a+t1、时刻a+t2、远端机1发送的信息到达近端机的用时T1和远端机1发送的信息到达近端机的用时T2，计算出列车发送的信息到达远端机1的用时和列车发送的信息到达远端机2的用时的时间差t＝|(a+t1-T1)-(a+t2-T2)|＝|(t1-T1)-(t2-T2)|，所以列车到远端机1的距离和列车到远端机2的距离的差s＝t*V；
假设t1<t2，则列车离远端机1的距离s1＝S/2-s，列车离远端机2的距离s2＝S/2+s，又因为两个远端机的位置信息都是已知的，因此根据s1、s2和两个远端机的位置信息得出列车在a时刻的位置。
进一步地，所述步骤5之后还包括：
步骤6、所述列车在行驶过程中发送列车信息，发送的列车信息中包含时间信息，不同远端机经各自的天线接收该列车的信息，并传输至各自的数据处理器；
步骤7、不同远端机的数据处理器将自身远端机的位置信息和接收到的列车信息经各自的第二光口传输至近端机，所述近端机的第一光口接收远端机发送的数据并传输至数据处理中心；
步骤8、所述数据处理中心接收到远端机发送的数据，从数据中剥离出远端机的位置信息和列车的时间信息，同时计算列车信息到达近端机时的信号强度后，并选取其中两远端机对应的位置信息、列车的时间信息和信号强度信息发送到所述计算模块；
步骤9、所述计算模块根据已知参数和该信号强度信息计算出列车信号到达两远端机的信号强度差，再根据信号强度差、已知参数、列车的时间信息和两远端机对应的位置信息，计算出列车在发送列车信息时刻的位置。
进一步地，所述步骤9具体为：
该已知参数包括有：信号强度衰减程度随距离的变化M，其一远端机1到近端机的距离D1，另一远端机2到近端机的距离D2；两个远端机之间的距离S，列车发出信息的时刻a，两个远端机的位置信息；
根据信号强度衰减程度随距离的变化M、其一远端机1到近端机的距离D1以及另一远端机2到近端机的距离D2，计算出远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m1＝M(D1)和远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m2＝M(D2)；
再计算列车经由远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度a1，列车经由远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度a2，根据信号强度a1、信号强度a2、远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m1和远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m2，计算出列车发送的信息到达远端机1时的信号强度和列车发送的信息到达远端机2时的信号强度的差ms＝|(m1+a2)-(m2+a2)|，所以列车到远端机1的距离和列车到远端机2的距离的差s＝M-1(ms)；
假设t1<t2，则列车离远端机1的距离s1＝S/2-s，列车离远端机2的距离s2＝S/2+s，又因为两个远端机的位置信息都是已知的，因此根据s1、s2和两个远端机的位置信息得出列车在a时刻的位置。
本发明的优点在于：直放站利用定位芯片产生的GPS信号作为同步的标准，因此本发明是利用该GPS信号进行定位的方法，除了增加获取GPS信号所需的定位芯片和计算定位所需的计算模块之外几乎不增加其他成本，既节省成本又提高了现有资源的利用率。直放站的布置及组网都要求列车能全程进行通信，因此利用直放站来定位能满足实时定位的要求。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种利用直放站的铁路定位系统的结构示意图。
图2为本发明一种利用直放站的铁路定位方法的执行流程图。
图3为本发明中实施例一和实施例二中的结构示意图。
具体实施方式
为使得本发明更明显易懂，现以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明的一种利用直放站的铁路定位系统，包括一直放站，所述直放站为光纤直放站，光纤直放站包括近端机和远端机，其中，近端机设置于基站一端，远端机沿列车轨道布置，本发明是利用远端机的位置信息及经由其转发的列车信息来实现列车的定位。
所述直放站包括一近端机和复数个远端机，复数个所述远端机沿列车的轨道布置；所述近端机内设有一第一光口、一数据处理中心和一计算模块(计算模块中所涉及的软件部分都是现有技术)，每个所述远端机内设有一第二光口、一天线、一数据处理器和一定位芯片，所述定位芯片的型号为VK1612Z2M3L，所述定位芯片用于获取远端机自身位置信息，并发送给数据处理器；
