列车定位技术.doc
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列列车定位技术
通信工程07-1班
王帆
学号：
0702040116
列车定位技术
列车定位的意义
实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。
在轨道交通行车安全和指挥系统中，列车定位是一项关键性的技术。
准确、及时地获取列车位置信息，是列车安全、有效运行的保障。
1城市轨道交通定位技术的基本功能和作用
1）列车定位系统的基本功能：
能够在任何时刻、任何地方按要求确定列车的位置，包括列车行车安全的相关间隔、速度；对轨旁设备和车载设备等资源进行分配和故障诊断；在局部出现故障时，能够在满足一定精度要求的前提下，降级运行。
列车定位方式按照空间可用性分为离散方式、连续方式和接近连续方式。
按照产生定位信息的不同部分分为完全基于轨旁设备的方式、完全基于车载设备的方式和基于轨旁设备和车载设备的方式。
2）列车定位技术在现代轨道交通行车安全和指挥系统中的作用主要体现在以下几个方面：
1为列车自动防护（ATP）子系统提供准确位置信息。
作为列车在车站停车后打开车门以及站内屏蔽门的依据。
2为列车自动运行（ATO）子系统提供列车精确位置信息，作为列车计算速度曲线，实施速度自动控制的主要参数。
3为列车自动监控（ATS）子系统提供列车位置信息，作为显示列车运行状态的基础信息。
国内外轨道交通主要的列车定位技术
一：
轨道电路定位
轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体,并用引接线连接信号发送、接收设备所构成的电气回路。
轨道电路有机械绝缘和电气绝缘两种类型。
采用机械绝缘的轨道电路,需切断钢轨,安装轨道绝缘节,这对使用长钢轨线路妨碍很大,不仅需经常维修,还降低了安全性。
而采用电气绝缘,则无需切断钢轨,目前城市轨道交通系统中,普遍采用“S棒”进行电气隔离的数字音频轨道电路。
音频无绝缘轨道电路：
音频无绝缘轨道电路采用自然衰耗、短路线法等电气方法实现轨道区段的分割。
目前广为采用的是S型连接音频轨道电路。
S型音频轨道电路确保相邻轨道区段的信号互不干扰，同时平衡两条钢轨的牵引回流。
在同一区段的音频信号发送端和接收端，由电容器C与两段钢轨组成调谐于某以轨道信号载频的LC并联谐振电路，从而使得该信号能够被加在区段上。
同时，为了防止相邻轨道电路音频信号的串扰,也为了准确判断列车越过轨道电路边界,相邻数字轨道电路采用不同的载频。
列车在线路中运行时,其所在的轨道电路会给出占用指示,对轨道电路占用状态的连续跟踪,也就实现了对列车在线路中所处位置的连续跟踪。
并被选择接收。
简单的说，无绝缘音频轨道电路法就是通过LC并联电路能选取出一定的谐振频率，而识别列车的频率用以列车定位的。
图1：
数字音频轨道电路原理图
二：
测速定位法
测速定位法是一种辅助定位方法。
在轨道电路定位法定位法中，车在区间的始端还是终端是无法判断的，对列车定位时的最大误差就是一个区段的长度。
为了得到较为准确的位置信息，在计算具体位置信息时通常要引入列车的即时速度信息。
引入测速信息后大大减小了定位的误差。
目前使用较多的列车测速一般是：
通过测量车轮转速，然后将车轮转速换算为列车直线速度。
图2:
编码里程仪测距原理
列车车轮运动一周，编码里程计输出64个或128个脉冲。
列车车轮运动一周，编码里程计输出的脉冲数越多，测速和／或测距精度越高。
列车运动速度＝单位时间内编码里程计输出的脉冲数×（πΦ／编码里程计每周输出的脉冲数）列车运动距离＝编码里程计输出的脉冲数×（πΦ／编码里程计每周输出的脉冲数）式中Φ为列车车轮的直径。
由于列车周而复始地运动，车轮轮径不断磨损，目前城市轨道交通系统中允许列车车轮的轮径范围为840mm～770mm，因此Φ是个变量，要定期或不定期地进行修正。
三：
信标定位
信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。
信标分有源信标和无源信标两种,有源信标可以实现车地的双向通信,无源信标类似于非接触式IC卡,在列车经过信标所在位置时,车载天线发射的电磁波激励信标工作,并传递绝对位置信息给列车。
城市轨道交通系统中所使用的信标大部分为无源信标,安装在轨道沿线。
信标的作用是为列车提供精确的绝对位置参考点（也可以提供线路的坡度、弯度等其它信息）。
由于信标提供的位置精度很高,达厘米量级,常用信标作为修正列车实际运行距离的手段。
采用信标定位技术的信息传递是间断的,即当列车从一个信息点获得地面信息后,要到下一个信息点才能更新信息,若其间地面情况发生变化,就无法立即将变化的信息实时传递给列车,因此,信标定位技术往往作为其它定位技术的补充手段。
四：
