用於對被引導車輛路線所配備的信標的中心進行定位的系統和方法與流程
2023-11-11 14:20:52
本發明涉及對沿著路線的被引導車輛的定位。更具體地，本發明涉及一種用於相對於沿著被引導車輛所遵循的路線、安裝在各個位置處的信標或應答器(balise)而對所述被引導車輛進行定位的系統和方法。通過確定信標的中心，根據本發明的系統和方法能夠準確地確定被引導車輛的位置/定位。從一般觀點來看，本發明涉及安裝在被引導車輛所行駛的路線或道路上的信標或應答器，其被配置成用於在被引導車輛經過所述信標或應答器附近(例如在所述信標或應答器上方/之上)時藉助於電磁信號與被引導車輛交換數據。特別地，所述應答器是歐洲應答器(Eurobalise)，即符合歐洲列車控制系統的應答器，並且其被安裝在被引導車輛所遵循的軌道的鐵軌之間。根據本發明的「被引導車輛」指的是公共運輸裝置，例如公共汽車、無軌電車、有軌電車、地鐵、列車或列車組等，以及裝載運輸裝置，比如作為例子的橋式起重機，對於這些裝置，安全是非常重要的因素，並且所述裝置通過至少一個鐵軌、尤其是通過其之間放置有信標/應答器的兩個鐵軌、沿著路線或軌道而被引導。
用於確定被引導車輛相對於信標的位置的系統和方法在本領域中是公知的。例如，EP1227024B1描述了一種用於生成用來對軌道車輛進行定位的信號的嵌入式系統，其中所述嵌入式系統包括具有第一環和第二環的天線，第一環和第二環由不同的輻射圖案表徵，並且其在所述天線經過位於軌道車輛的路徑上的已知位置處的信標上方時分別生成第一感生電流和第二感生電流。由於第一環和第二環具有不同形狀，所以第一感生電流的相位變化與第二感生電流的相位變化不同，因而處理系統使用該相位差別來確定軌道車輛相對於信標的位置。
通常，用於定位軌道車輛的車載系統和信標之間的電磁信號傳輸的動態性使得難以估計信標的中心，因此難以估計軌道車輛的準確位置。特別地，動態(vital)準確性由於存在「旁瓣」(參見EP1227024B1的圖4)而受到限制，「旁瓣」是由於磁通量的返迴路徑而引起的並且其可能增加其中由車載系統天線接收信標的區域的長度。即便在如EP1227024B1中所描述的「8字形」環的情況下，信標中心的動態檢測仍然具有挑戰性，因為感生信號可能非常微弱並且必須確保接收器中的較強增益。最後，公知的現有技術使用相位檢測來用於確定信標的中心，其對於微弱信號也可能不可靠。
因此，本發明的目標在於提供一種用於改進對被引導車輛相對於信標或應答器的定位的確定、確保信標或應答器的位置的可靠確定的系統和方法，其實施經濟、簡單，降低(特別是由於存在旁瓣而引起的)錯誤檢測的風險，並因此提高被引導車輛相對於信標的定位確定的可靠性。優選地，根據本發明的系統和方法不需要對由信標傳送的電磁信號進行任何相位分析。
本發明提供了一種用於對信標中心進行定位的系統，所述系統被配置成用於安裝在被引導車輛上，並能夠在所述被引導車輛經過信標時對信標中心進行定位，所述系統包括：
-發射器，其被配置成用於遠程向信標提供動力，尤其是藉助於輻射能量。所述發射器包括例如包括用於輻射能量、尤其是射頻能量的發射環的天線，然後通過所述輻射能量來向信標提供動力並且信標繼而能夠傳送電磁信號；
