一種利用雙移動臺的基於LTE‑R的列車定位方法與流程
2023-05-24 12:30:56 2
本發明屬於軌道交通技術領域，涉及一種列車定位方法，具體指利用雙移動臺的一種基於LTE-R的列車定位方法。
背景技術：
現有的列車定位方法主要是依靠軌道電路、查詢應答器、裡程計等傳統設備，以及GPS、擴頻無線定位等新型設備來完成。其中，傳統設備使用成本高，安全性和可維護性差，且只能給出點式位置信息，不能實現連續定位；GPS雖可以實現列車連續定位，但其高精度和高可靠性與可視衛星的數目和幾何分布密不可分，且受制於衛星設備的性能情況，上述因素均不在鐵路運營部門的控制範圍內，一旦衛星發生故障無法立即修復，列車運行將受到很大的影響；擴頻無線電定位裝置具有定位精度高的優勢，但是需要設置專用的擴頻基站，定位成本較高，易受到複雜無線通信環境的幹擾，從而影響定位效果。
近年來，一些利用鐵路專用通信系統進行列車定位的想法被陸續提出。如利用鐵路沿線布設的GSM-R（GSM for Railway, 鐵路數字移動通信系統）基站定位方法，及而後提出的利用鐵路專用寬帶移動通信系統LTE-R的列車定位方法，均是利用通信基站及車載信號接收發送設備來實現列車的無線定位。
新一代鐵路專用通信系統LTE-R，較之於GSM-R系統更具技術優勢，具體表現為：高數據速率、分組傳送、延遲降低，且定位協議中專門設計了定位參考信號，不需要設計專門的突發脈衝序列作為定位請求，因此選用LTE-R系統實現列車定位更具有前瞻性。
但是上述利用鐵路專用通信系統進行列車定位的方法，其定位精度不高，單接收機在定位過程中引入的隨機誤差較大，定位系統的可靠性和穩定性較差，因此需要綜合考慮運行性能以及成本，提供一種新的列車定位方法來解決上述問題。
技術實現要素：
本發明提供了一種利用雙移動臺的基於LTE-R的列車定位方法，主要針對現有鐵路通信系統定位精度不高的技術問題，實現提高現有通信系統的利用率、降低定位成本，並充分利用鐵路列車自身的信息，提高列車定位精度的目的。
本發明通過以下技術方案來實現上述目的：
一種利用雙移動臺的基於LTE-R的列車定位方法，具體包括以下步驟：
S1：確定列車當前所在服務區的通信基站，將該通信基站前後相鄰的兩個鐵路移動通信系統LTE-R的通信基站作為定位服務基站，並得到這兩個定位服務基站的位置坐標；由兩個定位服務基站同時向列車發送含定位參考信號PRS的下行鏈路信號；
S2：利用分置於列車車頭和車尾的兩個車載移動臺接收上述定位信號，並由車載數據處理模塊計算出，來自上述兩個定位服務基站的定位參考信號PRS分別到達兩個車載移動臺的時間差，即定位參考信號到達時間差，車載數據處理模塊根據定位參考信號到達時間差和定位服務基站所在的位置坐標生成兩條參考信號到達時間差單邊雙曲線；
S3：兩條到達時間差單邊雙曲線分別與列車當前的行進曲線相交於兩個點，車載數據處理模塊再根據列車長度對上述兩個交點進行定位數據融合，最終得到列車的位置。
優選地，上述步驟S3中的定位數據融合具體是指對兩個交點取其中點進行融合處理；首先，上述兩個交點即為基站定位得到的車頭和車尾位置，根據車頭和車尾位置求得它們的中點位置；然後，根據此刻列車的自然伸展長度，將中點位置沿列車行進方向和列車行進的反方向分別移動上述列車長度的半個列車長度的距離，得到列車車頭和車尾的實際位置坐標。
優選地，所述的定位服務基站為分布式定位基站。
優選地，所述的車載移動臺是指分別設置於列車車頭和車尾的兩個移動臺，每個移動臺各自包含一套信號發送接收設備。
優選地，所述的定位參考信號PRS是移動通信系統LTE-R在協議規範中引入的專門用於無線定位的信號，只能在LTE分配的資源塊上傳輸，適用於子載波間隔為15kHz的情況，在天線埠6上傳輸，用於定位的定位參考信號在天線埠上傳輸，減小了參考信號與有用信號之間的幹擾，不會對LTE-R通信系統中其他的通信業務造成幹擾。
本發明的有益效果是：
1、利用雙機車載移動臺接收基站定位信號，解決單接收機在定位過程中引入的隨機誤差較大，定位系統的可靠性和穩定性較差的問題；
2、由於列車的長度即車頭和車尾間的距離是已知的，本發明利用這一特性，對得到的車尾、車頭的基站初步定位數據取中點進行融合處理，提高了定位精度，解決了現有無線定位誤差大，定位不精確的問題；
3、本發明充分利用鐵路列車自身的信息，以提高列車定位精度；並在現有系統基礎上進行改進，提高了現有通信系統的利用率，降低了定位改造成本。
附圖說明
