CN113562031B - 一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道交通及定位领域，提供一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统与方法；用以解决现有技术中由于无线电频率使用许可申请难、频谱使用期限短，雷达定位信号对列车通信信号产生干扰，造成无法使用雷达设备进行列车定位的问题；本发明所述系统包括设置于列车上的定位器和至少一个设置于隧道内墙壁上的极化扭转信标，定位器采用参考通道与测量通道的双通道设计，能够基于有轨列车本身通信信号产生的参考信号与测速信号实现有轨列车隧道定位，无需其他设备额外产生其他频率的信号，避免了信号干扰和频谱许可的申请；同时，匹配于该系统，本发明所述方法能够保证有轨列车隧道定位的定位精度与可靠性。

Description

一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统与方法

技术领域

本发明属于轨道交通及定位领域，具体提供一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统与方法。

背景技术

有轨列车定位就是确定列车在轨道上的一维位置，通过补充隧道等GPS遮挡严重无法使用环境下的定位，可以实现列车运行的全程定位，更加有效地提高行车安全与效率。现有的列车定位的主要方法包括：轨道电路法、地面应答器法、交叉电缆回线定位法、测速定位法。

现有的地面应答器法如文献《基于RFID技术的列车精确定位系统设计与试验》(大连交通大学学报，文章编号:1673-9590(2014)05-0107-04)中提供了一种在车头和车尾分别安装应答器，利用RFID技术能够独立完成列车定位的方法；但是该方法只实现了列车在有标签的地方进行点定位，如需全程定位则要配备测速模块，且车速过快时无法完成电磁感应，不能使用。

现有的列车测速定位法是通过测得列车运行的瞬时速度，对其进行积分得到列车运行的距离，从而实现列车的定位。利用测速定位的方法本质上是进行速度的时间积分，其精度受到测速精度和累积时间的影响，在测速精度一定的条件下，累计时间越短定位精度越高。如公开号为：CN107561491A、名称为“用于有轨列车精确定位的无源信标装置、系统与测量方法”的专利文献中公开的用于有轨列车精确定位的装置、系统与测量方法，通过多普勒雷达测量列车的多普勒频移并拟合时间速度曲线找到零径向速度时刻，便是列车经过信标的时间，依此更新列车精确位置，减小累计时间从而实现高精度定位；然而，该定位方法需要多普勒雷达产生单频或调频的射频信号，需要额外频谱资源，可能对现有通信系统形成干扰；并且，由于无线电频率使用许可申请难，频谱使用期限短，且铁路专用通信频段固定，需要额外频谱的雷达用于列车定位装置在一些实际应用场景中就会受到限制。

发明内容

针对上述现有技术中由于无线电频率使用许可申请难、频谱使用期限短，雷达定位信号对列车通信信号产生干扰，造成无法使用雷达设备进行列车定位的问题；本发明的目的在于提供一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统与方法，设置极化扭转信标与列车定位系统配合，使用列车原有的通信信号作为测速信号，实现基于通信信号的有轨列车隧道定位。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统，包括：定位器和至少一个极化扭转信标；其中，所述定位器包括：发送端、接收端、超外差部件和数字采集处理器；

所述发送端包括：双向功率分配器A1、功率放大器A2、功率分配器A3、发射天线A4和通信天线A5，双向功率分配器A1连接列车通信设备的天线端口、接收到列车通信信号后分为两路，一路经通信天线A5实现列车通信，另一路经过功率放大器A2放大后输入功率分配器A3；输入功率分配器A3分别输出测速信号与本地参考信号，测速信号通过发射天线A4向极化扭转信标发送，本地参考信号输入超外差部件的参考通道；

所述接收端包括：接收天线B1和低噪声放大器B2，所述接收天线B1接收由极化扭转信标返回的应答信号，并经低噪声放大器B2放大后输出至超外差部件的测量通道；

所述超外差部件包括：频率综合器C1、第一混频器C2、第二混频器C3、第一带通滤波器C4与第二带通滤波器C5；第一混频器C2与第一带通滤波器C4构成参考通道，本地参考信号输入至第一混频器C2的射频输入端，第一混频器C2输出混频信号经第一带通滤波器C4滤波后作为参考信号输出至数字采集处理器；第二混频器C3与第二带通滤波器C5构成测量通道，应答信号输入至第二混频器C3的射频输入端，第二混频器C3输出混频信号经第二带通滤波器C5滤波后作为测量信号输出至数字采集处理器；频率综合器C1提供采样时钟信号f_S与本振信号f_L，本振信号f_L输入至第一混频器C2与第二混频器C3的本振输入端，采样时钟信号f_S输出至数字采集处理器；

