CN110082784A - 北斗隧道覆盖系统及布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种北斗隧道覆盖系统及布设方法，通过一个管理单元、一个基准单元和至少一个中继单元形成一条通信链路，根据接收的真实卫星导航信号模拟再生与其时间频率同步的卫星导航信号，并通过天线播发，以保证隧道内能有效接收到再生信号；根据隧道环境设置合适的布设位置，保障在列车由开放区域进入封闭区域时能够实现无缝连续导航，在不对各车载终端、手持终端等做任何改动情况下满足机车定位、人员定位、集装箱定位、精密授时服务。

Description

北斗隧道覆盖系统及布设方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种北斗隧道覆盖系统及布设方法。

背景技术

在国内整个铁路运输沿线中，存在大量遮挡环境，典型的如隧道、场站等。由于环境的相对封闭性，卫星导航信号几乎被完全遮蔽，其信号强度远远低于接收机所能跟踪的底限，位于其内的接收设备根本无法定位，属于定位盲区。

常规解决定位盲区的技术大致有两类，第一类是基于WIFI定位、蓝牙定位等的室内定位技术。该技术主要根据定位模块采集的信号强度去计算定位模块与接收设备的距离，最终通过三点定位方法，将接收设备的位置计算出来。室内定位技术在铁路隧道环境下，存在布设施工困难、信号干扰、精度较低且与GNSS信号不兼容等局限性。

第二类是伪卫星定位技术，伪卫星定位系统是一个模拟卫星定位系统的区域定位系统，基本原理源于GPS，可用4颗以上的伪北斗卫星作为信号源来模拟BDS系统中的卫星，采用独立的坐标系和时间标准，组成伪卫星网络，并通过定制的接收机和主控站完成伪卫星系统的同步控制，实现给一定区域内进行定位。虽然播发信号和频率与BDS相同，但由于伪卫星的星地距较短，来自伪卫星信号的多径效应比来之卫星信号的多径效应要强的多，标准BDS接收机需要经过改造才能正常接收信号，无法与通用的手持终端兼容。另外伪卫星定位技术在工程施工中也存在一系列的关键问题需要解决。

常规的WIFI定位、蓝牙定位等室内定位技术存在精度较低且与GNSS信号不兼容等局限性，伪卫星技术虽然播发信号和频率与直播卫星业务(Direct BroadcastingSatellite Servic，DBS)相同，但标准DBS接收机需要经过改造才能正常接收信号。两类技术同时存在布设复杂，施工强度大、组建系统困难等问题。

发明内容

本发明实施例提供一种北斗隧道覆盖系统及布设方法，用于解决现有技术在遮挡环境下进行覆盖增强时，布设复杂，施工强度大、组建系统困难等问题。

第一方面，本发明实施例提供一种北斗隧道覆盖系统，一条通信链路包括一个管理单元、一个基准单元和至少一个中继单元；

所述管理单元，由服务器、交换机和客户端组成，通过既有通信网与布设在隧道内的基准单元相连，用于对基准单元所属的通信链路的设备进行监控和管理；

所述基准单元，用于获取历书和基准时间，完成对天实际信号的时间同步和时钟驯服，为所述中继单元提供时间信息和时频基准信号；

所述中继单元，用于根据接收的真实卫星导航信号模拟再生与其时间频率同步的卫星导航信号，并通过天线播发，以保证隧道内能有效接收到再生信号。

第二方面，本发明实施例提供一种北斗隧道覆盖布设方法，进行任一条通信链路的隧道布设时，

在隧道外靠近第一洞口的第一预设位置或者隧道内靠近第一洞口的第二预设位置布设管理单元；

在隧道外靠近第一洞口的第三预设位置或者隧道内、往第二洞口方向、靠近所述管理单元的第四预设位置布设基准单元；

在隧道内、靠近所述基准单元、往第二洞口方向的隧道壁上依次布设中继单元，其中第一个中继单元与所述基准单元间隔第一长度；若存在多个中继单元，则中继单元之间依次间隔第二长度；