-接收器，其包括含有兩個接收環的天線，該接收環用於拾取由信標產生的電磁信號，更確切的是由信標的傳送環產生的電磁信號，因此接收器包括所述兩個接收環，分別為第一接收環和第二接收環，優選地，所述環由相同的輻射圖案表徵，例如第一接收環和第二接收環相同，以便具有相同的輻射圖案，第一環和第二環被配置成用於拾取由信標響應於發射器對其提供動力而發送的電磁信號，並且分別將第一信號和第二信號遞送至處理單元，所述第一信號和第二信號分別是在第一接收環和第二接收環中由電磁信號感生的電流，因此，第一接收環和第二接收環優選地被配置為或被成形為用於在接收到由信標產生的電磁信號時遞送相同的信號。利用由相同的輻射圖案表徵的第一接收環和第二接收環的操作的優點在於：由每個環響應於信標的電磁信號而生成的電流信號是相同的，僅在時間上偏移，因而其簡化了可能發生的故障的確定並使得該確定更高效。所述第一接收環和第二接收環優選地是簡單環。每個電流提供對與第一接收環、第二接收環分別相對於信標，更確切地相對於傳送環的中心的位置相關的、電磁信號的幅度的測量，第一接收環特別地連接到第一解調器並且第二接收環特別地連接到第二解調器。特別地，第一接收環和第二接收環被放置/定位成使得在配備有根據本發明的系統的被引導車輛經過信標時，第一信號相對於第二信號在時間上偏移。在本發明的背景下，信標中心是指傳送環的中心，例如其幾何中心；
-處理單元，其能夠處理分別由所述第一接收環和第二接收環遞送的第一信號和第二信號，其中處理單元被配置成用於根據第一信號的幅度和第二信號的幅度來確定接收器經過信標中心的時刻T，其中特別地，T通過下式給出：
T＝(T1+T2)/2 (式1)
其中優選地，T1是在第一接收環經過所述信標(例如，經過其上方/之上)時第一信號的幅度達到其最大值的時刻並且T2是在第二接收環經過所述信標(例如，經過其上方/之上)時第二信號的幅度達到其最大值的時刻。
優選地，時刻T由處理單元通過計算至少一個第三信號來確定，該至少一個第三信號是第一信號和第二信號的時間相關函數，例如第一信號和第二信號的幅度的函數，例如作為時間的函數的第一信號和第二信號的幅度/強度的和和/或差，處理單元被配置成用於確定所述第三信號的極值，所述極值出現的時刻與接收器經過信標中心的時刻T吻合。因此，根據本發明的處理單元能夠確定信標中心與由第一接收環和第二接收環形成的系統的質心最接近的時刻，以及因此能夠確定質心的位置最接近信標的位置的時刻，所述時刻對應於第三信號包括極值的時刻，例如在第三信號是第一信號和第二信號的幅度/強度的和的情況下最大值出現的時刻，或者在所述第三信號等於第一信號和第二信號的幅度/強度的差的情況下最小值出現的時刻。實際上，第一信號、或者相應地是第二信號在第一接收環、或者相應地是第二接收環處於與包括傳送環的平面平行的平面中並且與信標的傳送環對齊的時刻達到其最大值，理想地，在第一接收環、或者相應地是第二接收環的中心和信標的傳送環的中心在與包括傳送環的平面和包括第一接收環、或相應地包括第二接收環的平面二者均垂直的同一條直線上的時刻。
本發明還涉及一種用於對沿著被引導車輛所遵循的路線、安裝在某位置處的信標的中心進行定位的方法，在所述被引導車輛上安裝有用於對信標中心進行定位的系統，所述系統包括發射器、包括第一接收環和第二接收環的接收器以及處理單元，根據本發明的方法包括以下步驟：
-藉助於發射器遠程向信標或應答器提供動力，其中信標適用於向系統傳送電磁信號；
-將電磁信號傳送至接收器，其中所述電磁信號由信標響應於其動力提供而生成；
-藉助於第一接收環拾取電磁信號以及將第一信號遞送至處理單元；
-藉助於第二接收環拾取電磁信號以及將第二信號遞送至處理單元，其中第二信號相對於第一信號在時間上偏移，並且優選地與第一信號相同：第一信號在第一接收環第一次接收到電磁信號的時刻t1B處開始並且在第一接收環停止接收電磁信號的時刻t1E處結束，這同樣適用於第二接收環，即，第二信號在時刻t2B處開始並且在時刻t2E處結束，其中優選地，t1B＜t2B≤t1E＜t2E以及優選地，t1E-t1B＝t2E-t2B；
