CN117842151A - 一种基于uwb的列车防撞定位系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于UWB的列车防撞定位系统，属于通信技术领域，该系统由轨旁基站和车载标签构成，车载标签安装在列车头部，该系统设有四个轨旁基站，分别架设在轨道两旁，车载标签为建立测距信号的发起设备，其功能是在信号盲区与轨旁基站建立通信连接，并计算出其所在位置信息。针对现有的列车通信系统故障问题，本系统采用冗余设计，在检测列车通信系统故障时，紧急启用本系统，为列车驾驶员有效提供列车位置速度信息，用于判断列车的安全距离，有效降低的安全事故的发生。本发明采用UWB无线通信，抗干扰能力强，保密性高，在不占用原有通信信号频带的情况下，既能保证原有通信信号不受干扰，独立频带更容易满足自身通信。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于UWB的列车防撞定位系统。
背景技术
随着轨道交通及列车技术的不断发展，在运输的过程中难免出现诸多安全隐患，甚至发生严重的安全事故，在列车事故中，最常见的的事故就是列车追尾碰撞。由于列车系统复杂庞大，需要各路子系统协调工作运行，其中包括轨道、电力、信号通信等系统，其中信号通信系统故障是列车追尾碰撞的重要原因之一，在列车通信系统故障时，列车驾驶员无法确认本车与前车的相邻距离，继而无法控制有效的安全距离。
在轨道交通运输中，防撞预警技术的研究愈发重要，针对现有的定位技术和方法，有下述方案可供选择：
1、红外线定位
基本原理：主要通过在已知节点处的红外线发射设备发射红外线，然后在待测节点布置好的光学传感器接收这些红外信号，经过对红外信号的处理，计算出距离，从而达到定位效果。
优缺点：一是红外线传播距离较短，二是红外线没有越过障碍物的能力，这就要求定位环境没有障碍物，或说定位只能在可视距条件下。
2、超声波定位
基本原理：超声波定位只要依靠信号的发射，首先由已知节点处发射超声波，当待测节点接收到超声波后，发射返回波，就这样，利用发射波的发射时刻与返回波的发射时刻的时间差，再根据已知超声波的传播速度，计算出距离，从而达到定位效果。该技术有时也利用单向波的传播时间进行定位。
优缺点：超声波定位在小范围内的准确度很高，但是由于多径效应和非视距影响，且受限于被测物体的形状和位置，目前主要应用于感应装置的触发，而且造价很高。
3、蓝牙定位
基本原理：在待测环境下事先布置好相对应的蓝牙局域网接入点，然后配置好相应的网络连接模式，这样就能在网络中得到各个节点的位置信息，从而达到定位的效果。蓝牙定位技术主要应用于短距离的无线传输，它主要利用信号中的RSSI(基于信号接受强度)值来计算距离长度。
优缺点：它最大的优点是设备小巧而且不受障碍物和非视距的影响，但是它容易受到噪声的影响导致稳定性较差，而且价格昂贵。
4、射频识别定位
基本原理：射频识别(Radio Frequency IdenTIficaTIon，RFID)定位是利用无线电信号通过非接触模式的识别和读写方式获得位置信息。他可以在短时间(通常为毫米级)内，对位置信息做出误差较小(通常为厘米级)的定位，而且信号传播范围较大，造价不高。
优缺点：它的定位范围却很小、理论模型仍然不健全、用户的安全性隐私和国际化标准仍然不够完善。
5、超宽带定位(UWB)
基本原理：超宽带(Ultra Wide Band，UWB)定位是新兴的通信技术，他与传统通信方式不同的是：它可以不需要载波，而是利用纳秒或纳秒级以下的脉冲进行通信，因此UWB的带宽可以达到千兆赫兹。
优缺点：UWB技术的优点较多，例如穿透能力强、功耗低、受多径效应的影响小、安全系数高、系统复杂度低与定位精度高等优点。然而UWB定位因需要十分准确的时钟所以造价较高，从而在室内定位的应用范围尚未很广。
6、WIFI定位技术