其中基准单元与中继单元的安装高度为距离轨道面的第一高度；

基准单元与中继单元的的雷达感应器件的安装高度为距离轨道面的第二高度；

中继单元的播发天线的安装高度为距离轨道面的第三高度。

本发明实施例提供的北斗隧道覆盖系统及布设方法，通过一个管理单元、一个基准单元和至少一个中继单元形成一条通信链路，根据接收的真实卫星导航信号模拟再生与其时间频率同步的卫星导航信号，并通过天线播发，以保证隧道内能有效接收到再生信号；根据隧道环境设置合适的布设位置，保障在列车由开放区域进入封闭区域时能够实现无缝连续导航，在不对各车载终端、手持终端等做任何改动情况下满足机车定位、人员定位、集装箱定位、精密授时服务。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种北斗隧道覆盖系统示意图；

图2为应用本发明实施例北斗隧道覆盖布设方法的单洞双线隧道布设示意图；

图3为中继单元分体式安装示意图；

图4为本发明实施例集中电供电示意图；

图5为本发明实施例多点电供电示意图。

附图标记说明

301、播发天线， 302、雷达感应器件， 303、中继单元主机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种北斗隧道覆盖系统示意图。如图1所示的北斗隧道覆盖系统，一条通信链路包括一个管理单元、一个基准单元和至少一个中继单元；

所述管理单元，由服务器、交换机和客户端组成，通过既有通信网与布设在隧道内的基准单元相连，用于对基准单元所属的通信链路的设备进行监控和管理；

所述基准单元，用于获取历书和基准时间，完成对天实际信号的时间同步和时钟驯服，为所述中继单元提供时间信息和时频基准信号；

所述中继单元，用于根据接收的真实卫星导航信号模拟再生与其时间频率同步的卫星导航信号，并通过天线播发，以保证隧道内能有效接收到再生信号。

请参考图1，本发明实施例的应用环境为列车隧道，根据隧道长度，一条通信链路一般包括一个管理单元、一个基准单元和多个一个中继单元，中继单元的具体数量根据隧道的长度和布设间隔而定，通过多中继单元级联的布设方式，满足长大隧道应用需求。可以通过一个网管系统对多个隧道内的通信链路进行管理，通信网为铁路内网。

具体的，若存在多个中继单元，则其中第一个中继单元上行与所述基准单元通过光纤连接，下行与其它中继单元通过光纤形成链型连接。

所述中继单元包括雷达感应器件和播发天线，并支持动态补偿模式；所述基准单元包括雷达感应器件和接收天线，雷达感应器件用于感应列车信号，接收天线用于接收信号，播发天线用于将信号发送出去。

其中，管理单元和基准单元的功能可以由两个单独的设备实体实现，也可以由一个设备实体实现。若管理单元和基准单元是两个单独的设备实体，则它们在安装时是相邻安装。

本发明实施例的北斗隧道覆盖增强系统能够在隧道内实时同步播发与真实信号同步的卫星导航模拟信号，可实现实时同步卫星导航信号的模拟，具备高精度时间同步技术以及高精度数据同步技术。

本发明实施例的北斗隧道覆盖系统，通过一个管理单元、一个基准单元和至少一个中继单元形成一条通信链路，根据接收的真实卫星导航信号模拟再生与其时间频率同步的卫星导航信号，并通过天线播发，以保证隧道内能有效接收到再生信号，保障在列车由开放区域进入封闭区域时能够实现无缝连续导航，在不对各车载终端、手持终端等做任何改动情况下满足机车定位、人员定位、集装箱定位、精密授时服务。

基于本发明实施例所述的北斗隧道覆盖系统，本发明实施例还提供一种北斗隧道覆盖布设方法，其中隧道是指通信链路的布设区域，包括隧道主体部分，两端洞口(分别称为第一洞口和第二洞口)，通常隧道两端洞口外侧的部分区域也属于通信链路的布设区域。图2为应用本发明实施例北斗隧道覆盖布设方法的单洞双线隧道布设示意图。

(1)对于单洞单线隧道，在隧道的一侧布设一条通信链路，以实现对隧道内等卫星信号遮蔽区的卫星导航信号的覆盖；

(2)对于单洞双线隧道，在隧道两侧针对上行和下行方向，分别布设一条通信链路，即分别布设上行通信链路和下行通信链路，以实现对隧道内等卫星信号遮蔽区的卫星导航信号的覆盖。

