CN109738927A - 隧道内外导航信号连续定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隧道内外导航信号连续定位系统和方法。雷达测速测距仪测出目标物来时速度和距离，打上本地时标；授时接收机解算出TOD时间和卫星星历，输出1PPS和10MHz信号，并传输给卫星导航信号模拟器；交替连接的卫星导航信号模拟器和漏缆仿真并向隧道内的目标物发送卫星信号；综合控制分系统读取TOD时间、卫星星历、带有本地时标的速度和距离信息、以及雷达测速测距仪和卫星导航信号模拟器、漏缆的位置坐标，计算出卫星导航信号模拟器需要仿真的目标物轨迹和仿真时刻。通过在隧道外面架设雷达测速测距仪，结合隧道内已有的漏缆和光纤走线，在隧道内架设导航定位连续仿真系统，可低成本高精度地解决火车进出隧道引起的定位结果丢失和时间不连续问题。

Description

隧道内外导航信号连续定位系统和方法

技术领域

本发明属于隧道内火车导航领域，尤其涉及一种隧道内外导航信号连续定位系统和方法。

背景技术

目前铁路沿线的隧道很多，大部分长度还很长，在隧道内部导航卫星信号不可见，火车进入隧道后就会接收不到导航卫星信号，接收机会失锁，无定位结果和时间信息输出。现有技术中，对于室内定位有很多方法，WIFI定位，伪卫星定位等等，但是都不适合隧道这种窄长通道的场景，WIFI定位不能帮助导航接收机定位，伪卫星需要密集布设多个，而且远近效应、多径效应的影响严重。火车隧道内一般都布设有通信漏缆，可以均匀地沿着隧道辐射信号，减小远近效应的影响，因此如果能利用现有漏缆，在隧道内仿真与隧道外真实卫星信号相同时间、星历，轨迹位置与隧道内位置相同的信号，则接收机在隧道内就可以定位，而且通过隧道内外时，接收机也不会失锁。

发明内容

本发明旨在提供一种利用漏缆进行隧道内火车导航连续定位的隧道内外导航信号连续定位系统，其技术方案如下：

隧道内外导航信号连续定位系统，包括：

雷达测速测距仪，测出目标物来时速度和距离，打上本地时标；

授时接收机，解算出TOD时间和卫星星历，输出1PPS和10MHz信号，并传输给卫星导航信号模拟器；

交替连接的卫星导航信号模拟器和漏缆，仿真并向隧道内的目标物发送卫星信号；

综合控制分系统，读取TOD时间、卫星星历、带有本地时标的速度和距离信息、以及雷达测速测距仪的位置坐标、卫星导航信号模拟器的位置坐标、漏缆的位置坐标，计算出卫星导航信号模拟器需要仿真的目标物轨迹和仿真时刻。本发明可以在不改变目标物上导航接收机的前提下，通过在隧道外面架设雷达测速测距仪，结合隧道内已有的漏缆和光纤走线，在隧道内架设导航定位连续仿真系统，可低成本高精度地解决火车进出隧道引起的定位结果丢失和时间不连续问题。

进一步地，雷达测速测距仪和授时接收机均分布在隧道外目标来向侧，综合控制分系统位于隧道内，相邻两卫星导航信号模拟器之间的距离不超过500米。

进一步地，光纤把卫星导航信号模拟器的1PPS输入和1PPS输出连接成菊花链形式，光纤还把卫星导航信号模拟器的10MHz输入和10MHz输出连接成菊花链形式。

进一步地，隧道物内设有供目标物单向行驶的轨道，轨道有至少两条，每条轨道旁对应设置有所述雷达测速测距仪、所述授时接收机、所述卫星导航信号模拟器和漏缆、以及所述综合控制分系统组成的一套分系统。