基本原理：每一个无线AP(无线访问节点)都有一个全球唯一的MAC地址,WiFi定位靠的是侦测附近周围所有的无线网络基地台(WiFi Access Point)的MAC地址，去比对数据库中该MAC地址的坐标，交叉计算出所在地。
优缺点：这种定位技术将经验测试数据与传播模型进行数据融合，从而精度较好，并且通常用在环境面积较小的情况下。但是它的传播信号十分容易遭到噪声信号的干扰，从而影响定位结果，并且WIFI定位小号的能量较高，导致它的利用率不高。相比于UWB定位来说，Wi-Fi的安全性较差，功耗较高，频谱资源已趋近饱和，因此，不利于终端设备的长期携带和大规模应用。
7、Zigbee技术定位
基本原理：。Zigbee技术也是流行起来的一种无线网络传输技术，Zigbee无线传感器网络是根据IEEE802.15.4技术标准和Zigbee网络协议而设计的无线数据传输网络，由于其自组网和自路由能力很强，一个Zigbee网络可以覆盖很大的一块区域。在这个由Zigbee网络覆盖的区域内，定位卡会不断尝试与它周边的路由器通讯，一旦通讯建立，定位卡则将自己的位置信息报告给协调器，协调器在后台收到后，即可以确定定位卡的大概位置。
优缺点：它具有传输距离短(介于RFID与Blue tooth技术之间)而且功耗很低。其最突出的特点就是复杂度不高而且成本低。Zigbee技术可以通过网络内的传感器相互之间的通信进行传递信息，所以经常被用在定位技术上，而且精度可观，但是其大范围组网需要大量节点设备支撑，设备相对复杂，耗费时间和资源。
8、毫米波雷达
基本原理：利用发射电磁波和被探测的目标之间具有相对移动，且发射出去的回波频率会和发射的电磁波频率不同，通过监测这个频率差可以测得被测目标相对于雷达的移动速度，同时计算电磁波在发射和回传的时间差，便可以得到被测目标的相对距离。
优缺点：毫米波雷达相对于其他微波器件而言，体积更小，更容易集成化，且分辨率高，不受同组雷达信号干扰，可通过毫米波雷达直接获得距离和速度信息。但是由于毫米波雷达发射功率低，在传输过程中，容易受干扰物的影响，出现不可避免地速度和距离模糊，且器件昂贵，不适用于大批量生产应用。
9、激光雷达
基本原理：激光雷达是一种主动式遥感探测设备，其原理较普通微波雷达而言相差不大，将传统雷达向外发射的电磁波变成了激光，向被测目标物发射激光信号，而后产生一个反射信号，将二者信号作比较，并作相应处理后，能够获得距离、方位、强度等信息，主要应用于自动驾驶、军事科研等领域。
优缺点：与普通微波雷达相比，激光雷达使用的是激光束，工作频率较微波高了许多，可以产生更高分辨率的信息。由于激光雷达发射的激光方向性强，光束窄，所以只能在其特定的传播路径才可获取，因此其隐蔽性和抗干扰能力强，适用于低空中距离探测。但是激光雷达易受浓雾、浓烟、大雨、雪暴等天气因素的影响，造成其光束抖动、畸变从而造成精度大大降低，且由于其特定的光束和传播方向，因此只能在小范围内捕捉，造成探测效率下降等问题。
ATP子系统(列车自动保护系统)是确保列车运行速度不超过目标速度的安全控制系统。它是列车自动控制(ATC)系统的子系统，也是确保列车安全运行，实现超速防护的关键设备。该子系统通过设于轨旁的ATP地面设备，连续地向列车传送“目标速度”或“目标距离”等信息，以保持后续列车与先行列车之间的安全间隔距离，并监督列车车门和站台屏蔽门的开启和关闭的程序控制，确保它们的安全操作。ATP子系统地面发送设备平时通过轨道电路或交叉感应环线发送列车检测信息，以检查轨道区段的空闲和占用，当检测到列车占用该轨道区段时，将“目标速度”或“目标距离”等数据信息传送给列车。车载ATP设备接收并解译“速度命令”等数据信息，结合列车实际速度、制动率、车轮磨损补偿等相关条件，实现超速防护控制，并与列车自动运行(ATO)子系统配合，实现列车速度的自动调整。当列车到达定位停车点，由ATP子系统通过轨旁设备向列车传送列车车门开启和关闭信息，进行列车车门开、闭控制。ATP子系统主要有:音频无绝缘轨道电路的“速度码”制式；数字编码轨道电路的“目标速度”制式；数字报文式轨道电路的“目标距离”制式；不设钢轨的独轨交通系统，通过专用的交叉感应环线来传送ATP信息。利用轨间感应环线，实现车-地双向数据通信，完成移动闭塞功能的基于通信的列车控制系统，也已在中国采用。
