JPWO2015104876A1 - 列車位置検知装置 - Google Patents
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Abstract
位置検知部１３０は、受信部１２０が出力した複数の受信信号から算出したドップラ周波数の比に基づいて移動無線機１００における複数のアンテナ１１０ａ，１１０ｂの固定無線機２００に対する相対位置を算出する。列車位置検知部１４０は、算出した相対位置と固定無線機２００の設置位置と複数のアンテナ１１０ａ，１１０ｂの列車における設置位置とから列車の位置を算出する。
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し、特に、列車の定点位置を検知する構成に関するものである。
列車の軌道脇に設置され、所定の電波として放射する固定無線機からの電波を受信することで、列車の位置を検知するようにしたものとして、例えば特許文献１に記載されるような装置があった。この装置は、車両の前部に設けられたアンテナにより受信された電波のドップラ周波数と、車両の後部に設けられたアンテナにより受信された電波のドップラ周波数との差に応じて車両が所定位置に到来したことを検出するようにしたものである。
上記のように、従来の装置では、２本のアンテナで受信した信号のドップラ周波数を計測し、両者に差が生じると真横を通過したと判定する。しかしながら、ドップラ周波数差が生じている時間には、微小時間Δｔだけ幅が存在するため、通過判定した際に走行速度Ｖ×Δｔだけの誤差が発生する。これにより、基地局の「真横近辺」を通過したことは検知できても、「真横」そのものを検知することができないという問題があった。
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、高精度で列車位置を求めることのできる列車位置検知装置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、軌道上を走行する列車に所定のアンテナ間隔を有して複数のアンテナが設置され、複数のアンテナを介して、列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅または位相を持つ送信信号を電波として放射する固定無線機からの電波をそれぞれ受信信号として取り出す受信部と、複数の受信信号から算出したドップラ周波数の比から複数のアンテナの固定無線機に対する相対位置を算出する位置検知部と、相対位置と固定無線機の設置位置と複数のアンテナの列車における設置位置とから列車の位置を算出する列車位置検知部とを備えたものである。
この発明の列車位置検知装置は、複数の受信信号から算出したドップラ周波数の比に基づいて複数のアンテナの固定無線機に対する相対位置を算出し、この相対位置によって列車の位置を算出するようにしたので、高精度で列車位置を求めることができる。
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による列車位置検知装置を示す構成図である。
図１に示すように、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からなる構成に適用されるものである。移動無線機１００は所定の間隔で設置された第１のアンテナ１１０ａと第２のアンテナ１１０ｂ、受信部１２０、位置検知部１３０、列車位置検知部１４０を備えている。位置検知部１３０は、ドップラ周波数演算部１３１と移動無線機位置演算部１３２とを備えている。列車位置検知部１４０は、通過判定部１４１と列車位置演算部１４２とを備えている。固定無線機２００は、アンテナ２１０と送信部２２０と信号生成部２３０とを備えている。
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を示す構成図である。
図１に示すように、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からなる構成に適用されるものである。移動無線機１００は所定の間隔で設置された第１のアンテナ１１０ａと第２のアンテナ１１０ｂ、受信部１２０、位置検知部１３０、列車位置検知部１４０を備えている。位置検知部１３０は、ドップラ周波数演算部１３１と移動無線機位置演算部１３２とを備えている。列車位置検知部１４０は、通過判定部１４１と列車位置演算部１４２とを備えている。固定無線機２００は、アンテナ２１０と送信部２２０と信号生成部２３０とを備えている。
ここで、受信部１２０は、固定無線機２００から送信された電波をアンテナ１１０ａ，１１０ｂで受信し、これを２つの受信信号として出力する処理部である。位置検知部１３０は、受信部１２０から出力された複数の受信信号に基づいて算出したドップラ周波数の比と、固定無線機２００と軌道間の距離と、アンテナ１１０ａ，１１０ｂの設置間隔とに基づいて移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置を算出する処理部である。すなわち、位置検知部１３０は、ドップラ周波数の比が負となることを検知することで、移動無線機１００が固定無線機２００の真横付近に存在することを検知し、真横付近に存在することを検知した場合に、移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置を出力する。