本发明的另一目的是旨在提供一种隧道内外导航信号连续定位方法，其技术方案如下：

隧道内外导航信号连续定位方法，包括如下步骤：

S1，向综合控制分系统输入雷达测速测距仪、各个卫星导航信号模拟器和漏缆的位置坐标；

S2，雷达测速测距仪测得目标物来时速度和距离信息、并打上本地时标，授时接收机接收对天卫星信号、并解算出TOD时间和卫星星历、并输出1PPS和10MHz信号；

S3，综合控制分系统读取TOD时间、卫星星历、带有本地时标的速度和距离信息、以及雷达测速测距仪的位置坐标、卫星导航信号模拟器的位置坐标、漏缆的位置坐标，计算出卫星导航信号模拟器需要仿真的目标物轨迹和仿真时刻；

S4，卫星导航信号模拟器和漏缆仿真并向隧道内的目标物发送卫星信号。本发明可以在不改变目标物上导航接收机的前提下，通过在隧道外面架设雷达测速测距仪，结合隧道内已有的漏缆和光纤走线，在隧道内架设导航定位连续仿真系统，可低成本高精度地解决火车进出隧道引起的定位结果丢失和时间不连续问题。

进一步地，综合控制分系统的目标物仿真轨迹算法为：

目标物到达位置P_i的时间T_i=T₀+L₀/V₀+|P_i-P₁|/V₀；

加速度a=；

目标物仿真轨迹起始位置P_j=P_i-0.5×a×（T_i-T_s）^{^2}；

P₁——雷达测速测距仪的位置坐标；

T₀——雷达测速测距仪的本地时标；

V₀——在T₀时刻测得的目标物速度；

L₀——目标物距离雷达测速测距仪的距离；

P_i——第i台卫星导航信号模拟器连接的起始漏缆位置坐标；

T_s——仿真起始时刻的本地时标；

P_j——目标物仿真轨迹在T_s时刻的位置坐标；

目标物行驶至P_i位置坐标后，做匀速运动。

进一步地，光纤把卫星导航信号模拟器的1PPS输入和1PPS输出连接成菊花链形式，在所述步骤S3中，测量出传输1PSS信号的N根光纤对应的1PPS延时T_i（i=1，2…N），综合控制分系统给卫星导航信号模拟器发送其坐标值和1PPS延时修正值TN_j（j=1，2…N），TN_j=T₁+T₂+…+T_j；

进一步地，卫星导航信号模拟器根据接收到的TOD时间信息和1PPS开始本地守时，根据接收到的卫星星历和目标物轨迹仿真动态参数，在T_s时刻，在修正了1PPS时延值后的1PPS上升沿开始仿真导航信号，确保卫星导航信号模拟器对齐于授时接收机1PPS时刻统一开始仿真信号；

1PPS时延修正算法：卫星导航信号模拟器将收到的1PPS信号延迟1-TN_j秒时间，然后将本地守时时间加上1秒；

TN_j——传输到第j台卫星导航信号模拟器的1PPS上升沿滞后授时接收机输出的1PPS上升沿的时间值。

进一步地，所述雷达测速测距仪、所述授时接收机、所述卫星导航信号模拟器和漏缆、以及所述综合控制分系统组成导航系统，导航系统的载噪比在30到50之间。

进一步地，每隔一段时间更新一次星历，综合控制分系统将授时接收机更新后的星历传输给卫星导航信号模拟器，卫星导航信号模拟器根据新星历计算卫星位置和伪距参数，仿真星历更新后的卫星信号，并由漏缆辐射出去。

