JP6305575B2 - 列車位置検知装置 - Google Patents

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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に関するものである。
特許文献１に記載された列車位置検知装置は、列車の車軸に接続された速度発電機と、列車に設けられた車上子と、列車の軌道上に設けられた地上子とで構成されている。この列車位置検知装置は、速度発電機が列車走行時の車輪の回転に応じて出力するパルスと車輪径とから列車位置を測定するが、車輪の空転滑走時に測定誤差が発生するという問題があった。この測定誤差を補正するために、予め位置情報を記憶した地上子（ＩＤタグ）の情報を、車上子（ＩＤリーダ）で読み取り、測定した列車位置を地上子から読み取った位置情報で補正する。
特許文献２に記載された列車位置検知装置は、列車に設けられた車上無線機と、列車の軌道脇に設けられた地上無線機とで構成されている。車上無線機は、地上無線機が放射した電波の到来角度を計測する。そして、車上無線機は、計測した電波到来角度と、地上無線機から軌道までの距離（以下、軌道間距離と称す）とに基づいて、三角測量の原理により、地上無線機の設置位置を基準とした列車位置を算出する。
特開２０１１−２１１９０３号公報 特開２００９−７３３９７号公報
上記特許文献１に記載された列車位置検知装置は、列車位置を高精度に検知する場合、地上子を多数設置する必要がある。そのため、地上子の設置および保守に費用がかかるという課題があった。
上記特許文献２に記載された列車位置検知装置は、地上無線機から列車が走行している軌道までの軌道間距離を予め記憶しておく必要がある。そのため、軌道が複数ある場合、車上無線機を搭載した列車が走行している軌道を取り違えるなどして軌道間距離を誤設定すると、列車位置を算出する際に誤差が生じるという課題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、地上子の位置および軌道間距離の情報を用いることなく高精度に列車位置を検知す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、地上に設置された地上無線機が設置位置の情報を含む送信信号を電波として放射し、列車に搭載された車上無線機が電波を受信して取り出した受信信号を用いて、列車の位置を検知する列車位置検知装置であって、受信信号に基づいて電波到来角度を演算する電波到来角度演算部と、地上無線機の設置位置の情報を受信信号から取得する地上無線機位置取得部と、列車の移動距離に基づいて列車位置を演算する列車位置演算部と、電波到来角度演算部が演算した電波到来角度、地上無線機位置取得部が取得した地上無線機の設置位置、および列車位置演算部が演算した列車位置を用いて、当該列車位置を補正する列車位置補正量を演算する列車位置補正量演算部と、列車位置演算部が演算した列車位置を、列車位置補正量演算部が演算した列車位置補正量で補正する列車位置補正部とを備え、列車位置補正量演算部は、列車が軌道上の複数の地点を走行するときに演算された同一の地上無線機に関する複数組の電波到来角度および列車位置を用いて、列車位置補正量を演算するものである。
この発明によれば、地上無線機から車上無線機へ到来した電波の角度と、受信信号から取得した地上無線機の設置位置と、列車の移動距離から演算した列車位置とから列車位置補正量を算出して、列車位置を補正するようにしたので、地上子の位置および軌道間距離の情報を用いることなく高精度に列車位置を検知することができる。そのため、地上子の設置および保守にかかる費用を削減できる。また、軌道間距離の設定が不要になるため、軌道間距離の誤設定に起因して列車位置を算出する際に誤差が生じることを防止できる。
この発明の実施の形態１に係る列車位置検知装置を用いた列車位置検知システムの構成例を示す図である。 実施の形態１に係る列車位置検知装置を用いた列車位置検知システムの構成例を示すブロック図である。 地上無線機位置Ｙ０と、列車位置Ｙと、列車位置補正量ｂと、電波到来角度θと、軌道間距離ａの関係を説明する図である。 列車位置補正量ｂと軌道間距離ａとの関係を説明する図である。 実施の形態１に係る列車位置検知装置のハードウエア構成図である。 実施の形態１に係る列車位置検知装置の動作例を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２に係る列車位置検知装置を用いた列車位置検知システムの構成例を示すブロック図である。 軌道間距離に基づく番線検知方法を説明する図である。 この発明の実施の形態３に係る列車位置検知装置を用いた列車位置検知システムのうち、主要部の構成例を示すブロック図である。 図９の列車位置検知システムにおける主要部の変形例を示すブロック図である。
