专利名称：采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明为采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的方法及系统，属于轨道交通车—地通信和列车实时追踪技术领域，特别适用于高速铁路车—地通信和列车实时追踪技术领域。
背景技术：
目前世界上高速列车区段只有日本采用漏泄同轴实现车—地通信，日本所采用的漏泄同轴的辐射槽是“八”字形的，它的耦合损耗波动高达20dB，同时由于在漏缆中没有光纤束管，不能构成光电转换稳定的宽带的车—地通信系统，整个系统的使用带宽不到1MHz，不能传递高速列车准确定位和实时追踪的功能，而且车载的发射和接收天线都是开放式的天线，车载的发射系统将对外界产生电磁场干扰，车载的接收系统也容易受到外界电磁波的干扰。车—地通信系统关系到行车的安全，如受到外加干扰，将增加误码，甚至使行车指令产生错误。尤其是在非常时期，敌人很容易在较远的地区利用众多电台对行车指挥的车—地通信系统进行攻击，导致车—地行车系统的瘫痪。这就需要研制出耦合损耗稳定可靠、能较长距离传输宽频带的列车信息的具有光电转换功能的漏泄波导光缆和由纵向开槽漏泄同轴制成的车载和发射天线，以形成列车或高速列车的准确定位和实时追踪的方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的方法及系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪系统，包括双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆、漏泄同轴电缆制成的车载天线、光电变换发送接收模块、列车定位和指挥系统终端、车载数字信息处理系统和宽带高频放大器、滤波器、高速数据处理终端、根据轨道曲率半径和路基情况制定的三维电子地图。
采用双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆，包含了漏泄同轴内导体，该内导体由两侧含有加强钢丝的塑料空管作为机械强度支撑体，在该空管内具有多纤光纤束管，在内导体外，有物理发泡绝缘层，在绝缘层上纵包轧有周期性正反“E”形辐射槽的铜带，形成漏泄同轴的外导体，外导体上挤塑外护层。
漏泄同轴电缆制成的车载天线，结构为利用外导体纵向长槽漏泄同轴的nλ/4的短路线作为车载系统的发射和接收天线。其中n为1、3、5、7、9、11、13、15......的奇数，λ分别是车载发送天线或接收天线的电磁波波长。天线终端内外导体采用直径与纵向长槽漏泄同轴外导体直径一致的铜片密封短路，始端内外导体分别接馈线的内外导体。
光电变换发送接收模块利用了漏泄同轴光缆中的光纤束，构成了光电变换发送接收结构，结构中含有光纤的合波和分波器、光的调制器和探测器、大功率高频放大器、电的滤波器和功率分配器，采用800～900MHz或400～450MHz范围内的频率作为漏泄同轴工作频率。
车载数字信息处理系统含有电的滤波器、QPSK电的调制系统、高频宽带电的放大器、根据轨道曲率半径和路基情况制定的三维电子地图、高速数据处理及显示终端、车载发射和接收天线。
列车定位和指挥系统的终端含有光纤发射和接收模块、电的滤波器、QPSK电的调制系统、高频宽带电的放大器、高速数据处理终端、根据轨道曲率半径和路基情况制定的三维电子地图、最优化行车运行图的决策结构和行车指令发出系统。
一种采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的方法，核心思想如下车载天线接收到相应的准确位置标定信号时，在三维电子地图上将明确标出机车所在的准确位置，还可精确计算出机车实际运行速度和加速度。这样指挥中心接收到每趟列车所发出的实时信息，就可在电子地图上实时显示出在整个调度区间内每趟列车所在的准确标定位置、运行速度和加速度。计算机根据该电子地图内存数据和实时接收到的各列车的信息，迅速计算出最佳列车运行图，并向各趟列车发出相应的行车指令，而列车接收到行车指令后，按指令操纵列车加速、减速甚至刹车，这就是本发明所实现的列车或高速列车准确定位和实时追踪的方法。
本发明的有益效果是这种天线与漏泄同轴间的耦合性能稳定可靠，使车载天线接收系统对外来电磁波干扰具有很高的防卫度，车载发射天线系统场强随距离增加而迅速衰减，具有很大的社会效益和经济效益。