-藉助於處理單元根據第一信號的幅度/強度和第二信號的幅度/強度確定接收器經過信標中心的時刻T，其中特別地，T由T＝(T1+T2)/2給出，T1、T2優選地如前文所定義的。優選地，本方法包括計算為作為時間的函數的第一信號和第二信號的幅度的差或和的第三信號，以及確定該第三信號的極值，所述極值出現的時刻與接收器經過信標中心的時刻吻合。本領域技術人員將理解，由本發明確定的時刻T是在所述接收器經過所述信標時接收器的中心最接近信標中心的時刻，接收器的中心是由第一接收環和第二接收環形成的系統的質心(即，連接第一接收環的幾何中心和第二接收環的幾何中心的直線線段的中點)並且信標中心是傳送環的幾何中心。
通過以下附圖將更好地理解本發明的另外的方面，其中相同的附圖標記用於相同的和相應的部件：
圖1是安裝在被引導車輛上的、根據本發明的系統的第一優選實施方式的示意圖。
圖2是根據本發明的系統的第二優選實施方式的示意圖。
圖3是由根據本發明的處理單元處理的信號的示意圖。
圖1示出了安裝在被引導車輛2上的、根據本發明的系統1，其被配置成遵循由一對鐵軌3所限定的路線。信標4或應答器安裝在由被引導車輛2所遵循的路線或鐵軌線路上，例如在鐵軌3之間。鐵軌線路可以包括形成信標4的系統的若干個信標4，每個信標被配置成在被引導車輛2經過所述信標4附近(例如，經過所述信標4上方/之上)時與被引導車輛2交換信息。信標4和系統1藉助於相應地從信標4傳送到系統1、相應地從系統1傳送到信標4的電磁信號交換信息。
根據本發明的系統1被配置成用於安裝在被引導車輛2上並且能夠對信標4的中心進行定位。從而，系統1能夠相對於信標4來對被引導車輛2進行定位，並能夠高效地確定車輛在配備有信標4的系統的網絡上的位置，其中每個信標4的位置是已知的。
用於對沿著系統1被配置成要安裝在其上的被引導車輛2所遵循的路線安裝的信標4的中心進行定位的系統1至少包括發射器11、接收器和處理單元14。
發射器11被配置成用於遠程向信標4提供動力。特別地，發射器11包括天線，該天線用於在被引導車輛2，或者更準確地是根據本發明的系統1的發射器11在信標4附近(例如，上方)移動時發射能夠向信標4提供動力的輻射能量。所述發射器11包括例如天線，該天線包括能夠輻射能量，尤其是射頻能量的發射環，其中所述輻射能量能夠向信標4提供動力，即，向所述信標4提供能量以使得所述信標4繼而能夠向系統1傳送電磁信號。信標4是本領域中公知的類型，包括能夠拾取由發射器11輻射的能量並且能夠使用所述能量、藉助於包括用於向系統1發送電磁信號的傳送環的傳送器來將信息傳輸回系統1的天線電路。信標4沿著由被引導車輛2所遵循的路線、安裝在已知的位置/定位處。
接收器包括兩個環，分別為第一接收環12和第二接收環13，優選地，所述環由相同的輻射圖案來表徵，以便簡化故障確定。「相同的輻射圖案」意味著兩個環在經受相同的電磁信號時提供相同的響應。優選地，第一接收環和第二接收環是相同的。第一接收環12和第二接收環13在接收到由信標4響應於發射器11對其提供動力而發射的電磁信號時分別遞送第一信號S1和第二信號S2。第一接收環12和第二接收環13在相同的平面中(例如在水平平面中)彼此對齊，並且相對於被引導車輛2的位移方向一個接一個地布置，環的一部分交迭或不交迭，以使得第一信號S1和第二信號S2在接收器經過信標4時在時間上偏移。第一接收環12和第二接收環13是例如並排布置在相同的平面中(參見圖1)的矩形環、或者具有如圖2所示的交迭的邊的矩形環，其中根據第二優選實施方式，第一接收環12和第二接收環13輕微交迭。特別地，在所述系統安裝在被引導車輛2上時，第一接收環12和第二接收環13在與包括信標4的發射環的平面平行的相同平面中。優選地，第一接收環12和第二接收環13的外部尺寸基本上等於信標4的傳送環的外部尺寸。當經受由信標4傳送的電磁信號時，第一接收環12遞送第一信號S1並且第二接收環13遞送第二信號S2，其中所述第一信號和第二信號是分別在所述第一接收環和第二接收環中由電磁信號感生的電流。
