CN113099530A - 基于蓝牙aoa定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统及方法。该系统包括AOA基站、蓝牙标签和终端服务器，所述AOA基站由天线阵列构成，安装于磁浮列车的两侧，所述蓝牙标签数量为若干个，沿轨道两侧分布，所述AOA基站分别与蓝牙标签与终端服务器连接，当磁浮列车沿轨道行驶经过蓝牙标签时，蓝牙标签被唤醒，发出电磁波信号，AOA基站基于接收到的电磁波信号计算得到电磁波的到达角，所述终端服务器基于该电磁波的到达角根据空间几何关系计算得到磁浮列车的位置，从而实现磁浮列车的绝对位置定位。本发明满足了磁浮列车的定位精度需求。

Description

基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统及方法

技术领域

本发明主要涉及定位技术领域，具体地说，涉及一种基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统及方法。

背景技术

随着磁浮列车往中速和高速方向不断发展，磁浮列车的安全可靠运行受到了进一步的关注，而磁浮列车的控制系统需要准确的位置信息作为参考。磁浮列车的定位系统用于给列车控制系统提供准确的车辆位置信息。

目前国内轮轨列车主要是利用轨道电路和安装在车轮上的光电编码器来实现列车的定位，然而磁浮列车以非接触式方式在轨道上运行，列车的定位通常利用轨道上的线圈和车载的应答器来实现定位，在列车运行过程中，列车的定位存在较大误差，并且易受环境的影响。

现有技术中常采用基于交叉感应回线、基于计数轨枕、基于长定子直线同步电机定子齿槽计数、基于雷达的列车定位方法进行列车定位。

(1)基于交叉感应回线的定位方法

先采用交叉感应回线来测量磁浮列车的速度，然后再采用相对定位的方法来得到列车的位置。这种方法是在轨道上铺设交叉回线，交叉回线中通以一定频率的交流电信号，然后列车通过车载的感应线圈测得交叉回线产生的感应电压，再通过计数列车位置。

(2)基于计数轨枕的定位方法

采用接近式传感器检测轨枕的方法来实现列车的定位。在列车上安装接近式传感器，当接近式传感器通过轨枕时，接近式传感器会输出一个脉冲信号，然后再根据轨枕的间距来计算得到列车的位置。

(3)基于长定子直线同步电机定子齿槽计数的定位方法

高速磁浮列车利用同步直线电机来牵引，带齿槽的长定子安装在轨道线路上，列车利用车载的检测线圈检测得到齿槽的数量，从而计算得到列车的位置。

(4)基于雷达的定位方法

基于多普勒雷达的测速定位方法指在车底安装多普勒雷达，向轨面发射电磁波，根据多普勒频移效应，由于列车与轨面存在相对运动，通过检测发射波和反射波之间的频移就可以得到列车的速度。

但是，上述基于交叉感应回线、基于计数轨枕以及基于长定子直线同步电机定子齿槽计数的列车定位方法都是采用相对定位的技术，列车定位误差会随着时间而增加，且针对整个轨道而言整套定位系统的成本比较高，且在道理交叉口需要特殊处理，因此在其造价和维护工作成本较高。基于多普勒雷达的测速定位具有维护简单、应用范围广的优点，在列车速度很高时误差较小，但其易受外部条件的影响，如振动、安装误差、雨雪和轨道的接缝或不平整等都会造成测量误差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统及方法，来实现磁浮列车在轨道上的定位。

本发明的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统包括AOA基站、蓝牙标签和终端服务器，所述AOA基站由天线阵列构成，安装于磁浮列车的两侧，所述蓝牙标签数量为若干个，沿轨道两侧分布，所述AOA基站分别与蓝牙标签与终端服务器连接，当磁浮列车沿轨道行驶经过蓝牙标签时，蓝牙标签被唤醒，发出电磁波信号，AOA基站基于接收到的电磁波信号计算得到电磁波的到达角，所述终端服务器基于该电磁波的到达角根据空间几何关系计算得到磁浮列车的位置，从而实现磁浮列车的绝对位置定位。

进一步地，所述AOA基站基于接收到的电磁波信号计算得到电磁波的到达角具体表现为：所述AOA基站中天线阵列的不同天线接收到的电磁波信号会存在相位差，根据该相位差可以计算AOA基站接收蓝牙标签电磁波信号的方向，即得到电磁波的到达角。

