CN116828590A - 基于漏缆的隧道中列车定位方法、装置及系统 - Google Patents

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CN116828590A
CN116828590A CN202310476504.XA CN202310476504A CN116828590A CN 116828590 A CN116828590 A CN 116828590A CN 202310476504 A CN202310476504 A CN 202310476504A CN 116828590 A CN116828590 A CN 116828590A
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positioning
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train
carrier
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郭文芳
宋天助
邓中亮
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Abstract

本申请提供一种基于漏缆的隧道中列车定位方法、装置及系统，方法包括：自当前获取的用于漏缆定位的通导一体化信号中提取对应的载波相位信息和码相位信息，通导一体化信号由在隧道中运行的列车上的接收机自漏缆接收到；获取漏缆中当前距接收机最近的目标孔槽的编号，并根据载波相位信息、码相位信息和目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组；采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于目标孔槽的编号固定载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定接收机的位置，以实现对列车的定位。本申请能够有效降低隧道场景中的列车定位的建设与维护成本，并能够有效提高隧道中列车定位的精度及效率。

Description

基于漏缆的隧道中列车定位方法、装置及系统
技术领域
本申请涉及列车定位技术领域，尤其涉及基于漏缆的隧道中列车定位方法、装置及系统。
背景技术
近年来，随着交通事业快速发展，对隧道内的定位需求不断增加。现有的隧道场景下的定位大致分为三类：基于卫星信号的定位方法、基于非卫星信号的定位方法以及多种技术结合的方法。基于卫星信号的隧道定位首先需要模拟出真实卫星信号，然后通过转发器、漏缆、天线等装置将模拟信号播发至内部环境中，所需成本较高且生成模拟信号时需考虑不同定位系统间的时间基准转换；而基于非卫星信号的隧道定位技术与室内定位技术相似，不仅在建设成本上存在局限，而且常由于使用基于时间的定位方法，定位精度不佳。也就是说，现有的基于卫星信号和非卫星信号的隧道场景下的列车定位系统在维护和建设成本、定位精度等方面存在局限。
另外，5G系统虽然可以实现更高定位精度，但现有的5G PRS的播发会占用一定的通信资源，在配置PRS资源时，所占用的OFDM符号个数需要折中考虑接收PRS的信噪比、资源开销和测量性能等多方面因素。通常情况下，1个PRS资源包含的OFDM符号个数越多，接收端进行相干合并积累处理后的信噪比越大，测量性能越好，但是资源开销大，一定程度上会影响通信性能。同时，现有基于5G信号的定位方法大都基于时间或者角度测量，100MHz 5G系统的定位精度为米级，带宽为400MHz的5G毫米波系统达到亚米级，定位精度有限。
因此，亟需设计一种能够降低隧道场景下的列车定位的建设与维护成本，并提高定位精度的方法。
发明内容
鉴于此，本申请实施例提供了基于漏缆的隧道中列车定位方法、装置及系统，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
本申请的一个方面提供了一种基于漏缆的隧道中列车定位方法，包括：
自当前获取的用于漏缆定位的通导一体化信号中提取对应的载波相位信息和码相位信息，其中，该通导一体化信号由在隧道中运行的列车上的接收机自漏缆接收到；
获取所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号，并根据所述载波相位信息、码相位信息和所述目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组；
采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于所述目标孔槽的编号固定所述载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位。
在本申请的一些实施例中，所述通导一体化信号包括：通信模块和定位模块；
所述定位模块包括：一个高功率定位导频和一个连续低功率信号；
所述通信模块包括：通信信号。
在本申请的一些实施例中，所述获取所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号，包括：
获取所述列车当前的先验位置信息；
根据所述先验位置信息确定所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号。
在本申请的一些实施例中，所述根据所述载波相位信息、码相位信息和所述目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组，包括：
根据所述载波相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程，以及，根据所述码相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的码相位测量方程；
