李諾，祁振鵬，楊佳衛(wèi)

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210031）

0 引言

中國(guó)現(xiàn)代化的高速地鐵，都是使用基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行定位，以此確保列車行車安全。系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備如果發(fā)生各種故障或者供能的問(wèn)題，列車與地鐵控制中心的通信便會(huì)中斷，之間的傳輸信號(hào)也將停止，這個(gè)時(shí)候各個(gè)傳感器之間無(wú)法正常通信與數(shù)據(jù)匯總。在這個(gè)時(shí)候，就無(wú)法與列車取得通信，也無(wú)法通過(guò)系統(tǒng)收到列車的準(zhǔn)確位置和行進(jìn)狀況，就會(huì)很容易發(fā)生列車追尾等事故。

所以要制作一種冗余定位系統(tǒng)，在原有系統(tǒng)管控之外，可以作為安全保障，來(lái)確保地鐵在自動(dòng)控制系統(tǒng)或設(shè)備故障斷電時(shí)可以及時(shí)重新獲取地鐵列車的位置和運(yùn)行速度，這對(duì)于人民安全乘坐地鐵出行具有重要的意義。

1 確定定位主系統(tǒng)

基站定位系統(tǒng)通過(guò)各種運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取用戶的位置信息，大多用于手機(jī)定位?；径ㄎ恢饕砣缦拢菏褂猛ㄐ旁O(shè)備如手機(jī)，接收來(lái)自其他運(yùn)營(yíng)商基站的下行導(dǎo)頻信號(hào)，根據(jù)信號(hào)的狀態(tài)來(lái)獲取這些基站下行導(dǎo)頻TOA（TimeofArrival到達(dá)時(shí)刻）或TDOA(Time Differenceof Arrivalm到達(dá)時(shí)間差)，依據(jù)得到的這些數(shù)值與這些信號(hào)來(lái)源的基站具體坐標(biāo)，通過(guò)距離位置算法例如三角公式，綜合運(yùn)算得出終端設(shè)備的具體位置信息。

一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算移動(dòng)設(shè)備實(shí)際空間位置的算法，需要通過(guò)與多個(gè)基站間的距離參數(shù)來(lái)定位，正常情況下，使用的基站數(shù)目，與移動(dòng)設(shè)備的定位精確度是有正比關(guān)系的?；径ㄎ灰揽康氖峭ㄐ呕镜男盘?hào)傳輸，移動(dòng)通信技術(shù)從2G一直到現(xiàn)在高速發(fā)展的5G，誕生了多種技術(shù)，例如GSM、LTE和NR等。

基于TDOA的定位距離算法：是根據(jù)多個(gè)基站收到相同信號(hào)時(shí)間不同產(chǎn)生的差值，來(lái)計(jì)算出目標(biāo)的坐標(biāo)。TDOA為了得到時(shí)間差，需要有節(jié)點(diǎn)去傳輸不同速度的信號(hào)，其他節(jié)點(diǎn)收到發(fā)送來(lái)的信號(hào)，就得到不同信號(hào)的到達(dá)的時(shí)間差，由已知這些信號(hào)的傳輸速度再根據(jù)到達(dá)時(shí)間差，便可算出節(jié)點(diǎn)之間的距離，得到不同節(jié)點(diǎn)的距離通過(guò)算法就能得出節(jié)點(diǎn)的具體坐標(biāo)。DOA定位對(duì)于現(xiàn)在是地鐵上的定位的意義在于不需要過(guò)高的網(wǎng)絡(luò)要求，并且精度較高。各種不同的移動(dòng)通信系統(tǒng)基本都可以適用TDOA技術(shù)，尤其適用于CDMA系統(tǒng)。把傳輸信號(hào)的進(jìn)行擴(kuò)頻操作，以得到更寬的頻譜范圍，是CDMA系統(tǒng)所運(yùn)用的方式，這可以讓整個(gè)系統(tǒng)更好的減弱多徑效應(yīng)帶來(lái)的干擾。CDMA系統(tǒng)是一種非功率的敏感系統(tǒng)，正常情況下信號(hào)的衰落對(duì)精度帶來(lái)的影響偏小。但是因?yàn)橛泄β士刂频挠绊懀倩局車欢ǚ秶鷥?nèi)的發(fā)射信號(hào)功率會(huì)受影響變小，這樣就導(dǎo)致相鄰的另一基站收到的功率也會(huì)變小，這就會(huì)導(dǎo)致了更大的定位誤差。最終選用TDOA測(cè)距技術(shù)作為定位技術(shù)。