列車位置検知部１４０は、位置検知部１３０から出力された移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置を受けて、移動無線機１００が固定無線機２００の真横付近に存在することを判定し、移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置と、固定無線機の設置位置と、移動無線機１００の列車における設置位置とから列車の位置を算出する処理部である。
列車位置検知部１４０は、位置検知部１３０から出力された移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置を受けて、移動無線機１００が固定無線機２００の真横付近に存在することを判定し、移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置と、固定無線機の設置位置と、移動無線機１００の列車における設置位置とから列車の位置を算出する処理部である。
ここで、移動無線機１００が固定無線機２００の真横付近に存在するとは、固定無線機２００の位置が、アンテナ１１０ａ、１１０ｂの間に位置することを意味する。言い換えると、アンテナ１１０ａ、１１０ｂのいずれか一方が固定無線機２００の真横を通過しており、他方が固定無線機２００の真横を通過していない状態を意味する。また、列車の位置とは、列車内の特定の個所の位置であり、例えば、列車制御に用いる列車の先頭位置を意味する。移動無線機１００は、列車の位置と一致するように設置するとは限らない。
次に、実施の形態１の列車位置検知装置の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２３０は所定の周波数、振幅あるいは位相をも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情報を送信信号として出力する。送信部２２０は送信信号を増幅器で電力増幅してアンテナ２１０へ出力する。アンテナ２１０は入力された送信信号を電波として放射する。
固定無線機２００において信号生成部２３０は所定の周波数、振幅あるいは位相をも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情報を送信信号として出力する。送信部２２０は送信信号を増幅器で電力増幅してアンテナ２１０へ出力する。アンテナ２１０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のある場所に在線していると、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の第１のアンテナ１１０ａで受信され第１の受信電波として受信部１２０へ出力される。また、移動無線機１００の第２のアンテナ１１０ｂで受信され第２の受信電波として受信部１２０へ出力される。ここで、第１のアンテナ１１０ａと第２のアンテナ１１０ｂは、列車の進行方向と略並行に所定の間隔で配置した構成とする。所定の間隔として例えば２ｍがある。すなわち、これらアンテナ１１０ａ，１１０ｂは、移動無線機１００が固定無線機２００の真横付近に存在する場合に、算出されるドップラ周波数が共にゼロとなることがないように所定の区間以上に離隔して設置されている。
受信部１２０では、第１の受信電波から固定無線機２００からの電波を取り出して第１の受信信号として位置検知部１３０のドップラ周波数演算部１３１へ出力する。同様に第２の受信電波から固定無線機２００からの電波を取り出して第２の受信信号としてドップラ周波数演算部１３１へ出力する。ドップラ周波数演算部１３１は、入力された受信信号に基づいて列車の移動に伴って発生するドップラ周波数を演算し、算出したドップラ周波数を移動無線機位置演算部１３２に出力する。第１の受信信号から第１のドップラ周波数を算出し、第２の受信信号からは第２のドップラ周波数を算出する。具体的には、図２を用いて固定無線機２００から周波数ｆの連続波を送信した場合について説明する。
送信される電波の周波数をｆ、電波の速度ｃ、列車の移動速度ｖ、列車の移動方向と第１のアンテナ１１０ａに到来する電波の到来方向がなす角度をθ1、第２のアンテナ１１０ｂに到来する電波の到来方向がなす角度をθ2としたときに得られるドップラ周波数はそれぞれ次式となる。
ｆd1＝ｖ×ｃｏｓθ1×ｆ÷ｃ
ｆd2＝ｖ×ｃｏｓθ2×ｆ÷ｃ
受信信号を周波数ｆでＩＱ検波して得られたＩＱ信号を複素ＦＦＴ演算してｆd1およびｆd2を算出する。
ｆd1＝ｖ×ｃｏｓθ1×ｆ÷ｃ
ｆd2＝ｖ×ｃｏｓθ2×ｆ÷ｃ
受信信号を周波数ｆでＩＱ検波して得られたＩＱ信号を複素ＦＦＴ演算してｆd1およびｆd2を算出する。
移動無線機１００が固定無線機２００に接近する際は、ドップラ周波数が正となる。逆に移動無線機１００が固定無線機２００から離反する際は、ドップラ周波数が負となる。
ｆd1とｆd2のドップラ周波数から移動無線機１００と固定無線機２００の位置関係は図２に示すように３通り存在する。図２の領域ａのようにｆd1とｆd2が共に正の時、第１のアンテナ１１０ａと第２のアンテナ１１０ｂは共に固定無線機２００に接近し、図２の領域ｃのように共に負となる時、共に離反している。ｆd1とｆd2の一方が正で他方が負となる場合、第１のアンテナ１１０ａと第２のアンテナ１１０ｂ間に固定無線機２００のアンテナ２１０が存在する（図２の領域ｂ）。
