CN1849526A - 运动平台位置确定系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供用于确定运动平台(100)位置的系统和方法。所述方法包括从运动平台和固定平台(150)中的一个发射载波信号；在运动平台和固定平台中的另一个接收接收信号；导出载波信号和接收信号之间的频移；以及利用频移和载波信号的频率计算视在接近速度。

Description

运动平台位置确定系统和方法

发明背景

本发明涉及速度估算系统，更准确地说涉及用于估算运动平台相对于固定平台的视在接近速度(apparent closing velocity)的系统和方法。

在许多应用中，例如铁路系统，经常使用先进的基于无线电的控制系统提高操作的安全性。对于铁路系统，为了实现安全性和有效性需要知道高速行进的火车头可能走那一条轨道。最通常的事是由于火车头通过轨道的道岔并切换到另一条平行轨道时，确定火车头的位置是重要的挑战。在上述例子中，火车头是运动平台。

利用标准的全球定位系统(GPS)和有效校正GPS的方法可以非常精确地确定火车头的位置。但是这样的系统通常不能提供足够的信息跟踪通过道岔并进入平行轨道的快速运动的火车。一般地说，为了降低噪声，位置的估算是在时间上求平均，并在位置估算上获得足够的可靠性。由于火车头通常是以非常高的速度行进，使用这种方法确定火车头在哪一条平行轨道上行进是非常困难的。

一般地说，增加传感器，例如加速仪和陀螺仪可以用于扩展全球定位系统的功能，以便提供更加健全的惯性导航系统。对于现有的GPS，增加传感器的一个问题是明显增加了系统的综合成本、复杂性和系统的故障方式。

因此，需要实现一个低成本、高性能的系统，所述系统能够精确确定高速行进的运动平台，例如火车头的位置。

发明的简要说明

简要地说，根据本发明的一个实施例，提供用于确定运动平台位置的方法。所述方法包括从运动平台和固定平台中的一个平台发送载波信号，并在运动平台和固定平台中的另一个接收接收信号。所述方法还包括导出载波信号和接收信号之间的频移，并利用所述频移和载波信号的频率计算视在接近速度。

在另一个实施例中，提供一种确定运动平台位置的系统。所述系统包括配置成用于从运动平台和固定平台中的一个发送载波信号的发射机和配置成用于在运动平台和固定平台中的另一个接收接收信号的接收机。所述系统还包括配置成导出载波信号和接收信号之间的频移并利用接收信号的频移和载波信号的频率计算视在接近速度的处理器。

在另一个实施例中，提供用于确定运动平台位置的系统。所述系统包括配置成发送调制的载波信号的发射机和配置成对发射信号解调的接收机。所述接收机还包括配置成导出载波信号和接收信号之间频移并利用接收信号相对于发送信号的中心频率的频移来计算视在接近速度、以及通过监视一定时段中的视在接近速度来估算运动平台位置的处理器。

附图的简要说明

当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，附图中相同的符号表示各个附图的相同部件，其中：

图1是说明运动平台相对于固定平台的运动的方框图；

图2是说明实现确定运动平台位置的系统实施例的方框图；

图3-4是说明使用扩展频谱实现估算运动平台视在接近速度的系统的另一个实施例的方框图；以及

图5是说明通过估算运动平台的视在接近频率确定运动平台位置的方法的流程图。

发明的详细说明

图1是说明运动平台100相对于固定平台150的运动的方框图。在一个实施例中，运动平台100是火车。本说明书使用的”火车”指带有或不带有连接的客车或货车的一个或几个火车头。

在还有一个实施例中，固定平台包括相对于铁路轨道的位置已知的无线电发射机。在更加具体的实施例中，发射机相对于铁路轨道上的道岔或转辙器的位置为已知。在供选择的实施例中，固定平台为移动通信平台基站。在另一个实施例中，固定平台为宽带站。在另一个实施例中，固定平台为蜂窝网络基站。

图2是根据本发明的一个方面实现的接收机系统200的方框图。在一个实施例中，接收机系统是在运动平台上实现的。在另一个实施例中，接收机系统是在固定平台上实现的。作为例子，以下继续参照在运动平台上实现的接收机系统进行说明。

