車載定位與通信網絡協議研究進展

萬 壯，謝 劍，趙 尋，覃 杰

(成都地鐵運營有限公司 維保分公司，四川 成都 610017)

精確的列車定位信息、良好的車載通信手段，對基于通信的列車控制(Communication Based Train Control System，CBTC)系統起著決定性作用。由于地鐵獨特的工作環境和運營特點，通用的車載定位與通信手段無法適用。本文針對應用在地鐵環境下的車載通信定位場景，系統梳理了其所涉及的定位與通信技術以及相應的評價指標，從而為后續的研究工作提供參考。

1 地鐵定位技術

由于地鐵所處的地下環境無法使用衛星定位系統，故其所使用的定位技術與普通車載定位技術有所不同。本章節將重點論述在全球衛星定位信號(Global Navigation Satellite System，GNSS)拒止環境中的定位問題。

1.1 基于接收信號強度的定位技術

該種測距方法根據接收到的信號功率測量值估計分離距離。無線電波在通過無線信道時會經歷反射、衍射和散射，這些效應會導致接收信號在任意發射機-接收機間隔距離上逐漸變化，或在幾個波長上快速變化，其中逐漸變化的傳播效應被稱為多徑衰落[1-2]。對于無線定位系統，基于接收信號強度的無線電測距，可以通過使用路徑損耗模型或信號三角測量來實現[3-4]。實際測量時，基于接收信號強度的定位技術分兩個階段進行：離線訓練階段和實際測量階段。離線訓練階段在固定點(參考點或錨點)測量覆蓋區域內，不同方向上的信號強度不同。這些固定點以網格的形式覆蓋需定位區域，可稱為無線電地圖。在測量階段，需要定位車輛記錄存在的固定點接收信號強度，并與訓練階段生成的離線數據庫進行比較，以估計地鐵位置。基于接收信號強度的定位估計框架通常使用最近鄰法[5-6]、K-最近鄰法(K-NN)[7-9]或貝葉斯推理[10-11]來實現，此外也有部分方案采用神經網絡[12-13]或支持向量機(Support Vector Machine,SVM)[14-15]等方法。

1.2 航位推算定位技術

航位推算是一種依賴于里程計和慣性的導航方法，其通過將來自里程計源或IMU(Inertial Measurement Unit)的測量值與指南針融合，以確定地鐵的速度、航向及行進時間。

慣性導航系統(Inertial Navigation System，INS)利用IMU和陀螺儀實現定位，系統中的IMU提供平移和旋轉信息，文獻[16]指出，其相對于已知的測量，會隨著時間的推移而更新。文獻[17]提出，隨著時間的推移，由于地鐵位置需要進行連續的積分運算，所以定位信息會累積大量的誤差，因此應協調處理。

1.3 基于信標的定位方法

基于有源信標的定位方法使用三角測量或更多信標來計算平臺的絕對位置[18]。文獻[19～20]提出基于視覺的信標定位方法。文獻[21～22]使用基于無線電的定位方法。文獻[23]提出基于紅外的定位方法。文獻[24]提出基于光線的定位方法。文獻[25～26]則使用基于聲學的信標定位方法。信標能夠提供準確的定位信息，但其必須安裝在已知區域，并需要合理的日常管理。

1.4 基于信號飛行時間的定位技術

基于飛行時間的方法依賴于發射能量脈沖的傳播速度，以及脈沖往返的時間差。聲納、紅外、激光傳感器具有主動探測的能力[27-30]，且適合在弱光環境中使用，因此得到了廣泛的應用。

文獻[31]的研究表明，聲納測距提供了有關空間占用情況的準確信息。由于聲音在水中的傳播速度比在空氣中快，所以聲納導航在水下得到了大規模的應用。文獻[32]解釋了基于聲納的空氣導航方法面臨的一些問題，如聲納數據的合理解釋。文獻[33]的研究表明，聲納對物體表面的材料較敏感，且會給精確的地鐵定位帶來問題。

文獻[34]分別使用卡爾曼濾波器和蒙特卡羅濾波器，基于紅外傳感器進行了導航和定位。經研究表明，紅外傳感器存在對物體表面顏色敏感的問題，其會導致距離測量不準確。然而使用激光雷達(LiDAR)原理與聲納、紅外傳感器類似，其可生成密集、高分辨率的3D地圖，從而實現高精度的地鐵定位。

2 定位技術評價指標

定位系統的性能可以通過下述指標進行表征。

2.1 準確性

定位準確性表征了真實定位數值與估計位置之間的定位誤差。在定位技術的相關研究中廣泛使用均方根誤差(Root Mean Squared Error，RMSE)

(1)

