基于4G網(wǎng)絡(luò)的地鐵列車定位系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

李諾，祁振鵬，楊佳衛(wèi)

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院，江蘇南京，210031）

0 引言

中國現(xiàn)代化的高速地鐵，都是使用基于通信的列車自動控制系統(tǒng)來進行定位，以此確保列車行車安全。系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備如果發(fā)生各種故障或者供能的問題，列車與地鐵控制中心的通信便會中斷，之間的傳輸信號也將停止，這個時候各個傳感器之間無法正常通信與數(shù)據(jù)匯總。在這個時候，就無法與列車取得通信，也無法通過系統(tǒng)收到列車的準確位置和行進狀況，就會很容易發(fā)生列車追尾等事故。

所以要制作一種冗余定位系統(tǒng)，在原有系統(tǒng)管控之外，可以作為安全保障，來確保地鐵在自動控制系統(tǒng)或設(shè)備故障斷電時可以及時重新獲取地鐵列車的位置和運行速度，這對于人民安全乘坐地鐵出行具有重要的意義。

1 確定定位主系統(tǒng)

基站定位系統(tǒng)通過各種運營商的網(wǎng)絡(luò)來獲取用戶的位置信息，大多用于手機定位?；径ㄎ恢饕砣缦拢菏褂猛ㄐ旁O(shè)備如手機，接收來自其他運營商基站的下行導頻信號，根據(jù)信號的狀態(tài)來獲取這些基站下行導頻TOA（TimeofArrival到達時刻）或TDOA(Time Differenceof Arrivalm到達時間差)，依據(jù)得到的這些數(shù)值與這些信號來源的基站具體坐標，通過距離位置算法例如三角公式，綜合運算得出終端設(shè)備的具體位置信息。

一般來說，計算移動設(shè)備實際空間位置的算法，需要通過與多個基站間的距離參數(shù)來定位，正常情況下，使用的基站數(shù)目，與移動設(shè)備的定位精確度是有正比關(guān)系的。基站定位依靠的是通信基站的信號傳輸，移動通信技術(shù)從2G一直到現(xiàn)在高速發(fā)展的5G，誕生了多種技術(shù)，例如GSM、LTE和NR等。

基于TDOA的定位距離算法：是根據(jù)多個基站收到相同信號時間不同產(chǎn)生的差值，來計算出目標的坐標。TDOA為了得到時間差，需要有節(jié)點去傳輸不同速度的信號，其他節(jié)點收到發(fā)送來的信號，就得到不同信號的到達的時間差，由已知這些信號的傳輸速度再根據(jù)到達時間差，便可算出節(jié)點之間的距離，得到不同節(jié)點的距離通過算法就能得出節(jié)點的具體坐標。DOA定位對于現(xiàn)在是地鐵上的定位的意義在于不需要過高的網(wǎng)絡(luò)要求，并且精度較高。各種不同的移動通信系統(tǒng)基本都可以適用TDOA技術(shù)，尤其適用于CDMA系統(tǒng)。把傳輸信號的進行擴頻操作，以得到更寬的頻譜范圍，是CDMA系統(tǒng)所運用的方式，這可以讓整個系統(tǒng)更好的減弱多徑效應帶來的干擾。CDMA系統(tǒng)是一種非功率的敏感系統(tǒng)，正常情況下信號的衰落對精度帶來的影響偏小。但是因為有功率控制的影響，再基站周圍一定范圍內(nèi)的發(fā)射信號功率會受影響變小，這樣就導致相鄰的另一基站收到的功率也會變小，這就會導致了更大的定位誤差。最終選用TDOA測距技術(shù)作為定位技術(shù)。

