信标精确定位原理分析

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1、信标精确定位原理分析王巍摘 要:地铁列车精确定位是地铁列车运行控制系统的一项关键技术，在地铁信号控制系统 ( ATP / ATO) 中处于非常重要的地位。准确、及时、可靠的获取列车位置信息，是地铁安全、有 效运行的保障，也是发挥效率，提高运能的前提。介绍跟列车定位密切相关的设备 信标，以 及在北京地铁 13 号线的应用。关键词: 定位; 信标; 地铁 Abstract: Accurate location of subway train is a key technology of subway train operation control system， which plays a ver

2、y important role in subway signal control system，ATP or ATO To acquire train location data accurately，timely and reliably are not only the guarantee of subway safety and effective operation but also the precondition of efficiency and greater carrying capacity This paper introduces a devicebeacon， wh

3、ich is closely related to train location，and describes its application in Beijing Metro Line 13Key words: Location; Beacon; Subway地铁列车精确定位是地铁列车运行控制系统的 一项关键技术，在地铁信号控制系统 ( ATP / ATO) 中处于非常重要的地位。准确、及时、可靠地获取 列车位置信息，是地铁安全、有效运行的保障，也 是发挥效率，提高运能的前提。本文将介绍跟列车 定位密切相关的设备: 信标。1信标定义和用途信标是一种用于地面向列车传输可靠地面信息 的设备，既可以

4、传送固定信息，也可以传输可变信 息。信标向列车传送: 线路基本信息，如线路坡 度、轨道区段等参数; 线路速度信息，如线路最 大允许速度、列车最大允许速度等; 临时限速信 息，由于施工等原因引起的对列车运行速度的限 制; 车站进路信息，根据车站接发车进路，向列 车提供线路坡度、线路速度、轨道区段等信息; 道岔信息，给出前方道岔侧向进路允许列车运行的 速度; 特殊定位信息，如升降弓、进出隧道、鸣王 巍: 北京大成通号轨道交通设备有限公司 工程师 100096 北京基金项目: 北京市交通委员会科技计划项目 既有线运力提升信 号设备技术升级研发 ( 2012kj 009) ; 北京市科学技 术委员会科

5、技计划项目 北京既有线列车自动防护系 统升级技术研究及示范 ( D131100004113001) 收稿日期: 2013-10-15笛等; 其他信息，固定障碍物信息、列车运行目 标数据、链接信息等。信标分为 2 种: 一种是应答器 ( Balise) ，另 外一种是电子标签 ( FID) 。 1. 1应答器应答器分为无源 ( 固定信息) 和有源 ( 可变 信息) 二类。无源 ( 固定信息) 应答器本身不具 有电源，是免维护密封元件，便于安装，可以重复 编程。有源 ( 可变信息) 应答器具有独立电源、 标准化接口。应答器系统架构如图 1 所示。图 1 应答器系统架构 1 无源应答器。用于发送固定

6、不变的数据。 当列车经过无源应答器上方时接收到车载天线发射 83 铁道通信信号 2014 年第 50 卷第 1 期的高频电磁能量后，将其转化为电能，使地面应答 器中的电子电路工作，把存储在地面应答器中的数 据循环发送出去，直至电能消失 ( 即车载天线已 经离去) 。平常处于断电休眠状态。 2 有源应答器。地面有源应答器通过电缆与 地面电子单元 ( LEU) 连接，可实时发送 LEU 传 送的数据报文。当列车经过有源应答器上方时，有 源应答器接收到车载天线发射的电磁能量后，将其 转换成电能，使地面应答器中发射电路工作，将 LEU 传输给有源应答器的数据循环实时发送出去。 直至电能消失 ( 即车载

7、天线已经离去) 。平常处于 带电休眠状态。1. 2 电子标签电子标签分为被动、主动二类。被动式 ( 无 源) 标签没有内部供电电源，主动式 ( 有源) 标 签具有内部电源供应器。系统架构如图 2 所示。图 2 电子标签系统架构1 被动式 ( 无源) 。车载电子标签读取器发 射电磁波，驱动地面标签内部集成电路。当地面标 签接收到足够强度的信号时，可以向读取器发出数 据。这些数据不仅包括 ID ( 全线唯一标识) 号， 还可以包括预先存储在标签内的数据。被动式标签 具有价格低廉，体积小巧，无需电源的优点。2 主动式 ( 有源) 。与被动式不同的是，主 动式标签本身具有内部电源供应器，用以供应内部