附图说明

图1是定位系统的框架图；

图2是目标物仿真轨迹的坐标系。

具体实施方式

在本发明专利申请阶段，本申请人还申请了隧道内外导航定位连续仿真系统，是基于真实卫星信号模拟器（下称“卫星导航信号模拟器”）的隧道内导航定位仿真系统，由安置在隧道外的一台导航接收机及其天线、综合控制系统、隧道内的N台卫星导航信号模拟器、发送星历和时间信息的光缆及光电转换器、传输1PPS和10MHz的2N根光纤及光电转换器、辐射信号的N根漏缆等组成。但是此系统如果要达到定位精度优于10米，需要每隔20米布设一台卫星导航信号模拟器，漏缆的距离很短，带来施工难度加大，成本上升。本发明提出改进的隧道内导航定位仿真系统，通过在隧道外面架设雷达测速测距仪，测出火车来时的速度和距离雷达测速仪的距离，并打上时间标，通过这些信息，结合每台卫星导航信号模拟器连接漏缆的布设位置，就可以规划计算出每台卫星导航信号模拟器需要仿真的起始时刻和火车匀加速轨迹，保证火车经过每台卫星导航信号模拟器的漏缆起始辐射位置时，卫星导航信号模拟器仿真的火车位置和速度信息与真实的火车位置和速度信息一致，然后模拟的火车轨迹转入匀速运动。

隧道内外低成本高精度连续定位系统和方法，系统组成和连接关系如图1，两个隧道口外面各自架设了一台雷达测距测速仪和授时接收机，分别连接隧道内一侧的N台卫星导航信号模拟器和综合控制分系统。隧道内一般都是双轨道双线结构，每条轨道上的火车单向行驶，隧道每一侧的仿真分系统保证距离最近的火车轨道上行驶的火车速度方向与仿真的火车轨迹速度方向一致。

每套仿真分系统包括综合总控分系统、隧道外的1台雷达测速测距仪、1台授时接收机及其天线、隧道内一侧的若干台卫星导航信号模拟器、光缆及光电转换器、辐射信号的若干根漏缆等，两个隧道口外面各放置一台雷达测速测距仪，火车过来时将火车的距离和速度信息打上时标送给综合控制分系统。两个隧道口外各放置一台导航接收机，获取TOD时间、导航星历、用户位置，通过光缆把星历、TDO时间信息、1PPS和10MHz等传输给隧道内两侧的若干台卫星导航信号模拟器；综合控制分系统根据获取到的火车速度，位置和时间信息，以及隧道内两侧各台卫星导航信号模拟器的位置信息，规划出每台卫星导航信号模拟器对应的虚拟火车轨迹和仿真起始时刻，并发给对应的卫星导航信号模拟器；隧道内两侧每隔一段距离放置一台卫星导航信号模拟器，连接一段漏缆，卫星导航信号模拟器根据接收到的星历、仿真起始时间和虚拟的火车轨迹仿真导航信号，并通过漏缆辐射出去。此方法适用于火车通过隧道时，火车上的导航接收机不失锁，时间和定位连续，而且定位精度很高，在不需要很多卫星导航信号模拟器的前提下能够实现定位精度优于10米。

授时接收机输出的1PPS信号和10MHz经过光电转换器变为光信号，通过单模光纤和光电转换器再变为1PPS信号和10MHz信号传给隧道内一侧的第一台卫星导航信号模拟器的1PPS输入端口和10MHz输入端口；第一台卫星导航信号模拟器的1PPS输出和10MHz输出经过光电转换器和单模光纤传输给第二台卫星导航信号模拟器，以此类推，利用N根光纤把N台卫星导航信号模拟器的1PPS输入和1PPS输出连接成菊花链形式，利用N根光纤把N台卫星导航信号模拟器的10MHz输入和10MHz输出连接成菊花链形式。隧道另一侧的N台卫星导航信号模拟器和隧道另一口外面的授时接收机也是同样的菊花链方法将10MHz和1PPS连接起来。

由于隧道一侧和另一侧是独立运行且结构相同的仿真分系统，因此这里只讲述一套仿真分系统的技术步骤：

S1：雷达测速测距仪测量得到的火车速度和距离信息打上本地时标，送给综合控制分系统，本地时间通过GPS授时，以1ms间隔计数打时标；

S2：授时接收机接收对天卫星信号，解算出TOD时间、卫星星历、用户位置，输出1PPS和10MHz信号；

S3：隧道内两侧每隔一段距离放置一台卫星导航信号模拟器，连接一段漏缆和光缆，距离间隔设置一般不超过500米，事先测量出N台卫星导航信号模拟器和漏缆两端安装时的位置坐标；

