CN109547974A - 一种列车双通道冗余通信定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车双通道冗余通信定位装置，其无线通信采用了符合IEEE 802.15.4C WPAN(无线个人区域网络)国际标准协议，工作于780MHz ISM(工业、科学、医疗)频段，是一种既实现列车‑地面双向中低速微距通信，又能够兼顾列车定位校核功能的多用途设备。其典型应用是为轨道交通应用提供区域性无线覆盖(例如：站台、折返轨、转换轨)，为城市轨道交通信号控制***提供实时的、透明的车地无线通信信道，亦可用于构建点连式列车控制***的基础通信设备。实现站台屏蔽门联控、限速、状态等车地信息交互，同时完成列车里程坐标的辅助校核。通用化的设计也可延伸应用至其他业务***。

Description

一种列车双通道冗余通信定位装置

技术领域

本发明涉及铁道通信技术领域，尤其涉及一种列车双通道冗余通信定位装置。

背景技术

随着通信技术和信息技术的迅猛发展，计算机通过无线信道进行数据业务交换己被广泛地应用于工业、商业、交通、军事等众多领域。当前的无线网络通讯***广泛采用扩频通信技术，国内无线电管理委员会已将2.4～2.4835GHz频段开放为自由使用的工业、科学和医疗领域ISM频段。以无线局域网(IEEE 802.11.a/b/g)、蓝牙(IEEE 802.15.1)、ZigBee(IEEE 802.15.4)等不同制式为代表的基于2.4G ISM频段的数据通信技术更是发展迅速，时刻在方便着我们的工作和生活。

在城市轨道交通领域，无线通信技术也在包括通信信号、调度指挥、公安消防、移动通信以及旅客信息发布等不同***中得到应用。时刻保持地铁列车与地面设备之间高速稳定的数据交换已经成为确保地铁客运***高效运转的基础和前提。列车与地面之间的无线数据通信技术有多种实现形式，例如：采用漏缆传输的800MHz集群通信技术、采用定向天线的802.11WLAN通信技术以及采用应答器点式天线的专用通信技术等。除了无线通信交互之外，在线列车的精确定位，对于实现列车安全、精准控制也至关重要，由于城市轨道交通大量线路位于地下，常规的GPS/北斗等卫星定位技术无法有效应用，需要借助其他手段实现列车自主精确定位。目前较为常见的是采用地面应答器绝对坐标校正结合列车自主测速测距的方法实现。

下面介绍目前城市轨道交通领域，实现局部区域范围内(例如：车站站台)的车地通信方式：

(1)WLAN无线局域网技术

采用WLAN无线局域网技术，是当今城市轨道交通领域普遍应用的车地无线通信方式。通常在地面钢轨旁间隔一定距离设置若干AP(无线接入点)，外部连接定向天线，车载设置独立AP单元，车顶部设置相应的定向天线，完成双向通信。由于目前基于802.11无线局域网通信协议的WLAN技术被多个不同***所采用。而802.11协议所划分的2.4G频段频带资源非常有限，以5MHz/通道计，总共只有11个信道，其中彼此不干扰的信道仅有3个。因此，制约了各***性能的发挥，并带来潜在的相互干扰问题。由于2.4G频段为公众开放频段，WLAN又是民用技术，大量无线终端(例如：笔记本无线上网)的普及更是成为来在外部的干扰源。同时，由于WLAN技术使用的802.11协议，要求通信双方建立通信时进行鉴权认证，延时较大，不利于实时性要求高的关键业务数据传输。此外，WLAN设备集成度不高，设备安装位置分散，需要射频电缆互联，对空间需求量大，电磁兼容性较难满足，场强覆盖宽泛，仅能实现双向通信功能，无法满足精确定位功能要求。

(2)车地通信环线技术

车地通信环线技术在城轨交通领域应用历史悠久，通常在站台区域沿两根钢轨之间铺设一定长度的通信环线电缆，地面收发设备设置在室内，通过电缆与安装在轨旁的环线耦合单元相连，耦合单元再与环线电缆连接。列车底部吊装感应天线，实现车地半双工通信。由于没有统一的国际标准规范，不同厂家的通信环线产品，包括工作频段、调制方式、通信速率、通信协议不尽相同，通信速率往往只有几K～几十K比特/秒，通信数据量也仅有几十～几百个字节，实时性和通信容量都难以支持复杂功能应用。此外，环线施工安装工程量大，维护工作也较为复杂。