處理單元14被配置成用於處理分別由第一接收環12和第二接收環13遞送的第一信號和第二信號。圖3示意性地示出了當被引導車輛2以及因此系統1在由箭頭指示的位移方向上移動並經過信標4上方時(參見例如圖1或圖2)，與系統1相對於信標4的位置或定位相關的、第一信號S1和第二信號S2的強度。在所述位移期間，第一接收環12將首先感測到由信標4的傳送環所傳送的電磁信號並遞送第一信號S1，第一信號S1將與系統沿著位移方向的位移相關地，首先在靠近信標4時增加，隨後當第一接收環在信標4的上方對準時達到最大值，然後在與信標4的距離增加時減小。第二接收環13將在第一接收環12之後感測到電磁信號，因為相對於被引導車輛或系統1在方向上移動然後經過信標4時的位移方向，第二接收環13安裝在第一接收環12之後。優選地，第一接收環12和第二接收環13具有相同的輻射圖案，因此第二信號S2將與第一信號S1相同，但相對於第一信號S1，由第二接收環遞送的第二信號S2具有時間偏移，所述偏移取決於系統1(或被引導車輛2)在經過信標上方時的位移速度以及第一接收環12與第二接收環13間隔的距離，更準確地是當系統1(或被引導車輛2)在位移方向上移動並經過信標4上方時(參見圖2)，第一接收環12首先進入由信標4的傳送環41產生的磁場的部分與第二接收環13首先進入由傳送環41產生的所述磁場的部分間隔的距離D。優選地，第一接收環和第二接收環被配置成用於在經過信標時遞送相同的信號，但其中所述信號在時間上偏移。根據本發明的處理單元14接收兩個信號，第一信號S1和第二信號S2，所述信號在時間上偏移，優選地是相同的，並且第一信號S1在時間段ET1內延續且第二信號S2在時間段ET2內延續(參見圖3)，優選地，ET1＝ET2，ET1、ET2分別是其間第一接收環、第二接收環分別在由信標4的傳送環所產生的磁場的影響下的時間段，所述時段ET1和ET2相對於彼此在時間上偏移，即，ET1在時刻t1B處開始並且在時刻t1E處結束，ET2在時刻t2B處開始並且在時刻t2E處結束，其中t1B＜t2B≤t1E＜t2E並且優選地，t1E-t1B＝t2E-t2B。優選地，時間段ET1和ET2交迭。特別地，T1＝t1B+(t1E-t1B)/2並且T2＝t2B+(t2E-t2B)/2。
處理單元14連接至第一接收環和第二接收環，以用於接收第一信號和第二信號，並且處理單元14被配置成用於分析由第一接收環12和第二接收環13所傳送的所述第一信號和第二信號。特別地，處理單元計算至少一個第三信號S3，該至少一個第三信號S3是作為時間t的函數的第一信號S1和第二信號S2的幅度之和或者幅度之差中的任何的函數：S3＝f(S1(t)-S2(t))或S3＝f(S1(t)+S2(t))，例如，S3＝S1-S2或S3＝S1+S2。處理單元14可以計算作為(S1(t)，S2(t))的函數f的其他信號，例如以下信號中的任意：S3』＝f(S1(t)+S2(t))或S3』＝f(S1(t)-S2(t))，S4＝f(S1(t))，或S5＝f(S2(t))。