JP2010136083A - 列車位置検知システムおよび移動無線機 - Google Patents

Abstract

【課題】 列車に搭載された移動無線機と予め定められた位置に設置された固定無線機との間の無線通信を通じて列車の在線位置を検知する際に、マルチパスフェージングなどの影響を抑制し、列車の在線位置を高精度に検知できる列車位置検知システムを提供する。
【解決手段】 移動無線機１の在線位置と固定無線機１０の設置位置との位置関係に基づき角度制御信号を生成し、該角度制御信号に基づき、振幅・位相調整部４において入力信号の振幅および位相を調整して、移動無線機１のアンテナ２のビーム方向が固定無線機１０の設置方向に向くように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、列車の運行および制御を行う情報を、地上に設置した無線機と車上に搭載した無線機との間で無線通信により伝送する装置に利用する。特に、列車の運行および制御に必要な列車の軌道上の位置（以下、在線位置と記す）を検知する列車位置検知システムおよび移動無線機に関するものである。

従来技術に係る列車位置検知システムとして、例えば特許文献１に示す装置がある。車両の車軸にタコジェネレーターを設置し、単位時間あたりの車輪の回転数をカウントする。回転数と車輪径と所定の係数を乗算し車両の速度を算出する。算出した速度を積分し距離を求めて、基準位置からの積算距離より列車の在線位置を検知する。特許文献１に示す装置の別形態として、車両にＧＰＳ受信器を設置し、ＧＰＳ衛星からの電波を受信し得られた緯度と経度から列車の現在位置を検知する。取得した現在位置に基づいて、地上に設置した無線機と車上に搭載した無線機との間で情報通信を行う。

また、従来技術に係る列車位置検知システムとして、例えば特許文献２に示す装置がある。特許文献１と同様に車両の車軸にタコジェネレーターを設置し、単位時間あたりの車輪の回転数をカウントする。回転数と車輪径と所定の係数を乗算し車両の速度を得る。速度を積分し距離を求めて、基準位置からの積算距離より列車の在線位置を検知する。取得した列車の在線位置に基づいて、車上に搭載した無線機の複数のアンテナを切り換え、安定した無線通信を満足するアンテナを選択し、車上に搭載した無線機と地上に設置した無線機との間で情報通信を行う。

さらに、従来技術に係る列車位置検知システムとして、例えば特許文献３に示す装置がある。列車に搭載した無線機と地上に設置した無線機との間で無線通信に要した通信時間から、両無線機間を伝播する電波伝播時間を計測する。電波伝播時間に光速を乗算し両無線機間の距離を求め、列車の在線位置を検知する。取得した現在位置に基づいて、両無線機間で情報通信を行う。

特許第４００１７８４号公報 特開平７−１６２３４９号公報 特許第２７３８４６４号公報

従来技術に係る列車位置検知システムは上記のように構成されている。特許文献１及び特許文献２では、列車位置検知システムは、車輪径と車輪回転数とに基づいて速度を算出する。そのため、車輪の磨耗による車輪径の変化、車輪の空転および滑走により、速度誤差が発生する。速度誤差は積算距離を求める際の積分誤差となり距離計算にも誤差が生じるという課題がある。

この構成で位置の検知精度を向上するためには、位置校正用装置を利用することが挙げられる。一例として、軌道上の所定の位置に電磁誘導式の無電源地上子を設置し、車上装置から地上子へ無線給電し、地上子から位置情報を取得する周知の技術がある。しかし、検知精度を向上するためには、無電源地上子を多数設置し校正頻度を上げる必要がある。そのため、無電源地上子の設置作業およびコスト、メンテナンスなど新たな課題が生じる。

また、特許文献１に記載の別の例では、列車位置検知システムは、ＧＰＳに基づいて列車の位置を求める。ＧＰＳは、正確な緯度と経度を取得することができるが、緯度と経度から列車の在線位置を求める複雑な鉄道用ＭＡＰが必要になること、また、列車がトンネル内を走行している最中はＧＰＳ衛星からの見通しが悪いため電波を受信することができず位置を取得することができないという課題がある。この構成で位置の検知精度を向上するためには、列車がトンネル内を走行している最中の位置検知誤差を補正する装置が別途必要となりシステム構成が複雑化するなど新たな課題が生じる。

車輪の磨耗、車輪の空転および滑走による検知誤差を抑圧するために、特許文献３では、タコジェネレーターを用いず、無線機を用いて非接触で位置検知を行う。しかし、直接波と間接波を区別なく受信してしまうため、マルチパスフェージングなどの影響を受け、測距精度が低下し正確に列車の在線位置を検知できない。そして、マルチパスフェージングなどの影響を受けるため、列車に搭載した無線機と地上に設置した無線機の間で安定した無線通信を実行できないという課題がある。