ｆd1とｆd2のドップラ周波数から移動無線機１００と固定無線機２００の位置関係は図２に示すように３通り存在する。図２の領域ａのようにｆd1とｆd2が共に正の時、第１のアンテナ１１０ａと第２のアンテナ１１０ｂは共に固定無線機２００に接近し、図２の領域ｃのように共に負となる時、共に離反している。ｆd1とｆd2の一方が正で他方が負となる場合、第１のアンテナ１１０ａと第２のアンテナ１１０ｂ間に固定無線機２００のアンテナ２１０が存在する（図２の領域ｂ）。
図２の領域ｂにおいて、ドップラ周波数の比が負となるとき、移動無線機位置演算部１３２では、入力されたドップラ周波数に基づいて固定無線機２００に対する移動無線機１００の相対位置を演算し、ドップラ周波数の比と移動無線機の相対位置を列車位置検知部１４０へ出力する。
図３に示すように、移動無線機１００が固定無線機２００の真横を通過する軌跡が直線で軌道の矢印方向を列車の進行方向とする。固定無線機２００と軌道の距離をｙ、固定無線機２００から軌道へ下ろした垂線と第１のアンテナ１１０ａと第２のアンテナ１１０ｂをつないだ直線の交点を移動無線機１００の相対位置ｘとする。第１のアンテナ１１０ａと第２のアンテナ１１０ｂの間隔をＬとする。図において、距離ｙとｘとＬとドップラ周波数との関係は次式の関係が得られ、その関係は図４に示すように一対一となる。よって、予め作成したテーブルを参照することで移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置ｘが算出される。
ドップラ周波数比が−１になるとき、相対位置ｘはＬ／２となる。
通過判定部１４１は、ドップラ周波数の比が負となることで、図２の領域ｂ内に存在することを判定し、判定信号を列車位置演算部１４２へ出力する。列車位置演算部１４２は、判定信号が入力されると、固定無線機２００の設置位置と、移動無線機１００の列車における設置位置と、移動無線機の固定無線機に対する相対位置ｘとに基づいて列車位置を演算し、算出した列車位置を出力する。具体的には、固定無線機２００が設置されているキロ程情報に移動無線機１００の列車における搭載位置を補正して、列車位置を算出する。演算に用いる固定無線機２００位置、距離ｙ、移動無線機１００設置位置の取得方法について以下説明する。
固定無線機２００の位置と距離ｙは予め既知の定数として保持してもよいし、固定無線機２００で保持して送信信号の電波に付加して無線伝送してもよい。移動無線機１００は受信した固定無線機２００の位置、ｙを用いて移動無線機位置および列車位置の演算に用いることになる。また、これらの情報は図示しないデータベース上で保持して、固定無線機２００から固有の固有無線機ＩＤを付与してデータベースを参照しても良い。
図５は列車位置検知装置の適用例を示す。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が軌道脇の電架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。列車は、自車の移動距離を例えば速度発電機を用いて計測し、常に基準位置からの移動距離を算出することで自車位置を検知している。速度発電機は車輪の回転数をカウントし車輪の円周長を乗算することで移動距離を算出する。
車輪の空転滑走により移動距離に積算誤差が生じる。本装置はその測定誤差を補正するために利用する。
車輪の空転滑走により移動距離に積算誤差が生じる。本装置はその測定誤差を補正するために利用する。
以上説明したように、実施の形態１の列車位置検知装置によれば、軌道上を走行する列車に所定のアンテナ間隔を有して複数のアンテナが設置され、複数のアンテナを介して、列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅または位相を持つ送信信号を電波として放射する固定無線機からの電波をそれぞれ受信信号として取り出す受信部と、複数の受信信号から算出したドップラ周波数の比から複数のアンテナの固定無線機に対する相対位置を算出する位置検知部と、相対位置と固定無線機の設置位置と複数のアンテナの列車における設置位置とから列車の位置を算出する列車位置検知部とを備えたので、高精度に列車位置を検知することができる。
列車が高速で移動している場合、移動無線機が固定無線機の真横に位置する時間は非常に短く、移動無線機が固定無線機の真横を通過する瞬間を正確に検知することは困難となる。特に、送信信号が間欠的に放射される場合には、真横を通過した瞬間を正確に検知することは困難となる。本実施の形態の列車位置検知装置によれば、複数のアンテナの固定無線機に対する相対位置を算出し、算出した相対位置と、固定無線機の設置位置と、複数のアンテナの列車における設置位置とから列車の位置を算出するので、高精度に列車位置を検知することができる。
また、実施の形態１の列車位置検知装置によれば、複数のアンテナを備える移動無線機が固定無線機の真横付近に存在することを検知した場合に、複数のアンテナの固定無線機に対する相対位置を算出する。複数のアンテナが固定無線機の真横付近に存在する場合には、複数のアンテナの固定無線機に対する相対位置の変化に対して、ドップラ周波数の比の変化が比較的大きくなるため、複数のアンテナの固定無線機に対する相対位置を精度良く求めることができる。