在实际铁路运输中，由于种种原因，难免会出现列控系统故障及ATP系统中断的情况，这对列车驾驶员应急防护能力提出了较高的要求。在安全事故中，由于信号故障原因，列车驾驶员盲目认为防护区间没有列车，撞上了前方正在行驶的列车，造成了重大安全事故。单一的列车ATP防护系统难以高度确保列车运行的安全性与可靠性，且由于设备故障和天气因素容易造成信号丢失系统瘫痪的危险，若列车驾驶员不能及时判断列车运行状态做出正确的操作，则极大可能会造成安全事故。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提出：一种基于UWB的列车防撞定位系统，该系统由轨旁基站和车载标签构成，车载标签安装在列车头部，该系统设有四个轨旁基站，分别架设在轨道两旁，车载标签为建立测距信号的发起设备，车载标签在信号盲区与轨旁基站建立通信连接，并计算出其所在位置信息。
进一步地，上述系统中，由基站1、基站2、基站3、基站4构成平面直角坐标系，预先设置其每个基站的坐标位置构成平面直角坐标系，车载标签为未知位置，当列车运行在基站构成的坐标系范围内，由车载标签与轨旁基站之间建立通信连接，由4个基站的已知坐标信息联合解算车载标签的位置信息。
进一步地，还包括用于检测列车信号是否正常的ATP信号检测系统，若信号异常，立刻唤醒电源供电系统，并启用UWB定位系统，并由主控制器发起声光报警信号。
进一步地，在模式开关识别到轨道列车ATP切除的情况下，轨道列车防碰撞系统先判断列车的运行方向，与此同时轨道列车的车头一侧车载标签利用测距终端的天线不间断发送探测信息，轨旁基站持续监听探测信息，当列车检测到探测信息，立即返回回应信息，车头一侧车载标签检测到回应信息后，测量时间差，然后通过UWB通信测得两点之间的距离，测距终端将这一距离信息反馈给系统主机进行判断分析处理，系统主机通过对所得距离信息与系统预设的报警距离进行比较、分析和判断后，系统主机做出是否驱动声光报警器发出报警信号或者发出紧急制动信号。
进一步地，本系统所使用的测距算法是飞行时间算法TWR，该算法通过两个模块之间的互相传输信息来计算两个模块之间的飞行时间，利用飞行时间和光速的乘积得到两个模块之间的距离。
进一步地，轨旁基站由地面支架架设在离地1.7～2.5m高度，相邻基站距离500米。
本发明的有益效果为：本系统利用原有通信网络基础增加车地通信系统增加系统冗余，提高系统检测的安全可靠性，节约成本。
本发明一种基于UWB测距定位的列车防撞辅助预警系统，UWB是一种新兴无线通信技术，与传统无线通信相比，不使用载波，通过其技术特点，可以很好的适用于列车运行环境，抗干扰能力强，保密性高。同时UWB的发射的脉冲波抗干扰能力比普通电磁波频率更高，带宽更宽，在不占用原有通信信号频带的情况下，既能保证原有通信信号不受干扰，独立频带更容易满足自身通信，更贴近本设计的目标要求。
本发明采用ATP检测系统持续检测列车信号的状态，若列车ATP信号状态正常，则车载标签处于待机状态，节省系统功耗，若检测ATP信号异常，则立即唤醒UWB定位系统，速度高，时效快，避免列车驾驶员处于盲区驾驶状态。
附图说明
图1为本发明的系统整体结构图；
图2为本发明的硬件系统组成图；
图3为本发明的DS-TWR测距原理图；
图4为本发明的DS-TWR测距算法通信过程示意图；
图5为本发明的UWB发送消息流程图；
图6为本发明的UWB接收消息流程图；
图7为本发明的调幅方式传递语音信号的连续波信号产生示意图；
图8为本发明的UWB调相信号示意图；
图9为本发明的窄带信号频谱图；
图10为本发明的UWB信号频谱图；
图11为本发明理论定位模型的理论相交情况示意图；
图12为本发明实际的位置计算模型相交情况示意图1；
图13为本发明实际的位置计算模型相交情况示意图2；