2 仿真

2.1 算法介紹

Chan算法是TODA定位的一種有效算法，與Fang算法類似屬于非遞歸雙曲線方程組解法，能夠通過求解表達式得到一個解析表達式解。此算法的特點是當測量的誤差值呈常態(tài)分布時，算法的定位精度高、求解簡單，而且可以通過增加基站的方式使定位的精度更高。測量誤差為零均值高斯隨機變量是Chan算法推導的基礎(chǔ)，對于誤差值較大的測量值，該算法的性能會有顯著下降。在二維情況下，Chan算法只有兩種情況，三個基站參與定位和三個以上基站參與定位。

2.1.1 三個基站參與定位

三個基站參與定位如圖1所示，移動臺為MS，固定基站為BS接收來自MS的信號。

圖1 三個基站于移動臺的位置關(guān)系

BS1等基站的坐標已知，為假設(shè)第i個基站位置為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)。假設(shè)第i個基站位置為(xi,yi)。把移動臺MS的位置設(shè)為(x,y)。此時設(shè)BS1為固定站，所以距離差的基準都是以BS1為準。

根據(jù)幾何關(guān)系可以確定下面的表達式：

通過代入化簡,并經(jīng)過一系列計算可得到MS的估計坐標：

2.1.2 多個基站參與定位

當基站數(shù)量大于3時，TDOA值要想得到更為精確結(jié)果，那么通過測試得到的非線性方程組個數(shù)就必須要多于未知變量的個數(shù)。為了使Chan算法獲得更好的MS所在的位置估計，使用加權(quán)最小二乘法，可以使測量時的冗余數(shù)據(jù)得到充分的使用，同時就能使得到的MS位置估計變得更加精準，提高定位精度，使精度達到100m左右。接著在用兩次加權(quán)最小二乘法使得到經(jīng)過改進后的坐標估計。

第一次WLS:

當移動臺與基站距離較遠時，可近似為：

第二次WLS：

當移動臺與基站距離較遠時，可近似為：

最終移動臺定位的結(jié)果為：

2.2 直線軌道仿真

直線軌道仿真加入了適當?shù)母咚拱自肼暎紤]到基站輻射的范圍各不相同，軌道方向為X軸方向，基站分別設(shè)立在軌道兩旁平行于X軸如圖2所示。X的坐標精度遠大于Y坐標的精度。在直線軌道仿真中測試了多組數(shù)據(jù)，列車速度分別為16m/s, 32m/s, 64m/s, 128m/s, 256m/s時列車定位估算位置，并計算出標準差以及方差，標準差如圖3所示，方差如表1所示。

圖2 直線軌道以及基站設(shè)定示意圖

圖3 位置距離標準差

表1 直線軌道定位方差

以上為測試噪聲為0的情況下列車定位的坐標，下面將噪聲加入仿真軟件，分別測試了當信號能量歸一化時，噪聲方差為1，2，3，4，5時的數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)噪聲越大的時候定位的標準差越大，即噪聲越小定位越準確。

圖4-圖6為測試噪聲時的位置標準差。

圖4 噪聲為1時定位方差圖

圖5 噪聲為2時定位方差圖

圖6 噪聲為3時定位方差圖

由定位標準差圖像可以看出，當噪聲越大的時候，Y軸標準差越大，也就是定位精度越低，由此可以得到在進行定位時，就要將噪聲因素考慮進去，需要對噪聲做進一步處理，將噪聲的干擾減小到最小才能夠獲得更精確的位置信息。

（1）由于基站的布置狀況基本與列車運行軌道相平行，基本成直線型，在Y軸定位坐標的精確度上會產(chǎn)生較大影響。不過對于地鐵列車定位來說，該誤差可以忽略不記，因為在地鐵列車直線軌道仿真中，列車行駛的軌道一定是已經(jīng)設(shè)定好的直線軌道，在定位時，只需要X軸的定位精確度達到即可確定列車位置，并對列車運行安全進行監(jiān)測。