S4：综合控制分系统读取授时接收机解算得到的星历信息、TOD时间信息，经由光纤分别传输给隧道一侧的N台卫星导航信号模拟器；

S5：综合控制分系统读取带有时标信息的火车速度和距离信息，以及雷达测速测距仪的位置坐标，结合火车将要经过隧道铁轨一侧的若干台卫星导航信号模拟器及其联接漏缆的位置坐标，计算出每台卫星导航信号模拟器需要仿真的火车匀加速-匀速轨迹以及仿真时刻，保证火车经过每台模拟器漏缆起始辐射位置时，卫星导航信号模拟器仿真的火车位置和速度信息与真实的火车位置和速度信息一致；

火车仿真轨迹算法为：

假设雷达测速仪位置为P₁， T₀时刻测得的火车速度为V₀，距离为L₀，第i台卫星导航信号模拟器连接的起始漏缆位置为P_i，仿真起始时刻为T_s，火车仿真轨迹在T_s时刻从P_j位置开始，经过T_i-T_s时间匀加速运动后，在T_i时刻速度达到V₀，位置跑到P_i，然后做匀速运动，如图2所示。

则有火车到达位置P_i的时间T_i=T₀+L₀ V₀+|P_i-P₁|/V₀

加速度a=

火车仿真轨迹起始位置P_j=P_i-0.5a（T_i-T_s）^{^2}

S6：测量出传输1PSS信号的N根光纤对应的1PPS延时T_i（i=1，2…N），综合控制分系统统一给N台卫星导航信号模拟器发送仿真起始时间和星历信息、TDO时间信息、火车轨迹，给每一台信号卫星导航信号模拟器发送其坐标值和1PPS延时修正值TN_j（j=1，2…N），TN_j=T1+T2+…+Tj；

S7：卫星导航信号模拟器根据接收到的TOD时间和1PPS开始本地守时，根据接收到的星历和火车轨迹仿真动态参数，在仿真起始时刻，在修正了1PPS时延值后的1PPS上升沿开始仿真导航信号，确保N台卫星导航信号模拟器在对齐于授时接收机1PPS时刻统一开始仿真信号；

1PPS时延修正算法：第j台模拟器的时延值为TN_j，其含义是传输到该模拟器的1PPS上升沿滞后了授时接收机输出的1PPS上升沿TN_j时间，卫星导航信号模拟器将收到的1PPS信号延迟1-TN_j秒时间，然后将本地守时时间加上1秒，这样可以保证此台模拟器的1PPS对齐于授时接收机输出的1PPS信号，卫星导航信号模拟器守时时间与授时接收机输出的TOD时间一致；

S8：仿真的导航信号通过漏缆辐射出去，调整导航信号功率大小，保证隧道内导航接收机正常定位，载噪比在30到50之间。

S9：导航系统每隔一段时间更新一次星历，综合控制分系统将授时接收机更新后的星历传输给N台卫星导航信号模拟器，卫星导航信号模拟器根据新星历计算卫星位置和伪距参数，仿真星历更新后的卫星信号。

优选地，假设一段2000米的隧道，要求B1/L1室内定位结果误差小于10米，覆盖火车/高铁上常用的B1/L1接收机，则需要在隧道内两侧各布设4台真实信号卫星导航信号模拟器，第一台卫星导航信号模拟器距隧道口0米，其余各卫星导航信号模拟器距离500米，另需要8根漏缆，8根光纤。

