本發(fā)明屬于鐵路信號技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于衛(wèi)星導航、無線指紋及北斗短報文通信的列車定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

鐵路信號系統(tǒng)負責控制列車在線路上的運行，通常采用時間分隔或者空間分隔等方法來確保列車彼此之間保持固定或者可變的間隔，實現(xiàn)列車的追蹤運行。在上述控制中，需要獲取每列列車的當前位置并實時給出相應的授權(quán)指令，以確保列車不產(chǎn)生追尾碰撞等情況。

目前，我國鐵路列車定位主要有如下幾種方式：

1、基于軌旁安裝的軌道電路或者計軸設(shè)備與地面控制系統(tǒng)連接，通過軌道占用空閑檢查來實現(xiàn)列車定位；

2、通過車載轉(zhuǎn)速計或轉(zhuǎn)速計加雷達構(gòu)成車載測速測距單元，配合地面應答器校準，通過gsm-r/ltr-r/lte-m/wifi/漏纜/波導管傳送到地面控制系統(tǒng)實現(xiàn)列車定位；

3、結(jié)合上述第1種和第2種方式，在采用第2種方式的同時，利用車載軌道電路讀取器獲得第1種方式地面上鋪設(shè)的軌道電路信息(如長度、分隔點等)，進行數(shù)據(jù)融合修正，進一步提高定位精度。

對于上述方式1，需要在軌旁安裝大量設(shè)備，建設(shè)成本較高，安裝維護困難，且無論是軌道電路還是計軸，都不可避免存在易受干擾的問題。特別是目前國內(nèi)大量采用的軌道電路方式，存在紅光帶和壓不死的問題。

對于上述方式2，一方面，雷達容易受雨水、金屬物體等干擾，轉(zhuǎn)速計無法有效應對空轉(zhuǎn)和打滑；即便兩者組合，也無法避免輪徑磨耗帶來的誤差，需要定期修正輪徑數(shù)據(jù)；另一方面，軌旁需要部署大量的地面應答器，安裝維護工作量大，一旦線路變化，需要重新配置應答器，更改麻煩，且容易出錯；另外，暴露在線路中央的應答器，也容易被列車遺灑物覆蓋或者砸壞，或者失竊。因為應答器是單向通信，定位信息傳遞到軌旁時，要么部署大量的地面通信基站或者無線接入點，要么需要沿軌道部署漏泄電纜或者漏泄波導管，導致系統(tǒng)建設(shè)成本較高，而且易受干擾。

對于上述方式3，通過結(jié)合方式1和方式2，雖然提高了定位精度，但是系統(tǒng)復雜度提高了，引入的設(shè)備和系統(tǒng)更多更復雜了，而且，由于軌道電路分隔區(qū)并不是物理上的一個點，而是邊界模糊的一個區(qū)段，對絕對精度的提升有限，一旦軌道參數(shù)變化，還容易引入新的干擾。同時，方式3的軌旁設(shè)備數(shù)量并沒有減少，同時也沒有擺脫對軌旁通信基礎(chǔ)設(shè)施的依賴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種新型的基于衛(wèi)星導航、無線指紋及衛(wèi)星短報文通信的列車定位系統(tǒng)，通過引入衛(wèi)星短報文通信，結(jié)合衛(wèi)星導航、無線信號監(jiān)測、慣性導航和轉(zhuǎn)速計等技術(shù)，在不依賴軌旁通信基礎(chǔ)設(shè)施的同時，降低了對應答器的依賴，同時提升了定位精度。同時，根據(jù)需要，可以與既有的列車定位系統(tǒng)并存和兼容。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

一方面，本發(fā)明提供一種基于衛(wèi)星導航、無線指紋及衛(wèi)星短報文通信的列車定位系統(tǒng)，包括：列車車頭定位單元和列車車尾定位單元；所述列車車頭定位單元包括：第一短報文裝置、第一cpu、第一衛(wèi)星導航裝置、第一慣性導航裝置和第一無線電裝置；所述第一cpu分別與所述第一短報文裝置、所述第一衛(wèi)星導航裝置、所述第一慣性導航裝置、所述第一無線電裝置進行通信連接；所述列車車尾定位單元包括：第二短報文裝置、第二cpu、第二衛(wèi)星導航裝置、第二慣性導航裝置和第二無線電裝置；所述第二cpu分別與所述第二短報文裝置、所述第二衛(wèi)星導航裝置、所述第二慣性導航裝置、所述第二無線電裝置進行通信連接；所述第一無線電裝置和所述第二無線電裝置用于采集列車兩端當前位置的無線電信號特征。

