利用无线电信号的多普勒频移进行车辆定位的方法与装置

摘要

本发明涉及车辆特别是轨道车辆定位的方法与装置。本发明的目的在于提供方法与装置以使车辆特别是轨道车辆在高可用性下能精确地定位。在已知和/或给定的路线上需被定位的车辆，要装备至少一套移动无线电设备，该设备收发来自和/或发向无线电基站的无线电信号。无线电基站的天线沿行驶路线布置并能收发来自和/或发向车载无线电设备的无线电信号。无线电信号中的多普勒频移可在车辆上和/或无线电基站上测定。通过对在零多普勒频移点周围的多普勒频移变化的处理，可确定车辆驶经某些点，其与无线电基站天线的连线垂直于行驶路线。至少对两个无线电基站测到相对于同一车辆的、或在该车辆上测到相对于这些无线电基站的多普勒频移具有不同符号时进行处理，可确定车辆所在区间。车辆所在区间由无线电基站之间的区段所定。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆定位的方法与装置。本发明适于、但不限于用在轨道车辆上。

背景技术

对于很多应用，车辆的行驶路线是给定的。确定路线上车辆所在区间或车辆是否驶经路线上某些点具有重要意义。

已知的建立在移动无线电系统基础上的定位方法，无论是测量车辆和无线电基站间无线电信号传播的角度、时间或是时间差，都因如多径效应的影响很难达到100米以下的精度。

现有的卫星定位系统如GPS在许多应用领域中由于卫星信号被遮挡(例如在隧道里)而达不到可用性要求。

发明内容

本发明的目的是排除上述的现有技术的缺陷，推荐一个车辆特别是轨道车辆定位的方法以及装置，以使车辆定位既精确又有高可用性。

依专利要求1、2、4、5所述特征的方法和依专利要求7所述特征的装置可完成车辆定位的任务。    

在已知和/或给定的路线上需被定位的车辆，要装备至少一套无线电设备。该设备收发来自和/或发向无线电基站的信号。

无线电基站的天线布置在行车路线沿线，可收发来自和/或发向车载无线电设备的无线电信号。无线电信号上的多普勒频移可在车辆上和/或无线电基站上测定。

通过对在零多普勒频移点周围的多普勒频移变化的处理，可确定车辆驶经某些特定点，这些特定点与无线电基站天线的连线垂直于行驶路线。

至少对两个无线电基站测到相对于同一车辆的、或在该车辆上测到相对于这些无线电基站的多普勒频移具有不同符号时进行处理，可确定车辆所在区间。车辆所在区间由无线电基站之间的区段所定。

该区间定位的发明可基于、但只不限于移动无线电系统。

在轨道车辆应用中进一步的有利因素是沿线距轨道5米内布置的GSM-R天线。由此可使装有无线电设备的车辆和基站天线之间的多普勒频移变化在基站天线附近非常强烈。本发明利用这一特点进行车辆定位。通过测量多普勒频移变化可知车辆驶经基站天线附近。通过测定对应于两个基站具有不同符号的多普勒频移时，可知车辆所在区间。

区间内行驶路程可由附加计程器类传感器或对多普勒频移积分定。

相对于已知的移动无线电定位方法，本发明方法能在特别是区间分界处更精确地定位以及可靠地判定区间。本发明方法对信号的多径效应不敏感。时间同步误差可通过停车测量而无需附加传感器确定。

相对于卫星定位，本发明比如通过GSM-R而具有更高的定位可用性。如果采用已有无线通讯网如GSM-R，其另一优点是不需另加基础设施。

附图说明

以下通过图示实施例进一步解释本发明。图例只展示原理而非成比例。

图1带有车辆定位设施的路段(一轨道车辆在该路段上行驶)；

图2带有车辆区间定位设施的路段(一轨道车辆在该路段上行驶)。

具体实施方式

图1显示了一轨道车辆在带有车辆定位设施的路段上行驶以及相应的定位原理。车辆1装备有移动无线电设备2，由位置A向位置B行驶，行驶路线(本例中为轨道线路)附近有无线电基站3。在车辆1或无线电基站3接收到的无线电频率受多普勒效应影响而相对于发射频率有所改变。因为在点s＝O发射机和接收机之间的相对速度消失，由发射机和接收机之间的相对速度所产生的频率变化即多普勒频移f在O点根据理论为零。当车辆1运动时，多普勒频移在O点前(如s＝A-O)和O点后(如s＝O-B)具有不同的符号。由此可通过测量多普勒频移f确定车辆1驶经O点，并根据多普勒频移的符号变化区别由O点分开的路段区间。    