图14为本发明改进定位模型。
具体实施方式
为使本发明采用的技术手段和达成目的易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明，一种基于UWB的列车防撞定位系统，系统整体结构图如图1所示，该系统主要由轨旁基站和车载标签构成。其中车载标签分别安装在列车头部或尾部，以标签实际位置估算列车实际位置，分别计算前后车载标签位置即可算出相邻列车之间间距。当测距终端检测到相邻车辆的距离小于报警距离时，驱动主控端的声光报警器予以列车驾驶员信息警告。如图1所示，该系统有四个基站，分别架设在轨道两旁，需由地面支架假设在离地1.7～2.5m左右高度，相邻基站距离500米左右，保证充分利用每个基站的超宽带信号覆盖范围，即做到节省设备资源，又保证测距信号的正常收发；车载标签为建立测距信号的发起设备，架设在车头内即可，其功能主要是在信号盲区与轨旁基站建立通信连接，并计算出其所在位置信息。上述系统中，由基站1、基站2、基站3、基站4构成平面直角坐标系，预先设置其每个基站的坐标位置构成平面直角坐标系以供参考，车载标签为未知位置，当列车运行在基站构成的坐标系范围内，由标签与基站之间建立通信连接，由4个基站的已知坐标信息联合解算车载标签的位置信息。
在模式开关识别到轨道列车ATP切除的情况下，轨道列车防碰撞系统先判断列车的运行方向(上行还是下行)，与此同时轨道列车的车头一侧利用测距终端的天线不间断发送探测信息，轨旁基站持续监听探测信息，当列车检测到探测信息，立即返回回应信息，车头一侧检测到回应信息后，测量时间差，然后通过UWB通信技术测得两点之间的距离，如图5-图6所示。测距终端将这一距离信息反馈给系统主机进行判断分析处理。系统主机通过对所得距离信息与系统预设的报警距离进行比较、分析和判断后，系统主机做出是否驱动声光报警器发出报警信号或者发出紧急制动信号。
本系统使用的测距算法是飞行时间算法TWR，该算法通过两个模块之间的互相传输信息来计算两个模块之间的飞行时间，利用飞行时间和光速的乘积就可以得到两个模块之间的距离。
系统测距算法原理如下：
飞行时间法(Time of Flight,TOF)是一种基于信号到达时间的UWB测距技术，其基本原理是通过测量UWB信号在基站与标签之间往返的飞行时间来计算距离。基于UWB定位的列车中待测标签和测距基站之间的距离可以表示为：
d＝tAT.c(2.1)
其中，tAT表示UWB信号从待测标签到定位基站的飞行时间，c表示一般情况下空气中电磁波的传播速度，d表示定位基站到待测标签之间的距离，其中c≈3×108m/s。
在UWB测距中最常用的方法是在单向测距后再多进行一次测距通信，这种方法被称为双边双向测距法(Double Side Two-Way Ranging，DS-TWR)，这种方法可以在一定程度上降低设备处理时间引起的误差，还能消除时钟不同步带来的误差，其包含两次独立的TWR测距过程。DS-TWR测距方法主要利用下携带有时间信息的数据帧在收发设备之间的时间进行计算，DS-TWR测距算法的通信过程如图3-图4所示，可以得到：
T1＝2×TOF+T2 (3-1)
T5＝2×TOF+T4 (3-2)
T1+T4＝T2+T5 (3-3)
将式(3-1)和(3-2)左右两边相乘并移项整理可得:
T1×T5-T2×T4＝2×TOF(T5+T2) (3-4)
联立(3-3)和(3-4)可得到信号的飞行时间TOF：
将TOF这个飞行时间和电磁波传输速率相乘即为节点A、B之间的距离。
系统硬件组成
本系统硬件由STM32和DWM1000模块以及一些配套电路元件组合而成。STM32单片机作为主控芯片控制着整个系统的运行。DWM1000模块作为UWB发生接收设备产生和接受UWB信号，并且完成初始的数据处理。STM32控制模块和DWM1000模块通过SPI通信进行数据交换。电路的整体框图如图2所示：
