一种轨道交通定位通信一体化方法、系统、设备及介质与流程

本发明涉及轨道交通信号系统的列车定位和通信领域，尤其是涉及一种基于二次雷达的轨道交通定位通信一体化方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、目前城轨多采用基于通信的列车自动控制系统(communication based traincontrol system，cbtc)。基于列车实时准确的定位信息和车地间双向信息传输，列车才能安全高效运行。因此，定位系统和车地双向通信系统在城轨列车运行控制中起着至关重要的作用。通信、定位子系统出现故障一方面导致列车降级运行甚至停车，危及全线列车运行秩序，降低运行效率；另一方面危及行车安全，造成人员伤亡。目前，我国城轨中没有设置应急备用通信定位子系统，具有一定的安全隐患。

2、城市轨道交通中应用的几种主要定位技术各有特色与局限：

3、应答器定位：通过列车上的车载查询器与沿线铺设的地面应答器交互，实现点式定位，提供高安全性与车-地信息传输功能。然而，它仅支持点式定位，成本较高，无法满足连续定位需求。

4、计轴器定位：利用计轴设备监测轨道区段车辆轴数变化来判断列车位置，具有较强的环境适应性和较低的维护需求，但定位精度局限于轨道区段，不具备连续定位能力，也不支持车-地通信。

5、全球卫星导航系统(gnss)定位：借助卫星信号实现全球范围内的连续定位，设备简易维护。但在城市高楼、隧道或山区等信号受阻环境下，定位精度大幅下降，甚至无法使用。

6、测速定位：通过测量列车行驶速度并积分得出行驶距离，包括里程计和多普勒雷达等方法。这种方法易受累计误差影响，需定期校准，并且属于相对定位，需要与其他技术配合以确定绝对位置。

7、二次雷达(secondary surveillance radar，ssr)广泛应用于民用航空及军事领域，采用交互式的通信方法，即地面站发射特定编码的询问信号，安装在飞机上的应答机接收到这些询问信号后响应回复，实现对空中目标定位。

8、现有的城市轨道交通列车通信定位子系统主要存在以下几点缺陷：

9、1、没有设置应急备用通信、定位子系统，当既有系统发生故障时，列车无法正常运行，降低行车效率危及行车安全；

10、2、只有车载设备能够直接从定位子系统获取车辆定位状态，地面系统无法直接从定位子系统获取车辆定位状态，只能通过通信子系统回传车辆定位状态；

11、3、通信子系统和定位子系统独立设置，成本费用较高；

12、4、部分定位子系统无法实现连续定位；

13、5、部分定位子系统使用环境受限。

14、cn117775082a公开了一种基于二次雷达的轨道交通后备降级运行系统及方法，包括二次雷达系统、车载atp系统、oc系统和ats系统，二次雷达系统进行列车定位测速，车载atp系统、oc系统和ats系统结合二次雷达系统控制列车运行。但是，其并未提供基于二次雷达的具体的列车定位及通信的手段。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于二次雷达的轨道交通定位通信一体化方法、系统、设备及介质。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种基于二次雷达的轨道交通定位通信一体化方法，该方法基于多个车载标签和多个地面基站，利用通信帧和定位帧的分时复用实现列车定位和列车与列车之间、列车与列控中心之间的车地双向通信，其中，通过车载标签和基站之间的定位帧通信实现列车定位，列车和列车之间、列车和列控中心之间按需以通信广播帧或者通信单播帧进行临时数据交互，并通过通信确认帧确认，实现列车与列车之间、列车与列控中心之间的车地双向通信。

4、作为优选的技术方案，所述的定位帧包括两种格式，分别是由车载标签发给地面基站的poll消息和由地面基站发给车载标签的response消息，两种格式通过功能代码区分。

5、作为优选的技术方案，所述的poll消息的帧结构包括前导码、帧类型标识、功能代码、源地址id、目的地址id、序列号、时间戳、列车位置、列车速度、数据载荷和数据长度。

6、作为优选的技术方案，在车载标签发送poll消息进行定位时，如有数据需要传输，则将数据完整的放入poll消息的数据载荷字段中。

7、作为优选的技术方案，所述的response消息的帧结构包括前导码、帧类型标识、功能代码、源地址id、目的地址id、序列号、时间戳、移动授权、数据载荷和数据长度。

8、作为优选的技术方案，在地面基站回复response消息进行定位时，如有数据需要传输，则将数据完整的放入response消息的数据载荷字段中。

9、作为优选的技术方案，所述的列车定位的实现方法为：车载标签和地面基站之间基于定位帧，通过sds-twr法进行测距，分别获取车头的2个车载标签与其距离最近的第一地面基站之间的距离、车尾的2个车载标签与其距离最近的第二地面基站之间的距离，并获取车头的2个车载标签之间的距离、车尾的2个车载标签之间的距离以及车头车尾的距离，利用数据库中地面基站的位置，通过三边定位算法计算得到列车在坐标系中的位置(x，y，z)，并通过投影算法将(x，y，z)投影到轨道的电子地图上，最终确定列车的位置。

