KR101835432B1 - Method and apparatus for train location measurement - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열차 위치 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 열차의 이동에 의해 발생하는 도플러 효과를 이용하는 열차 위치 측정 방법 및 장치를 제공한다.The present invention relates to a method and apparatus for measuring a position of a train, and more particularly, to a method and apparatus for measuring a position of a train using a Doppler effect caused by the movement of a train.
열차 제어는 열차의 안전하고 효율적인 운행을 위해 열차간 간격과 열차의 진행 경로를 제어하는 것이다. 열차 제어, 특히 열차간 간격 제어에 있어서는 열차의 위치를 빠르고 정확하게 측정하는 것이 요구되므로, 이를 위한 연구와 시스템 개발이 지속적으로 수행되어 왔다.Train control is to control the distance between trains and the path of trains for safe and efficient operation of trains. Since it is required to measure the position of a train quickly and accurately in train control, in particular, interval control between trains, research and system development have been continuously carried out for this purpose.
열차 위치 측정 방법으로, 기존에는 궤도 회로(rail circuit)를 사용하여 열차 차륜에 의한 저항 감소를 기초로, 열차가 점유하고 있는 궤도 회로 구간(block, 폐색)을 검지하는 방법이 이용되었다. 그러나 이러한 방법은 궤도 회로 등 지상에 많은 설비가 설치되어야 하므로, 설치 비용 및 유지 보수 비용이 과다하게 발생하며 위치 측정이 구간 단위로 이루어져 측정 정확도가 떨어지는 문제가 있다. As a train position measurement method, a method of detecting a track circuit (block) occupied by a train based on a decrease in resistance by a train wheel using a rail circuit has been used. However, such a method requires a lot of equipment installed on the ground such as a track circuit, so that the installation cost and the maintenance cost are excessively generated, and the position measurement is performed in units of sections, which causes the measurement accuracy to be inferior.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 궤도 회로 대신 발리스를 이용하는 CBTC(Communication Based Train Control)나 ETCS L3(European Train Control System Level 3) 등이 개발되었다. 발리스는 RFID 태그와 유사한 방식으로 선로변에 매설되어 열차가 발리스를 경유할 때 위치 정보를 검출하여 중앙 관제 시스템으로 전송하도록 구성된다. 이러한 방법은 열차 위치를 정밀하고 정확하게 측정할 수 있으나, 지상에 설치된 발리스에 대한 지속적인 관리가 필요하며, 선로 정보가 변경될 경우 발리스를 다시 프로그래밍 해야 하는 단점이 있다.To solve these problems, CBTC (Communication Based Train Control) and ETCS L3 (European Train Control System Level 3), which use Ballis instead of track circuit, have been developed. Balis is embedded in the track side in a manner similar to the RFID tag, and is configured to detect the position information when the train passes through the balis and transmit it to the central control system. This method can precisely and precisely measure the train position, but it requires continuous management of the ballis installed on the ground and has a drawback that the ballis must be reprogrammed if the line information is changed.
최근에는 GPS를 이용하여 열차의 위치를 측정하는 방법도 제시되고 있으나, GPS는 지하나 터널 구간에서 사용이 불가하므로 이러한 구간이 많은 국내 철도 환경에서의 열차 위치 측정에는 적합하지 않은 문제가 있다. In recent years, there has been proposed a method of measuring the position of a train using GPS. However, since the GPS can not be used in one or the tunnel section, there is a problem that it is not suitable for the train position measurement in the domestic railroad environment.
한편, 무선 통신 기반 열차 위치를 측정하는 방법으로 기지국으로부터 열차 내의 무선 통신 단말로 수신되는 신호의 세기, 전송 지연 시간 등을 기초로 기지국과 열차 간 거리를 측정하여 위치 측정에 이용하는 방법 등이 제안되고 있다. 그러나 제안된 무선 통신 기반 열차 위치 측정 방법들은 기지국과 열차 내의 무선 통신 단말 간 정확한 동기화가 요구되어 비동기 방식의 5G 통신에서는 효율적인지 않다는 문제가 있으며, 신호 세기의 감쇄 비율에 대한 기정의된 데이터베이스가 필요하다는 단점이 있다. Meanwhile, a method of measuring the distance between a base station and a train based on the strength of a signal received from a base station to a wireless communication terminal in a train, a transmission delay time, etc., have. However, there is a problem that the proposed wireless communication based train position measurement methods are not efficient in the asynchronous 5G communication because precise synchronization is required between the base station and the wireless communication terminals in the train, and there is a need for a predetermined database of the attenuation ratio of the signal intensity There is a drawback.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지상에 별도의 설비를 설치하지 않으면서 열차의 위치를 정확하게 측정할 수 있는 열차 위치 측정 방법 및 장치를 제공한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides a method and apparatus for measuring a position of a train, which can precisely measure the position of a train without installing a separate facility on the ground.
이를 위하여 본 발명은, 무선 통신 시스템에서 열차의 이동에 의해 발생하는 도플러 효과를 이용한 열차 위치 측정 방법 및 장치를 제공한다. The present invention provides a method and apparatus for measuring a position of a train using a Doppler effect caused by the movement of a train in a wireless communication system.
본 발명은, 두 개의 기지국에서 수신되는 신호의 도플러 주파수 천이를 측정하고, 선로 정보를 이용하여 선로 위를 이동하는 열차의 위치를 측정하는 열차 위치 측정 방법 및 장치를 제공한다.The present invention provides a train position measurement method and apparatus for measuring Doppler frequency shift of a signal received at two base stations and measuring the position of a train moving on a line using line information.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열차 위치 측정 방법은, 열차 내에 마련되는 열차 위치 측정 장치의 열차 위치 측정 방법으로, 적어도 2개의 기지국으로부터 기설정된 주파수를 갖는 참조 신호를 각각 수신하는 단계 및 상기 참조 신호의 도플러 주파수 천이량 및 상기 열차가 현재 이동 중인 선로에 관한 정보를 기초로 상기 열차의 위치를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for measuring a position of a train in a train, the method comprising: receiving reference signals having a predetermined frequency from at least two base stations; And measuring the position of the train based on the Doppler frequency shift amount of the reference signal and the information about the track on which the train is currently moving.
또한, 상기 참조 신호를 각각 수신하는 단계는, 제1 기지국 및 제2 기지국으로부터 상기 기설정된 주파수를 갖는 제1 참조 신호 및 제2 참조 신호를 각각 수신하는 단계를 포함하고, 상기 열차의 위치를 측정하는 단계는, 상기 제1 참조 신호 및 상기 제2 참조 신호의 도플러 주파수 천이량을 판단하는 단계, 상기 선로에 관한 정보를 기초로, 상기 열차가 현재 이동 중인 선로의 형태를 판단하는 단계 및 상기 제1 참조 신호 및 상기 제2 참조 신호의 도플러 주파수 천이량을 기초로 상기 선로의 형태에 대응하여 기설정된 알고리즘을 이용하여 상기 열차의 위치를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of receiving each of the reference signals may include receiving a first reference signal and a second reference signal each having the predetermined frequency from the first base station and the second base station, Includes the steps of: determining a Doppler frequency shift amount of the first reference signal and the second reference signal; determining a form of the line on which the train is currently moving based on the information on the line; And measuring the position of the train using a predetermined algorithm corresponding to the shape of the line based on the Doppler frequency shift amount of the first reference signal and the second reference signal.
또한, 상기 제1 참조 신호 및 상기 제2 참조 신호는, 상기 열차 위치 측정 장치에서 수신될 때, 상기 열차의 속도에 대응하여 도플러 효과에 의해 상기 기설정된 주파수에 대하여 천이된 주파수를 갖는 것을 특징으로 한다.The first reference signal and the second reference signal have a frequency shifted with respect to the predetermined frequency by a Doppler effect corresponding to the speed of the train when the train position measuring apparatus receives the first reference signal and the second reference signal. do.
