一种基于UWB的列车防撞定位系统

本发明属于通信，具体涉及一种基于uwb的列车防撞定位系统。

背景技术：

1、随着轨道交通及列车技术的不断发展，在运输的过程中难免出现诸多安全隐患，甚至发生严重的安全事故，在列车事故中，最常见的的事故就是列车追尾碰撞。由于列车系统复杂庞大，需要各路子系统协调工作运行，其中包括轨道、电力、信号通信等系统，其中信号通信系统故障是列车追尾碰撞的重要原因之一，在列车通信系统故障时，列车驾驶员无法确认本车与前车的相邻距离，继而无法控制有效的安全距离。

2、在轨道交通运输中，防撞预警技术的研究愈发重要，针对现有的定位技术和方法，有下述方案可供选择：

3、1、红外线定位

4、基本原理：主要通过在已知节点处的红外线发射设备发射红外线，然后在待测节点布置好的光学传感器接收这些红外信号，经过对红外信号的处理，计算出距离，从而达到定位效果。

5、优缺点：一是红外线传播距离较短，二是红外线没有越过障碍物的能力，这就要求定位环境没有障碍物，或说定位只能在可视距条件下。

6、2、超声波定位

7、基本原理：超声波定位只要依靠信号的发射，首先由已知节点处发射超声波，当待测节点接收到超声波后，发射返回波，就这样，利用发射波的发射时刻与返回波的发射时刻的时间差，再根据已知超声波的传播速度，计算出距离，从而达到定位效果。该技术有时也利用单向波的传播时间进行定位。

8、优缺点：超声波定位在小范围内的准确度很高，但是由于多径效应和非视距影响，且受限于被测物体的形状和位置，目前主要应用于感应装置的触发，而且造价很高。

9、3、蓝牙定位

10、基本原理：在待测环境下事先布置好相对应的蓝牙局域网接入点，然后配置好相应的网络连接模式，这样就能在网络中得到各个节点的位置信息，从而达到定位的效果。蓝牙定位技术主要应用于短距离的无线传输，它主要利用信号中的rssi(基于信号接受强度)值来计算距离长度。

11、优缺点：它最大的优点是设备小巧而且不受障碍物和非视距的影响，但是它容易受到噪声的影响导致稳定性较差，而且价格昂贵。

12、4、射频识别定位

13、基本原理：射频识别(radio frequency identification，rfid)定位是利用无线电信号通过非接触模式的识别和读写方式获得位置信息。他可以在短时间(通常为毫米级)内，对位置信息做出误差较小(通常为厘米级)的定位，而且信号传播范围较大，造价不高。

14、优缺点：它的定位范围却很小、理论模型仍然不健全、用户的安全性隐私和国际化标准仍然不够完善。

15、5、超宽带定位(uwb)

16、基本原理：超宽带(ultra wide band，uwb)定位是新兴的通信技术，他与传统通信方式不同的是：它可以不需要载波，而是利用纳秒或纳秒级以下的脉冲进行通信，因此uwb的带宽可以达到千兆赫兹。

17、优缺点：uwb技术的优点较多，例如穿透能力强、功耗低、受多径效应的影响小、安全系数高、系统复杂度低与定位精度高等优点。然而uwb定位因需要十分准确的时钟所以造价较高，从而在室内定位的应用范围尚未很广。

18、6、wifi定位技术

19、基本原理：每一个无线ap(无线访问节点)都有一个全球唯一的mac地址,wifi定位靠的是侦测附近周围所有的无线网络基地台(wifi access point)的mac地址，去比对数据库中该mac地址的坐标，交叉计算出所在地。

20、优缺点：这种定位技术将经验测试数据与传播模型进行数据融合，从而精度较好，并且通常用在环境面积较小的情况下。但是它的传播信号十分容易遭到噪声信号的干扰，从而影响定位结果，并且wifi定位小号的能量较高，导致它的利用率不高。相比于uwb定位来说，wi-fi的安全性较差，功耗较高，频谱资源已趋近饱和，因此，不利于终端设备的长期携带和大规模应用。