进一步地，所述基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统还包括微处理器、信号处理单元、列车控制单元、测速模块和通信模块，其中：微处理器用于计算蓝牙标签与AOA基站之间的相对位置信息，并将该相对位置信息发送给信号处理单元；测速模块用于测量磁浮列车的速度，并将测量的磁浮列车的速度发送给信号处理单元；信号处理单元用于接收该相对位置信息和磁浮列车的速度，并将两者进行数据融合，得出精度更高的最终定位结果；通信模块将最终定位结果发送给终端服务器；所述列车控制单元用于接收最终定位结果；所述AOA基站与微处理器连接，所述信号处理单元分别与微处理器、列车控制单元、测速模块和通信模块连接，所述终端服务器与通信模块连接。

进一步地，所述AOA基站包括AOA信号发射器、AOA定位器和AOA信号接收器，所述AOA信号接收器与蓝牙标签连接，所述AOA信号发射器与微处理器连接，所述AOA定位器分别与AOA信号发射器和AOA信号接收器连接，用于计算AOA基站中不同两个天线接收到同一蓝牙标签发射的电磁波信号的相位差。

进一步地，所述蓝牙标签发射的电磁波信号的相位差通过以下过程求解：所述蓝牙标签发射未白化的固定频率的蓝牙信号；所述AOA信号接收器接收蓝牙标签发出的电磁波信号，所述AOA定位器对该电磁波信号进行采样解析得到电磁波信号的I/Q数据，再通过I/Q数据计算该电磁波的相位差。

进一步地，所述电磁波的到达角通过如下公式计算得到：

式中，θ为AOA基站接收到的蓝牙标签发射的电磁波的到达角，d为不同两个天线之间的水平间距，λ为蓝牙标签发射的电磁波信号的波长，

为AOA基站中不同两个天线接收到的同一蓝牙标签发射的电磁波信号的相位差。

进一步地，所述AOA基站中天线阵列采用线性阵列，所述终端服务器通过如下过程计算磁浮列车的位置：

1)构建xyz三维坐标系，其中，x轴向为列车轴向方向，y轴向为列车横向方向，z轴向为列车高度方向；

2)设计蓝牙标签和AOA基站位于相同的高度，两者的z轴坐标相同，将构建的xyz三维坐标系转换为xy二维坐标系；

3)通过AOA基站计算得到电磁波的到达角θ；

4)磁浮列车的位置通过(d_x,d_y)定位，d_y为AOA基站到轨道沿线的垂直间距，d_x为AOA基站在x轴的投影与蓝牙标签的水平距离，且d_x表达式为：

d_x＝(d_y-h)sin(θ+φ)

式中，φ为AOA基站中阵列天线平面与轨道的夹角，h为蓝牙标签的厚度。

进一步地，当电磁波的到达角存在Δθ的误差时，则测得的定位误差Δd_x如下:

Δd_x＝(d_y-h)[sin(θ+φ)-sin(θ+Δθ+φ)]。

进一步地，还包括若干个界桩，若干个所述界桩沿轨道两侧均匀间隔设置，每个所述界桩上至少设置有一个蓝牙标签；和/或所述AOA基站安装于磁浮列车车头的两侧。

本发明磁浮列车绝对位置定位系统基于蓝牙AOA定位技术，包括轨道沿线部署的安装的低功耗蓝牙标签、车载的AOA基站以及终端服务器，当磁浮列车沿轨道行驶经过蓝牙标签时，蓝牙标签被唤醒，发出电磁波信号，AOA基站基于接收到的电磁波信号计算得到电磁波的到达角，所述终端服务器基于该电磁波的到达角根据空间几何关系计算得到磁浮列车的位置，从而实现磁浮列车的绝对位置定位。相对现有技术而言，上述磁浮列车绝对位置定位系统总体成本低，且低功耗的蓝牙标签电池能够持续工作5年以上；此外，基于蓝牙AOA的定位技术的角度精度高，在列车绝对位置的定位上，能实现厘米级的定位精度，更好地满足了磁浮列车的定位精度需求。

本发明的另一个方面，还提供一种基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位方法，通过其上所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统进行定位，所述磁浮列车绝对位置定位方法包括以下步骤：

步骤一、预先在磁浮列车的两侧安装AOA基站，在轨道两侧分布若干个蓝牙标签，同时将蓝牙标签、AOA基站与终端服务器连接；

步骤二、磁浮列车沿轨道行驶经过蓝牙标签，蓝牙标签向磁浮列车发送电磁波信号，AOA基站接收该电磁波信号并计算得到该电磁波的到达角；

步骤三、终端服务器根据该电磁波的到达角通过空间几何关系计算得到磁浮列车的位置。

上述磁浮列车绝对位置定位方法显然具有悬浮列车定位精度高的优点。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是蓝牙标签高精度定位AOA方法的原理图；

