铁路隧道精确定位装置及定位方法与流程

本发明涉及隧道定位系统领域，具体是一种铁路隧道精确定位装置及定位方法。

背景技术：

基于卫星定位导航技术是下一代列车信号控制系统及自动驾驶ato等系统的重要组成部分，北斗卫星导航系统是中国自主实施、独立运行的全球卫星导航系统，具备高安全性和精确性，推广北斗卫星定位在铁路应用已经纳入铁路总公司实现智能铁路的重要工作。

在铁路隧道和车站内等受到遮挡和干扰的区域，列车无法正常接收卫星信号实现列车定位，因此开展隧道内北斗卫星信号覆盖和列车精确定位是北斗卫星铁路应用亟待解决的课题，也是青藏铁路新一代列车itcs控制系统的重要研究内容。

传统定位技术(如wifi定位、蓝牙定位)，是根据信号强弱来判别物体位置，信号强弱受外界影响较大，因此定位出的物体位置与实际位置的误差较大，uwb(ultrawideband)高精度室内定位系统即超宽带定位技术，采用了宽带脉冲通讯技术，车载设备和基站之间信号传输如图1所示，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，其所占的频谱范围很宽，它具有极强的抗干扰能力，对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、能提供厘米级的定位精度等优点。

随着高速铁路ict技术的快速发展，基于卫星定位技术的下一代高铁列车控制系统技术和装备正在快速发展和试验中，隧道内列车精确定位系统在国内外还处于研究阶段，没有应用案例，本科研项目开发的隧道列车精确定位系统在国内外具有一定的创新性，在铁路及轨道交通行业具有广泛的应用前景。

将uwb定位技术应用到铁路隧道，用于高速列车精确定位，需要做以下几方面工作：①对物理层进行修正，增加aft高速移动自适应算法和改进同步算法，以适应多普勒频率测量和相位跟踪处理；②在uwb基站电路中提高极窄脉冲的同步和跟踪精度，改善因时延造成的定位误差；③采用高速处理电路和器件，每秒输出定位数据频率不低于50hz，保证高速物体的定位精度。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种铁路隧道精确定位装置及定位方法，满足青藏线高原环境下itcs在隧道和车站等区域的连续精确定位需求。

本发明提供的铁路隧道精确定位装置包括隧道定位服务器tlbs，隧道定位服务器tlbs通过以太网连接到若干定位基站控制器tbc，每个定位基站控制器tbc连接有若干定位基站ubs，该定位基站控制器tbc控制下的若干定位基站ubs与一个定位终端ube进行交互定位，其中对定位基站ubs进行远程管理，接收定位基站控制器tbc和定位终端ube的定位数据，并进行数据处理和精度优化，数据存储和管理；所述的定位基站ubs实现基站之间精确同步，通过光纤或网线实现与基站ubs的数据通信，输出及显示ube终端的定位信息；uwb模块与地面定位基站应答，完成测距和数据通信工作

进一步改进，所述的定位终端ube和定位基站ubs采用多模冗余热备份。

进一步改进，所述的定位基站ubs包括基站系统以及安装在基站系统表面的v型护罩，所述的基站系统和v型护罩之间组成三棱柱结构，所述的v型护罩每个内表面上安装有一根基站天线，双天线背靠背安装，每个基站天线均与定位模块连接。

进一步改进，所述的定位基站ubs包括数据通信与信号处理模块，数据通信与信号处理模块分别连接有uwb隧道定位模块、惯性导航定位模块、北斗rtk定位模块、通信模块、列控接口和显示终端，其中，室外主要由北斗rtk提供精确定位数据；室内主要由uwb提供定位数据；惯性导航定位根据列车的加速度和角速度提供连续的定位信息，对北斗和uwb定位进行修正。三种定位数据需要由定位数据信号处理模块进行数据筛选、对比等优化协同算法，最终输出准确可靠的定位数据。