模块主要由STM32主控芯片、DWM1000模块、USB串口模块、电源模块、外部引脚组成，其中模块的功能核心是STM32主控芯片以及DWM1000通信模块。32芯片的功能是控制整个系统的工作流程，包括控制DWM1000收发UWB信号，输出信息到串口以及外部引脚。DWM1000为集成了UWB射频芯片及其外围电路、天线的模块，用于收发UWB信号。USB串口则负责输出串口信息以及接收外部的串口信息，同时，USB串口也有供电的功能。电源部分则是负责给模块供电。ATP信号检测系统主要用于检测列车信号是否正常，若信号异常，立刻唤醒电源供电系统，并启用UWB定位系统，并由主控制器发起声光报警信号。
UWB系统特性：
基于列控系统现有通信系统，本系统考虑成本、时间、安全性等方面，利用原有通信网络基础增加车地通信系统增加系统的冗余，提高检系统测的安全可靠性。本系统基于一种UWB测距定位的列车辅助测距防撞预警系统设计方案。UWB是一种新兴的无线通信技术，与传统的无线通信相比，UWB使用短的能量脉冲序列，不使用载波，并通过正交频分调制或者直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。
传统的通信方有发送方和接收方两个终端，当需要进行信息发送时，本地振荡器产生连续的高频载波，将搭载信息的低频分量通过调幅、调频等方式加载至高频载波上，通过天线进行发送。接收器则负责接收信号，并将接受的信号进行解调制，并通过增益等方式对有效信息进行提取接收，在此过程中，载波信号占据了很大成分的能量，使系统的功率增大。现在的4G通信、WIFI等都是采用该方式进行无线通信。如图7所示。
UWB调制采用脉冲宽度在ns级的快速上升和下降脉冲，脉冲覆盖的频谱从直流至GHZ，不需常规窄带调制所需的RF频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。脉冲峰峰时间间隔在10-100ps级。频谱形状可通过甚窄持续单脉冲形状和天线负载特征来调整。UWB信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低，RF可同时发射多个UWB信号。UWB信号类似于基带信号，可采用OOK，对映脉冲键控，脉冲振幅调制或脉位调制。UWB不同于把基带信号变换为无线射频(RF)的常规无线系统可视为在RF上基带传播方案在建筑物内能以极低频谱密度达到100Mb/s数据速率。UWB信号在传输过程中减少了载波传输所需的功率，将要传递的信息通过幅度、时间、相位进行加载，从而实现信息的传输，如图8所示，为UWB信号传输的过程。
UWB波长是指超宽带信号中一个周期所对应的距离。由于UWB信号具有极短的脉冲宽度和非常宽的频带，因此其频率范围非常广，可以覆盖从几百兆赫兹到几千兆赫兹甚至更高频段。因此，UWB波长相对于传统无线电通信中的波长要更短。从频域上看，连续波信号将能量集中于一个窄频率内，而UWB信号带宽很大，同时在每个频点上功率很低，如图9-图10所示。
在无线定位中，使用UWB信号相对于窄带信号的主要优势为，UWB信号能准确分立无线传输中的首达信号和多径反射信号，而窄带信号不具备该能力。主要有三种应用：成像、通信与测量和车载雷达系统，再宏观一点，可以分为定位、通信和成像三种场景。因为大带宽，所以UWB一度被认为是USB数据传输的无线替代方案，蓝牙的问题是传输速度太慢。UWB还常用于军用保密通信，这主要也是因为UWB脉冲的能量很低，很容易低于噪声门限，不容易被其它无线电系统监听到。UWB信号带宽高，不需要消耗载波功率，能实现百兆比特每秒到2G比特美妙的传输速度，其穿透力强，功耗低、抗干扰能力强、安全性高、空间容量大，能精准的应用到本系统中，作为列车定位测距的核心技术。
UWB技术作为一种较新的无线通信技术，相比传统通信技术主要有以下优势
1)多径分辨能力强
