基于LTE-R的列車無線定位技術研究＊

宋麗梅，郭玉梅

（1.楊凌職業技術學院，陜西 咸陽 712100；2.武漢地鐵運營有限公司，湖北 武漢 430030）

在列車運行過程中，對無線通信系統有較高要求，要求其網絡結構、硬件設備和軟件算法必須適應高速環境，有高速切換功能，以滿足鐵路特定的業務需求，以保證列車的安全控制和旅客的數據傳輸[1]。列車定位是指確定列車位置的方法，其主要采用相應的技術手段實現定位[2]。常見列車定位方法主要有以下四種：①擴頻無線電法；②軌道電路法；③交叉感應環線法；④查詢應答器法。但其存在無法實現高精度定位、連續定位、低費用運營，只能提供某些固定點處的位置信息、軌旁設備需求量大等問題[3]。列車無線定位主要是實現對定位基站與待定位列車間的距離估算，主要利用的是無線信號攜帶的相關參數，從而達到定位列車位置的目的。采用列車無線定位技術，具有低成本、高精度、滿足對應列車連續定位的優點[4]。

1 列車定位現狀分析

1.1 傳統定位

1）軌道電路定位。軌道電路以鋼軌作為導體，以鋼軌絕緣劃分不同軌道區段，由發送端鋼軌與接收端組成一閉合回路，當列車輪對壓入軌道區段時，輪對分路使得接收端無法獲電，軌道繼電器失磁落下，證明軌道區段有車占用，從而確定列車此刻占用軌道區段的位置，定位列車運行位置。如圖1所示。

圖1 軌道電路定位

2）查詢-應答器定位。查詢-應答器有三大模塊組成：地面應答器和軌旁電子單元 (Line-side Electronic Unit, LEU)車載查詢器，地面應答器——儲存列車位置信息，查詢器——讀取相應地名應答器上信息。

3）交叉感應回線定位。要實現列車定位，則在線路等距離設置交叉電纜，車載設備通過駛過交叉點的列車記錄線內極性變化次數，根據相應地址碼定位列車。

1.2 新型定位

1）測速定位。要實現列車定位，則需根據列車運行距離，目前，常用的測速法由測量輪對的轉速轉化測出的列車直線速度。

2）衛星定位。要實現定位，需對列車運行位置進行估算，其需要借助衛星發射的定位參考信號進行定位。常用三大定位技術——“北斗”系統、GPS、伽利略系統[5]。

2 無線定位

根據測量參數的不同，可將無線定位技術劃分為：

1）基于接收信號場強的定位技術。信號的場強衰減與傳播距離呈反比是該定位技術實現定位的主要依據，忽略噪聲影響，將以觀測站位置作為圓心、傳輸距離為半徑的圓上定位待定位接收機[6]，從而實現三角定位，三角定位法如圖2所示，三個圓直徑范圍代表的是發射機所發送相關信號，其最大傳輸距離。

圖2 三角定位法

2）基于TOA/TDOA定位技術。TOA定位技術以到達信號的時間作為測量參數、TDOA定位技術以到達信號的時間差作為測量參數，TDOA是在TOA基礎上得來的，二者都通過測量信號對應的傳播時間，從而達到確定目標列車位置的目的。TDOA定位（二次定位）法如圖3所示，TDOA發射機1與發射機3時間差等值的單邊雙曲線交叉點——接收機估計位置。

圖3 TDOA二次定位

時間參數要得到可靠估計，才可實現高精度定位，時間參數估計與帶寬成反比例關系，帶寬越大時間參數估計精讀則越小，各通信系統的現有最大時間估計誤差與距離測量誤差如圖4所示[7]。

圖4 最大時間估計誤差與距離測量誤差

3）基于AOA的定位技術。AOA定位技術以其自身接收的信號的入射角度為依據，從而判定相應的移動臺的方向，進而實現定位目的，其采用的定位方法是角度定位法，以天線陣列來測量和估計波達角。

4）基于FDOA的定位法。差分多普勒定位法，利用多普勒頻移作為定位的依據。相比TDOA定位方法，FDOA定位精度較高，但要求對應的發射機與接收機有相對徑向運動。

3 LTE-R系統

LTE系統中采用正交頻分復用技術，該技術可有效解決信號抗衰問題。

3.1 OFDM技術

LTE系統下行鏈路調制技術采用OFDM技術。OFDM核心技術——原高速的數據流轉為N路低速并行數據，采用子數據流對N路子載波進行調制，從而最終進行數據傳輸。LTE中對應OFDM參數見表1。

表1 LTE系統OFDM符號基本參數

3.2 定位參考信號

參考信號——導頻信號，是一種用于信道估計或信道探測的已知信號，由發射端提供給接收端，其主要作用有以下幾種：

（1）信道質量測量；

（2）信道估計；

（3）小區搜索；

（4）接收機的相干檢測和解調。

該已知信號適用的載頻只能是F=15kHz載波間隔，其傳輸只能是6(Port6)天線端口，主要作用是可以有效避免減小信號與數據間的干擾[8]。

3.3 標準定位方案

根據LTE協議規范，3GPP組織認為有①增強型小區ID定位，②OTDOA定位，③A-GNSS定位三種標準化的定位方法[9]。

3.4 無線定位的優點

由于鐵路線路的距離問題，對運行中的列車實現無線定位，與采用公共網絡的無線定位有一定的差異，但其還是體現了其定位的自身優勢，具體見表2。

表2 無線定位優點

4 結論

為保證對列車的控制及旅客數據傳輸，本文提出了一種基于LTE-R的列車無線定位方法，該方法有效避免了無法實現高精度定位、連續定位、低費用運營，只能提供某些固定點處的位置信息、軌旁設備需求量大的問題，其利用了現有鐵路的專用通信系統。