21、7、zigbee技术定位

22、基本原理：。zigbee技术也是流行起来的一种无线网络传输技术，zigbee无线传感器网络是根据ieee802.15.4技术标准和zigbee网络协议而设计的无线数据传输网络，由于其自组网和自路由能力很强，一个zigbee网络可以覆盖很大的一块区域。在这个由zigbee网络覆盖的区域内，定位卡会不断尝试与它周边的路由器通讯，一旦通讯建立，定位卡则将自己的位置信息报告给协调器，协调器在后台收到后，即可以确定定位卡的大概位置。

23、优缺点：它具有传输距离短(介于rfid与blue tooth技术之间)而且功耗很低。其最突出的特点就是复杂度不高而且成本低。zigbee技术可以通过网络内的传感器相互之间的通信进行传递信息，所以经常被用在定位技术上，而且精度可观，但是其大范围组网需要大量节点设备支撑，设备相对复杂，耗费时间和资源。

24、8、毫米波雷达

25、基本原理：利用发射电磁波和被探测的目标之间具有相对移动，且发射出去的回波频率会和发射的电磁波频率不同，通过监测这个频率差可以测得被测目标相对于雷达的移动速度，同时计算电磁波在发射和回传的时间差，便可以得到被测目标的相对距离。

26、优缺点：毫米波雷达相对于其他微波器件而言，体积更小，更容易集成化，且分辨率高，不受同组雷达信号干扰，可通过毫米波雷达直接获得距离和速度信息。但是由于毫米波雷达发射功率低，在传输过程中，容易受干扰物的影响，出现不可避免地速度和距离模糊，且器件昂贵，不适用于大批量生产应用。

27、9、激光雷达

28、基本原理：激光雷达是一种主动式遥感探测设备，其原理较普通微波雷达而言相差不大，将传统雷达向外发射的电磁波变成了激光，向被测目标物发射激光信号，而后产生一个反射信号，将二者信号作比较，并作相应处理后，能够获得距离、方位、强度等信息，主要应用于自动驾驶、军事科研等领域。

29、优缺点：与普通微波雷达相比，激光雷达使用的是激光束，工作频率较微波高了许多，可以产生更高分辨率的信息。由于激光雷达发射的激光方向性强，光束窄，所以只能在其特定的传播路径才可获取，因此其隐蔽性和抗干扰能力强，适用于低空中距离探测。但是激光雷达易受浓雾、浓烟、大雨、雪暴等天气因素的影响，造成其光束抖动、畸变从而造成精度大大降低，且由于其特定的光束和传播方向，因此只能在小范围内捕捉，造成探测效率下降等问题。

30、atp子系统(列车自动保护系统)是确保列车运行速度不超过目标速度的安全控制系统。它是列车自动控制(atc)系统的子系统，也是确保列车安全运行，实现超速防护的关键设备。该子系统通过设于轨旁的atp地面设备，连续地向列车传送“目标速度”或“目标距离”等信息，以保持后续列车与先行列车之间的安全间隔距离，并监督列车车门和站台屏蔽门的开启和关闭的程序控制，确保它们的安全操作。atp子系统地面发送设备平时通过轨道电路或交叉感应环线发送列车检测信息，以检查轨道区段的空闲和占用，当检测到列车占用该轨道区段时，将“目标速度”或“目标距离”等数据信息传送给列车。车载atp设备接收并解译“速度命令”等数据信息，结合列车实际速度、制动率、车轮磨损补偿等相关条件，实现超速防护控制，并与列车自动运行(ato)子系统配合，实现列车速度的自动调整。当列车到达定位停车点，由atp子系统通过轨旁设备向列车传送列车车门开启和关闭信息，进行列车车门开、闭控制。atp子系统主要有:音频无绝缘轨道电路的“速度码”制式；数字编码轨道电路的“目标速度”制式；数字报文式轨道电路的“目标距离”制式；不设钢轨的独轨交通系统，通过专用的交叉感应环线来传送atp信息。利用轨间感应环线，实现车-地双向数据通信，完成移动闭塞功能的基于通信的列车控制系统，也已在中国采用。

