JP2009073397A - 列車位置検知装置および移動無線機 - Google Patents

Abstract

【課題】列車位置を高精度に検知可能にする。
【解決手段】列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅あるいは位相を持つ送信信号を電波にして放射する固定無線機と、列車に搭載され、前記固定無線機の電波を受信する移動無線機とで構成され、移動無線機は、アンテナにより受信された固定無線機からの電波を受信信号として取り出す受信手段と、取り出された受信信号に基づいて電波到来角を算出する電波到来角演算手段と、算出された電波到来角に基づいて、軌道上の予め決めた基準列車位置に対する列車位置を算出する列車位置演算手段を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、列車運行制御を行うために必要な列車の位置を検知する列車位置検知装置および移動無線機に関するものである。

従来の列車位置検知装置は、列車に搭載され、電力波と呼ばれる電波を送信するトランスポンダ車上子と、駅の停止位置許容範囲となる軌道内に設置され、車上子からの電波を受信する地上子とで構成されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に記載された従来技術では、地上子が、軌道内の列車停止領域に列車の進行方向に沿って軌道内に設置した３つのコイル（コイル１、コイル２、コイル３）を備えている。軌道内のコイルの位置は、コイル１が列車停止領域より手前の領域、コイル２が列車停止領域、コイル３が列車停止定位置より先の領域となるようにしている。列車が停止した時、トランスポンダ車上子は地上子上に存在し、地上子では、トランスポンダ車上子からの電波の各コイルによる受信レベルを計測し、受信レベルの強弱からトランスポンダ車上子がどのコイル上に位置するのかを判定する。判定の結果、トランスポンダ車上子がコイル１上に位置する場合には列車が停止領域よりも手前に位置（ショート）し、また、コイル２上に位置する場合には列車が停止領域に位置（ジャスト）し、また、コイル３上に位置する場合には列車が停止領域よりも先に位置（オーバー）していると検知している。

上記列車位置検知装置によれば、例えば乗車人数の変動、車上子の取付け位置の変動等によって、地上子とトランスポンダ車上子の変位が変動した場合、各コイルの受信レベルが変動してしまうため、列車の停止位置の検知精度が悪化する。そのため、特許文献１の発明では、地上子は、コイルを列車停止位置の前後に設置する２つとし、各コイルの出力電圧差の絶対値が所定の範囲内であるか否かによって列車の停止位置が許容範囲内か、許容範囲外かを検知すると共に、電圧差の極性が正のときは列車の停止位置が停止位置許容範囲の手前、負のときは先に位置していると検知するようにして、車両条件が変動した場合でも安定かつ正確に列車の停止位置を検知することができるようにしている。

特開２００１−１５１１１２号公報（図１、図３）

以上のような従来の列車位置検知装置は列車停止領域に対してショート、ジャスト、オーバーのどの領域に列車が位置しているか判定するものであるが、コイルの大きさに相当する距離だけ領域は幅を持っているため、列車の位置を数値化することが困難である。また、地上子は複数のコイルを軌道内に設置する構成のため、設置工事や保守管理は容易ではない。

この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、列車位置を高精度に検知可能にする列車位置検知装置およびこの装置を構成する移動無線機を得ることを目的とする。

この発明に係る列車位置検知装置は、列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅あるいは位相を持つ送信信号を電波にして放射する固定無線機と、列車に搭載され、前記固定無線機の電波を受信する移動無線機とで構成され、移動無線機は、アンテナにより受信された固定無線機からの電波を受信信号として取り出す受信手段と、取り出された受信信号に基づいて電波到来角を算出する電波到来角演算手段と、算出された電波到来角に基づいて、軌道上の予め決めた基準列車位置に対する列車位置を算出する列車位置演算手段を備えたものである。

この発明によれば、列車搭載の移動無線機により、軌道脇に設置された固定無線機からの電波到来角を求め、この電波到来角を基にして軌道上の予め決めた基準列車位置に対する列車位置を求めるようにしたので、数値化可能な高精度の列車位置を検知することができる。また、軌道形状や固定無線機の絶対位置座標を記憶することなく精度良く列車の位置を求めることができる。さらに、固定無線機は軌道脇に設置されるため、設置工事や保守管理は容易に行うことができ、列車通過に関りないため軌道内作業の危険性も無くなる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による列車位置検知装置の機能構成を示すブロック図である。
図において、列車位置検知装置は、列車に搭載される移動無線機１００と軌道脇に設置される固定無線機２００を備えている。移動無線機１００は、アレイアンテナ（受信手段）１０１、受信部（受信手段）１０２、電波到来角演算部（電波到来角演算手段）１０３、列車位置演算部（列車位置演算手段）１０４および位置補正値記憶部１０５を備えている。一方、固定無線機２００は、アンテナ２０１、増幅部２０２および信号生成部２０３を備えている。ここで、アレイアンテナ１０１と受信部１０２による機能はレーダなどで用いられるもの同様である。