또한, 상기 열차의 위치를 측정하는 단계는, 상기 선로가 직선 구간인 경우, 상기 직선 구간인 선로를 x축, 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 상기 선로 상의 중간 지점을 원점으로 하는 좌표 평면을 정의하는 단계, 상기 좌표 평면상의 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 위치, 상기 열차의 위치 및 상기 주파수 천이량의 비율 간의 관계식으로부터 위치 함수 f(x)를 도출하는 단계 및 상기 도출된 위치 함수 f(x) 값이 최소가 되는 x를 획득하여 상기 열차의 위치를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of measuring the position of the train may further comprise the step of, when the line is a straight line section, connecting the line as a straight line section to the x-axis, the coordinate plane having the intermediate point on the line of the first base station and the second base station as the origin Deriving a position function f (x) from a relational equation between the position of the first base station and the second base station on the coordinate plane, the position of the train and the ratio of the frequency shift amount on the coordinate plane, And determining the position of the train by obtaining x that minimizes the value of the function f (x).
또한, 상기 열차의 위치를 측정하는 단계는, 상기 선로가 곡선 구간인 경우, 상기 곡선 구간인 선로를 원호로 갖는 원을 정의하는 단계, 상기 열차, 상기 원점 및 상기 제1 기지국이 이루는 삼각형에 대해 코사인 법칙을 기초로, 상기 열차의 위치에서 상기 제1 기지국 방향으로 연장되는 접선과 상기 열차의 위치에서 상기 제1 기지국으로 연장되는 연장선 사이의 제1 각도를 정의하는 단계, 상기 열차, 상기 원점 및 상기 제2 기지국이 이루는 삼각형에 대해 코사인 법칙을 기초로, 상기 열차의 위치에서 상기 제2 기지국 방향으로 연장되는 접선과 상기 열차의 위치에서 상기 제2 기지국으로 연장되는 연장선 사이의 제2 각도를 정의하는 단계, 상기 정의된 제1 각도 및 상기 제2 각도로부터 상기 열차와 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국 사이의 각도 θ에 대한 위치 함수 f(θ)를 도출하는 단계 및 상기 도출된 위치 함수 f(θ) 값이 최소가 되는 θ를 획득하여 상기 열차의 위치를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The step of measuring the position of the train may further include the steps of defining a circle having the arc as the arc as the curve section when the line is a curved section and defining a circle having the arc as a circular arc with respect to the triangle formed by the train, Defining a first angle between a tangent line extending from the location of the train to the first base station and an extension line extending from the location of the train to the first base station based on the cosine law, A second angle between a tangent line extending from the position of the train to the second base station and an extension line extending from the position of the train to the second base station is defined based on the cosine law for the triangle formed by the second base station To the angle &thetas; between the train and the first base station and the second base station from the defined first angle and the second angle, Deriving a position function f ([theta]), and determining the position of the train by obtaining [theta] that minimizes the derived position function f ([theta] value.
또한, 상기 열차의 위치를 측정하는 단계는, 상기 선로가 직곡선 혼합 구간인 경우, 상기 열차가 직선 구간에 위치하는 경우를 가정하여 상기 위치 함수 f(x) 값이 최소가 되는 x를 획득하고 제1 열차 위치를 추정하는 단계, 상기 열차가 곡선 구간에 위치하는 경우를 가정하여 상기 위치 함수 f(θ) 값이 최소가 되는 θ를 획득하고 제2 열차 위치를 추정하는 단계 및 상기 제1 열차 위치 및 상기 제2 열차 위치 중 기설정된 조건에 따라 최적값을 선택하여 상기 열차의 위치를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the step of measuring the position of the train, when the line is a curved line mixing section, x is obtained in which the value of the position function f (x) is minimized assuming that the train is located in a straight line section Estimating a first train position, obtaining a θ that minimizes the value of the position function f (θ) and estimating a second train position on the assumption that the train is located in a curve section, And determining the position of the train by selecting an optimum value according to a predetermined condition among the first and second train positions.
또한, 상기 측정된 위치 및 상기 도플러 주파수 천이량을 기초로, 상기 열차의 속도를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The method may further include determining a speed of the train based on the measured position and the Doppler frequency shift amount.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 열차 위치 측정 장치는, 열차 내에 마련되는 열차 위치 측정 장치로, 적어도 2개의 기지국으로부터 기설정된 주파수를 갖는 참조 신호를 각각 수신하는 통신부 및 상기 참조 신호의 도플러 주파수 천이량 및 상기 열차가 현재 이동 중인 선로에 관한 정보를 기초로 상기 열차의 위치를 측정하는 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above-mentioned problems, a train position measurement apparatus according to the present invention is a train position measurement apparatus provided in a train. The train position measurement apparatus includes a communication unit for receiving reference signals having a predetermined frequency from at least two base stations, And a processor for measuring the position of the train on the basis of information on the Doppler frequency shift of the train and the line on which the train is currently moving.
또한, 상기 통신부는, 제1 기지국 및 제2 기지국으로부터 상기 기설정된 주파수를 갖는 제1 참조 신호 및 제2 참조 신호를 각각 수신하고, 상기 처리부는, 상기 선로에 관한 정보를 기초로, 상기 열차가 현재 이동 중인 선로의 형태를 판단하고, 상기 제1 참조 신호 및 상기 제2 참조 신호의 도플러 주파수 천이량을 기초로 상기 선로의 형태에 대응하여 기설정된 알고리즘을 이용하여 상기 열차의 위치를 측정하는 것을 특징으로 한다.The communication section receives a first reference signal and a second reference signal having the predetermined frequency from the first base station and the second base station, respectively, and the processing section, based on the information on the line, Determining the shape of the currently traveling line and measuring the position of the train using a predetermined algorithm corresponding to the shape of the line based on the Doppler frequency shift amount of the first reference signal and the second reference signal .
또한, 상기 제1 참조 신호 및 상기 제2 참조 신호는, 상기 열차 위치 측정 장치에서 수신될 때, 상기 열차의 속도에 대응하여 도플러 효과에 의해 상기 기설정된 주파수에 대하여 천이된 주파수를 갖는 것을 특징으로 한다.The first reference signal and the second reference signal have a frequency shifted with respect to the predetermined frequency by a Doppler effect corresponding to the speed of the train when the train position measuring apparatus receives the first reference signal and the second reference signal. do.
또한, 상기 처리부는, 상기 선로가 직선 구간인 경우, 상기 직선 구간인 선로를 x축, 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 상기 선로 상의 중간 지점을 원점으로 하는 좌표 평면을 정의하고, 상기 좌표 평면상의 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 위치, 상기 열차의 위치 및 상기 주파수 천이량의 비율 간의 관계식으로부터 위치 함수 f(x)를 도출하고, 상기 도출된 위치 함수 f(x) 값이 최소가 되는 x를 획득하여 상기 열차의 위치를 판단하는 것을 특징으로 한다.When the line is a straight line, the processing unit defines a coordinate plane having the line as a straight line section as an origin on the x-axis, the intermediate point on the line of the first base station and the second base station, Deriving a position function f (x) from a relational expression between the position of the first base station and the second base station on the plane, the position of the train and the ratio of the frequency shift amount, and if the derived position function f (x) And the position of the train is determined.
또한, 상기 처리부는, 상기 선로가 곡선 구간인 경우, 상기 곡선 구간인 선로를 원호로 갖는 원을 정의하고, 상기 열차, 상기 원점 및 상기 제1 기지국이 이루는 삼각형에 대해 코사인 법칙을 기초로, 상기 열차의 위치에서 상기 제1 기지국 방향으로 연장되는 접선과 상기 열차의 위치에서 상기 제1 기지국으로 연장되는 연장선 사이의 제1 각도를 정의하고, 상기 열차, 상기 원점 및 상기 제2 기지국이 이루는 삼각형에 대해 코사인 법칙을 기초로, 상기 열차의 위치에서 상기 제2 기지국 방향으로 연장되는 접선과 상기 열차의 위치에서 상기 제2 기지국으로 연장되는 연장선 사이의 제2 각도를 정의하고, 상기 정의된 제1 각도 및 상기 제2 각도로부터 상기 열차와 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국 사이의 각도 θ에 대한 위치 함수 f(θ)를 도출하고, 상기 도출된 위치 함수 f(θ) 값이 최소가 되는 θ 를 획득하여 상기 열차의 위치를 판단하는 것을 특징으로 한다.If the line is a curve section, the processing section defines a circle having the line as an arc as the curve section, and based on the cosine law for the triangle formed by the train, the origin, and the first base station, A first angle between a tangent line extending from the position of the train to the first base station and an extension line extending from the position of the train to the first base station and defining a first angle to the triangle formed by the train, A second angle between a tangent line extending from the location of the train to the second base station and an extension line extending from the location of the train to the second base station based on the cosine law for the defined first angle, And deriving a position function f (?) For the angle? Between the train and the first base station and the second base station from the second angle, And the position of the train is determined by obtaining? That minimizes the value of the derived position function f (?).