以上のように、従来技術に係る列車位置検知システムは、タコジェネレータを利用した積算距離を算出するので、車輪の磨耗、車輪の空転と滑走により誤差が生じ列車位置検知精度が低下するという課題がある。また、従来技術に係る列車位置検知システムは、ＧＰＳ衛星により列車位置を検知するので、列車がトンネル内を走行中は位置を取得できないという課題がある。

さらに、従来技術に係る列車位置検知装置は、電波が無線機間を伝播する時間から列車位置検知を行う際、直接波と間接波を区別無く受信するので、マルチパスフェージングなどの影響を受け列車位置検知精度が低下するという課題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、車輪の磨耗、車輪の空転と滑走が生じても精度良く列車の在線位置を検知することを目的とする。さらに、マルチパスフェージングなどの影響を抑制し、安定した無線通信を行い精度良く列車の在線位置を検知することを目的とする。

本発明は、列車に搭載した移動無線機と地上に設置した固定無線機とを具備する列車位置検知システムにおいて、移動無線機に、指向性アンテナと、前記指向性アンテナのビーム方向が前記列車の在線位置と前記固定無線機の設置位置との位置関係に基づく方向に向くように制御するアンテナ指向性制御手段とを備えたものである。

本発明によれば、列車に搭載した移動無線機と地上に設置した固定無線機との間で電波による距離測定を行うので、車輪の磨耗、空転や滑走の影響を受けることなく、列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

また、本発明によれば、列車に搭載した移動無線機と地上に設置した固定無線機との間で電波による距離測定を行う際に、移動無線機のアンテナのビーム方向を制御し不要な電波（間接波）の受信を抑制して、マルチパスフェージングなどの影響を低減するので、列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

また、列車に搭載した移動無線機のアンテナが形成するビーム方向を制御して送信するので、電波伝播空間の利用効率が向上し、他の機器との干渉を抑圧でき安定した無線通信が行え、列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

さらに、列車に搭載した移動無線機と地上に設置した固定無線機との間で電波による距離測定を行うので、ＧＰＳ衛星からの電波を受信できない場所でも列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、同一符号は、同一または相当の構成を示す。図１は、本発明の実施の形態１による移動無線機１の構成を示すブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１による固定無線機１０の構成を示すブロック図である。列車位置検知システムは、列車に搭載される移動無線機１と軌道脇や駅ホーム脇など予め定められた位置に設置される固定無線機１０とを備えている。

移動無線機１は、アンテナ２、送受信部３、振幅・位相調整部４、測距信号生成部５、距離演算部６、位置取得部７、角度演算部８、角度制御部９を備えている。アンテナ２は複数のアレイアンテナ２ａ、２ｂからなり、アダプティブアレイアンテナ技術を用いたビーム方向の制御が可能な指向性アンテナである。例えば、図１では、２素子で構成されたアダプティブアレイアンテナ技術を用いた場合を示しているが、アンテナ素子数はこれに限られたものではない。送受信部３は、スイッチ３１ａ、３１ｂ、送信部３２ａ、３２ｂ、受信部３３ａ、３３ｂを備えている。アンテナ指向性制御手段である振幅・位相調整部４は、４つの振幅・位相調整器４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを有している。角度演算部８および角度制御部９は、アンテナ２のビーム方向を決定する方向演算手段である。

一方、固定無線機１０は、アンテナ１１、送受信部２０、測距信号生成部１２を備えている。送受信部２０は、スイッチ２１、送信部２２、受信部２３を備えている。

次に動作について説明する。移動無線機１において、測距信号生成部５は、所定の周波数、振幅、あるいは位相を持つ呼出信号を生成して振幅・位相調整部４に出力し、呼出信号の出力タイミングを距離演算部６に出力する。振幅・位相調整器４ａ、４ｃは、測距信号生成部５が生成した呼出信号に対して、所定の値だけ振幅と位相を調整した呼出信号を送受信部３内の送信部３２ａ、３２ｂに出力する。送受信部３は、振幅・位相調整器４ａ、４ｃから入力された呼出信号を、送信部３２ａ、３２ｂにおいて周波数変換、増幅して、スイッチ３１ａ、３１ｂを介してアレイアンテナ２ａ、２ｂに出力する。アンテナ２は所定の固定無線機１０を呼び出す距離測定用の呼出信号を電波として放射する。