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１で説明した移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置ｘの時間変化を用いて列車の移動速度を算出するようにしたものである。
図６は、実施の形態２による列車位置検知装置の構成図である。実施の形態２では、移動無線機１００ａの位置検知部１３０ａが速度演算部１３３を備え、算出した相対位置の時間変化により列車の移動速度を算出するよう構成されている。その他の構成は図１に示した実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
実施の形態２は、実施の形態１で説明した移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置ｘの時間変化を用いて列車の移動速度を算出するようにしたものである。
図６は、実施の形態２による列車位置検知装置の構成図である。実施の形態２では、移動無線機１００ａの位置検知部１３０ａが速度演算部１３３を備え、算出した相対位置の時間変化により列車の移動速度を算出するよう構成されている。その他の構成は図１に示した実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
移動無線機位置演算部１３２で算出した移動無線機１００ａの位置ｘは速度演算部１３３および通過判定部１４１へ出力する。
速度演算部１３３は、位置ｘの時間Δｔあたりの変化量Δｘから次式を用いて列車の移動速度ｖを算出し出力する。
ｖ＝Δｘ／Δｔ
速度演算部１３３は、位置ｘの時間Δｔあたりの変化量Δｘから次式を用いて列車の移動速度ｖを算出し出力する。
ｖ＝Δｘ／Δｔ
以上説明したように、実施の形態２の列車位置検知装置によれば、位置検知部は、相対位置の時間変化により列車の移動速度を算出するようにしたので、高精度で列車の移動速度を求めることができ、算出した速度値を用いて、列車に搭載した速度センサの健全性の診断等を行うことができる。
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１の移動無線機位置演算部１３２と通過判定部１４１をより簡易な装置構成で実現する例である。実施の形態１では、移動無線機１００が固定無線機２００の真横付近に存在することを検知しており、移動無線機１００のアンテナ間隔Ｌの中の任意の位置ｘから列車の位置検知を実施していたが、実施の形態３ではドップラ周波数の比が−１となることを検知して通過判定を実施するものである。
実施の形態３は、実施の形態１の移動無線機位置演算部１３２と通過判定部１４１をより簡易な装置構成で実現する例である。実施の形態１では、移動無線機１００が固定無線機２００の真横付近に存在することを検知しており、移動無線機１００のアンテナ間隔Ｌの中の任意の位置ｘから列車の位置検知を実施していたが、実施の形態３ではドップラ周波数の比が−１となることを検知して通過判定を実施するものである。
図７は、実施の形態３による列車位置検知装置の構成図である。図において、移動無線機１００ｂは、受信部１２０、位置検知部１３０ｂおよび列車位置検知部１４０ａを備えている。位置検知部１３０ｂはドップラ周波数演算部１３１を備え、列車位置検知部１４０ａは、通過判定部１４１ａと列車位置演算部１４２を備えている。ドップラ周波数演算部１３１は実施の形態１のドップラ周波数演算部１３１と同様の構成であり、複数のドップラ周波数を出力する。通過判定部１４１ａは、ドップラ周波数の比が−１となることで移動無線機１００ｂが固定無線機２００の真横を通過したと判定する。列車位置演算部１４２は、実施の形態１の列車位置演算部１４２と同様に、固定無線機２００の設置位置と移動無線機１００ｂの列車における設置位置から列車の位置を算出するよう構成されている。
その他の構成は図１に示した実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
その他の構成は図１に示した実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
次に、実施の形態３の列車位置検知装置の動作について説明する。
位置検知部１３０ｂのドップラ周波数演算部１３１で算出したドップラ周波数は列車位置検知部１４０ａの通過判定部１４１ａへ出力される。通過判定部１４１ａは、ドップラ周波数比が−１となることを検知して真横を通過したと判定し、その判定信号を列車位置演算部１４２へ出力する。具体的にはドップラ周波数比が−１となるとき常にｘ＝Ｌ／２となる。列車位置演算部１４２は、判定信号が入力されると、固定無線機２００の設置位置と移動無線機１００ｂの列車における設置位置に基づいて列車位置を演算し、算出した列車位置を出力する。
位置検知部１３０ｂのドップラ周波数演算部１３１で算出したドップラ周波数は列車位置検知部１４０ａの通過判定部１４１ａへ出力される。通過判定部１４１ａは、ドップラ周波数比が−１となることを検知して真横を通過したと判定し、その判定信号を列車位置演算部１４２へ出力する。具体的にはドップラ周波数比が−１となるとき常にｘ＝Ｌ／２となる。列車位置演算部１４２は、判定信号が入力されると、固定無線機２００の設置位置と移動無線機１００ｂの列車における設置位置に基づいて列車位置を演算し、算出した列車位置を出力する。
