CN109856595A - 基于uwb的轨道交通定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的基于UWB的轨道交通定位系统和方法，该系统包括定位标签、定位基站和定位服务器；所述定位标签设于待定位目标上，所述定位标签用于发送设定频率的脉冲信息；所述定位基站设于轨道沿线和车站，所述定位基站上设有已知坐标的第一天线和第二天线；所述定位基站用于接收并识别所述脉冲信息，基于超宽带技术UWB测定所述待定位目标与所述第一天线的第一距离、所述待定位目标与所述第二天线的第二距离；所述定位服务器用于根据所述第一距离、第二距离，以及第一天线的已知坐标、第二天线的已知坐标，获取待定位目标的坐标。通过依靠UWB技术实现在线路上的精确定位。

Description

基于UWB的轨道交通定位系统和方法

技术领域

本发明实施例涉及轨道交通定位技术领域，更具体地，涉及一种基于UWB的轨道交通定位系统和方法。

背景技术

轨道交通定位目前主要实现对列车的定位，对于人员、设备的定位目前没有相关技术及应用。列车的定位目的主要是列车运行控制系统通过列车的定位实现列车自动控制、自动防护、自动监控等功能，实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。目前对于列车的定位主要有信标定位、卫星、计轴或者轨道电路等技术方案。

信标定位，信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。信标类似于非接触式IC卡，在列车经过信标所在位置时，车载天线发射的电磁波激励信标工作，并传递绝对位置信息给列车。城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无源信标，安装在轨道沿线。信标的作用是为列车提供精确的绝对位置参考点。由于信标提供的位置精度很高，达厘米量级，常用信标作为修正列车实际运行距离的手段。

卫星定位，包括北斗/GPS等无线电导航系统。卫星作为最早应用于导航定位系统的高新技术，有着在全球范围内、在任意时刻、任意气象条件下为用户提供连续不断的高精度三维位置、速度和时间信息的特点。采用GPS定位时只需要在机车上安装接收机即可，但在周围阻挡物多的地方列车的定位精度会受到影响。

轨道电路或计轴定位原理，在线路设计时，根据用户对列车运行密度的要求，将整个线路分割成若干个轨道区段，并对所有轨道区段进行统一编号。对线路地形及线路设备进行数字化描述后形成线路地图，贮存在轨旁和/或车载计算机中。列车在线路中运行时，其所在的轨道电路/计轴会给出占用指示，对占用状态的连续跟踪，也就实现了对列车在线路中所处位置的连续跟踪。

采用信标定位技术的信息传递是间断的，即当列车从一个信息点获得地面信息后，要到下一个信息点才能更新信息，若其间地面情况发生变化，就无法立即将变化的信息实时传递给列车，因此，信标定位技术往往作为其它定位技术的补充手段；与信标类似，采用轨道电路或计轴定位也只能确定列车所在区域，定位精度一般在几百米甚至几公里，不能确定列车精确位置；采用卫星定位面临以下问题，1)在卫星能见度低的区域(如隧道)、多径反射严重区域(如城市高楼区)以及电磁干扰严重区域，卫星信号接收不良时的定位问题；2)高精度定位区域，如道岔区段、站台精确停车时，由于卫星定位技术的固有定位误差，存在无法进行精确位置修正的问题。

发明内容

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于UWB的轨道交通定位系统和方法。

第一方面，本发明实施例提供一种基于UWB的轨道交通定位系统，包括定位标签、定位基站和定位服务器；

所述定位标签设于待定位目标上，所述定位标签用于发送设定频率的脉冲信息；所述定位标签上设置有识别号，将所述识别号与对应的各待定位目标进行匹配，以根据所述定位标签上的识别号，判断该定位标签代表的待定位目标；

所述定位基站设于轨道沿线和车站，所述定位基站上设有已知坐标的第一天线和第二天线；定位基站设于轨道沿线时，所述第一天线与所述第二天线平行于轨道方向；定位基站设于车站时，所述第一天线与所述第二天线平行于地图坐标系的任一轴；所述定位基站用于接收并识别所述脉冲信息，基于超宽带技术UWB测定所述待定位目标与所述第一天线的第一距离、所述待定位目标与所述第二天线的第二距离；