次に動作について説明する。
固定無線機２００において、信号生成部２０３は、所定の周波数、振幅あるいは位相を持つ送信信号を生成して出力する。また、所定の周波数、振幅あるいは位相で変調したＩＤ信号を出力する。信号生成部２０３からの送信信号は、増幅部２０２で電力増幅されてアンテナ２０１に出力される。アンテナ２０１は、入力された送信信号を電波として放射する。
列車が固定無線機２００のある場所に到来すると、固定無線機２００から放射された電波は、列車に搭載されている移動無線機１００のアレイアンテナ１０１で受信され受信部１０２に出力される。ここで、アレイアンテナ１０１は、例えば複数アンテナ素子を列車の進行方向と略並行に直線状に配列した構成とする。また、後述する電波到来角演算部１０３で用いる高分解能電波到来角推定技術によっては、平面配列、曲面状など任意形状のアンテナ配列としてもよい。

受信部１０２では、固定無線機２００からの電波成分を取り出して増幅し受信信号として電波到来角演算部１０３に出力する。電波到来角演算部１０３では、入力された受信信号に基づいて固定無線機２００からの電波の到来角度を演算し、算出した電波到来角を列車位置演算部１０４に出力する。ここで、電波到来角は受信信号の周波数、振幅、位相などから演算される。また、電波到来角推定技術としては、レーダなどで用いる方法と同じで、例えばＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）法や最尤推定法などを用いる。また、他の高分解能電波到来角推定技術を用いてもよい。電波到来角は、図２に示すように、矢印の方向へ移動無線機１００が移動するものとすると、軌道３００と直交する方向から電波が到来した時の値を０度とし、０度を境に正負で表される値で出力される。

列車位置演算部１０４では、電波到来角演算部１０３から入力された電波到来角に基づいて列車位置を算出する。また、列車位置を求める際に、後述するように位置補正値記憶部１０５に記憶されている補正値を用いて補正を行う。
列車位置演算部１０４において電波到来角から列車位置を求める具体的な方法について図３で説明する。移動無線機１００が通る軌道３００が直線で、軌道３００の矢印方向を列車の進行方向とする。固定無線機２００と軌道３００間の距離をＹ、固定無線機２００から軌道３００へ下ろした垂線の足の座標をＸ０、移動無線機１００の位置をＸ１、軌道３００上の予め決めた基準列車位置をＸ２、固定無線機２００からの電波到来角をθ１とする。また、固定無線機２００と基準列車位置Ｘ２を結んだ直線と、軌道３００と直交し基準列車位置Ｘ２を通過する垂線とのなす角を基準角θ２とする。

図３において、距離Ｙ、位置Ｘ１とＸ０間の距離Ｄ１および電波到来角θ１の間には（１）式の関係が成り立つ。
ｔａｎ（θ１）＝Ｄ１／Ｙ （１）
よって、距離Ｄ１は、電波到来角θ１の正接と距離Ｙを乗算した（２）式で求められる。
Ｄ１＝Ｙ×ｔａｎ（θ１） （２）
また、同様にＸ２とＸ０間の距離Ｄ２は、基準角θ２の正接と距離Ｙを乗算した（３）式で求められる。
Ｄ２＝Ｙ×ｔａｎ（θ２） （３）
ここで、距離Ｄ１およびＤ２の解としては、正、負となる場合があるが、正の距離はＸ０よりも手前の場所に位置することを意味し、負の距離はＸ０を通過した場所に位置することを意味する。また、求められた距離がゼロの時は、Ｘ０と一致していることを意味する。