以上説明したように、実施の形態３の列車位置検知装置によれば、軌道上を走行する列車に所定のアンテナ間隔を有して複数のアンテナが設置され、複数のアンテナを介して、列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅または位相を持つ送信信号を電波として放射する固定無線機からの電波をそれぞれ受信信号として取り出す受信部と、複数の受信信号から算出したドップラ周波数を算出する位置検知部と、ドップラ周波数の比が−１となることで複数のアンテナが固定無線機の真横を通過したと判定し、固定無線機の設置位置と複数のアンテナの列車における設置位置から列車の位置を算出する列車位置検知部とを備えたので、固定無線機に対する移動無線機の相対位置ｘを詳細に演算する必要がなくなりより簡易な装置構成で列車位置検知を実現できる。
実施の形態４．
実施の形態１〜実施の形態３は、列車の移動方位と移動無線機のアンテナ配列の方位が略並行に設置できた場合について説明した。しかしながら、常に列車移動方位とアンテナ配列の方位が略並行に設置できているとは限らない。列車移動方位とアンテナ配列方位がなす角度を取付角度（ヨー角）とする。図８に取付角度がゼロでない場合の移動無線機の位置検知について示す。図中の破線で描画された部分は、移動無線機のアンテナ配列の方位と列車の移動方位が一致している場合に、二つのアンテナで受信した信号のドップラ周波数比が−１となったときの、固定無線機と移動無線機の関係を示しており、実線で描画された部分は、取付角度がゼロでない場合に、二つのアンテナで受信した信号のドップラ周波数比が−１となったときの固定無線機と移動無線機の関係を示している。取付角度によって、ドップラ周波数比が−１となる固定無線機に対する移動無線機位置が異なるため、移動無線機位置検知誤差が発生するという問題がある。実施の形態４では、この問題を解決するための形態である。
実施の形態１〜実施の形態３は、列車の移動方位と移動無線機のアンテナ配列の方位が略並行に設置できた場合について説明した。しかしながら、常に列車移動方位とアンテナ配列の方位が略並行に設置できているとは限らない。列車移動方位とアンテナ配列方位がなす角度を取付角度（ヨー角）とする。図８に取付角度がゼロでない場合の移動無線機の位置検知について示す。図中の破線で描画された部分は、移動無線機のアンテナ配列の方位と列車の移動方位が一致している場合に、二つのアンテナで受信した信号のドップラ周波数比が−１となったときの、固定無線機と移動無線機の関係を示しており、実線で描画された部分は、取付角度がゼロでない場合に、二つのアンテナで受信した信号のドップラ周波数比が−１となったときの固定無線機と移動無線機の関係を示している。取付角度によって、ドップラ周波数比が−１となる固定無線機に対する移動無線機位置が異なるため、移動無線機位置検知誤差が発生するという問題がある。実施の形態４では、この問題を解決するための形態である。
図９は、実施の形態４による列車位置検知装置の構成図である。図示のように、実施の形態４の列車位置検知装置は、列車に搭載される移動無線機１００ｃと軌道脇に設置される固定無線機２００からなる構成に適用されるものである。ここで、固定無線機２００の構成については実施の形態１〜３と同様であるため、ここでの説明は省略する。
移動無線機１００ｃは、所定の間隔で設置された３つのアンテナ（第１のアンテナ３１０ａ，第２のアンテナ３１０ｂ，第３のアンテナ３１０ｃ）、受信部３２０、ドップラ周波数演算部３３０、列車位置検知部３４０、列車速度センサ４００を備えている。受信部３２０は、第１のアンテナ３１０ａ〜第３のアンテナ３１０ｃで受信した固定無線機２００からの電波をそれぞれ受信信号として出力する処理部である。ドップラ周波数演算部３３０は、受信部３２０で取り出されたそれぞれの受信信号から３つのドップラ周波数を算出する演算部である。列車位置検知部３４０は、ドップラ周波数演算部３３０が算出した３つ以上のドップラ周波数に基づいて列車位置を求めるもので、通過判定部３４１、取付角度補正演算部３４２、移動無線機位置演算部３４３、列車位置演算部３４４を備えている。
通過判定部３４１は、ドップラ周波数演算部３３０で算出した３つのドップラ周波数を用い、複数のドップラ周波数の比が−１となることを検知して、３つのアンテナのうちのいずれか２つのアンテナの固定無線機２００の真横通過を判定し、複数の通過判定信号を算出する処理部である。取付角度補正演算部３４２は、通過判定部３４１から出力された複数の通過判定信号と列車速度センサ４００で求められた列車の移動速度から、３つのアンテナを結ぶ直線の、列車進行方向に対する取付角度を算出する処理部である。移動無線機位置演算部３４３は、取付角度補正演算部３４２で求められた取付角度と、固定無線機２００と軌道間の距離と、アンテナ間隔とに基づいて移動無線機１００ｃの固定無線機２００に対する相対位置を算出する処理部である。列車位置演算部３４４は、固定無線機の設置位置と、移動無線機１００ｃの列車における設置位置と、移動無線機位置演算部３４３で求められた相対位置から列車の位置を算出する処理部である。