以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る列車位置検知装置１を用いた列車位置検知システムの構成例を示す図である。列車位置検知システムは、列車４０に搭載された車上無線機１０と、列車４０が走行する軌道４１の脇に設置された地上無線機３０とを備えている。車上無線機１０は、列車位置検知装置１を備えている。
図２は、列車位置検知システムの構成例を示すブロック図である。車上無線機１０は、アレイアンテナ１１と、受信部１２と、地上無線機位置取得部１３と、電波到来角度演算部１４と、列車位置演算部１５と、補正量演算部１６とを備えている。列車位置検知装置１は、地上無線機位置取得部１３と、電波到来角度演算部１４と、列車位置演算部１５と、補正量演算部１６と、列車位置補正部１７とで構成される。
速度発電機２０は、列車４０の車軸に接続されている。
地上無線機３０は、アンテナ３１と、増幅部３２と、信号生成部３３とを備えている。この地上無線機３０は、図１に示す軌道４１脇の電柱４２または駅ホームの屋根などに設置されている。
次に動作について説明する。
地上無線機３０において、信号生成部３３は、この地上無線機３０が設置された位置を示す位置情報を所定の周波数、振幅あるいは位相をもつ送信信号にして、増幅部３２へ出力する。増幅部３２は、信号生成部３３が出力した送信信号を電力増幅して、アンテナ３１へ出力する。アンテナ３１は、増幅部３２が出力した送信信号を、電波として放射する。
地上無線機３０の位置情報は、例えば軌道４１上の基準位置から地上無線機３０の設置位置までの距離、鉄道で利用されているキロ呈情報、または地上無線機３０の設置位置を示す経緯度などであってもよいし、地上無線機３０に固有のＩＤであってもよい。地上無線機３０の位置情報がＩＤである場合、このＩＤに対応付けられた設置位置の情報が車上無線機１０側に記憶されていればよい。
列車４０が地上無線機３０のある場所に到来すると、地上無線機３０から放射された電波は、列車４０に搭載されている車上無線機１０のアレイアンテナ１１で受信され、受信部１２へ出力される。ここで、車上無線機１０のアンテナは、後述の電波到来角度演算のために、例えば複数のアンテナ素子を列車４０の進行方向と略平行に直線状に配列したアレイアンテナ１１とする。
受信部１２は、地上無線機３０から放射された電波成分を取り出して増幅し、受信信号として地上無線機位置取得部１３および電波到来角度演算部１４へ出力する。
地上無線機位置取得部１３は、受信部１２が出力した受信信号から、地上無線機３０の設置位置を示す位置情報を取得し、地上無線機位置として補正量演算部１６へ出力する。上述したように、地上無線機３０の位置情報がＩＤである場合、地上無線機位置取得部１３は、予め記憶しているＩＤと設置位置との対応関係を示した一覧の中から、地上無線機３０のＩＤに対応付けられた設置位置を抽出する。
電波到来角度演算部１４は、受信部１２が出力した受信信号に基づいて、地上無線機３０からの電波の到来角度を演算し、電波到来角度を補正量演算部１６へ出力する。電波到来角度は、受信信号の周波数、振幅、位相などから演算される。具体的には、レーダなどで用いられている技術を適用し、例えばモノパルス測角、ＭＵＳＩＣ（ＭＵｌｔｉｐｌｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法、最尤推定法などを用いる。
列車位置演算部１５は、列車４０の移動距離に基づいて列車位置を演算し、補正量演算部１６および列車位置補正部１７へ出力する。
具体的には、列車位置演算部１５は、列車４０の車軸に接続されている速度発電機２０から出力されるパルスをカウントし、カウント値と車輪径から移動距離を演算し、移動距離を積算演算することによって列車位置を計測する。実施の形態１では、列車位置演算部１５が速度発電機２０を利用して列車位置を演算する例を示すが、速度発電機２０以外を利用してもよい。例えば、列車位置演算部１５は、列車４０に設置された加速度センサが計測する列車走行時の加速度を取得し、加速度を積分演算して列車位置を計測してもよい。また、列車位置演算部１５は、列車４０に設置された音波式センサまたは電波式センサが計測する列車走行時の周波数を取得し、周波数と列車４０の移動速度とが比例関係になるドップラ効果を利用して列車速度を演算し、その列車速度を積分演算して列車位置を計測してもよい。
このように、列車位置演算部１５は、単位時間あたりの移動距離を積算演算して列車位置を計測する方式を採用しているため、移動距離の測定誤差が累積しやすい。例えば速度発電機２０を利用する場合、車輪の空転滑走時に発生した測定誤差が累積する。
そこで、後述する補正量演算部１６および列車位置補正部１７により、この測定誤差を補正し、高精度な列車位置を求める。