(3)查询应答器技术

查询应答器***，通过在地面钢轨中央设置应答器天线，列车车底部安装查询器天线，由查询器辐射的功率信号使应答器建立工作电源，将其内存储的数据读取出来，实现车地信息的交互。由于采用专用频段和特殊的调制方式，该***工作稳定，但是查询应答器仅能实现“点”式区域(通常为1米左右)通信，列车离开应答器天线感应区则无法保持通信，因此可以用于列车里程坐标的校核，但同时仅能实现地对车的单向通信。

基于以上分析，可以看出目前现有的车地通信技术均存在不足，缺少一种兼顾车-地双向无线通信及精确定位的功能复合型装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种列车双通道冗余通信定位装置，是一种既实现列车-地面双向中低速微距通信，又能够兼顾列车定位校核功能的多用途设备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种列车双通道冗余通信定位装置，包括：两套定向天线以及两套核心电路板；其中：

两套核心电路板的结构相同，包括：底板、核心处理模块以及射频T/R处理模块，所述核心处理模块与射频T/R处理模块连接，且均设置于底板上；

两套核心电路板分别连接一个定向天线，两套核心电路板中的核心处理模块通过内部通信接口实现握手机制；

射频T/R处理模块采用无线个人区域网络国际标准协议，其提供接收信号强度RSSI给核心处理模块，从而辅助列车定位。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，可以实现列车与地面之间实时性高、抗干扰能力强、中等速率、冗余配置的局域性双向无线通信，兼顾列车辅助定位功能，满足轨道交通特定应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种列车双通道冗余通信定位装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的核心电路板的示意图；

图3为本发明实施例提供的列车双通道冗余通信定位装置的安装示意图；

图4为本发明实施例提供的列车定位辅助校核的原理图；

图5为本发明实施例提供的列车定位辅助校核的流程图；

图6为本发明实施例提供的利用列车双通道冗余通信定位装置实现车载信息***与轨旁信号***信息传输的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种列车双通道冗余通信定位装置，如图1所示，其主要包括：两套定向天线以及两套核心电路板；其中：

两套核心电路板的结构相同，包括：底板、核心处理模块以及射频T/R处理模块，所述核心处理模块与射频T/R处理模块连接，且均设置于底板上；

两套核心电路板分别连接一个定向天线，两套核心电路板中的核心处理模块通过内部通信接口实现握手机制；

射频T/R处理模块采用无线个人区域网络国际标准协议，其提供接收信号强度RSSI给核心处理模块，从而辅助列车定位。

本发明实施例提供的列车双通道冗余通信定位装置，其无线通信采用了符合IEEE802.15.4C WPAN(无线个人区域网络)国际标准协议，工作于780MHz ISM(工业、科学、医疗)频段，是一种既实现列车-地面双向中低速微距通信，又能够兼顾列车定位校核功能的多用途设备。其典型应用是为轨道交通应用提供区域性无线覆盖(例如：站台、折返轨、转换轨)，为城市轨道交通信号控制***提供实时的、透明的车地无线通信信道，亦可用于构建点连式列车控制***的基础通信设备。实现站台屏蔽门联控、限速、状态等车地信息交互，同时完成列车里程坐标的辅助校核。通用化的设计也可延伸应用至其他业务***。

为了便于理解，下面针对列车双通道冗余通信定位装置做详细的介绍。

一、装置结构。

本发明实施例中，整个装置的外壳采用航空铝型材加工，具有良好的EMC性能。整个装置为矩形体结构，通过外壳表侧面安装的航空插头，引出电缆(以太网或者CAN、RS422/485等)与其他设备相连接，上表面设置4个安装孔，中间部分为具有防火性能的无卤素聚碳酸酯有机玻璃材料制成的射频发射区盖板；侧表面还设计有专门的通风呼吸器，既可以保证机壳内外的气压平衡，也可以起到防水防尘作用；机壳下表面为可拆卸盖板，四周具有防水胶条保护。整体具有防火、抗压、防尘、防水的特性。车地通信定位装置的整体防护等级可以达到IP66等级。

整个装置为上下两层堆叠腔体；上层为天线腔体，安装了两套采用工作频段为780MHz的定向天线，定向天线采用PCB板载固态设计，天线馈线通过内部过孔，分别连接至下层电路腔体内对应的两套核心电路板上。电路腔体内每一套核心电路板、以及天线腔体中的定向天线均独立组合。

本发明实施例中，电路腔体内的两套核心电路板是两套物理上完全对等独立设置的电路单元。电路采用了模块化设计，如图2所示，核心电路板主要包括有底板、核心处理模块、以及射频T/R处理模块，核心处理模块和射频T/R处理模块采用多孔工业连接器与底板相连，并用专门的尼龙固定螺栓加固连接，以满足道床和车体安装振动的恶劣工作环境。此外，还设置了供电单元，为核心处理模块以及射频T/R处理模块供电。