本发明还提供了一种铁路隧道精确定位方法，包括以下步骤：

1)通过基站和终端测量到的发射-接收周期tround和响应周期treply可以计算出电波飞行时间tpr：

tx发送时间戳；rx接收时间戳；

tround：本地发射-接收往返时间；

treply：本地接收-转发时间延时；

tpr：空间飞行时间；

2)根据电波飞行时间计算列车到某固定公里标的距离dt，即可确定列车的位置dk：

当dt(t+1)>dt(t)，列车公里标：dk＝dkn+dt；

当dt(t+1)<dt(t)，列车公里标：dk＝dkn－dt。

本发明有益效果在于：

1、满足青藏线高原环境下itcs在隧道和车站等区域的连续精确定位需求。

2、在列车高速运动条件下，列车隧道和车站内定位精度达到1米。

3、定位基站整机热备环形组网，车载设备整机热备，符合itcs列控安全性和可靠性要求。

4、定位基站隧道专用定向窄波束天线，覆盖距离大于300m。

5、车载设备通过北斗接收模块、uwb隧道定位模块一体化设计，与现有卫星定位模块外形、接口、通信协议兼容，保持itcs系统的一致性。

6、基站低功耗设计，通过光电复合电缆，集中供电，降低系统工程成本。

7、实现隧道内北斗、gps卫星信号覆盖，保持列车卫星信号不丢失。

8、系统网管对基站和终端的远程管理，实现登录管理、查询设置、故障管理、数据存储、远程数据更新、终端定位管理等功能。

附图说明

图1为车载设备和基站之间信号传输示意图。

图2为双向双边测距原理图。

图3为铁路隧道精确定位装置结构示意图。

图4为多模冗余热备份示意图。

图5为定位基站天线示意图。

图6为定位基站示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的铁路隧道精确定位装置结构如图3所示，包括隧道定位服务器tlbs，隧道定位服务器tlbs通过以太网连接到若干定位基站控制器tbc，每个定位基站控制器tbc连接有若干定位基站ubs，该定位基站控制器tbc控制下的若干定位基站ubs与一个定位终端ube进行交互定位，其中对定位基站ubs进行远程管理，接收定位基站控制器tbc和定位终端ube的定位数据，并进行数据处理和精度优化，数据存储和管理；所述的定位基站ubs实现基站之间精确同步，通过光纤或网线实现与基站ubs的数据通信，输出及显示ube终端的定位信息；uwb模块与地面定位基站应答，完成测距和数据通信工作

进一步改进，所述的定位终端ube和定位基站ubs采用多模冗余热备份，结构如图4所示：

1)基站ubs通过光纤与基站控制器tbc环形连接；

2)基站之间距离为500m，可采用poe供电；

3)tbc与ubs之间可以环网，也可以链型、星形组网；

4)地面ubs基站采用双机热备，保证系统安全；

5)光纤最远距离10km；

6)一台tbc可控制20台ubs，左右各10台，即每5km设置一台tbc。

进一步改进，所述的定位基站ubs如图5所示，包括基站系统以及安装在基站系统表面的v型护罩，所述的基站系统和v型护罩之间组成三棱柱结构，所述的v型护罩每个内表面上安装有一根基站天线，双天线背靠背安装，每个基站天线均与定位模块连接。

基站天线工作参数如下：

每台基站可以管理128个ube终端，同时定位和通信；

基站工作频率为4500mhz，工作带宽500mhz；

基站功耗小于5w，适应远程供电；

室外型设计，满足ip65防护要求；

天线和基站一体化设计；

外形尺寸：450x260x180。

进一步改进，所述的定位基站ubs如图6所示，包括数据通信与信号处理模块，数据通信与信号处理模块分别连接有uwb隧道定位模块、惯性导航定位模块、北斗rtk定位模块、通信模块、列控接口和显示终端，其中，室外主要由北斗rtk提供精确定位数据；室内主要由uwb提供定位数据；惯性导航定位根据列车的加速度和角速度提供连续的定位信息，对北斗和uwb定位进行修正。三种定位数据需要由定位数据信号处理模块进行数据筛选、对比等优化协同算法，最终输出准确可靠的定位数据。uwb模块与地面定位基站应答，完成测距和数据通信工作。

