超宽带双向测距定位技术在地下集装箱运输系统中的应用

单磊 俞骏 胡文辉 毕艳飞 谭兴福

地下集装箱运输系统指以集装箱运输车为载运工具，通过大直径地下隧道运输集装箱的物流系统。地下集装箱运输车具有全天候运行、运输效率稳定、节能环保等优点，并且能够实现无人驾驶，在提高可靠性和降低人力成本方面具有独特优势。当地面运输受限时，地下集装箱运输车仍然可以提供运输服务，从而与地面运输方式形成有益互补。

地下集装箱运输车的通行量较大，一旦发生事故，处理难度非常大；因此，需要配备高可靠性的监控和调度系统。众所周知，车辆运输的安全性与整个车队的运输效率之间存在矛盾关系：为了防止车辆之间发生碰撞，需要保持安全车距；而为了提高运输效率，又需要尽量压缩车距，以增加单位时间内的通行量。在地下集装箱运输车的安全监控和调度中，最重要的信息就是车辆定位信息；因此，对地下集装箱运输车的实时、精确定位是实现地下集装箱运输系统安全、高效运行的重要保证。准确的定位信息有助于在确保安全的前提下压缩车距，从而提高运行效率。本文针对传统地下集装箱运输车定位方法存在的不足之处，提出将超宽带（ultra-wide band，UWB）双向测距定位技术应用于地下集装箱运输领域，从而在实现车辆安全防撞的同时，最大限度地提高车队运输效率。

1 传统地下集装箱运输车定位方法

目前，地下集装箱运输系统普遍采用数字电路定位方法。在线路设计之初，用S棒将整条线路分为多个区段，并对所有区段进行编码，用数字化方式描述车辆及其运行线路，从而形成车辆运行线路图，并储存在车载控制器中。为了准确判断车辆是否越过区段边界，并防止相邻区段电路的音频信号相互干扰，相邻区段的数字电路通常采用不同的载波频率。当车辆运行时，其所在区段的电路发出已被占用的信号。通过跟踪各区段的电路占用状态，即可确定所有车辆在整条线路中的位置。

传统的数字电路定位方法只能确定车辆占用的线路区段，而无法确定车辆的精确位置。精确定位一般采用无线射频识别信标。信标分为有源信标和无源信标。有源信标能够实现地下集装箱运输车与地面之间的双向通信。无源信标的工作原理类似于非接触式集成电路卡：当地下集装箱运输车经过无源信标时，无源信标被车载天线发射的电磁波所激励，并将绝对位置信息传递给车辆，从而实现车辆定位功能。

此外，还可采用车轮编码器估算车辆的实时位置；但该方法的可靠性较低，只适合在较短的距离内应用。首先，在车轮容易打滑的情况下：当车辆加速时，安装在驱动轮上的编码器会高估车速，安装在从动轮上的编码器会低估车速；当车辆减速时，所有车轮上的编码器都会低估车速。其次，在车辆带载的情况下，不同的载质量导致轮胎的形变量不同，进而对车轮的实际行走半径产生影响，最终造成定位误差。

综上所述，基于数字电路、无线射频识别信标或车轮编码器等技术的传统地下集装箱运输车定位方法均先确定车辆自身位置，再将车辆位置信息传递给中央控制器，从而间接获得车距信息并用于防撞保护，在实时性和可靠性等方面存在一定不足之处。

2 UWB信号特点及测距原理

UWB信号是经过伪随机编码后的一串脉冲。每次通信（一个数据包）包含数千个甚至数十万个脉冲，持续时间为数毫秒至数十毫秒。采用伪随机编码后，UWB通信系统能够以类似码分多址的方式支持多个独立工作的信道。UWB芯片频率根据品牌和型号的不同而有所不同，其頻率范围一般为1～ 2 GHz[1]。

UWB信号形式类似于噪声，与窄频的载波信号有明显区别。当没有信号传输时，UWB通信采用静默电平，而载波通信中一直都有载波信号；因此，UWB通信可以确定信号到达时间，从而实现精确测距。

基于UWB信号的无线定位分为到达时间差定位方案和双向测距定位方案。到达时间差定位方案利用信号到达多个基站的时间差计算信号源相对基站的位置。该方案要求基站的时钟精确同步，因此，其配置和维护的工作量较大。双向测距定位方案在2台UWB设备之间实现点对点测距，其中一台设备作为测距发起者，另一台设备作为测距响应者。该方案的测距原理如下：测距发起者向测距响应者发送报文；测距响应者收到报文后迅速处理，并发送响应报文；测距发起者收到响应报文后，利用高速计时芯片计算电波信号的往返时间，从而得到测距发起者与测距响应者之间的距离。

UWB信号应用于测距定位的优势在于：（1）发射功率极低，一般在0.1 mW以下，不易与现有的载波通信发生干扰；（2）时间分辨率较高，便于准确判断信号到达时刻，能够在多路径环境下确定首个到达的脉冲，从而解决无线测距中的多路径问题。

3 UWB双向测距定位技术在地下集装箱

运输系统中的应用

在实际应用中，每辆集装箱运输车的前后部均装有UWB通信模块。在车辆行驶过程中，通信模块不断发出测距请求。如果其他车辆处于其通信范围内，则直接测出两者间距，并在车距小于安全距离的情况下触发车辆防撞保护机制。采用相干调制技术的UWB通信系统的测距精度达到2 cm，采样频率达到50 Hz以上，能够最大程度地确保车辆行驶安全。该防撞方案已实际应用于美国铁路运输系统。

在点对点测距防撞的基础上，还可通过在地下集装箱运输线路中设立分布式UWB基站网来动态监测所有集装箱运输车的位置和运行情况。在实验中，串行放置3辆集装箱运输车，每辆集装箱运输车的前后部均装有UWB通信模块，并在串行线的前后方各布置1个基站，用于实时定位车辆。计算每辆集装箱运输车与最前方基站之间的距离，以此来表征车辆的定位结果。实验结果显示，基于UWB双向测距定位技术的车辆定位结果准确且稳定，优于传统定位方法的定位结果。

4 结束语

综上所述，UWB双向测距定位技术能够提供精确的车距信息，理论上能够防止所有可能发生的车辆碰撞事故，在地下集装箱运输领域具有很大的应用潜力。此外，UWB通信系统与现有的通信系统不易发生干扰，具有较好的适用性和兼容性。现阶段UWB定位和导航系统在无人车辆和无人机实时导航、人员和设备监控等领域已积累了一定的应用经验，未来在地下集装箱运输系统中的应用也有望取得进展。

参考文献：

[1] 李艳芳，杨拉明. 基于UWB的无线定位技术[J]. 电子设计工程，2014，22（8）：139-141.