将所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程和码相位测量方程进行联立，得到该接收机的载波和码相位联立方程组。
在本申请的一些实施例中，所述根据所述载波相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程，以及，根据所述码相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的码相位测量方程，包括：
根据所述载波相位信息、所述接收机的每个天线分别与所述漏缆之间的垂直距离、所述接收机的位置、所述目标孔槽的编号、所述漏缆上各个孔槽之间的孔间距、所述漏缆的相对介电常数、载波信号波长、基站分别与每个所述天线之间的接收机时差和载波相位的整周模糊度，构建所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程；
以及，根据所述码相位信息、所述接收机的每个天线分别与所述漏缆之间的垂直距离、所述接收机的位置、所述目标孔槽的编号、所述漏缆上各个孔槽之间的孔间距、所述漏缆的相对介电常数以及基站分别与每个所述天线之间的接收机时差，构建所述接收机的两个天线各自对应的码相位测量方程。
在本申请的一些实施例中，所述采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于所述目标孔槽的编号固定所述载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位，包括：
根据所述载波和码相位联立方程组构建扩展卡尔曼滤波矩阵；
基于所述扩展卡尔曼滤波矩阵构建所述载波相位的整周模糊度的搜索函数；
应用整数高斯变换的方式将所述搜索函数转化为目标搜索函数；
采用扩展卡尔曼滤波的方式，根据所述目标孔槽的编号及所述目标搜索函数迭代求解得到所述载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位。
本申请的另一个方面提供了一种基于漏缆的隧道中列车定位装置，包括：
通导信号获取模块，用于自当前获取的用于漏缆定位的通导一体化信号中提取对应的载波相位信息和码相位信息，其中，该通导一体化信号由在隧道中运行的列车上的接收机自漏缆接收到；
方程联立模块，用于获取所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号，并根据所述载波相位信息、码相位信息和所述目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组；
模糊度固定模块，用于采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于所述目标孔槽的编号固定所述载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位。
本申请的第三个方面提供了一种基于漏缆的隧道中列车定位系统，包括：
漏缆，所述漏缆沿所述隧道的长度与方向铺设在所述隧道内，所述漏缆上的每个孔槽均设有唯一编号，各孔槽之间的孔间距相同；且所述漏缆与基站连接，用于将自所述基站发出的通导一体化信号自各个所述孔槽发出；
接收机，设有双天线且固定设置在列车上，用于在列车运行于隧道中时，接收基站自漏缆发出的所述通导一体化信号；
基于漏缆的隧道中列车定位装置，设置在列车上，所述基于漏缆的隧道中列车定位装置与所述接收机连接以获取所述通导一体化信号，该基于漏缆的隧道中列车定位装置用于所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法。
本申请的第四个方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法。
本申请的第五个方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法。
本申请提供的基于漏缆的隧道中列车定位方法，自当前获取的用于漏缆定位的通导一体化信号中提取对应的载波相位信息和码相位信息，其中，该通导一体化信号由在隧道中运行的列车上的接收机自漏缆接收到；获取所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号，并根据所述载波相位信息、码相位信息和所述目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组；采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于所述目标孔槽的编号固定所述载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位，通过采用通导一体化信号进行载波相位定位及基于漏缆孔信息的载波相位的整周模糊度快速固定的方法，能够有效降低隧道场景中的列车定位的建设与维护成本，并能够有效提高隧道中列车定位的精度及效率。
本申请的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本申请的实践而获知。本申请的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本申请实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本申请能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本申请的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本申请的原理。为了便于示出和描述本申请的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本申请实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