所述定位服务器用于根据所述第一距离、第二距离，以及第一天线的已知坐标、第二天线的已知坐标，获取待定位目标的坐标。

可选的，根据所述第一距离、第二距离，以及第一天线的已知坐标、第二天线的已知坐标，获取待定位目标的坐标，具体包括：

以所述第一天线、所述第二天线所在直线为直角边，以待定位目标与所述第一天线的连线作为斜边，做直角三角形，所述第一距离大于所述第二距离；

基于所述第一距离、所述第二距离以及第一天线与第二天线间的第三距离，通过三角公式获得直角三角形中两条直角边的长；并基于第一天线的坐标获取待定位目标的坐标。

可选的，所述待定位目标包括列车、设备和人员。

可选的，定位基站设于轨道沿线时，所述定位基站的基站坐标系的横坐标轴或竖坐标轴平行于轨道方向；定位基站设于车站时，所述定位基站的基站坐标系的坐标轴与地图坐标系的坐标轴相互平行。

可选的，所述定位标签设于列车两端。

可选的，还包括监测计算机，所述监测计算机用于接收所述定位服务器中的坐标，并对待定位目标的位置进行显示。

第二方面，本发明实施例提供一种基于UWB的轨道交通定位方法，包括：

基于超宽带技术UWB测定待定位目标与第一天线的第一距离、待定位目标与第二天线的第二距离；所述第一天线和所述第二天线的坐标已知；

基于所述第一距离、所述第二距离，以及第一天线的坐标、第二天线的坐标，获取待定位目标的坐标。

可选的，基于超宽带技术UWB测定待定位目标与第一天线的第一距离、待定位目标与第二天线的第二距离前，还包括：

待定位目标实时或等间隔发送设定频率的脉冲信息，第一天线、第二天线接收并识别所述脉冲信息。

可选的，基于所述第一距离、所述第二距离，以及第一天线的坐标、第二天线的坐标，获取待定位目标的坐标，具体包括：

以所述第一天线、所述第二天线所在直线为直角边，以待定位目标与所述第一天线的连线作为斜边，做直角三角形，所述第一距离大于所述第二距离；

基于所述第一距离、所述第二距离以及第一天线与第二天线间的第三距离，通过三角公式获得直角三角形中两条直角边的长；并基于第一天线的坐标获取待定位目标的坐标。

可选的，获取待定位目标的坐标后，还包括：

周期或实时获取待定位目标的坐标信息，得到待定位目标的运动轨迹、速度。

本发明实施例提出了一种基于UWB的轨道交通定位系统和方法，通过在轨道沿线、车站区域布置定位基站，在列车、设备和人员等待定位目标上设置定位标签，通过依靠UWB技术实现在线路上的精确定位。从而为对列车的自动控制、安全防护、远程监控提供列车位置信息，以及对人员的跟踪及指挥。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为根据本发明实施例的基于UWB的轨道交通定位系统示意图；

图2为根据本发明实施例的待定位目标的坐标获取原理示意图；

图3为根据本发明实施例的基于UWB的轨道交通定位方法示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有技术针对轨道交通定位的方法中，采用信标定位技术的信息传递是间断的，无法立即将变化的信息实时传递给列车，往往作为其它定位技术的补充手段；采用轨道电路或计轴定位也只能确定列车所在区域，定位精度一般在几百米甚至几公里，不能确定列车精确位置；采用卫星定位存在接收不良时的定位问题，在卫星能见度低的区域(如隧道)、多径反射严重区域(如城市高楼区)以及电磁干扰严重区域，卫星信号接收不良时的定位问题；高精度定位区域，如道岔区段、站台精确停车时，由于卫星定位技术的固有定位误差，存在无法进行精确位置修正的问题。

因此本发明各实施例通过在轨道沿线、车站区域布置定位基站，在列车、设备和人员等待定位目标上设置定位标签，通过依靠UWB(超宽带)技术实现在线路上的精确定位。以下将通过多个实施例进行展开说明和介绍。

图1为本发明实施例提供的一种基于UWB的轨道交通定位系统，包括定位标签2、定位基站1和定位服务器3；

上述定位标签2设于待定位目标上，上述定位标签2用于发送设定频率的脉冲信息；

上述定位基站1设于轨道沿线和车站，上述定位基站1上设有已知坐标的第一天线11和第二天线12；定位基站1设于轨道沿线时，所述第一天线11与所述第二天线12平行于轨道方向；定位基站1设于车站时，所述第一天线11与所述第二天线12平行于地图坐标系的任一轴；上述定位基站1用于接收并识别上述脉冲信息，基于超宽带技术(Ultra Wideband，UWB)测定上述待定位目标与上述第一天线11的第一距离、上述待定位目标与上述第二天线12的第二距离；