图2是本发明一实施例的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统的俯视图；

图3是本发明一实施例的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统的主视图；

图4是不同两个天线对电磁波信号进行AOA测量的原理图；

图5是基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车空间几何位置关系示意图；

图6是基于相位差的电磁波来波方向检测原理示意图；

图7是AOA基站与蓝牙标签位于相同高度时的定位示意图；

图8是本发明一实施例的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统的结构框图；

图9是误差随θ的变化示意图。

附图标记说明：

磁浮列车-1 AOA基站-2

蓝牙标签-3 界桩-4

轨道-5

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明采用的是基于AOA(Angle ofArrival，到达角度法)的蓝牙高精度定位方法，为更好地理解本发明，先对其定位原理进行论述。如图1所示，蓝牙标签3，即发射器发射未白化的固定频率的蓝牙信号(电磁波信号)，AOA基站2接收蓝牙标签3发出的蓝牙信号并对其进行采样解析得到信号的I/Q(In-phase/Quadrature-phase,同向/正交)数据，再通过I/Q数据计算蓝牙来波的相位差，最终计算得到蓝牙标签3相对于AOA基站2的角度，图1中显示为角度AOA。

图2和图3所示是本发明一实施例的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统的结构简图，其中图1所示是俯视图，图2所示是正视图。该实施例的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统包括AOA基站2、蓝牙标签3、界桩4和终端服务器，AOA基站2由天线阵列构成，具体安装于磁浮列车1车头的两侧，界桩4数量为若干个，若干个所述界桩4沿轨道5两侧均匀间隔设置，每隔3m左右铺设一个界桩4，每个所述界桩4上至少设置有一个蓝牙标签3，蓝牙标签3即发射器具有唯一的Mac(MediaAccess Control或者Medium Access Control，媒体访问控制，或称为物理地址、硬件地址)地址，AOA基站2分别与蓝牙标签3与终端服务器连接，当磁浮列车1沿轨道5行驶经过蓝牙标签3时，蓝牙标签3被唤醒，发出电磁波信号，AOA基站2基于接收到的电磁波信号计算得到电磁波的到达角，终端服务器基于该电磁波的到达角根据空间几何关系计算得到磁浮列车1的位置，从而实现磁浮列车1的绝对位置定位。图5是基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车1空间几何位置关系示意图。需要说明的是，轨道5沿线布置的蓝牙标签3的位置是确定的，AOA基站2在磁浮列车1上的位置也是已知并且固定的。

在进一步地技术方案中，AOA基站2基于接收到的电磁波信号计算得到电磁波的到达角具体表现为：所述AOA基站2中天线阵列的不同天线接收到的电磁波信号会存在相位差(这是由AOA基站2中的不同的天线到蓝牙标签3的距离不同导致的)，根据该相位差可以计算AOA基站2接收蓝牙标签3电磁波信号的方向，即得到电磁波的到达角。图4为不同两个天线对电磁波信号进行AOA测量的原理图。如图4所示，电磁波到达天线一和天线二的距离不同，得到的电磁波的相位差也不同，根据不同天线接收到信号的相位差，即可计算得到电磁波的到达角θ。优选地，为消除相位差的整周期模糊，唯一确定来波方向，在通过天线设计时，使AOA基站2的各天线间的间距小于半波长。

优选地，AOA基站2包括AOA信号发射器、AOA定位器和AOA信号接收器，AOA信号接收器与蓝牙标签3连接，AOA定位器分别与AOA信号发射器和AOA信号接收器连接，用于计算AOA基站2中不同两个天线接收到同一蓝牙标签3发射的电磁波信号的相位差。

设定λ为蓝牙标签3发射的电磁波信号的波长，

为AOA基站2中天线一和天线二接收到的同一蓝牙标签3发射的电磁波信号的相位差，该相位差通过AOA基站2计算得到，θ为AOA基站2接收到的标签电磁波信号的到达角，d为天线一和天线二之间的距离，如图6所示，根据正铉定理可知：

r＝dsinθ

同时，由电磁波特性及天线接收到的信号可得：

通过以上两式可以计算得到信号的到达角：

在AOA基站2的天线阵列设计中，可采用线性阵列、矩阵阵列或圆形阵列，当采用线性阵列的天线时所述终端服务器通过如下过程计算磁浮列车1的位置：

1)构建xyz三维坐标系，其中，x轴向为列车轴向方向，y轴向为列车横向方向，z轴向为列车高度方向；

2)设计蓝牙标签3和AOA基站2位于相同的高度，两者的z轴坐标相同，将构建的xyz三维坐标系转换为xy二维坐标系，具体参见图7；

3)通过AOA基站2计算得到电磁波的到达角θ；需要说明的是，θ也为蓝牙标签3与AOA基站2的连线与AOA基站2的中轴线的相对角度；

4)磁浮列车1的位置通过(d_x,d_y)定位，d_y为AOA基站2到轨道5沿线的垂直间距，d_x为AOA基站2在x轴的投影与蓝牙标签3的水平距离，且d_x表达式为：

d_x＝(d_y-h)sin(θ+φ)