2 仿真

2.1 算法介紹

Chan算法是TODA定位的一種有效算法，與Fang算法類似屬于非遞歸雙曲線方程組解法，能夠通過(guò)求解表達(dá)式得到一個(gè)解析表達(dá)式解。此算法的特點(diǎn)是當(dāng)測(cè)量的誤差值呈常態(tài)分布時(shí)，算法的定位精度高、求解簡(jiǎn)單，而且可以通過(guò)增加基站的方式使定位的精度更高。測(cè)量誤差為零均值高斯隨機(jī)變量是Chan算法推導(dǎo)的基礎(chǔ)，對(duì)于誤差值較大的測(cè)量值，該算法的性能會(huì)有顯著下降。在二維情況下，Chan算法只有兩種情況，三個(gè)基站參與定位和三個(gè)以上基站參與定位。

2.1.1 三個(gè)基站參與定位

三個(gè)基站參與定位如圖1所示，移動(dòng)臺(tái)為MS，固定基站為BS接收來(lái)自MS的信號(hào)。

圖1 三個(gè)基站于移動(dòng)臺(tái)的位置關(guān)系

BS1等基站的坐標(biāo)已知，為假設(shè)第i個(gè)基站位置為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)。假設(shè)第i個(gè)基站位置為(xi,yi)。把移動(dòng)臺(tái)MS的位置設(shè)為(x,y)。此時(shí)設(shè)BS1為固定站，所以距離差的基準(zhǔn)都是以BS1為準(zhǔn)。

根據(jù)幾何關(guān)系可以確定下面的表達(dá)式：

通過(guò)代入化簡(jiǎn),并經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算可得到MS的估計(jì)坐標(biāo)：

2.1.2 多個(gè)基站參與定位

當(dāng)基站數(shù)量大于3時(shí)，TDOA值要想得到更為精確結(jié)果，那么通過(guò)測(cè)試得到的非線性方程組個(gè)數(shù)就必須要多于未知變量的個(gè)數(shù)。為了使Chan算法獲得更好的MS所在的位置估計(jì)，使用加權(quán)最小二乘法，可以使測(cè)量時(shí)的冗余數(shù)據(jù)得到充分的使用，同時(shí)就能使得到的MS位置估計(jì)變得更加精準(zhǔn)，提高定位精度，使精度達(dá)到100m左右。接著在用兩次加權(quán)最小二乘法使得到經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的坐標(biāo)估計(jì)。

第一次WLS:

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)與基站距離較遠(yuǎn)時(shí)，可近似為：

第二次WLS：

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)與基站距離較遠(yuǎn)時(shí)，可近似為：

最終移動(dòng)臺(tái)定位的結(jié)果為：

2.2 直線軌道仿真

直線軌道仿真加入了適當(dāng)?shù)母咚拱自肼?，考慮到基站輻射的范圍各不相同，軌道方向?yàn)閄軸方向，基站分別設(shè)立在軌道兩旁平行于X軸如圖2所示。X的坐標(biāo)精度遠(yuǎn)大于Y坐標(biāo)的精度。在直線軌道仿真中測(cè)試了多組數(shù)據(jù)，列車速度分別為16m/s, 32m/s, 64m/s, 128m/s, 256m/s時(shí)列車定位估算位置，并計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差以及方差，標(biāo)準(zhǔn)差如圖3所示，方差如表1所示。

圖2 直線軌道以及基站設(shè)定示意圖

圖3 位置距離標(biāo)準(zhǔn)差

表1 直線軌道定位方差

以上為測(cè)試噪聲為0的情況下列車定位的坐標(biāo)，下面將噪聲加入仿真軟件，分別測(cè)試了當(dāng)信號(hào)能量歸一化時(shí)，噪聲方差為1，2，3，4，5時(shí)的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)噪聲越大的時(shí)候定位的標(biāo)準(zhǔn)差越大，即噪聲越小定位越準(zhǔn)確。

圖4-圖6為測(cè)試噪聲時(shí)的位置標(biāo)準(zhǔn)差。

圖4 噪聲為1時(shí)定位方差圖

圖5 噪聲為2時(shí)定位方差圖

圖6 噪聲為3時(shí)定位方差圖

由定位標(biāo)準(zhǔn)差圖像可以看出，當(dāng)噪聲越大的時(shí)候，Y軸標(biāo)準(zhǔn)差越大，也就是定位精度越低，由此可以得到在進(jìn)行定位時(shí)，就要將噪聲因素考慮進(jìn)去，需要對(duì)噪聲做進(jìn)一步處理，將噪聲的干擾減小到最小才能夠獲得更精確的位置信息。