本说明书使用的”适合于”、”配置”等指部件之间的机械或结构的连接，允许部件组合以提供所述效应；这些术语也指电子元件，例如模拟或数字计算机或专用装置(例如专用集成电路(ASIC))的工作能力，可以对它们进行编程以便响应给定的输入信号而提供输出。

所述接收系统配置成使用运动平台的视在接近速度确定运动平台的相对位置。所述视在接近速度是中运动平台在固定平台方向上的速度分量。在一个实施例中，运动平台包括火车头。

接收机系统200包括接收机部件，例如配置成用于接收由发射机(作为例子，在图1中它表示定位在固定平台150上)发送的载波信号的天线215。所述接收机系统还包括放大天线215的输出信号的低噪声放大器210。本机振荡器220配置成用于产生发射机中心频率的本机标称信号。在一个实施例中，载波信号具有标称的中心频率160MHz。在另一个实施例中，载波信号具有标称的中心频率5.8GHz。

基带变换器213配置成把接收的RF信号变换成复合基带信号。接收机系统还包括与基带变换器连接并配置成把模拟基带信号变换成相应的数字表示形式的模数转换器225。

处理器230连接到模数转换器225并配置成用于分析接收信号的频谱。处理器230配置成用于处理接收信号的数字表示形式，以便估算运动平台的视在接近速度。处理器230可以包括模拟处理器、数字处理器或它们的组合。在一个实施例中，所述处理器可以在显示装置240上显示估算的视在接近速度和运动平台的位置。在另一个实施例中，处理器可以把估算的视在接近速度和运动平台的位置传送给能够相应地传送信息的控制站。下面还要详细说明处理器估算视在接近速度的方法。

参考图1，当火车接近轨道110上的道岔140时，火车可能要切换到轨道120或切换到轨道130。如图1所示，火车在轨道120上以速度s1运动，并且当在轨道130上行进时火车以速度s2运动。当火车开始通过道岔时，不管它通过哪一个轨道其速度一般为常数。

当运动平台处于轨道110和轨道120上时，火车上的天线和固定平台上的天线之间随位置变化的角为θ1(z)。类似地，当运动平台处于轨道110和轨道130上时，火车上的天线和固定平台上的天线之间随位置变化的角为θ2(z)。独立变量z表示火车已经沿着轨道行进的距离。由于两条轨道之间的几何差异的缘故两个函数θ1(z)和θ2(z)的形状是不同的。两条轨道之间的不同速度的效应引起角度函数θ1(s1*t)和θ2(s2*t)彼此相关地展宽或压缩。随时间变化的视在接近速度可以用角函数表示如下：

v_c(t)＝s×cos(θ(s×t))                 (1)

在一个实施例中，分别在固定平台和运动平动上的发射机和接收机用于测量标称发射频率的接收信号频率的频移。频移的一个原因是由发射机和接收机上的本机振荡器频率之间的失配引起的。频移的另一个原因是由运动平台的运动引起的。

可以利用以下方程式来确定视在接近速度：

$f_d\left(t\right)=\frac{f_c{v}_c\left(t\right)}{c}+f_m+n\left(t\right)---\left(2\right)$

其中f_d(t)是随时间变化的频移，f_c是发送的载波信号的中心频率，c是无线电波的传播速度，f_m是发射机和接收机上的本机振荡器之间的恒定频率偏差，n(t)是测量噪声，而v_c(t)是方程式(1)中定义的随时间变化的视在接近速度。

在系统的一个实施例中，处理器230通过估算复残留载波信号的频率来估算本机振荡器频率和接收的载波信号频率之间的偏差f_m。在通信理论中实现这种操作的方法是众所周知的。在一种这样的方法中，样本之间的相位差是从测量结果提取的并使其通过低通滤波器以便消除噪声。

在另一个实施例中，所述接收信号是已调数据传输(data bearing)无线电传输。由于这种情况的实施例可能只需要增加几个部件，所以当数据遥测无线电已经在火车上应用时，所述实施例特别有用。在一个实施例中，预先存在的接收机被修改成象任何无线电接收机一样产生频率偏差，作为接收处理的一部分，它对已调数据传输信号进行解调，估算和跟踪中心频率。