所述数字采集处理器包括：第一模数转换器D1、第二模数转换器D2和数字信号处理器D3，采样时钟信号f_S输入至第一模数转换器D1与第二模数转换器D2的时钟端，第一模数转换器D1将参考信号转换为数字信号传输至数字信号处理器D3，第二模数转换器D2将测量信号转换为数字信号传输至数字信号处理器D3，数字信号处理器D3进行数字信号处理、实现有轨列车隧道定位。

进一步的，所述极化扭转信标采用极化扭转无源角反射方向回溯阵列天线，信标接收到发射天线A4发出的垂直极化或水平极化信号后，利用极化扭转和方向回溯向接收天线B1转发水平极化或垂直极化的应答信号。

进一步的，所述定位器安装于列车上，所述极化扭转信标安装于隧道内与定位器等高的墙壁上；当列车经过信标时，定位器的发射天线A4正对信标。

进一步的，发射天线A4和接收天线B1都是极化定向天线，并且发射天线A4和接收天线B1极化正交。

一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的方法，包括以下步骤：

步骤1：通信设备向双向功率分配器A1输出通信信号S_T1(t)，定位器的发送端向极化扭转信标发送测速信号S_T2(t)、并传输本地参考信号S₁(t)至超外差部件：

S_T1(t)＝a(t)cos[2πf_RFt+φ(t)]

其中，t代表连续时间，a(t)代表信号的幅度，φ(t)代表信号的相位，f_RF代表载波频率；

S_T2(t)＝K_T·a(t-τ_T)cos[2πf_RF(t-τ_T)+φ(t-τ_T)]

其中，K_T代表发射天线A4发射信号时信号幅度的系数，由功率分配器A3决定；τ_T代表信号从通信设备传播到的发射天线A4的延时；

S₁(t)＝K₁·a(t-τ₁)cos[2πf_RF(t-τ₁)+φ(t-τ₁)]

其中，K₁代表超外差部件接收到信号时信号幅度的系数，由功率分配器A3决定；τ₁代表信号从通信设备传播到的超外差部件的延时；

步骤2：极化扭转信标接收到测速信号S_T2(t)后，向接收天线B1转发应答信号；

步骤3：接收端接收应答信号并经过低噪声放大处理后输出应答信号S₂(t)至超外差部件：

S₂(t)＝K₂·a(t-τ₂)cos[2π(f_RF+f_d)·(t-τ₂)+φ(t-τ₂)]

其中，K₂代表信号经发射天线A4发射、信标转发、接收天线B1接收、低噪声放大器B2放大后的信号幅度的系数，τ₂代表信号在以上传播过程中的延时；f_d代表列车运行、相对信标运动产生的多普勒频率；

步骤4：超外差部件输出参考中频信号

与测量中频信号

至数字采集处理器：

其中，K′₁代表信号经混频、滤波后的信号幅度的系数，

代表不随时间变化的相位值，由本振信号的相位和第一带通滤波器C4决定；f_IF为第一带通滤波器C4的中心频率：f_IF＝f_L-f_RF，f_L为混频器的本振信号的频率；

其中，K′₂代表信号经混频、滤波后的信号幅度的系数，

代表不随时间变化的相位值，由本振信号的相位和第二带通滤波器C5决定；

步骤5：数字采集处理器进行有轨列车隧道定位；

步骤5-1：由第一模数转换器D1和第二模数转换器D2分别将参考中频信号

和测量中频信号

转换为参考数字信号和测量数字信号；

步骤5-2：数字信号处理器D3分别对参考数字信号和测量数字信号进行数据分段取样，并采用CFAR判决对测量数字信号的每一个分段数据进行筛选、保留有效分段数据；

步骤5-3：将判决有效的测量数字信号与同一时段的参考数字信号进行低中频正交解调，得到参考数字信号的同相分量

和正交分量

以及测量数字信号的同相分量

和正交分量

其中，n代表离散时间；

步骤5-4：将低中频正交解调后的数字信号进行整数倍抽取；

步骤5-5：分别计算参考通道的信号频率f₁(n)与测量通道的信号频率f₂(n)，进而计算得到列车运行产生的多普勒频率f_d：

f_d＝f₂(n)-f₁(n)

