利用無線電信號的都卜勒頻移進行車輛定位的方法與裝置的製作方法

2023-08-09 05:10:51 1

專利名稱：利用無線電信號的都卜勒頻移進行車輛定位的方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及車輛定位的方法與裝置。本發明適於、但不限於用在軌道車輛上。
背景技術：
對於很多應用，車輛的行駛路線是給定的。確定路線上車輛所在區間或車輛是否駛經路線上某些點具有重要意義。
已知的建立在移動無線電系統基礎上的定位方法，無論是測量車輛和無線電基站間無線電信號傳播的角度、時間或是時間差，都因如多徑效應的影響很難達到100米以下的精度。
現有的衛星定位系統如GPS在許多應用領域中由於衛星信號被遮擋(例如在隧道裡)而達不到可用性要求。

發明內容
本發明的目的是排除上述的現有技術的缺陷，推薦一個車輛特別是軌道車輛定位的方法以及裝置，以使車輛定位既精確又有高可用性。
依專利要求1、2、4、5所述特徵的方法和依專利要求7所述特徵的裝置可完成車輛定位的任務。
在已知和/或給定的路線上需被定位的車輛，要裝備至少一套無線電設備。該設備收發來自和/或發向無線電基站的信號。
無線電基站的天線布置在行車路線沿線，可收發來自和/或發向車載無線電設備的無線電信號。無線電信號上的都卜勒頻移可在車輛上和/或無線電基站上測定。
通過對在零都卜勒頻移點周圍的都卜勒頻移變化的處理，可確定車輛駛經某些特定點，這些特定點與無線電基站天線的連線垂直於行駛路線。
至少對兩個無線電基站測到相對於同一車輛的、或在該車輛上測到相對於這些無線電基站的都卜勒頻移具有不同符號時進行處理，可確定車輛所在區間。車輛所在區間由無線電基站之間的區段所定。
該區間定位的發明可基於、但只不限於移動無線電系統。
在軌道車輛應用中進一步的有利因素是沿線距軌道5米內布置的GSM-R天線。由此可使裝有無線電設備的車輛和基站天線之間的都卜勒頻移變化在基站天線附近非常強烈。本發明利用這一特點進行車輛定位。通過測量都卜勒頻移變化可知車輛駛經基站天線附近。通過測定對應於兩個基站具有不同符號的都卜勒頻移時，可知車輛所在區間。
區間內行駛路程可由附加計程器類傳感器或對都卜勒頻移積分定。
相對於已知的移動無線電定位方法，本發明方法能在特別是區間分界處更精確地定位以及可靠地判定區間。本發明方法對信號的多徑效應不敏感。時間同步誤差可通過停車測量而無需附加傳感器確定。
相對於衛星定位，本發明比如通過GSM-R而具有更高的定位可用性。如果採用已有無線通訊網如GSM-R，其另一優點是不需另加基礎設施。


以下通過圖示實施例進一步解釋本發明。圖例只展示原理而非成比例。
圖1帶有車輛定位設施的路段(一軌道車輛在該路段上行駛)；圖2帶有車輛區間定位設施的路段(一軌道車輛在該路段上行駛)。
具體實施例方式
圖1顯示了一軌道車輛在帶有車輛定位設施的路段上行駛以及相應的定位原理。車輛1裝備有移動無線電設備2，由位置A向位置B行駛，行駛路線(本例中為軌道線路)附近有無線電基站3。在車輛1或無線電基站3接收到的無線電頻率受都卜勒效應影響而相對於發射頻率有所改變。因為在點s＝O發射機和接收機之間的相對速度消失，由發射機和接收機之間的相對速度所產生的頻率變化即都卜勒頻移f在O點根據理論為零。當車輛1運動時，都卜勒頻移在O點前(如s＝A-O)和O點後(如s＝O-B)具有不同的符號。由此可通過測量都卜勒頻移f確定車輛1駛經O點，並根據都卜勒頻移的符號變化區別由O點分開的路段區間。
如果定位應在車輛1上進行，則無線電設備2應至少具有接收功能而無線電基站3應至少具有發射功能。由無線電基站3發射的某一頻率信號應被無線電設備2所接收。GSM信號中含有用戶和基站的辨識信息。接收信號的頻率變化可得以測定和處理。
GSM系統使用上、下載頻段，其中每一上、下載頻段有125頻道。當發射機和接收機通訊時，使用頻道及載波頻率在接收方是已知的。
測定由都卜勒效應引起的、相對於發射頻率即對發射和接收方都已知和額定的信號載波頻率的頻率差以及頻率差的符號轉變，進而判定車輛1處在線路上O點，即線路在該點垂直於該點至無線電基站3連線，為首選過程。
如果定位應在車輛1以外特別是在無線電基站3進行，則無線電設備2應至少具有發射功能而無線電基站3應至少具有接收功能。由無線電設備2發射的某一頻率信號應被無線電基站3所接收。接收信號的頻率變化可被測定和處理。由此可求出由都卜勒效應引起的、相對於額定發射頻率的頻率差以及頻率差的符號轉變。該符號轉變可作為首選用來判定車輛1處在線路上O點，即該點與無線電基站3的連線垂直於行駛路線。圖1還給出了一個f-s的變化原理圖，其中O點對應s＝0.