由用函数cos(θ(z))描述的测量形状来表征由方程式(2)描述的视在接近速度。这样，视在接近速度与角度函数的余弦有关。在一个示范性实施例中，测量并存储所述形状。这样的测量结果可以通过驾驶装备有无线电发射机或接收机的火车在所有可能轨道上行驶，或通过测量固定平台沿每一条可能轨道的角度来获取。在一个更具体的实施例中，关于火车在哪一条轨道上行进的判定是通过将测量的视在接近速度的形状与保存的与可能的轨道位置相关的形状比较来实现的。由于所有的角度函数是测量铁路轨道的结果，因此与视在接近速度匹配的形状就与特定的铁路轨道有关。我们选择相关形状与视在接近速度曲线最匹配的铁路轨道作为火车的位置。

比较可以在逐步测量(measurement by measurement)的基础上、利用顺序推理(sequential inference theory)来进行，对应用统计学的专业人员来说，顺序推理是众所周知的。利用顺序统计方法可以保证在最早时刻、与所需的误差概率一致地作出轨道位置的判定。

测量的视在接近速度的形状与保存的与可能的轨道位置相关的形状cos(θ(z))之间的比较一般需要时间扩展和幅度缩放操作。对于模式识别和非线性回归领域的技术人员来说，这种操作是众所周知的。

在一个供选择的实施例中，运动平台的速度可以通过把测速表耦合到运动平台来确定。速度信息可以用于从测量的频移直接提取随位置变化的角度函数，不需要中间的数值步骤。

处理器230配置成用于利用测量的频移计算视在接近速度。在一些实施例中，所述处理器还配置成用于通过监控某时段中视在接近速度来估算运动平台的位置。

在另一个实施例中，发射机结合到固定平台上，处理器配置成通过分析接收信号的频谱来导出频移。接收信号的频谱可以利用众所周知的周期图方法和快速傅立叶变换(FFT)算法获得。然后以各离散的傅立叶变换(DFT)仓位(bines)的中心频率(对于每一个仓位用周期图功率(periodogram power)估算值将其加权)的算术平均的形式来计算中心频率。

在一个供选择的实施例中，利用扩展频谱特征提取来获得频移。图3是利用二进制移相键控(BPSK)来发送信号的扩展频谱发射机的实施例的方框图。信号源480产生信号sin(ωt)，所述信号与混频器484中的高速数列发生器482的输出信号组合，产生宽带的BPSK扩展频谱信号。

所述BPSK发送信号S(t)可以用S(t)＝b(t)sin(t)来描述，其中b(t)为高速发生器482在时间t上的比特，其中b(t)ε{±1}。比特数列{b(t)}构成扩展代码，并产生伪随机码。所述时序基于本领域中已建立的一般原理，所述时序需要同步，使得在高速数列发生器的比特边界之间转换时sin(ωt)为零。

接收机系统可以使用各种方法中的任何一种来恢复扩展频谱特征提取中的中心频率。一种这样的方法包括对所述扩展频谱信号采用零差拍或方波形成方法，并且滤除直流(DC)分量。如果发送的扩展频谱信号的中心频率为ω(每秒弧度)，那么相对运动就会按照多普勒关系移动所述中心频率。可以利用图5图解说明的扩展频谱，以二次多普勒频移谱线的形式产生所述频移。

图4是为产生二次多普勒频移谱线而实现的扩展频谱系统500的实施例的方框图。BPSK信号由接收机的前端510接收并被变换成中间频率信号。中间频率信号提供给方波形成环形系统(squar i ngloop system)530中的宽带通滤波器520。滤波器520具有频谱宽度W，后者宽到足以使中心频率在ω上的重叠信号的主瓣通过。滤波器520的输出信号提供给乘法器540，该乘法器计算滤波器520通过的宽带重叠信号的平方。然后乘法器540的输出信号提供给带宽为B的窄带通滤波器550。系统500产生谱线570。插入锁相环560以便提供更显著的短期稳定性、迅速平坦衰落或其它降低

的条件。

带宽B以在没有多普勒频移的情况下产生的谱线为中心。这样选择带宽B，使得它仅仅足以通过包含由多普勒频移产生的音调的频谱。假设重叠信号被浸没在附加的白高斯噪声中，图4所示的方波形成环形装置的信噪比(SNR)为 以及系统500的信噪比为