補正量演算部１６は、軌道間距離演算部１６ａと列車位置補正量演算部１６ｂとを備えている。列車位置補正量演算部１６ｂは、地上無線機位置取得部１３が出力した地上無線機位置、電波到来角度演算部１４が出力した電波到来角度、および列車位置演算部１５が出力した列車位置を用いて、列車位置演算部１５が出力した列車位置を補正する列車位置補正量を算出し、列車位置補正部１７へ出力する。軌道間距離演算部１６ａは、地上無線機位置取得部１３が出力した地上無線機位置、電波到来角度演算部１４が出力した電波到来角度、および列車位置演算部１５が出力した列車位置を用いて、地上無線機３０と列車４０が走行している軌道４１との間の距離（以下、軌道間距離と称す）を演算する。軌道４１と直交する方向から電波が到来したときの電波到来角度を０度とすると、軌道間距離は、電波到来角度が０度となった際の地上無線機３０と車上無線機１０との間の距離である。
軌道間距離演算部１６ａと列車位置補正量演算部１６ｂにおける軌道間距離と列車位置補正量の演算は、列車４０が地上無線機３０付近の軌道４１上に存在するときに実施する。具体的には、軌道間距離演算部１６ａと列車位置補正量演算部１６ｂは、電波到来角度演算部１４で演算した電波到来角度が予め定められた角度（例えば、±４５度）以内の測定値を用いて、軌道間距離と列車位置補正量の演算を実施する。この予め定められた角度は、後述する図３の所定の軌道区間に対応していることが望ましい。
図３（ａ）は、地上無線機位置Ｙ０と、列車位置Ｙと、列車位置補正量ｂと、電波到来角度θと、軌道間距離ａの関係を説明する図である。地上無線機３０付近の軌道４１が直線とみなせる場合、下式（１）の関係が成り立つ。
（Ｙ−ｂ−Ｙ０）／ａ＝ｔａｎθ （１）
ここで、ｙ＝Ｙ−Ｙ０、ｘ＝ｔａｎθとおくと、式（１）は式（２）の直線関係となる。
ｙ＝ａ×ｘ＋ｂ （２）
地上無線機３０から軌道４１へ下ろした垂線の足の位置を地上無線機位置Ｙ０とする。列車４０に搭載された車上無線機１０の位置を、列車４０の真の位置、つまり列車位置Ｙ−列車位置補正量ｂとする。電波到来角度θは、軌道４１と直交する方向から電波が到来したときを０度とし、０度を境に進行方向側を正の角度、進行方向と反対側を負の角度で表す。
図３（ｂ）と図３（ｃ）を参照して、軌道間距離ａを説明する。図において、列車４０ａ，４０ｂは紙面左側から右側へ進行する。
図３（ａ）に示したように、軌道間距離ａは、地上無線機３０から軌道４１へ下ろした垂線の足（軌道４１との交点）の長さになる。厳密に言うと、列車４０が存在する地点における軌道４１上の列車４０の進行方向の接線上に下ろした垂線の足の長さになる。
図３（ｂ）に示すように、軌道４１ａを直線と近似できる場合、列車４０ａが存在する軌道位置における列車４１ａの進行方向がなす軌道４１ａの接線４３ａと、地上無線機３０との間の距離が一定になる。一方、図３（ｃ）に示すように、軌道４１ｂを直線と近似できない場合、列車４０ｂが存在する軌道位置における列車４１ｂの進行方向がなす軌道４１ｂの接線４３ｂと、地上無線機３０との間の距離が一定にならない。
地上無線機３０が存在する所定の軌道区間を、高々、±５ｍ程度の区間もしくは車両一両分の長さ（例えば２０ｍ）の区間とした場合、この区間では軌道４１ａ，４１ｂをほぼ直線近似として問題ない。このように、軌道間距離ａは、所定の軌道区間内で略一定となるのが通常であり、上式（１）ではこの条件を利用している。
図４は、列車位置補正量ｂと軌道間距離ａとの関係を説明する図である。上式（１）、（２）より、列車４０が地上無線機３０付近に存在する際の電波到来角度θから演算したｔａｎθをｘ軸にし、地上無線機位置Ｙ０から列車位置Ｙまでの距離をｙ軸にする。すると、図４に示すように、電波到来角度θから演算したｔａｎθと、地上無線機位置Ｙ０から列車位置Ｙまでの距離との関係は、式（２）の列車位置補正量ｂおよび軌道間距離ａで表現される直線関係となる。
ここで、列車位置補正量ｂおよび軌道間距離ａを算出する方法について説明する。
列車４０が地上無線機３０付近の軌道４１を走行している間に、地上無線機位置取得部１３が地上無線機位置Ｙ０を取得する。また、電波到来角度演算部１４および列車位置演算部１５が、少なくとも２点以上のｎ点の地点における電波到来角度θおよび列車位置Ｙを取得する。
補正量演算部１６は、地上無線機位置取得部１３が取得した地上無線機位置Ｙ０と、ｎ点分の電波到来角度θおよび列車位置Ｙとを用いて、ｎ点の測定値（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、・・・、（ｘｎ，ｙｎ）を算出する。
続いて、軌道間距離演算部１６ａと列車位置補正量演算部１６ｂは、ｎ点の測定値に対して最小二乗法による直線近似を適用することで、軌道間距離ａと列車位置補正量ｂを算出する。最小二乗法による近似直線のｙ切片が列車位置補正量ｂ、傾きが軌道間距離ａである。ａとｂは、下式（３）、（４）から算出される。
Figure 0006305575

Figure 0006305575
