基于相控阵天线的高速磁浮列车定位和测速方法和系统与流程

本发明涉及，具体涉及一种基于相控阵天线的高速磁浮列车定位和测速方法和系统。

背景技术：

1、高速磁浮列车是我国轨道交通装备关键技术产业化发展的重点研究方向，高速磁浮列车以其高速度、低噪音、环保等优点，逐渐成为现代交通的重要组成部分。目前，高速磁浮列车全部采用无人驾驶技术，列车定位完全依赖于车载设备，地面设备需对车载提供的定位信息进行处理，发送列车运行控制命令，因此列车定位和运行速度的实时性和准确性在列车运行控制系统中占据着极其重要的地位，监控列车实时运行状态与位置信息，是保证列车安全、高效运行的重要保障因素之一。传统的高速磁浮列车的定位和测速主要依赖于车载定位子系统，磁浮列车车载定位子系统主要负责列车速度和位置信息的收集。该系统通过安装在列车上的传感器和接收器，实时获取列车的位置和速度信息，并将这些信息传输给车载运控系统。因此，传统的高速磁浮列车的定位和测速具有完全依赖车载定位信息的技术瓶颈。

2、相控阵天线在定位应用中扮演着重要角色，它可以通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状，实现精确的波束指向和扫描。这种特性使得相控阵天线在定位应用具有显著优势。相控阵天线是由多个天线阵元所组成的天线阵列，通过改变天线阵列上的馈电相位，相控阵天线可以实现在空间区域内对多个目标点实现快速扫描与跟踪，且具有较高的精确度与抗干扰能力。有源相控阵中，有成百、甚至上千个辐射单元，每个敷设单元都配有一个发送/接收信号处理功能的微波模块，即使部分发送/接收模块损坏或失效，对相控阵的整体性能影响不大。因此，亟需一种基于相控阵天线的高速磁浮列车定位和测速方法和系统，解决现有技术中高速磁浮完全依赖车载定位信息的现状，使得高速磁浮列车的定位和列车速度信息可不依赖车地无线通信方式，直接通过地面有线网进行传输，不仅缩短车-地通信的信息时延，并且可有效避免无线通信系统受外界环境干扰影响列车正常运行的情况，进一步提高系统的可靠性和稳定性。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便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相控阵天线的高速磁浮列车定位和测速方法和系统。

2、为了解决上述技术问题，本技术实施例公开了如下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例公开了一种基于相控阵天线的高速磁浮列车定位和测速方法，包括：

4、s100.在高速磁浮列车轨道旁设置相控阵天线，获取相控阵天线配套的发送/接收微波模块的性能参数，根据所述性能参数和线路条件获取相控阵天线的设置位置信息；

5、s200.构建以轨旁相控阵天线为基准的三维计算坐标系，相控阵天线在区间轨道平面上的垂直投影点作为坐标系的原点，与轨道平行和垂直方向分别作为坐标系y轴和x轴；

6、s300.轨旁布置的相控阵天线配套的发送/接收微波模块向轨行区范围内循环发出波束信号进行扫描，当区间高速磁浮列车运行至相控阵天线扫描区内时，发送/接收微波模块接收到扫描后的反射信号，根据所述反射信号获取高速磁浮列车运行信息；

7、s400.对所述高速磁浮列车运行信息进行处理，计算得到高速磁浮列车的定位信息；根据所述多次高速磁浮列车的定位信息，计算得到高速磁浮列车的测速信息。

8、进一步地，s100中，获取相控阵天线配套的发送/接收微波模块的性能参数，所述性能参数至少包括微波模块数量和发射功率大小，通过所述微波模块数量和发射功率大小确定相控阵天线的探测覆盖范围及线路信息，从而确定相控阵天线的设置位置信息。

9、进一步地，s100中，所述相控阵天线及配套的发送/接收微波模块至少2套，分别设置在列车线路区间轨旁位置，且左右侧线路旁至少各设置1套，使得线路探测范围内的监测设备及处理系统冗余，保证输出的列车定位、运行状态信息的可靠性。

10、进一步地，s300中，根据所述反射信号获取高速磁浮列车运行信息，所述列车列车运行信息至少包括：波束信号往返于相控阵天线与高速磁浮列车之间的时间tr，反射信号与x、y轴平面的辐射夹角θi、反射信号与x轴的辐射夹角wi。

11、进一步地，s400中，对所述高速磁浮列车运行信息进行处理，计算得到高速磁浮列车的定位信息，所述计算方法包括：

12、计算得到相控阵天线至高速磁浮列车直线距离其中c为电磁波传播速度，tr为波束信号往返于相控阵天线与高速磁浮列车之间的时间；

13、计算相控阵天线在轨道平面上的垂直投影点作为坐标系的原点o与高速磁浮列车之间的直线距离ri＝li·cos(θi)，其中li为相控阵天线至高速磁浮列车直线距离，θi为反射信号与x、y轴平面的辐射夹角；

14、根据相控阵天线至高速磁浮列车直线距离li，相控阵天线的设置位置信息，相控阵天线在轨道平面上的垂直投影点作为坐标系的原点o与高速磁浮列车之间的直线距离ri，反射信号与x轴的辐射夹角wi，得到高速磁浮列车的定位信息。