式中，φ为AOA基站2中阵列天线平面与轨道5的夹角，h为蓝牙标签3的厚度。

需要说明的是，d_y、φ和h已知，一般d_y取值为60cm左右；φ取值为20o左右，h取值为2cm左右，通过上述d_x表达式即可求解出d_x，进而确定磁浮列车1的位置。

进一步地，本发明中定位精度与θ相关，当到达角存在Δθ的误差时，则测得的定位误差Δd_x如下:

Δd_x＝(d_y-h)[sin(θ+φ)-sin(θ+Δθ+φ)]。

假定d_y为60cm，θ的检测范围-70°至70°，φ为20°，定位误差Δθ为±2°，则其误差曲线图如图9所示，其中横坐标为测得的到达角，纵坐标为定位的最大误差。

此外，如图8所示，上述磁浮列车绝对位置定位系统还包括微处理器、信号处理单元、列车控制单元、测速模块和通信模块，其中：微处理器用于计算蓝牙标签与AOA基站之间的相对位置信息，并将该相对位置信息发送给信号处理单元；测速模块用于测量磁浮列车的速度，并将测量的磁浮列车的速度发送给信号处理单元；信号处理单元用于接收该相对位置信息和磁浮列车的速度，并将两者进行数据融合，得出精度更高的最终定位结果；通信模块将最终定位结果发送给终端服务器；所述列车控制单元用于接收最终定位结果；AOA基站2中信号发射器与与微处理器连接，信号处理单元分别与微处理器、列车控制单元、测速模块和通信模块连接，终端服务器与通信模块连接。需要说明的是，通信模块可用CAN通信或其他无线通信方式。

本发明的另一个方面，还提供一种基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位方法，通过其上任一项所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统进行定位，所述磁浮列车绝对位置定位方法包括以下步骤：

步骤一、预先在磁浮列车1的两侧安装AOA基站2，在轨道5两侧分布若干个蓝牙标签3，同时将蓝牙标签3、AOA基站2与终端服务器连接；

步骤二、磁浮列车1沿轨道5行驶经过蓝牙标签3，蓝牙标签3向磁浮列车1发送电磁波信号，AOA基站2接收该电磁波信号并计算得到该电磁波的到达角；

步骤三、终端服务器根据该电磁波的到达角通过空间几何关系计算得到磁浮列车1的位置。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、提出基于蓝牙标签3对AOA基站2进行反向定位的磁浮列车1的定位方法。现有在蓝牙AOA定位中，通常固定AOA基站2，通过已知的AOA基站2绝对位置计算蓝牙标签3的相对位置。为了实现磁浮列车1的定位测速，本发明提出一种将AOA基站2放置在磁浮列车1上，蓝牙标签3固定在轨道5两侧的界桩4定位方法，节省了多基站搭建的成本，并且具有较高的定位精度。

2、低功耗蓝牙标签3具有休眠功能，当磁浮列车1没有经过时，系统处于睡眠状态，当列车经过时，蓝牙标签3被唤醒，因此能大大节省蓝牙标签3的功率，提高系统的寿命，通过低功耗的模式，蓝牙标签3的电量能达到5年以上。

3、相比于传统的基于相对位置定位的磁浮列车1定位方法，该方法具有较大的免维护优点，蓝牙标签3位于轨道5两侧的界桩4，不依赖编码，维护成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统，其特征在于，包括AOA基站、蓝牙标签和终端服务器，所述AOA基站由天线阵列构成，安装于磁浮列车的两侧，所述蓝牙标签数量为若干个，沿轨道两侧分布，所述AOA基站分别与蓝牙标签与终端服务器连接，当磁浮列车沿轨道行驶经过蓝牙标签时，蓝牙标签被唤醒，发出电磁波信号，AOA基站基于接收到的电磁波信号计算得到电磁波的到达角，所述终端服务器基于该电磁波的到达角根据空间几何关系计算得到磁浮列车的位置，从而实现磁浮列车的绝对位置定位。