全球卫星定位法（GPS）
GPS由位于地球上空24颗卫星和监视管理这群卫星的5个地面站组成。
这些卫星用原子钟作为标准时间，24h连续向地球播发精确的时间及位置信息。
配有GPS接收机的用户，可在地球上任何地方、任何时刻收到卫星播发的信息，通过测量卫星信号发射和接收的时间间隔，计算出用户至卫星的距离，然后根据4颗卫星的数据，即可实时地确定用户所在地理位置。
五：
无线扩频定位
在地面设置测距基站和中心控制站，在列车两端安装无线扩频通信发射机，发射机向地面测距基站发射定位信息，测距基站收到定位信息后计算出伪距，送至中心控制站进行信息处理，其结果显示在电子地图上，并以无线方式传递到机车上。
采用这种方式定位比较精确，但价格较高。
几种典型定位法的优缺点比较
1，轨道电路定位方式
轨道电路定位方式的优点是经济、方便、可靠性高,既可以实现列车定位,又可以检测轨道的完好情况;缺点是定位精度取决于轨道电路的长度,不精确,无法构成移动闭塞。
2，测速定位
基于测速的列车定位是一种典型的增量式相对定位,缺点是存在累计误差,在定位精度要求较高的地点,需要用其他的方法不断校正其位置信息。
3，信标定位
信标定位的优点是在地面应答器安装点的定位精度较高,在复线铁路上可以正确区分列车的行驶股道,维修费用低、使用寿命长且能在恶劣条件下稳定工作;缺点是只能给出点式定位信息。
4，GPS定位
利用GPS实现列车定位,优点是设备简单、成本低、体积小、维护方便;缺点是目前运动定位精度远低于静止定位精度,当可捕获卫星的数目少于4颗，将导致定位精度显著下降，甚至无法应用。
在并行线路上易发生认错股道的现象,在隧道等区段存在定位盲区,并且易受到美国卫星政策的影响。
5，无线扩频列车定位
无线扩频列车定位的优点是定位比较精确,准确性高，保密性好，抗干扰性好。
但需要在沿线设置专用扩频基站,投资成本较高。
附：
无线扩频技术
1、无线扩频通信技术简介
扩展频谱通信技术，早在第二次世界大战期间就已提出，其发展也基本上是在军事领域随着电子对抗发展起来的。
随着无线通信的广泛应用，无线频道变得非常拥挤，频道资非常源紧张，干扰繁多、严重。
由于扩频通信技术有很多优点可以克服这些问题，并且可以提供更高的保密技术，因此，从80年代末，美国联邦通信委员会（FCC）规划了ISM波段并批准扩频通信使用该频段来，扩频通信技术得到了快速的发展和广泛的应用。
2、扩频通信技术基本原理
扩频通信的理论基础是仙农定理：
C=WLog2（1+S/N）
式中:
C---信道容量，W---传输带宽，S/N---信号功率/噪声功率
由此可得：
在信息速率一定时，可以用不同的信号带宽和相应的信噪比来实现传输，即信号带宽越宽则传信噪比可以越低，甚至在信号被噪声淹没的情况下也可以实现可靠通信。
因此，将信号的频谱扩展，则可以实现低信噪比传输，并且可以保证信号传输有较好的抗干扰性和较高的保密性。
目前常用的扩频通信实现方法主要有:
直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）、跳频（FrequencyHopping）、跳时（TimeHopping）、宽带线性调频（ChipModulation）等方式。
以上方法中最常用的是直接序列扩频和跳频。
1.直接序列扩频技术
直序扩频使用伪随机码（PNCode）对信息比特进行模2加得到扩频序列，然后扩频序列去调制载波发射，由于PN码往往比较长，因此发射信号在比较低的功率上可以占用很宽的功率谱，即宽带低信噪比传输。
PN码的长度决定了扩频系统的扩频增益，而扩频增益又反映了一个扩频系统的性能。
直序扩频系统的解扩采用相关解扩，这是它与常规无线通信解调方式的根本不同。
在接收端，接收信号经过放大混频后，经过与发射端相同且同步的PN码进行相关解扩，把扩频信号恢复出窄带信号，再对窄带信号进行相干解调解出原始信息序列。
用11位码长的扩频码来说，直接序列扩频与解扩的过程简单说就是，如果采用的信源发出“1”，则扩频调制为一个序列单元，如“11100010010”；信源发出“0”，则扩频调制为一个反相的序列单元，如与上面对应的反相序列“00011101101”。
在接收端，收到序列“11100010010”则恢复为“1”，收到序列“00011101101”则恢复为“0”。
其原理框图如下：
图3：
直序扩频原理图
直序扩频技术的优点在于：
1）抗干扰能力强
扩频解调器实际上是一个相关器，扩频信号通过相关器后能有效的恢复，干扰信号（包括瞄准性干扰和宽带干扰），由于与本地PN码不相关而被相关器抑制掉。
2）对其它电台干扰小，抗截获能力强
由于信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低,接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，这样对其它同频段电台的接收不会形成干扰，信号也就不容易被发现，进一步检测出信号就更难，所以有非常高的隐蔽性，非常适合保密通信，特别适合应用于军事领域的通信。