本发明实施例所述的北斗隧道覆盖布设方法，按照方位顺序，隧道第一洞口->隧道主体->隧道第二洞口，在进行任一条通信链路的隧道布设时，

(1)对于管理单元和基准单元：

在隧道外靠近第一洞口的第一预设位置或者隧道内靠近第一洞口的第二预设位置布设管理单元；

在隧道外靠近第一洞口的第三预设位置或者隧道内、往第二洞口方向、靠近所述管理单元的第四预设位置布设基准单元；

可知，管理单元和基准单元可以布设在隧道内，也可以布设在隧道外，采用壁挂方式安装在隧道内或固定在隧道外的室外设备箱体内。布设位置要兼顾基准单元接收天线和雷达感应器件的信号质量，主要便于与天线(室外信号引出、雷达(判断列车进入)安装，如太远，则通过馈缆，信号会有衰减。

若管理单元和基准单元的功能由一个设备实体实现，则所述第一预设位置与第三预设位置相同，或者所述第二预设位置与所述第四预设位置相同。即管理单元和基准单元合并为一个设备，要不布设在隧道内的第一预设位置，要么布设在隧道外的第二预设位置。

(2)对于中继单元：

在隧道内、靠近所述基准单元、往第二洞口方向的隧道壁上依次布设中继单元，其中第一个中继单元与所述基准单元间隔第一长度；若存在多个中继单元，则中继单元之间依次间隔第二长度；

多个中继单元时，其中第一个中继单元上行与所述基准单元通过光纤连接，下行与其它中继单元通过光纤形成链型连接；各中继单元以一定间隔布设在隧道侧壁或洞室(避车洞、设备洞室)，中继单元数量根据隧道长度和布设间距确定。

(3)各设备的布设高度：

其中基准单元与中继单元的安装高度为距离轨道面的第一高度；具体的，此处基准单元与中继单元是指基准单元主机与中继单元主机；

基准单元与中继单元的的雷达感应器件的安装高度为距离轨道面的第二高度；

中继单元的播发天线的安装高度为距离轨道面的第三高度。

本发明实施例为保证北斗隧道覆盖增强系统信号覆盖质量，对基准单元、中继单元及配套天线和雷达感应器件的安装高度有严格要求。图3为中继单元分体式安装示意图，中继单元采用分体式安装，由下至上分别为中继单元主机303、雷达感应器件302、播发天线301；基准单元也同样采用分体式安装；即基准单元主机与中继单元主机安装的第一高度最低，雷达感应器件安装的第二高度高于第一高度，天线(中继单元天线和基准单元天线)安装的第三高度高于第二高度。

基于上述任一可选实施例，所述第二预设位置为距离第一洞口49～51米的范围内；即管理单元的布设位置为隧道内49-51米之间，通常可以在50米处进行布设。

所述第四预设位置为距离第一洞口49～51米的范围内；即基准单元的布设位置为隧道内49-51米之间，通常可以在50米处进行布设。

在具体实施时，管理单元和基准单元可以同时布设在隧道外，也可以同时布设在隧道内，或者管理单元布设在隧道外，基准单元布设在隧道内，位置按第四预设位置，总之，管理单元和基准单元相邻布设。

所述第一长度范围为50～100米；第一长度是基准单元与第一台中继单元之间的距离；

基准单元与第一台中继单元距离在50-100米之间，(根据基准单元、第一个中继单元的距离及触发时间计算的，距离过短会造成较大的误差，要遵循50-100米的安装规范)。对于单洞单线隧道，后续中继单元之间单侧间隔247～253米，优选的间隔250米。通过合理选择中继单元布设间距和中继单元模拟GNSS卫星播发功率，避免不同中继单元播发的模拟GNSS卫星信号互相干扰。

所述第一高度范围为50～60厘米，所述第二高度范围为130～150厘米，所述第三高度范围为170～190厘米。

中继单元主机、感应器件、播发天线的安装高度分布为第一高度、第二高度和第三高度。优选的，第一高度为55厘米，第二高度为140厘米，第三高度为180厘米。

基于上述任一可选实施例，对于单洞单线隧道，布设一条通信链路，所述第二长度范围为247～253米；优选的，单洞单线隧道各中继单元之间的间隔为205米。

对于单洞双线隧道，在隧道两侧针对上行和下行方向，分别布设一条通信链路，上行通信链路的中继单元之间间隔的第二长度范围为497～503米，下行通信链路的中继单元之间间隔的第二长度范围为497～503米，上行通信链路和下行通信链路的中继单元之间交叉间隔247～253米。

优选的，单洞双线隧道，上行通信链路的中继单元之间间隔为500米，下行通信链路的中继单元之间间隔为500米，上行通信链路和下行通信链路的中继单元之间交叉间隔250米。