列車位置補正部１７は、列車位置演算部１５が出力した列車位置と、列車位置補正量演算部１６ｂが出力した列車位置補正量を用いて、測定誤差を補正した補正列車位置を演算する。列車位置補正部１７は、補正列車位置を最終的な列車位置として出力する。ただし、速度発電機を用いる場合は、列車が加速していない車輪の空転滑走が生じない最中に演算をするのが望ましい。
補正列車位置Ｙ’は、列車位置Ｙと列車位置補正量ｂを用いて、下式（５）から算出される。
Ｙ’＝Ｙ−ｂ （５）
次に、列車位置検知装置１を含む車上無線機１０のハードウエア構成を説明する。図５は、車上無線機１０のハードウエア構成図である。車上無線機１０の受信部１２は受信装置２である。地上無線機位置取得部１３、電波到来角度演算部１４、列車位置演算部１５、補正量演算部１６および列車位置補正部１７は、メモリ３に記憶されたプログラムを実行するプロセッサ４により、実現される。プロセッサ４は、ＣＰＵまたはシステムＬＳＩ等の処理回路である。また、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して上記機能を実行してもよい。
次に、列車位置検知装置１を含む車上無線機１０の動作を説明する。図６は、列車位置検知装置１の動作例を示すフローチャートである。
まず、ステップＳＴ１において、受信部１２は、地上無線機３０から放射された電波成分を取り出して増幅し、受信信号として地上無線機位置取得部１３および電波到来角度演算部１４へ出力する。
ステップＳＴ２において、地上無線機位置取得部１３は、受信部１２が出力した受信信号から、地上無線機３０の設置位置を示す位置情報を取得して、地上無線機位置として補正量演算部１６へ出力する。
ステップＳＴ３において、電波到来角度演算部１４は、受信部１２が出力した受信信号に基づいて、地上無線機３０からの電波の到来角度を演算し、電波到来角度を補正量演算部１６へ出力する。なお、ステップＳＴ３では、電波到来角度演算部１４は、少なくとも２点以上のｎ点の地点における電波到来角度を取得する。
ステップＳＴ４において、列車位置演算部１５は、列車４０の移動距離に基づいて列車位置を演算し、補正量演算部１６および列車位置補正部１７へ出力する。なお、ステップＳＴ４では、列車位置演算部１５は、少なくとも２点以上のｎ点の地点における列車位置を取得する。
ステップＳＴ５において、補正量演算部１６は、地上無線機位置取得部１３が出力した地上無線機位置、電波到来角度演算部１４が出力した電波到来角度、および列車位置演算部１５が出力した列車位置を用いて、列車位置演算部１５が出力した列車位置を補正する列車位置補正量を算出し、列車位置補正部１７へ出力する。
ステップＳＴ６において、列車位置補正部１７は、列車位置演算部１５が出力した列車位置と、補正量演算部１６が出力した列車位置補正量を用いて、測定誤差を補正した補正列車位置を演算する。
車上無線機１０は、以上のように動作する。
なお、ステップＳＴ２，ＳＴ３，ＳＴ４の動作順序は、必ずしもこの通りである必要はなく、動作順序が入れ替わってもよく、また、同時に動作してもよい。
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１は、地上無線機３０から受信した受信信号に基づいて電波到来角度を演算する電波到来角度演算部１４と、地上無線機３０の設置位置の情報を受信信号から取得する地上無線機位置取得部１３と、列車４０の移動距離に基づいて列車位置を演算する列車位置演算部１５と、電波到来角度演算部１４が演算した電波到来角度と地上無線機位置取得部１３が取得した地上無線機３０の設置位置と列車位置演算部１５が演算した列車位置とを用いて列車位置補正量を演算する列車位置補正量演算部１６ｂと、列車位置補正量演算部１６ｂが演算した列車位置補正量を用いて列車位置演算部１５が演算した列車位置を補正する列車位置補正部１７とを備える構成にしたので、従来必要であった地上子の位置および軌道間距離の情報を用いることなく、高精度に列車位置を検知することができる。そのため、地上子の設置および保守にかかる費用を削減できるという効果がある。また、軌道間距離の設定が不要になるため、軌道間距離の誤設定に起因して列車位置を算出する際に誤差が生じることを防止できるという効果がある。
実施の形態２．
上記実施の形態１では列車の位置を高精度に検知する方法について述べた。実施の形態２では、鉄道の軌道が複線で構成される際に、列車の位置だけでなく、列車が走行している軌道（番線）を検知する走行番線検知について説明する。
図７は、実施の形態２に係る列車位置検知装置１を用いた列車位置検知システムの構成例を示すブロック図である。図７において、図１および図２と同一または相当の部分については同一の符号を付し説明を省略する。実施の形態２では、列車位置検知装置１が番線検知部１８を備えている。
上記実施の形態１で説明したように、補正量演算部１６の軌道間距離演算部１６ａは、列車４０が走行している軌道４１と地上無線機３０との間の軌道間距離を演算する。実施の形態２では、軌道間距離演算部１６ａが演算した軌道間距離を番線検知部１８へ出力する。