また、距離Ｄ１から距離Ｄ２を引いた距離をＤ３とすると、Ｄ３は（４）式より基準列車位置Ｘ２とＸ１との距離となる。
Ｄ３＝Ｄ１−Ｄ２＝Ｘ１−Ｘ２ （４）
ここでも同様に距離Ｄ３は正負の距離として表され、正の距離の時はＸ２よりも手前にＸ１が存在し、負の距離の時はＸ２よりを通過した場所にＸ１が存在することを意味する。また、Ｄ３がゼロの時は、基準列車位置Ｘ２上に位置することを意味する。以上のようにして基準列車位置Ｘ２に対する列車位置Ｄ３を求めることができる。

固定無線機２００と軌道間３００の距離Ｙと基準角θ２を、予め決められた所定の距離に固定無線機２００を設置することで既知の定数として、列車位置演算部１０４の演算時に用いる。この定数、距離Ｙと基準角θ２を、固定無線機２００で保持しておき、送信信号の電波に付加して移動無線機１００に無線伝送するようにしてもよい。移動無線機１００では、受信した距離Ｙと基準角θ２を列車位置演算部１０４に入力して列車位置の演算に用いることになる。また、距離Ｙと基準角θ２は、別伝送形態の鉄道用トランスポンダを利用して伝送するようにしてもよい。その場合、鉄道用トランスポンダは、例えば自動列車停止装置（ＡＴＳ）に用いられているトランスポンダを利用でき、列車にトランスポンダ車上子、軌道内にトランスポンダ地上子を設置し、トランスポンダ車上子の送信に対してトランスポンダ地上子が応答することになる。トランスポンダ地上子を列車停止位置よりも手前に設置し、応答時にトランスポンダ地上子は距離Ｙと基準角θ２をトランスポンダ車上子に伝送する。得られた距離Ｙおよび基準角θ２は移動無線機１００内の列車位置演算部１０４へ入力される。

ところで、移動無線機１００は列車に搭載する際に常に同じ条件で搭載できるとは限らない。例えば、移動無線機１００が取り付けられる箇所が車両の型によって異なる場合がある。すなわち、上述した固定無線機２００と軌道３００間の距離Ｙ、電波到来角をθ１および基準角θ２が列車によって異なってしまう。そのため、移動無線機１００は、距離Ｙ、角度θ１および角度θ２に係る自機の補正値を予め位置補正値記憶部１０５に記憶しておく。列車位置演算部１０４は、この補正値に基づいてＹ、θ１およびθ２を補正し、補正した値を用いて（１）式から（４）式の処理を行うことで、移動無線機１００の搭載される位置にかかわらず列車位置を精度良く求めることができる。

なお、マルチパスの影響を低減するために、固定無線機２００から送信して移動無線機１００で受信される電波に円偏波を用いてもよい。円偏波を用いた際は、電波が反射すると偏波の向きが変わる為に反射波の影響を取り除くことができる。
また、耐ノイズ性を向上するために、固定無線機２００から放射される電波は、予め設定したＭ系列やＧＯＬＤ系列や直交系列などの符号やこれらの符号を組み合わせた符号を用いてＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）変調して送信し、移動無線機１００で復調するようにしてもよい。

図４は、列車停止位置検知装置の適用例を示すが、列車の停止位置を精度良く検知するための設置例である。この場合は、固定無線機２００が駅ホームの屋根やホーム脇の電柱等に設置され、移動無線機１００が列車上に設置されている状態を表している。
なお、列車の車両数やホーム構造によって列車毎に停止位置が異なる場合は、列車毎に基準角θ２を設定することで所定の場所に基準列車位置を設定すればよい。また、駅ホームの構造やホームの数に応じて、固定無線機２００を複数設置してもよい。そのような場合には、固定無線機毎に固定無線機ＩＤとそのＩＤに対応した距離Ｙ、角度θ１および角度θ２から列車の停止位置を検知することになる。さらに、駅ホームに進入する前から列車位置を検知することにより、列車停止位置までの距離が得られ、得られた距離から列車の速度制御を行うことが可能となる。