步骤5-6：通过低通滤波器拟合时间-多普勒频率变化曲线，搜索多普勒频率为零的时间点为定位器正对信标的时刻；结合信标在隧道内的位置，从而实现列车在隧道内的精准定位。

进一步的，所述低中频正交解调中，正交本振频率为f′_L、基底频率为f_B＝f′_L-f_IF、且满足

代表多普勒频率f_d的最大值。

进一步的，所述整数倍抽取的抽取倍数为D，要求抽取后的采样率f′_S满足：

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统，包括设置于列车上的定位器和至少一个设置于隧道内墙壁上的极化扭转信标；其中，定位器采用参考通道与测量通道的双通道设计，由发送端、接收端、超外差部件和数字采集处理器四部分构成，能够基于有轨列车本身通信信号产生的参考信号与测速信号实现有轨列车隧道定位，无需其他设备额外产生其他频率的信号，避免了信号干扰和频谱许可的申请；同时，极化扭转信标自成角反射器，接收发送一体化并能扭转极化特性，使收发信号极化正交，配合定位器上极化正交的收发天线，能够消除背景电磁散射对多普勒频率测量的影响，提高列车定位精度；并且，极化扭转信标具有良好的方向回溯性能，能够增大测量角度范围，提高可靠性。

2、匹配于上述利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统，本发明还提供一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的方法，包括发送端发射信号、信标转发应答信号、接收端接收信号、超外差部件混频输出中频信号、数字采集处理器解算并拟合时间-多普勒频率曲线图共5个步骤；其中，超外差和数字采集处理器的两路信道的下变频本振及采样时钟同源，以保证两路信号的相干性；数字采集处理器中采用了CFAR检测、低中频正交解调、信号抽取、频率解调和滤波拟合技术；CFAR检测选出有效应答信号的区间段降低信号处理的数据量；信号抽取能够减小信号采样率以减少数据冗余，降低后续解调等信号处理的速度；频率解调从算法上确保可以通过通信信号解调出多普勒频率；滤波拟合时间-多普勒频率曲线图能够提高多普勒频率的测量精度和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1中利用通信信号进行有轨列车隧道定位系统结构示意图。

图2为本发明实施例1中数字采集处理器的组成结构图。

图3为本发明实施例1中极化扭转信标的结构示意图。

图4为本发明实施例2中利用通信信号进行有轨列车隧道定位方法的应用场景示意图。

图5为本发明实施例2中利用通信信号进行有轨列车隧道定位方法的流程示意图。

图6为本发明实施例3中采用频率解调算法解算出的列车经过信标前后多普勒频率变化曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例提供一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统，如图1所示，包括：定位器和至少一个极化扭转信标，其中，定位器包括：发送端、接收端、超外差部件和数字采集处理器四个部分，极化扭转信标能扭转接收信号的极化特性，使收发信号极化正交；

所述发送端包括：双向功率分配器A1、功率放大器A2、功率分配器A3、发射天线A4和通信天线A5，双向功率分配器A1的输入端连接列车原有通信设备输出通信信号的天线端口、输出端分别连接通信天线A5和功率放大器A2，功率放大器A2的输出端连接功率分配器A3，功率分配器A3的输出端分别连接发射天线A4与超外差部件；双向功率分配器A1用于双向的功率分配和合成，通信天线A5用于实现列车通信的收发功能，功率放大器A2、功率分配器A3和发射天线A4用于实现定位信号的发送功能；所述双向功率分配器A1接收到列车通信设备天线端输出的通信信号后分为两路，一路经通信天线A5实现列车常规通信，另一路经过功率放大器A2放大后输入功率分配器A3，输入功率分配器A3的两个输出端分别输出测速信号与本地参考信号，测速信号通过发射天线A4发射，本地参考信号输入超外差部件的参考通道；发送端能够在保持原有列车通信功能的基础上，向极化扭转信标发送定位信号；如图1所示；

所述接收端包括：接收天线B1和低噪声放大器B2，所述接收天线B1接收由极化扭转信标返回的应答信号，并经低噪声放大器B2放大后输出至超外差部件的测量通道；如图1所示；