传统的无线通讯中，大部分的RF信号是连续信号，或其持续周期长于多径传播时间，因此多径信号的传播效果会影响信息品质与信息传输速率。由于超宽带无线传输的是一种持续时间很短的周期脉冲，其工作周期小且占空比极低，多径信号具有时间上的可分离性，而且脉冲多径信号不会发生时间上的重叠，可以很好地将多径分量分离，使发射信号的能量得到最大程度的发挥。大量的实验结果显示，在10～30dB的多径环境下，传统的无线电信号在多径信道中的衰落最多不超过5dB。
2)功耗低
超宽带定位系统采用间歇性脉冲传输数据，其工作周期通常为0.2ns～1.5ns，工作周期较短，功耗较小，在高速通讯中，功耗只有数十至数百uW。与常规无线设备相比，UWB定位设备具有更好的续航时间和更低的电磁辐射。
3)定位精度高
由于冲激脉冲定位精度高，利用超宽带无线通讯技术可以实现定位和通讯的融合，传统的无线电很难实现这种功能。超宽带无线电有很好的穿透性，可以在室内和地下准确定位，但GPS系统仅限于GPS卫星的视野。与GPS相比，超短脉冲定位仪能准确地给出相对位置，并能达到厘米的精度。
4)传输数据快
根据香农公式，即使把发送信号功率拉到很低，也能实现较高的信息速率。通常情况下，其最大数据传输速度可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s。
5)安全性高
理想的冲激脉冲可以在频域内实现由DC提升到近光波段的信号能量，但是在现实中无法得到0宽度的脉冲，而超宽带则是通过超窄脉冲的能量在频域上跨越相当大的范围。在如此宽广的频段范围上，发射的信号被周围的噪音所掩盖，难以探测。
6)系统标签容量高
UWB定位系统标签容量大、密度高。理论上20米半径内支持高达11000个定位标签，该级别的密度已经可以满足市场上99％需求。
此外，基于UWB技术的定位系统还具有以下优点：
1)安全性
定位系统无线发射功率很低，不会对现场其它设备产生任何干扰，定位数据采用加密方式传输。
2)高可靠性
稳定、可靠的网络体系是保障整个应用体系正常运转的重要保障。在网络中，网络的设计尤其是关键的结点，通过合理的冗余拓扑，可以实现网络的自我修复，并将其传输的可靠性最大化。
3)易管理
系统易于管理，易于维护，操作简单，易于学习，易于使用，便于系统配置，具有远程管理和故障诊断功能。
4)多元化
视频监控系统可配合定位系统进行全景联动，触发告警后可及时准确定位并实时全景展现。
四基站定位优点：
在UWB测距定位系统中，要实现对车载标签的定位，首先需要在相应位置区域布置位置已知的轨旁基站并建立测距坐标系，当车载标签进入该区域时，利用轨旁基站的未知信息和具体算法构建数学模型，进而求出车载标签的位置信息。其步骤主要分为三步，首先接收信息，当车载标签处于轨旁基站通信范围内时，车载标签接收轨旁基站发出的信息，接收的形式主要利用信号到达时间和电磁波飞行速度等。第二步为信息转换，利用相关测距算法，将车载标签接收的信息转换为自身相对周围位置已知的参考基站之间的位置。第三部分为定位阶段，利用上一步计算的轨旁基站和车载标签的信号到达时间，确定车载标签的位置。第四步为结果修正，由于无线传感器网络在应用中容易收到环境和天气因素的影响，测量的数据和定位效果往往与实际值有一定偏差，因此为了达到良好的定位效果，需要根据具体环境条件对测量值进行多次测试和修正。
普通列车在正常行驶状态下，速度一般为60km/h～120km/h，高速列车可达200km/h～310km/h，列车通过每个参考节点的时间非常短，因此在节点的二点定位过程中，每个节点的响应速度和计算误差都应降低的越小越好。同时在一些隧道内可能存在弯曲路线情况，因此在此种环境下实际的位置计算模型与理论定位模型存在着相对偏差，理论相交情况如图11所示，实际相交如图12和图13所示。
