专利名称：利用超宽频带来定位及控制铁路车辆的设备和方法
背景技术：
为了规划人口在××世纪迅速增长的大型城市群，地下铁路仍是公共交通的理想解决方案。这些至少局部位于地下的车道确实满足了近来清除城市群中心的车辆以及将城市变成步行区的需求，同时得以迅速通过城市群并且因而证实比环路更加有效。然而，改进服务质量或者由全自动城市铁路交通系统所运输的乘客的安全感，需要在许多领域中做出努力。
在出现新需要的情况下，除了关于在车载和地面自动化系统之间交换信息的基本需求之外，首先需要满足连续的地面-铁路车辆通信和较大的运输容量，所述新需要例如是车辆内部的摄像机监视用来保证乘客的安全，或者用于乘客的高吞吐量通信传输，例如多模式信息或多媒体服务。
相对于以前的网络而言，城市铁路线上站与站之间的平均距离趋于增长。以前的地下巴黎网络上大约为500米的距离，在1998年建造的自动化线路(“Météor”)上已经增长到2000米。根据要通达的城市规划的站之间的距离扩展，能够将运输列车的商业速度增加到接近50km/h，而之前的网络上的速度只约为25km/h。速度的提升不仅在于减少用户的平均旅行时间，而且还能够充分满足所谓的高峰时段的乘客流。
增加站之间的平均距离添加了这样的考虑越来越便于线路维护同时在地面上、车道上或在站之间只安排很少的元件，例如通信介质、信标(beacon)等。如果不存在任何通信介质(电缆、辐射波导(radiating guide)等)，则因此采用自由传播无线电技术。
在操作中，所有当前引航系统(driving system)都使用基于窄带或扩频技术的正弦波信号。无线电设备因而优选地远离于站而被安装。
然而，当考虑到正弦波无线电信号以低频(即仅几百MHz)通过隧道传播时，这些信号衰减得非常迅速。衰减在以100MHz通过公路隧道时可以达到每100米30到40dB。这种物理特性使其使用与现代城市管理运输中当前设想的站之间的距离(千米级)不相容。
发明内容
因此，本发明的目的是提供利用超宽频带来定位及控制铁路车辆的设备和方法，所述频带的设计及操作模式都很简单，具有很高的数据传输率并且十分经济，而且限制了与其它无线通信系统相互干扰的风险，由此实现了(特别是在隧道内)具有无线电覆盖接近100％的且高度可用的铁路车辆-地面电信、铁路车辆高度可靠的测距(hodometry)，以及所述车辆对前方环境的感知以探测障碍物并且因而增强乘客的安全性。这种系统还实现了车辆之间的直接通信，这在某些操作模式中被证实十分必要。
为此，本发明涉及用于定位及控制铁路车辆的设备，其包括固定站和中央控制站，所述固定站包括第一信号发送-接收装置，所述中央控制站连接到所述固定站并且控制运输区。
根据本发明，-每个铁路车辆都包括第二信号发送-接收装置，所述信号包括发送器的指定标识符和至少一个消息，-由所述固定站的发送-接收装置所发送的信号，包括发送器的指定标识符和至少一个消息，-所述中央控制站发送铁路操纵控制命令，-每个铁路车辆和每个固定站都包括处理装置，用于确定每个被接收信号的所述标识符和至少一个消息，-所述第一和第二发送-接收装置的信号是非正弦波无线信号，其具有频谱范围在1和10GHz之间的较大通带。
“铁路车辆”在此意味着任何导引运输系统，而与导引系统(guidingsystem)是否通过铁路、纵向轨枕或者任何其它装置来操作无关。
在用于定位及控制铁路车辆的设备的不同特定实施例中，每个实施例都具有其本身的优点并且能接受许多可能的技术组合-每个铁路车辆一方面包括用于确定所述车辆在运输区的位置和方向的装置，而另一方面包括用于确定所述车辆的实际速度测量值的装置，所述装置接收来自所述处理装置的信号，-每个铁路车辆都包括用于探测接收来自所述处理装置的信号的、车道上的被动障碍物或其它车辆的装置，-一方面确定每个铁路车辆在运输区中的定位、速度和方向，而另一方面实时并同步地实现障碍物的探测，-所述指定标识符是通过伪随机编码而获得的，-由所述中央站发送的铁路操纵控制命令包括至少一个铁路车辆的导航指令，-所述命令包括用于所述铁路车辆的通信，-所述中央控制站包括用于集中并且处理由所述固定站发送的数据的处理单元，和用于将所述数据实时显示在屏幕上的装置，本发明还涉及一种用于定位且控制铁路车辆的方法，其包括固定站和连接到该固定站的中央控制站，所述固定站包括第一信号发送-接收装置。