呼出信号を受信した固定無線機１０は、応答信号を移動無線機１に対して返信する。固定無線機１０は、移動無線機１から放射された電波（呼出信号）をアンテナ１１で受信する。呼出信号はスイッチ２１を介して受信部２３へ出力される。受信部２３は、呼出信号を周波数変換し、増幅して測距信号生成部１２に出力する。測距信号生成部１２は呼出信号の受信を確認すると、所定の周波数、振幅あるいは位相を持つ信号を生成して応答信号として送信部２２へ出力する。送受信部２０は、送信部２２において応答信号を周波数変換し、増幅してスイッチ２１を介してアンテナ１１に出力する。アンテナ１１は応答信号を電波として放射する。なお、移動無線機１の測距信号生成部５が生成する呼出信号と固定無線機１０の測距信号生成部１２が生成する応答信号とでは、各々の信号の周波数、振幅、あるいは位相は予め決められたものであれば、同一でも異なっていても良い。

移動無線機１において、固定無線機１０から放射された電波はアンテナ２で受信され、スイッチ３１ａ、３１ｂを介して受信部３３ａ、３３ｂへ出力される。受信部３３ａ、３３ｂは応答信号を周波数変換し、増幅して、振幅・位相調整部４へ出力する。振幅・位相調整器４ｂ、４ｄは、アンテナ２が形成するビーム方向が固定無線機１０へ向くように応答信号の振幅と位相とを調整して距離演算部６へ出力する。距離演算部６は、呼出信号を送信してから応答信号を受信するまでの時間を計測し、計測した時間から所定のオフセットを減算した電波伝播時間に光速を乗算し、移動無線機１と固定無線機１０との距離を算出し、当該距離を位置取得部７に出力する。なお、所定のオフセットとは、移動無線機１内および固定無線機１０内での信号処理の遅延時間を考慮したものである。

移動無線機１と固定無線機１０との距離を計測する方法に、例えばスペクトル拡散技術を用いる方法がある。移動無線機１は、測距信号生成部５で生成した呼出用のスペクトル拡散信号を固定無線機１０へ送信する。呼出用のスペクトル拡散信号を受信した固定無線機１０は応答用のスペクトル拡散信号を移動無線機１へ返信する。応答用のスペクトル拡散信号を受信した移動無線機１は、送信から受信までの時間を計測し、計測した時間から所定のオフセットを減算した電波伝播時間に光速を乗算し距離を算出する。

また、別の方法として、移動無線機１で生成した呼出用のスペクトル拡散信号を固定無線機１０へ送信する。呼出用のスペクトル拡散信号を受信した固定無線機１０は、呼出用のスペクトル拡散信号の搬送波周波数とは異なる搬送波周波数に変換したスペクトル拡散信号を応答信号として移動無線機１へ返信する。応答信号を受信した移動無線機１は送信から受信までの時間を計測し、所定のオフセットを減算した電波伝播時間に光速を乗算して、移動無線機１と固定無線機１０との距離を算出する。呼出用のスペクトル拡散信号と応答用のスペクトル拡散信号との搬送波周波数を異なる周波数にする場合は、スイッチ３１ａ、３１ｂおよびスイッチ２１の替わりに分波器を用いても良い。なお、上記以外の距離測定技術を用いてもよい。

位置取得部７は、両無線機１，１０間の距離と列車の在線位置（軌道上の位置）とが対応したデータテーブルをメモリに記憶し、当該メモリを参照して列車の在線位置を角度演算部８に出力する。また、固定無線機１０の座標や軌道路を記したマップをメモリに保持し、両無線機１，１０間の距離とマップを照合して列車の在線位置を算出し、角度演算部８に出力してもよい。なお、当該データテーブルやマップは、ＧＰＳに基づく３次元座標から列車の在線位置を算出する鉄道用ＭＡＰと比較すると、簡素な構成である。

図３は、本発明の実施の形態１による移動無線機１に備わるアンテナ２のビーム角度θを説明する図である。角度演算部８は、列車の在線位置（移動無線機１の位置）と固定無線機１０の設置位置とで形成されるベクトル５０と、列車の進行方向のベクトル６０とを用いたベクトル演算によりアンテナ２が形成するビーム方向を決定し、ビーム角度θとして角度制御部９に出力する。例えば、ビーム角度θは、図３に示すように列車の進行方向を０度とし、０度を境に正負で表される値で出力される。

角度制御部９は、ビーム角度θに基づき角度制御信号を生成し、振幅・位相調整部４に出力する。角度制御信号は、所定のビーム角度θを実現するため、各振幅・位相調整器４ａ、４ｃにおいて、それぞれ呼出信号の振幅と位相の重み付けを行うための信号であり、各振幅・位相調整器４ｂ、４ｄにおいて、それぞれ応答信号の振幅と位相の重み付けを行うための信号である。