底板主要是为嵌入式核心处理模块及无线通信处理模块提供电源及外部接口连接。

核心电路板可以采用2位ARM7-TDMI嵌入式CPU，基于μC/OS-II实时操作***开发应用软件程序。核心电路板具有丰富的外设资源，包括了开/关量输入输出、EEPROM、RTC时钟、SDRAM/FLASH、看门狗、NOR和NAND FLASH大容量存储器、LCD驱动电路、CAN控制器局域网现场总线、RS422/485通信接口、以太网等电路。

通信定位装置整体设计为单体双通道冗余配置，在一个机壳内安装两套物理设计完全独立的通信定位模块，采用双通道并行工作体制。每一个通道独立工作于不同频段的信道上(例如：782MHz和784MHz)，互不干扰，同时两个CPU(即核心电路板)间通过内部通信接口实现握手机制，保障在时域上的时序间隔，从而实现基于时域和频域双隔离的双通道并行通信定位功能，任意主机故障，不影响当前轨道区段列车与地面主机之间的通信链路，最大化保障了***可靠性和可用性。

二、安装区域。

如图3所示，实际应用中，在列车底部，以及地面轨道中央均分别安装所述列车双通道冗余通信定位装置，分别称为车载通信定位装置与地面通信定位装置；车载通信定位装置可以采用支架吊装方式安装于列车底部，地面通信定位装置可以通过支架安装于道床中心线上。

这两套装置除安装方式不同外，均采用相同的硬、软件设计，最大化实现通用化设计，减少了设备种类，方便日后的维护和替换，经济适用。

三、通信与定位原理。

本发明实施例中，无线通信采用了符合IEEE 802.15.4C WPAN(无线个人区域网络)国际标准协议，工作于780MHz ISM(工业、科学、医疗)频段。

IEEE 802.15.4描述了低速率无线个域网的物理层和媒体接入控制协议，定义了一种短距离、低功耗、中等数据速率、低成本、高可靠的无线网络技术，可工作在314–316MHz、430–434MHz、779–787MHz、868/915M、2.4GHz的ISM频段上，数据传输速率最高可达250kbps，广泛应用于物联网、工业控制、远程监控和楼宇自动化等领域。IEEE 802.15.4C是2009年专门针对中国物联网应用颁布实施的国际标准。其中定义了中国三个314–316MHz、430–434MHz、779–787MHz等三个专属可***频段，在GB/T 15629.15-2010《信息技术***间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第15部分：低速无线个域网(WPAN)媒体访问控制和物理层》规范中也进行了明确定义。

所述射频T/R处理模块在779MHz～787MHz范围内提供了4个带宽为2MHz的通信信道，采用采用DSSS直接序列扩频通信技术，并基于O-QPSK的调制方式及16位PN序列(伪随机扩频码)，来提供多个逻辑信道基础上的高速抗扰数据通信链路，可以获得超高抗干扰能力和低误码率，相比于传统的模拟FSK窄带通信技术来说，其优异的抗多径干扰性能，高可靠的数据安全性和保密性无可比拟。通过内部集成的RF射频前端模块，输出功率达到+10dBm，电台接收灵敏度达到-110dBm。通过采用包括双通道双频段并行工作体制；软件可配置的通信信道、功率及接收灵敏度等参数；安全通信协议；软、硬件双重看门狗防护；关键数据多重备份等关键设计技术，可以保证在恶劣现场条件下，最高为250Kbits/s的车地可靠双向数据传输。

射频T/R处理模块，除了通信参数可以软件配置外，还提供了RSSI(ReceivedSignal Strength Indicator)接收信号强度指示功能，核心处理模块通过读取RSSSI寄存器的数值，可以测算本次接收通信收据帧的信号强度。车载通信定位装置采用固态定向天线设计，其通信场强覆盖呈现正态分布，该场强覆盖范围可以通过软件配置通信发送功率和接收灵敏度进行控制。

当列车通过地面通信定位装置时，车载通信定位装置在场强覆盖范围内，按照固定通信周期，将连续接收通信信息帧，核心处理模块将对每一帧对应的RSSI值进行判断，通过射频信号探测算法寻找RSSI峰值；当检索到RSSI峰值时，则将当前时刻与通过地面通信定位装置峰值时刻的时间差值连同通信信息帧一并发送至车载主控单元，车载主控单元预先存储地面电子地图坐标数据，并结合当前列车车速(通过测速传感器获得)进行列车定位误差修正，从而在完成车地数据交互的同时，完成列车定位辅助校核。列车定位辅助校核的原理及流程分别如图4、图5所示。