S1：隧道外的雷达测速测距仪测量得到的火车速度和距离信息打上本地时标，连同本地坐标一同送给综合控制分系统，本地时间通过GPS授时，以1ms间隔计数打时标；

S2：隧道外放置授时接收机，接收L1/B1实际对天卫星信号，解算出TOD时间、GPS和北斗的卫星星历、用户位置，输出1PPS和10MHz信号；

S3：隧道内每隔500米距离放置一台卫星导航信号模拟器，连接一段漏缆和光缆，事先测量出隧道两侧各4台模拟器和漏缆安装时的坐标，保存在两个综合控制分系统软件中；

S4：综合控制分系统读取授时接收机解算得到的星历信息、TOD时间信息，经由光纤传输给对应的4台卫星导航信号模拟器；

S5：综合控制分系统读取带有时标信息的火车速度和距离信息，以及雷达测速测距仪的位置坐标，结合火车将要经过隧道铁轨一侧的4台真实信号模拟器及其连接漏缆的位置坐标，计算出每台卫星导航信号模拟器需要仿真的火车匀加速-匀速轨迹以及仿真时刻，保证火车经过每台卫星导航信号模拟器漏缆起始辐射位置时，卫星导航信号模拟器仿真的火车位置和速度信息与真实的火车位置和速度信息一致；

S6：测量出传输1PSS信号的4根光纤对应的1PPS延时Ti（i=1，2…4），综合控制系统软件统一给4台卫星导航信号模拟器发送仿真起始时刻和星历信息、TDO时间信息，给每一台卫星导航信号模拟器发送其仿真的火车轨迹和1PPS延时修正值TNj（j=1，2…4），TNj=T1+T2+…+Tj；

S7：每台卫星导航信号模拟器根据接收到的TOD时间，1PPS延时修正值和1PPS开始1PPS时延修正和本地守时；

1PPS时延修正算法：第j台卫星导航信号模拟器的时延值为TNj，其含义是传输到该卫星导航信号模拟器的1PPS上升沿滞后了授时接收机输出的1PPS上升沿TNj时间，卫星导航信号模拟器将收到的1PPS信号延迟1-TNj秒时间，然后将本地守时时间加上1秒，这样可以保证此台卫星导航信号模拟器的1PPS对齐于授时接收机输出的1PPS信号，卫星导航信号模拟器守时时间与授时接收机输出的TOD时间一致；

S8：每台卫星导航信号模拟器根据接收到的仿真起始时刻、星历和火车轨迹仿真B1和L1频点的动态参数；

S9：仿真的B1/L1导航信号通过漏缆辐射出去，调整导航信号功率大小，保证隧道内导航接收机正常定位，载噪比在30到50之间。

S10：GPS导航系统每2个小时更新一次星历，北斗导航系统每1个小时更新一次星历，综合控制分系统将授时接收机更新后的星历传输给4台卫星导航信号模拟器，卫星导航信号模拟器根据新星历计算卫星位置和伪距参数，仿真星历更新后的卫星信号。

Claims (9)

1.隧道内外导航信号连续定位系统，其特征在于，包括：

雷达测速测距仪，测出目标物来时速度和距离，打上本地时标；

授时接收机，解算出TOD时间和卫星星历，输出1PPS和10MHz信号，并传输给卫星导航信号模拟器；

交替连接的卫星导航信号模拟器和漏缆，仿真并向隧道内的目标物发送卫星信号；

综合控制分系统，读取TOD时间、卫星星历、带有本地时标的速度和距离信息、以及雷达测速测距仪的位置坐标、卫星导航信号模拟器的位置坐标、漏缆的位置坐标，计算出卫星导航信号模拟器需要仿真的目标物轨迹和仿真时刻。

2.根据权利要求1所述的隧道内外导航信号连续定位系统，其特征在于，雷达测速测距仪和授时接收机均分布在隧道外目标来向侧，综合控制分系统位于隧道内，相邻两卫星导航信号模拟器之间的距离不超过500米。

3.根据权利要求1所述的隧道内外导航信号连续定位系统，其特征在于，光纤把卫星导航信号模拟器的1PPS输入和1PPS输出连接成菊花链形式，光纤还把卫星导航信号模拟器的10MHz输入和10MHz输出连接成菊花链形式。