振幅・位相調整部４は、呼出信号に角度制御信号に応じて振幅と位相の重み付をおこない送信部３２ａ、３２ｂに出力する。送信部３２ａ、３２ｂは、呼出信号を周波数変換および増幅し、アンテナ２に出力する。アダプティブアレイアンテナ技術を用いたアンテナ２が形成するビーム方向は固定無線機１０へ向くように制御される。

このように、移動無線機１は呼出信号の送信から応答信号の受信までの時間を計測し、移動無線機１と固定無線機１０間の距離を距離演算部６において演算する。移動無線機１は、得られた距離から列車の軌道上の現在位置を取得する。列車の現在位置と固定無線機１０の設置位置との関係から、列車進行方向と固定無線機１０の設置方向とのなす角度θを求め、移動無線機１のアンテナ２のビーム方向を固定無線機１０の設置方向へ制御する。

なお、固定無線機１０の設置については、ＧＰＳ衛星と比較すると制約が少なく、自由に設置位置を選ぶことができる。従って、例えば、トンネル内の移動無線機１から見通しの良い位置に固定無線機１０を設置すれば、ＧＰＳ衛星による無線通信では不感帯となっていたトンネル内においても、列車の位置検知を精度良く行うことが可能となる。

実施の形態１によれば、列車に搭載した移動無線機１と地上に設置した固定無線機１０との間で電波による距離測定を行うので、車輪の磨耗、空転や滑走の影響を受けることなく、列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

また、列車に搭載した移動無線機１と地上に設置した固定無線機１０との間で電波による距離測定を行う際に、移動無線機１のアンテナ２のビーム方向を制御し、不要な電波の受信を抑制してマルチパスフェージングなどの影響を低減するので、列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

また、列車に搭載した移動無線機１のアンテナ２のビーム方向を制御して送信するので、電波伝播空間の利用効率が向上し、他の機器との干渉を抑圧でき安定した無線通信が行え、列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

また、列車に搭載した移動無線機１と地上に設置した固定無線機１０との間で電波による距離測定を行うので、ＧＰＳ衛星からの電波を受信できない場所でも列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

実施の形態２．
実施の形態１では、移動無線機１のアンテナ２にアダプティブアレイアンテナ技術を用いたが、所定の指向性を有するアンテナを駆動して、ビーム方向を制御しても良い。図４は、本発明の実施の形態２による移動無線機１０１の構成を示すブロック図である。

移動無線機１０１は、指向性アンテナ１０２、アンテナ指向性制御手段であるアンテナ駆動部２００、送受信部１０３、測距信号生成部５、距離演算部６、位置取得部７、角度演算部８、角度制御部９を備えている。送受信部１０３は、スイッチ３１ｃ、送信部３２ｃ、受信部３３ｃを備えている。なお、固定無線機１０については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

次に動作について説明する。移動無線機１０１は所定の固定無線機１０を呼び出す距離測定用の呼出信号を送信する。測距信号生成部５は、所定の周波数、振幅、あるいは位相を持つ呼出信号を生成して送信部３２ｃに出力する。送信部３２ｃは、呼出信号を周波数変換および増幅しスイッチ３１ｃを介して指向性アンテナ１０２に出力する。指向性アンテナ１０２は呼出信号を電波として放射する。

固定無線機１０において、移動無線機１０１から放射された電波はアンテナ１１で受信され、呼出信号はスイッチ２１を介して受信部２３へ出力される。受信部２３は呼出信号を周波数変換および増幅し測距信号生成部１２に出力する。測距信号生成部１２は呼出信号の受信を確認すると、所定の周波数、振幅あるいは位相を持つ信号を生成して応答信号として送信部２２へ出力する。送受信部２０は応答信号を周波数変換および増幅しスイッチ２１を介してアンテナ１１に出力する。アンテナ１１は応答信号を電波として放射する。

移動無線機１０１において、固定無線機１０から放射された電波は指向性アンテナ１０２で受信されスイッチ３１ｃを介して受信部３３ｃへ出力される。受信部３３ｃは周波数変換および増幅した応答信号を距離演算部６へ出力する。距離演算部６は、呼出信号を送信してから応答信号を受信するまでの時間を計測し、計測した時間から所定のオフセットを減算した電波伝播時間に光速を乗算し、移動無線機１０１と固定無線機１０との距離を算出し、当該距離を位置取得部７に出力する。