图1为现有的5G PRS时频域资源配置图。
图2为本申请一实施例中的基于漏缆的隧道中列车定位方法的第一种流程示意图。
图3为本申请提供的隧道场景下的列车定位模型的示意图。
图4为本申请提供的用于漏缆定位的新型通导一体化信号的结构示意图。
图5为本申请一实施例中的基于漏缆的隧道中列车定位方法的第二种流程示意图。
图6为本申请一实施例中的基于漏缆的隧道中列车定位方法的第三种流程示意图。
图7为本申请一实施例中的基于漏缆的隧道中列车定位装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本申请做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本申请，在附图中仅仅示出了与根据本申请的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本申请关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
在下文中，将参考附图描述本申请的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
在本申请的一个或多个实施例中，GNSS(Global Navigation Satellite System)是指全球导航卫星系统；UWB(Ultra-Wideband)是指超宽带技术；MIMO(Multiple InputMultiple Output)是指多进多出技术；3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)是指第三代伙伴计划；PRS(Positioning Reference Signal)是指定位参考信号；TRP(Transmission/Reception Point)是指发送/接收点；DL-AOD(Downlink Angle-of-Departure)是指下行离开角；UL-AOA(Uplink Angle-of-Arrival)是指上行到达角；Multi-RTT(Multi Round-Trip Time)是指多次往返时间；DL-TDOA(Downlink Time Differenceof Arrival)是指下行到达时间差；UL-TDOA(Uplink Time Difference of Arrival)是指上行到达时间差；E-CID(Enhanced Cell-ID)是指增强型小区定位；PLL(Phase LockedLoop)是指锁相环；LCX(Leaky Coaxial Cable)是指泄露同轴电缆。
全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)信号在室外开阔环境中定位性能较佳，但在城市峡谷、室内、隧道等复杂环境下覆盖能力不足，很难提供广域无缝的高性能位置服务。
针对室内定位技术的研究，目前已产生了多种室内定位系统，包括可见光、ZigBee、RFID、超宽带(UWB)等。虽然这些系统已经应用于多个行业，但是存在作用范围小、建设成本高、普适性差等缺点，成为其广泛应用的瓶颈。尤其在某些特殊场景，如在隧道场景下的列车定位过程中，这些技术均存在一定的缺陷。例如，可见光技术在隧道场景中易受车辆灯光影响，稳定性不佳；ZigBee技术需要的定位节点众多且网络相对复杂；RFID技术定位距离有限；UWB定位成本较高，大规模应用成为困难。
移动通信系统作为全球使用范围最广、使用人数最多的通信系统，具有覆盖范围广、使用成本低、可靠性强等优点，利用通信系统进行定位能有效弥补卫星在室内、隧道环境中定位能力不足的缺陷。随着移动通信网络的快速发展，5G系统的大带宽和大规模天线技术将为垂直行业提供更高性能的位置服务能力，也将为隧道场景下的列车定位带来新机遇。
5G系统支持百兆级带宽，大带宽对应更低的采样间隔，其可测量最小距离差异的时间分辨率越高，因此可以实现更高定位精度。100MHz 5G系统的定位精度为米级，带宽为400MHz的5G毫米波系统达到亚米级。5G多输入多输出技术(MIMO)利用多根发射天线和接收天线的组合提供更多的空间自由度，随着空间样本数增加，到达角和离开角度的信息增加，角度的分辨率随之提升，能够判别更精准的地理位置，此外，大量发送天线能够获得更窄的波束，进一步提高离开角的分辨率。
3GPP Rel-16阶段研究了基于NR的定位技术，并且定义了新的下行定位参考信号(PRS)，可用于终端对时间差和角度的测量，从而获得定位信息。与LTE PRS相比，5G DL PRS具有以下特点：
(1)DL PRS采用了Gold序列，序列个数是4096。用于保持下行多TRP之间的干扰随机化和良好的序列互相关特性，以支持在不同网络部署情况下，UE能够检测到多个TRP的DLPRS，便于实现多点定位。
(2)DL PRS支持发送波束扫描和接收波束扫描，可以实现对多个不同波束上DLPRS资源的合并处理，获得合并增益，提升定位性能。
(3)支持灵活的DL PRS的时频域资源配置，满足不同应用场景下的定位精度，避免资源浪费。
同时，3GPP Rel-16标准对5G系统支持的定位方式在原有基础上，新增了下行离开角(DL-AOD)、上行到达角(UL-AOA)、多次往返时间(Multi-RTT)、下行信号到达时间差(DL-TDOA)、上行信号到达时间差(UL-TDOA)、增强型小区ID(E-CID)等新的定位测量手段。