（1）由于基站的布置狀況基本與列車運(yùn)行軌道相平行，基本成直線型，在Y軸定位坐標(biāo)的精確度上會(huì)產(chǎn)生較大影響。不過(guò)對(duì)于地鐵列車定位來(lái)說(shuō)，該誤差可以忽略不記，因?yàn)樵诘罔F列車直線軌道仿真中，列車行駛的軌道一定是已經(jīng)設(shè)定好的直線軌道，在定位時(shí)，只需要X軸的定位精確度達(dá)到即可確定列車位置，并對(duì)列車運(yùn)行安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）在設(shè)計(jì)實(shí)際列車定位系統(tǒng)時(shí)要考慮到多普勒效應(yīng)對(duì)列車定位精度的影響，不過(guò)由于列車速度相對(duì)與電磁波的速度來(lái)說(shuō)要慢很多，所以多普勒效應(yīng)對(duì)定位精度的影響很小，幾乎可以忽略不記。在仿真時(shí)列車的運(yùn)行速度已經(jīng)達(dá)到了256m/s，實(shí)際地鐵車的運(yùn)行速度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)達(dá)不到這個(gè)速度的，所以對(duì)于仿真結(jié)果來(lái)說(shuō)幾乎沒有影響。因?yàn)殡姶艌?chǎng)的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于列車運(yùn)行速度。

（3）Y軸誤差大的緣由主要是軌道是按直線型布置，而基站也只是沿著軌道兩旁進(jìn)行布置，并且與軌道相平行，也為直線型排布，而Y軸上的基站布置卻少之又少，引起Y軸的定位精度不夠準(zhǔn)確。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件各部分組裝框圖如圖7所示，安置固定在3D打印外殼內(nèi)如圖8所示，使定位裝置便于攜帶安裝。硬件上電，測(cè)量穩(wěn)壓模塊的輸入輸出電壓，電壓正常。燒入測(cè)試程序，程序?qū)懭胝＃琇CD模塊顯示當(dāng)前位置經(jīng)度和緯度，則判斷SIM7600CE工作正常。

圖7 硬件系統(tǒng)框圖

STM32單片機(jī)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)定位芯片SIM7600CE，及其處理定位信號(hào)并上傳至服務(wù)器。SIM7600CE與STM32芯片間的數(shù)據(jù)交互是通過(guò)串口發(fā)送AT指令來(lái)完成。定位芯片SIM7600CE在STM32的控制下連接基站獲取定位信息?？刂芁CD顯示屏顯示當(dāng)前經(jīng)緯度以及系統(tǒng)工作狀態(tài)。電池與降壓模塊給系統(tǒng)提供合適的工作電壓電流。

定位模塊安裝后見圖8，紅色開關(guān)為電源開關(guān)，黑色圓點(diǎn)為鋰電池充電接口。

圖8 硬件實(shí)物圖

4 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

定位芯片通過(guò)手機(jī)通信信號(hào)接入LTE終端，通過(guò)eNodeB基站接入Internet。安裝TCP服務(wù)器的PC，打開1234端口作為TCP服務(wù)器，通過(guò)校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入 Internet。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中安裝了TCP服務(wù)器的PC終端內(nèi)網(wǎng)IP地址為10.10.69.60。然后打開花生殼服務(wù)器開啟內(nèi)網(wǎng)穿透功能。10.10.69.60：1234映射的地址為 103.46.128.49：58596。定位芯片或其他客戶端想要連接至TCP服務(wù)器時(shí)可通過(guò)連接花生殼服務(wù)器上的地址（103.46.128.49：58596）實(shí)現(xiàn)TCP連接。網(wǎng)絡(luò)框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)組網(wǎng)框圖

基站定位系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信采用TCP/IP技術(shù)，定位芯片SIM7600CE與服務(wù)器不在同一局域網(wǎng)內(nèi)，為了使SIM7600CE能與服務(wù)器成功建立TCP連接，需使服務(wù)器的IP及端口應(yīng)映射在公網(wǎng)上，這里使用的工具是上海貝銳信息科技股份有限公司開發(fā)的“花生殼”內(nèi)網(wǎng)穿透軟件。因?yàn)槭褂玫氖荰CP鏈接，所以在做內(nèi)網(wǎng)穿透時(shí)應(yīng)用類型選擇TCP。域名使用自己申請(qǐng)的域名，外網(wǎng)的端口可使用隨機(jī)分配的端口，也可使用購(gòu)買的指定端口。

5 結(jié)論

本文對(duì)于現(xiàn)今的地鐵列車定位做了一個(gè)冗余地鐵定位系統(tǒng)來(lái)應(yīng)對(duì)CBTC可能會(huì)發(fā)生的一些突發(fā)情況，保障人民出行安全。

采用MATLAB軟件來(lái)對(duì)定位系統(tǒng)在實(shí)際地鐵環(huán)境上進(jìn)行模擬仿真。由于模擬數(shù)據(jù)定位的精確度要求，和已經(jīng)成熟的算法信息，還有對(duì)于環(huán)境復(fù)雜程度影響的要求，最終確定了使用Chan算法，作為地鐵列車定位技術(shù)的定位算法。

硬件方面，使用STM32主控來(lái)制作基于基站地鐵列車定位系統(tǒng)。定位選用SIM7600ce芯片來(lái)接收信號(hào)定位。通過(guò)組裝，加入屏幕12864、電池模塊和降壓模塊，最終實(shí)物成型。