利用漏泄同轴光缆系统实现列车定位和实时追踪的方法，可以用在时速高达430公里的磁浮列车车一地通信系统上，漏泄同轴的耦合效率很好，且稳定可靠。而且在漏泄同轴1km的范围内完全没有误码，在功率分配器连接左右两根漏泄同轴处产生“准确位置标定信号”，见附图9、10、11。
利用漏泄同轴光缆系统实现列车定位和实时追踪的方法，可以用在高速列车系统中。
利用漏泄同轴光缆系统实现列车定位和实时追踪的方法，可以用在地铁轨道交通系统，可以缩短地铁行车间隔。目前北京的地铁行车间隔最短为3分30秒，平均为8分钟，世界上各国地铁行车间隔一般为1分30秒。采用本系统后可以达到1分30秒，达到世界先进水平，为08年奥运会做出贡献。
图1为双钢丝加强内导体用铜塑复合带结构示意图。
图2为双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆外导体结构示意图。
图3为双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆结构示意图。
图4为漏泄同轴电缆制成的车载天线结构示意图。
图5为光电变换发送接收模块结构示意图。
图6为终端设备结构示意图。
图7为车载数字信息处理系统结构示意图。
图8为利用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪系统结构示意图。
图9为实验中使用的漏泄同轴电缆在810MHz频率处的典型耦合损耗曲线。
耦合损耗(50％)54dB@810MHz。
(100％)60dB@810MHz。
传输损耗26.7dB/km@810MHz，驻波系数小于1.2。
图10为实验中使用的漏泄同轴电缆在855MHz频率处的典型耦合损耗曲线。
耦合损耗(50％) 52dB@855MHz。
(100％) 58dB@855MHz。
传输损耗27.1dB/km@855MHz。驻波系数小于1.2。
图11漏泄同轴光缆用于时速高达430公里的磁浮列车车—地通信系统结构示意图。
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
具体实施例方式
实施例1
1.发明了双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆，如附图1、2、3所示。由聚乙烯或其它塑料所挤塑成形塑料空管，塑料空管的两侧含有两根加强钢丝(201)。两根加强钢丝与塑料空管中心在同一平面上，这种含有两根加强钢丝的塑料空管是内导体的机械强度支撑体(202)。在挤塑过程中，在含有两根加强钢丝的塑料空管(202)中，纵向放置具有充油的光纤束管(203)(充油束管中的光纤数由系统需求确定)，该充油光纤束管(203)是车—地通信的光传输媒质，可以构成光电转换高质量的车—地通信系统。制备宽度大于含有两根加强钢丝的塑料空管(202)横截面周长3～5mm的铜塑复合带(204(103))，该铜塑复合带(204(103))是在0.05mm左右的铜带(101)两面涂有丙烯酸类的塑料薄膜(102)而形成的，这种丙烯酸类的塑料薄膜既能与铜箔紧密粘合，又能与聚乙烯精密粘合。将上述铜塑复合带(204(103))纵包在含有两根加强钢丝的塑料空管(202)上，并在纵包成形过程中加热使纵包缝隙粘合，形成内导体(205)，由于内导体是有0.05mm左右的铜塑复合带所组成，所以可节省大量的铜，使漏缆的价格下降。这种新型内导体大小尺寸由漏泄同轴结构尺寸所决定，在内导体上有相应厚度的物理发泡聚乙烯绝缘层(206)。宽度大于上述物理发泡聚乙烯绝缘层横截面周长5～7mm厚0.1mm的铜带(207)上，周期性轧制正反“E”字形辐射槽(208)。将上述轧有周期性正反“E”字形辐射槽的铜带(207)纵包在物理发泡聚乙烯绝缘层(206)上，形成漏泄同轴外导体(209)。在漏泄同轴外导体(209)上挤塑2.5mm厚的聚乙烯护层(301)这就制成了双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆。
2.发明了漏泄同轴电缆制成的车载天线，如附图4所示。利用外导体纵向长槽漏泄同轴的nλ/4的短路线作为车载系统的发射和接收天线。其中n为1、3、5、7、9、11、13、15......的奇数，λ分别是车载发送天线或接收天线的电磁波波长。这种漏泄同轴由内导体(401)、绝缘介质(402)、外导体(403)和护套(404)组成。截取nλ/4长度的漏泄同轴，并将其终端内导体(401)和外导体(403)用直径与纵向长槽漏泄同轴外导体直径一致的铜片(405)密封短路，始端内外导体分别接馈线的内外导体，即制成纵向长槽漏泄同轴车载天线(406)。这种天线与漏泄同轴间的耦合性能稳定可靠。使车载天线接收系统对外来电磁波干扰具有很高的防卫度，车载发射天线系统场强随距离增加而迅速衰减，具有很大的社会效益和经济效益。