位置取得部７は、両無線機１０１、１０間の距離と在線位置とが対応したデータテーブルをメモリに記憶してメモリを参照して列車の在線位置を角度演算部８に出力する。また、固定無線機１０の座標や軌道路を記したマップをメモリに保持し、無線機間距離とマップを照合して列車の在線位置を算出し、角度演算部８に出力してもよい。

角度演算部８は、図２に示す列車の在線位置と固定無線機１０の設置位置とで形成されるベクトル５０と、列車の進行方向のベクトル６０とを用いてベクトル演算したビーム角度θを角度制御部９に出力する。角度制御部９は、ビーム角度θに基づき角度制御信号をアンテナ駆動部２００に出力する。アンテナ駆動部２００は、角度制御信号に応じて指向性アンテナ１０２の所定のビーム方向が固定無線機１０へ向くように指向性アンテナ１０２を駆動する。

実施の形態２によれば、列車に搭載した移動無線機１０１と地上に設置した固定無線機１０との間で電波による距離測定を行うので、車輪の磨耗、空転や滑走の影響を受けることなく、列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

また、列車に搭載した移動無線機１０１と地上に設置した固定無線機１０との間で電波による距離測定を行う際に、アンテナ駆動部２００により指向性アンテナ１０２を駆動して指向性アンテナ１０２のビーム方向を制御し、不要な電波の受信を抑制して、マルチパスフェージングなどの影響を低減するので、列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

また、列車に搭載した移動無線機１０１の指向性アンテナ１０２のビーム方向を制御して送信するので、電波伝播空間の利用効率が向上し、他の機器との干渉を抑圧でき安定した無線通信が行え、列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

また、列車に搭載した移動無線機１０１と地上に設置した固定無線機１０との間で電波による距離測定を行うので、ＧＰＳ衛星からの電波を受信できない場所でも列車の在線位置を精度良く検知できるという効果が得られる。

本発明の実施の形態１による移動無線機１の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による固定無線機１０の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１による移動無線機１に備わるアンテナ２のビーム角度θを説明する図である。 本発明の実施の形態２による移動無線機１０１の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 移動無線機
２ アンテナ
２ａ、２ｂ アレイアンテナ
４ 振幅・位相調整部
６ 距離演算部
７ 位置取得部
８ 角度演算部
９ 角度制御部
１０ 固定無線機
１０１ 移動無線機
１０２ 指向性アンテナ
２００ アンテナ駆動部

Claims (4)

1. 予め定められた位置に設置された固定無線機と列車に搭載された移動無線機とを具備し、前記列車の在線位置を検知する列車位置検知システムにおいて、
   前記移動無線機は、
   指向性アンテナと、
   前記固定無線機との無線通信に要した電波伝播時間に基づき、前記固定無線機との距離を演算する距離演算部と、
   前記距離に基づき前記列車の在線位置を取得する位置取得部と、
   前記位置取得部が取得した列車の在線位置と前記固定無線機の設置位置との位置関係に基づき、前記指向性アンテナのビーム方向を決定する方向演算手段と、
   前記指向性アンテナのビーム方向が、前記方向演算手段が決定したビーム方向へ向くように制御するアンテナ指向性制御手段とを備えた列車位置検知システム。
2. 前記指向性アンテナは複数のアレイアンテナを有し、
   前記アンテナ指向性制御手段は、前記複数のアレイアンテナにより形成されるビーム方向が、前記方向演算手段が決定したビーム方向へ向くように、入力された信号の振幅および位相を調整して出力する振幅・位相調整部であることを特徴とする請求項１記載の列車位置検知システム。
3. 前記指向性アンテナは所定のビーム方向に電波を放射し、
   前記アンテナ指向性制御手段は、前記指向性アンテナの前記所定のビーム方向が、前記方向演算手段が決定したビーム方向へ向くように、前記指向性アンテナを駆動するアンテナ駆動部であることを特徴とする請求項１記載の列車位置検知システム。
4. 列車に搭載され、前記列車の在線位置を取得する移動無線機において、
   指向性アンテナと、
   予め定められた位置に設置された固定無線機との無線通信に要した電波伝播時間に基づき、前記固定無線機との距離を演算する距離演算部と、
   前記距離に基づき前記列車の在線位置を取得する位置取得部と、
   前記位置取得部が取得した列車の在線位置と前記固定無線機の設置位置との位置関係に基づき、前記指向性アンテナのビーム方向を決定する方向演算手段と、
   前記指向性アンテナのビーム方向が、前記方向演算手段が決定したビーム方向へ向くように制御するアンテナ指向性制御手段とを備えた移動無線機。

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