所述超外差部件包括：频率综合器C1、第一混频器C2、第二混频器C3、第一带通滤波器C4与第二带通滤波器C5；第一混频器C2与第一带通滤波器C4构成参考通道，本地参考信号输入至第一混频器C2的射频输入端，第一混频器C2输出混频信号经第一带通滤波器C4滤波后作为参考信号输出至数字采集处理器；第二混频器C3与第二带通滤波器C5构成测量通道，应答信号输入至第二混频器C3的射频输入端，第二混频器C3输出混频信号经第二带通滤波器C5滤波后作为测量信号输出至数字采集处理器；频率综合器C1提供采样时钟信号f_S与本振信号f_L，本振信号f_L输入至第一混频器C2与第二混频器C3的本振输入端，时钟信号f_S输出至数字采集处理器；所述参考通道与测量通道两路并行处理、且参考通道与测量通道结构相同(第一混频器C2与第二混频器C3采用相同单元器件、第一带通滤波器C4与第二带通滤波器C5采用相同单元器件)；如图2所示；

所述数字采集处理器包括：第一模数转换器D1、第二模数转换器D2和数字信号处理器D3，采样时钟信号f_S输入至第一模数转换器D1与第二模数转换器D2的时钟端，第一模数转换器D1将参考信号转换为数字信号传输至数字信号处理器D3，第二模数转换器D2将测量信号转换为数字信号传输至数字信号处理器D3，数字信号处理器D3进行数字信号处理、实现有轨列车隧道定位；所述模数转换器对模拟信号进行采样、量化、编码后转换为数字信号，数字信号处理器通过算法解算出列车的多普勒频率、进一步地计算列车的速度信息和定位器正对信标的时刻；如图2所示；

所述极化扭转信标采用极化扭转无源角反射方向回溯阵列天线，信标接收到发射天线A4发出的垂直极化信号后，利用极化扭转和方向回溯向接收天线B1转发回水平极化的应答信号；发射天线A4和接收天线B1极化正交，信标所用的天线阵列系统自成角反射器，接收发送一体化并能扭转极化特性，使收发信号极化正交，可以消除背景电磁散射对多普勒频率测量的影响，提高列车定位精度；同时，信标所用的天线阵列具有良好的方向回溯性能，可以增大测量角度范围，提高可靠性；如图3所示；

进一步的，本实施例中，发送端的发射天线A4采用垂直极化天线，接收端的接收天线B1采用水平极化天线；第一混频器C2与第二混频器C3的下变频本振信号同源、以及第一模数转换器D1与第二模数转换器D2的采样时钟信号同源，保证参考信号与测量信号的相干性；数字信号处理器D1通过数字解调算法获得多普勒频率f_d，再经滤波提高f_d的测量精度和可靠性。

实施例2

本实施例提供一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的方法，其应用场景如图4所示，所述定位器安装于列车车头顶部，所述极化扭转信标安装于隧道内与定位器等高的墙壁上；当列车经过信标时，定位器的发射天线A4刚好能够正对信标。

本实施例中，径向速度v_t变化的数学模型为：

其中，t代表时间，v代表列车运行速度，L₀代表定位器与信标沿x轴方向的距离，h代表定位器与信标沿y轴方向的距离。

本实施例中提供的定位方法，采用实施例1中提供的一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统进行测量，其流程如图5所示，包括以下步骤：

步骤1：发送端发射信号；

步骤1-1：双向功率分配器A1接收到列车通信设备提供的通信信号S_T1(t)后，一路经通信天线A5发射用于常规通信，另一路经过功率放大器A2和功率分配器A3后分为本地参考信号与测速信号；

步骤1-2：基于幅相调制的通信信号的通用模型为：

S_T1(t)＝a(t)cos[2πf_RFt+φ(t)]

其中，t代表连续时间，a(t)代表信号的幅度，φ(t)代表信号的相位，a(t)和φ(t)由调制方式和发送的数字信息决定，f_RF代表载波频率；

步骤1-3：测速信号通过发射天线A4发射，信号模型为：

S_T2(t)＝K_T·a(t-τ_T)cos[2πf_RF(t-τ_T)+φ(t-τ_T)]

其中，K_T代表发射天线A4发射信号时信号幅度的系数，由功率分配器A3决定；τ_T代表信号从通信设备传播到的发射天线A4的延时；

本地参考信号的信号模型为：

S₁(t)＝K₁·a(t-τ₁)cos[2πf_RF(t-τ₁)+φ(t-τ₁)]