8、IC 所需电源以产生对外的信号。一般来说，主动 式标签拥有较长的读取距离和较大的记忆体容量， 可以用来储存读取器所传送来的一些附加信息。天津地铁和深圳地铁都用过此 2 种信标。2定位原理以 TagMaster 的信标为例，分析定位的原理。 有源 信 标 TagMaster S1470 是 一 个 工 业 2. 45 GHz FID 通信器 ( 主动式电子标签) ，可通过 S-485 串行接口进行编程。有源信标通过电缆接收地面系 统的可变数据，然后存储在可编程存储空间 ( 此 空间可被应用软件定义，可存储 574bits) 。有源信 标中的数据，可被 TagMaster 的 FID 读写器读取。

9、 TagMaster 信标信号区域纵断面如图 3 所示。图 3 TagMaster 信标信号区域纵断面图 车载设备中存储了整条运营线路的地理数据， 涵盖了运营线路上的所有信标信息 ( 信标识别 ID， 信标绝对位置等) ，每个信标的识别 ID 都是全线 独立和惟一的 ( 信标设备是可替换的) 。当车载设 备通过读写器获取到信标识别 ID 的信息时，会从 存储的地理数据中查找相对应的信标识别 ID。当 从地理数据中匹配出相同的信标识别 ID 时，就从 地理数据中读取此信标的绝对位置，从而准确得出 列车的当前位置。3定位过程3. 1无源信标定位实际运用中列车的位置信息不仅包括列车的当 前准确位置，

10、还包括列车的运行方向。所以列车定 位时，就不能只通过一个信标来满足功能需求，需 要使用连续的多个信标来进行定位 ( 一般使用 2 个) 。只有当列车经过 2 个连续的信标时，并且与 车载设备所存储的信标信息吻合，列车才进入精确 84 AILWAY SIGNALLING COMMUNICATION Vol. 50 No. 1 2014定位状态，同时知道列车的位置和运行方向。列车 的定位过程如下。1 预定位: 接收到第 1 个信标，预定位成功， 但是列车沿用原来的信号模式。2 精确定位: 接收到第 2 个信标，与地理数 据对比，判断信标的 ID 和位置是否正确。如果正 确，则精确定位成功。3 定位

11、丢失检查: 在列车精确定位成功后， 每接收到一个新的信标，都需要与地理数据进行 ID 和位置对比，以防止出现位置丢失，避免造成 运行事故。为了保证系统的可用性和安全性，一般 当列车连续丢失 2 个信标后，认为定位丢失。3. 2有源信标定位为了提高列车的运营效率，让列车快速定位， 可以将列车的一些运营信息通过有源信标发送给列 车。列车只需要经过一个有源信标，就能同时知道 列车的当前位置和运行方向，列车就能迅速进入精 确定位状态。列车的定位过程如下。1 精确定位: 接收到一个有源信标，与地理 数据对比，信标的 ID 和位置是否正确。如果正确， 则精确定位成功，同时读取相关运行信息。2 定位丢失检查

12、: 列车精确定位成功后，每 接收到一个新的有源信标，都需要与地理数据进行 ID 和位置对比。此时从系统安全性考虑，只要丢 失一个有源信标，认为列车定位丢失。列车的定位与定位丢失检查是一个循环的过 程，就是为了保证列车能在最大运行效率下行驶， 从而提高运能。4定位应用北京地铁 13 号线为了提高运营效率，缩短列 车运行间隔，将进行改造和升级，就需要将现有的 速度台阶信号模式 ( FBSS) 升级为目标距离信号 模式 ( DTG) ，让列车快速定位，从而进入高效运 行模式。这时就需要使用到信标定位技术。图 4 为 FBSS 下的列车运行曲线，图 5 为 DTG 下的列车运行曲线，明显看出 DTG

13、比 FBSS 高效。 综合各方面因素，在每个轨道上铺设无源信 标用于 ATP 定位，在站台轨上铺设有源信标用于 ATO 定位。这样 ATP / ATO 就能安全迅捷的进入到 DTG 信号模式，从而快速进入高效运行模式。图 6图 4 FBSS 下的列车运行曲线图 5 DTG 下的列车运行曲线图 6 ATP 下 FBSS 升级为 DTG为 ATP 从 FBSS 升级为 DTG 的过程示例图。 列车的精确定位在整个列车控制系统 ( ATP / ATO) 中起着非常重要的作用。从安全角度着眼， 它是列车计算安全防护距离的重要因素; 从运营效 率角度着眼，它是列车进入高效运行模式的前提条 件。所以信标定位在城市轨道交通运输中具有重大 的意义。参 考 文 献1 朱摇琎， 杨剑锋， 周摇宇 . SAW FID 技术在列车定位 与跟踪中的应用 . 百度文库 通信 / 信号，2012 08 25: 第二、 三章 .2 何健 . 射频识别技术 . 百度百科，2013 09 02.( 责任编辑: 诸 红) 85