目前关于NR信号的定位方法大都基于时间或角度的测量，而载波相位定位技术的测量误差一般小于载波波长的10％，因此，基于5G信号的载波相位定位技术理论上能够获得厘米级的定位精度。具体来说，载波相位技术是通过测量接收信号的载波相位变化从而获得信号的传播距离信息的定位方法。假设信号从发射机到接收机的过程中，载波相位变化量可表示为：
其中，Δt表示收发端之间的时延偏移，包括采样时钟差异及传播时延，表示接收端在tr时刻接收信号的载波相位，/>表示在(tr-Δt)时刻发送端发送信号时的载波相位，N为载波相位变化量的整周模糊度。收发端的传播距离可由以下公式得到：
其中，λ为信号载波波长。如式中所示，载波相位的测量值中含有整周模糊度的影响，因此，要得到正确的载波相位信息，需要进行准确的整周模糊度的估计。
现有的5G PRS在1个时隙中不同配置参数情况下时频域资源配置如图1所示，与PRS时频资源配置相关的参数主要为以下三个：
(1)DL PRS资源的梳齿尺寸
(2)DL PRS资源的OFDM符号LPRS；
(3)DL PRS资源的PRS图样(梳齿尺寸、OFDM符号个数之间的关系和RE偏移，此偏移关系表格可参看3GPP 38.211标准)。
由图1所示，1个DL PRS资源在时域上占用1个或若干个连续的OFDM符号，在频域上占用多个连续的PRB并且以梳齿的方式支持多个不同的DL PRS资源在不同的子载波上复用。合理和灵活的配置PRS发射功率和资源开销，能够满足多种不同的定位需求。
具体来说，5G PRS信号通过配置时频资源，可以实现连续播发，这为载波相位定位技术的实现提供了可能。但在实现高精度的同时会占据大量的原本可用于通信的时频资源，从而影响通信性能。并且对于载波相位定位技术，整周模糊度的确定是完成载波测量中的关键一步。使用5G PRS信号进行载波相位定位的具体过程如下：
步骤1)接收5G PRS信号，提取TOA和载波相位测量值
5G PRS定位参考信号用于下行链路中子帧的传输。为了消除接收机和发射机的时钟误差，通常采用基于参考终端的双差分技术。参考终端是指设定一个位置已知的接收机终端。接收PRS信号所提取的TOA和载波相位测量值可以表示为：
其中，表示接收机i与发射机j之间的实际距离；δri_t为接收机i侧的时钟偏差；δtj_t为发射机j侧的时钟偏差；/>为接收机i接收来自发射机j的PRS信号TOA值；/>为接收机i接收来自发射机j的PRS信号载波相位值，/>为整周模糊度；c为光速；λ为载波信号波长。
假设有两台发射机(j＝1,2)和两台接收机(i＝1,2)，对于同一发射机j＝1，将两个接收机接收信号的TOA值和载波相位测量值做减法能够消除发射机j＝1侧的时钟误差，此时得到的一个单差分方程组，然后求出发射机j＝2时的单差分方程组。将两个单差分方程组再次相减可得双差分方程组：
其中，基于参考终端的双差分技术中需要存在一个位置已知的参考终端，因此有一台接收机位置已知，加上发射机位置通常固定，可认为两台发射机位置也是已知的。当得到双差分的整周模糊度后，很容易可以得到另一台接收机位置，即需要求解的接收机位置。
步骤2)整周模糊度求解
观察步骤1)中双差分方程组，将双差分方程组中两式相减再除以载波波长λ，直接取与其最接近的整数可作为双差分的整周模糊度进而得到未知的接收机位置。这样也可以实现整周模糊度的快速求解。但是理论上，整周模糊度应为一整数，准确估计其值并利用这一特性能够有效提高定位解的精度。
然而，上述的5G PRS的播发会占用通信资源，且资源开销大，因此依然无法进一步降低列车定位方法中建设与维护成本，且使得定位精度受限。因此，现有的隧道中列车定位方法至少具有以下问题：
(1)现有的基于卫星信号和非卫星信号的隧道场景下的列车定位系统在维护和建设成本、定位精度等方面存在局限。
(2)现有的5G PRS的播发会占用一定的通信资源，在配置PRS资源时，所占用的OFDM符号个数需要折中考虑接收PRS的信噪比、资源开销和测量性能等多方面因素。通常情况下，1个PRS资源包含的OFDM符号个数越多，接收端进行相干合并积累处理后的信噪比越大，测量性能越好，但是资源开销大，一定程度上会影响通信性能。
(3)现有基于5G信号的定位方法大都基于时间或者角度测量，100MHz 5G系统的定位精度为米级，带宽为400MHz的5G毫米波系统达到亚米级，定位精度有限。使用载波相位技术能够使得定位精度达到厘米级，满足垂直行业中更高精度的定位需求。
(4)载波相位定位技术虽然能够达到较高的定位精度，但需要正确求解出整周模糊度。因此，如何快速、正确地确定整周模糊度是全球定位系统载波相位测量中非常重要且亟需解决的问题之一。
因此，针对现有隧道场景下的列车定位方法中建设与维护成本较高、定位精度有限的问题，本申请设计了一种隧道场景下基于漏缆的列车定位方法，提出一种用于漏缆定位的新型通导一体化信号，并使用此信号进行载波相位定位，最终实现厘米级别的高精度定位；同时提出一种基于漏缆孔信息的载波相位模糊度快速固定方法。
具体通过下述实施例进行详细说明。
基于此，本申请实施例提供一种可由基于漏缆的隧道中列车定位装置实现的基于漏缆的隧道中列车定位方法，参见图2，所述基于漏缆的隧道中列车定位方法具体包含有如下内容：
步骤100：自当前获取的用于漏缆定位的通导一体化信号中提取对应的载波相位信息和码相位信息，其中，该通导一体化信号由在隧道中运行的列车上的接收机自漏缆接收到。
在本申请的一个或多个实施例中，隧道场景下列车定位模型如图3所示，通导一体化信号经由基站自漏缆发出，再由列车接收机上的双天线接收，最后执行下述的基于载波相位技术的列车位置解算算法。其中，隧道内部上方铺设一根漏缆，漏缆上有大量的周期性孔槽并为其设定编号，漏缆孔槽间距为d。基站端发射能够用于定位的无线信号如5G信号或其他信号，然后信号通过漏缆孔槽可播发至隧道内部，列车上接收机接收到无线信号能够实现定位。
步骤200：获取所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号，并根据所述载波相位信息、码相位信息和所述目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组。