其中，K₁代表代表超外差部件接收到信号时信号幅度的系数，由功率分配器A3决定；τ₁代表信号从通信设备传播到的超外差部件的延时；

步骤2：极化扭转信标接收到发射天线A4的信号S_T(t)后，改变信号极化特性并利用方向回溯转发回接收天线B1作为应答信号；

步骤3：接收端接收由信标返回的应答信号并进行低噪声放大处理，除幅度的衰减和时间的延迟外，由于列车和信标之间存在相对运动，所以应答信号中还包含有多普勒频率，其信号模型为：

S₂(t)＝K₂·a(t-τ₂)cos[2π(f_RF+f_d)·(t-τ₂)+φ(t-τ₂)]

其中，K₂代表信号经发射天线A4发射、信标转发、接收天线B1接收、低噪声放大器B2放大后的信号幅度的系数；τ₂代表信号在以上传播过程的延时；f_d代表列车与信标之间存在径向速度而产生的多普勒频率，由光速c、载波频率f_RF和径向速度v_t决定，其数学关系式为：

步骤4：S₁(t)和S₂(t)为超外差部件的两个输入信号，超外差部件的频率综合器C1产生一个频率为f_L的单音正弦信号并分为两路为参考通道和测量通道提供本振信号；

步骤4-1：其中一路通过第一混频器C2与S₁(t)混频，再通过中心频率为f_IF的第一带通滤波器C4滤波后，作为参考通道中频信号输入数字采集处理器；其中，滤波器中心频率f_IF＝f_L-f_RF，参考通道中频信号S_IF1(t)的信号模型为：

其中，K′₁代表信号经混频、滤波后的信号幅度的系数；

代表由本振信号的初始相位和第一带通滤波器C4产生的不随时间变化的相位值；

步骤4-2：另一路本振信号通过第二混频器C3与S₂(t)混频，再通过中心频率为f_IF的第二带通滤波器C5滤波后，作为测量通道中频信号输入数字采集处理器，测量通道中频信号

的信号模型为：

其中，K′₂代表信号经混频、滤波后的信号幅度的系数；

代表由本振信号的初始相位和第二带通滤波器C5产生的不随时间变化的相位值。

步骤5：参考通道中频信号

和测量通道中频信号

为数字采集处理器的两个输入信号；超外差部件的频率综合器A产生一个频率为f_S的采样信号并分为两路，为第一模数转换器D1和第二模数转换器D2提供采样频率；由于信号时延τ₁和τ₂很小，且与多普勒频率无关，故其影响可以忽略；参考通道和测量通道由模拟信号转换为数字信号后，送入数字信号处理器D3处理；

步骤6：数字信号处理器将参考通道和测量通道的两路数字信号进行数据分段截取，对分段取样得到的数据按步骤7处理；

步骤7：数字信号处理器将参考通道和测量通道的两路数字信号进行数据分段截取，将测量通道分段取样得到的采样数据进行CFAR判决，判断是否为有效应答信号；如若是有效应答信号则执行步骤8，将判决有效的测量数字信号与同一时段的参考数字信号进行低中频正交解调；如若不是有效应答信号，则舍弃该段数据，返回步骤6取样下一段数据进行判决；

步骤8：将判决有效的测量数字信号与同一时段的参考数字信号进行低中频正交解调；其中，正交本振频率为f′_L，基底频率为f_B＝f′_L-f_IF，要求

(

代表多普勒频率的最大值)，保证解调后的信号不影响计算多普勒频率且不为零频；

步骤8-1：参考通道信号经低中频正交解调后得到同相分量和正交分量，其中，同相分量表达式为：

正交分量表达式为：

其中，n代表离散时间；

步骤8-2：测量通道信号经低中频正交解调后得到同相分量和正交分量，其中，同相分量表达式为：

正交分量表达式为：

步骤9：将低中频正交解调后的数字信号进行整数倍抽取，抽取倍数为D，要求抽取后的采样率f′_S满足：

步骤10：低中频正交解调和D倍抽取后，设计频率解调算法，利用同相分量和正交分量分别计算参考通道、测量通道中的信号频率，将参考通道和测量通道的频率相减，得到列车运行形成的多普勒频率；