4.根据权利要求1或2或3所述的隧道内外导航信号连续定位系统，其特征在于，隧道物内设有供目标物单向行驶的轨道，轨道有至少两条，每条轨道旁对应设置有所述雷达测速测距仪、所述授时接收机、所述卫星导航信号模拟器和漏缆、以及所述综合控制分系统组成的一套分系统。

5.隧道内外导航信号连续定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，向综合控制分系统输入雷达测速测距仪、各个卫星导航信号模拟器和漏缆的位置坐标；

S2，雷达测速测距仪测得目标物来时速度和距离信息、并打上本地时标，授时接收机接收对天卫星信号、并解算出TOD时间和卫星星历、并输出1PPS和10MHz信号；

S3，综合控制分系统读取TOD时间、卫星星历、带有本地时标的速度和距离信息、以及雷达测速测距仪的位置坐标、卫星导航信号模拟器的位置坐标、漏缆的位置坐标，计算出卫星导航信号模拟器需要仿真的目标物轨迹和仿真时刻；

S4，卫星导航信号模拟器和漏缆仿真并向隧道内的目标物发送卫星信号。

6.根据权利要求5所述的隧道内外导航信号连续定位方法，其特征在于，综合控制分系统的目标物仿真轨迹算法为：

目标物到达位置P_i的时间T_i=T₀+L₀/V₀+|P_i-P₁|/V₀；

加速度a=；

目标物仿真轨迹起始位置P_j=P_i-0.5×a×（T_i-T_s）^{^2}；

P₁——雷达测速测距仪的位置坐标；

T₀——雷达测速测距仪的本地时标；

V₀——在T₀时刻测得的目标物速度；

L₀——目标物距离雷达测速测距仪的距离；

P_i——第i台卫星导航信号模拟器连接的起始漏缆位置坐标；

T_s——仿真起始时刻的本地时标；

P_j——目标物仿真轨迹在T_s时刻的位置坐标；

目标物行驶至P_i位置坐标后，做匀速运动。

7.根据权利要求6所述的隧道内外导航信号连续定位方法，其特征在于，光纤把卫星导航信号模拟器的1PPS输入和1PPS输出连接成菊花链形式，在所述步骤S3中，测量出传输1PSS信号的N根光纤对应的1PPS延时T_i（i=1，2…N），综合控制分系统给卫星导航信号模拟器发送其坐标值和1PPS延时修正值TN_j（j=1，2…N），TN_j=T₁+T₂+…+T_j；

卫星导航信号模拟器根据接收到的TOD时间信息和1PPS开始本地守时，根据接收到的卫星星历和目标物轨迹仿真动态参数，在T_s时刻，在修正了1PPS时延值后的1PPS上升沿开始仿真导航信号，确保卫星导航信号模拟器对齐于授时接收机1PPS时刻统一开始仿真信号；

1PPS时延修正算法：卫星导航信号模拟器将收到的1PPS信号延迟1-TN_j秒时间，然后将本地守时时间加上1秒；

TN_j——传输到第j台卫星导航信号模拟器的1PPS上升沿滞后授时接收机输出的1PPS上升沿的时间值。

8.根据权利要求5或6或7所述的隧道内外导航信号连续定位方法，其特征在于，所述雷达测速测距仪、所述授时接收机、所述卫星导航信号模拟器和漏缆、以及所述综合控制分系统组成导航系统，导航系统的载噪比在30到50之间。

9.根据权利要求5或6或7所述的隧道内外导航信号连续定位方法，其特征在于，每隔一段时间更新一次星历，综合控制分系统将授时接收机更新后的星历传输给卫星导航信号模拟器，卫星导航信号模拟器根据新星历计算卫星位置和伪距参数，仿真星历更新后的卫星信号，并由漏缆辐射出去。