図５は、列車停止位置検知装置の他の適用例を示すが、この場合は、走行中の列車の位置を精度良く検知するための設置例である。固定無線機２００が軌道脇の電柱に設置され、移動無線機１００が列車に設置されている状態を表している。この例の場合、検知した列車位置の時間変化に基づいて列車の走行速度を求めるようにしてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、列車位置検知装置は、列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅あるいは位相を持つ送信信号を電波にして放射する固定無線機と、列車に搭載され、前記固定無線機の電波を受信する移動無線機とで列車位置検知装置を構成し、移動無線機において、アンテナにより受信された固定無線機からの電波を受信信号として取り出し、取り出された受信信号に基づいて電波到来角を算出し、算出された電波到来角に基づいて、軌道上の予め決めた基準列車位置に対する列車位置を算出するようにしている。したがって、数値化可能な高精度の列車位置を検知することができる。また、軌道形状や固定無線機の絶対位置座標を記憶することなく精度良く列車の位置を求めることができる。さらに、固定無線機は軌道脇に設置されるため、設置工事や保守管理は容易に行うことができ、列車通過に関りないため軌道内作業の危険性も無くなる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る列車位置検知装置の移動無線機の機能構成を示すブロック図である。
この実施の形態２による移動無線機４００は、指向性アンテナ（受信手段）４０１、受信部（受信手段）４０２、電波到来角演算部（電波到来角演算手段）４０３、列車位置演算部（列車位置演算手段）４０４、位置補正値記憶部４０５、アンテナ駆動部４０６および角度制御信号生成部４０７を備えている。ここで、指向性アンテナ４０１、受信部４０２、アンテナ駆動部４０６および角度制御信号生成部４０７による機能はレーダなどで用いられるもの同様である。

次に動作について説明する。
アンテナ駆動部４０６は、角度制御信号生成部４０７で生成される制御信号に従って駆動する。指向性アンテナ４０１は、アンテナ駆動部４０６によって垂直な軸の周りに回転され、回転しながら固定無線機２００から到来する電波を受信する。列車が固定無線機２００のある場所に到来すると、指向性アンテナ４０１で受信された固定無線機２００からの電波は、受信部４０２で増幅され受信信号として取り出され、電波到来角演算部４０３に出力される。電波到来角演算部４０３には、受信信号のほかに角度制御信号生成部４０３から出力される角度情報が入力され、この角度情報と受信信号の周波数、振幅、位相などから電波到来角を算出し列車位置演算部４０４へ出力する。列車位置演算部４０４は、実施の形態１の列車位置演算部１０４と同様で、入力された電波到来角θ１、固定無線機２００と軌道３００間の距離、および固定無線機２００と基準列車位置Ｘ２を結んだ直線と軌道３００と直交し基準列車位置Ｘ２を通過する垂線とがなす基準角θ２に基づいて列車位置を算出して出力する。また、列車位置演算部４０４は、列車位置を求める際に、実施の形態１の位置補正値記憶部１０５と同様な位置補正値記憶部４０５に記憶されている距離Ｙ、角度θ１および角度θ２の補正値を用いて補正して列車位置を算出する。

以上のように、この実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、数値化可能な高精度の列車位置を得ることができる。また、軌道形状や固定無線機の絶対位置座標を記憶することなく精度良く列車の位置を検知することができる。さらに、固定無線機は軌道脇に設置されるため、設置工事や保守管理は容易に行うことができ、列車通過に関りないため軌道内作業の危険性も無くなる。

実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３に係る列車位置検知装置の移動無線機の機能構成を示すブロック図である。図において、図１に相当する部分には同一符号を付して示し、その説明は原則として省略する。
この実施の形態３による移動無線機５００は、アレイアンテナ１０１、受信部１０２、電波到来角演算部１０３、列車位置演算部（列車位置演算手段）５０４および列車位置記憶部５０５を備えている。

次に、この実施の形態３の特徴とする部分の動作について説明する。
ここで、列車位置記憶部５０５には、電波到来角と関連付けた軌道上の予め決めた列車位置のデータを記憶しておく。この記憶されている電波到来角と列車位置は所定の分解能を持っているものとする。列車位置演算部１０４では、電波到来角演算部１０３で求めた電波到来角が入力されると、その電波到来角に基づいて列車位置記憶部５０５から対応する列車位置を算出して出力する。

以上のように、この実施の形態３によれば、列車位置記憶部５０５に、電波到来角と関連付けた軌道上の予め決めた列車位置のデータを予め記憶し、列車位置演算部１０４において、電波到来角演算部１０３で算出された電波到来角に基づいて列車位置記憶部５０５から対応する列車位置を算出するようにしたので、実施の形態１と同様な効果を奏する。

この発明の実施の形態１による列車位置検知装置の機能構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る電波到来角について示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る列車停止位置を算出する方法を示す説明図である。 この発明の列車停止位置検知装置の適用例を示す説明図である。 この発明の列車停止位置検知装置の他の適用例を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る列車位置検知装置の移動無線機の機能構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る列車位置検知装置の移動無線機の機能構成を示すブロック図である。

