一种利用双移动台的基于LTE‑R的列车定位方法与流程

本发明属于轨道交通技术领域，涉及一种列车定位方法，具体指利用双移动台的一种基于LTE-R的列车定位方法。

背景技术：

现有的列车定位方法主要是依靠轨道电路、查询应答器、里程计等传统设备，以及GPS、扩频无线定位等新型设备来完成。其中，传统设备使用成本高，安全性和可维护性差，且只能给出点式位置信息，不能实现连续定位；GPS虽可以实现列车连续定位，但其高精度和高可靠性与可视卫星的数目和几何分布密不可分，且受制于卫星设备的性能情况，上述因素均不在铁路运营部门的控制范围内，一旦卫星发生故障无法立即修复，列车运行将受到很大的影响；扩频无线电定位装置具有定位精度高的优势，但是需要设置专用的扩频基站，定位成本较高，易受到复杂无线通信环境的干扰，从而影响定位效果。

近年来，一些利用铁路专用通信系统进行列车定位的想法被陆续提出。如利用铁路沿线布设的GSM-R（GSM for Railway, 铁路数字移动通信系统）基站定位方法，及而后提出的利用铁路专用宽带移动通信系统LTE-R的列车定位方法，均是利用通信基站及车载信号接收发送设备来实现列车的无线定位。

新一代铁路专用通信系统LTE-R，较之于GSM-R系统更具技术优势，具体表现为：高数据速率、分组传送、延迟降低，且定位协议中专门设计了定位参考信号，不需要设计专门的突发脉冲序列作为定位请求，因此选用LTE-R系统实现列车定位更具有前瞻性。

但是上述利用铁路专用通信系统进行列车定位的方法，其定位精度不高，单接收机在定位过程中引入的随机误差较大，定位系统的可靠性和稳定性较差，因此需要综合考虑运行性能以及成本，提供一种新的列车定位方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种利用双移动台的基于LTE-R的列车定位方法，主要针对现有铁路通信系统定位精度不高的技术问题，实现提高现有通信系统的利用率、降低定位成本，并充分利用铁路列车自身的信息，提高列车定位精度的目的。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种利用双移动台的基于LTE-R的列车定位方法，具体包括以下步骤：

S1：确定列车当前所在服务区的通信基站，将该通信基站前后相邻的两个铁路移动通信系统LTE-R的通信基站作为定位服务基站，并得到这两个定位服务基站的位置坐标；由两个定位服务基站同时向列车发送含定位参考信号PRS的下行链路信号；

S2：利用分置于列车车头和车尾的两个车载移动台接收上述定位信号，并由车载数据处理模块计算出，来自上述两个定位服务基站的定位参考信号PRS分别到达两个车载移动台的时间差，即定位参考信号到达时间差，车载数据处理模块根据定位参考信号到达时间差和定位服务基站所在的位置坐标生成两条参考信号到达时间差单边双曲线；

S3：两条到达时间差单边双曲线分别与列车当前的行进曲线相交于两个点，车载数据处理模块再根据列车长度对上述两个交点进行定位数据融合，最终得到列车的位置。

优选地，上述步骤S3中的定位数据融合具体是指对两个交点取其中点进行融合处理；首先，上述两个交点即为基站定位得到的车头和车尾位置，根据车头和车尾位置求得它们的中点位置；然后，根据此刻列车的自然伸展长度，将中点位置沿列车行进方向和列车行进的反方向分别移动上述列车长度的半个列车长度的距离，得到列车车头和车尾的实际位置坐标。

优选地，所述的定位服务基站为分布式定位基站。

优选地，所述的车载移动台是指分别设置于列车车头和车尾的两个移动台，每个移动台各自包含一套信号发送接收设备。

优选地，所述的定位参考信号PRS是移动通信系统LTE-R在协议规范中引入的专门用于无线定位的信号，只能在LTE分配的资源块上传输，适用于子载波间隔为15kHz的情况，在天线端口6上传输，用于定位的定位参考信号在天线端口上传输，减小了参考信号与有用信号之间的干扰，不会对LTE-R通信系统中其他的通信业务造成干扰。

本发明的有益效果是：

1、利用双机车载移动台接收基站定位信号，解决单接收机在定位过程中引入的随机误差较大，定位系统的可靠性和稳定性较差的问题；

2、由于列车的长度即车头和车尾间的距离是已知的，本发明利用这一特性，对得到的车尾、车头的基站初步定位数据取中点进行融合处理，提高了定位精度，解决了现有无线定位误差大，定位不精确的问题；