定位基站ubs工作参数如下：

工作频率：4243.2～4742.4mhz。

发射功率：-41dbm/mhz。

接收灵敏度：-106dbm。

定位方式：tdoa/tof。

测距范围：1～500米。

定位精度：±15cm。

通信速率：110kbps。

数据接口：spi、uart、usb。

工作电压：dc5v。

额定功率：＜5w。

工作温度：-40～75℃。

存储温度：-45～85℃。

工作湿度：0％～90％无凝结。

尺寸：50*15*8mm。

其中，rtk模块提供室外北斗卫星/gps/glonass的精确定位，同时提供惯性制导功能。北斗rtk模块主要技术指标：

本发明还提供了一种铁路隧道精确定位方法，包括以下步骤：

1)通过基站和终端测量到的发射-接收周期tround和响应周期treply可以计算出电波飞行时间tpr：

tx发送时间戳；rx接收时间戳；

tround：本地发射-接收往返时间；

treply：本地接收-转发时间延时；

tpr：空间飞行时间；

2)根据电波飞行时间计算列车到某固定公里标的距离dt，即可确定列车的位置dk：

当dt(t+1)>dt(t)，列车公里标：dk＝dkn+dt；

当dt(t+1)<dt(t)，列车公里标：dk＝dkn－dt。

本发明技术创新点如下：

1.uwb极窄脉冲定位基站和高速适应性技术：

根据铁路列车隧道和车站应用环境，开发出适合列车速度大于200km/h高速运动条件，同时每秒输出50次定位数据的uwb超宽带极窄脉冲成型和同步测距基站设备。

2.隧道车站内定位基站协同计算和组网技术：

长大隧道和大型车站要多组定位基站组网来实现覆盖，需制定多基站定位协议栈(含物理层、数据链路层和mac层)，实现多组定位基站组网、数据交互、数据协同实现精确定位算法等功能要求。

3.车地高速数据通信技术：

提供列车与隧道定位基站之间移动数据通信和定位信息传输，传输速率可达到6mbps，满足列车和基站之间信息传输。

4.车载定位终端和多模定位数据处理技术：

列车定位终端包含北斗精确定位、室内精确定位、高精度惯性导航定位等多个定位模块，需要对多组定位数据流进行自动选择、相互协同处理，给列车和管理中心提供准确定位数据。

5.符合列控要求的系统安全性和可靠性技术：

首先在基站和车载设备中采用多模冗余热备份技术，保证单节点故障不影响设备正常工作；其次在定位网络构架中，根据时分复用原理，同时采用三组定位链路，实现三取二确定定位数据，保证系统安全可靠。

6.隧道覆盖天线技术

为适应铁路隧道的一维使用环境，增加覆盖距离，采用微带天线阵列技术，研发出小型高增益的窄波束天线，波束角＜5°，增益＞20db。

7.隧道定位基站低功耗技术和poe集中供电技术。

本发明主要技术指标：

1.列车在隧道内定位精度不大于1米。

2.定位数据刷新率：50hz。

3.最高通信速率6.8mbps。

4.最大测距范围大于400米。

5.支持6个频段，中心频率在3.5ghz到6.5ghz之间。

6.发射功率密度-41.3dbm/mhz。

7.基站天线增益＞20db。

8.数据接口：以太网ip,光纤或网线。

9.电源接口：ac170v-240v。

10.基站额定功率：＜5w。

11.基站小区容量：128个用户。

12.工作温度：-25～55℃。

13.工作湿度：0％～90％无凝结。

14.防护等级：ip65。

目前国内有铁路13万公里，有2万3千公里隧道，还有一万多公里处于规划设计阶段，按照每公里5万元造价分析，未来五年北斗卫星隧道定位系统的市场规模在10～16亿元，同时还有一万台机车车载设备改造，市场在1亿以上。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。