（2）在設(shè)計實際列車定位系統(tǒng)時要考慮到多普勒效應對列車定位精度的影響，不過由于列車速度相對與電磁波的速度來說要慢很多，所以多普勒效應對定位精度的影響很小，幾乎可以忽略不記。在仿真時列車的運行速度已經(jīng)達到了256m/s，實際地鐵車的運行速度是遠遠達達不到這個速度的，所以對于仿真結(jié)果來說幾乎沒有影響。因為電磁場的傳播速度遠遠大于列車運行速度。

（3）Y軸誤差大的緣由主要是軌道是按直線型布置，而基站也只是沿著軌道兩旁進行布置，并且與軌道相平行，也為直線型排布，而Y軸上的基站布置卻少之又少，引起Y軸的定位精度不夠準確。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件各部分組裝框圖如圖7所示，安置固定在3D打印外殼內(nèi)如圖8所示，使定位裝置便于攜帶安裝。硬件上電，測量穩(wěn)壓模塊的輸入輸出電壓，電壓正常。燒入測試程序，程序?qū)懭胝?，LCD模塊顯示當前位置經(jīng)度和緯度，則判斷SIM7600CE工作正常。

圖7 硬件系統(tǒng)框圖

STM32單片機負責驅(qū)動定位芯片SIM7600CE，及其處理定位信號并上傳至服務器。SIM7600CE與STM32芯片間的數(shù)據(jù)交互是通過串口發(fā)送AT指令來完成。定位芯片SIM7600CE在STM32的控制下連接基站獲取定位信息?？刂芁CD顯示屏顯示當前經(jīng)緯度以及系統(tǒng)工作狀態(tài)。電池與降壓模塊給系統(tǒng)提供合適的工作電壓電流。

定位模塊安裝后見圖8，紅色開關(guān)為電源開關(guān)，黑色圓點為鋰電池充電接口。

圖8 硬件實物圖

4 系統(tǒng)組網(wǎng)方式

定位芯片通過手機通信信號接入LTE終端，通過eNodeB基站接入Internet。安裝TCP服務器的PC，打開1234端口作為TCP服務器，通過校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入 Internet。實驗過程中安裝了TCP服務器的PC終端內(nèi)網(wǎng)IP地址為10.10.69.60。然后打開花生殼服務器開啟內(nèi)網(wǎng)穿透功能。10.10.69.60：1234映射的地址為 103.46.128.49：58596。定位芯片或其他客戶端想要連接至TCP服務器時可通過連接花生殼服務器上的地址（103.46.128.49：58596）實現(xiàn)TCP連接。網(wǎng)絡(luò)框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)組網(wǎng)框圖

基站定位系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通信采用TCP/IP技術(shù)，定位芯片SIM7600CE與服務器不在同一局域網(wǎng)內(nèi)，為了使SIM7600CE能與服務器成功建立TCP連接，需使服務器的IP及端口應映射在公網(wǎng)上，這里使用的工具是上海貝銳信息科技股份有限公司開發(fā)的“花生殼”內(nèi)網(wǎng)穿透軟件。因為使用的是TCP鏈接，所以在做內(nèi)網(wǎng)穿透時應用類型選擇TCP。域名使用自己申請的域名，外網(wǎng)的端口可使用隨機分配的端口，也可使用購買的指定端口。

5 結(jié)論

本文對于現(xiàn)今的地鐵列車定位做了一個冗余地鐵定位系統(tǒng)來應對CBTC可能會發(fā)生的一些突發(fā)情況，保障人民出行安全。

采用MATLAB軟件來對定位系統(tǒng)在實際地鐵環(huán)境上進行模擬仿真。由于模擬數(shù)據(jù)定位的精確度要求，和已經(jīng)成熟的算法信息，還有對于環(huán)境復雜程度影響的要求，最終確定了使用Chan算法，作為地鐵列車定位技術(shù)的定位算法。

硬件方面，使用STM32主控來制作基于基站地鐵列車定位系統(tǒng)。定位選用SIM7600ce芯片來接收信號定位。通過組裝，加入屏幕12864、電池模塊和降壓模塊，最終實物成型。