3.发明了光电变换发送接收模块，它包含两个部分。从列车定位和指挥系统的终端传来的光信号经分波器后分离出承载于该节点波长上的光信号，再经光滤波器、O/E变换器、前置放大及功率放大器和电的滤波器后恢复出终端发往列车的电信号。这一信号经双工器和功率分配器后双向馈入漏泄同轴光缆的内外导体。从列车传来的电信号耦合进入漏泄同轴光缆的内外导体，经功率分配器、双工器后取出由列车发往列车定位和指挥系统终端的电信号。这一电信号经电滤波器、前置放大器、E/O变换器和光滤波器后变换成承载于该节点波长上的光信号，经合波器后传送到列车定位和指挥系统终端。如附图5所示。
4.发明了列车定位和指挥系统终端的结构。该终端具有光电转换设备、根据轨道曲率半径和路基情况制定的三维电子地图。该电子地图上标注有沿线各区段允许行车速度和从λ1～λn的准确位置标定点、高速数据处理系统和大屏幕显示系统。列车发往该终端的光信号经波分解复用器、高速光开关、O/E变换器、前置放大器和电的滤波器后恢复出电信号，经调制解调器后取出数据信号。计算机主机采集这一信号，并结合三维电子地图信息进行综合分析，将列车信息实时显示在大屏幕显示器上。该终端发往列车的信号经调制解调器、电的滤波器、前置放大器、E/O变换器后变换成承载于特定波长上的光信号。经高速光开关和波分复用器后传输到指定节点。如附图6所示。
5.发明了车载数字信息处理系统结构。车载接收天线接收列车定位和指挥系统终端发来的电信号，经电的滤波器、前置放大器、电的滤波器、调制解调器后恢复出数据信号。计算机主机采集这一信号，并结合三维电子地图信息进行综合分析，将列车定位和指挥系统终端发来的信息实时显示在计算机显示屏上，并执行列车定位和指挥系统终端下达给该列车的行车指令。列车发往列车定位和指挥系统终端的信号经调制解调器、电的滤波器、前置放大器、功率放大器、电的滤波器后进入车载发射天线辐射出去。如附图7所示。
6.由上述五项发明结构组成了新型的列车准确定位和实时追踪系统。光电变换发送接收模块作为中间节点一边接光纤的合波分波器，另一边的功率分配器分别接在两根长度为500～1000m的漏泄同轴光缆内外导体。漏泄同轴光缆内外导体终端接特性阻抗，长度视系统使用情况而定。车载发送和接收天线的辐射槽与漏泄同轴光缆的辐射槽正对，中间间隔1m左右。如附图8所示。
7.在该准确定位和实时追踪系统中，漏泄同轴光缆中的两根光纤在整个线上是连通的，其中一根在光电变换发送接收结构中有光的分波器，分下λi(其中λi可以是λ1、λ2、λ3......λn)的波长，所分下λi的光信号经光电变换为发送的电信号，放大后进入功率分配器，再连接到左右两根漏泄同轴光缆上，这样列车定位和指挥系统终端发出的行车指令就由漏泄同轴辐射到车载天线，机车就可无误码地接收到指挥中心所发出的行车指令。第二根光纤在光电变换发送接收结构中有λi的合波器，从漏泄同轴经波长分配器接收的机车信号，经光电变换变成光信号，再经合波器传至列车定位和指挥系统终端，这样列车定位和指挥系统终端就可以接收到整个行车调度区段所有机车发出的信息。
8.在光电变换发送接收模块结构中经功率分配器与左右两根漏泄同轴光缆相连，两根漏泄同轴光缆的间隔约0.2m，同时在两根同轴特性阻抗连接处相互间隔也是0.2m，车载天线在经过0.2m时收到的是“位置标定信号”。这个“位置标定信号”就是准确定位定标信号。列车准确定位和实时追踪系统是采用QPSK的调制，传输速率高达4Mbps，其传输信息的方式是每隔20ms发送一组列车信息，而且每组信息重复发十次，所以“位置标定信号”不会影响列车信息传输的正确性。这种车—地信息通信的误码率远远＜10-6。德国的磁悬浮列车车—地信息通信的误码率的要求是＜10-6。
实施例2一种采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪系统，包括双钢丝加强内导体“ E”形开槽外导体漏泄同轴光缆、漏泄同轴电缆制成的车载天线、光电变换发送接收模块结构、列车定位和指挥系统的终端结构、车载数字信息处理系统结构和宽带高频放大器、滤波器、高速数据处理终端、根据轨道曲率半径和路基情况制定的三维电子地图。