所述数据处理中心分别与计算模块及第一光口连接，所述第一光口连接至第二光口，所述数据处理器分别与第二光口、定位芯片及天线连接，所述天线通过无线连接至列车；远端机通过天线接收列车信息，远端机与近端机之间通过第一光口和第二光口之间通过光纤通信(连接)；
所述远端机在装机时通过定位芯片获取自身远端机的位置信息，传输给数据处理器，远端机之后每次传输的信号都包含位置信息，列车在行驶过程中发送列车信息给对应远端机的数据处理器，再由数据处理器将位置信息和列车信息发送给近端机，由近端机接收后传输给近端机的数据处理中心进行处理后，再由近端机的计算模块根据已知参数、两远端机对应的位置信息和列车信息中所包含的时间信息，计算出列车在发送列车信息时刻的位置。定位过程中所用到的位置信息为远端机的定位芯片产生的GPS信号，时间信息为列车插入到列车信息中的发送时刻的时间。
本发明的一种利用直放站的铁路定位方法，所述铁路定位方法需提供上述的一种利用直放站的铁路定位系统，本定位系统的工作过程是：近端机接收经由不同远端机转发的、来自列车的信号，通过信号从发送到达两远端机时的时间差和信号强度差验证结果。所述铁路定位方法具体包括如下步骤：
(一)如图2所示，通过时间差计算列车的位置的过程如下：
步骤A1、每个远端机在装机时通过定位芯片获取自身远端机的位置信息，发送给对应远端机的数据处理器，远端机之后每次发送的信号都包含位置信息；
步骤A2、所述列车在行驶过程中发送列车信息，不同远端机经各自的天线接收该列车信息，并传输至各自的数据处理器；
步骤A3、不同远端机的数据处理器将自身远端机的位置信息和接收到的列车信息经各自的第二光口传输至近端机，所述近端机的第一光口接收远端机发送的数据(即远端机的位置信息和列车信息(包括列车的时间信息和其他信息))，并传输至数据处理中心；
步骤A4、所述数据处理中心接收到远端机发送的数据，从数据中剥离出远端机的位置信息和列车的时间信息后，并选取其中两远端机对应的位置信息和列车的时间信息发送到所述计算模块；
步骤A5、所述计算模块根据已知参数和列车的时间信息计算出列车信息到达两远端机的时间差，再根据时间差、已知参数、列车的时间信息和两远端机对应的位置信息，计算出列车在发送列车信息时刻的位置，从而达到定位列车的目的。
该计算方法具体为：
1)由于信号传播速度、其一远端机1到近端机的距离D1以及另一远端机2到近端机的距离D2是已知的，计算两个远端机的信号到达近端机的用时；
2)由于列车发出信息的时刻、列车经由远端机1发送的信息到达近端机的时刻和列车经由远端机2发送的信息到达近端机的时刻都是已知的，所以根据两个远端机的信号到达近端机的用时计算出列车经由两个远端机转发的时间信号到达近端机的时间差和列车到远端机1的距离和列车到远端机2的距离的差；
3)由于两个远端机之间的距离是已知的，所以根据距离的差求得列车到两个远端机的距离；
4)由于两个远端机的位置信息是已知的，所以根据列车到两个远端机的距离可以求得列车在发送时间信息时刻的的位置。
实施例一：
如图3所示，该已知参数包括有：信号传播速度V，其一远端机1到近端机的距离D1，另一远端机2到近端机的距离D2；两个远端机之间的距离S，列车发出信息的时刻a，列车经由远端机1发送的信息到达近端机的时刻a+t1，列车经由远端机2发送的信息到达近端机的时刻a+t2，两个远端机的位置信息；
根据信号传播速度V、其一远端机1到近端机的距离D1以及另一远端机2到近端机的距离D2，计算出远端机1发送的信息到达近端机的用时T1＝D1/V和远端机2发送的信息到达近端机的用时T2＝D2/V；
再根据时刻a、时刻a+t1、时刻a+t2、远端机1发送的信息到达近端机的用时T1和远端机1发送的信息到达近端机的用时T2，计算出列车发送的信息到达远端机1的用时和列车发送的信息到达远端机2的用时的时间差t＝|(a+t1-T1)-(a+t2-T2)|＝|(t1-T1)-(t2-T2)|，所以列车到远端机1的距离和列车到远端机2的距离的差s＝t*V；
假设t1<t2，则列车离远端机1的距离s1＝S/2-s，列车离远端机2的距离s2＝S/2+s，又因为两个远端机的位置信息都是已知的，因此根据s1、s2和两个个远端机的位置信息得出列车在a时刻的位置。
(二)如图2所示，通过信号强度差计算列车的位置的过程如下：
步骤B1、每个远端机在装机时通过定位芯片获取自身远端机的位置信息，发送给对应远端机的数据处理器，远端机之后每次发送的信息都包含位置信息；
步骤B2、所述列车在行驶过程中发送列车信息，发送的列车信息中包含时间信息。不同远端机经各自的天线接收该列车信息，并传输至各自的数据处理器；