根据本发明，-每个铁路车辆包括第二信号发送-接收装置，-针对所述第一和第二发送-接收装置中的每一个确定指定标识符，所述信号是非正弦波无线信号，具有频谱范围在1和10GHz之间的较大通带，该信号包括所述标识符和至少一个消息，
-针对由所述固定站和每个铁路车辆所接收信号中的每一个，由所述处理装置来确定所述信号的所述标识符和至少一个消息，-铁路操纵控制命令由所述中央控制站来发送。
在不同的实施例中，本发明还涉及应该单独考虑或根据其所有可能的技术组合而考虑的下列特性-由所述中央站来控制的并且铁路车辆在其中运行的运输区，被分成通过长度D的相同基本网格(elementary mesh)的重复而被定义的点栅格(grid of point)，-所述基本网格的长度D通常被设定为几百米，-铁路操纵控制命令由所述中央控制站发送给每个铁路车辆，以便任何时候都在长度D上包括单个车辆，-铁路操纵控制命令由所述中央控制站发送给至少两个铁路车辆，以便在长度D上实现会合部署(rendezvous manoeuvre)，-所述基本网格的长度D随时间而变化，-所述基本网格的长度D是根据每个铁路车辆所发送的信号来被实时确定的，所述长度至少等于每个车辆之间的安全距离Dmin，所述中央站向每个铁路车辆发送铁路操纵控制命令，以保持每个车辆之间的所述距离D，-针对运行中的每个铁路车辆，由所述第二发送-接收装置来确定车道上的被动障碍物。
如前所述的用于控制及定位的设备和方法，可以有利地用于自动化地下运输列车。
将参考附图更详细地描述本发明，其中，图1是根据本发明实施例的用于定位及控制铁路车辆的设备的示意图。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明特定实施例的用于定位及控制铁路车辆的设备。所述设备包括固定站1，固定站1包括第一信号发送-接收装置。该设备还包括控制运输区并且连接到固定站1的中央控制站3。所述中央控制站3发送铁路操纵控制命令。在优选实施例中，这种命令包括在所述中央站3所控制的运输区中被定位的至少一个铁路车辆4的导航指令。而且，这种命令可以包括用于所述铁路车辆4所搭载的乘客的通信，例如业务信息、消息多媒体等。
固定站1所处理的地面信息可以在所有固定站1之中通过例如光纤的点对点链路5而被聚集，以便中央控制站3全面地知道在线路上运行的或在整个传输区中的所有铁路车辆4的速度、位置和状态。
中央控制站3可以包括用于集中并且处理由所述固定站发送的数据的处理单元，和用于将所述数据实时显示在屏幕上的装置。
每个铁路车辆4都包括第二信号发送-接收装置6。由所述第一和第二信号发送-接收装置2、6所发送的信号，包括发送器的指定标识符和至少一个消息。实际上，沿城市导引运输线路，存在有限数量的站以及因此的与这些站中每一个相关联的有限数量的固定站1，大约是几十个。在由中央控制站3控制的运输区中运行的铁路车辆4的数量也是有限的。每个固定站1以及因此的每个站和每个铁路车辆4可以因而归于单个标识符，如GPS(全球定位系统)卫星的PRN码。
“标识符”在这里意味着指定的代码和归于发送器的指定标识符。这些标识符为整个运输网络所知而不被泄露，这是由于这种元素被保密以改进通信的保密度，并且由此增加运输系统的整体安全性。每个铁路车辆4和固定站1的这些单个标识符根据超带宽技术来调制脉冲串。在无线电通信中，连续脉冲之间的间隙可以实际上保持不变，或者通过信息块、代码或同时通过二者而被改变。优选地，所述指定标识符是通过伪随机编码来获得的。
单个无线传输信道典型地是在隧道中可用的。为了提供控制操纵设备，几个铁路车辆或固定站应该能够同时接入所述无线信道。如全部在频带L中相同信道上发送的GPS卫星的星座图，运输网络的每个铁路车辆元素或每个固定通信站都关联于从一个系列中导出的特定代码(例如，GPS卫星情况下的黄金代码系列，或者从具有正交函数的系列中导出的still码)。所述代码系列中特别寻求的特性在于其正交特性，其使给定接收器能够以最小干扰来区别信号、在该领域中区别代码。