次に、実施の形態４の列車位置検知装置の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２３０は所定の周波数、振幅あるいは位相をも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情報を送信信号として出力する。送信部２２０は送信信号を増幅器で電力増幅してアンテナ２１０へ出力する。アンテナ２１０は入力された送信信号を電波として放射する。
固定無線機２００において信号生成部２３０は所定の周波数、振幅あるいは位相をも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情報を送信信号として出力する。送信部２２０は送信信号を増幅器で電力増幅してアンテナ２１０へ出力する。アンテナ２１０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のある場所に在線していると、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１００ｃの第１のアンテナ３１０ａで受信され、第１の受信電波として受信部１２０へ出力される。また、移動無線機１００ｃの第２のアンテナ３１０ｂで受信され、第２の受信電波として受信部３２０へ出力される。また、移動無線機１００ｃの第３のアンテナ３１０ｃで受信され、第３の受信電波として受信部３２０へ出力される。
図１０は、取付角度θで設置された移動無線機１００ｃが固定無線機２００の横を通過する様子を示す説明図である。
ここで、第１のアンテナ３１０ａと第２のアンテナ３１０ｂと第３のアンテナ３１０ｃは、それぞれ所定の間隔Ｌで直線配列に配置した構成である。また、移動無線機１００ｃが固定無線機２００へ接近、通過、離反する際、第３のアンテナ３１０ｃ、第２のアンテナ３１０ｂ、第１のアンテナ３１０ａの順番で固定無線機２００の真横を通過するものとする。図中では、移動無線機１００ｃの視点から描いており、固定無線機２００が移動無線機１００ｃに対して相対的に接近している。
ここで、第１のアンテナ３１０ａと第２のアンテナ３１０ｂと第３のアンテナ３１０ｃは、それぞれ所定の間隔Ｌで直線配列に配置した構成である。また、移動無線機１００ｃが固定無線機２００へ接近、通過、離反する際、第３のアンテナ３１０ｃ、第２のアンテナ３１０ｂ、第１のアンテナ３１０ａの順番で固定無線機２００の真横を通過するものとする。図中では、移動無線機１００ｃの視点から描いており、固定無線機２００が移動無線機１００ｃに対して相対的に接近している。
受信部３２０では第１の受信電波から、固定無線機２００から出力された電波を取り出して第１の受信信号としてドップラ周波数演算部３３０へ出力する。同様に第２の受信電波から、固定無線機２００から出力された電波を取り出して第２の受信信号としてドップラ周波数演算部３３０へ出力する。同様に第３の受信電波から固定無線機２００から出力された電波を取り出して第３の受信信号としてドップラ周波数演算部３３０へ出力する。
ドップラ周波数演算部３３０は、入力された受信信号に基づいて列車の移動に伴って発生するドップラ周波数を演算し、算出したドップラ周波数を列車位置検知部３４０に出力する。すなわち、ドップラ周波数演算部３３０は、第１の受信信号から第１のドップラ周波数を算出し、第２の受信信号からは第２のドップラ周波数を算出し、第３の受信信号からは第３のドップラ周波数を算出する。算出されたドップラ周波数は通過判定部３４１へ出力される。
通過判定部３４１は、第２のドップラ周波数と第３のドップラ周波数の比が−１となることを検知して第１の通過判定信号を取付角度補正演算部３４２へ出力する。また、第１のドップラ周波数と第３のドップラ周波数の比が−１となることを検知して第２の通過判定信号を取付角度補正演算部３４２へ出力する。
列車速度センサ４００は、列車の移動速度を計測し速度値Ｖを取付角度補正演算部３４２へ出力する。取付角度補正演算部３４２は、第１の通過判定信号が入力されてから第２の通過判定信号が入力されるまでの時間ｔを計測する。計測した時間ｔに速度値Ｖを乗算して通過判定位置間隔ｄを算出する。算出した通過判定位置間隔ｄより取付角度θを得る。
取付角度θは、移動無線機位置演算部３４３へ出力する。
取付角度θは、移動無線機位置演算部３４３へ出力する。
図１１は、通過判定位置間隔ｄと取付角度θの関係を示す説明図である。通過判定位置間隔ｄと取付角度θには一対一の関係がある。予め距離ｙ、２つのアンテナの間隔Ｌより対応表を作成し、テーブル参照により通過判定位置間隔ｄより取付角度θを得る。
移動無線機位置演算部３４３は、取付角度θが入力されると、移動無線機１００ｃの固定無線機２００に対する相対位置である第２の通過判信号を検知した際の移動無線機位置ｘを算出する。移動無線機位置ｘは、アンテナ間隔Ｌ、距離ｙ、取付角度θを用いて次式から算出される。
ｘ＝２Ｌ−（２Ｌ×（ｙ＋２Ｌｓｉｎθ）／（２ｙ＋２Ｌｓｉｎθ）
ｘ＝２Ｌ−（２Ｌ×（ｙ＋２Ｌｓｉｎθ）／（２ｙ＋２Ｌｓｉｎθ）
列車位置演算部３４４は、移動無線機位置と固定無線機２００の設置位置と移動無線機１００ｃの列車における設置位置に基づいて列車位置を演算し、算出した列車位置を出力する。
なお、上記実施の形態４では、アンテナを３本としたがこの本数に限定されるものではなく、４本以上であってもよい。また、上記例では、第１のドップラ周波数と第３のドップラ周波数の比、第２のドップラ周波数と第３のドップラ周波数の比としたが、ドップラ周波数比が２つ以上算出できるものであればどのような組合せであってもよい。