式中，xp和yp是估計車輛位置坐標；x與y是車輛真實定位坐標。

2.2 可用性

可用性是車載定位系統提供可用位置信息的時間占比，其通常表示為接收器輸出滿足所需規范時段的百分比。

2.3 連續性

連續性表征了車載定位系統無故障或中斷運行的能力，通常連續性被實例化為定位接收器在正常工作時有反饋的概率。

2.4 完整性

完整性表征車載定位系統提供的信息正確性，即車輛系統對定位信息的信任程度。同時，其也表征了車載定位系統在提供的信息不準確時向用戶提供及時警告的能力。

此外，根據應用場景的不同，對于車載定位技術的評價手段包括但不限于：首次定位時間、信號捕獲靈敏度、定位跟蹤靈敏度、信號重新捕獲時間、靜態和動態導航精度等。

3 車載通信技術

車載通信是一類移動無線網絡技術，最初由美國國防部高級研究計劃局于1970年提出，并引入了分組無線電網絡的概念。移動節點可以在無基礎設施模式下使用無線信道進行通信，其可支持移動節點隨時隨地進行任意方向的通信。車載通信節點能夠通過自動配置，實現通信過程中節點自主加入或離開網絡。

3.1 地鐵車載通信標準

車載場景由于其高拓撲變化和高移動性，需要高速數據傳輸與快速通信。文獻[10]中提出了一種數據競爭緩沖方案，以減少系統中的延遲。車載環境無線接入標準(WAVE)由眾多標準組成，且這些標準獨立執行相應功能：IEEE802.11a管理網絡物理層；IEEE1609.1工作于應用層；IEEE1609.2提供安全機制；IEEE1609.3用于管理車載環境無線接入標準；IEEE1609.4管理邏輯鏈路控制層。文獻[35]的研究發現，車載環境無線接入標準違反了TCP/IP層設計，因此其提出了一個兩層設計通訊架構來快速訪問IPv6。

3.2 車用路由研究

路由是車載通信中使用的一項技術。在車載通信網絡中，由于車輛的高移動性，故而該技術是一項難以實現的任務。車載通信網絡需要進行網絡管理、流量管理、廣播、移動性、拓撲變化、服務質量、快速數據傳輸等；而車載通信中所用的路由系統包括：基于拓撲的路由協議、基于地理信息的路由等。

基于地理信息的路由使用地理位置信息來選擇下一跳轉發消息，并使用信標來廣播消息。基于地理信息的路由，無需維護路由和路由表。隨著移動性的增加，汽車節點拓撲變化頻繁，若使用基于拓撲的路由，可能會在網絡負載高的情況下降低性能。因此，基于地理信息的路由方案具有更優的表現。

3.3 面向定位的地鐵通信研究

地鐵隧道形狀不規則，而且墻壁由巖石等成分組成，這兩個特征均會影響沿隧道傳播的無線電信號，例如現有的定位信號GPS(Global Positioning System)無法使用。LORAN(Long Range Navigation)系統是一種常用的隧道內定時定位系統，文獻[36]中討論了隧道中Wi-Fi/ZigBee通信的可用性。文獻[37]中提出了隧道自動識別與自主定位解決方案，通過幾種假想模型來分析隧道中的無線電信號傳播，例如有限狀態馬爾可夫信道(Finite-State Markov Chain，FSMC)。目前有3種類型的模型實現了對環境的建模：基于模態理論[38]、一般繞射理論[39]和基于混合方法[40]。文獻[40]中提出了一種基于ZigBee網絡的地鐵防撞系統和用于定位地鐵隧道中列車位置的ZigBee協議機制。研究表明，在開放空間中，兩個ZigBee節點之間的傳輸距離可達100 m。

如今，地鐵行業的基礎設施向著基于自動傳感和物智能聯網應用的方向發展。隨著地鐵速度的增加，通信設備的可靠性以及對通信質量的要求也顯著提高。文獻[41]表明，近期開發的寬帶通信系統(LTE通信技術、5G通信技術、超寬帶雷達、IEEE 802.11ad等)在數據通信的帶寬與速度方面均具有較多優勢。在這些技術廣泛應用之前，使用現有框架，并結合新興技術，進而提高地鐵環境的通信質量，對于整個地鐵行業的發展具有重要意義。

4 結束語

本文總結了地鐵車載定位技術與通信技術的發展概況。對于目前廣泛采用且處于研究階段的各項定位和通訊技術進行了系統性地分析。可以看出，針對地鐵應用場景的通信與定位技術，從相關的理論基礎出發，根據應用場景的需求，結合人工智能、計算機科學、控制理論等研究成果，發展出了種類繁多的技術和理論。

未來地鐵定位與通訊技術的發展方向為提高技術穩健運行能力、擴大與加深設備聯網程度，以應對地鐵運營時可能出現的極端情況，從而提高地鐵整體產業的自動化、智能化水平。