其中，所述無線電信號特征可以是頻率、場強和/或基站的識別號等。

其中，所述第一cpu和所述第二cpu可以分別包括多個cpu單元，相應的，所述第一衛(wèi)星導航裝置和所述第二衛(wèi)星導航裝置可以分別包括多個衛(wèi)星導航單元，所述第一慣性導航裝置和所述第二慣性導航裝置可以分別包括多個慣性導航單元。所述衛(wèi)星導航裝置可以具有相應的衛(wèi)星天線。所述第一短報文裝置和所述第二短報文裝置可以分別具有相應的衛(wèi)星短報文天線，所述第一無線電裝置和所述第二無線電裝置可以分別具有相應的無線偵聽天線。

其中，所述列車車頭定位單元和所述列車車尾定位單元還可以具有電源裝置、防雷裝置及外殼。

進一步地，所述第一衛(wèi)星導航裝置和所述第二衛(wèi)星導航裝置用于采集列車兩端的位置數(shù)據(jù)。

進一步地，所述第一慣性導航裝置和所述第二慣性導航裝置用于采集列車兩端的慣導數(shù)據(jù)。

進一步地，所述第一cpu和所述第二cpu用于根據(jù)所述列車兩端的位置數(shù)據(jù)實時解算出列車位置。

其中，所述慣導數(shù)據(jù)(如加速度、加速度、磁偏角等)用來提高列車定位系統(tǒng)的定位精度。

進一步地，所述第一cpu和所述第二cpu用于提取所述列車兩端當前位置的無線電信號特征，形成區(qū)域的無線電信號指紋，存入列車地面控制系統(tǒng)的鐵路沿線無線電指紋數(shù)據(jù)庫。

進一步地，在將區(qū)域的無線電信號指紋存入列車地面控制系統(tǒng)的鐵路沿線無線電指紋數(shù)據(jù)庫時，同時存入該指紋的時間戳。

其中，可通過列車多次反復運行，不斷擴大和更新所述無線電指紋數(shù)據(jù)庫。

進一步地，第一cpu發(fā)送控制指令到第一衛(wèi)星導航裝置和/或第一慣性導航裝置，接收第一衛(wèi)星導航裝置和/或第一慣性導航裝置的數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度、速度、航向和/或加速度、角速度等)；第二cpu發(fā)送控制指令到第二衛(wèi)星導航裝置和/或第二慣性導航裝置，接收第二衛(wèi)星導航裝置和/或第二慣性導航裝置的數(shù)據(jù)(經(jīng)緯度、速度、航向和/或加速度、角速度等)；第一cpu和第二cpu還分別控制第一無線電裝置和第二無線電裝置，實時收集鐵路沿線的所述無線電信號特征。第一cpu和第二cpu還分別控制第一短報文裝置和第二短報文裝置，接收和發(fā)送衛(wèi)星短報文。

另一方面，本發(fā)明還提供一種基于上述列車定位系統(tǒng)進行列車定位的方法，包括以下步驟：

1)所述第一衛(wèi)星導航裝置和所述第二衛(wèi)星導航裝置實時采集列車兩端的位置數(shù)據(jù)；所述第一無線電裝置和所述第二無線電裝置用于采集列車兩端當前位置的無線電信號特征；

2)所述第一cpu和所述第二cpu根據(jù)所述列車兩端的位置數(shù)據(jù)實時解算出列車位置；所述第一cpu和所述第二cpu提取所述列車兩端當前位置的無線電信號特征，形成區(qū)域的無線電信號指紋，存入列車地面控制系統(tǒng)的鐵路沿線無線電指紋數(shù)據(jù)庫；