所述第一和第二发送-接收装置2、6的信号，是具有频谱范围在1和10GHz之间的较大通带的无线电信号。实际上，对于这种高频来说，隧道表现得如同超大波导。从那时起，对于几百米长的隧道段来说，频率为1到10GHz的信号衰减少了很多。这使得这些信号的传输平衡与千米级的范围相容。因此，这些信号很好地围绕于在地下隧道中有效传播的频率范围。此外，被处理信号的宽扩频以及超宽带信号很小的基本持续时间(纳秒级)，能够免除隧道中的困难传播条件，其特征在于与墙面反射结合的许多多径，以及在隧道中可能高达几十纳秒的信号扩展。因此，超宽带技术实现了例如自动化地铁的铁路车辆的自动引航系统所必需的最佳无线电覆盖。
所述第一和第二发送-接收装置2、6例如包括宽带天线7。当要求几乎不定向的辐射时，这种天线7可以是车载的，例如圆盘型单极或由两个圆盘形成的双极。在许多利用宽带天线的其它解决方案之中，这种安排能够为小于大约十厘米的圆盘直径提供所要求的1到10GHz的通带。这种天线7还可以例如被置于用于固定站1的站中、抛物线的焦点处或宽带聚焦元件的焦点处，从而增加方向性并且因此增加地面-铁路车辆链路的传输平衡。每个铁路车辆4和每个固定站1都包括用于确定每个被接受信号的所述标识符和至少一个消息的处理装置8。因此，由于每个固定站1或每个铁路车辆的发送器归于指定的代码，以及由于所述第一和第二发送-接收装置2、6在存储器中包括网络的不同发送-接收超宽带装置的标识符，因此每个固定或移动的超宽带接收器都可以部分地扮演这些不同的标识符，并且通过相关性而尝试对来自固定站1(站)的第一发送-接收装置2或铁路车辆4的第二发送-接收装置6的信号进行解码，该铁路车辆例如是具有无线电范围的列车。因此每个发送-接收装置2、6具有-一个或几个处理车道，其被锁定到无线电范围中的固定站1(站)和铁路车辆4(列车)的代码上。它们收集被发送的操作数据(列车和站的身份、速度、位置、状态等)；-一个或几个处理车道，其计算相对于与其建立超宽带通信的固定站1或铁路车辆4的速度；-一个车道，其计算站之间的距离以确定运输区的两个被识别中间站之间的列车4的位置；-一个车道，其在无线电覆盖区中扫描新的铁路车辆4或固定站1的出现，同时本地产生所有车辆4和固定站1的代码，并且尝试通过相关性来检测新的有用信号。
每个固定站1因此可以知道关于在其覆盖区9中运行的铁路车辆4的基本信息块。可能的是，基于对地面和车辆4之间所交换的超宽带信号进行分析，在地面上远程测量所述铁路车辆4的速度和位置，或接收在铁路车辆4上产生的这类信息块。
所有铁路车辆4可以计算它们到下游和上游固定站的距离，其中，所述车辆位于本地。车辆4还可以获取相对于邻近其它车辆4的关于身份、速度和位置的信息块。
这种定位及控制设备实现了准确的列车测距。它包括铁路车辆4(列车等)在运输区中的准确定位，这能够允许例如目标射击“goal shoot”，即能够准确地在停靠门，或在称为路段(block section)的几百米特定车道区的入口处自动管理铁路车辆4的停止。作为第一接近，铁路车辆4沿着车道一维运行。相对于上游和/或下游固定标记的距离测量，例如基于来自被地理定位且位于上游/下游站的设备的信号传输时间，高度确定且准确地确定被引导运行车辆的绝对位置。再次考虑到超宽带基本脉冲持续时间的量级，即与所采用的波形无关的纳秒级，这个持续时间对应于通过空中大约30cm的距离。通过处理信号可以获得等于所述长度的一部分的距离分辨率。这导致距离分辨率为几厘米级，这特别符合在铁路车辆4的停靠门之前准确停止的目标射击。超宽带技术也能够特别通过这个距离的推导来达到“铁路车辆的实际速度测量”，其实现不损害(没有非制动(un-braked)轴的)车辆的运动能力并且有效地包括低速(零速度检测-车辆停靠)。
每个铁路车辆4还包括用于通过利用超宽带雷达技术感知车辆前方环境来探测车道上的被动障碍物的装置。锁定在由第二发送-接收装置发送的关联代码(incident code)上的车道，试图探测车道中的被动障碍物。这种监视允许探测障碍物(在夜间工作期间留在车道上的物体、隧道顶部的落石等)或其它车辆，并且能够对列车的速度程序起作用(例如在意外障碍物情况下的紧急刹车)。在后一种情况中，这种监视功能能够根据特定模式来操作运输系统，例如在故障后停靠车辆或者在可分离列车中操作线路，该列车例如在线路中央具有最大数量的运行元素而在端部具有最小数量的运行元素。