步骤300：采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于所述目标孔槽的编号固定所述载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位。
从上述描述可知，本申请实施例提供的基于漏缆的隧道中列车定位方法，通过采用通导一体化信号进行载波相位定位及基于漏缆孔信息的载波相位的整周模糊度快速固定的方法，能够有效降低隧道场景中的列车定位的建设与维护成本，并能够有效提高隧道中列车定位的精度及效率。
为了进一步提高基于漏缆的隧道中列车定位的精度并降低通信资源占用率，在本申请实施例提供的一种基于漏缆的隧道中列车定位方法中，参见图4，所述基于漏缆的隧道中列车定位方法中的所述通导一体化信号包括：通信模块和定位模块；
所述定位模块包括：一个高功率定位导频和一个连续低功率信号；
所述通信模块包括：通信信号。
可以理解的是，通导一体化信号分由两部分组成，这两部分用英文表述为communication component(通信部分)和positioning component(定位部分)，也即分别对应本申请的一个或多个实施例中提及的通信模块和定位模块。
具体来说，如图3所示，针对隧道场景下的列车定位模型，提出了一种用于漏缆定位的通导一体化信号(也可以成为：新型通导一体化信号)。该新型通导一体化信号由通信成分和定位成分两部分组成，可同时实现通信和定位功能。其中，新型通导一体化信号中用于定位的部分称为定位成分，定位成分是由一个高功率定位导频+一个低功率连续定位信号(可称之为连续低功率信号)构成。
该新型通导一体化信号经由基站自漏缆发出，再由列车接收机上的双天线接收，最后执行下述的基于载波相位技术的列车位置解算算法。连续低功率信号FRS(FineRanging Signal,FRS)主要用于高精度测距，由于FRS信号在时域上连续，因此接收机不仅可以跟踪载波相位，达到厘米级的测距精度，而且可以在其计算能力范围内随时进行测量。
基于此，本申请设计了一种用于漏缆定位的新型通导一体化信号，能够在不占用大量通信资源的情况下实现高精度低成本定位。
为了提高构建载波和码相位联立方程组的应用可靠性及有效性，在本申请实施例提供的一种基于漏缆的隧道中列车定位方法中，参见图5，所述基于漏缆的隧道中列车定位方法的步骤200具体包含有如下内容：
步骤210：根据所述载波相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程，以及，根据所述码相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的码相位测量方程；
步骤220：将所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程和码相位测量方程进行联立，得到该接收机的载波和码相位联立方程组。
为了进一步提高构建载波和码相位联立方程组的应用可靠性及有效性，在本申请实施例提供的一种基于漏缆的隧道中列车定位方法中，参见图6，所述基于漏缆的隧道中列车定位方法的步骤210具体包含有如下内容：
步骤211：根据所述载波相位信息、所述接收机的每个天线分别与所述漏缆之间的垂直距离、所述接收机的位置、所述目标孔槽的编号、所述漏缆上各个孔槽之间的孔间距、所述漏缆的相对介电常数、载波信号波长、基站分别与每个所述天线之间的接收机时差和载波相位的整周模糊度，构建所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程。
载波观测方程如公式(1)所示：
其中，d为漏缆上孔间距，h为接收机天线与漏缆间垂直距离，εr为漏缆的相对介电常数，λ为载波信号波长，以上数值均为人为设置。为提取的载波相位信息，nl为获得的孔编号。因此方程中的未知数有三个：载波相位的模糊度kl，要求解的接收机位置pl，基站与天线的接收机时差dt。
步骤212：根据所述码相位信息、所述接收机的每个天线分别与所述漏缆之间的垂直距离、所述接收机的位置、所述目标孔槽的编号、所述漏缆上各个孔槽之间的孔间距、所述漏缆的相对介电常数以及基站分别与每个所述天线之间的接收机时差，构建所述接收机的两个天线各自对应的码相位测量方程。
码相位测量方程如公式(2)所示：
其中，C为提取的码相位信息，其余参数值均与载波相位观测方程中一致。
为了进一步提高构建载波和码相位联立方程组的应用可靠性及有效性，在本申请实施例提供的一种基于漏缆的隧道中列车定位方法中，参见图6，所述基于漏缆的隧道中列车定位方法的步骤300具体包含有如下内容：
步骤310：根据所述载波和码相位联立方程组构建扩展卡尔曼滤波矩阵；
步骤320：基于所述扩展卡尔曼滤波矩阵构建所述载波相位的整周模糊度的搜索函数；
步骤330：应用整数高斯变换的方式将所述搜索函数转化为目标搜索函数；
步骤340：采用扩展卡尔曼滤波的方式，根据所述目标孔槽的编号及所述目标搜索函数迭代求解得到所述载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位。
具体来说，使用改进的EKF算法求解步骤200获取的联立方程组，EKF算法改进的地方主要在于引入了漏缆孔信息，即距离接收机最近的孔编号nl，提出一种基于漏缆孔信息的载波相位模糊度快速固定方法，能够快速准确估计出整周模糊度，然后对EKF的状态向量进行修正。
从软件层面来说，本申请还提供一种用于执行所述基于漏缆的隧道中列车定位方法中全部或部分内的基于漏缆的隧道中列车定位装置，参见图7，所述基于漏缆的隧道中列车定位装置具体包含有如下内容：
通导信号获取模块10，用于自当前获取的用于漏缆定位的通导一体化信号中提取对应的载波相位信息和码相位信息，其中，该通导一体化信号由在隧道中运行的列车上的接收机自漏缆接收到。