基准单元的接收天线安装位置选择隧道外开阔地带，保证基准单元能正常接收卫星信号。

基于上述任一可选实施例，若通信链路的最后一个中继单元距离第二洞口超过150米，则在所述最后一个中继单元之后加装一个中继单元。

综上，本发明实施例，对于单洞双线隧道，北斗隧道覆盖增强系统的布设采用两条通信链路的型式解决北斗信号覆盖。其布设方法与单洞单线隧道基本一致，主要区别在单洞双线隧道，在隧道两侧针对上、下行方向各布设一套信号覆盖增强设备，上下行分别动态补偿。在单洞单线隧道，只需布设一套信号覆盖增强设备，实现对隧道内等卫星信号遮蔽区的卫星导航信号的覆盖。

单洞双线隧道两侧上下行各安装一套管理单元、基准单元和若干中继单元形成两条单独链路，中继单元之间单侧间隔500(±5)米，中继单元上下行交叉间隔250(±3)米。每条链路最后一台距离隧道洞口≥150米需加1套中继单元，最后一台距离隧道洞口＜150米，无需安装。

基于上述任一可选实施例，通过集中供电或多点供电方式对所述通信链路进行供电；

所述集中供电包括：设置一个电接口，在所述电接口设置空气开关，所述空气开关的一端连接配电箱输出接口，另一端与所述通信链路上的第一个中继单元进行电连接；

所述多点供电包括：将所述通信链路的设备划分为若干组，每个组分别取电，每个组设置一个取电位置，每个去电位置各配置一套配电设备。

图4为本发明实施例集中电供电示意图。链路内设备用电由同一位置引出，空气开关仅在该位置布设即可，一端连接配电箱输出接口，一端与最近中继单元电源接口连接。

图5为本发明实施例多点电供电示意图。对需要多点取电的长大隧道，根据隧道供电条件，将设备划分为若干组，各组分别取电，每组取电位置各单独配置一套配电设备。

本发明实施例所述北斗隧道覆盖布设方法具有如下特点：

1、隧道内各设备的布设位置符合铁路隧道环境的特殊性。

1)中继单元数量根据隧道长度和布设间距确定，可采用多中继单元级联的布设方式，满足长大隧道应用需求。

2)各中继单元之间距离为500米(铁路隧道内单侧避车洞室间隔500米)，可安装在避车洞内。设备取电方便、便于施工、维护工作，符合铁路避车洞室设计施工规范。

3)通过大量动态测试验证，感应模块、播发天线安装高度，与列车载装的通用GNSS终端接收性能匹配。

2、系统各节点设备采用有线光纤串行连接，较传统无线连接更加稳定。

1)通过光纤采用链型组网，中间某一中继单元出现故障时，进行自动切换至光旁路，其它中继单元均能正常工作。

2)多个中继单元串行连接，每个中继单元自动监测并调整与基准单元的时延，保证多个中继单元并行工作。

3)基准单元与各中继单元通过光纤组成链状连接，光纤采用1+1冗余备份，保障系统安全、可靠、稳定。

4)主链路采用光纤材料，抗电磁干扰、通信容量大、传输距离远、重量轻便，且铁路隧道内既有光纤资源丰富，方便设计、易施工。

3、设备供电可采用集中电供电或多点供电方式

根据隧道的长度和特点，可采用集中电供电和多点供电方式，解决用电问题。

综上所述，针对现有室内定位技术和伪卫星技术，均存在布设复杂，施工强度大、组建系统困难和通用GNSS终端不匹配的问题，本发明实施例北斗隧道覆盖增强系统在隧道内挂装后，能够实时同步播发与真实信号同步的卫星导航模拟信号，用于实现隧道内接收设备的定位。基于模拟GNSS信号的室内定位方法完全模拟室外真实GNSS卫星信号的频率和电文信号，利用射频天线模拟GNSS卫星播发本设备位置经纬度信息。对高速运行的车辆通过感应模块获取其速度信息，利用射频天线模拟GNSS卫星播发车辆位置经纬度信息。在发射室内模拟信号的伪距信息中加入了大距离常数，将原本处于室内的模拟卫星等效转变为室外模拟卫星，避免隧道等封闭空间无线信号传输多径干扰，实现了无需在接收机端口做软件改动，室内采用标准GNSS接收机即可正常接收模拟信号，从而实现室内外GNSS信号统一和无缝定位。