또한, 상기 처리부는, 상기 선로가 직곡선 혼합 구간인 경우, 상기 열차가 직선 구간에 위치하는 경우를 가정하여 상기 위치 함수 f(x) 값이 최소가 되는 x를 획득함으로써 제1 열차 위치를 추정하고, 상기 열차가 곡선 구간에 위치하는 경우를 가정하여 상기 위치 함수 f(θ) 값이 최소가 되는 θ를 획득함으로써 제2 열차 위치를 추정한 후, 상기 제1 열차 위치 및 상기 제2 열차 위치 중 기설정된 조건에 따라 최적값을 선택하여 상기 열차의 위치를 판단하는 것을 특징으로 한다.In addition, when the line is a curved line mixing section, the processing section estimates a first train position by obtaining x that minimizes the value of the position function f (x) assuming that the train is located in a straight line section , Estimates a second train position by obtaining θ that minimizes the value of the position function f (θ) assuming that the train is located in a curve section, and then estimates the second train position by using the first train position and the second train position And selecting the optimum value according to the preset conditions to determine the position of the train.
또한, 상기 처리부는, 상기 측정된 위치 및 상기 도플러 주파수 천이량을 기초로, 상기 열차의 속도를 판단하는 것을 특징으로 한다.Further, the processing unit may determine the speed of the train based on the measured position and the Doppler frequency shift amount.
본 발명에 따른 열차 위치 측정 방법 및 장치는, 추가적인 지상 설비를 이용하지 않고도 고속으로 이동 중인 열차의 위치를 빠르고 정확하게 측정할 수 있다. The method and apparatus for measuring a position of a train according to the present invention can quickly and accurately measure the position of a moving train at a high speed without using additional ground equipment.
또한, 본 발명에 따른 열차 위치 측정 방법 및 장치는, 열차 이동에 의한 도플러 주파수 천이를 이용하여 열차 위치를 측정하므로, 무선 통신 기반 열차 위치 측정에서 신호의 세기나 전송 지연 시간을 이용하는 방법보다 적용 대상의 범위가 넓고 측정 결과의 일관성이 높다.In addition, the method and apparatus for measuring a position of a train according to the present invention measure the position of a train using Doppler frequency shift due to train movement. Therefore, in the method of measuring the position of a train based on a wireless communication, And the consistency of measurement results is high.
또한, 본 발명에 따른 열차 위치 측정 방법 및 장치는, 2개의 기지국으로부터 전송되는 신호를 이용하므로, 과도한 기지국의 설치를 요구하지 않으며, 일정한 주파수의 신호에 대한 도플러 주파수 천이를 이용하므로 열차 위치 측정을 위해 추가적인 무선 자원의 소모를 필요로 하지 않는다. Also, since the method and apparatus for measuring the position of a train according to the present invention use signals transmitted from two base stations, it does not require the installation of an excessive base station and uses the Doppler frequency shift for a signal having a constant frequency. It does not require additional radio resource consumption.
도 1은 본 발명에 따른 열차 위치 측정 장치가 동작하는 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 기지국이 전송하는 참조 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 열차 위치 측정 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 열차 위치 측정 장치가 참조 신호의 주파수 천이를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 열차가 직선 구간을 이동하는 경우, 열차 위치 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 열차가 곡선 구간을 이동하는 경우, 열차 위치 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 열차가 직곡선 혼합 구간을 이동하는 경우, 열차 위치 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 열차 위치 측정 장치의 구조를 나타낸 블록도이다.
도 9 내지 도 12는 본 발명에 따른 열차 위치 측정 방법의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a structure of a system for operating a train position measuring apparatus according to the present invention.
2 is a diagram for explaining a reference signal transmitted by a base station.
3 is a flowchart illustrating a method of measuring a position of a train according to the present invention.
4 is a diagram for explaining a method for measuring a frequency transition of a reference signal by a train position measuring apparatus.
5 is a view for explaining a method of measuring a train position when a train moves in a straight line section.
6 is a view for explaining a method of measuring a position of a train when the train moves in a curve section.
FIG. 7 is a view for explaining a method of measuring a train position when a train moves in a curved-line mixing section.
8 is a block diagram showing the structure of a train position measuring apparatus according to the present invention.
9 to 12 are diagrams showing simulation results of a method of measuring a position of a train according to the present invention.
본 명세서의 실시 예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명은 생략될 수 있다. In the description of the embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of known configurations or functions related to the present invention can not be applied to the present invention, detailed description thereof may be omitted.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다," "포함할 수 있다." 등의 표현은 개시된 해당 기능, 동작, 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작, 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. Quot ;, " include, "" include," as used herein. And the like are intended to indicate the existence of the disclosed function, operation, component, etc., and do not limit the one or more additional functions, operations, components, and the like. Also, in this specification, "include." Or "have." , Etc. are intended to designate the presence of stated features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof, may be combined with one or more other features, steps, operations, components, It should be understood that they do not preclude the presence or addition of combinations thereof.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 열차 위치 측정 장치가 동작하는 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.1 is a diagram illustrating a structure of a system for operating a train position measuring apparatus according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열차 위치 측정 장치(100)는 선로 상을 고속으로 이동하는 열차(1) 내에 마련될 수 있다. 일 예로, 열차 위치 측정 장치(100)는 열차의 기관실에 조작 패널들과 함께 실장되도록 마련될 수 있다. 또는, 열차 위치 측정 장치(100)는 열차(1) 내에 설치되거나 기관사가 소지할 수 있도록 마련되는 별도의 단말, 전자 장치 등일 수 있으며, 그 형태 및 종류에 관하여는 특별한 제한을 두지 않는다.Referring to FIG. 1, the
본 발명에서 열차 위치 측정 장치(100)는 철도 선로를 이동하는 철도 차량에 관한 것으로 설명하나, 본 발명의 기술 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 기결정된 경로 상을 이동하며 외부와 통신이 가능하도록 구현되는 임의의 이동 수단에 대하여도 본 발명이 적용될 수 있다. In the present invention, the train
기지국(201, 202, 203)은 선로 주변에 설치되며, 선로를 따라 일정한 간격으로 설치될 수 있다. 기지국(201, 202, 203)은 관제 센터 등에 의하여 제어 및 관리될 수 있다. The
기지국(201, 202, 203)은 통신 반경 내에서 이동하는 열차(1) 내의 열차 위치 측정 장치(100)와 무선 통신을 이용한 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 기지국(201, 202, 203)은 열차 운행에 필요한 정보, 예를 들어 선로 정보, 운행 경로 정보, 전후 열차와의 거리에 관한 정보, 비상 또는 위험 상황에 관한 정보 등을 열차 위치 측정 장치(100)와 송수신할 수 있다. The
본 발명의 다양한 실시 예에서, 기지국(201, 202, 203)은 기설정된 주기로 일정한 주파수를 갖는 신호(이하, 참조 신호(Continuous Wave, CW)라 한다.)를 전송(브로드캐스트)할 수 있다. 일 예로, 기지국(201, 202, 203)은 도 2에 도시된 바와 같이, 열차 위치 측정 장치(100)에 데이터를 전송하기 위한 전송 블록(Transport block, 패킷) 사이에 기설정된 주기마다 참조 신호를 삽입하여 전송할 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 실시 예에서, 기지국(201, 202, 203)은 열차 위치 측정 장치(100)의 요청에 대한 응답으로 참조 신호를 전송할 수도 있다. In various embodiments of the present invention, the
참조 신호는 적어도 하나의 열차(1) 내 열차 위치 측정 장치(100)에서 참조 신호를 올바르게 수신할 수 있을 정도의 적절한 시간 동안 전송될 수 있으며, 그 전송 시간(전송 길이)에 대하여는 특별한 제한을 두지 않는다.The reference signal can be transmitted for a suitable time to be able to correctly receive the reference signal in the
참조 신호는 기결정된 주파수를 갖는 신호로, 별도의 정보나 데이터를 포함하지 않을 수 있다. 그에 따라 참조 신호는 참조 신호를 수신해야 할 상대방을 특정하지 않으며, 결과적으로 기지국(201, 202, 203)의 통신 반경 내에서 이동하는 임의의 열차에 모두에서 수신될 수 있다. The reference signal is a signal having a predetermined frequency, and may not include any additional information or data. Accordingly, the reference signal does not specify the other party to receive the reference signal, and consequently can be received on any train traveling within the communication radius of the
참조 신호의 주파수는 관제 센터 등에 의해 결정되어, 기지국(201, 202, 203) 및 열차 위치 측정 장치(100)에 공지될 수 있다. 선로 상을 고속으로 이동하는 열차(1)에서 참조 신호가 수신될 때, 수신된 참조 신호의 주파수는 도플러 효과에 의해 천이된다. 이러한 참조 신호의 주파수 천이는 참조 신호를 수신한 열차(1)의 위치를 측정하기 위해 이용될 수 있다. The frequency of the reference signal may be determined by the control center or the like and may be known to the
참조 신호의 주파수 천이를 이용한 열차의 위치 측정 방법은 이하에서 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다. A method of measuring the position of a train using the frequency shift of the reference signal will be described in detail with reference to FIG.