番線検知部１８は、地上無線機３０の設置位置と複線で構成された軌道４１の各番線の位置とを示す地図情報を用いて、地上無線機３０と各番線との間の距離を演算する。そして、番線検知部１８は、軌道間距離演算部１６ａが出力した軌道間距離を、地図情報を用いて演算した距離と照合することによって列車４０が走行している番線を検知し、走行番線を出力する。
この番線検知部１８は、図５に示したプロセッサ４がメモリ３に記憶されたプログラムを実行することにより、実現される。地図情報はメモリ３に記憶されている。
ここで、図８を用いて、軌道間距離に基づく番線検知方法を説明する。軌道４１に第１番線４４ａと第２番線４４ｂが存在する場合に、地上無線機３０から第１番線４４ａまでの軌道間距離をａ１、地上無線機３０から第２番線４４ｂまでの軌道間距離をａ２とする。番線検知部１８は、地図情報に含まれる軌道間距離ａ１，ａ２に基づいて、第１番線４４ａと第２番線４４ｂを判定するための番線判定閾値ａｔｈを設定する。
軌道間距離演算部１６ａは、上記実施の形態１で述べたように軌道間距離ａを算出し、番線検知部１８は、番線判定閾値ａｔｈにより軌道間距離ａを閾値判定し、列車４０が第１番線４４ａと第２番線４４ｂのどちらを走行しているか検知する。図８の例では、ａ≒ａ１＜ａｔｈとなるため、第１番線４４ａが走行番線になる。
以上より、この実施の形態２によれば、列車位置検知装置１は、電波到来角度演算部１４が演算した電波到来角度と地上無線機位置取得部１３が取得した地上無線機３０の設置位置と列車位置演算部１５が演算した列車位置とを用いて、地上無線機３０と列車４０が走行している軌道４１との間の軌道間距離を演算する軌道間距離演算部１６ａと、軌道間距離演算部１６ａが演算した軌道間距離を用いて、列車４０が走行している軌道４１の番線を検知する番線検知部１８とを備える構成にした。従来は、軌道間距離を設定する必要があり走行番線を検知することができなかったが、実施の形態２では走行番線を検知できるため、複線軌道への対応が可能となる。
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１で述べた電波到来角度演算部１４で電波到来角度を演算する方式としてモノパルス測角方式を採用した場合に、電波到来角度を高精度に演算する構成を説明する。
図９は、この発明の実施の形態３に係る列車位置検知装置１を用いた列車位置検知システムのうち、主要部の構成例を示すブロック図である。図９において、アンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、受信部１２、電波到来角度演算部１４−１および補正量演算部１６以外の車上無線機１０の構成は、図２と同一であるため、図示を省略する。
実施の形態３の車上無線機１０は、アレイアンテナ１１として、３本のアンテナ１１ａ（第１のアンテナ）、アンテナ１１ｂ（第２のアンテナ）、およびアンテナ１１ｃ（第３のアンテナ）を備えている。３本のアンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、列車４０の進行方向と平行な直線上に一列に整列したリニアアレイアンテナを構成している。アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂの間隔ｄ１と、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｃの間隔ｄ２には、ｄ１＜ｄ２の関係がある。具体的には、受信信号の波長をλとしたとき、ｄ１＝λ／２、ｄ２＝２λ／３の関係がある。
電波到来角度演算部１４−１は、下式（６）から導かれる式（７）を用い、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂで受信した受信信号およびアンテナ１１ａとアンテナ１１ｂの間隔ｄ１に基づき電波到来角度θ１を演算する。
φ１＝ｋ×ｄ１×ｓｉｎθ１ （６）
θ１＝ｓｉｎ−１（φ１／（ｋ×ｄ１）） （７）
ここで、φ１は、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂで受信した受信信号の位相角差、ｋは波数、θ１は第１の電波到来角度である。
また、電波到来角度演算部１４−１は、下式（８）から導かれる式（９）を用い、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｃで受信した受信信号およびアンテナ１１ａとアンテナ１１ｃの間隔ｄ２に基づき電波到来角度θ２を演算する。
φ２＝ｋ×ｄ２×ｓｉｎθ２ （８）
θ２＝ｓｉｎ−１（φ２／（ｋ×ｄ２） （９）
ここで、φ２は、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｃで受信した受信信号の位相角差、ｋは波数、θ２は第２の電波到来角度である。