上述定位服务器3用于根据上述第一距离、第二距离，以及第一天线11的已知坐标、第二天线12的已知坐标，获取待定位目标的坐标。

在上述各实施例的基础上，上述定位标签2上设有识别号，上述定位服务器3中预存有上述识别号与待定位目标的对应关系。

在本实施例中，可以预先在定位标签2上设置识别号，将上述识别号与对应的各待定位目标进行匹配，即根据定位标签2上的识别号，可以判断该定位标签2代表的待定位目标，进而可以同时实现对多个待定位目标的定位。

具体的，通过将列车编号、人员编号和设备编号与对应的定位标签2对应绑定，由此可判断待定位目标为哪辆列车或哪个人员或哪个设备，这样，仅仅依靠UWB定位技术，即可实现线路上各个列车的位置、人员的位置和设备的位置，不需要依靠其它技术进行各个列车、人员和设备的定位。

同时，定位标签2在发送脉冲信息时，同时将识别号发送至定位基站1，使得定位基站1可以据此知道待定位目标是哪辆列车或哪个人员或哪个设备。

在本实施例中，UWB定位技术是一种基于无线脉冲到达时差的测距定位技术，通过三角定位原理来确定目标对象的精确坐标，通过在需要定位的区域安装定位基站1，目标对象安装定位标签2，实现对目标对象的定位。

UWB测距使用TOF测距方法，TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机(Transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下，基于TOF测距方法是随距离呈线性关系，所以结果会更加精准。将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为TTOT，接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT，那么数据包在空中单向飞行的时间TTOF可以计算为：TTOF＝(TTOT-TTAT)/2。然后根据TTOF与电磁波传播速度的乘积便可计算出两点间的距离D＝C_x*TTOF，C_x为电磁波传播速度。

在本实施例中，基于UWB技术，通过在轨道沿线、车站设置定位基站1，定位基站1的坐标是已知的；同时，在待定位目标上布置定位标签2，在定位基站1与定位标签2之间匹配设定频率的脉冲信息，定位标签2发送该脉冲信息，定位基站1接收该脉冲信息，进而对携带该定位标签2的待定位目标进行定位。

具体的，在本实施例中，定位基站1上设有两个天线，分别为第一天线11和第二天线12，第一天线11和第二天线12的坐标已知；基于UWB定位技术分别测得第一天线11与待定位目标的距离，记为第一距离，测得第二天线12与待定位目标的距离，记为第二距离；将第一天线11与第二天线12间距离记为第三距离，通过上述第一距离、第二距离和第三距离以及第一天线11和第二天线12的坐标，即可获得待定位目标的坐标。

具体的，在本实施例中，如图2所示，图中，A、B两点分别为第一天线11和第二天线12，第一天线11的坐标为(Xa，Ya)，第二天线12的坐标为(Xb，Yb)，C为待定位目标。在本实施例中，第一距离为AC，第二距离为BC，第三距离为AB，AC和BC可以根据上述实施例介绍的原理，利用公式D＝C_x*TTOF计算得到，也是已知的；需要根据上述已知信息求取(Xc，Yc)。

根据海伦公式：p＝(AB+AC+BC)/2；

h＝2S/AB；

Xc＝Xa+AD；

Yc＝Ya+h。

式中最终得到的Xc、Yc为待定位目标在基站坐标系中的坐标，基于事先确定的基站坐标与地图坐标的转换关系，将其转换为电子地图中的坐标，即可得到待定位目标的坐标。

在上述实施例的基础上，上述待定位目标包括列车、设备和人员。

在本实施例中，待定位目标可以是轨道交通系统中的移动体，包括列车、人员及设备，定位基站1的布置密度满足对待定位区域的覆盖，定位基站1信号冗余覆盖线路区域，以实现对列车的持续定位。

定位标签2布置在列车的两端，实现对列车两端的定位，从而确定列车的具体位置。人员的定位标签2由人员携带在身上；设备的定位标签2直接设置到设备上。

在上述各实施例的基础上，定位基站1设于轨道沿线时，所述定位基站1的基站坐标系的横坐标轴或竖坐标轴平行于轨道方向；定位基站1设于车站时，所述定位基站1的基站坐标系的坐标轴与地图坐标系的坐标轴相互平行。

在本实施例中，第一天线11、第二天线12的布置需要平行于轨道方向，以便于计算。通过计算待定位目标在基站坐标系中的坐标，再转换为地图坐标系中的坐标。

在上述各实施例的基础上，还包括监测计算机4，上述监测计算机4用于接收上述定位服务器3中的坐标，并对待定位目标的位置进行显示。

在上述实施例的基础上，上述定位服务器3可以共用一个，而监测计算机则可以在每个车站设置一个，用于从定位服务器3中获取列车位置信息，以及本车站内的人员、设备信息。

在本实施例中，定位服务器3根据收到的测距信息，结合电子地图及数据库得到待测体位置，监控计算机4持续的接收来自定位服务器3的列车/人员/设备的位置信息，并显示在指示终端，以供调度人员根据终端显示的位置信息作出调度指挥的决策。