基于该系统提供的室内外无缝一体化定位服务，可有效弥补列车行车监控、列车接近预警、动态闭塞控制、事故应急救援、实时指挥调度等系统的“最后一公里”短板，提升系统整体性能，将各场景应用贯通于统一时空基准下。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种北斗隧道覆盖系统，其特征在于，一条通信链路包括一个管理单元、一个基准单元和至少一个中继单元；

所述管理单元，由服务器、交换机和客户端组成，通过既有通信网与布设在隧道内的基准单元相连，用于对基准单元所属的通信链路的设备进行监控和管理；

所述基准单元，用于获取历书和基准时间，完成对天实际信号的时间同步和时钟驯服，为所述中继单元提供时间信息和时频基准信号；

所述中继单元，用于根据接收的真实卫星导航信号模拟再生与其时间频率同步的卫星导航信号，并通过天线播发，以保证隧道内能有效接收到再生信号。

2.根据权利要求1所述的北斗隧道覆盖系统，其特征在于，若存在多个中继单元，则其中第一个中继单元上行与所述基准单元通过光纤连接，下行与其它中继单元通过光纤形成链型连接。

3.根据权利要求1或2所述的北斗隧道覆盖系统，其特征在于，所述中继单元包括雷达感应器件和播发天线，并支持动态补偿模式；

所述基准单元包括雷达感应器件和接收天线。

4.根据权利要求1或2所述的北斗隧道覆盖系统，其特征在于，所述管理单元和所述基准单元的功能由一个设备实体实现。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述的北斗隧道覆盖系统的北斗隧道覆盖布设方法，其特征在于，进行任一条通信链路的隧道布设时，

在隧道外靠近第一洞口的第一预设位置或者隧道内靠近第一洞口的第二预设位置布设管理单元；

在隧道外靠近第一洞口的第三预设位置或者隧道内、往第二洞口方向、靠近所述管理单元的第四预设位置布设基准单元；

在隧道内、靠近所述基准单元、往第二洞口方向的隧道壁上依次布设中继单元，其中第一个中继单元与所述基准单元间隔第一长度；若存在多个中继单元，则中继单元之间依次间隔第二长度；

其中基准单元与中继单元的安装高度为距离轨道面的第一高度；

基准单元与中继单元的的雷达感应器件的安装高度为距离轨道面的第二高度；

中继单元的播发天线的安装高度为距离轨道面的第三高度。

6.根据权利要求5所述的北斗隧道覆盖布设方法，其特征在于，若所述管理单元和所述基准单元的功能由一个设备实体实现，则所述第一预设位置与第三预设位置相同，或者所述第二预设位置与所述第四预设位置相同。

7.根据权利要求5所述的北斗隧道覆盖布设方法，其特征在于，所述第二预设位置为距离第一洞口49～51米的范围内；

所述第四预设位置为距离第一洞口49～51米的范围内；

所述第一长度范围为50～100米；

所述第一高度范围为50～60厘米，所述第二高度范围为130～150厘米，所述第三高度范围为170～190厘米。

8.根据权利要求5-7任一项所述的北斗隧道覆盖布设方法，其特征在于，对于单洞单线隧道，布设一条通信链路，所述第二长度范围为247～253米；

对于单洞双线隧道，在隧道两侧针对上行和下行方向，分别布设一条通信链路，上行通信链路的中继单元之间间隔的第二长度范围为497～503米，下行通信链路的中继单元之间间隔的第二长度范围为497～503米，上行通信链路和下行通信链路的中继单元之间交叉间隔247～253米。

9.根据权利要求5-7任一项所述的北斗隧道覆盖布设方法，其特征在于，若通信链路的最后一个中继单元距离第二洞口超过150米，则在所述最后一个中继单元之后加装一个中继单元。

10.根据权利要求5-7任一项所述的北斗隧道覆盖布设方法，其特征在于，通过集中供电或多点供电方式对所述通信链路进行供电；

所述集中供电包括：设置一个电接口，在所述电接口设置空气开关，所述空气开关的一端连接配电箱输出接口，另一端与所述通信链路上的第一个中继单元进行电连接；

所述多点供电包括：将所述通信链路的设备划分为若干组，每个组分别取电，每个组设置一个取电位置，每个去电位置各配置一套配电设备。