结合三角形质心定位的思想，从概率学角度出发，适当增加参与定位的参考节点数目，能够减小单一节点对最终结果的影响程度，有助于提高定位精度。因此本设计在充分保证计算简单、定位及时的前提下，改进了传统的三边测距算法模型，引入第四个参考节点，并以四个圆的公共弦交点所组成的区域代替相交区域，计算其质心坐标视为待测节点的坐标位置。当算法计算完标签到A、B、C三个基站的距离之后，得到多解，此时将每个解于第四个基站的距离进行对比，最接近第四个基站的点作为方程的最优解，从而得到最优坐标，改进定位模型如图14所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于UWB的列车防撞定位系统，其特征在于，该系统由轨旁基站和车载标签构成，车载标签安装在列车头部，该系统设有四个轨旁基站，分别架设在轨道两旁，车载标签为建立测距信号的发起设备，车载标签在信号盲区与轨旁基站建立通信连接，并计算出其所在位置信息。
2.如权利要求1所述的基于UWB的列车防撞定位系统，其特征在于，上述系统中，由基站1、基站2、基站3、基站4构成平面直角坐标系，预先设置其每个基站的坐标位置构成平面直角坐标系，车载标签为未知位置，当列车运行在基站构成的坐标系范围内，由车载标签与轨旁基站之间建立通信连接，由4个基站的已知坐标信息联合解算车载标签的位置信息。
3.如权利要求2所述的基于UWB的列车防撞定位系统，其特征在于，还包括用于检测列车信号是否正常的ATP信号检测系统，若信号异常，立刻唤醒电源供电系统，并启用UWB定位系统，并由主控制器发起声光报警信号。
4.如权利要求3所述的基于UWB的列车防撞定位系统，其特征在于，在模式开关识别到轨道列车ATP切除的情况下，轨道列车防碰撞系统先判断列车的运行方向，与此同时轨道列车的车头一侧车载标签利用测距终端的天线不间断发送探测信息，轨旁基站持续监听探测信息，当列车检测到探测信息，立即返回回应信息，车头一侧车载标签检测到回应信息后，测量时间差，然后通过UWB通信测得两点之间的距离，测距终端将这一距离信息反馈给系统主机进行判断分析处理，系统主机通过对所得距离信息与系统预设的报警距离进行比较、分析和判断后，系统主机做出是否驱动声光报警器发出报警信号或者发出紧急制动信号。
5.如权利要求1所述的基于UWB的列车防撞定位系统，其特征在于，本系统所使用的测距算法是飞行时间算法TWR，该算法通过两个模块之间的互相传输信息来计算两个模块之间的飞行时间，利用飞行时间和光速的乘积得到两个模块之间的距离。
6.如权利要求1所述的基于UWB的列车防撞定位系统，其特征在于，轨旁基站由地面支架架设在离地1.7～2.5m高度，相邻基站距离500米。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202311694522.1A CN117842151A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 一种基于uwb的列车防撞定位系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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|---|---|
| CN117842151A true CN117842151A (zh) | 2024-04-09 |
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ID=90542665
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311694522.1A Pending CN117842151A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 一种基于uwb的列车防撞定位系统 |
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2023
- 2023-12-12 CN CN202311694522.1A patent/CN117842151A/zh active Pending
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