正因为有此特点，FCC规定使用扩频通信机不必申请专用频率。
3）可以同频工作
由于采用相关解调，只要每部通信机的扩频码（PN）不同，几部通信机就可以使用同一载频而不会有相互干扰，只是增加多一点背景噪声而已。
4）便于实现多址通信
由于不同的扩频码是正交或接近正交的，彼此相互影响很小，所以可以把不同的扩频码作为用户的地址码，则很容易实现码分多址（CDMA）通信。
移动通信系统采用CDMA方式，理论上可以使通信容量比目前的蜂窝式通信容量提20倍。
2.跳频扩频通信技术
另一种常用的扩频技术是跳频扩频，其实现方法是载频信号以一定的速度和顺序，在多个频率点上跳变传递，接收端以相应的速度和顺序接收并解调。
这个预先设定的频率跳变的序列就是PN码。
在PN码的控制下，收发双方按照设定的序列在不同的频点上进行通信。
由于系统的工作频率在不停的跳变，在每个频率点上停留的时间仅为毫秒或微秒级，因此在一个相对的时间段内，就可以看作在一个宽的频段内分布了传输信号，也就是宽带传输。
跳频通信系统的频率跳频速度反映了系统的性能，好的跳频系统每秒的跳频次数可以达到上万跳。
跳频通信系统在每个跳频点上的瞬时通信实际上还是窄带通信。
参见原理框图如下所示：
图4：
跳频扩频原理图
其中，跳频通信的关键部件是跳频器，它又频率合成器和跳频指令发生器两部分组成。
频率合成器受跳频指令发生器的控制产生跳变的载频信号去调制信号或解调信号。
跳频序列的频率是跳频通信的核心技术。
目前，跳频系统跳速基本水平是：
短波电台-100跳/秒，超短波电台-500跳/秒。
每秒数千跳的扩频电台也已经问世，预计未来十年，跳频电台的发展可以达到每秒几万甚至几十万，上百万跳。
目前，跳频系统的同步时间基本在几百毫秒的水平，今后也必将越来越短。
同步时间越短，信息被地方发现、截获和测向的概率越低、通信的保密性、隐蔽性越好。
跳频扩频技术的优点在于：
1）抗干扰能力强
由于在实际通信中，通信频率一直是变化不定的，控制跳频的PN码序列其周期可以长达数年，跳变的频率可以达到成千上万个，因此对于干扰信号来说基本上不可能捕捉到传输信号，对于固定频率干扰也可以跳变一个频点避开。
相对于直序扩频，跳频技术具有更好的保密性和抗干扰性能。
由于跳频通信本身也是属于宽带传输，按照仙农定理，它也可以实现低信噪比传输，即信号可以淹没在噪声里传输。
2）系统兼容性
兼容性是指，跳频通信系统可以与一个不跳频的定频窄带通信系统在某个固定频点上进行通信。
也可以在定频通信电台上增加跳频模块使其具有跳频通信能力而与跳频电台进行通信。
3）便于实现多址通信
应用跳频通信可以很容易地组建一个多址网络，网络内的各个用户都被分配了一个互不相同的地址码，就象电话号码一样。
每个用户只能接收其他用户针对其地址码发送来的信息，对发送给其他用户的信息，则不会解调出来。
直序扩频技术与跳频扩频技术的简单比较
扩频技术
直序序列扩频
跳频扩频
应用
同样功率通信距离远，较低输出功率就可以达到几十公里，民用产品比较丰富。
同样发射功率时传输距离相对较近，提高输出功率可以获得比较远的传输距离
优点
抗多径能力强，可以保证长距离通信，传输数据速率高。
抗截获能力强，保密性好，通常不会对其他通信设备造成干扰
抗干扰能力最强。
频谱利用率稍高。
缺点
占用频率资源比较多。
可以频率复用，但是相邻系统的背景噪声提高。
在近距离时，对其他窄带和直序扩频通信设备有干扰。
数据速率相对低。
跳速时容易被跟踪并干扰。
由以上比较可以看出，跳频通信技术具有比较强的抗干扰能力，是特别适合于军事领域的通信手段。
正是它的独特的优点使得它符合了现代信息战争中电子对抗的需求，因此在现代军事通信中成为重要的通信手段。
在海湾战争中，多国部队就大量的使用了采用跳频通信技术的通信设备。
当然通信干扰与反干扰是一对矛盾，互相制约又互相促进发展。
跳频通信可以有效的避开单频干扰和多频干扰，但是现在电子对抗中的跟踪干扰是它的“天敌”，跟踪干扰的步骤是：
侦听、处理、施放干扰。
当本方截获到地方的跳频序列后，迅速以同样的跳频序列施放干扰，由于跳频序列相同，预先设定的跳频序列就无法实现正常通信，这时只有通过转换跳频序列才能恢复通信，但是又会被从新跟踪并干扰。
因此只有提高系统性能，提高跳频速度，防止被敌方侦听到跳频序列，才能达到反侦听目的，这又促进了研究更高速的跳频设备的竞赛。
由于受到技术条件、元器件技术的限制，跳频速度也不可能不限制提高，今后的跳频通信应该会是跳频和直序扩频技术的综合，或者跳频直序扩频、跳时技术的综合。
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