如果行駛方向和原區間不是已知或車輛停留在一個區間後向相反方向行駛，則以一個無線電基站定位有可能出現多值性。以兩個無線電基站，其測量的相對於車輛的、或在車輛上測量的對兩個基站的都卜勒頻移具有不同符號，則可避免多值性。圖2所示的路段由3個沿路段分布的零都卜勒頻移點i-1，i，i+1分為兩個路段區間K，K+1。第一個區間K也可由分別相對於第一點i-1和第二點i的第一無線電基站4和第二無線電基站5而界定。第二個區間K+1在圖例中由第二基站5和相對於第三點i+1的第三基站6而界定。
當裝備有無線電設備8的車輛7以圖示方向行駛時，車輛7經過零都卜勒頻移點i-1，i，i+1以及區間K，K+1都可通過上述處理都卜勒頻移f定。
對應圖2中第一個區間K的兩基站(對應點i-1和i)而產生的都卜勒頻移將具有不同的符號。由此可確定車輛7如圖所示位於第一個區間K。
如果定位應在車輛7上進行，則無線電設備8應至少具有接收功能，而無線電基站4、5、6應至少分別具有發射功能。由無線電基站4、5、6發射的某一頻率信號應被無線電設備8所接收。
接收機可根據頻率即使用頻道區別發射信號。區別不同發射信號當然還有其它如分時(TDMA)和分碼(CDMA)的方法。GSM標準用的是分頻和時道。UMTS主要用的是CDMA。用CDMA時不同的發射機在同一頻率上採用不同的信號碼。
無線電設備8可確定由都卜勒效應引起的頻移，並將來自不同發射機的信號頻移符號互相比較。因來自組成路段區間K的無線電基站4、5的信號具有不同的頻移符號，從而可斷定車輛7位於路段區間K中。根據來自組成路段K+1的無線電基站5、6的信號具有相同頻移符號，從而可斷定車輛7在路段區間K+1以外。
如果定位應在車輛7以外，比如在一個中心站(圖中未顯示)進行，則無線電設備8應至少具有發射功能，而無線電基站4、5、6應至少分別具有接收功能。由無線電設備8發射的某一頻率信號應被無線電基站4、5、6所接收。無線電基站4、5、6可分別測定由都卜勒效應引起的頻移。不同接收信號的頻移符號將互相比較。因組成路段區間K的無線電基站4、5具有不同的頻移符號，從而可斷定車輛7位於路段區間K中。根據組成路段K+1的無線電基站5、6具有相同頻移符號，從而可斷定車輛7在路段區間K+1以外。
無線電基站設在車道附近有利於提高定位精度。在軌道車輛應用中特別有利的是比如沿路布設的GSM-R天線距軌道距離5米之內，從而使裝有無線電設備2、8的車輛1、7和路旁無線電基站4、5、6的天線之間產生的都卜勒頻移在天線附近急劇變化。
發射機和接收機之間的收發可以是連續也可以是階段式的。為減少信號幹擾，還可考慮限制發射機的發射範圍和/或接收機的接收範圍。
權利要求
1.車輛特別是軌道車輛定位的方法，其特徵在於在被定位的車輛(1)以外、沿車輛(1)的行車路線上至少有一無線電基站(3)，其至少有一發射機以至少某一特定頻率發射信號；發射機發射的信號被定位的車輛(1)內的無線電設備(2)的接收機接收到；接收到信號的頻率變化被得以測定和處理。
2.車輛特別是軌道車輛定位的方法，其特徵在於在被定位的車輛(1)內的無線電設備(2)的發射機至少以某一特定頻率發射信號；發射機發射的信號至少被定位的車輛(1)以外一無線電基站(3)的接收機接收到；接收到信號的頻率變化被得以測定和處理。