圖1為本發明利用雙移動臺的基於LTE-R的列車定位流程示意圖；
圖2為本發明利用雙移動臺的基於LTE-R的基站布設示意圖；
圖3為本發明利用雙移動臺的基於LTE-R的定位原理示意圖；
圖4為本發明利用雙移動臺的基於LTE-R中的定位數據融合示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖及實施例對本發明及其效果作進一步闡述。
如圖1、2、3所示，一種利用雙移動臺的基於LTE-R的列車定位方法，具體包括以下步驟：
步驟1：確定列車當前所在服務區的通信基站，將該通信基站前後相鄰的兩個鐵路移動通信系統LTE-R的通信基站作為定位服務基站，並得到這兩個定位服務基站的位置坐標；由這兩個定位服務基站同時向該列車發送含定位參考信號PRS的下行鏈路信號；
如圖2所示，首先根據基站服務小區搜索的一般流程進行服務小區搜索，確定列車當前所處的通信基站——基站2，再根據通信基站2的位置確定其相鄰兩個通信基站作為定位服務基站——基站1和基站3，得到這兩個定位服務基站的位置坐標；並由基站1和基站3同時向列車發送含有定位參考信號PRS的下行鏈路信號。其中，定位參考信號PRS是移動通信系統LTE在其第九版協議規範R9中引入的專門用於無線定位的信號，只能在LTE分配的資源塊上傳輸，適用於子載波間隔為15kHz的情況，在天線埠6上傳輸，用於定位的定位參考信號在天線埠上傳輸，減小了參考信號與其他有用信號之間的幹擾，不會對LTE-R通信系統中其他的通信業務造成幹擾。
步驟2：利用分置於列車車頭和車尾的兩個車載移動臺分別接收上述定位信號，車載移動臺即車載發送接收模塊，其自包含一套信號發送接收設備；由車載數據處理模塊計算得出，來自上述兩個定位服務基站的定位參考信號PRS分別到達兩個車載移動臺的時間差，即定位參考信號到達時間差，車載數據處理模塊根據定位參考信號到達時間差和定位服務基站所在的位置坐標生成兩條參考信號到達時間差單邊雙曲線；
如圖3所示，位於車頭和車尾的兩個移動臺同時接收定位信號，車載數據處理模塊分別計算得到基站1和基站3發送的定位參考信號PRS到達兩個信號接收機即車載移動臺的時間差d11、d12、d31和d32，再結合基站1和基站3的位置坐標分別得到到達時間差單邊雙曲線——到達時間差單邊雙曲線1和到達時間差單邊雙曲線2。
步驟3：兩條到達時間差單邊雙曲線分別與列車當前的行進曲線相交於兩個點，車載數據處理模塊再根據列車長度對上述兩個交點進行定位數據融合，最終得到列車的具體位置。其中，車載數據處理模塊只是完成相對簡單的數學計算，採用現有普通的計算機即可實現。定位數據融合具體是指對兩個交點取其中點進行融合處理；首先，上述兩個交點即為基站定位得到的車頭和車尾位置，根據車頭和車尾位置求得它們的中點位置；然後，根據此刻列車的自然伸展長度，將中點位置沿列車行進方向和列車行進的反方向分別移動上述列車長度的半個列車長度的距離，得到列車車頭和車尾的實際位置坐標
如圖3所示，列車行進曲線與單邊雙曲線1和單邊雙曲線2分別相交與兩點，這兩個交點即為基站定位得到的列車車頭和車尾的位置坐標，由於無線定位過程中各種誤差因素的存在，使得得到的定位點不精確，與實際的位置坐標之間有一定的誤差，但是列車的長度即車頭和車尾之間的距離是已知的，本發明專利利用列車的這一特點，對定位得到的車尾、車頭的位置數據取中點進行融合處理，進一步提高了定位精度。
如圖4所示，為本發明實施例所述的利用雙移動臺的基於LTE-R的列車定位方法的定位數據融合示意圖，首先根據定位得到的車頭、車尾位置A1、B1，求得它們的中點位置C1，再根據此刻列車的自然伸展長度，將C1分別沿著列車行進方向和列車行進的反方向分別移動半個上述列車長度的距離，最終得到列車車頭位置A2和車尾位置B2，即為精確後的列車位置數據。
如圖1所示，本發明工作中具體的定位流程為：首先，由車載移動臺（即車載發送接收模塊）發送定位請求給基站模塊（即LTE-R通信系統的通信基站），由基站模塊作出回應並報告基站服務區，從而確定列車所在的基站服務區以及兩個相鄰的定位服務基站；然後，由定位服務基站向列車的車載移動臺發送含定位參考信號PRS的下行鏈路信號；最後，由車載數據處理模塊經定位參數估計以及位置解算等數據計算處理後，得到列車具體的位置數據。
以上實施例僅是示例性的，並不會局限本發明，應當指出對於本領域的技術人員來說，在本發明所提供的技術啟示下，所做出的其它等同變型和改進，均應視為本發明的保護範圍。