符号の説明

１００，４００，５００ 移動無線機、１０１ アレイアンテナ、１０２，４０２ 受信部、１０３，４０３ 電波到来角演算部、１０４，４０４，５０４ 列車位置演算部、１０５ 位置補正値記憶部、２００ 固定無線機、２０１ アンテナ、２０２ 増幅部、２０３ 信号生成部、４０１ 指向性アンテナ、４０５ 位置補正値記憶部、４０６ アンテナ駆動部、４０７ 角度制御信号生成部、５０５ 列車位置記憶部。

Claims (11)

1. 列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅あるいは位相を持つ送信信号を電波にして放射する固定無線機と、列車に搭載され、前記固定無線機の電波を受信する移動無線機とで構成され、
   前記移動無線機は、
   アンテナにより受信された前記固定無線機からの電波を受信信号として取り出す受信手段と、
   取り出された受信信号に基づいて電波到来角を算出する電波到来角演算手段と、
   算出された電波到来角に基づいて、軌道上の予め決めた基準列車位置に対する列車位置を算出する列車位置演算手段を備えたことを特徴とする列車位置検知装置。
2. 列車位置演算手段は、電波到来角演算手段で算出された電波到来角、固定無線機と軌道間の距離、および前記固定無線機と基準列車位置を結んだ直線と軌道と直交し基準列車位置を通過する垂線とがなす基準角に基づいて列車位置を算出することを特徴とする請求項１記載の列車位置検知装置。
3. 固定無線機は、列車位置演算手段で使用する当該固定無線機と軌道間の距離および基準角を予め保持しておき、送信信号の電波に付加して移動無線機へ無線伝送することを特徴とする請求項２記載の列車位置検知装置。
4. 移動無線機は、固定無線機と軌道間の距離、電波到来角および基準角に係る自機の補正値を予め記憶する位置補正値記憶部を備え、
   列車位置演算手段は、前記位置補正値記憶部の補正値に基づいて固定無線機と軌道間の距離、電波到来角および基準角を補正して列車位置を算出することを特徴とする請求項２または請求項３記載の列車位置検知装置。
5. 移動無線機は、電波到来角と関連付けた軌道上の予め決めた列車位置のデータを予め記憶する列車位置記憶部を備え、
   列車位置演算手段は、電波到来角演算手段で算出された電波到来角に基づいて
   前記列車位置記憶部から対応する列車位置を算出することを特徴とする請求項１記載の列車位置検知装置。
6. 固定無線機が発射する電波を円偏波としたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の列車位置検知装置。
7. 列車の軌道脇に設置された固定無線機から放射される所定の周波数、振幅あるいは位相を持つ電波を受信する列車に搭載される移動無線機であって、
   アンテナにより受信された前記固定無線機からの電波を受信信号として取り出す受信手段と、
   取り出された受信信号に基づいて電波到来角を算出する電波到来角演算手段と、
   算出された電波到来角に基づいて、軌道上の予め決めた基準列車位置に対する列車位置を算出する列車位置演算手段を備えたことを特徴とする移動無線機。
8. 列車位置演算手段は、電波到来角演算手段で算出された電波到来角、固定無線機と軌道間の距離、および前記固定無線機と基準列車位置を結んだ直線と軌道と直交し基準列車位置を通過する垂線とがなす基準角に基づいて列車位置を算出することを特徴とする請求項７記載の移動無線機。
9. 列車位置演算手段は、固定無線機から送信信号の電波に付加して無線伝送される固定無線機と軌道間の距離および基準角を用いて列車位置を算出することを特徴とする請求項８記載の移動無線機。
10. 固定無線機と軌道間の距離、電波到来角および基準角に係る自機の補正値を予め記憶する位置補正値記憶部を備え、
    列車位置演算手段は、前記位置補正値記憶部の補正値に基づいて固定無線機と軌道間の距離、電波到来角および基準角を補正して列車位置を算出することを特徴とする請求項８または請求項９記載の移動無線機。
11. 電波到来角と関連付けた軌道上の予め決めた列車位置のデータを予め記憶する列車位置記憶部を備え、
    列車位置演算手段は、電波到来角演算手段で算出された電波到来角に基づいて
    前記列車位置記憶部から対応する列車位置を算出することを特徴とする請求項７記載の移動無線機。

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