10、作为优选的技术方案，所述的通过sds-twr法进行测距具体为：通过车载标签和地面基站间互发消息并记录相关时间戳，代入下式得到二次雷达标签和基站之间飞行时间ttof，将飞行时间ttof乘以光速获得对应车载标签和地面基站间的距离值，

11、

12、其中，tround1为车载标签发送消息给地面基站至收到地面基站返回的消息之间的时间间隔，tround2为地面基站发送消息给车载标签至收到车载标签返回的消息之间的时间间隔，treply1为地面基站收到车载标签发送的消息至其发送反馈消息给车载标签的时间间隔，treply2为车载标签收到地面基站发送的消息至其发送反馈消息给地面基站的时间间隔。

13、作为优选的技术方案，所述的车载标签和地面基站之间每间隔一定周期或按需进行通信，实现车地双向通信，即列车向列控中心汇报车次号、列车位置及速度信息，列控中心向列车发送移动授权、线路数据、临时限速信息、等级转换信息、运营调整信息及维护信息。

14、作为优选的技术方案，所述的通信广播帧的帧结构包括前导码、帧类型标识、功能代码、源地址id、目的地址id、序列号、数据载荷和数据长度。

15、作为优选的技术方案，所述的通信单播帧的帧结构包括前导码、帧类型标识、功能代码、源地址id、目的地址id、序列号、数据载荷和数据长度。

16、作为优选的技术方案，所述的通信确认帧的帧结构包括前导码、帧类型标识、功能代码、源地址id、目的地址id、序列号、确认标记和数据长度。

17、作为优选的技术方案，所述的车载标签和地面基站均能够向其他设备进行通信，根据具体通信需求选择广播通信或者单播通信；

18、在进行广播通信时，车载标签和地面基站向所有设备id发送通信数据；

19、在进行单播通信时，车载标签和地面基站向特定设备id发送通信数据，设备接收到单播通信帧时，先检查目的地址id是否是自身的设备id，如果不是则直接抛弃，如果是则向源地址id的设备发送一个单播确认帧；发射端如果在限定时间内没有收到单播确认帧，则间隔预设时间后重复发送该数据帧，直到达到超时后不再发送该数据帧。

20、作为优选的技术方案，该方法包括以下步骤：

21、初始化数据；

22、判断当前是否处于发送定位帧的定位周期内，

23、若处于定位周期内，则组装定位帧，并判断是否有点到点的数据传输需求，若有则在定位帧后附加点到点数据并发送定位帧，否则，直接发送定位帧；

24、若未处于定位周期内，则进入通信帧发送环节，进行车地双向通信。

25、根据本发明的第二方面，提供了一种基于二次雷达的轨道交通定位通信一体化系统，包括多个地面基站和多个车载标签，地面基站通过城轨既有网络和列车控制中心连接，车载标签通过串口、网口方式与车载安全计算机连接。

26、作为优选的技术方案，所述的地面基站配备全向天线，安装在轨道两侧的墙壁上或在路边架高，安装高度与车载标签天线齐平，天线与墙面之间的距离大于预设距离阈值。

27、作为优选的技术方案，所述的地面基站沿隧道两侧呈z字形部署，并在弯道处加大基站部署密度。

28、作为优选的技术方案，所述的车载标签配备定向天线，天线位于列车车头和车尾上方两侧，并保证天线附近无遮挡。

29、作为优选的技术方案，考虑到列车双向运行的特点，在列车车头及车尾各布置二套车载标签及天线。

30、根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。

31、根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、(1)本发明基于二次雷达实现了轨道交通定位通信一体化，为轨道交通信号系统提供了备用通信定位系统，为既有的通信子系统和定位子系统提供冗余备份，提高信号系统通信和定位的可靠性，并在其发生故障时切换为主用系统，从而保证列车运行控制系统的正常工作，增强了城市轨道交通cbtc系统的应急能力，保障列车运行效率及行车安全。

34、(2)车载和列控中心可以同时得到列车位置，不同于其他方案只能在车载端或地面端一侧得到列车位置。

35、(3)本发明通过二次雷达通信定位一体化，仅用一套二次雷达设备即可同时实现cbtc中定位子系统和通信子系统的功能，降低建设与维护成本，提高系统利用效率。

36、(4)本发明中，车地/车车之间均可以进行通信交互，且可以按照需求选择广播和单播。

37、(5)本发明对车地/车车双向通信流程进行冗余设计，提高了车地通信的可靠性和成功率。