도 3은 본 발명에 따른 열차 위치 측정 방법을 나타낸 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a method of measuring a position of a train according to the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열차 위치 측정 장치(100)는 열차 위치 측정을 위하여 먼저 수신되는 2개의 참조 신호의 주파수 천이를 측정할 수 있다(21).Referring to FIG. 3, the
도 4에 도시된 실시 예에서, 열차 위치 측정 장치(100)는 이동 중인 선로 주변의 통신 반경 내에 위치한 2개의 기지국(201, 202)으로부터 참조 신호를 수신할 수 있다. 참조 신호는 기설정된 주파수를 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이 열차(1)가 제1 기지국 A(201)로부터 제2 기지국 B(202)를 향하는 방향으로 이동할 때, 열차(1) 내의 열차 위치 측정 장치(100)에서 수신되는 참조 신호는 도플러 효과에 의해 열차(1)의 이동 속도 v에 대응하여 주파수 천이가 발생한다. In the embodiment shown in Fig. 4, the
열차(1)의 진행 축이 제1 기지국 A(201) 및 제2 기지국 B(202)와 이루는 각도를 각각 θ1 및 θ2라 할 때, 참조 신호의 기설정된 주파수를 fc, 제1 기지국 A(201)로부터 열차 위치 측정 장치(100)가 수신한 제1 참조 신호의 주파수를 f1, 제2 기지국 B(202)로부터 열차 위치 측정 장치(100)가 수신한 제2 참조 신호의 주파수를 f2, 제1 참조 신호의 주파수 천이량을 f1', 제2 참조 신호의 주파수 천이량을 f2'라 하면, 각각의 주파수 천이량은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.When the angles formed by the axis of the
여기서 c는 광속이다. Where c is the speed of light.
다음으로, 열차 위치 측정 장치(100)는 열차(1)의 현재 이동 중인 선로 형태를 판단할 수 있다(22). Next, the train
열차(1)는 기결정된 경로를 갖는 선로 상을 이동한다. 열차 위치 측정 장치(100)는 자신이 이동하는 선로에 관한 정보를 미리 저장할 수 있다. 또는 열차 위치 측정 장치(100)는 기지국(201, 202) 또는 관제 센터 등으로부터 열차(1)가 이동하는 선로에 관한 정보를 주기적으로 수신할 수 있다. 선로에 관한 정보는 선로를 구성하는 각 구간의 형태(직선, 곡선, 직곡선 등), 길이, 선로에 대한 기지국의 위치 정보(선로로부터 기지국까지의 거리, 좌표 등) 등을 포함할 수 있다. The
열차 위치 측정 장치(100)는 선로에 관한 정보로부터 자신이 현재 이동 중인 선로 구간의 형태를 판단할 수 있다. 열차 위치 측정 장치(100)는 참조 신호를 전송한 기지국(201, 202)의 위치 또는 이전에 측정한 열차(1)의 위치 및 속도 등을 기초로 선로에 관한 정보로부터 자신이 현재 속한 구간의 형태를 판단할 수 있다. The train
이후에, 열차 위치 측정 장치(100)는 판단된 선로 형태에 대응하는 알고리즘을 이용하여 열차(1)의 현재 위치 및 속도를 측정할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시 예에서, 열차 위치 측정 장치(100)는 선로 형태로써 직선 구간, 곡선 구간, 직곡선 혼합 구간의 경우에 따라 서로 다른 알고리즘을 이용하여 열차(1)의 위치를 측정할 수 있다. 구체적으로, 열차 위치 측정 장치(100)는 2개의 기지국(201, 202)으로부터 수신된 참조 신호의 주파수 천이량 비율과 선로에 관한 정보로부터 획득되는 기지국의 위치 정보를 기초로 열차(1)의 위치를 측정할 수 있다. Thereafter, the train
이때, 열차 위치 측정을 위하여, 본원발명의 열차 위치 측정 장치(100)는 이동 속도 v를 별도로 측정하지 않고, 수신된 참조 신호로부터 획득된 참조 신호의 주파수 천이량 f1'과 f2'로부터 열차(1)의 위치를 도출한다. In order to measure the position of the train, the train
수학식 1에서 참조 신호의 기설정된 주파수 fc와 광속 c는 알고 있는 값이므로 대입하여 
직선 구간Straight line
열차(1)가 직선 구간을 이동 중인 경우(23), 열차 위치 측정 장치(100)는 주파수 천이량 비율, 참조 신호를 전송한 기지국(201, 202)의 위치, 직선 선로 x축 상의 열차 위치 T(x,0) 간의 관계식으로부터 도출된 위치 함수 f(x)에 대하여 
구체적으로, 열차 위치 측정 장치(100)는 도 5에 도시된 바와 같이 직선 선로를 x축으로 하고 제1 기지국 A(201) 및 제2 기지국 B(202)의 선로 상의 중간 지점을 원점으로 하는 좌표 평면을 가정할 수 있다. 열차 위치 측정 장치(100)는 선로에 관한 정보로부터 획득되는 기지국의 위치 정보로부터 제1 기지국 A(201)의 위치 A(x1, y1) 및 제2 기지국 B(202)의 위치 B(x2, y2)를 판단할 수 있다. 열차(1)는 x축 상을 이동하므로 x1≤x≤x2, y=0인 임의의 지점에 위치할 수 있다. 열차(1)의 위치를 T(x,0)이라 할 때, 
수학식 2와 수학식 3으로부터 하기의 수학식 4가 도출될 수 있다. From Equation (2) and Equation (3), the following Equation (4) can be derived.
수학식 4로부터, 열차(1)의 위치를 결정하기 위한 위치 함수 f(x)를 수학식 5와 같이 정의할 수 있다.From Equation (4), a position function f (x) for determining the position of the
열차 위치 측정 장치(100)는 수학식 6과 같이, x1과 x2 사이에서 수학식 5의 함수 f(x)가 최소가 되는 x를 결정함으로써 열차(1)의 위치를 판단할 수 있다. The train
곡선 구간Curve section
열차(1)가 직선 구간을 이동 중인 경우(25), 열차 위치 측정 장치(100)는 주파수 천이량 비율과 참조 신호를 전송한 기지국(201, 202)의 위치를 기초로, 선로를 원호로 갖는 원을 가정하여 열차(1)와 기지국(201, 202) 간의 각도 θ에 대한 함수 f(θ)에 대하여 
구체적으로, 열차 위치 측정 장치(100)는 도 6에 도시된 바와 같이 중심 O에 대한 원호를 이루는 곡선 선로 상을 열차(1)가 움직이는 것으로 가정할 수 있다. 열차 위치 측정 장치(100)는 원점 O에서 제1기지국 A(201)를 향하는 직선과 원점 O에서 열차(1)를 향하는 직선 사이의 각도 θ를 결정할 수 있다. Specifically, the train
먼저, ΔTOA에 대하여 코사인(cosine) 제2 법칙을 적용하면 열차(1)와 제1 기지국 A(201) 사이의 직선거리 dA는 다음의 수학식 7과 같다.First, applying the cosine second law to? TOA, the linear distance d A between the
여기서 R은 곡선 반경, hA는 선로와 제1 기지국 A(201) 사이의 직선거리이다.Where R is the radius of curvature, and h A is the straight line distance between the line and the first base station A (201).