双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆，结构为采用双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆，由聚乙烯或其它塑料所挤塑成形塑料空管，塑料空管的两侧含有两根加强钢丝，纵向放置具有充油的光纤束管。采用宽度大于含有两根加强钢丝的塑料空管横截面周长3～5mm的铜塑复合带，该铜塑复合带是在0.05mm左右的铜带两面涂有丙烯酸类的塑料薄膜，将上述铜塑复合带纵包在含有两根加强钢丝的塑料空管上，并在纵包成形过程中加热使纵包缝隙粘合，形成内导体，在内导体上有相应厚度的物理发泡聚乙烯绝缘层。宽度大于上述物理发泡绝缘层横截面周长5～7mm厚0.1mm的铜带上，周期性轧制正反“E”字形辐射槽。将上述轧有周期性正反“E”字形辐射槽的铜带纵包在物理发泡聚乙烯绝缘层上，形成漏泄同轴外导体。在漏泄同轴外导体上挤塑2.5mm厚的聚乙烯护层构成了双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆。
漏泄同轴电缆制成的车载天线，结构为利用外导体纵向长槽漏泄同轴的nλ/4的短路线作为车载系统的发射和接收天线。其中n为1、3、5、7、9、11、13、15......的奇数，λ分别是车载发送天线或接收天线的电磁波波长，这种漏泄同轴由内导体、绝缘介质、外导体和护套组成。截取nλ/4长度的漏泄同轴，并将其终端内导体和外导体用直径与纵向长槽漏泄同轴外导体直径相同的铜片密封短路，始端内外导体分别接馈线的内外导体，即制成纵向长槽漏泄同轴车载天线。
光电变换发送接收模块中的功率分配器分别接在两根长度为500(或1000m)的漏泄同轴光缆的端头，这两根漏泄同轴光缆的另一端接有该漏泄同轴光缆的特性阻抗，漏泄同轴光缆中的两根光纤在整个线上是连通的，其中一根在光电变换发送接收结构中有光的分波器，分下λi(其中λi可以是λ1、λ2、λ3......λn)的波长，所分下λi的光信号经光电变换为发送的电信号，放大后进入功率分配器，再连接到左右两根漏泄同轴光缆的内外导体。
光电变换发送接收模块，利用了漏泄同轴光缆中的光纤束构成了光电变换发送接收结构。结构中含有光纤的合波和分波器、光的调制器和探测器、大功率高频放大器、电的滤波器和功率分配器。采用频率约为800～900MHz范围内的频率，也可采用400～450MHz。
光电变换发送接收模块中功率分配器与左右两根漏泄同轴光缆的连接点、两根漏泄同轴光缆终端特性阻抗的连接点就是准确位置标定点。
车载数字信息处理系统含有电的滤波器、QPSK电的调制系统、高频宽带电的放大器、高速数据处理终端、根据轨道曲率半径和路基情况制定的三维电子地图、车载发射和接收天线、执行列车定位和指挥系统终端下达的行车指令的执行结构。
列车定位和指挥系统的终端含有光纤发射和接收模块、电的滤波器、QPSK电的调制系统、高频宽带电的放大器、高速数据处理终端、根据轨道曲率半径和路基情况制定的电子地图、最优化行车运行图的决策结构和行车指令发出系统。
列车定位和指挥系统的终端发出的行车指令由漏泄同轴辐射到车载天线，列车可无误码地接收到列车定位和指挥系统的终端所发出的行车指令。第二根光纤在光电变换发送接收结构中有λi的合波器，从漏泄同轴经波长分配器接收的机车信号，经光电变换变成光信号，再经合波器传至列车定位和指挥系统的终端，这样列车定位和指挥系统的终端就可以接收到整个行车调度区段所有机车发出的信息。
在光电变换发送接收模块结构中经功率分配器与左右两根漏泄同轴光缆相连，两根漏泄同轴光缆的间隔约0.2m，同时在两根同轴特性阻抗连接处相互间隔也是0.2m，车载天线在经过0.2m时收到的是“位置标定信号”。这个“位置标定信号”就是准确定位定标信号。列车准确定位和实时追踪系统是采用QPSK的调制，传输速率高达4Mbps，其传输信息的方式是每隔20ms发送一组列车信息，而且每组信息重复发十次，所以“位置标定信号”不会影响列车信息传输的正确性。这种车—地信息通信的误码率远远＜10-6。德国的磁悬浮列车车—地信息通信的误码率的要求是＜10-6。
车载天线的接收系统在λi的位置上收到了“位置标定信号”，这时机车上计算机的电子地图上，将明确标出机车所在的准确位置，还可精确计算出机车实际运行速度和加速度。这样列车定位和指挥系统的终端接收到每趟列车所发出的实时信息，就可在三维电子地图上实时显示出在整个调度区间内每趟列车所在的准确标定位置、运行速度和加速度。计算机根据该电子地图内存数据和实时接收到的各列车的信息，迅速计算出最佳列车运行图，并向各趟列车发出相应的行车指令，而列车接收到行车指令后，按指令操纵列车加速、减速甚至刹车。
权利要求