3、本发明充分利用铁路列车自身的信息，以提高列车定位精度；并在现有系统基础上进行改进，提高了现有通信系统的利用率，降低了定位改造成本。

附图说明

图1为本发明利用双移动台的基于LTE-R的列车定位流程示意图；

图2为本发明利用双移动台的基于LTE-R的基站布设示意图；

图3为本发明利用双移动台的基于LTE-R的定位原理示意图；

图4为本发明利用双移动台的基于LTE-R中的定位数据融合示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。

如图1、2、3所示，一种利用双移动台的基于LTE-R的列车定位方法，具体包括以下步骤：

步骤1：确定列车当前所在服务区的通信基站，将该通信基站前后相邻的两个铁路移动通信系统LTE-R的通信基站作为定位服务基站，并得到这两个定位服务基站的位置坐标；由这两个定位服务基站同时向该列车发送含定位参考信号PRS的下行链路信号；

如图2所示，首先根据基站服务小区搜索的一般流程进行服务小区搜索，确定列车当前所处的通信基站——基站2，再根据通信基站2的位置确定其相邻两个通信基站作为定位服务基站——基站1和基站3，得到这两个定位服务基站的位置坐标；并由基站1和基站3同时向列车发送含有定位参考信号PRS的下行链路信号。其中，定位参考信号PRS是移动通信系统LTE在其第九版协议规范R9中引入的专门用于无线定位的信号，只能在LTE分配的资源块上传输，适用于子载波间隔为15kHz的情况，在天线端口6上传输，用于定位的定位参考信号在天线端口上传输，减小了参考信号与其他有用信号之间的干扰，不会对LTE-R通信系统中其他的通信业务造成干扰。

步骤2：利用分置于列车车头和车尾的两个车载移动台分别接收上述定位信号，车载移动台即车载发送接收模块，其自包含一套信号发送接收设备；由车载数据处理模块计算得出，来自上述两个定位服务基站的定位参考信号PRS分别到达两个车载移动台的时间差，即定位参考信号到达时间差，车载数据处理模块根据定位参考信号到达时间差和定位服务基站所在的位置坐标生成两条参考信号到达时间差单边双曲线；

如图3所示，位于车头和车尾的两个移动台同时接收定位信号，车载数据处理模块分别计算得到基站1和基站3发送的定位参考信号PRS到达两个信号接收机即车载移动台的时间差d₁₁、d₁₂、d₃₁和d₃₂，再结合基站1和基站3的位置坐标分别得到到达时间差单边双曲线——到达时间差单边双曲线1和到达时间差单边双曲线2。

步骤3：两条到达时间差单边双曲线分别与列车当前的行进曲线相交于两个点，车载数据处理模块再根据列车长度对上述两个交点进行定位数据融合，最终得到列车的具体位置。其中，车载数据处理模块只是完成相对简单的数学计算，采用现有普通的计算机即可实现。定位数据融合具体是指对两个交点取其中点进行融合处理；首先，上述两个交点即为基站定位得到的车头和车尾位置，根据车头和车尾位置求得它们的中点位置；然后，根据此刻列车的自然伸展长度，将中点位置沿列车行进方向和列车行进的反方向分别移动上述列车长度的半个列车长度的距离，得到列车车头和车尾的实际位置坐标

如图3所示，列车行进曲线与单边双曲线1和单边双曲线2分别相交与两点，这两个交点即为基站定位得到的列车车头和车尾的位置坐标，由于无线定位过程中各种误差因素的存在，使得得到的定位点不精确，与实际的位置坐标之间有一定的误差，但是列车的长度即车头和车尾之间的距离是已知的，本发明专利利用列车的这一特点，对定位得到的车尾、车头的位置数据取中点进行融合处理，进一步提高了定位精度。

如图4所示，为本发明实施例所述的利用双移动台的基于LTE-R的列车定位方法的定位数据融合示意图，首先根据定位得到的车头、车尾位置A1、B1，求得它们的中点位置C1，再根据此刻列车的自然伸展长度，将C1分别沿着列车行进方向和列车行进的反方向分别移动半个上述列车长度的距离，最终得到列车车头位置A2和车尾位置B2，即为精确后的列车位置数据。

如图1所示，本发明工作中具体的定位流程为：首先，由车载移动台（即车载发送接收模块）发送定位请求给基站模块（即LTE-R通信系统的通信基站），由基站模块作出回应并报告基站服务区，从而确定列车所在的基站服务区以及两个相邻的定位服务基站；然后，由定位服务基站向列车的车载移动台发送含定位参考信号PRS的下行链路信号；最后，由车载数据处理模块经定位参数估计以及位置解算等数据计算处理后，得到列车具体的位置数据。

以上实施例仅是示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。