以上説明したように、実施の形態４の列車位置検知装置によれば、軌道上を走行する列車に、所定のアンテナ間隔を有して３つ以上のアンテナが設置され、これらのアンテナを介して、列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅または位相を持つ送信信号を電波として放射する固定無線機からの電波をそれぞれ受信信号として取り出す受信部と、受信部で取り出されたそれぞれの受信信号から３つ以上のドップラ周波数を算出するドップラ周波数演算部と、複数のドップラ周波数の比が−１となることを検知して、３つ以上のアンテナのうちのいずれか２つのアンテナの固定無線機の真横通過を判定し、複数の通過判定信号を算出する通過判定部と、複数の通過判定信号と列車の移動速度から、３つ以上のアンテナを結ぶ直線の、列車進行方向に対する取付角度を算出する取付角度補正演算部と、取付角度と、固定無線機と軌道間の距離と、アンテナ間隔とに基づいて３つ以上のアンテナの固定無線機に対する相対位置を算出する位置演算部と、固定無線機の設置位置と、３つ以上のアンテナの列車における設置位置と、相対位置とから列車の位置を算出する列車位置演算部とを備えたので、列車進行方向に対するアンテナ設置位置の取付角度の誤差を抑圧でき、更に高精度で列車速度を求めることができる。
実施の形態５．
実施の形態５は、実施の形態１で計測した移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置から、固定無線機２００から移動無線機１００へ到来する電波の到来角度を検知すると共に、検知した電波到来角度に基づいて列車の移動速度を検出する例である。
図１２は、実施の形態５の列車位置検知装置における位置検知部１３０ｃを示す構成図である。実施の形態５の位置検知部１３０ｃは、ドップラ周波数演算部１３１、移動無線機位置演算部１３２、電波到来角度演算部１３４、速度演算部１３３ａを備える。なお、列車位置検知装置におけるその他の構成は図１に示した実施の形態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。
実施の形態５は、実施の形態１で計測した移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置から、固定無線機２００から移動無線機１００へ到来する電波の到来角度を検知すると共に、検知した電波到来角度に基づいて列車の移動速度を検出する例である。
図１２は、実施の形態５の列車位置検知装置における位置検知部１３０ｃを示す構成図である。実施の形態５の位置検知部１３０ｃは、ドップラ周波数演算部１３１、移動無線機位置演算部１３２、電波到来角度演算部１３４、速度演算部１３３ａを備える。なお、列車位置検知装置におけるその他の構成は図１に示した実施の形態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。
次に、実施の形態５の列車位置検知装置の動作について説明する。
電波到来角度演算部１３４は、移動無線機位置演算部１３２で計測した移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置ｘが入力されると、固定無線機２００から放射した電波が移動無線機１００のアンテナ１１０ａと１１０ｂへそれぞれ到来した電波の到来角度θ１と電波の到来角度θ２をそれぞれ演算し、電波到来角度として速度演算部１３３ａへ出力する。
電波到来角度θ１とθ２は、相対位置ｘ、アンテナ１１０ａと１１０ｂの間隔Ｌ、固定無線機２００と軌道間の距離ｙを用いて次式から算出される。
θ１＝ｔａｎ−１（ｙ／ｘ）
θ２＝ｔａｎ−１（ｙ／（Ｌ−ｘ））
電波到来角度演算部１３４は、移動無線機位置演算部１３２で計測した移動無線機１００の固定無線機２００に対する相対位置ｘが入力されると、固定無線機２００から放射した電波が移動無線機１００のアンテナ１１０ａと１１０ｂへそれぞれ到来した電波の到来角度θ１と電波の到来角度θ２をそれぞれ演算し、電波到来角度として速度演算部１３３ａへ出力する。
電波到来角度θ１とθ２は、相対位置ｘ、アンテナ１１０ａと１１０ｂの間隔Ｌ、固定無線機２００と軌道間の距離ｙを用いて次式から算出される。
θ１＝ｔａｎ−１（ｙ／ｘ）
θ２＝ｔａｎ−１（ｙ／（Ｌ−ｘ））
速度演算部１３３ａは、電波到来角度が入力されると、電波到来角度θ１，θ２とドップラ周波数ｆｄ１とｆｄ２と電波の周波数ｆと電波の速度ｃから列車の移動速度ｖを次式から算出し、列車速度として出力する。
ｖ＝ｆｄ１／ｃｏｓθ１／ｆ×ｃ
もしくは、
ｖ＝ｆｄ２／ｃｏｓθ２／ｆ×ｃ
ｖ＝ｆｄ１／ｃｏｓθ１／ｆ×ｃ
もしくは、
ｖ＝ｆｄ２／ｃｏｓθ２／ｆ×ｃ
実施の形態２では、相対位置ｘの時間Δｔあたりの変化量Δｘから列車の速度を算出したが、実施の形態５では、相対位置ｘと電波到来角度から列車の速度を算出する。そのため相対位置ｘの複数の測定点を用いることなく列車の速度を算出できる。
以上説明したように、実施の形態５の列車位置検知装置によれば、位置検知部は、相対位置と固定無線機と軌道間の距離とアンテナ間隔とから、固定無線機から放射した電波がアンテナに到来する電波到来角度を算出するようにしたので、固定無線機から放射される電波の到来方向を求めることができる。