步骤10-1：参考通道的频率计算公式为：

步骤10-2：测量通道的频率计算公式为：

步骤10-3：将参考通道和测量通道的频率相减，得到列车运行形成的多普勒频率，如下所示：

f₂(n)-f₁(n)＝f_d

步骤11：通过步骤1至步骤10，在求解出多普勒频率的基础上，进一步通过低通滤波器拟合时间-多普勒频率变化曲线，找到多普勒频率为零的时间点，即是列车定位器正对信标的时刻；结合信标在隧道内的位置，可知列车在什么时刻经过隧道的什么位置，从而实现列车在隧道内的精准定位。

实施例3

为进一步说明本发明的参数以及信号处理的过程，本实施例采用实施例1和实施例2中提供的一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统和方法，给出以下具体带入数值的方法示例：

双向功率分配器A1接收到列车通信设备提供的通信信号S_T1(t)后，一路经通信天线A5发射用于正常通信，另一路经过功率放大器A2后作为测速信号；基于幅相调制的通信信号S_T1(t)的通用模型为：

S_T1(t)＝a(t)cos[2πf_RFt+φ(t)]

在本实施例中，选取S_T1(t)的调制方式为16QAM，通过周期性的调整正弦电磁波的幅度和相位来发送数字信息；幅度和相位的每一种组合都被称为一个符号，并且代表一个数字比特流；设置比特率R_b＝3M bps，则符号速率

其中M表示进制数；已调信号传输时，选取低通滤波器的滚降系数α＝0.16，则信号带宽BW＝R_S(1+α)＝870kHz；选取5GWiFi频段，单一载波f_RF＝5.805GHz；

本实施例中，发送端的发射天线A4采用垂直极化天线，接收端的接收天线B1采用水平极化天线；极化扭转信标采用极化扭转无源角反射方向回溯阵列天线，信标接收到发射天线A4的垂直极化信号后，利用方向回溯向接收天线B1转发回水平极化的应答信号，收发信号极化正交，可以消除背景电磁散射对多普勒频率测量的影响，提高列车定位精度。

本实施例中，选取信标的工作角度范围为±60°，假定列车在隧道内运行速度为60m/s，由于列车与信标之间存在径向速度，所以由信标返回的应答信号携带有多普勒频率，根据公式：

计算得出在本实施例的速度和载波条件下的最大多普勒频率偏移为±2011Hz；其中，v为列车运行速度，β为列车运行方向与信标接收定位信号方向的夹角，λ为信号的波长。

本实施例中，本地参考信号S₁(t)和携带有多普勒频率的应答信号S₂(t)是超外差部件的两个输入信号；超外差部件的频率综合器C1产生一个频率f_L＝5.811GHz的单音正弦信号并分为两路为参考通道和测量通道提供本振信号；参考通道的本振信号通过第一混频器C2与S₁(t)混频，再通过中心频率为f_IF＝f_L-f_RF＝6MHz，带宽为2MHz的第一带通滤波器C4滤波后，作为参考通道中频信号(频率为6MHz)输入数字采集处理部件；测量通道的本振信号通过第二混频器C3与S₂(t)混频，再通过中心频率为f_IF＝6MHz，带宽为2MHz的第二带通滤波器C5滤波后，作为测量通道中频信号(频率范围为5.997989MHz～6.002011MHz)输入数字采集处理部件；第二带通滤波器C5的带宽大于本实施例中信号带宽与最大多普勒频率偏移之和；

超外差部件的频率综合器C1产生一个频率为f_s的采样信号并分为两路，为第一模数转换器D1和第二模数转换器D2提供采样频率；本实施例中，选取采样率f_s＝15MHz，参考通道和测量通道的两路信号由模拟信号转换为数字信号后，送入数字信号处理器D3处理；

数字信号处理器D3将参考通道和测量通道的两路数字信号分别进行数据分段截取；将测量通道分段取样得到的采样数据进行CFAR判决，本实施例中，设定虚警率P_fa＝1×10^-3，信噪比SNR＝10dB；只有当列车运行到信标的工作角度范围内，也就是定位器与信标之间沿x轴方向的距离|L₀|≤htanθ时，才判决为有效测量数字信号；

如图4所示，本实施例中，假定信标与定位器的收发天线之间沿y轴方向的距离h＝3m，结合信标工作角度范围±60°和列车运行速度60m/s，定位器能接收到有效应答信号的时长