수학식 7에 코사인 제1 법칙을 적용하면 다음의 수학식 8 및 수학식 9가 유도된다.Applying the cosine first law to equation (7) leads to the following equations (8) and (9).
ΔTOA의 내각의 합은 π이므로, 다음의 수학식 10이 성립한다.Since the sum of the angles of? A is?, The following equation (10) holds.
여기서, θ1은 상기 열차를 기준으로, 열차 위치에서 제1 기지국 A(201) 방향으로 연장되는 접선과 제1 기지국 A(201)으로 연장되는 연장선 사이의 각도이다. 연장선과 dA와 θA는 θ에 관한 함수이므로, θ1 또한 수학식 11과 같이 θ에 관한 함수로 표현될 수 있다. Here, θ 1 is an angle between a tangent line extending from the train position toward the first
마찬가지로, ΔTOB에 대하여 코사인 제2 법칙을 적용하면, 열차(1)와 제2 기지국 B(202) 사이의 직선거리 dB는 다음의 수학식 12와 같다.Similarly, when the second cosine rule is applied to? TOB, the straight line distance d B between the
여기서 R은 곡선 반경, hB는 선로와 제2기지국 B(202) 사이의 직선거리이다.Where R is the radius of curvature, and h B is the straight line distance between the line and the second
수학식 12에 코사인 제1 법칙을 적용하면 다음의 수학식 13 및 수학식 14가 유도된다.Applying the cosine first law to equation (12) leads to the following equations (13) and (14).
ΔTOA의 내각의 합은 π이므로, 다음의 수학식 15 및 16이 성립한다.Since the sum of the angles of DELTA TOA is?, The following equations (15) and (16) hold.
θ2는 상기 열차를 기준으로, 열차 위치에서 제2 기지국 B(202) 방향으로 연장되는 접선과 제2 기지국 B(202) 방향으로 연장되는 연장선 사이의 각도이다. 2 is an angle between a tangent line extending in the direction of the second
수학식 2, 수학식 11 및 수학식 16으로부터 하기의 수학식 17이 도출될 수 있다. From Equation (2), Equation (11) and Equation (16), the following Equation (17) can be derived.
수학식 17로부터, 열차(1)의 위치를 결정하기 위한 위치 함수 f(θ)를 수학식 18과 같이 정의할 수 있다.From Equation (17), a position function f (?) For determining the position of the train (1) can be defined as shown in Equation (18).
열차 위치 측정 장치(100)는 수학식 19와 같이, 0과 θR 사이에서 수학식 18의 함수 f(θ)가 최소가 되는 θ를 결정함으로써 열차(1)의 위치를 판단할 수 있다. The train
도 6에 도시된 실시 예에서, 제1 기지국 A(201)는 선로의 좌측(도 6에서 원호의 상측)에, 제2 기지국 B(202)는 선로의 우측(도 6에서 원호의 하측)에 위치하며, 반대의 경우에도 상술한 알고리즘에 따라 열차(1)의 위치를 추정할 수 있음은 자명하다.6, the first
직곡선Shear curve 혼합 구간 Mixing section
열차(1)가 직곡선 혼합 구간을 이동 중인 경우(27), 열차 위치 측정 장치(100)는 상술한 함수 
열차 위치 측정 장치(100)는 도 7에 도시된 바와 같이 직선의 연장선과 원호의 연장선을 가정하고, 열차(1)가 직선 선로 상에 위치한다고 가정한 경우에 측정된 열차 위치와, 열차(1)가 곡선 선로 상에 위치한다고 가정한 경우에 측정된 열차 위치 중 최적값을 선택하여 열차(1)의 위치를 판단할 수 있다. 7, assuming the extension of the straight line and the extension of the arc as shown in FIG. 7, the train
먼저, 열차(1)가 직선 AV 상에 위치한다고 가정하는 경우의 알고리즘을 설명한다.First, an algorithm in the case where it is assumed that the
직선 
따라서, 열차(1)의 진행 축과 각 기지국(201, 202) 사이의 각 θ1 및 θ2는 다음의 수학식 22 및 23과 같이 표현될 수 있다. Therefore, the angles? 1 and? 2 between the traveling axis of the
수학식 22 및 23으로부터 하기의 수학식 24 및 25가 유도될 수 있다. From equations (22) and (23), the following equations (24) and (25) can be derived.
수학식 2, 수학식 24 및 수학식 25로부터 열차(1)의 위치를 결정하기 위한 위치 함수 f(x)를 수학식 26과 같이 정의할 수 있다. From Equation (2), Equation (24) and Equation (25), a position function f (x) for determining the position of the train (1) can be defined as Equation (26).
열차 위치 측정 장치(100)는 수학식 27과 같이, x1과 xT 사이에서 수학식 26의 함수 f(x)가 최소가 되는 x를 결정함으로써 열차(1)의 위치를 판단할 수 있다. The train
다음으로, 열차(1)가 곡선상에 위치한다고 가정하는 경우의 알고리즘을 설명한다.Next, an algorithm for assuming that the
앞서 곡선 구간에서와 같이 중심 O와 이를 중심으로 하는 원호를 가정하고, 코사인 제1 법칙과 제2 법칙을 이용하여 위치 함수를 정의한다. 이때 열차(1)와 기지국(201, 202) 간의 각도 θ의 범위는 곡선 구간의 시작 부분부터 끝 부분까지이다. We define the position function using the cosine first law and the second law, assuming the center O and the arc centered on it as in the curve section. The range of the angle [theta] between the
수학식 18 및 수학식 19를 참조하면, 열차(1)의 위치 판단은 다음의 수학식 28 및 29를 따를 수 있다.Referring to the equations (18) and (19), the determination of the position of the train (1) may follow the following equations (28) and (29).