本发明还涉及一种用于定位及控制铁路车辆4的方法，其包括固定站1和连接到该固定站1的中央控制站3，所述固定站包括第一信号发送-接收装置2。每个铁路车辆4都包括第二信号发送-接收装置6。
根据所述方法，针对所述第一和第二信号发送-接收装置2、6来确定指定标识符，所述信号是非正弦波无线电信号，其具有频谱范围在1和10GHz之间的较大通带并且包括所述标识符和至少一个消息。对于由固定站1和每个铁路车辆4所接收的信号中的每一个，由处理装置来确定所述信号的标识符和至少一个消息。铁路操纵控制命令由中央控制站来发送。
铁路线路操作根据两个可能的操作模式来执行。对于两个模式，由中央站3所控制的且铁路车辆4在其中运行的运输区，被分成通过长度D的相同基本网格的重复而被定义的点栅格。
基本网格的长度D可以被典型地被设为几百米，并且系统因而切换到所谓的具有固定路段的模式。铁路操纵控制命令然后由中央控制站3发送给每个铁路车辆，以便任何时侯都在长度D上包括单个车辆。这种固定路段的操作模式是最普通的操作模式。几千米长的地下线路实质上被分成一系列固定长度的路段。自动引航系统处理来自列车和地面的信息块(速度、位置、路段入口及占用探测器)，从而全部实现单个列车在任何时侯都占用一个路段。作为例子，固定的和车载的自动化将进行会话、准备以及管理列车在上游路段边界线的停靠，其中该列车试图进入另一辆列车所占用的下游路段。
基本网格的长度D还可以随时间变化，并且其因而是所谓的可变形移动路段模式。基本网格的长度D是根据由每个铁路车辆4所发送的信号而被实时确定的，所述长度至少等于每个车辆之间的安全距离Dmin，中央站3向每个铁路车辆4发送铁路操纵控制命令，以保持所述每个车辆之间的距离D。在第二种操作模式中，铁路线路不再限于固定路段，而是中央控制站3从线路上铁路车辆4中的每一个接收速度和位置信息。持久地计算列车中每一个前方的安全间隔，这允许所述列车在需要时安全地停下来。根据列车的运动能力(速度、制动能力、黏连(adhesion))，这个距离迅速地演进。这些信息块基于由所有列车周期发送的速度和位置而被持久地更新。地面系统计算对于速度及有限时期内(几百毫秒)有效行程的许可，并且将其发送回线路上的列车中的每一个。这个操作模式理论上能够处理线路的最大数量的列车，并且因而能够优化运输资源。
由于车辆之间的直接通信，这种计算也可以在列车上进行，而不必求助于地面上的固定技术装置。线路直接从列车来被管理，而地面系统只起监视的作用。
然而，存在混合的操作模式。当列车发生故障或者在可分离列车中操作的某些线路上时，应该进行会合部署以便该列车可以在非操作情况下推进或者连接到现有列车，从而例如在特别加载的线路的中央区中提供额外的运输能力。在两种情况下，列车进入被占用的路段，并且系统必须管理这种操作的安全，这因而证明了与具有固定路段的线路的基本操作原则相反。
根据本发明，用于定位及控制铁路车辆4的设备和方法，可以被有利地实现以满足下列功能中的一个或几个i.地面-铁路车辆4通信，ii.铁路车辆4之间的直接通信，iii.铁路车辆4(列车等)在由中央控制站3控制的运输区中的准确定位，iv.“铁路车辆的实际速度测量”，其实现没有损害(没有非制动轴)的车辆的运动能力并且有效地包括低速(零速度检测-车辆停靠)，v.通过利用超宽带雷达技术感知车辆前方环境，监视车道上的被动障碍物或其它车辆。
权利要求
1.一种用于定位及控制铁路车辆(4)的设备，其包括固定站(4)和中央控制站(3)，所述固定站包括第一信号发送-接收装置(2)，所述中央控制站连接到所述固定站(1)并且控制运输区，其特征在于，-每个铁路车辆(4)都包括第二信号发送-接收装置(6)，所述信号包括发送器的指定标识符和至少一个消息，-由所述固定站(1)的发送-接收装置(2)所发送的信号，包括所述发送器的指定标识符和至少一个消息，-所述中央控制站(3)发送铁路操纵控制命令，-每个铁路车辆(4)和每个固定站(1)都包括处理装置(8)，用于确定每个被接收信号的所述标识符和至少一个消息，-所述第一和第二发送-接收装置(2，6)的信号是非正弦波无线电信号，其具有频谱范围在1和10GHz之间的较大通带。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，每个铁路车辆(4)一方面包括用于确定所述车辆在所述传输区的位置和方向的装置，另一方面包括用于确定所述车辆的实际速度测量值的装置，所述装置接收来自所述处理装置的信号。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，每个铁路车辆(4)都包括用于探测接收来自所述处理装置的信号的、车道上的被动障碍物或其它车辆的装置。