3)根據(jù)衛(wèi)星信號獲取列車位置；根據(jù)實時采集到的無線電信號特征，向所述無線電指紋數(shù)據(jù)庫進行索引，獲得對應的列車位置。

進一步地，還包括以下步驟，

4)通過衛(wèi)星短報文通信，將步驟3)獲取的列車位置信息傳送給所述列車地面控制系統(tǒng)；

5)如果根據(jù)衛(wèi)星信號解算的列車位置與實時采集到的無線電信號索引的列車位置不同，在鑒別后選擇是否丟棄。

其中，上述“第一”、“第二”僅是為了標識，并不意圖限定部件的結(jié)構(gòu)。上述“列車”的類型可以例如是普通列車、動車、高鐵、城市軌道車輛等軌道編組車輛。上述“衛(wèi)星”可以是具有定位和短報文通信功能的各種衛(wèi)星系統(tǒng)。

本發(fā)明的有益效果：

1、同時收集衛(wèi)星定位信號和鐵路沿線無線電信號，并通過持續(xù)收集和特征采集，建立鐵路沿線的無線電指紋特征數(shù)據(jù)庫，并持續(xù)更新該數(shù)據(jù)庫；

2、首先采用衛(wèi)星導航作為列車定位手段，在衛(wèi)星信號不可用(如隧道、山區(qū)、峽谷等)的情況下，仍然可以鐵路沿線無線電指紋特征數(shù)據(jù)庫，獲得較為精準的列車定位；

3、采用衛(wèi)星短報文通信傳遞列車定位信息，避免了沿線大量建設(shè)通信基站或者無線接入點、敷設(shè)露纜或者波導管等工作，可以有效節(jié)約建設(shè)成本；

4、列車頭部和尾部可同時定位，由于列車有一定長度，在一端信號無效時，如果另一端信號有效，仍然可以有效定位。

5、利用系統(tǒng)的鐵路沿線無線電指紋特征數(shù)據(jù)庫，在收到假的衛(wèi)星信號和攻擊信號時，可以在一定程度上識別。

本發(fā)明將列車定位由地面的軌道空閑檢測設(shè)備(軌道電路、計軸等)被動檢查改為列車主動檢查，以車載設(shè)備為主體，但可以大量減少應答器的部署，同時不再依賴軌旁車地通信基礎(chǔ)設(shè)施，可以大幅減少軌旁設(shè)備，既降低了系統(tǒng)復雜度，同時提升了系統(tǒng)可靠性，減少了維修工作量。同時，因為衛(wèi)星定位精度較高，且沒有累積誤差，相對依靠軌道空閑檢測的區(qū)段級定位和以來輪徑數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速計定位，優(yōu)勢較大。

附圖說明

圖1本發(fā)明的具體實施方式的基于衛(wèi)星導航、無線指紋及衛(wèi)星短報文通信的列車定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明的另一種實施方式的列車車頭定位單元和列車車尾定位單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖1—2對本發(fā)明的基于衛(wèi)星導航、無線指紋及衛(wèi)星短報文通信的列車定位系統(tǒng)及定位方法做詳細說明。該實施方式中的衛(wèi)星以北斗衛(wèi)星為例。

如圖1所示，基于衛(wèi)星導航、無線指紋及北斗短報文通信的列車定位系統(tǒng)，包括：列車車頭定位單元和列車車尾定位單元；

列車車頭定位單元包括：第一短報文裝置70、第一cpu10、第一衛(wèi)星導航裝置30、第一慣性導航裝置20和第一無線電裝置50；第一cpu10分別與第一短報文裝置70、第一衛(wèi)星導航裝置30、第一慣性導航裝置20、第一無線電裝置50進行通信連接；

列車車尾定位單元包括：第二短報文裝置70、第二cpu10、第二衛(wèi)星導航裝置30、第二慣性導航裝置20和第二無線電裝置50；第二cpu10分別與第二短報文裝置70、第二衛(wèi)星導航裝置30、第二慣性導航裝置20、第二無線電裝置50進行通信連接；