2.根据权利要求1所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统，其特征在于，所述AOA基站基于接收到的电磁波信号计算得到电磁波的到达角具体表现为：所述AOA基站中天线阵列的不同天线接收到的电磁波信号会存在相位差，根据该相位差可以计算AOA基站接收蓝牙标签电磁波信号的方向，即得到电磁波的到达角。

3.根据权利要求2所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统，其特征在于，还包括微处理器、信号处理单元、列车控制单元、测速模块和通信模块，其中：微处理器用于计算蓝牙标签与AOA基站之间的相对位置信息，并将该相对位置信息发送给信号处理单元；测速模块用于测量磁浮列车的速度，并将测量的磁浮列车的速度发送给信号处理单元；信号处理单元用于接收该相对位置信息和磁浮列车的速度，并将两者进行数据融合，得出精度更高的最终定位结果；通信模块将最终定位结果发送给终端服务器；所述列车控制单元用于接收最终定位结果；所述AOA基站与微处理器连接，所述信号处理单元分别与微处理器、列车控制单元、测速模块和通信模块连接，所述终端服务器与通信模块连接。

4.根据权利要求3所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统，其特征在于，所述AOA基站包括AOA信号发射器、AOA定位器和AOA信号接收器，所述AOA信号接收器与蓝牙标签连接，所述AOA信号发射器与微处理器连接，所述AOA定位器分别与AOA信号发射器和AOA信号接收器连接，用于计算AOA基站中不同两个天线接收到同一蓝牙标签发射的电磁波信号的相位差。

5.权利要求4所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统，其特征在于，所述蓝牙标签发射的电磁波信号的相位差通过以下过程求解：所述蓝牙标签发射未白化的固定频率的蓝牙信号；所述AOA信号接收器接收蓝牙标签发出的电磁波信号，所述AOA定位器对该电磁波信号进行采样解析得到电磁波信号的I/Q数据，再通过I/Q数据计算该电磁波的相位差。

6.根据权利要求5所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统，其特征在于，所述电磁波的到达角通过如下公式计算得到：

式中，θ为AOA基站接收到的蓝牙标签发射的电磁波的到达角，d为不同两个天线之间的水平间距，λ为蓝牙标签发射的电磁波信号的波长，

为AOA基站中不同两个天线接收到的同一蓝牙标签发射的电磁波信号的相位差。

7.根据权利要求6所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统，其特征在于，所述AOA基站中天线阵列采用线性阵列，所述终端服务器通过如下过程计算磁浮列车的位置：

1)构建xyz三维坐标系，其中，x轴向为列车轴向方向，y轴向为列车横向方向，z轴向为列车高度方向；

2)设计蓝牙标签和AOA基站位于相同的高度，两者的z轴坐标相同，将构建的xyz三维坐标系转换为xy二维坐标系；

3)通过AOA基站计算得到电磁波的到达角θ；

4)磁浮列车的位置通过(d_x,d_y)定位，d_y为AOA基站到轨道沿线的垂直间距，d_x为AOA基站在x轴的投影与蓝牙标签的水平距离，且d_x表达式为：

d_x＝(d_y-h)sin(θ+φ)

式中，φ为AOA基站中阵列天线平面与轨道的夹角，h为蓝牙标签的厚度。

8.根据权利要求7所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统，其特征在于，当电磁波的到达角存在Δθ的误差时，则测得的定位误差Δd_x如下:

Δd_x＝(d_y-h)[sin(θ+φ)-sin(θ+Δθ+φ)]。

9.根据权利要求8所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统，其特征在于，还包括若干个界桩，若干个所述界桩沿轨道两侧均匀间隔设置，每个所述界桩上至少设置有一个蓝牙标签；和/或所述AOA基站安装于磁浮列车车头的两侧。

10.基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位方法，其特征在于，通过权利要求1至9中任一项所述的基于蓝牙AOA定位技术的磁浮列车绝对位置定位系统进行定位，所述磁浮列车绝对位置定位方法包括以下步骤：

步骤一、预先在磁浮列车的两侧安装AOA基站，在轨道两侧分布若干个蓝牙标签，同时将蓝牙标签、AOA基站与终端服务器连接；

步骤二、磁浮列车沿轨道行驶经过蓝牙标签，蓝牙标签向磁浮列车发送电磁波信号，AOA基站接收该电磁波信号并计算得到该电磁波的到达角；

步骤三、终端服务器根据该电磁波的到达角通过空间几何关系计算得到磁浮列车的位置。

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