列车定位误差修正公式为：

_ΔS＝(_ΔT_LCU+_ΔT_{当前时刻-RSSI峰值}+_ΔT_CPU)×V；

其中，_ΔS表示待修正的定位误差；_ΔT_LCU表示车载通信定位装置处理时延；_ΔT_{当前时刻-RSSI峰值}表示搜寻RSSI峰值时延；_ΔT_CPU表示核心处理模块处理时延；V表示当前列车时速。

下面给出一个典型应用案例。如图6所示，以车载信息***向轨旁信号***传输信息为例：车载通信定位装置在接收到车载信号***的信息后，通过无线扩频通信的方式将其发送给地面通信定位装置，地面通信定位装置通过轨旁中继单元将信息汇入地面的光纤网络，光纤以太网交换机将收到的信息转发给室内主机，并最后由室内主机发送给轨旁信号***。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种列车双通道冗余通信定位装置，其特征在于，包括：两套定向天线以及两套核心电路板；其中：

两套核心电路板的结构相同，包括：底板、核心处理模块以及射频T/R处理模块，所述核心处理模块与射频T/R处理模块连接，且均设置于底板上；

两套核心电路板分别连接一个定向天线，两套核心电路板中的核心处理模块通过内部通信接口实现握手机制；

射频T/R处理模块采用无线个人区域网络国际标准协议，其提供接收信号强度RSSI给核心处理模块，从而辅助列车定位。

2.根据权利要求1所述的一种列车双通道冗余通信定位装置，其特征在于，

整个装置的外壳采用航空铝型材加工，为矩形体结构，通过外壳表侧面安装的航空插头，引出电缆与其他设备相连接，上表面设置4个安装孔，中间部分为具有防火性能的无卤素聚碳酸酯有机玻璃材料制成的射频发射区盖板；侧表面还设计有专门的通风呼吸器，机壳下表面为可拆卸盖板，四周具有防水胶条保护。

3.根据权利要求2所述的一种列车双通道冗余通信定位装置，其特征在于，整个装置为上下两层堆叠腔体；上层为天线腔体，安装了两套采用工作频段为780MHz的定向天线，定向天线采用PCB板载固态设计，天线馈线通过内部过孔，分别连接至下层电路腔体内对应的两套核心电路板上。

4.根据权利要求1所述的一种列车双通道冗余通信定位装置，其特征在于，所述核心处理模块包含一系列外设资源，即：开/关量输入输出、EEPROM、RTC时钟、SDRAM/FLASH、看门狗、NOR和NAND FLASH大容量存储器、LCD驱动电路、CAN控制器局域网现场总线、RS422/485通信接口、以及以太网。

5.根据权利要求1所述的一种列车双通道冗余通信定位装置，其特征在于，所述射频T/R处理模块在779MHz～787MHz范围内提供了4个带宽为2MHz的通信信道，采用采用DSSS直接序列扩频通信技术，并基于O-QPSK的调制方式及16位PN序列，来提供多个逻辑信道基础上的高速抗扰数据通信链路；通过内部集成的RF射频前端模块，输出功率达到+10dBm，电台接收灵敏度达到-110dBm。

6.根据权利要求1所述的一种列车双通道冗余通信定位装置，其特征在于，在列车底部，以及地面轨道中央均分别安装所述列车双通道冗余通信定位装置，分别称为车载通信定位装置与地面通信定位装置；

当列车通过地面通信定位装置时，车载通信定位装置在场强覆盖范围内，按照固定通信周期，将连续接收通信信息帧，核心处理模块将对每一帧对应的RSSI值进行判断，通过射频信号探测算法寻找RSSI峰值；当检索到RSSI峰值时，则将当前时刻与通过地面通信定位装置峰值时刻的时间差值连同通信信息帧一并发送至车载主控单元，车载主控单元预先存储地面电子地图坐标数据，并结合当前列车车速进行列车定位误差修正，从而在完成车地数据交互的同时，完成列车定位辅助校核。

7.根据权利要求6所述的一种列车双通道冗余通信定位装置，其特征在于，列车定位误差修正公式为：

_ΔS＝(_ΔT_LCU+_ΔT_{当前时刻-RSSI峰值}+_ΔT_CPU)×V；

其中，_ΔS表示待修正的定位误差；_ΔT_LCU表示车载通信定位装置处理时延；_ΔT_{当前时刻-RSSI峰值}表示搜寻RSSI峰值时延；_ΔT_CPU表示核心处理模块处理时延；V表示当前列车时速。