第一無線電裝置50和第二無線電裝置50用于采集列車兩端當前位置的無線電信號特征。

第一衛(wèi)星導航裝置30和第二衛(wèi)星導航裝置30用于采集列車兩端的位置數(shù)據(jù)。

第一慣性導航裝置20和第二慣性導航裝置20用于采集列車兩端的慣導數(shù)據(jù)。

第一cpu10和第二cpu10用于根據(jù)列車兩端的位置數(shù)據(jù)實時解算出列車位置。

第一cpu10和第二cpu10用于提取列車兩端當前位置的無線電信號特征，形成區(qū)域的無線電信號指紋，存入列車地面控制系統(tǒng)90的鐵路沿線無線電指紋數(shù)據(jù)庫。

在將區(qū)域的無線電信號指紋存入列車地面控制系統(tǒng)(90)的鐵路沿線無線電指紋數(shù)據(jù)庫時，同時存入該指紋的時間戳。

圖2示出了另一種實施方式的列車車頭定位單元和列車車尾定位單元，第一cpu10和第二cpu10分別包括cpu單元11和cpu單元12(第一cpu10和第二cpu10可以分別包括多組“cpu單元11和cpu單元12”)，第一衛(wèi)星導航裝置和第二衛(wèi)星導航裝置分別包括衛(wèi)星導航單元31和衛(wèi)星導航單元32(第一衛(wèi)星導航裝置和第二衛(wèi)星導航裝置可以分別包括多組“衛(wèi)星導航單元31和衛(wèi)星導航單元32”)，第一慣性導航裝置和第二慣性導航裝置分別包括慣性導航單元21和慣性導航單元22(第一慣性導航裝置和第二慣性導航裝置可以分別包括多組“慣性導航單元21和慣性導航單元22”)。每個衛(wèi)星導航單元均具有相應的衛(wèi)星天線41、42。

cpu單元11和cpu單元12均單獨進行計算，兩者會將計算結(jié)果進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來決定是否采用上述計算結(jié)果和/或切換到另一組“cpu單元11和cpu單元12”和/或“將列車定位系統(tǒng)自動或手動復位重啟”。

圖1和圖2中的“100”為示例性的北斗衛(wèi)星，“90”為示例性的列車地面控制系統(tǒng)，“60”為示例性的無線偵聽天線，“40”為示例性的衛(wèi)星天線，“80”為示例性的北斗短報文天線；圖2中的“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”、“8”、“9”表示的是通信鏈路。

當使用本發(fā)明的上述列車定位系統(tǒng)進行列車定位時，包括以下步驟：

1)第一衛(wèi)星導航裝置30和第二衛(wèi)星導航裝置30實時采集列車兩端的位置數(shù)據(jù)；第一無線電裝置50和第二無線電裝置50用于采集列車兩端當前位置的無線電信號特征；

2)第一cpu10和第二cpu10根據(jù)列車兩端的位置數(shù)據(jù)實時解算出列車位置；第一cpu10和第二cpu10提取列車兩端當前位置的無線電信號特征，形成區(qū)域的無線電信號指紋，存入列車地面控制系統(tǒng)90的鐵路沿線無線電指紋數(shù)據(jù)庫；

3)根據(jù)衛(wèi)星信號獲取列車位置；根據(jù)實時采集到的無線電信號特征，向無線電指紋數(shù)據(jù)庫進行索引，獲得對應的列車位置。

進一步地，還包括以下步驟，

4)通過北斗短報文通信，將步驟3)獲取的列車位置信息傳送給所述列車地面控制系統(tǒng)90；

5)如果根據(jù)衛(wèi)星信號解算的列車位置與實時采集到的無線電信號索引的列車位置不同，在鑒別后選擇是否丟棄。

更具體的，在衛(wèi)星信號良好時，可以優(yōu)先根據(jù)衛(wèi)星信號進行列車位置解算；在衛(wèi)星信號不良時，可以優(yōu)先依據(jù)實時采集到的無線電指紋特征索引，獲得對應的列車位置。通過北斗短報文通信，將列車位置信息傳送給列車地面控制系統(tǒng)。

顯然，上述實施方式僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。