方程联立模块20，用于获取所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号，并根据所述载波相位信息、码相位信息和所述目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组。
模糊度固定模块30，用于采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于所述目标孔槽的编号固定所述载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位。
本申请提供的基于漏缆的隧道中列车定位装置的实施例具体可以用于执行上述实施例中的基于漏缆的隧道中列车定位方法的实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述基于漏缆的隧道中列车定位方法实施例的详细描述。
所述基于漏缆的隧道中列车定位装置进行基于漏缆的隧道中列车定位的部分可以在客户端设备中完成。具体可以根据所述客户端设备的处理能力，以及用户使用场景的限制等进行选择。本申请对此不作限定。若所有的操作都在所述客户端设备中完成，所述客户端设备还可以包括处理器，用于基于漏缆的隧道中列车定位的具体处理。
上述的客户端设备可以具有通信模块(即通信单元)，可以与远程的服务器进行通信连接，实现与所述服务器的数据传输。所述服务器可以包括任务调度中心一侧的服务器，其他的实施场景中也可以包括中间平台的服务器，例如与任务调度中心服务器有通信链接的第三方服务器平台的服务器。所述的服务器可以包括单台计算机设备，也可以包括多个服务器组成的服务器集群，或者分布式装置的服务器结构。
上述服务器与所述客户端设备端之间可以使用任何合适的网络协议进行通信，包括在本申请提交日尚未开发出的网络协议。所述网络协议例如可以包括TCP/IP协议、UDP/IP协议、HTTP协议、HTTPS协议等。当然，所述网络协议例如还可以包括在上述协议之上使用的RPC协议(Remote Procedure Call Protocol，远程过程调用协议)、REST协议(Representational State Transfer，表述性状态转移协议)等。
从上述描述可知，本申请实施例提供的基于漏缆的隧道中列车定位装置，通过采用通导一体化信号进行载波相位定位及基于漏缆孔信息的载波相位的整周模糊度快速固定的方法，能够有效降低隧道场景中的列车定位的建设与维护成本，并能够有效提高隧道中列车定位的精度及效率。
基于上述的基于漏缆的隧道中列车定位装置和/或基于漏缆的隧道中列车定位方法，本申请还提供一种基于漏缆的隧道中列车定位系统，所述基于漏缆的隧道中列车定位系统具体包含有如下内容：
漏缆，所述漏缆沿所述隧道的长度与方向铺设在所述隧道内，所述漏缆上的每个孔槽均设有唯一编号，各孔槽之间的孔间距相同；且所述漏缆与基站连接，用于将自所述基站发出的通导一体化信号自各个所述孔槽发出；
接收机，设有双天线且固定设置在列车上，用于在列车运行于隧道中时，接收基站自漏缆发出的所述通导一体化信号；
基于漏缆的隧道中列车定位装置，设置在列车上，所述基于漏缆的隧道中列车定位装置与所述接收机连接以获取所述通导一体化信号，该基于漏缆的隧道中列车定位装置用于前述实施例提及的基于漏缆的隧道中列车定位方法。
为了进一步说明本方案，本申请还提供一种基于漏缆的隧道中列车定位方法的具体应用实例，使用新型通导一体化信号，相较于传统5G PRS信号，优点为：能够在不占用通信资源的情况下实现高精度的定位；载波相位求解整周模糊度的过程中，采用了搜索的方法，引入漏缆上的孔位置信息，能够有效缩小搜索范围，准确找到整周模糊度。
具体来说，本申请应用实例提出新型适用于漏缆定位的通导一体化信号，新型通导一体化信号中包含通信成分和定位成分，其中定位成分是由一个高功率定位导频+一个低功率连续定位信号构成。高功率定位导频与通信信号时分复用，低功率定位信号与通信信号和高功率定位导频通过非正交多址接入技术复用。
另外，本申请应用实例还提出基于漏缆孔信息的载波相位模糊度快速固定方法，首先借助先验位置信息，确定接收机与漏缆之间最近的孔编号，再利用孔编号估计值确定整周模糊度的范围，搜索并修正EKF求解过程中的整周模糊度，进而利用修正后整周模糊度修正其他未知量。
本申请应用实例提供的基于漏缆的隧道中列车定位方法，具体包含有如下内容：
步骤1)首先根据先验位置信息得到距离列车接收机最近的孔编号
先验位置信息又被称为粗略定位结果，可由位置传感器或者其他定位精度相对不高的定位方法提供等。由于漏缆上分布了大量的周期性孔槽，因此可由这个粗略的定位结果确定此时距离接收机天线最近的孔编号nl。
步骤2)接收新型通导一体化信号，并提取码相位信息和载波相位信息
对于单天线而言，根据上一步得到的孔编号nl可建立载波观测方程：
其中，d为漏缆上孔间距，h为接收机天线与漏缆间垂直距离，εr为漏缆的相对介电常数，λ为载波信号波长，以上数值均为人为设置。为提取的载波相位信息，nl为步骤1)中获得的孔编号。因此方程中的未知数有三个：载波相位的模糊度kl，要求解的接收机位置pl，基站与天线的接收机时差dt。
使用码相位的测量值来帮助求解载波相位模糊度kl。建立码相位测量方程为：
其中，C为提取的码相位信息，其余参数值均与载波相位观测方程中一致。
由于求解接收机位置pl的公式中涉及到平方计算，因此在接收端使用双天线接收信号(假设天线编号为1、2，相应的参数以角标1、2作以区分)，能够消除几何模糊。因此将双天线接收到的信号的码相位信息和载波相位信息构建如下联立方程组：
步骤3)使用改进的扩展卡尔曼滤波求解接收机的位置pl，并提出一种基于漏缆孔信息的载波相位模糊度快速固定方法，实现载波相位的整周模糊度的快速准确求解