電波到来角度θ１，電波到来角度θ２が同じにもかかわらず、式（８）で計測される位相角差φ２は、式（６）で計測される位相角差φ１よりも、ｄ２／ｄ１倍大きくなる。また、位相角差は±１８０度の範囲でしか計測できず、それ以上の位相角差には±１８０度の不確定性が含まれる。
計測する電波到来角度の範囲、つまりダイナミックレンジは、間隔ｄ１の方が間隔ｄ２よりも広い。逆に、計測する電波到来角度の分解能は、間隔ｄ２の方が間隔ｄ１よりも高い。このように、ダイナミックレンジと分解能はトレードオフの関係となる。
次に、電波到来角度演算部１４−１が出力する電波到来角度について説明する。
電波到来角度演算部１４−１は、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂを用いて演算した電波到来角度θ１が、補正量演算部１６により列車位置補正量の演算が実施される予め定められた角度（例えば、±４５度）の範囲外である場合、電波到来角度θ１を補正量演算部１６へ出力する。
また、電波到来角度演算部１４−１は、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｃを用いて演算した電波到来角度θ２が、補正量演算部１６により列車位置補正量の演算が実施される予め定められた角度（例えば、±４５度）の範囲内である場合、電波到来角度θ２を補正量演算部１６へ出力する。
アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂの間隔ｄ１は、電波到来角度のダイナミックレンジが±９０度以上となる間隔に設定されているものとする。他方、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｃの間隔ｄ２は、電波到来角度のダイナミックレンジが±９０度以下、かつ、上記予め定められた角度（例えば、±４５度）以上となる間隔に設定されているものとする。これにより、補正量演算部１６が演算に用いる電波到来角度の精度が向上し、列車位置補正量演算部１６ｂと軌道間距離演算部１６ａにより演算される列車位置補正量と軌道間距離の精度も向上する。
上述した予め定められた角度（例えば、±４５度）とは、実施の形態１で説明したように、列車４０が地上無線機３０付近の軌道４１上に存在するときに相当し、軌道間距離演算部１６ａと列車位置補正量演算部１６ｂが軌道間距離と列車位置補正量の演算を実施するときに相当する。
図９に示した電波到来角度演算部１４−１は、アンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃで受信した信号を同時に受け取り、電波到来角度θ１，θ２を演算したが、アンテナ１１ｂとアンテナ１１ｃをスイッチで切り替えて、アンテナ１１ａ，１１ｂの位相角差とアンテナ１１ａ，１１ｃの位相角差を異なるタイミングで算出してもよい。
以下、車上無線機１０がアンテナ１１ｂとアンテナ１１ｃを切り替えるスイッチ１９を備えた変形例を説明する。図１０は、実施の形態３に係る列車位置検知装置１を用いた列車位置検知システムのうち、主要部の変形例を示すブロック図である。図１０において、スイッチ１９、アンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、受信部１２、電波到来角度演算部１４−２および補正量演算部１６以外の車上無線機１０の構成は、図２と同一であるため、図示を省略する。
図１０において、電波到来角度演算部１４−２は、スイッチ１９に対してスイッチ制御信号を出力する。図１０の車上無線機１０においては、アンテナ１１ｂと受信部１２を接続する制御と、受信部１２とアンテナ１１ｃを接続する制御の２通りの制御状態が存在し、この２通りの制御状態は、スイッチ制御信号により切り替わる。
スイッチ１９は、電波到来角度演算部１４−２が出力したスイッチ制御信号に従って、アンテナ１１ｂ，１１ｃと受信部１２との接続状態を切り替える。
電波到来角度演算部１４−２は、アンテナ１１ｂと受信部１２が接続されているとき、上式（６）から導かれる式（７）を用い、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂで受信した受信信号およびアンテナ１１ａとアンテナ１１ｂの間隔ｄ１に基づき電波到来角度θ１を演算する。
また、電波到来角度演算部１４−２は、アンテナ１１ｃと受信部１２が接続されているとき、上式（８）から導かれる式（９）を用い、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｃで受信した受信信号およびアンテナ１１ａとアンテナ１１ｃの間隔ｄ２に基づき電波到来角度θ２を演算する。
次に、電波到来角度演算部１４−２がスイッチ１９の接続を切り替える方法について説明する。