15、进一步地，s400中，根据所述多次高速磁浮列车的定位信息，计算得到高速磁浮列车的测速信息，具体方法包括：相控阵天线及发送/接收微波模块对探测区域内的列车进行连续扫描，直至获取2次反馈信号，分别获取2次反馈信号时高速磁浮列车的定位信息a1和a2，同时根据2次反馈信号的时间tr1和tr2，计算得到高速磁浮列车的测速信息。

16、进一步地，获取2次反馈信号时高速磁浮列车的定位信息a1和a2，同时根据2次反馈信号的时间tr1和tr2，计算得到高速磁浮列车的测速信息，具体方法包括：

17、获取相控阵天线接收到2次往返于天线与目标之间的时间分别为tr1、tr2，反射信号与x、y轴平面的辐射夹角分别为θ1、θ2，相控阵探测到2次反馈信号时，列车运行所在点至相控阵天线在轨道平面上的垂直投影点作为坐标系的原点o的直线距离r1和r2分别为：

18、

19、结合2次反馈信号与x轴的辐射夹角分别w1、w2，以及预先获取的高速磁浮线路数据信息f1(x)，其中，高速磁浮线路数据信息f1(x)至少包括线路整体路径信息、线路曲线信息以及线路坡度信息；确定相控阵天线2次探测的高速磁浮列车位置a1和a2；

20、根据相控阵天线2次探测的列车位置与获取2次反馈信号的时间分别为tr1、tr2，计算得到高速磁浮列车速度其中，高速磁浮列车速度计算公式为：

21、

22、其中，为高速磁浮列车速度，和分别为位置a1和a2在x轴投影，f1'(x)为高速磁浮线路数据信息导数，tr1、tr2为获取2次反馈信号的时间。

23、进一步地，一种基于相控阵天线的高速磁浮列车定位和测速方法，还包括：s500.将获取到的列车定位信息和列车速度信息发送至高速磁浮交通室内分区控制系统，为控制列车运行提供重要的列车定位和运行速度基础信息，以保证列车安全高效的运行。

24、第二方面，本发明实施例公开了一种基于相控阵天线的高速磁浮列车定位和测速系统，包括：相控阵天线位置信息获取单元、三维计算坐标系构建单元、高速磁浮列车运行信息获取单元、高速磁浮列车定位和测速信息计算单元；其中：

25、相控阵天线位置信息获取单元，用于在高速磁浮列车轨道旁设置相控阵天线，获取相控阵天线配套的发送/接收微波模块的性能参数，根据所述性能参数获取相控阵天线的设置位置信息；

26、三维计算坐标系构建单元，用于构建以轨旁相控阵天线为基准的三维计算坐标系，相控阵天线在区间轨道平面上的垂直投影点作为坐标系的原点，与轨道平行和垂直方向分别作为坐标系y轴和x轴；

27、高速磁浮列车运行信息获取单元，用于通过轨旁布置的相控阵天线配套的发送/接收微波模块向轨行区范围内循环发出波束信号进行扫描，当区间高速磁浮列车运行至相控阵天线扫描区内时，发送/接收微波模块接收到扫描后的反射信号，根据所述反射信号获取高速磁浮列车运行信息；

28、高速磁浮列车定位和测速信息计算单元，用于对所述高速磁浮列车运行信息进行处理，计算得到高速磁浮列车的定位信息；根据所述多次高速磁浮列车的定位信息，计算得到高速磁浮列车的测速信息。

29、第三方面，本发明实施例公开了一种电子设备，包括：

30、一个或多个处理器；

31、存储器，用于存储一个或多个程序；

32、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现所述列车定位和测速的方法。

33、本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

34、本发明公开了一种基于相控阵天线的高速磁浮列车定位和测速方法，s100.在高速磁浮列车轨道旁设置相控阵天线，获取相控阵天线配套的发送/接收微波模块的性能参数，根据所述性能参数获取相控阵天线的设置位置信息；

35、s200.构建以轨旁相控阵天线为基准的三维计算坐标系，相控阵天线在区间轨道平面上的垂直投影点作为坐标系的原点，与轨道平行和垂直方向分别作为坐标系y轴和x轴；s300.轨旁布置的相控阵天线配套的发送/接收微波模块向轨行区范围内循环发出波束信号进行扫描，当区间高速磁浮列车运行至相控阵天线扫描区内时，发送/接收微波模块接收到扫描后的反射信号，根据所述反射信号获取高速磁浮列车运行信息；s400.对所述高速磁浮列车运行信息进行处理，计算得到高速磁浮列车的定位信息；根据所述多次高速磁浮列车的定位信息，计算得到高速磁浮列车的测速信息。

36、本发明为高速磁浮交通提供一种实现列车地面定位、测速功能的系统及方法，可突破高速磁浮完全依赖车载定位信息进行列车控制的局限性；本发明为高速磁浮交通中列车车载定位丢失时，提供列车正常运行中必要的列车定位及速度信息，降低列车定位丢失对线路运营造成的影响；本发明基于相控阵天线可对探测范围内多列车进行追踪，且对运行列车的定位和速度探测信息较为精确，可靠性高。

37、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。