在上述各实施例的基础上，通过监控计算机4提供的列车位置，调度人员能够获取全线列车的位置，在人工驾驶运行模式下，调度员根据全线列车位置，调度列车运行。对列车的定位还能够直接用于列车的运行控制、安全防护。

上述各实施例中的系统，还能实现线路、车站人员和设备的定位。如在车站出现紧急事件时，例如电梯突然停止、站台有人员晕倒，可以立即指挥最近的工作人员处理。或者在轨道动力设备上电时，判断是否有人位于带电区域。或者在工作人员在区间进行维修作业时，判断维修人员是否位于允许的工作区域，并在工作接收后，离开工作区域。

本实施例提供一种基于UWB的轨道交通定位方法，基于上述各实施例中的基于UWB的轨道交通定位系统，如图3所示，包括：

基于超宽带技术UWB测定待定位目标与第一天线的第一距离、待定位目标与第二天线的第二距离；上述第一天线和上述第二天线的坐标已知；

基于上述第一距离、上述第二距离，以及第一天线的坐标、第二天线的坐标，获取待定位目标的坐标。

在本实施例中，基于UWB定位技术分别测得第一天线与待定位目标的距离，记为第一距离，测得第二天线与待定位目标的距离，记为第二距离；将第一天线与第二天线间距离记为第三距离，通过上述第一距离、第二距离和第三距离以及第一天线和第二天线的坐标，即可获得待定位目标的坐标。

在上述各实施例的基础上，基于超宽带技术UWB测定待定位目标与第一天线的第一距离、待定位目标与第二天线的第二距离前，还包括：

待定位目标实时或等间隔发送设定频率的脉冲信息，第一天线、第二天线接收并识别上述脉冲信息。

在本实施例中，在待定位目标上布置定位标签，在定位基站与定位标签之间匹配设定频率的脉冲信息，定位标签发送该脉冲信息，定位基站接收该脉冲信息，进而对携带该定位标签的待定位目标进行定位。

可以预先在定位标签上设置识别号，将上述识别号与对应的各待定位目标进行实现匹配，即根据定位标签上的识别号，可以判断该定位标签代表的待定位目标，进而可以同时实现对多个待定位目标的定位。

在上述各实施例的基础上，基于上述第一距离、上述第二距离，以及第一天线的坐标、第二天线的坐标，获取待定位目标的坐标，具体包括：

以上述第一天线、上述第二天线所在直线为直角边，以待定位目标与上述第一天线的连线作为斜边，做直角三角形，上述第一距离大于上述第二距离；

基于上述第一距离、上述第二距离以及第一天线与第二天线间的第三距离，通过三角公式获得直角三角形中两条直角边的长；并基于第一天线的坐标获取待定位目标的坐标。

具体的，在本实施例中，如图2所示，图中，A、B两点分别为第一天线11和第二天线12，第一天线11的坐标为(Xa，Ya)，第二天线12的坐标为(Xb，Yb)，C为待定位目标。在本实施例中，第一距离为AC，第二距离为BC，第三距离为AB，AC和BC可以根据上述实施例介绍的原理，利用公式D＝C_x*TTOF计算得到，也是已知的；需要根据上述已知信息求取(Xc，Yc)。

根据海伦公式：p＝(AB+AC+BC)/2；

h＝2S/AB；

Xc＝Xa+AD；

Yc＝Ya+h。

式中最终得到的Xc、Yc为待定位目标在基站坐标系中的坐标，基于事先确定的基站坐标与地图坐标的转换关系，将其转换为电子地图中的坐标，即可得到待定位目标的坐标。

在上述各实施例的基础上，获取待定位目标的坐标后，还包括：

周期或实时获取待定位目标的坐标信息，得到待定位目标的运动轨迹、速度。

根据收到的测距信息，结合电子地图及数据库得到待测体位置，持续获取列车/人员/设备的位置信息，并进行显示，以供调度人员根据终端显示的位置信息作出调度指挥的决策。

在上述各实施例的基础上，通过获取列车位置，调度人员能够获取全线列车的位置，在人工驾驶运行模式下，调度员根据全线列车位置，调度列车运行。对列车的定位还能够直接用于列车的运行控制、安全防护。