使用改进的EKF算法求解步骤2)中的联立方程组，EKF算法改进的地方主要在于引入了漏缆孔信息，即距离接收机最近的孔编号nl，提出一种基于漏缆孔信息的载波相位模糊度快速固定方法，能够快速准确估计出整周模糊度，然后对EKF的状态向量进行修正。
首先由步骤2)中的联立方程组构建EKF方程，构建方法与传统EKF方法一致。其中，状态向量为更新后的状态向量为/>将/>划分为非整数状态向量/>与整数状态向量/>构造如下矩阵：
然后构建整周模糊度的搜索函数(表示通过搜索算法后得到的整周模糊度)
表示修正前的整周模糊度，/>经过搜索后的整周模糊度，即修正后的整周模糊度。
考虑到两个天线由于距离较近，会导致两个整周模糊度高度相关，搜索空间较窄。因此，首先应用整数高斯变换，使得搜索空间较圆。令：w＝Wbt, 其中W为已知的转换矩阵，代入上述搜索公式可得到一个新的搜索公式(即：目标搜索函数)：
然后根据步骤1)中的孔编号nl可以计算出整周模糊度的可能值，缩小搜索范围，减少计算量。在搜索空间内，搜索得到修正变换后的整数模糊度后，采用逆变换可得到原本的整周模糊度/>最后使用得到的整周模糊度/>进一步修正非整数状态向量/>其中，kl的求解是在卡尔曼滤波过程中完成的。
综上所述，目前基于卫星信号的隧道定位首先需要模拟出真实卫星信号，然后通过转发器、漏缆、天线等装置将模拟信号播发至隧道内部环境中，所需成本较高且生成模拟信号时需考虑不同定位系统间的时间基准转换；而基于非卫星信号的隧道定位不仅在建设成本上存在局限，而且常由于使用基于时间的定位方法，定位精度不佳。本申请相比于现有的隧道定位模型及方法，首先设计了一种用于LCX定位新型通导一体化信号，能够在不占用大量通信资源的情况下实现高精度低成本定位；然后基于此新型信号进行载波相位定位，利用先验位置信息求解距离接收机最近的漏缆孔编号，巧妙地借助孔编号信息快速地固定载波相位的整周模糊度。说明如下：
(1)用于LCX的新型通导一体化信号：
现有的地铁、隧道定位技术众多，但存在投资成本和定位精度的矛盾，大多需要另行铺设定位设备。而移动通信网络具有覆盖面广、可扩展性强等优点，将通信信号与定位信号相结合能够实现低成本高精度的定位性能。本申请所设计的用于漏缆定位的通导一体化信号中用于定位的部分是由一个高功率定位导频+一个低功率连续定位信号构成，高功率定位导频与通信信号时分复用，低功率定位信号与通信信号和高功率定位导频通过非正交多址接入技术复用。
(2)基于漏缆孔信息的整周模糊度快速固定方法：
泄露电缆具有安装简单、信号覆盖均匀、总体造价低等优点，在室内、地铁、隧道等地下场景，常使用泄露电缆进行信号覆盖。本申请提出了一种基于漏缆孔信息的整周模糊度快速固定方法，借助先验位置信息得到孔编号，然后利用孔编号快速固定载波相位的整周模糊度，实现厘米级定位。
本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备可以包括处理器、存储器、接收器及发送器，处理器用于执行上述实施例提及的基于漏缆的隧道中列车定位方法，其中处理器和存储器可以通过总线或者其他方式连接，以通过总线连接为例。该接收器可通过有线或无线方式与处理器、存储器连接。
处理器可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的基于漏缆的隧道中列车定位方法对应的程序指令/模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的基于漏缆的隧道中列车定位方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
所述一个或者多个模块存储在所述存储器中，当被所述处理器执行时，执行实施例中的基于漏缆的隧道中列车定位方法。
在本申请的一些实施例中，用户设备可以包括处理器、存储器和收发单元，该收发单元可包括接收器和发送器，处理器、存储器、接收器和发送器可通过总线系统连接，存储器用于存储计算机指令，处理器用于执行存储器中存储的计算机指令，以控制收发单元收发信号。
作为一种实现方式，本申请中接收器和发送器的功能可以考虑通过收发电路或者收发的专用芯片来实现，处理器可以考虑通过专用处理芯片、处理电路或通用芯片实现。
作为另一种实现方式，可以考虑使用通用计算机的方式来实现本申请实施例提供的服务器。即将实现处理器，接收器和发送器功能的程序代码存储在存储器中，通用处理器通过执行存储器中的代码来实现处理器，接收器和发送器的功能。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现前述基于漏缆的隧道中列车定位方法的步骤。该计算机可读存储介质可以是有形存储介质，诸如随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、软盘、硬盘、可移动存储盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本申请的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
需要明确的是，本申请并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本申请的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本申请的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
本申请中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于漏缆的隧道中列车定位方法，其特征在于，包括：
自当前获取的用于漏缆定位的通导一体化信号中提取对应的载波相位信息和码相位信息，其中，该通导一体化信号由在隧道中运行的列车上的接收机自漏缆接收到；