また、実施の形態５の列車位置検知装置によれば、位置検知部は、電波到来角度とドップラ周波数と所定の周波数を用いて列車の移動速度を算出するようにしたので、算出した列車の速度を利用して、列車に搭載した速度センサの健全性の診断などを行うことができる。
なお、本願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合せ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
以上のように、この発明に係る列車位置検知装置は、列車の定点位置を検知する構成に関するものであり、列車運行制御装置に用いて列車の位置を検知するのに適している。
１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ 移動無線機、１１０ａ，３１０ａ 第１のアンテナ、１１０ｂ，３１０ｂ 第２のアンテナ、３１０ｃ 第３のアンテナ、１２０，３２０ 受信部、１３０，１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ 位置検知部、１３１，３３０ ドップラ周波数演算部、１３２ 移動無線機位置演算部、１３３，１３３ａ 速度演算部、１３４ 電波到来角度演算部、１４０，１４０ａ，３４０ 列車位置検知部、１４１，１４１ａ，３４１ 通過判定部、１４２，３４４ 列車位置演算部、２００ 固定無線機、２１０ アンテナ、２２０ 送信部、２３０ 信号生成部、３４２ 取付角度補正演算部、３４３ 移動無線機位置演算部、４００ 列車速度センサ。
この発明に係る列車位置検知装置は、軌道上を走行する列車に所定のアンテナ間隔を有して複数のアンテナが設置され、複数のアンテナを介して、列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅または位相を持つ送信信号を電波として放射する固定無線機からの電波をそれぞれ受信信号として取り出す受信部と、複数の受信信号から算出したドップラ周波数の比から複数のアンテナの固定無線機に対する相対位置を算出する位置検知部とを備えたものである。
Claims (6)
- 軌道上を走行する列車に所定のアンテナ間隔を有して複数のアンテナが設置され、当該複数のアンテナを介して、前記列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅または位相を持つ送信信号を電波として放射する固定無線機からの電波をそれぞれ受信信号として取り出す受信部と、
前記複数の受信信号から算出したドップラ周波数の比から前記複数のアンテナの前記固定無線機に対する相対位置を算出する位置検知部と、
前記相対位置と前記固定無線機の設置位置と前記複数のアンテナの前記列車における設置位置とから前記列車の位置を算出する列車位置検知部とを備えたことを特徴とする列車位置検知装置。 - 前記位置検知部は、前記複数のアンテナが前記固定無線機の真横付近に存在することを前記複数の受信信号から算出したドップラ周波数の比が負となることから検知し、前記固定無線機と前記軌道間の距離と、前記アンテナ間隔とに基づいて前記複数のアンテナの前記固定無線機に対する相対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。
- 前記位置検知部は、前記相対位置の時間変化により前記列車の移動速度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。
- 前記位置検知部は、前記相対位置と前記固定無線機と前記軌道間の距離と前記アンテナ間隔とから、前記固定無線機から放射した電波が前記アンテナに到来する電波到来角度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。
- 前記位置検知部は、前記電波到来角度と前記ドップラ周波数と前記所定の周波数を用いて前記列車の移動速度を算出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。
- 軌道上を走行する列車に、所定のアンテナ間隔を有して３つ以上のアンテナが設置され、これらのアンテナを介して、前記列車の軌道脇に設置され、所定の周波数、振幅または位相を持つ送信信号を電波として放射する固定無線機からの電波をそれぞれ受信信号として取り出す受信部と、
前記受信部で取り出されたそれぞれの受信信号から３つ以上のドップラ周波数を算出するドップラ周波数演算部と、
複数のドップラ周波数の比が−１となることを検知して、前記３つ以上のアンテナのうちのいずれか２つのアンテナの前記固定無線機の真横通過を判定し、複数の通過判定信号を算出する通過判定部と、
前記複数の通過判定信号と列車の移動速度から、前記３つ以上のアンテナを結ぶ直線の、列車進行方向に対する取付角度を算出する取付角度補正演算部と、
前記取付角度と、前記固定無線機と前記軌道間の距離と、前記アンテナ間隔とに基づいて前記３つ以上のアンテナの前記固定無線機に対する相対位置を算出する位置演算部と、
前記固定無線機の設置位置と、前記３つ以上のアンテナの前記列車における設置位置と、前記相対位置とから前記列車の位置を算出する列車位置演算部とを備えたことを特徴とする列車位置検知装置。
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