上述各实施例中的系统，还能实现线路、车站人员和设备的定位。如在车站出现紧急事件时，例如电梯突然停止、站台有人员晕倒，可以立即指挥最近的工作人员处理。或者在轨道动力设备上电时，判断是否有人位于带电区域。或者在工作人员在区间进行维修作业时，判断维修人员是否位于允许的工作区域，并在工作接收后，离开工作区域。

综上所述，本发明实施例提供的一种基于UWB的轨道交通定位系统和方法，通过在轨道沿线、车站区域布置定位基站，在列车、设备和人员等待定位目标上设置定位标签，通过依靠UWB技术实现在线路上的精确定位。从而为对列车的自动控制、安全防护、远程监控提供列车位置信息，以及对人员的跟踪及指挥。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于UWB的轨道交通定位系统，其特征在于，包括定位标签、定位基站和定位服务器；

所述定位标签设于待定位目标上，所述定位标签用于发送设定频率的脉冲信息；所述定位标签上设置有识别号，将所述识别号与对应的各待定位目标进行匹配，以根据所述定位标签上的识别号，判断该定位标签代表的待定位目标；

所述定位基站设于轨道沿线和车站，所述定位基站上设有已知坐标的第一天线和第二天线；定位基站设于轨道沿线时，所述第一天线与所述第二天线平行于轨道方向；定位基站设于车站时，所述第一天线与所述第二天线平行于地图坐标系的任一轴；所述定位基站用于接收并识别所述脉冲信息，基于超宽带技术UWB测定所述待定位目标与所述第一天线的第一距离、所述待定位目标与所述第二天线的第二距离；

所述定位服务器用于根据所述第一距离、第二距离，以及第一天线的已知坐标、第二天线的已知坐标，获取待定位目标的坐标。

2.根据权利要求1所述的基于UWB的轨道交通定位系统，其特征在于，根据所述第一距离、第二距离，以及第一天线的已知坐标、第二天线的已知坐标，获取待定位目标的坐标，具体包括：

以所述第一天线、所述第二天线所在直线为直角边，以待定位目标与所述第一天线的连线作为斜边，做直角三角形，所述第一距离大于所述第二距离；

基于所述第一距离、所述第二距离以及第一天线与第二天线间的第三距离，通过三角公式获得直角三角形中两条直角边的长；并基于第一天线的坐标获取待定位目标的坐标。

3.根据权利要求1所述的基于UWB的轨道交通定位系统，其特征在于，所述待定位目标包括列车、设备和人员。

4.根据权利要求1所述的基于UWB的轨道交通定位系统，其特征在于，定位基站设于轨道沿线时，所述定位基站的基站坐标系的横坐标轴或竖坐标轴平行于轨道方向；定位基站设于车站时，所述定位基站的基站坐标系的坐标轴与地图坐标系的坐标轴相互平行。

5.根据权利要求1所述的基于UWB的轨道交通定位系统，其特征在于，所述定位标签设于列车两端。

6.根据权利要求1所述的基于UWB的轨道交通定位系统，其特征在于，还包括多个监测计算机，所述监测计算机用于接收所述定位服务器中的坐标，并对待定位目标的位置进行显示。

7.一种基于UWB的轨道交通定位方法，其特征在于，包括：

基于超宽带技术UWB测定待定位目标与第一天线的第一距离、待定位目标与第二天线的第二距离；所述第一天线和所述第二天线的坐标已知；

基于所述第一距离、所述第二距离，以及第一天线的坐标、第二天线的坐标，获取待定位目标的坐标。

8.根据权利要求7所述的基于UWB的轨道交通定位方法，其特征在于，基于超宽带技术UWB测定待定位目标与第一天线的第一距离、待定位目标与第二天线的第二距离前，还包括：

待定位目标实时或等间隔发送设定频率的脉冲信息，第一天线、第二天线接收并识别所述脉冲信息。

9.根据权利要求7所述的基于UWB的轨道交通定位方法，其特征在于，基于所述第一距离、所述第二距离，以及第一天线的坐标、第二天线的坐标，获取待定位目标的坐标，具体包括：

以所述第一天线、所述第二天线所在直线为直角边，以待定位目标与所述第一天线的连线作为斜边，做直角三角形，所述第一距离大于所述第二距离；

基于所述第一距离、所述第二距离以及第一天线与第二天线间的第三距离，通过三角公式获得直角三角形中两条直角边的长；并基于第一天线的坐标获取待定位目标的坐标。

10.根据权利要求8所述的基于UWB的轨道交通定位方法，其特征在于，获取待定位目标的坐标后，还包括：

周期或实时获取待定位目标的坐标信息，得到待定位目标的运动轨迹、速度。