CN113709757A - 高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法，包括以下步骤：S1、地面基站序号n＝1；S2、列车测试位置序号k＝1；S3、车载基站持续发射时隙信号；S4、调整地面接收天线反射板的方位向和俯仰向，记录地面基站接收电平；S5、调整S4的反射板到最大接收电平对应的方位向和俯仰向；S6、调整地面发射天线反射板的方位向和俯仰向；S7、调整S6的反射板到最大列车接收电平对应的方位向和俯仰向；S8、地面基站发射测试完成信号到车载基站；k＝k+1，返回S3；S9、分析接收电平表格，调整反射板到最优方位向和最优俯仰向；S10、n＝n+1，返回S2。本发明减少了人工工作量，大大提高了天线反射板的调整效率、调整精度，保证天线反射板的调整达到最优状态。

Description

高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法

技术领域

本发明属于车地无线通信技术领域，特别涉及一种高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法。

背景技术

在高速磁浮列车车地无线通信系统中，毫米波因其频带宽、抗干扰性好、保密性强等优点被广泛应用于车地无线通信。然而毫米波对波束指向的精确度要求较高，波束指向的细微变化会使波束覆盖范围发生偏移，影响车地通信质量。在高速磁浮列车车地无线通信系统中，基站天线反射板可以改变无线信号极化模式，并且通过调整基站天线反射板的方位向和俯仰向可以调整波束覆盖范围。因此，天线反射板的指向精度是影响车地毫米波通信质量的重要因素之一。

目前国内外主要依赖人工调整基站天线反射板，其调整方法为，地面基站持续向处于某位置的车载基站发射毫米波频段连续波信号，列车上的调配人员通过移动通讯、对讲机等外部通信方式，将车载基站接收的连续波电平反馈给地面调配人员。地面天线反射板的方位向和俯仰向不同，车载基站接收的连续波电平不同。地面调配人员再根据反馈的连续波电平，反复调整反射板方位向和俯仰向，直到车载基站接收电平达到最大，进而得到该地面基站最优的反射板方位向和俯仰向，然后才能继续调整下一地面基站。这种调整反射板的方法存在以下问题：

首先，列车装配人员和地面装配人员必须密切配合，才能完成反射板调整。地面装配人员调整天线反射板方位向和俯仰向，列车装配人员需准确反馈不同反射板方向对应的车载基站接收电平。调整过程耗时长，调整精度差。

其次，装配人员需多次调整天线反射板，且装配人员采用外部通讯方式进行数据交流，调整效率低。而且在高速磁浮列车车地无线通信系统中，地面基站数量较多，基站之间距离较远，装配人员需要移动到每个地面基站反复调整反射板，因此人工工作量大。

最关键的是，此调整方法大多是单点测量，即调整一块地面天线反射板时，车载基站只在一处位置接收连续波信号，其反射板的调整结果不能保证为基站全覆盖范围内的最优角度。

综上所述，现有的高速磁浮列车车地天线反射板调整方法存在调整效率低、精度差、人工工作量大、无法保证最优调整结果等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术调整高速磁浮列车车地天线反射板存在的调整效率低、调整精度差、人工工作量大、无法保证最优等问题，提供一种减少了人工工作量，大大提高了天线反射板的调整效率、调整精度，保证天线反射板的调整达到最优状态。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法，包括以下步骤：

S1、固定车载发射天线反射板和车载接收天线反射板的方位向为列车前进方向、俯仰向与轨道面成45°夹角，此时地面基站序号n＝1；

S2、地面无线电控制单元打开第n个地面基站，此时列车测试位置序号k＝1；

S3、车载基站在第k个测试位置X_k处持续通过车载发射天线反射板发射毫米波频段时隙信号；

S4、地面基站通过伺服系统调整地面接收天线反射板的方位向和俯仰向，同时记录不同方位向和俯仰向的地面基站接收电平，完成位置X_k处地面接收天线反射板的角度扫描；

S5、选取最大接收电平对应的方位向和俯仰向，伺服系统调整地面接收天线反射板到该方位向和俯仰向；

S6、通过伺服系统调整地面发射天线反射板的方位向和俯仰向，地面基站通过地面发射天线反射板发射连续波信号，并记录不同方位向和俯仰向下的列车接收电平；

S7、选取最大列车接收电平对应的方位向和俯仰向，伺服系统调整地面发射天线反射板到该方位向和俯仰向；

S8、通过地面发射天线反射板，地面基站发射X_k位置处反射板测试完成信号到车载基站，信号内容包括列车在X_k位置处地面接收天线反射板、地面发射天线反射板的接收电平表和列车前进指令，k＝k+1，列车到下一个测试位置；若k＞K，则执行S9，否则返回步骤S3，K为列车位置序号最大值；

S9、获取地面基站信号全覆盖范围内，地面接收天线反射板和地面发射天线反射板在不同列车位置、不同方位向和俯仰向的接收电平表格；分析接收电平表格，得到地面接收天线反射板和地面发射天线反射板的最优方位向和最优俯仰向；伺服系统调整地面接收天线反射板和地面发射天线反射板到最优方位向和最优俯仰向，完成一个地面基站天线反射板的调整；

S10、地面基站发送列车定位数据给地面无线电控制单元，地面无线电控制单元关闭第n个地面基站；列车行驶至下一地面基站的信号全覆盖范围，n＝n+1，若n＞N，则结束操作，否则返回步骤S2，调整下一个地面基站天线反射板；N为地面基站数量。

进一步地，所述步骤S6具体实现方法为：

S6-1、伺服系统调整一次地面发射天线反射板的方位向和俯仰向；

S6-2、地面基站通过地面发射天线反射板发射连续波信号，车载基站接收到连续波信号，列车接收电平发生变化；

S6-3、车载基站将列车接收电平包含在时隙信号中，通过车载发射天线反射板发射毫米波频段时隙信号；

S6-4、判断地面接收天线反射板接收的列车接收电平是否有效，若是则记录列车接收电平，然后执行S6-5，否则直接执行S6-5；

S6-5，重复步骤6-1～S6-4的操作，直至完成X_k位置处地面发射天线反射板的角度扫描。

进一步地，所述步骤S9具体实现方法为：

S9-1、分析反射板方位向：在全部列车位置变化范围，排除表格里接收电平小于预设阈值α的方位向；在剩下的方位向里，求取每个方位向对应接收电平的方差，排除表格里方差大于预设阈值β的方位向；再在最终剩下的方位向里，求取每个方位向对应接收电平的期望，取期望最大值对应的方位向为反射板最优方位向；

S9-2、分析反射板俯仰向：在全部列车位置变化范围，排除表格里接收电平小于预设阈值δ的俯仰向；在剩下的方位向里，求取每个俯仰向对应接收电平的方差，排除表格里方差大于预设阈值

的俯仰向；再在最终剩下的俯仰向里，求取每个俯仰向对应接收电平的期望，取期望最大值对应的俯仰向为反射板最优俯仰向。

本发明的有益效果是：本发明提供的高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法，解决了现有技术调整高速磁浮列车车地天线反射板存在的调整效率低、调整精度差、人工工作量大、无法保证最优等问题，减少了人工工作量，大大提高了天线反射板的调整效率、调整精度，保证天线反射板的调整达到最优状态。

附图说明

图1为高速磁浮列车车地通信系统示意图；

图2为基站天线反射板调节系统示意图；

图3为本发明的车地天线反射板高效率高精度调整方法的流程图；

图4为本发明分析接收电平表格的流程图；

图5为本发明车地基站之间的通信环路示意图。

具体实施方式

如图1所示本发明高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法涉及的高速磁浮列车车地通信系统示意图，车载基站布设在列车车体，N个地面基站布设在轨道两旁沿线，通过光纤网络连接到地面无线电控制单元(以下简称DRCU)。在一个地面基站的信号全覆盖范围内取K个测试位置，磁浮列车在调整天线反射板前位于X₁位置。

如图2所示高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法涉及的天线反射板结构图，车载基站、所有地面基站天线反射板都装配天线反射板伺服系统，车载基站和地面基站均通过信号空馈口发射或接收信号。首先通过天线反射板调整装置固定车载基站天线反射板(T_车反射板和R_车反射板)的方位向和俯仰向，方位向为列车前进方向，俯仰向与轨道面成45°夹角，使得车载基站的发射信号经过天线反射板反射后，信号沿水平方向、轨道方向发射出去，于是轨道两侧的地面基站都能接收到信号，便于两侧地面基站反射板的调整和数据分析。地面基站天线反射板是调整的主体，包括地面发射天线反射板(T_地反射板)和接收天线反射板(R_地反射板)。

本发明将综合待测地面基站全覆盖范围内的信号覆盖情况，以确保反射板的调整结果为基站全覆盖范围内的最优角度。

本发明针对的天线反射板包括车载发射天线反射板(T_车反射板)和车载接收天线反射板(R_车反射板)、地面发射天线反射板(T_地反射板)和地面接收天线反射板(R_地反射板)。T_车反射板和T_地反射板用于发射信号，R_车反射板和R_地反射板用于接收信号，两种反射板都需要进行调整。

如图3所示，本发明的一种高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法，包括以下步骤：

S1、通过天线反射板调整装置固定车载发射天线反射板和车载接收天线反射板的方位向为列车前进方向、俯仰向与轨道面成45°夹角，以保证车载基站能接收到地面基站的发射信号，也能发射信号到轨道两旁的地面基站，此时地面基站序号n＝1；

S2、地面无线电控制单元打开第n个地面基站，此时列车测试位置序号k＝1；

S3、车载基站在第k个测试位置X_k处持续通过车载发射天线反射板发射毫米波频段时隙信号，时隙信号包括连续波时隙和通信时隙，通信时隙中含有列车位置信息及列车接收电平；

S4、地面基站通过伺服系统调整地面接收天线反射板的方位向和俯仰向，同时记录不同方位向和俯仰向的地面基站接收电平，完成位置X_k处地面接收天线反射板的角度扫描；具体调整方法为：R_地反射板的方位向依次从-θ°到+θ°，步进Δζ°；调整完方位向后，再调整R_地反射板的俯仰向依次从-θ′°到+θ′°，步进Δζ′°；θ值、ζ值、θ′值、ζ′值可根据实际情况设定。同时记录不同方位向和俯仰向的地面基站接收电平，完成X₁位置处地面接收天线反射板的角度扫描；

S5、选取最大接收电平对应的方位向和俯仰向，如-θ°+Δζ°和+θ′°-Δζ′°，伺服系统调整地面接收天线反射板到-θ°+Δζ°方位向和+θ′°-Δζ′°俯仰向，以便下一步调整T_地反射板；地面接收天线反射板已被调整到最优角度，保证能够及时接收车载基站的发射信号；

S6、通过伺服系统调整地面发射天线反射板的方位向和俯仰向，地面基站通过地面发射天线反射板发射连续波信号，并记录不同方位向和俯仰向下的列车接收电平；

具体实现方法为：

S6-1、伺服系统调整一次地面发射天线反射板的方位向和俯仰向；记T_地反射板的初始方位向为-θ″°；

S6-2、地面基站通过地面发射天线反射板发射连续波信号，车载基站接收到连续波信号，列车接收电平发生变化；

S6-3、车载基站将列车接收电平包含在时隙信号中，通过车载发射天线反射板发射毫米波频段时隙信号；

S6-4、判断地面接收天线反射板接收的列车接收电平是否有效，若是则记录列车接收电平，然后执行S6-5，否则直接执行S6-5；

S6-5，重复步骤6-1～S6-4的操作，直至完成X_k位置处地面发射天线反射板的角度扫描。本实施例取Δζ″°为方位向步进，伺服系统调整T_地反射板的方位向到-θ″°+Δζ″°，按照6-1～S6-4记录T_地反射板在-θ″°+Δζ″°方位向的列车接收电平有效值。根据步进，伺服系统再调整T_地反射板方位向，循环同样步骤，直到记录完T_地反射板在+θ″°方位向的列车接收电平有效值。伺服系统再调整T_地反射板俯仰向，如调整T_地反射板方位向步骤一样，依次从-θ″′°到+θ″′°，步进Δζ″′°。θ″值、ζ″值、θ″′值、ζ″′值可根据实际情况设定。

S7、选取最大列车接收电平对应的方位向和俯仰向，伺服系统调整地面发射天线反射板到该方位向和俯仰向；

取T_地反射板接收信号电平最大值对应的方位向和俯仰向，如-θ″°+2Δζ″°和+θ″′°-2Δζ″′°，伺服系统调整T_地反射板到-θ″°+2Δζ″°方位向和+θ″′°-2Δζ″′°俯仰向。因此地面基站再次发射信号给车载基站，车载基站能最大限度接收到信号，并前进到地面基站信号全覆盖范围的下一个位置X₂。此处地面基站再次发射给车载基站的信号包括X₁位置处的R_地反射板和T_地反射板调整完毕信号。

S8、通过地面发射天线反射板，地面基站发射X_k位置处反射板测试完成信号到车载基站，信号内容包括列车在X_k位置处地面接收天线反射板、地面发射天线反射板的接收电平表和列车前进指令，k＝k+1，列车到下一个测试位置；若k＞K，则执行S9，否则返回步骤S3，K为列车位置序号最大值；

S9、获取地面基站信号全覆盖范围内，地面接收天线反射板和地面发射天线反射板在不同列车位置、不同方位向和俯仰向的接收电平表格；分析接收电平表格，得到地面接收天线反射板和地面发射天线反射板的最优方位向和最优俯仰向；伺服系统调整地面接收天线反射板和地面发射天线反射板到最优方位向和最优俯仰向，完成一个地面基站天线反射板的调整；

分析接收电平表格的方法为：

设置方位向接收电平的阈值α和俯仰向接收电平的阈值δ，接收电平大于等于阈值才视作有效接收；设置方位向接收电平方差阈值β和俯仰向接收电平方差阈值φ。如图4所示，具体实现方法为：

S9-1、分析反射板方位向：在全部列车位置变化范围，排除表格里接收电平小于预设阈值α的方位向；在剩下的方位向里，求取每个方位向对应接收电平的方差，排除表格里方差大于预设阈值β的方位向；再在最终剩下的方位向里，求取每个方位向对应接收电平的期望，取期望最大值对应的方位向为反射板最优方位向；以第n个地面基站的R_地反射板为例，判断-θ°对应的接收信号电平v₁₁,v₂₁,v₃₁...是否出现小于α的值，如果出现无效接收，则排除-θ°；同样再判断-θ°+Δξ°、-θ°+2Δξ°…+θ°对应的接收信号电平，排除所有无效接收的方位向。计算剩下方位向对应接收电平的方差，如-θ°+2Δξ°为有效接收，计算v₁₃,v₂₃,v₃₃...的方差得到γ，计算完后，设置方位向接收电平方差阈值β，判断γ是否大于β，大于β则排除-θ°+2Δξ°，同样也逐一判断其他剩下方位向，排除大于方差阈值β的方位向。在最终剩下的方位向，取期望最大值为最优方位向，如-θ°+Δζ°最终有效，且v₁₂,v₂₂...v_K2的期望最大，则-θ°+Δζ°为最优方位向。

S9-2、分析反射板俯仰向：在全部列车位置变化范围，排除表格里接收电平小于预设阈值δ的俯仰向；在剩下的方位向里，求取每个俯仰向对应接收电平的方差，排除表格里方差大于预设阈值

的俯仰向；再在最终剩下的俯仰向里，求取每个俯仰向对应接收电平的期望，取期望最大值对应的俯仰向为反射板最优俯仰向。

S10、地面基站发送列车定位数据给地面无线电控制单元，地面无线电控制单元关闭第n个地面基站；列车行驶至下一地面基站的信号全覆盖范围，n＝n+1，若n＞N，则结束操作，否则返回步骤S2，调整下一个地面基站天线反射板；N为地面基站数量。

针对N个地面基站天线反射板的调整，本发明高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法，主要利用DRCU控制N个地面基站的开启和关闭，其操作过程为：

DRCU开启第一个地面基站，按照上述步骤调整完第一个地面基站的天线反射板后，地面基站发送反射板调整结果和列车位置数据给DRCU，并通知列车行驶至第二个地面基站的信号覆盖范围。DRCU关闭第一个地面基站，并开启第二个地面基站，同样按照上述步骤调整完第二个地面基站的天线反射板。重复此操作，直到N个地面基站的天线反射板都被调整完毕。

本发明调整每一个地面基站的天线反射板时，车地基站之间形成了通信环路，如图5所示。一方面，车载基站持续发射时隙信号给地面基站，时隙信号包括连续波时隙和通信时隙，通信时隙包括列车位置信息及列车接收电平。其中：

1)连续波时隙用于地面基站调整R_地反射板时记录不同的连续波幅值；

2)列车位置信息用于调整反射板时标记轨道的不同位置，以及DRCU根据列车位置开启对应的地面基站；

3)列车接收电平用于地面基站调整T_地反射板时列车记录不同的连续波幅值，当未接收到地面基站的信号，地面基站进行数据处理时会过滤列车接收电平无效值。

一方面，地面基站调整T_地反射板时发射连续波信号给车载基站，以及在调整完R_地反射板和T_地反射板后，发射反射板调整完毕信号给车载基站，该反射板调整完毕信号包括地面天线反射板调整结果和列车前进指令。其中：