步骤B3、不同远端机的数据处理器将自身远端机的位置信息和接收到的列车信息经各自的第二光口传输至近端机，所述近端机的第一光口接收远端机发送的数据并传输至数据处理中心；
步骤B4、所述数据处理中心接收到远端机发送的数据，从数据中剥离出远端机的位置信息和列车的时间信息，同时计算列车信息到达近端机时的信号强度后，并选取其中两远端机对应的位置信息、列车的时间信息和信号强度信息(即计算出来的结果为信号强度信息)发送到所述计算模块；
步骤B5、所述计算模块根据已知参数和该信号强度信息计算出列车信息到达两远端机的信号强度差，再根据时间差、已知参数、列车的时间信息和两远端机对应的位置信息，计算出列车在发送列车信息时刻的位置，从而达到定位列车的目的。
该计算方法具体为：
1)由于信号强度衰减的程度随距离的变化、其一远端机1到近端机的距离D1以及另一远端机2到近端机的距离D2是已知的，计算两个远端机的信号到达近端机时的信号衰减程度；
2)由于列车发出列车信息的时刻、列车经由远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度和列车经由远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度都是已知的，所以根据两个远端机的信号到达近端机时的信号强度的差计算出列车信号到达两个远端机时的信号强度的差，进而求出列车到远端机1的距离和列车到远端机2的距离的差；
3)由于两个远端机之间的距离是已知的，所以根据距离的差求得列车到两个远端机的距离；
4)由于两个远端机的位置信息是已知的，所以根据列车到两个远端机的距离可以求得列车在发送列车信息时刻的的位置。
这种计算方法的原理与根据时间差的计算方法类似，但是由于信号强度易受多种因素的影响，因而这种方式计算的结果可能会出现比较大的偏差，只适合作为补偿手段，用于验证根据时间差计算出来的位置信息。
实施例二：
如图3所示，该已知参数包括有：信号强度衰减程度随距离的变化M，其一远端机1到近端机的距离D1，另一远端机2到近端机的距离D2；两个远端机之间的距离S，列车发出信息的时刻a，两个远端机的位置信息；
根据信号强度衰减程度随距离的变化M、其一远端机1到近端机的距离D1以及另一远端机2到近端机的距离D2，计算出远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m1＝M(D1)和远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m2＝M(D2)；
再计算列车经由远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度a1，列车经由远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度a2，根据信号强度a1、信号强度a2、远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m1和远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m2，计算出列车发送的信息到达远端机1时的信号强度和列车发送的信息到达远端机2时的信号强度的差ms＝|(m1+a2)-(m2+a2)|，所以列车到远端机1的距离和列车到远端机2的距离的差s＝M-1(ms)；
假设t1<t2，则列车离远端机1的距离s1＝S/2-s，列车离远端机2的距离s2＝S/2+s，又因为两个远端机的位置信息都是已知的，因此根据s1、s2和两个远端机的位置信息得出列车在a时刻的位置。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于直放站的铁路定位系统的铁路定位方法，其特征在于：所述铁路定位系统，包括一直放站，所述直放站包括一近端机和复数个远端机，复数个所述远端机沿列车的轨道布置；所述近端机内设有一第一光口、一数据处理中心和一计算模块，每个所述远端机内设有一第二光口、一天线、一数据处理器和一定位芯片，所述数据处理中心分别与计算模块及第一光口连接，所述第一光口连接至第二光口，所述数据处理器分别与第二光口、定位芯片及天线连接；
所述定位芯片的型号为VK1612Z2M3L；
所述直放站为光纤直放站，所述近端机与远端机之间通过第一光口和第二光口进行光纤连接；
所述铁路定位方法具体包括如下步骤：
步骤1、每个远端机在装机时通过定位芯片获取自身远端机的位置信息，发送给对应远端机的数据处理器，远端机之后每次发送的信息都包含位置信息；