则众所周知 ${\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{OUT}}=\frac{1}{2}{\left(\frac{S}{N}\right)}_{\mathrm{IN}}^2\frac{W}{B}.$

如果BPSK的直接数列扩展频谱发射机的位置为已知，就可以使用上述方法。为了说明的目的，假设图1所示的固定平台150满足上述准则。

图5是说明估算运动平台的视在接近速度的方法的流程图。下面对所述方法的每一步作更详细地说明。

在步骤310，发送载波信号。在一个实施例中，载波信号从运动平台发射。在一个供选择的实施例中，载波信号从固定平台发射。

在步骤320，接收信号是在运动平台和固定平台中另一个接收。例如，如果固定平台发射载波信号，则运动平台就接收接收信号。类似地，如果运动平台发射载波信号，则固定平台就接收接收信号。

在步骤330，处理接收信号以便产生相应的频谱。利用所述频谱导出载波信号和接收信号之间的频移。在另一个实施例中，利用众所周知的多种方法之一，直接估算与接收的带通信号相关联的复合低通信号的平均频率。

在步骤340，利用频移和载波信号的频率计算视在接近速度。

在步骤350，通过监控某时段中的视在接近速度来估算运动平台的位置。

在本发明的另一个实施例中，还可以使用多个固定平台来提高火车定位系统的性能。由于可以把来自每一个固定平台的视在接近速度的估算值组合起来以便降低由方程式1中N(t)表示的测量噪声的影响，因此多个固定平台的推广应用提供了计算的优点。降低这类噪声的一种方法是对多个数据估算值取平均。

在一个实施例中，运动平台为火车。在另一个实施例中，固定平台为现有的无线电基站。固定平台包括发射机，已知所述发射机的位置与铁路的轨道的位置的关系。在一个更具体的实施例中，已知发射机的位置与铁路的轨道上的道岔的关系。其它供选择的固定平台包括移动通信平台基站、宽带站、蜂窝网络基站或任何其它广播站。

前面说明本发明的实施例具有许多优点，包括通过监控视在接近速度中的变化提高对运动平台定位的性能。此外，由于可以使用现有硬件和广播系统，所述系统是效能价格合算的。不要增加额外传感器提高了可靠性，减少了硬件的故障。另外，在火车头情况下，无线电遥测系统可以安装在火车头上，以便把测量结果传送给沿轨道设置的固定接收机。现有无线电系统可以用来确定运动的火车头的位置，从而减少了附加部件的数量。

本说明书仅说明和描述了本发明的某些特征，对于本专业的技术人员来说，可以进行许多修改和变化。因此，应该明白，后附的权利要求书用来覆盖属于本发明真正精神范围内的所有这些修改和变化。

Claims (60)

1.一种用于确定运动平台(100)位置的方法，所述方法包括：

从所述运动平台和固定平台(150)中的一个发射载波信号；

在所述运动平台和固定平台中的另一个上接收接收信号；

导出所述载波信号和所述接收信号之间的频移；以及

利用所述频移和所述载波信号的频率计算视在接近速度。

2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述运动平台的位置包括在某时段内监视所述接近速度。

3.如权利要求1所述的方法，其中计算所述视在接近速度的步骤包括利用方程式：

$f_d\left(t\right)=\frac{f_c{v}_c\left(t\right)}{c}+f_m+n\left(t\right)$

其中f_d(t)表示所述频移，f_c表示所述载波信号的中心频率，c表示无线电波的传播速度，f_m是发射机和接收机系统的本机振荡器之间的恒定频率偏差，n(t)表示测量噪声，而v_c(t)表示所述视在接近速度。

4.如权利要求3所述的方法，其中用由cos(θ(z))描述的测量形状来表征所述视在接近速度，其中z表示所述运动平台已经行进的距离，而θ表示随位置变化的角度。

5.如权利要求4所述的方法，其中还包括通过将测量的形状与多个存储的形状比较来确定所述运动平台的路线。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述比较步骤包括使用顺序统计方法。