1采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的系统，其特征是包括下面结构(1)双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆；(2)漏泄同轴电缆制成的车载天线；(3)光电变换发送接收模块；(4)列车定位和指挥系统的终端；(5)车载数字信息处理系统。
2根据权利要求1所述的采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的系统，其特征是采用双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆，包含了新型的漏泄同轴内导体，该内导体由两侧含有加强钢丝的塑料空管作为机械强度支撑体，在该空管内具有由多根光纤构成的光纤束管，在内导体上挤塑有物理发泡绝缘层，在绝缘层上纵包轧有周期性正反“E”形辐射槽的厚0.1mm的铜带，形成漏泄同轴的外导体，外导体上挤塑2.5mm厚护套。
3根据权利要求1所述的采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的系统，其特征是漏泄同轴电缆制成的车载天线利用纵向长槽漏泄同轴的nλ/4的短路线，作为车载系统的发射和接收天线，其中n为1、3、5、7、9、11、13、15……的奇数，λ分别是车载发送天线或接收天线的电磁波波长。天线终端的内外导体用直径与纵向长槽漏泄同轴外导体直径相同的铜片密封短路。
4根据权利要求1所述的采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的系统，其特征是光电变换发送接收模块利用了漏泄同轴光缆中的光纤束，构成了光电变换发送接收结构，结构中含有光纤的合波和分波器、光的调制器和探测器、大功率高频放大器、电的滤波器和功率分配器，采用频率约为800～900MHz范围内的频率，或采用400～450MHz。
5根据权利要求1所述的采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的系统，其特征是列车定位和指挥系统的终端结构含有光纤发射和接收模块、电的滤波器、QPSK电的调制系统、高频宽带电的放大器、高速数据处理终端、根据轨道曲率半径和路基情况制定的三维电子地图、最优化行车运行图的决策结构和行车指令发出系统。
6根据权利要求1所述的采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的系统，其特征是车载数字信息处理系统结构含有由漏泄同轴组成的发送和接收天线、宽带高频放人器、滤波器、高速数据处理终端、根据轨道曲率半径和路基情况制定的三维电子地图、执行列车定位和指挥系统终端下达的行车指令的执行结构。
7根据权利要求1所述的采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的系统，其特征是光电变换发送接收模块中功率分配器与左右两根漏泄同轴光缆的连接点、两根漏泄同轴光缆终端特性阻抗的连接点就是准确位置标定点。
8采用漏泄同轴光缆实现列车定位和实时追踪的方法，其特征是车载天线接收到相应的准确位置标定信号时，在电子地图上将明确标出机车所在的准确位置，精确计算出机车实际运行速度和加速度，这样指挥中心接收到每趟列车所发出的实时信息，就可在电子地图上实时显示出在整个调度区间内每趟列车所在的准确标定位置、运行速度和加速度，计算机根据该电子地图内存数据和实时接收到的各列车的信息，迅速计算出最佳列车运行图，并向各趟列车发出相应的行车指令，而列车接收到行车指令后，按指令操纵列车加速、减速甚至刹车。
全文摘要
利用漏泄同轴光缆系统实现列车定位和实时追踪的方法和总体结构的发明由五个发明所组成双钢丝加强内导体“E”形开槽外导体漏泄同轴光缆、漏泄同轴电缆制成的车载天线、光电变换发送接收结构、列车定位和指挥系统的终端结构、车载数字信息处理系统结构，列车接收到相应的准确位置标定信号时，电子地图将明确标出机车所在的准确位置，算出机车实际运行速度和加速度。指挥中心接收到每趟列车的实时信息，可在电子地图上实时显示出在整个调度区间内每趟列车所在的准确标定位置、运行速度和加速度。计算机根据上述信息迅速计算出最佳列车运行图，并向各趟列车发出相应的行车指令，列车接收到行车指令后，按指令操纵列车加速、减速甚至刹车。
文档编号G02B6/00GK1994800SQ20061016981
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月29日 优先权日2006年12月29日
发明者简水生, 延凤平, 童治, 简伟, 范林勇 申请人:北京交通大学