基于LTE-R的列车无线定位技术研究＊

宋丽梅，郭玉梅

（1.杨凌职业技术学院，陕西 咸阳 712100；2.武汉地铁运营有限公司，湖北 武汉 430030）

在列车运行过程中，对无线通信系统有较高要求，要求其网络结构、硬件设备和软件算法必须适应高速环境，有高速切换功能，以满足铁路特定的业务需求，以保证列车的安全控制和旅客的数据传输[1]。列车定位是指确定列车位置的方法，其主要采用相应的技术手段实现定位[2]。常见列车定位方法主要有以下四种：①扩频无线电法；②轨道电路法；③交叉感应环线法；④查询应答器法。但其存在无法实现高精度定位、连续定位、低费用运营，只能提供某些固定点处的位置信息、轨旁设备需求量大等问题[3]。列车无线定位主要是实现对定位基站与待定位列车间的距离估算，主要利用的是无线信号携带的相关参数，从而达到定位列车位置的目的。采用列车无线定位技术，具有低成本、高精度、满足对应列车连续定位的优点[4]。

1 列车定位现状分析

1.1 传统定位

1）轨道电路定位。轨道电路以钢轨作为导体，以钢轨绝缘划分不同轨道区段，由发送端钢轨与接收端组成一闭合回路，当列车轮对压入轨道区段时，轮对分路使得接收端无法获电，轨道继电器失磁落下，证明轨道区段有车占用，从而确定列车此刻占用轨道区段的位置，定位列车运行位置。如图1所示。

图1 轨道电路定位

2）查询-应答器定位。查询-应答器有三大模块组成：地面应答器和轨旁电子单元 (Line-side Electronic Unit, LEU)车载查询器，地面应答器——储存列车位置信息，查询器——读取相应地名应答器上信息。

3）交叉感应回线定位。要实现列车定位，则在线路等距离设置交叉电缆，车载设备通过驶过交叉点的列车记录线内极性变化次数，根据相应地址码定位列车。

1.2 新型定位

1）测速定位。要实现列车定位，则需根据列车运行距离，目前，常用的测速法由测量轮对的转速转化测出的列车直线速度。

2）卫星定位。要实现定位，需对列车运行位置进行估算，其需要借助卫星发射的定位参考信号进行定位。常用三大定位技术——“北斗”系统、GPS、伽利略系统[5]。

2 无线定位

根据测量参数的不同，可将无线定位技术划分为：

1）基于接收信号场强的定位技术。信号的场强衰减与传播距离呈反比是该定位技术实现定位的主要依据，忽略噪声影响，将以观测站位置作为圆心、传输距离为半径的圆上定位待定位接收机[6]，从而实现三角定位，三角定位法如图2所示，三个圆直径范围代表的是发射机所发送相关信号，其最大传输距离。

图2 三角定位法

2）基于TOA/TDOA定位技术。TOA定位技术以到达信号的时间作为测量参数、TDOA定位技术以到达信号的时间差作为测量参数，TDOA是在TOA基础上得来的，二者都通过测量信号对应的传播时间，从而达到确定目标列车位置的目的。TDOA定位（二次定位）法如图3所示，TDOA发射机1与发射机3时间差等值的单边双曲线交叉点——接收机估计位置。

图3 TDOA二次定位

时间参数要得到可靠估计，才可实现高精度定位，时间参数估计与带宽成反比例关系，带宽越大时间参数估计精读则越小，各通信系统的现有最大时间估计误差与距离测量误差如图4所示[7]。

图4 最大时间估计误差与距离测量误差

3）基于AOA的定位技术。AOA定位技术以其自身接收的信号的入射角度为依据，从而判定相应的移动台的方向，进而实现定位目的，其采用的定位方法是角度定位法，以天线阵列来测量和估计波达角。

4）基于FDOA的定位法。差分多普勒定位法，利用多普勒频移作为定位的依据。相比TDOA定位方法，FDOA定位精度较高，但要求对应的发射机与接收机有相对径向运动。

3 LTE-R系统

LTE系统中采用正交频分复用技术，该技术可有效解决信号抗衰问题。

3.1 OFDM技术

LTE系统下行链路调制技术采用OFDM技术。OFDM核心技术——原高速的数据流转为N路低速并行数据，采用子数据流对N路子载波进行调制，从而最终进行数据传输。LTE中对应OFDM参数见表1。

表1 LTE系统OFDM符号基本参数

3.2 定位参考信号

参考信号——导频信号，是一种用于信道估计或信道探测的已知信号，由发射端提供给接收端，其主要作用有以下几种：

（1）信道质量测量；

（2）信道估计；

（3）小区搜索；

（4）接收机的相干检测和解调。

该已知信号适用的载频只能是F=15kHz载波间隔，其传输只能是6(Port6)天线端口，主要作用是可以有效避免减小信号与数据间的干扰[8]。

3.3 标准定位方案

根据LTE协议规范，3GPP组织认为有①增强型小区ID定位，②OTDOA定位，③A-GNSS定位三种标准化的定位方法[9]。

3.4 无线定位的优点

由于铁路线路的距离问题，对运行中的列车实现无线定位，与采用公共网络的无线定位有一定的差异，但其还是体现了其定位的自身优势，具体见表2。

表2 无线定位优点

4 结论

为保证对列车的控制及旅客数据传输，本文提出了一种基于LTE-R的列车无线定位方法，该方法有效避免了无法实现高精度定位、连续定位、低费用运营，只能提供某些固定点处的位置信息、轨旁设备需求量大的问题，其利用了现有铁路的专用通信系统。