열차 위치 측정 장치(100)는 수학식 27 및 29의 해를 비교하여 
도 7에서는, 열차(1)가 직선 구간에서 곡선 구간으로 진입하는 예를 설명하였으나, 열차(1)가 곡선 구간에서 직선 구간으로 진입하는 직곡선 혼합 구간에서도 상술한 알고리즘에 따라 열차(1)의 위치를 추정할 수 있음은 자명하다.7 shows an example in which the
속도 측정Speed measurement
현재 이동 중인 선로 형태 따라 상술한 알고리즘을 이용하여 열차(1)의 현재 위치를 판단한 이후에, 열차 위치 측정 장치(100)는 열차(1)의 속도를 측정할 수 있다. The train
구체적으로, 열차 위치 측정 장치(100)는 측정된 열차(1)의 위치를 기초로, 수학식 1에서의 θ1 및 θ2를 판단할 수 있고, 결과적으로 수학식 1로부터 v를 연산하여 측정할 수 있다. Specifically, the train
상술한 방법에 따라 열차(1)의 위치 및 속도를 측정한 이후에, 열차 위치 측정 장치(100)는 측정된 위치 및 속도 중 적어도 하나를 기초로 열차 운행을 제어할 수 있다(29).After measuring the position and speed of the
열차 위치 측정 장치(100)는 측정된 위치 및 속도 중 적어도 하나를 출력하거나, 이들을 기초로, 선행 열차 또는 후행 열차와의 거리를 조정할 수 있다. 또는, 열차 위치 측정 장치(100)는 측정된 위치 및 속도 중 적어도 하나를 기지국(201, 202) 및/또는 관제 센터 등으로 전송할 수 있다. The train
또한, 열차 위치 측정 장치(100)는 측정된 위치 및 속도를 이후의 열차 위치 측정에서 선로 구간의 형태를 판단하기 위해 이용할 수 있다. Further, the train
도 8은 본 발명에 따른 열차 위치 측정 장치의 구조를 나타낸 블록도이다. 8 is a block diagram showing the structure of a train position measuring apparatus according to the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 열차 위치 측정 장치(100)는 통신부(110), 처리부(controller)(120), 저장부(130) 및 출력부(140)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 8, the
통신부(110)는 처리부(120)의 제어에 따라 외부로부터 데이터를 수신하거나, 외부로 데이터를 송신할 수 있다. 이를 위하여, 통신부(110)는 무선 통신을 위한 적어도 하나의 모듈로써, 변조 모듈, 보안 모듈, 노이즈 제거 모듈, 필터링 모듈 등을 포함할 수 있다.The
본 발명의 다양한 실시 예에서, 통신부(110)는 처리부(120)의 제어에 따라 기지국(201, 202)과 무선 통신을 수행할 수 있다. 통신부(110)는 기지국(201, 202)으로부터 수신되는 데이터 신호 및 참조 신호를 처리하여 처리부(120)로 전달할 수 있다. In various embodiments of the present invention, the
처리부(120)는 본 발명에 따른 열차 위치 측정 방법을 수행하기 위하여, 열차 위치 측정 장치(100)의 각 구성 요소들을 제어한다.The
구체적으로, 처리부(120)는 2개의 기지국(201, 202)으로부터 수신되는 참조 신호의 도플러 주파수 천이를 측정할 수 있다. 또한, 처리부(120)는 기저장된 선로에 관한 정보 및 이전에 판단된 열차(1)의 위치 및 속도 등을 기초로 현재 이동 중인 선로의 형태를 판단할 수 있다. Specifically, the
처리부(120)는 2개의 기지국(201, 202)으로부터 수신되는 참조 신호의 도플러 주파수 천이량 비율과 선로에 관한 정보로부터 획득되는 기지국(201, 202)의 위치를 기초로, 현재 이동 중인 선로의 형태에 대응하는 알고리즘을 이용하여 열차(1)의 현재 위치 및 속도를 측정할 수 있다. The
구체적으로, 처리부(120)는 열차(1)가 직선 구간을 이동 중인 경우, 참조 신호의 주파수 천이량 비율과 참조 신호를 전송한 2개의 기지국(201, 202)의 위치를 기초로, 직선 선로 x축 상의 열차 위치 T(x,0)에 대한 함수 
처리부(120)의 보다 구체적인 열차 위치 판단 알고리즘은 상술한 바와 같다. The more detailed train position determination algorithm of the
저장부(130)는 열차 위치 측정 장치(100)의 동작을 위한 운영 체제(Operating System), 모듈, 애플리케이션, 프로그램 등을 저장하거나, 열차 위치 측정 장치(100)에서 입출력되거나 생성되는 데이터들을 임시 또는 영구적으로 저장할 수 있다.The
이를 위하여, 저장부(130)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 xD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.The
본 발명의 다양한 실시 예에서, 저장부(130)는 열차(1)가 이동하는 선로에 관한 정보로써 선로를 구성하는 각 구간의 형태(직선, 곡선, 직곡선 등), 길이, 선로에 대한 기지국의 위치 정보(선로로부터 기지국까지의 거리, 좌표 등) 등을 저장할 수 있다.In the various embodiments of the present invention, the
또한, 저장부(130)는 처리부(120)에 의하여 판단된 열차(1)의 실시간 위치 및 속도를 누적하여 또는 일시적으로 저장하고 관리할 수도 있다. Also, the
출력부(140)는 열차 위치 측정 장치(100)에서 처리되는 다양한 정보를 표시하거나, 사용자로부터 필요한 정보를 입력받기 위한 다양한 UI, GUI 등을 표시할 수 있다. The
이를 위하여, 출력부(140)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 등을 포함하여 구성될 수 있다.The
본 발명의 다양한 실시 예에서, 출력부(140)는 처리부(120)의 제어에 따라, 측정된 열차(1)의 위치 및 속도 중 적어도 하나를 다양한 사용자 인터페이스와 함께 표시할 수 있다. In various embodiments of the present invention, the
도 9 내지 도 12는 본 발명에 따른 열차 위치 측정 방법의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.9 to 12 are diagrams showing simulation results of a method of measuring a position of a train according to the present invention.
도 9 내지 도 12의 시뮬레이션에서 사용한 열차 및 통신 관련 파라미터가 하기의 표 1에 기재되어 있다. 도 9 내지 도 12의 시뮬레이션에서 기타 파라미터들의 값은 한국 고속 철도의 열차와 선로 조건을 반영하여 결정되었으며, 통신 규격은 LTE 통신 규격을 적용하였다. The trains and communication-related parameters used in the simulations of Figs. 9 to 12 are shown in Table 1 below. In the simulations of FIGS. 9 to 12, the values of other parameters are determined by reflecting the train and line conditions of the Korea High Speed Railroad, and the LTE communication standard is applied to the communication standard.
시뮬레이션은 직선 구간과 곡선 구간에 대해 각각 수행되었으며 결과는 이하와 같다.The simulation was performed for the straight line section and the curve section, respectively, and the results are as follows.
직선 구간Straight line
도 9는 각각 열차가 직선 구간을 이동할 때, 실제 열차 위치에 따른 위치 측정 오차 분포를 나타낸다. 본 발명에 따른 위치 측정 방법을 이용하여 위치 측정을 수행한 결과 및 종래 기술로써 수신 신호 세기를 기초로 위치 측정을 수행한 결과를 비교하였다. 수신 신호 세기를 이용한 위치 측정 수행에서 수신 신호 세기에 대한 잡음은 최대 수신 신호의 -20dB, 주파수 측정 시 오차는 1Hz의 랜덤 노이즈를 가정하였다. FIG. 9 shows a position measurement error distribution according to the actual train position when the train moves in a straight line section. The results of the position measurement using the position measuring method according to the present invention and the results of performing the position measurement based on the received signal strength according to the prior art are compared. In the position measurement using the received signal strength, it is assumed that the noise of the received signal strength is -20dB of the maximum received signal and the random noise of the frequency measurement error is 1Hz.
제1 기지국 A(201)과 제2 기지국 B(202)의 수직 위치는 선로를 기준으로 각각 -1000미터에서 1000미터까지 100미터 단위로 변화시키며 총 1000회의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.The vertical positions of the first
도 10은 측정 오차의 변화에 따른 위치 측정 오차를 나타낸 도면이다. 도 10의 측정 오차는 최대 오차를 나타내는 지점에서의 오차이다. 제1 기지국 A(201) 및 제2 기지국 B(202)의 수직 위치는 도 9의 시뮬레이션에서와 동일하다. 도 10의 시뮬레이션 결과 도출을 위하여 도 9와 마찬가지로 1000회의 몬테카를로 시뮬레이션이 수행되었다. 10 is a view showing a position measurement error according to a change in measurement error. The measurement error in FIG. 10 is an error at a point indicating the maximum error. The vertical positions of the first
도 9 및 도 10을 참조하면, 직선 구간에서 수신 신호 세기를 이용하여 열차 위치를 측정하는 것보다 본 발명에 따른 위치 측정 방법을 이용하는 경우에 더 많은 케이스에서 낮은 오차가 나타남을 알 수 있다. 다만, 열차가 제1 기지국 A(201) 및 제2 기지국 B(202)의 중간 지점에 위치할 때 다소 높은 오차가 나타났는데, 다양한 실시 예에서, 적어도 둘 이상의 열차 위치 측정 방법을 선택적으로 또는 동시에 수행함으로써 열차 측정 위치의 정확도를 높이도록 할 수 있다.Referring to FIGS. 9 and 10, it can be seen that, in the case of using the position measuring method according to the present invention, a lower error occurs in more cases than in the case of measuring the train position using the received signal strength in the straight line section. However, when the train is located at the midpoint between the first
곡선 구간Curve section
도 11은 곡선 구간에서 열차 위치에 따른 위치 추정 오차의 분포를 나타낸 도면이다. 도 11의 시뮬레이션에서는 도 5에서의 θ가 0rad에서 0.2rad까지 변화할 때의 열차 위치를 측정하였다. 신호 크기 및 주파수 측정 시의 오차와 기지국의 위치 변화, 몬테카를로 시뮬레이션 수행 횟수 등은 도 9와 동일하다.11 is a diagram showing a distribution of a position estimation error according to a train position in a curve section. In the simulation of Fig. 11, the position of the train when the angle &thetas; in Fig. 5 changes from 0rad to 0.2rad was measured. The error in measuring the signal size and frequency, the change in the position of the base station, the number of Monte Carlo simulations, and the like are the same as in Fig.