7.如权利要求1所述的方法，其中导出的所述频移的步骤包括分析与所述接收信号对应的频谱。

8.如权利要求1所述的方法，其中导出的所述频移的步骤包括产生所述接收信号的扩展频谱。

9.如权利要求8所述的方法，其中产生扩展频谱的步骤还包括产生所述接收信号的二次多普勒频移频率谱线。

10.如权利要求9所述的方法，其中利用所述接收信号的中心频率来确定所述多普勒频移。

11.如权利要求10所述的方法，其中通过对所述接收信号的扩展频谱采用零差拍方法来确定所述接收信号的中心频率。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述固定平台包括多个固定平台。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述固定平台包括结合到铁路轨道的发射机。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述发射机结合到铁路轨道上的道岔。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述固定平台包括移动通信平台基站。

16.如权利要求1所述的方法，其中所述固定平台包括广播电台。

17.如权利要求1所述的方法，其中所述固定平台包括蜂窝网络站。

18.如权利要求1所述的方法，其中所述运动平台为火车头。

19.如权利要求1所述的方法，其中所述载波信号包括射频信号。

20.一种用于确定运动平台位置的系统，所述系统包括：

发射机，它配置成从所述运动平台和固定平台中的一个发射载波信号；

接收机系统(200)，它配置成从所述运动平台和固定平台中的另一个接收接收信号。所述接收机系统还包括：

处理器(230)，它配置成：

(i)导出所述载波信号和所述接收信号之间的频移；

(ii)利用所述频移和所述载波信号的频率计算视在接近速度。

21.如权利要求20所述的系统，其中所述处理器还配置成通过在某时段内监视所述视在接近速度来确定所述运动平台位置。

22.如权利要求20所述的系统，其中所述处理器配置成利用以下方程式导出所述视在接近速度：

$f_d\left(t\right)=\frac{f_c{v}_c\left(t\right)}{c}+f_m+n\left(t\right)$

其中f_d(t)表示所述频移，f_c表示所述载波信号的中心频率，c表示无线电波的传播速度，f_m是发射机和接收机系统上的本机振荡器之间的恒定频率偏差，n(t)表示测量噪声，而v_c(t)表示所述视在接近速度。

23.如权利要求20所述的系统，其中所述处理器还配置成用由cos(θ(z))描述的测量形状来表征所述视在接近速度，其中z表示所述运动平台已经行进的距离，θ表示随位置变化的角度。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述处理器还配置成通过将测量形状与多个存储的形状比较来确定所述运动平台的路线。