4.根据权利要求1到3中任一个的设备，其特征在于，一方面确定每个铁路车辆(4)在所述运输区中的定位、速度和方向，另一方面实时且同步地实现障碍物的探测。
5.根据权利要求1到4中任一个的设备，其特征在于，所述指定标识符是通过伪随机编码来获得的。
6.根据权利要求1到5中任一个的设备，其特征在于，由所述中央站(3)发送的所述铁路操纵控制命令，包括至少一个铁路车辆(4)的导航指令。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于，所述命令包括用于所述铁路车辆(4)的通信。
8.根据权利要求1到7中任一个的设备，其特征在于，所述中央控制站(3)包括用于集中并且处理由所述固定站(1)发送的数据的处理单元，和用于将所述数据实时显示在屏幕上的装置。
9.一种用于定位及控制铁路车辆的方法，其包括固定站(1)和连接到该固定站(1)的中央控制站(3)，所述固定站(1)包括第一信号发送-接收装置(2)，其特征在于，-每个铁路车辆(4)都包括第二信号发送-接收装置(6)，-针对所述第一和第二发送-接收装置(2，6)中的每一个而确定指定标识符，所述信号是非正弦波无线电信号，其具有频谱范围在1和10GHz之间的较大通带，所述信号包括所述标识符和至少一个消息，-对于由所述固定站(1)和每个铁路车辆(4)所接收的信号中的每一个，由处理装置(8)来确定所述信号的所述标识符和至少一个消息，-铁路操纵控制命令由所述中央控制站(3)来发送。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，由所述中央站(3)所控制的并且所述铁路车辆(4)在其中运行的运输区，被分成通过长度D的相同基本网格的重复而被定义的点栅格。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述基本网格的长度D典型地被设定为几百米。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述铁路操纵控制命令由所述中央控制站(3)发送到每个铁路车辆(4)，以便任何时候都在所述长度D上包括单个车辆(4)。
13.根据权利要求11的方法，其特征在于。所述铁路操纵控制命令由所述中央控制站(3)发送到至少两个铁路车辆，以在所述长度D上实现会合部署。
14.根据权利要求10的方法，其特征在于，所述基本网格的长度D随时间而变化。
15.根据权利要求14的方法，其特征在于，所述基本网格的长度D是根据每个铁路车辆(4)所发送的信号而被实时确定的，所述长度至少等于每个车辆之间的安全距离Dmin，所述中央站(3)向每个铁路车辆(4)发送铁路操纵控制命令，以保持每个车辆之间的所述距离D。
16.根据权利要求9到15中任一个的方法，其特征在于，对于运行中的每个铁路车辆(4)，由所述第二发送-接收装置(6)来确定所述车道上的被动障碍物。
全文摘要
本发明涉及一种用于定位及控制铁路车辆(4)的设备和方法。该设备包括固定站(4)和连接到该固定站(1)的中央控制站(3)，所述固定站(1)包括第一信号发送－接收装置(2)。根据本发明，每个铁路车辆(4)包括第二信号发送－接收装置(6)。由所述第一和第二发送－接收装置(2，6)所发送的信号包括所述发送器的指定标识符和至少一个消息，并且是非正弦波无线电信号，其具有频谱范围在1和10GHz之间的较大通带。每个铁路车辆(4)和每个固定站(1)都包括处理装置(8)，用于确定每个被接收信号的标识符和至少一个消息。中央控制站(3)发送操纵控制命令。
文档编号G01S5/00GK1822976SQ200480020345
公开日2006年8月23日 申请日期2004年7月15日 优先权日2003年7月16日
发明者M·埃德博特, A·里旺-门哈吉, J-M·鲁韦恩, F·埃尔巴哈尔, J-P·吉斯 申请人:国立运输安全研究所, 科学研究国家中心