도 12는 곡선 구간에서 측정 오차의 변화에 따른 위치 측정 오차를 나타낸 도면이다. 제1 기지국 A(201)과 제2 기지국 B(202)의 수직 위치는 도 11에서의 시뮬레이션과 동일하며, 나머지 파라미터는 도 10에서의 시뮬레이션과 동일하다. 12 is a view showing a position measurement error according to a change in a measurement error in a curve section. The vertical positions of the first
도 11 및 도 12를 참조하면, 곡선 구간에서도 수신 신호 세기를 이용하여 열차 위치를 측정하는 것보다 본 발명에 따른 위치 측정 방법을 이용하는 경우에 더 많은 케이스에서 낮은 오차가 나타남을 알 수 있다. 특히 도 11 및 도 12를 도 9 및 도 10과 비교하여 보면, 직선 구간보다 곡선 구간에서의 전반적인 오차가 낮은데, 이는 신호 세기 오차와 도플러 주파수 측정 오차가 위치 측정 오차에 영향을 끼치는 기하학적 특성에서 기인한다. Referring to FIGS. 11 and 12, it can be seen that, in the case of using the position measuring method according to the present invention, more errors are found in the case than in the train position measurement using the received signal strength even in the curve section. In particular, comparing FIGS. 11 and 12 with FIGS. 9 and 10, the overall error in the curve section is lower than in the straight section because the signal intensity error and the Doppler frequency measurement error are attributable to the geometric characteristics do.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그리고 본 명세서와 도면에 개시된 실시 예들은 본 발명의 내용을 쉽게 설명하고, 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. Accordingly, the scope of the present invention should be construed as being included in the scope of the present invention, all changes or modifications derived from the technical idea of the present invention.
1: 열차
100: 열차 위치 측정 장치
110: 통신부
120: 처리부
130: 저장부
140: 출력부
201, 202, 203: 기지국1: Train
100: Train position measuring device
110:
120:
130:
140:
201, 202, 203: base station
Claims (14)
적어도 2개의 기지국으로부터 기설정된 주파수를 갖는 참조 신호를 각각 수신하는 단계; 및
상기 참조 신호의 도플러 주파수 천이량 및 상기 열차가 현재 이동 중인 선로에 관한 정보를 기초로 상기 열차의 위치를 측정하는 단계를 포함하되,
상기 열차의 위치를 측정하는 단계는,
상기 참조 신호의 상기 도플러 주파수 천이량을 변수로 갖는 위치 함수를 정의하는 단계; 및
상기 선로에 관한 정보를 이용하여 상기 정의된 위치 함수가 최소가 되는 상기 열차의 위치를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 방법. A method of measuring a train position of a train position measuring device provided in a train,
Receiving a reference signal having a predetermined frequency from at least two base stations, respectively; And
Measuring a position of the train based on the Doppler frequency shift amount of the reference signal and the information about the track on which the train is currently moving,
The step of measuring the position of the train comprises:
Defining a position function having the Doppler frequency shift amount of the reference signal as a variable; And
And measuring the position of the train with the position function minimized using the information about the line.
제1 기지국 및 제2 기지국으로부터 상기 기설정된 주파수를 갖는 제1 참조 신호 및 제2 참조 신호를 각각 수신하는 단계를 포함하고,
상기 열차의 위치를 측정하는 단계는,
상기 제1 참조 신호 및 상기 제2 참조 신호의 도플러 주파수 천이량을 판단하는 단계;
상기 선로에 관한 정보를 기초로, 상기 열차가 현재 이동 중인 선로의 형태를 판단하는 단계; 및
상기 제1 참조 신호 및 상기 제2 참조 신호의 도플러 주파수 천이량을 기초로 상기 선로의 형태에 대응하여 기설정된 알고리즘을 이용하여 상기 열차의 위치를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 방법.
2. The method of claim 1, wherein receiving the reference signals comprises:
Receiving a first reference signal and a second reference signal having the predetermined frequency from the first base station and the second base station, respectively,
The step of measuring the position of the train comprises:
Determining a Doppler frequency shift amount of the first reference signal and the second reference signal;
Determining the type of the line on which the train is currently moving based on the information about the line; And
And measuring the position of the train using a predetermined algorithm corresponding to the shape of the line based on the Doppler frequency shift amount of the first reference signal and the second reference signal Way.
상기 열차 위치 측정 장치에서 수신될 때, 상기 열차의 속도에 대응하여 도플러 효과에 의해 상기 기설정된 주파수에 대하여 천이된 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 방법. 3. The apparatus of claim 2, wherein the first reference signal and the second reference signal comprise:
And a frequency shifted with respect to the preset frequency by a Doppler effect corresponding to the speed of the train when the train position measuring device receives the frequency.
상기 선로가 직선 구간인 경우, 상기 직선 구간인 선로를 x축, 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 상기 선로 상의 중간 지점을 원점으로 하는 좌표 평면을 정의하는 단계;
상기 좌표 평면상의 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 위치, 상기 열차의 위치 및 상기 주파수 천이량의 비율 간의 관계식으로부터 상기 위치 함수 f(x)를 도출하는 단계; 및
상기 도출된 위치 함수 f(x) 값이 최소가 되는 x를 획득하여 상기 열차의 위치를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 방법. 3. The method of claim 2, wherein measuring the location of the train further comprises:
Defining a coordinate plane having the line as a straight line section as an origin on the x-axis, the intermediate point on the line of the first base station and the second base station as the origin, when the line is a straight line section;
Deriving the position function f (x) from a relational expression between the position of the first base station and the second base station on the coordinate plane, the position of the train, and the ratio of the frequency shift amount; And
And determining the position of the train by obtaining x that minimizes the value of the derived position function f (x).
상기 선로가 곡선 구간인 경우, 상기 곡선 구간인 선로를 원호로 갖는 원을 정의하는 단계;
상기 열차, 상기 원점 및 상기 제1 기지국이 이루는 삼각형에 대해 코사인 법칙을 기초로, 상기 열차의 위치에서 상기 제1 기지국 방향으로 연장되는 접선과 상기 열차의 위치에서 상기 제1 기지국으로 연장되는 연장선 사이의 제1 각도를 정의하는 단계;
상기 열차, 상기 원점 및 상기 제2 기지국이 이루는 삼각형에 대해 코사인 법칙을 기초로, 상기 열차의 위치에서 상기 제2 기지국 방향으로 연장되는 접선과 상기 열차의 위치에서 상기 제2 기지국으로 연장되는 연장선 사이의 제2 각도를 정의하는 단계;
상기 정의된 제1 각도 및 상기 제2 각도 및 상기 주파수 천이량의 비율 간의 관계식으로부터 상기 열차와 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국 사이의 각도 θ에 대한 상기 위치 함수 f(θ)를 도출하는 단계; 및
상기 도출된 위치 함수 f(θ) 값이 최소가 되는 θ를 획득하여 상기 열차의 위치를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 방법. 5. The method of claim 4, wherein measuring the location of the train further comprises:
If the line is a curve section, defining a circle having the line as an arc as the curve section;
A tangent line extending from the position of the train to the first base station and an extension line extending from the position of the train to the first base station based on a cosine law for the triangle formed by the train, Defining a first angle of the first angle;
A tangent line extending from the position of the train to the second base station and an extension line extending from the position of the train to the second base station based on a cosine law for the triangle formed by the train, Defining a second angle of a first angle;
Deriving the position function f ([theta]) for an angle [theta] between the train and the first base station and the second base station from a relationship between the defined first angle and the ratio of the second angle and the frequency shift amount ; And
And determining the position of the train by obtaining? That minimizes the value of the derived position function f (?).