选取每个分段的数据容量为150000个采样点的数据(即10ms)，将其作为一次多普勒频率测量的数据段；则列车每经过一次信标，就会有18个数据段判决为有效测量数字信号。

将判决有效的测量数字信号与同一时段的参考数字信号进行低中频正交解调；本实施例中，选取正交本振频率为f'_L＝6.004MHz，基底频率为f_B＝f'_L-f_IF＝4kHz，满足要求

保证解调后的信号不影响计算多普勒频率且不为零频；

本实施例中，参考通道和测量通道两路信号经低中频正交解调后得到同相分量和正交分量；其中，参考通道信号频率为4kHz，测量通道信号频率范围为1.989kHz～6.011kHz；

将低中频正交解调后的数字信号进行D倍抽取；本实施例中，选择抽取倍数D＝1000，抽取后的采样率

大于

满足抽取后不产生混叠的要求，抽取后得到的信号数据长度为150。

采用实施例2中提供的频率解调算法，利用同相分量和正交分量分别计算参考通道、测量通道中的信号频率，将测量通道信号频率减去参考通道信号频率，得到列车运行形成的多普勒频率；多普勒频率为正时，列车驶向信标；多普勒频率为负时，列车驶离信标；多普勒频率为零时，列车定位器正对信标。

如图6所示为本实施例给定信号调制方式为16QAM、载波f_RF＝5.805GHz、列车运行速度为60m/s、信标的工作角度范围为±60°和列车在隧道内的位置等信息后，根据系统结构和算法解调并拟合出的多普勒频率变化曲线；进一步，多普勒频率为正的时间段(0～0.0866s)代表列车驶向信标，多普勒频率为负的时间段(0.0866～0.1732s)代表列车驶离信标且该时间段在信标工作角度范围内，多普勒频率为零的时间点(t＝0.0866s)即是列车定位器正对信标的时刻。结合信标在隧道内的位置，可知列车在具体时刻经过隧道的具体位置，从而实现列车在隧道内的精准定位。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统，包括：定位器和至少一个极化扭转信标；其中，所述定位器包括：发送端、接收端、超外差部件和数字采集处理器；

所述发送端包括：双向功率分配器A1、功率放大器A2、功率分配器A3、发射天线A4和通信天线A5，双向功率分配器A1连接列车通信设备的天线端口、接收到列车通信信号后分为两路，一路经通信天线A5实现列车通信，另一路经过功率放大器A2放大后输入功率分配器A3；输入功率分配器A3分别输出测速信号与本地参考信号，测速信号通过发射天线A4向极化扭转信标发送，本地参考信号输入超外差部件的参考通道；

所述接收端包括：接收天线B1和低噪声放大器B2，所述接收天线B1接收由极化扭转信标返回的应答信号，并经低噪声放大器B2放大后输出至超外差部件的测量通道；

所述超外差部件包括：频率综合器C1、第一混频器C2、第二混频器C3、第一带通滤波器C4与第二带通滤波器C5；第一混频器C2与第一带通滤波器C4构成参考通道，本地参考信号输入至第一混频器C2的射频输入端，第一混频器C2输出混频信号经第一带通滤波器C4滤波后作为参考信号输出至数字采集处理器；第二混频器C3与第二带通滤波器C5构成测量通道，应答信号输入至第二混频器C3的射频输入端，第二混频器C3输出混频信号经第二带通滤波器C5滤波后作为测量信号输出至数字采集处理器；频率综合器C1提供采样时钟信号f_S与本振信号f_L，本振信号f_L输入至第一混频器C2与第二混频器C3的本振输入端，采样时钟信号f_S输出至数字采集处理器；

所述数字采集处理器包括：第一模数转换器D1、第二模数转换器D2和数字信号处理器D3，采样时钟信号f_S输入至第一模数转换器D1与第二模数转换器D2的时钟端，第一模数转换器D1将参考信号转换为数字信号传输至数字信号处理器D3，第二模数转换器D2将测量信号转换为数字信号传输至数字信号处理器D3，数字信号处理器D3进行数字信号处理、实现有轨列车隧道定位。

2.按权利要求1所述利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统，其特征在于，所述极化扭转信标采用极化扭转无源角反射方向回溯阵列天线，信标接收到发射天线A4发出的垂直极化或水平极化信号后，利用极化扭转和方向回溯向接收天线B1转发水平极化或垂直极化的应答信号。

3.按权利要求1所述利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统，其特征在于，所述定位器安装于列车上，所述极化扭转信标安装于隧道内与定位器等高的墙壁上；当列车经过信标时，定位器的发射天线A4正对信标。

4.按权利要求1所述利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统，其特征在于，发射天线A4和接收天线B1都是极化定向天线，并且发射天线A4和接收天线B1极化正交。

5.一种利用通信信号进行有轨列车隧道定位的方法，基于权利要求1所述利用通信信号进行有轨列车隧道定位的系统实现，包括以下步骤：

步骤1：通信设备向双向功率分配器A1输出通信信号S_T1(t)，定位器的发送端向极化扭转信标发送测速信号S_T2(t)、并传输本地参考信号S₁(t)至超外差部件：

S_T1(t)＝a(t)cos[2πf_RFt+φ(t)]

其中，t代表连续时间，a(t)代表信号的幅度，φ(t)代表信号的相位，f_RF代表载波频率；

S_T2(t)＝K_T·a(t-τ_T)cos[2πf_RF(t-τ_T)+φ(t-τ_T)]

其中，K_T代表发射天线A4发射信号时信号幅度的系数，由功率分配器A3决定；τ_T代表信号从通信设备传播到的发射天线A4的延时；

S₁(t)＝K₁·a(t-τ₁)cos[2πf_RF(t-τ₁)+φ(t-τ₁)]

其中，K₁代表超外差部件接收到信号时信号幅度的系数，由功率分配器A3决定；τ₁代表信号从通信设备传播到的超外差部件的延时；

步骤2：极化扭转信标接收到测速信号S_T2(t)后，向接收天线B1转发应答信号；

步骤3：接收端接收应答信号并经过低噪声放大处理后输出应答信号S₂(t)至超外差部件：

S₂(t)＝K₂·a(t-τ₂)cos[2π(f_RF+f_d)·(t-τ₂)+φ(t-τ₂)]

其中，K₂代表信号经发射天线A4发射、信标转发、接收天线B1接收、低噪声放大器B2放大后的信号幅度的系数，τ₂代表信号在以上传播过程中的延时；f_d代表列车运行、相对信标运动产生的多普勒频率；

步骤4：超外差部件输出参考中频信号

与测量中频信号

至数字采集处理器：

其中，K′₁代表信号经混频、滤波后的信号幅度的系数，

代表不随时间变化的相位值，由本振信号的相位和第一带通滤波器C4决定；f_IF为第一带通滤波器C4的中心频率：f_IF＝f_L-f_RF，f_L为混频器的本振信号的频率；

其中，K′₂代表信号经混频、滤波后的信号幅度的系数，

代表不随时间变化的相位值，由本振信号的相位和第二带通滤波器C5决定；

步骤5：数字采集处理器进行有轨列车隧道定位；

步骤5-1：由第一模数转换器D1和第二模数转换器D2分别将参考中频信号

和测量中频信号

转换为参考数字信号和测量数字信号；

步骤5-2：数字信号处理器D3分别对参考数字信号和测量数字信号进行数据分段取样，并采用CFAR判决对测量数字信号的每一个分段数据进行筛选、保留有效分段数据；

步骤5-3：将判决有效的测量数字信号与同一时段的参考数字信号进行低中频正交解调，得到参考数字信号的同相分量

和正交分量

以及测量数字信号的同相分量

和正交分量

其中，n代表离散时间；

步骤5-4：将低中频正交解调后的数字信号进行整数倍抽取；

步骤5-5：分别计算参考通道的信号频率f₁(n)与测量通道的信号频率f₂(n)，进而计算得到列车运行产生的多普勒频率f_d：

f_d＝f₂(n)-f₁(n)

步骤5-6：通过低通滤波器拟合时间-多普勒频率变化曲线，搜索多普勒频率为零的时间点为定位器正对信标的时刻；结合信标在隧道内的位置，从而实现列车在隧道内的精准定位。

6.按权利要求5所述利用通信信号进行有轨列车隧道定位的方法，其特征在于，所述低中频正交解调中，正交本振频率为f′_L、基底频率为f_B＝f′_L-f_IF、且满足

代表多普勒频率f_d的最大值。

7.按权利要求5所述利用通信信号进行有轨列车隧道定位的方法，其特征在于，所述整数倍抽取的抽取倍数为D，要求抽取后的采样率f′_S满足：

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