優選地，為了進一步提高精度，根據至少第三信號S3，尤其是另外根據S3』，處理單元能夠確定接收器的中心位於信標4之上的時刻，從而能夠對接收器相對於傳送環的位置進行定位，因而對被引導車輛2相對於信標的位置進行定位。實際上，接收器的中心位於信標4的傳送環之上的時刻是S3和/或S3』的幅度/強度達到極值的時刻，相應地，極值對於S3』為最大值並且對於S3為最小值。應注意的是，信標4的中心在圖3中對應於曲線圖的坐標系統的原點並且其是指傳送環的幾何中心。當由第一接收環和第二接收環形成的系統的質心最接近傳送環的中心時，接收器的中心在信標中心之上。由於準確地知道信標中心的位置，因此也可以準確地知道被引導車輛2的位置。特別地，處理單元14包括兩個解調器，分別為第一解調器和第二解調器，第一接收環12連接到第一解調器並且第二接收環13連接到第二解調器，以用於從信標電磁信號提取信息。
特別地，一旦由第一接收環12感測到的信標電磁場超過閾值，則第一接收環12開始接收來自信標4的消息，所述消息嵌入由信標4傳送的電磁信號中。這同樣適用於第二接收環，第二接收環將獲得與第一接收環相同的消息。每個消息被第二接收環接收到的時刻相對於第一接收環接收到所述消息的時刻僅在時間上偏移。優選地，處理單元14被配置成用於：在消息仍然可用並且分別在第一接收環、第二接收環上被接收的情況下或者在第一接收環、第二接收環分別不再接收消息的情況下，僅在第一接收環、第二接收環分別已經接收到至少一條有效消息並且第二接收環、第一接收環分別接收到另一消息時，計算第三信號。有利地，針對計算第三信號施加接收有效消息的條件確保被引導車輛相對於信標4的位置的確定。
優選地，本發明提出根據所述消息被接受器接收的時刻確定時刻T。特別地，根據本發明，時刻T1由T1＝t11+(t12-t11)/2給出並且時刻T2由T2＝t21+(t22-t21)/2給出，以及處理單元14被配置成用於測量：
-時刻t11，在時刻t11處第一接收環12第一次接收到來自信標4的消息，
-時刻t12，在時刻t12處第一接收環12最後一次接收到來自所述信標的消息，
-時刻t21，在時刻t21處第二接收環13第一次接收到來自信標4的消息，以及
-時刻t22，在時刻t22處第二接收環13最後一次接收到來自所述信標的消息，
然後處理單元被配置成用於藉助於能夠執行式1的電路來根據t11、t12、t21、t22確定時刻T，其中t11＜t21≤t12＜t22。根據本發明，時間間隔[t11,t12]被包括在時間間隔[t1B,t1E]中並且時間間隔[t21,t22]被包括在時間間隔[t2B,t2E]中。特別地，第一接收環12和第二接收環13被配置成用於傳送相同的信號S1、S2，以使得t12-t11＝t22-t21。最後，處理單元14可以被配置成用於將藉助於第三信號S3而獲得的時刻T與藉助於t11、t12、t21和t22而獲得的時刻T進行比較，以便確認獲得的T的值和/或計算T的平均值。實際上，根據本發明，時刻T可以根據第三信號S3，和/或根據時刻t11、t12、t21和t22，和/或根據時刻t1E、t1B、t2E、t2B和/或後者的組合來確定。
總而言之，本發明提供了一種用於確定被引導車輛相對於諸如歐洲應答器的信標的位置的簡單系統和方法，其中所述位置通過包括天線的系統來確定，該天線具有生成偏移的信號的第一接收環和第二接收環；通過對所述第一接收環和第二接收環中的每個經過信標中心之上的時刻進行平均，特別地通過計算由第一接收環和第二接收環所提供的信號的強度的和和/或差來確定被引導車輛在信標或應答器之上的時刻，因此確定其定位。