3.基於權利要求1或2的方法，其特徵在於由都卜勒效應引起的、相對於信號載波頻率的頻移(亦稱都卜勒頻率)被測定，進而對都卜勒頻率移動的變化進行處理，特別是測定都卜勒頻移的符號變化，並將其作為車輛(1)駛經行駛路線上(O)點的特徵，即該點與無線電基站(3)的連線垂直於行車路線。
4.車輛特別是軌道車輛定位的方法，其特徵在於在被定位的車輛(7)以外至少有兩個無線電基站(4，5，6)，其每一發射機至少以某一特定頻率發射信號；無線電基站(4，5，6)的發射機發射的信號至少被定位的車輛(7)內的一無線電設備(8)的接收機接收到；相對於發射信號載波頻率的都卜勒頻移被測定，都卜勒頻移的符號被互相比較。
5.車輛特別是軌道車輛定位的方法，其特徵在於在被定位的車輛(7)內的至少一無線電設備(8)的發射機至少以某一特定頻率發射信號；無線電設備(8)的發射機發射的信號被至少兩個無線電基站(4，5，6)的接收機接收到；相對於發射信號載波頻率的都卜勒頻移被測定，都卜勒頻移的符號被互相比較。
6.基於權利要求4或5的方法，其特徵在於由組成一區間(K)的兩個無線電基站(4，5)的都卜勒頻移的不同符號可判定車輛(7)位於該區間(K)內，同時/或者由組成一區間(K+1)的兩個無線電基站(5，6)的都卜勒頻移的相同符號可判定車輛(7)位於該區間(K+1)以外。
7.實現上述任一權利要求方法的車輛特別是軌道車輛的定位裝置，其特徵在於在被定位的車輛(1，7)以內和/或以外至少有一發射機以至少某一特定頻率發射信號；在被定位的車輛(1，7)以內和/或以外至少有一接收機接收發射機發射的信號；和接收機連接的至少有一處理電路，其具有手段可測定和處理都卜勒頻移變化和/或都卜勒頻移。
8.基於權利要求7的裝置，其特徵在於在被定位的車輛(1，7)以外及行車路線附近，路旁5米之內為首選，至少裝備有一發射機和/或接收機。
9.基於權利要求7或8的裝置，其特徵在於處理電路具有手段可測定都卜勒頻移和都卜勒頻移的符號變化，並以其判定車輛(1)駛經行駛路線上的O點，即該點與車外的發射機和/或接收機的連線與行駛路線垂直。
10.基於權利要求7至9的任一種裝置，其特徵在於處理電路具有手段可通過組成一區間(K)的兩個無線電基站(4，5)的都卜勒頻移的不同符號判定車輛(7)位於該區間(K)內，同時/或者通過組成一區間(K+1)的兩個無線電基站(5，6)的都卜勒頻移的相同符號判定車輛位於該區間(K+1)以外。
11.基於權利要求7至10的任一種裝置，其特徵在於發射機和/或接收機是GSM-R的一部分。
全文摘要
本發明涉及車輛特別是軌道車輛定位的方法與裝置。本發明的目的在於提供方法與裝置以使車輛特別是軌道車輛在高可用性下能精確地定位。在已知和/或給定的路線上需被定位的車輛，要裝備至少一套移動無線電設備，該設備收發來自和/或發向無線電基站的無線電信號。無線電基站的天線沿行駛路線布置並能收發來自和/或發向車載無線電設備的無線電信號。無線電信號中的都卜勒頻移可在車輛上和/或無線電基站上測定。通過對在零都卜勒頻移點周圍的都卜勒頻移變化的處理，可確定車輛駛經某些點，其與無線電基站天線的連線垂直於行駛路線。至少對兩個無線電基站測到相對於同一車輛的、或在該車輛上測到相對於這些無線電基站的都卜勒頻移具有不同符號時進行處理，可確定車輛所在區間。車輛所在區間由無線電基站之間的區段所定。
文檔編號B61L25/00GK1555495SQ02818290
公開日2004年12月15日 申請日期2002年8月8日 優先權日2001年9月20日
發明者顧小鋼 申請人:顧小鋼