步骤2、列车在行驶过程中发送列车信息，发送的列车信息中包含时间信息，不同远端机经各自的天线接收该列车信息，并传输至各自的数据处理器；
步骤3、不同远端机的数据处理器将自身远端机的位置信息和接收到的列车信息经各自的第二光口传输至近端机，所述近端机的第一光口接收远端机发送的数据并传输至数据处理中心；
步骤4、所述数据处理中心接收到远端机发送的数据，从数据中剥离出远端机的位置信息和列车的时间信息后，并选取其中两远端机对应的位置信息和列车的时间信息发送到所述计算模块；
步骤5、所述计算模块根据已知参数和列车的时间信息计算出列车信息到达两远端机的时间差，再根据时间差、已知参数、列车的时间信息和两远端机对应的位置信息，计算出列车在发送列车信息时刻的位置；
所述步骤5具体为：
该已知参数包括有：信号传播速度V，其一远端机1到近端机的距离D1，另一远端机2到近端机的距离D2；两个远端机之间的距离S，列车发出信息的时刻a，列车经由远端机1发送的信息到达近端机的时刻a+t1，列车经由远端机2发送的信息到达近端机的时刻a+t2，两个远端机的位置信息；
根据信号传播速度V、其一远端机1到近端机的距离D1以及另一远端机2到近端机的距离D2，计算出远端机1发送的信息到达近端机的用时T1=D1/V和远端机2发送的信息到达近端机的用时T2=D2/V；
再根据时刻a、时刻a+t1、时刻a+t2、远端机1发送的信息到达近端机的用时T1和远端机2发送的信息到达近端机的用时T2，计算出列车发送的信息到达远端机1的用时和列车发送的信息到达远端机2的用时的时间差t=|(a+t1-T1)-(a+t2-T2)|=|(t1-T1)-(t2-T2)|，所以列车到远端机1的距离和列车到远端机2的距离的差s=t*V；
假设t1<t2，则列车离远端机1的距离s1=S/2-s，列车离远端机2的距离s2=S/2+s，又因为两个远端机的位置信息都是已知的，因此根据s1、s2和两个远端机的位置信息得出列车在a时刻的位置。
2.如权利要求1所述的一种铁路定位方法，其特征在于：所述步骤5之后还包括：
步骤6、所述列车在行驶过程中发送列车信息，发送的列车信息中包含时间信息，不同远端机经各自的天线接收该列车信息，并传输至各自的数据处理器；
步骤7、不同远端机的数据处理器将自身远端机的位置信息和接收到的列车信息经各自的第二光口传输至近端机，所述近端机的第一光口接收远端机发送的数据并传输至数据处理中心；
步骤8、所述数据处理中心接收到远端机发送的数据，从数据中剥离出远端机的位置信息和列车的时间信息，同时计算列车信息到达近端机时的信号强度后，并选取其中两远端机对应的位置信息、列车的时间信息和信号强度信息发送到所述计算模块；
步骤9、所述计算模块根据已知参数和该信号强度信息计算出列车信息到达两远端机的信号强度差，再根据信号强度差、已知参数、列车的时间信息和两远端机对应的位置信息，计算出列车在发送列车信息时刻的位置。
3.如权利要求2所述的一种铁路定位方法，其特征在于：所述步骤9具体为：
该已知参数包括有：信号强度衰减程度随距离的变化M，其一远端机1到近端机的距离D1，另一远端机2到近端机的距离D2；两个远端机之间的距离S，列车发出信息的时刻a，两个远端机的位置信息；
根据信号强度衰减程度随距离的变化M、其一远端机1到近端机的距离D1以及另一远端机2到近端机的距离D2，计算出远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m1=M(D1)和远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m2=M(D2)；
再计算列车经由远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度a1，列车经由远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度a2，根据信号强度a1、信号强度a2、远端机1发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m1和远端机2发送的信息到达近端机时的信号强度损耗m2，计算出列车发送的信息到达远端机1时的信号强度和列车发送的信息到达远端机2时的信号强度的差ms=|(m1+a2)-(m2+a2)|，所以列车到远端机1的距离和列车到远端机2的距离的差s=M-1(ms)；
假设t1<t2，则列车离远端机1的距离s1=S/2-s，列车离远端机2的距离s2=S/2+s，又因为两个远端机的位置信息都是已知的，因此根据s1、s2和两个远端机的位置信息得出列车在a时刻的位置。
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