電波到来角度演算部１４−２は、まず、アンテナ１１ｂと受信部１２が接続するように、スイッチ１９にスイッチ制御信号を出力する。そして、電波到来角度演算部１４−２は、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂを用いて、電波到来角度θ１を演算する。電波到来角度演算部１４−２は、演算した電波到来角度θ１が、補正量演算部１６により列車位置補正量の演算が実施される予め定められた角度（例えば、±４５度）の範囲外である場合、この電波到来角度θ１を補正量演算部１６へ出力する。一方、電波到来角度演算部１４−２は、演算した電波到来角度θ１が、補正量演算部１６により列車位置補正量の演算が実施される予め定められた角度（例えば、±４５度）の範囲内である場合、この電波到来角度θ１を補正量演算部１６へ出力せず、アンテナ１１ｃと受信部１２が接続するようにスイッチ１９にスイッチ制御信号を出力する。
電波到来角度演算部１４−２は、アンテナ１１ｃと受信部１２が接続するようにスイッチ１９にスイッチ制御信号を出力した後、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｃを用いて、電波到来角度θ２を演算する。電波到来角度演算部１４−２は、演算した電波到来角度θ２が、補正量演算部１６により列車位置補正量の演算が実施される予め定められた角度（例えば、±４５度）の範囲内である場合、この電波到来角度θ２を補正量演算部１６へ出力する。一方、電波到来角度演算部１４−２は、演算した電波到来角度θ２が、補正量演算部１６により列車位置補正量の演算が実施される予め定められた角度（例えば、±４５度）の範囲外である場合、この電波到来角度θ２を補正量演算部１６へ出力せず、アンテナ１１ｂと受信部１２が接続するようにスイッチ１９にスイッチ制御信号を出力する。
以上より、実施の形態３によれば、車上無線機１０は、列車４０の進行方向に沿った直線上にアンテナ１１ａ，１１ｂ，１１ｃを備える。列車４０の軌道と直交する方向から電波が到来したときの電波到来角度を０度とした場合に、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂの間隔ｄ１は、モノパルス測角する際の電波到来角度のダイナミックレンジが±９０度となるように設置され、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｃの間隔ｄ２は、当該ダイナミックレンジが、補正量演算部１６により列車位置補正量の演算が実施される予め定められた角度となるように設置されている。電波到来角度演算部１４−１，１４−２は、モノパルス測角により、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｂを用いて電波到来角度θ１を演算し、アンテナ１１ａとアンテナ１１ｃを用いて電波到来角度θ２を演算し、電波到来角度θ１が前記予め定められた角度内である場合に電波到来角度θ２を出力し、それ以外の場合は電波到来角度θ１を出力する構成である。これにより、電波到来角度演算部１４−１，１４−２は高精度な電波到来角度を演算することができる。
なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
この発明に係る列車位置検知装置は、地上子の位置および軌道間距離の情報を用いることなく列車の位置を検知するようにしたので、特に地上子が設置されていない軌道上を走行する列車の位置を検知する列車位置検知装置などに用いるのに適している。
１ 列車位置検知装置、２ 受信装置、３ メモリ、４ プロセッサ、１０ 車上無線機、１１ アレイアンテナ、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ アンテナ、１２ 受信部、１３ 地上無線機位置取得部、１４，１４−１，１４−２ 電波到来角度演算部、１５ 列車位置演算部、１６ 補正量演算部、１６ａ 軌道間距離演算部、１６ｂ 列車位置補正量演算部、１７ 列車位置補正部、１８ 番線検知部、１９ スイッチ、２０ 速度発電機、３０ 地上無線機、３１ アンテナ、３２ 増幅部、３３ 信号生成部、４０，４０ａ，４０ｂ 列車、４１，４１ａ，４１ｂ 軌道、４２ 電柱、４３ａ，４３ｂ 接線、４４ａ 第１番線、４４ｂ 第２番線。

Claims (6)

  1. 地上に設置された地上無線機が設置位置の情報を含む送信信号を電波として放射し、列車に搭載された車上無線機が前記電波を受信して取り出した受信信号を用いて、前記列車の位置を検知する列車位置検知装置であって、
    前記受信信号に基づいて電波到来角度を演算する電波到来角度演算部と、
    前記地上無線機の設置位置の情報を前記受信信号から取得する地上無線機位置取得部と、
    前記列車の移動距離に基づいて列車位置を演算する列車位置演算部と、
    前記電波到来角度演算部が演算した電波到来角度、前記地上無線機位置取得部が取得した前記地上無線機の設置位置、および前記列車位置演算部が演算した列車位置を用いて、当該列車位置を補正する列車位置補正量を演算する列車位置補正量演算部と、