상기 선로가 직곡선 혼합 구간인 경우, 상기 열차가 직선 구간에 위치하는 경우를 가정하여 상기 위치 함수 f(x) 값이 최소가 되는 x를 획득함으로써 제1 열차 위치를 추정하는 단계;
상기 열차가 곡선 구간에 위치하는 경우를 가정하여 상기 위치 함수 f(θ) 값이 최소가 되는 θ 를 획득함으로써 제2 열차 위치를 추정하는 단계; 및
상기 제1 열차 위치 및 상기 제2 열차 위치 중 기설정된 조건에 따라 최적값을 선택하여 상기 열차의 위치를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 방법. 6. The method of claim 5, wherein measuring the location of the train further comprises:
Estimating a first train position by obtaining x that minimizes the value of the position function f (x) assuming that the train is located in a straight line section when the line is a curved line mixing section;
Estimating a second train position by obtaining? That minimizes the value of the position function f (?) On the assumption that the train is located in a curve section; And
And determining the position of the train by selecting an optimum value according to a predetermined condition among the first train position and the second train position.
상기 측정된 위치 및 상기 도플러 주파수 천이량을 기초로, 상기 열차의 속도를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 방법. 3. The method of claim 2,
Further comprising the step of determining the speed of the train based on the measured position and the Doppler frequency shift amount.
적어도 2개의 기지국으로부터 기설정된 주파수를 갖는 참조 신호를 각각 수신하는 통신부; 및
상기 참조 신호의 도플러 주파수 천이량 및 상기 열차가 현재 이동 중인 선로에 관한 정보를 기초로 상기 열차의 위치를 측정하는 처리부를 포함하되,
상기 처리부는,
상기 참조 신호의 상기 도플러 주파수 천이량을 변수로 갖는 위치 함수를 정의하고, 상기 선로에 관한 정보를 이용하여 상기 정의된 위치 함수가 최소가 되는 상기 열차의 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치. A train position measuring device provided in a train,
A communication unit for receiving a reference signal having a predetermined frequency from at least two base stations; And
And a processor for measuring a position of the train on the basis of a Doppler frequency shift amount of the reference signal and information on a line on which the train is currently moving,
Wherein,
Wherein a position function having the Doppler frequency shift amount of the reference signal as a parameter is defined and the position of the train where the defined position function is minimized is measured using the information about the line Device.
제1 기지국 및 제2 기지국으로부터 상기 기설정된 주파수를 갖는 제1 참조 신호 및 제2 참조 신호를 각각 수신하고,
상기 처리부는,
상기 선로에 관한 정보를 기초로, 상기 열차가 현재 이동 중인 선로의 형태를 판단하고, 상기 제1 참조 신호 및 상기 제2 참조 신호의 도플러 주파수 천이량을 기초로 상기 선로의 형태에 대응하여 기설정된 알고리즘을 이용하여 상기 열차의 위치를 측정하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치. The communication device according to claim 8,
Receiving a first reference signal and a second reference signal having the predetermined frequency from the first base station and the second base station,
Wherein,
And a controller configured to determine the type of the line on which the train is currently moving based on the information about the line and to determine a type of the line on which the train is currently moving based on the Doppler frequency shift amount of the first reference signal and the second reference signal, Wherein the position of the train is measured using an algorithm.
상기 열차 위치 측정 장치에서 수신될 때, 상기 열차의 속도에 대응하여 도플러 효과에 의해 상기 기설정된 주파수에 대하여 천이된 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치. 10. The method of claim 9, wherein the first reference signal and the second reference signal comprise:
And a frequency shifted with respect to the preset frequency by the Doppler effect corresponding to the speed of the train when the train position measuring device receives the frequency.
상기 선로가 직선 구간인 경우, 상기 직선 구간인 선로를 x축, 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 상기 선로 상의 중간 지점을 원점으로 하는 좌표 평면을 정의하고, 상기 좌표 평면상의 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국의 위치, 상기 열차의 위치 및 상기 주파수 천이량의 비율 간의 관계식으로부터 상기 위치 함수 f(x)를 도출하고, 상기 도출된 위치 함수 f(x) 값이 최소가 되는 x를 획득하여 상기 열차의 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치. 10. The image processing apparatus according to claim 9,
Wherein when the line is a straight line section, the linear plane is defined as an x-axis, and a coordinate plane having an origin at an intermediate point on the line of the first base station and the second base station is defined, And deriving the position function f (x) from a relational expression between the position of the second base station, the position of the train, and the ratio of the frequency shift amount, and obtaining x that minimizes the derived position function f (x) To determine the position of the train.
상기 선로가 곡선 구간인 경우, 상기 곡선 구간인 선로를 원호로 갖는 원을 정의하고, 상기 열차, 상기 원점 및 상기 제1 기지국이 이루는 삼각형에 대해 코사인 법칙을 기초로, 상기 열차의 위치에서 상기 제1 기지국 방향으로 연장되는 접선과 상기 열차의 위치에서 상기 제1 기지국으로 연장되는 연장선 사이의 제1 각도를 정의하고, 상기 열차, 상기 원점 및 상기 제2 기지국이 이루는 삼각형에 대해 코사인 법칙을 기초로, 상기 열차의 위치에서 상기 제2 기지국 방향으로 연장되는 접선과 상기 열차의 위치에서 상기 제2 기지국으로 연장되는 연장선 사이의 제2 각도를 정의하고, 상기 정의된 제1 각도 및 상기 제2 각도로부터 상기 열차와 상기 제1 기지국 및 상기 제2 기지국 사이의 각도 θ에 대한 상기 위치 함수 f(θ)를 도출하고, 상기 도출된 위치 함수 f(θ) 값이 최소가 되는 θ를 획득하여 상기 열차의 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치. 12. The image processing apparatus according to claim 11,
A circle having the arc as a curved section is defined as a circle when the line is a curved section and a circle having a circular arc is defined as an arc on the basis of a cosine law for the triangle formed by the train, 1 defines a first angle between a tangent line extending in one base station direction and an extension line extending from the position of the train to the first base station and based on the cosine law for the triangle formed by the train, Defining a second angle between a tangent line extending from the location of the train to the second base station and an extension line extending from the location of the train to the second base station and defining a second angle from the defined first angle and the second angle (?) With respect to an angle? Between the train and the first base station and the second base station, and derives the derived position function f (?) to obtain the minimum value? (?) to determine the position of the train.
상기 선로가 직곡선 혼합 구간인 경우, 상기 열차가 직선 구간에 위치하는 경우를 가정하여 상기 위치 함수 f(x) 값이 최소가 되는 x를 획득함으로써 제1 열차 위치를 추정하고, 상기 열차가 곡선 구간에 위치하는 경우를 가정하여 상기 위치 함수 f(θ) 값이 최소가 되는 θ를 획득함으로써 제2 열차 위치를 추정한 후, 상기 제1 열차 위치 및 상기 제2 열차 위치 중 기설정된 조건에 따라 최적값을 선택하여 상기 열차의 위치를 판단하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치. 13. The image processing apparatus according to claim 12,
Estimating a first train position by obtaining x that minimizes the value of the position function f (x) assuming that the train is located in a straight line section when the line is a curved line mixing section, Of the position function f (&thetas;) is obtained by estimating the second train position by obtaining &thetas; And selecting the optimum value to determine the position of the train.
상기 측정된 위치 및 상기 도플러 주파수 천이량을 기초로, 상기 열차의 속도를 판단하는 것을 특징으로 하는 열차 위치 측정 장치.9. The apparatus according to claim 8,
And determines the speed of the train based on the measured position and the Doppler frequency shift amount.
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|---|---|---|---|
| KR1020170138633A KR101835432B1 (en) | 2017-10-24 | 2017-10-24 | Method and apparatus for train location measurement |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |