宋麗梅，郭玉梅

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712100；2.武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，湖北 武漢 430030）

在列車運(yùn)行過程中，對(duì)無線通信系統(tǒng)有較高要求，要求其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)備和軟件算法必須適應(yīng)高速環(huán)境，有高速切換功能，以滿足鐵路特定的業(yè)務(wù)需求，以保證列車的安全控制和旅客的數(shù)據(jù)傳輸[1]。列車定位是指確定列車位置的方法，其主要采用相應(yīng)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)定位[2]。常見列車定位方法主要有以下四種：①擴(kuò)頻無線電法；②軌道電路法；③交叉感應(yīng)環(huán)線法；④查詢應(yīng)答器法。但其存在無法實(shí)現(xiàn)高精度定位、連續(xù)定位、低費(fèi)用運(yùn)營(yíng)，只能提供某些固定點(diǎn)處的位置信息、軌旁設(shè)備需求量大等問題[3]。列車無線定位主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)定位基站與待定位列車間的距離估算，主要利用的是無線信號(hào)攜帶的相關(guān)參數(shù)，從而達(dá)到定位列車位置的目的。采用列車無線定位技術(shù)，具有低成本、高精度、滿足對(duì)應(yīng)列車連續(xù)定位的優(yōu)點(diǎn)[4]。

1 列車定位現(xiàn)狀分析

1.1 傳統(tǒng)定位

1）軌道電路定位。軌道電路以鋼軌作為導(dǎo)體，以鋼軌絕緣劃分不同軌道區(qū)段，由發(fā)送端鋼軌與接收端組成一閉合回路，當(dāng)列車輪對(duì)壓入軌道區(qū)段時(shí)，輪對(duì)分路使得接收端無法獲電，軌道繼電器失磁落下，證明軌道區(qū)段有車占用，從而確定列車此刻占用軌道區(qū)段的位置，定位列車運(yùn)行位置。如圖1所示。

圖1 軌道電路定位

2）查詢-應(yīng)答器定位。查詢-應(yīng)答器有三大模塊組成：地面應(yīng)答器和軌旁電子單元 (Line-side Electronic Unit, LEU)車載查詢器，地面應(yīng)答器——儲(chǔ)存列車位置信息，查詢器——讀取相應(yīng)地名應(yīng)答器上信息。

3）交叉感應(yīng)回線定位。要實(shí)現(xiàn)列車定位，則在線路等距離設(shè)置交叉電纜，車載設(shè)備通過駛過交叉點(diǎn)的列車記錄線內(nèi)極性變化次數(shù)，根據(jù)相應(yīng)地址碼定位列車。

1.2 新型定位

1）測(cè)速定位。要實(shí)現(xiàn)列車定位，則需根據(jù)列車運(yùn)行距離，目前，常用的測(cè)速法由測(cè)量輪對(duì)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化測(cè)出的列車直線速度。

2）衛(wèi)星定位。要實(shí)現(xiàn)定位，需對(duì)列車運(yùn)行位置進(jìn)行估算，其需要借助衛(wèi)星發(fā)射的定位參考信號(hào)進(jìn)行定位。常用三大定位技術(shù)——“北斗”系統(tǒng)、GPS、伽利略系統(tǒng)[5]。

2 無線定位

根據(jù)測(cè)量參數(shù)的不同，可將無線定位技術(shù)劃分為：

1）基于接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的定位技術(shù)。信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)衰減與傳播距離呈反比是該定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位的主要依據(jù)，忽略噪聲影響，將以觀測(cè)站位置作為圓心、傳輸距離為半徑的圓上定位待定位接收機(jī)[6]，從而實(shí)現(xiàn)三角定位，三角定位法如圖2所示，三個(gè)圓直徑范圍代表的是發(fā)射機(jī)所發(fā)送相關(guān)信號(hào)，其最大傳輸距離。

圖2 三角定位法

2）基于TOA/TDOA定位技術(shù)。TOA定位技術(shù)以到達(dá)信號(hào)的時(shí)間作為測(cè)量參數(shù)、TDOA定位技術(shù)以到達(dá)信號(hào)的時(shí)間差作為測(cè)量參數(shù)，TDOA是在TOA基礎(chǔ)上得來的，二者都通過測(cè)量信號(hào)對(duì)應(yīng)的傳播時(shí)間，從而達(dá)到確定目標(biāo)列車位置的目的。TDOA定位（二次定位）法如圖3所示，TDOA發(fā)射機(jī)1與發(fā)射機(jī)3時(shí)間差等值的單邊雙曲線交叉點(diǎn)——接收機(jī)估計(jì)位置。

圖3 TDOA二次定位

時(shí)間參數(shù)要得到可靠估計(jì)，才可實(shí)現(xiàn)高精度定位，時(shí)間參數(shù)估計(jì)與帶寬成反比例關(guān)系，帶寬越大時(shí)間參數(shù)估計(jì)精讀則越小，各通信系統(tǒng)的現(xiàn)有最大時(shí)間估計(jì)誤差與距離測(cè)量誤差如圖4所示[7]。

圖4 最大時(shí)間估計(jì)誤差與距離測(cè)量誤差

3）基于AOA的定位技術(shù)。AOA定位技術(shù)以其自身接收的信號(hào)的入射角度為依據(jù)，從而判定相應(yīng)的移動(dòng)臺(tái)的方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位目的，其采用的定位方法是角度定位法，以天線陣列來測(cè)量和估計(jì)波達(dá)角。

4）基于FDOA的定位法。差分多普勒定位法，利用多普勒頻移作為定位的依據(jù)。相比TDOA定位方法，F(xiàn)DOA定位精度較高，但要求對(duì)應(yīng)的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)有相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)。

3 LTE-R系統(tǒng)

LTE系統(tǒng)中采用正交頻分復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)可有效解決信號(hào)抗衰問題。

3.1 OFDM技術(shù)

LTE系統(tǒng)下行鏈路調(diào)制技術(shù)采用OFDM技術(shù)。OFDM核心技術(shù)——原高速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)為N路低速并行數(shù)據(jù)，采用子數(shù)據(jù)流對(duì)N路子載波進(jìn)行調(diào)制，從而最終進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。LTE中對(duì)應(yīng)OFDM參數(shù)見表1。

表1 LTE系統(tǒng)OFDM符號(hào)基本參數(shù)

3.2 定位參考信號(hào)

參考信號(hào)——導(dǎo)頻信號(hào)，是一種用于信道估計(jì)或信道探測(cè)的已知信號(hào)，由發(fā)射端提供給接收端，其主要作用有以下幾種：

（1）信道質(zhì)量測(cè)量；

（2）信道估計(jì)；

（3）小區(qū)搜索；

（4）接收機(jī)的相干檢測(cè)和解調(diào)。

該已知信號(hào)適用的載頻只能是F=15kHz載波間隔，其傳輸只能是6(Port6)天線端口，主要作用是可以有效避免減小信號(hào)與數(shù)據(jù)間的干擾[8]。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)定位方案

根據(jù)LTE協(xié)議規(guī)范，3GPP組織認(rèn)為有①增強(qiáng)型小區(qū)ID定位，②OTDOA定位，③A-GNSS定位三種標(biāo)準(zhǔn)化的定位方法[9]。

3.4 無線定位的優(yōu)點(diǎn)

由于鐵路線路的距離問題，對(duì)運(yùn)行中的列車實(shí)現(xiàn)無線定位，與采用公共網(wǎng)絡(luò)的無線定位有一定的差異，但其還是體現(xiàn)了其定位的自身優(yōu)勢(shì)，具體見表2。

表2 無線定位優(yōu)點(diǎn)

4 結(jié)論

為保證對(duì)列車的控制及旅客數(shù)據(jù)傳輸，本文提出了一種基于LTE-R的列車無線定位方法，該方法有效避免了無法實(shí)現(xiàn)高精度定位、連續(xù)定位、低費(fèi)用運(yùn)營(yíng)，只能提供某些固定點(diǎn)處的位置信息、軌旁設(shè)備需求量大的問題，其利用了現(xiàn)有鐵路的專用通信系統(tǒng)。