超寬帶雙向測距定位技術在地下集裝箱運輸系統中的應用

單磊 俞駿 胡文輝 畢艷飛 譚興福

地下集裝箱運輸系統指以集裝箱運輸車為載運工具，通過大直徑地下隧道運輸集裝箱的物流系統。地下集裝箱運輸車具有全天候運行、運輸效率穩定、節能環保等優點，并且能夠實現無人駕駛，在提高可靠性和降低人力成本方面具有獨特優勢。當地面運輸受限時，地下集裝箱運輸車仍然可以提供運輸服務，從而與地面運輸方式形成有益互補。

地下集裝箱運輸車的通行量較大，一旦發生事故，處理難度非常大；因此，需要配備高可靠性的監控和調度系統。眾所周知，車輛運輸的安全性與整個車隊的運輸效率之間存在矛盾關系：為了防止車輛之間發生碰撞，需要保持安全車距；而為了提高運輸效率，又需要盡量壓縮車距，以增加單位時間內的通行量。在地下集裝箱運輸車的安全監控和調度中，最重要的信息就是車輛定位信息；因此，對地下集裝箱運輸車的實時、精確定位是實現地下集裝箱運輸系統安全、高效運行的重要保證。準確的定位信息有助于在確保安全的前提下壓縮車距，從而提高運行效率。本文針對傳統地下集裝箱運輸車定位方法存在的不足之處，提出將超寬帶（ultra-wide band，UWB）雙向測距定位技術應用于地下集裝箱運輸領域，從而在實現車輛安全防撞的同時，最大限度地提高車隊運輸效率。

1 傳統地下集裝箱運輸車定位方法

目前，地下集裝箱運輸系統普遍采用數字電路定位方法。在線路設計之初，用S棒將整條線路分為多個區段，并對所有區段進行編碼，用數字化方式描述車輛及其運行線路，從而形成車輛運行線路圖，并儲存在車載控制器中。為了準確判斷車輛是否越過區段邊界，并防止相鄰區段電路的音頻信號相互干擾，相鄰區段的數字電路通常采用不同的載波頻率。當車輛運行時，其所在區段的電路發出已被占用的信號。通過跟蹤各區段的電路占用狀態，即可確定所有車輛在整條線路中的位置。

傳統的數字電路定位方法只能確定車輛占用的線路區段，而無法確定車輛的精確位置。精確定位一般采用無線射頻識別信標。信標分為有源信標和無源信標。有源信標能夠實現地下集裝箱運輸車與地面之間的雙向通信。無源信標的工作原理類似于非接觸式集成電路卡：當地下集裝箱運輸車經過無源信標時，無源信標被車載天線發射的電磁波所激勵，并將絕對位置信息傳遞給車輛，從而實現車輛定位功能。

此外，還可采用車輪編碼器估算車輛的實時位置；但該方法的可靠性較低，只適合在較短的距離內應用。首先，在車輪容易打滑的情況下：當車輛加速時，安裝在驅動輪上的編碼器會高估車速，安裝在從動輪上的編碼器會低估車速；當車輛減速時，所有車輪上的編碼器都會低估車速。其次，在車輛帶載的情況下，不同的載質量導致輪胎的形變量不同，進而對車輪的實際行走半徑產生影響，最終造成定位誤差。

綜上所述，基于數字電路、無線射頻識別信標或車輪編碼器等技術的傳統地下集裝箱運輸車定位方法均先確定車輛自身位置，再將車輛位置信息傳遞給中央控制器，從而間接獲得車距信息并用于防撞保護，在實時性和可靠性等方面存在一定不足之處。

2 UWB信號特點及測距原理

UWB信號是經過偽隨機編碼后的一串脈沖。每次通信（一個數據包）包含數千個甚至數十萬個脈沖，持續時間為數毫秒至數十毫秒。采用偽隨機編碼后，UWB通信系統能夠以類似碼分多址的方式支持多個獨立工作的信道。UWB芯片頻率根據品牌和型號的不同而有所不同，其頻率范圍一般為1～ 2 GHz[1]。

UWB信號形式類似于噪聲，與窄頻的載波信號有明顯區別。當沒有信號傳輸時，UWB通信采用靜默電平，而載波通信中一直都有載波信號；因此，UWB通信可以確定信號到達時間，從而實現精確測距。

基于UWB信號的無線定位分為到達時間差定位方案和雙向測距定位方案。到達時間差定位方案利用信號到達多個基站的時間差計算信號源相對基站的位置。該方案要求基站的時鐘精確同步，因此，其配置和維護的工作量較大。雙向測距定位方案在2臺UWB設備之間實現點對點測距，其中一臺設備作為測距發起者，另一臺設備作為測距響應者。該方案的測距原理如下：測距發起者向測距響應者發送報文；測距響應者收到報文后迅速處理，并發送響應報文；測距發起者收到響應報文后，利用高速計時芯片計算電波信號的往返時間，從而得到測距發起者與測距響應者之間的距離。

UWB信號應用于測距定位的優勢在于：（1）發射功率極低，一般在0.1 mW以下，不易與現有的載波通信發生干擾；（2）時間分辨率較高，便于準確判斷信號到達時刻，能夠在多路徑環境下確定首個到達的脈沖，從而解決無線測距中的多路徑問題。

3 UWB雙向測距定位技術在地下集裝箱

運輸系統中的應用

在實際應用中，每輛集裝箱運輸車的前后部均裝有UWB通信模塊。在車輛行駛過程中，通信模塊不斷發出測距請求。如果其他車輛處于其通信范圍內，則直接測出兩者間距，并在車距小于安全距離的情況下觸發車輛防撞保護機制。采用相干調制技術的UWB通信系統的測距精度達到2 cm，采樣頻率達到50 Hz以上，能夠最大程度地確保車輛行駛安全。該防撞方案已實際應用于美國鐵路運輸系統。

在點對點測距防撞的基礎上，還可通過在地下集裝箱運輸線路中設立分布式UWB基站網來動態監測所有集裝箱運輸車的位置和運行情況。在實驗中，串行放置3輛集裝箱運輸車，每輛集裝箱運輸車的前后部均裝有UWB通信模塊，并在串行線的前后方各布置1個基站，用于實時定位車輛。計算每輛集裝箱運輸車與最前方基站之間的距離，以此來表征車輛的定位結果。實驗結果顯示，基于UWB雙向測距定位技術的車輛定位結果準確且穩定，優于傳統定位方法的定位結果。

4 結束語

綜上所述，UWB雙向測距定位技術能夠提供精確的車距信息，理論上能夠防止所有可能發生的車輛碰撞事故，在地下集裝箱運輸領域具有很大的應用潛力。此外，UWB通信系統與現有的通信系統不易發生干擾，具有較好的適用性和兼容性。現階段UWB定位和導航系統在無人車輛和無人機實時導航、人員和設備監控等領域已積累了一定的應用經驗，未來在地下集裝箱運輸系統中的應用也有望取得進展。

參考文獻：

[1] 李艷芳，楊拉明. 基于UWB的無線定位技術[J]. 電子設計工程，2014，22（8）：139-141.