如果定位应在车辆1上进行，则无线电设备2应至少具有接收功能而无线电基站3应至少具有发射功能。由无线电基站3发射的某一频率信号应被无线电设备2所接收。GSM信号中含有用户和基站的辨识信息。接收信号的频率变化可得以测定和处理。

GSM系统使用上、下载频段，其中每一上、下载频段有125频道。当发射机和接收机通讯时，使用频道及载波频率在接收方是已知的。

测定由多普勒效应引起的、相对于发射频率即对发射和接收方都已知和额定的信号载波频率的频率差以及频率差的符号转变，进而判定车辆1处在线路上O点，即线路在该点垂直于该点至无线电基站3连线，为首选过程。

如果定位应在车辆1以外特别是在无线电基站3进行，则无线电设备2应至少具有发射功能而无线电基站3应至少具有接收功能。由无线电设备2发射的某一频率信号应被无线电基站3所接收。接收信号的频率变化可被测定和处理。由此可求出由多普勒效应引起的、相对于额定发射频率的频率差以及频率差的符号转变。该符号转变可作为首选用来判定车辆1处在线路上O点，即该点与无线电基站3的连线垂直于行驶路线。图1还给出了一个f-s的变化原理图，其中O点对应s＝0.

如果行驶方向和原区间不是已知或车辆停留在一个区间后向相反方向行驶，则以一个无线电基站定位有可能出现多值性。以两个无线电基站，其测量的相对于车辆的、或在车辆上测量的对两个基站的多普勒频移具有不同符号，则可避免多值性。图2所示的路段由3个沿路段分布的零多普勒频移点i-1，i，i+1分为两个路段区间K，K+1。第一个区间K也可由分别相对于第一点i-1和第二点i的第一无线电基站4和第二无线电基站5而界定。第二个区间K+1在图例中由第二基站5和相对于第三点i+1的第三基站6而界定。

当装备有无线电设备8的车辆7以图示方向行驶时，车辆7经过零多普勒频移点i-1，i，i+1以及区间K，K+1都可通过上述处理多普勒频移f定。

对应图2中第一个区间K的两基站(对应点i-1和i)而产生的多普勒频移将具有不同的符号。由此可确定车辆7如图所示位于第一个区间K。

如果定位应在车辆7上进行，则无线电设备8应至少具有接收功能，而无线电基站4、5、6应至少分别具有发射功能。由无线电基站4、5、6发射的某一频率信号应被无线电设备8所接收。

接收机可根据频率即使用频道区别发射信号。区别不同发射信号当然还有其它如分时(TDMA)和分码(CDMA)的方法。GSM标准用的是分频和时道。UMTS主要用的是CDMA。用CDMA时不同的发射机在同一频率上采用不同的信号码。

无线电设备8可确定由多普勒效应引起的频移，并将来自不同发射机的信号频移符号互相比较。因来自组成路段区间K的无线电基站4、5的信号具有不同的频移符号，从而可断定车辆7位于路段区间K中。根据来自组成路段K+1的无线电基站5、6的信号具有相同频移符号，从而可断定车辆7在路段区间K+1以外。

如果定位应在车辆7以外，比如在一个中心站(图中未显示)进行，则无线电设备8应至少具有发射功能，而无线电基站4、5、6应至少分别具有接收功能。由无线电设备8发射的某一频率信号应被无线电基站4、5、6所接收。无线电基站4、5、6可分别测定由多普勒效应引起的频移。不同接收信号的频移符号将互相比较。因组成路段区间K的无线电基站4、5具有不同的频移符号，从而可断定车辆7位于路段区间K中。根据组成路段K+1的无线电基站5、6具有相同频移符号，从而可断定车辆7在路段区间K+1以外。

无线电基站设在车道附近有利于提高定位精度。在轨道车辆应用中特别有利的是比如沿路布设的GSM-R天线距轨道距离5米之内，从而使装有无线电设备2、8的车辆1、7和路旁无线电基站4、5、6的天线之间产生的多普勒频移在天线附近急剧变化。

发射机和接收机之间的收发可以是连续也可以是阶段式的。为减少信号干扰，还可考虑限制发射机的发射范围和/或接收机的接收范围。