1)每个地面基站将天线反射板调整结果发送给车载基站，车载基站记录下所有调整数据，等到后续出现故障或异常情况时方便查询问题；

2)列车前进指令是指列车前进到基站的下一个信号覆盖范围位置点。

第n个地面基站的天线反射板伺服系统自动调整反射板到最优方位向和最有俯仰向，再将列车目前定位数据发送给DRCU。

DRCU判断列车是否驶离过第N个基站，如列车在第一个地面基站和第二个地面基站之间，DRCU关闭第一个地面基站，打开第二个地面基站接收连续波，重复上述步骤，直到调整完地面基站N的天线反射板，高速磁浮列车基站天线反射板高效率调整系统及方法实施完毕。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、固定车载发射天线反射板和车载接收天线反射板的方位向为列车前进方向、俯仰向与轨道面成45°夹角，此时地面基站序号n＝1；

S2、地面无线电控制单元打开第n个地面基站，此时列车测试位置序号k＝1；

S3、车载基站在第k个测试位置X_k处持续通过车载发射天线反射板发射毫米波频段时隙信号；

S4、地面基站通过伺服系统调整地面接收天线反射板的方位向和俯仰向，同时记录不同方位向和俯仰向的地面基站接收电平，完成位置X_k处地面接收天线反射板的角度扫描；

S5、选取最大接收电平对应的方位向和俯仰向，伺服系统调整地面接收天线反射板到该方位向和俯仰向；

S6、通过伺服系统调整地面发射天线反射板的方位向和俯仰向，地面基站通过地面发射天线反射板发射连续波信号，并记录不同方位向和俯仰向下的列车接收电平；

S7、选取最大列车接收电平对应的方位向和俯仰向，伺服系统调整地面发射天线反射板到该方位向和俯仰向；

S8、通过地面发射天线反射板，地面基站发射X_k位置处反射板测试完成信号到车载基站，信号内容包括列车在X_k位置处地面接收天线反射板、地面发射天线反射板的接收电平表和列车前进指令，k＝k+1，列车到下一个测试位置；若k＞K，则执行S9，否则返回步骤S3，K为列车位置序号最大值；

S9、获取地面基站信号全覆盖范围内，地面接收天线反射板和地面发射天线反射板在不同列车位置、不同方位向和俯仰向的接收电平表格；分析接收电平表格，得到地面接收天线反射板和地面发射天线反射板的最优方位向和最优俯仰向；伺服系统调整地面接收天线反射板和地面发射天线反射板到最优方位向和最优俯仰向，完成一个地面基站天线反射板的调整；

S10、地面基站发送列车定位数据给地面无线电控制单元，地面无线电控制单元关闭第n个地面基站；列车行驶至下一地面基站的信号全覆盖范围，n＝n+1，若n＞N，则结束操作，否则返回步骤S2，调整下一个地面基站天线反射板；N为地面基站数量。

2.根据权利要求1所述的高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法，其特征在于，所述步骤S6具体实现方法为：

S6-1、伺服系统调整一次地面发射天线反射板的方位向和俯仰向；

S6-2、地面基站通过地面发射天线反射板发射连续波信号，车载基站接收到连续波信号，列车接收电平发生变化；

S6-3、车载基站将列车接收电平包含在时隙信号中，通过车载发射天线反射板发射毫米波频段时隙信号；

S6-4、判断地面接收天线反射板接收的列车接收电平是否有效，若是则记录列车接收电平，然后执行S6-5，否则直接执行S6-5；

S6-5，重复步骤6-1～S6-4的操作，直至完成X_k位置处地面发射天线反射板的角度扫描。

3.根据权利要求1所述的高速磁浮列车车地天线反射板高效率高精度调整方法，其特征在于，所述步骤S9具体实现方法为：

S9-1、分析反射板方位向：在全部列车位置变化范围，排除表格里接收电平小于预设阈值α的方位向；在剩下的方位向里，求取每个方位向对应接收电平的方差，排除表格里方差大于预设阈值β的方位向；再在最终剩下的方位向里，求取每个方位向对应接收电平的期望，取期望最大值对应的方位向为反射板最优方位向；

S9-2、分析反射板俯仰向：在全部列车位置变化范围，排除表格里接收电平小于预设阈值δ的俯仰向；在剩下的方位向里，求取每个俯仰向对应接收电平的方差，排除表格里方差大于预设阈值

的俯仰向；再在最终剩下的俯仰向里，求取每个俯仰向对应接收电平的期望，取期望最大值对应的俯仰向为反射板最优俯仰向。

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