获取所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号，并根据所述载波相位信息、码相位信息和所述目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组；
采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于所述目标孔槽的编号固定所述载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位。
2.根据权利要求1所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法，其特征在于，所述通导一体化信号包括：通信模块和定位模块；
所述定位模块包括：一个高功率定位导频和一个连续低功率信号；
所述通信模块包括：通信信号。
3.根据权利要求1所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法，其特征在于，所述获取所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号，包括：
获取所述列车当前的先验位置信息；
根据所述先验位置信息确定所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号。
4.根据权利要求1所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法，其特征在于，所述根据所述载波相位信息、码相位信息和所述目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组，包括：
根据所述载波相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程，以及，根据所述码相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的码相位测量方程；
将所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程和码相位测量方程进行联立，得到该接收机的载波和码相位联立方程组。
5.根据权利要求4所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法，其特征在于，所述根据所述载波相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程，以及，根据所述码相位信息和所述目标孔槽的编号分别构建所述接收机的两个天线各自对应的码相位测量方程，包括：
根据所述载波相位信息、所述接收机的每个天线分别与所述漏缆之间的垂直距离、所述接收机的位置、所述目标孔槽的编号、所述漏缆上各个孔槽之间的孔间距、所述漏缆的相对介电常数、载波信号波长、基站分别与每个所述天线之间的接收机时差和载波相位的整周模糊度，构建所述接收机的两个天线各自对应的载波观测方程；
以及，根据所述码相位信息、所述接收机的每个天线分别与所述漏缆之间的垂直距离、所述接收机的位置、所述目标孔槽的编号、所述漏缆上各个孔槽之间的孔间距、所述漏缆的相对介电常数以及基站分别与每个所述天线之间的接收机时差，构建所述接收机的两个天线各自对应的码相位测量方程。
6.根据权利要求5所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法，其特征在于，所述采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于所述目标孔槽的编号固定所述载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位，包括：
根据所述载波和码相位联立方程组构建扩展卡尔曼滤波矩阵；
基于所述扩展卡尔曼滤波矩阵构建所述载波相位的整周模糊度的搜索函数；
应用整数高斯变换的方式将所述搜索函数转化为目标搜索函数；
采用扩展卡尔曼滤波的方式，根据所述目标孔槽的编号及所述目标搜索函数迭代求解得到所述载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位。
7.一种基于漏缆的隧道中列车定位装置，其特征在于，包括：
通导信号获取模块，用于自当前获取的用于漏缆定位的通导一体化信号中提取对应的载波相位信息和码相位信息，其中，该通导一体化信号由在隧道中运行的列车上的接收机自漏缆接收到；
方程联立模块，用于获取所述漏缆中当前距所述接收机最近的目标孔槽的编号，并根据所述载波相位信息、码相位信息和所述目标孔槽的编号构建载波和码相位联立方程组；
模糊度固定模块，用于采用扩展卡尔曼滤波的方式，基于所述目标孔槽的编号固定所述载波和码相位联立方程组中的载波相位的整周模糊度并确定所述接收机的位置，以实现对所述列车的定位。
8.一种基于漏缆的隧道中列车定位系统，其特征在于，包括：
漏缆，所述漏缆沿所述隧道的长度与方向铺设在所述隧道内，所述漏缆上的每个孔槽均设有唯一编号，各孔槽之间的孔间距相同；且所述漏缆与基站连接，用于将自所述基站发出的通导一体化信号自各个所述孔槽发出；
接收机，设有双天线且固定设置在列车上，用于在列车运行于隧道中时，接收基站自漏缆发出的所述通导一体化信号；
基于漏缆的隧道中列车定位装置，设置在列车上，所述基于漏缆的隧道中列车定位装置与所述接收机连接以获取所述通导一体化信号，该基于漏缆的隧道中列车定位装置用于执行权利要求1至6任一项所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的基于漏缆的隧道中列车定位方法。
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