25.如权利要求24所述的系统，其中所述处理器配置成利用顺序统计方法将所述测量的形状与多个存储的形状进行比较。

26.如权利要求20所述的系统，其中所述发射机结合到所述固定平台，并且所述处理器配置成通过分析所述接收信号的频谱导出所述频移。

27.如权利要求20所述的系统，其中所述处理器配置成通过产生所述接收信号的扩展频谱来导出所述频移。

28.如权利要求27所述的系统，其中所述处理器还包括扩展频谱系统，所述扩展频谱系统配置成产生所述接收信号的二次多普勒频移频率谱线。

29.如权利要求28所述的系统，其中利用所述接收信号的中心频率来确定所述多普勒频移。

30.如权利要求29所述的系统，其中通过对所述接收信号的扩展频谱采用零差拍方法来确定所述接收信号的中心频率。

31.如权利要求20所述的系统，其中所述载波信号包括射频信号。

32.如权利要求20所述的系统，其中所述固定平台包括多个固定平台。

33.如权利要求20所述的系统，其中所述固定平台包括结合到铁路轨道的发射机。

34.如权利要求33所述的系统，其中所述发射机结合到铁路轨道上的道岔。

35.如权利要求20所述的系统，其中所述固定平台包括移动通信平台基站。

36.如权利要求20所述的系统，其中所述固定平台包括广播电台。

37.如权利要求20所述的系统，其中所述固定平台包括蜂窝网络基站。

38.如权利要求20所述的系统，其中所述运动平台包括火车头。

39.如权利要求20所述的系统，其中所述接收机系统结合到所述运动平台。

40.如权利要求20所述的系统，其中所述接收机系统结合到所述固定平台。

41.一种用于确定运动平台位置的系统，所述系统包括；

用于从所述运动平台和固定平台中的一个发射载波信号的装置；

用于在所述运动平台和固定平台中的另一个接收接收信号的装置；

用于导出所述载波信号和所述接收信号之间的频移的装置；

用于利用所述频移、所述载波信号的频率计算所述视在接近速度的装置。

42.如权利要求41所述的系统，其中确定所述运动平台的位置还包括用于在某时段内监视所述视在接近速度的装置。

43.如权利要求41所述的系统，其中用于计算所述视在接近速度频移的所述装置包括利用以下方程式：

$f_d\left(t\right)=\frac{f_c{v}_c\left(t\right)}{c}+f_m+n\left(t\right)$

其中f_d(t)表示所述频移，f_c表示所述载波信号的中心频率，c表示无线电波的传播速度，f_m是发射机和接收机系统上的本机振荡器之间的恒定频率偏差，n(t)表示测量噪声，而v_c(t)表示所述视在接近速度。

44.如权利要求43所述的系统，其中用于计算所述视在接近速度的所述装置包括用由cos(θ(z))描述的测量形状表征所述视在接近速度的装置，其中z表示所述运动平台已经行进的距离，而θ表示随位置变化的角度。

45.如权利要求44所述的系统，其中还包括用于通过将所述测量的形状与多个存储的形状比较来确定所述运动平台的线路的装置。

46.如权利要求41所述的系统，其中用于导出所述频移的所述装置包括用于分析与所述接收信号对应的频谱的装置。

47.如权利要求41所述的系统，其中用于导出所述频移的所述装置包括用于产生所述接收信号的扩展频谱的装置。

48.如权利要求47所述的系统，其中用于产生所述扩展频谱的所述装置还包括用于产生所述接收信号的二次多普勒频移频率谱线的装置。

49.一种用于确定运动平台位置的系统，所述系统包括：

发射机，它配置成发射已调制的载波信号；

接收机系统，它配置成对接收的载波信号进行解调，所述接收机系统还包括处理器，所述处理器配置成：

导出所述载波信号和所述接收信号之间的频移；

利用所述接收信号相对于所述发射的载波信号的中心频率的所述频移来计算所述视在接近速度；以及

通过在某时段内监视所述视在接近速度来估算所述运动平台的位置。

50.如权利要求49所述的系统，其中所述处理器配置成利用以下方程式来计算所述视在接近速度：

$f_d\left(t\right)=\frac{f_c{v}_c\left(t\right)}{c}+f_m+n\left(t\right)$

其中f_d(t)表示所述频移，f_c表示所述载波信号的中心频率，c表示无线电波的传播速度，f_m是发射机和接收机上本机振荡器之间的恒定频率偏差，n(t)表示测量噪声，而v_c(t)表示所述视在接近速度。

51.如权利要求50所述的系统，其中所述处理器还配置成用由cos(θ(z))描述的测量形状来表征所述视在接近速度，其中z表示所述运动平台已经行进的距离，而θ表示随位置变化的角度。

52.如权利要求51所述的系统，其中所述处理器还配置成通过将所述测量的形状与多个存储的形状比较来确定所述运动平台的路线。

53.如权利要求52所述的系统，其中所述处理器配置成利用顺序统计方法将所述测量的形状与多个存储的形状进行比较。

54.如权利要求49所述的系统，其中所述发射机结合到所述固定平台，并且所述处理器配置成通过分析所述接收信号的频谱导出所述频移。

55.如权利要求49所述的系统，其中所述处理器配置成通过产生所述接收信号的扩展频谱来导出所述频移。

56.如权利要求55所述的系统，其中所述处理器还包括扩展频谱系统，所述扩展频谱系统配置成产生所述接收信号的二次多普勒频移频率谱线。

57.如权利要求56所述的系统，其中所述处理器还配置成利用所述接收信号的中心频率确定所述多普勒频移。

58.如权利要求57所述的系统，其中通过对所述接收信号的扩展频谱采用零差拍方法来确定所述接收信号的中心频率。

59.如权利要求49所述的系统，其中所述运动平台为火车头。

60.如权利要求59所述的系统，其中所述固定平台包括多个固定平台。

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