31、在实际铁路运输中，由于种种原因，难免会出现列控系统故障及atp系统中断的情况，这对列车驾驶员应急防护能力提出了较高的要求。在安全事故中，由于信号故障原因，列车驾驶员盲目认为防护区间没有列车，撞上了前方正在行驶的列车，造成了重大安全事故。单一的列车atp防护系统难以高度确保列车运行的安全性与可靠性，且由于设备故障和天气因素容易造成信号丢失系统瘫痪的危险，若列车驾驶员不能及时判断列车运行状态做出正确的操作，则极大可能会造成安全事故。

技术实现思路

1、为了解决上述存在的问题，本发明提出：一种基于uwb的列车防撞定位系统，该系统由轨旁基站和车载标签构成，车载标签安装在列车头部，该系统设有四个轨旁基站，分别架设在轨道两旁，车载标签为建立测距信号的发起设备，车载标签在信号盲区与轨旁基站建立通信连接，并计算出其所在位置信息。

2、进一步地，上述系统中，由基站1、基站2、基站3、基站4构成平面直角坐标系，预先设置其每个基站的坐标位置构成平面直角坐标系，车载标签为未知位置，当列车运行在基站构成的坐标系范围内，由车载标签与轨旁基站之间建立通信连接，由4个基站的已知坐标信息联合解算车载标签的位置信息。

3、进一步地，还包括用于检测列车信号是否正常的atp信号检测系统，若信号异常，立刻唤醒电源供电系统，并启用uwb定位系统，并由主控制器发起声光报警信号。

4、进一步地，在模式开关识别到轨道列车atp切除的情况下，轨道列车防碰撞系统先判断列车的运行方向，与此同时轨道列车的车头一侧车载标签利用测距终端的天线不间断发送探测信息，轨旁基站持续监听探测信息，当列车检测到探测信息，立即返回回应信息，车头一侧车载标签检测到回应信息后，测量时间差，然后通过uwb通信测得两点之间的距离，测距终端将这一距离信息反馈给系统主机进行判断分析处理，系统主机通过对所得距离信息与系统预设的报警距离进行比较、分析和判断后，系统主机做出是否驱动声光报警器发出报警信号或者发出紧急制动信号。

5、进一步地，本系统所使用的测距算法是飞行时间算法twr，该算法通过两个模块之间的互相传输信息来计算两个模块之间的飞行时间，利用飞行时间和光速的乘积得到两个模块之间的距离。

6、进一步地，轨旁基站由地面支架架设在离地1.7～2.5m高度，相邻基站距离500米。

7、本发明的有益效果为：本系统利用原有通信网络基础增加车地通信系统增加系统冗余，提高系统检测的安全可靠性，节约成本。

8、本发明一种基于uwb测距定位的列车防撞辅助预警系统，uwb是一种新兴无线通信技术，与传统无线通信相比，不使用载波，通过其技术特点，可以很好的适用于列车运行环境，抗干扰能力强，保密性高。同时uwb的发射的脉冲波抗干扰能力比普通电磁波频率更高，带宽更宽，在不占用原有通信信号频带的情况下，既能保证原有通信信号不受干扰，独立频带更容易满足自身通信，更贴近本设计的目标要求。

9、本发明采用atp检测系统持续检测列车信号的状态，若列车atp信号状态正常，则车载标签处于待机状态，节省系统功耗，若检测atp信号异常，则立即唤醒uwb定位系统，速度高，时效快，避免列车驾驶员处于盲区驾驶状态。