    前記列車位置補正量演算部が演算した列車位置補正量を用いて前記列車位置演算部が演算した列車位置を補正する列車位置補正部とを備え、
    前記列車位置補正量演算部は、前記列車が前記軌道上の複数の地点を走行するときに演算された同一の前記地上無線機に関する複数組の前記電波到来角度および前記列車位置を用いて、前記列車位置補正量を演算することを特徴とする列車位置検知装置。
  2. 前記列車位置補正量演算部は、前記電波到来角度と、前記列車位置から前記地上無線機の設置位置までの距離との間の関係を表す近似直線を求め、当該近似直線の切片の値を前記列車位置補正量と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. 地上に設置された地上無線機が設置位置の情報を含む送信信号を電波として放射し、列車に搭載された車上無線機が前記電波を受信して取り出した受信信号を用いて、前記列車の位置を検知する列車位置検知装置であって、
    前記受信信号に基づいて電波到来角度を演算する電波到来角度演算部と、
    前記地上無線機の設置位置の情報を前記受信信号から取得する地上無線機位置取得部と、
    前記列車の移動距離に基づいて列車位置を演算する列車位置演算部と、
    前記電波到来角度演算部が演算した電波到来角度、前記地上無線機位置取得部が取得した前記地上無線機の設置位置、および前記列車位置演算部が演算した列車位置を用いて、当該列車位置を補正する列車位置補正量を演算する列車位置補正量演算部と、
    前記列車位置補正量演算部が演算した列車位置補正量を用いて前記列車位置演算部が演算した列車位置を補正する列車位置補正部と、
    前記電波到来角度演算部が演算した電波到来角度、前記地上無線機位置取得部が取得した前記地上無線機の設置位置、および前記列車位置演算部が演算した列車位置を用いて、前記地上無線機と前記列車が走行している軌道との間の軌道間距離を演算する軌道間距離演算部と、
    前記軌道間距離演算部が演算した軌道間距離を用いて、前記列車が走行している前記軌道の番線を検知する番線検知部とを備えることを特徴とする列車位置検知装置。
  4. 前記軌道間距離演算部は、前記列車が前記軌道上の複数の地点を走行するときに演算された同一の前記地上無線機に関する複数組の前記電波到来角度および前記列車位置を用いて、前記軌道間距離を演算することを特徴とする請求項３記載の列車位置検知装置。
  5. 前記軌道間距離演算部は、前記電波到来角度と、前記列車位置から前記地上無線機の設置位置までの距離との間の関係を表す近似直線を求め、当該近似直線の傾きの値を前記軌道間距離とすることを特徴とする請求項４記載の列車位置検知装置。
  6. 地上に設置された地上無線機が設置位置の情報を含む送信信号を電波として放射し、列車に搭載された車上無線機が前記電波を受信して取り出した受信信号を用いて、前記列車の位置を検知する列車位置検知装置であって、
    前記受信信号に基づいて電波到来角度を演算する電波到来角度演算部と、
    前記地上無線機の設置位置の情報を前記受信信号から取得する地上無線機位置取得部と、
    前記列車の移動距離に基づいて列車位置を演算する列車位置演算部と、
    前記電波到来角度演算部が演算した電波到来角度、前記地上無線機位置取得部が取得した前記地上無線機の設置位置、および前記列車位置演算部が演算した列車位置を用いて、当該列車位置を補正する列車位置補正量を演算する列車位置補正量演算部と、
    前記列車位置補正量演算部が演算した列車位置補正量を用いて前記列車位置演算部が演算した列車位置を補正する列車位置補正部とを備え、
    前記車上無線機は、前記列車の進行方向に沿った直線上に第１のアンテナ、第２のアンテナおよび第３のアンテナを備え、前記列車の軌道と直交する方向から電波が到来したときの電波到来角度を０度とした場合に、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナの間隔は、モノパルス測角する際の電波到来角度のダイナミックレンジが±９０度となるように設置され、前記第１のアンテナと前記第３のアンテナの間隔は、当該ダイナミックレンジが、前記列車位置補正量演算部により列車位置補正量の演算が実施される予め定められた角度となるように設置されているものであって、
    前記電波到来角度演算部は、モノパルス測角により、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナを用いて第１の電波到来角度を演算し、前記第１のアンテナと前記第３のアンテナを用いて第２の電波到来角度を演算し、前記第１の電波到来角度が前記予め定められた角度内である場合に前記第２の電波到来角度を出力し、それ以外の場合は前記第１の電波到来角度を出力することを特徴とする列車位置検知装置。
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