车载定位与通信网络协议研究进展

2021-03-30万壮，谢剑，赵寻，覃杰

电子科技 2021年11期

万壮，谢剑，赵寻，覃杰

(成都地铁运营有限公司维保分公司，四川成都 610017)

精确的列车定位信息、良好的车载通信手段，对基于通信的列车控制(Communication Based Train Control System，CBTC)系统起着决定性作用。由于地铁独特的工作环境和运营特点，通用的车载定位与通信手段无法适用。本文针对应用在地铁环境下的车载通信定位场景，系统梳理了其所涉及的定位与通信技术以及相应的评价指标，从而为后续的研究工作提供参考。

1 地铁定位技术

由于地铁所处的地下环境无法使用卫星定位系统，故其所使用的定位技术与普通车载定位技术有所不同。本章节将重点论述在全球卫星定位信号(Global Navigation Satellite System，GNSS)拒止环境中的定位问题。

1.1 基于接收信号强度的定位技术

该种测距方法根据接收到的信号功率测量值估计分离距离。无线电波在通过无线信道时会经历反射、衍射和散射，这些效应会导致接收信号在任意发射机-接收机间隔距离上逐渐变化，或在几个波长上快速变化，其中逐渐变化的传播效应被称为多径衰落[1-2]。对于无线定位系统，基于接收信号强度的无线电测距，可以通过使用路径损耗模型或信号三角测量来实现[3-4]。实际测量时，基于接收信号强度的定位技术分两个阶段进行：离线训练阶段和实际测量阶段。离线训练阶段在固定点(参考点或锚点)测量覆盖区域内，不同方向上的信号强度不同。这些固定点以网格的形式覆盖需定位区域，可称为无线电地图。在测量阶段，需要定位车辆记录存在的固定点接收信号强度，并与训练阶段生成的离线数据库进行比较，以估计地铁位置。基于接收信号强度的定位估计框架通常使用最近邻法[5-6]、K-最近邻法(K-NN)[7-9]或贝叶斯推理[10-11]来实现，此外也有部分方案采用神经网络[12-13]或支持向量机(Support Vector Machine,SVM)[14-15]等方法。

1.2 航位推算定位技术

航位推算是一种依赖于里程计和惯性的导航方法，其通过将来自里程计源或IMU(Inertial Measurement Unit)的测量值与指南针融合，以确定地铁的速度、航向及行进时间。

惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)利用IMU和陀螺仪实现定位，系统中的IMU提供平移和旋转信息，文献[16]指出，其相对于已知的测量，会随着时间的推移而更新。文献[17]提出，随着时间的推移，由于地铁位置需要进行连续的积分运算，所以定位信息会累积大量的误差，因此应协调处理。

1.3 基于信标的定位方法

基于有源信标的定位方法使用三角测量或更多信标来计算平台的绝对位置[18]。文献[19～20]提出基于视觉的信标定位方法。文献[21～22]使用基于无线电的定位方法。文献[23]提出基于红外的定位方法。文献[24]提出基于光线的定位方法。文献[25～26]则使用基于声学的信标定位方法。信标能够提供准确的定位信息，但其必须安装在已知区域，并需要合理的日常管理。

1.4 基于信号飞行时间的定位技术

基于飞行时间的方法依赖于发射能量脉冲的传播速度，以及脉冲往返的时间差。声纳、红外、激光传感器具有主动探测的能力[27-30]，且适合在弱光环境中使用，因此得到了广泛的应用。

文献[31]的研究表明，声纳测距提供了有关空间占用情况的准确信息。由于声音在水中的传播速度比在空气中快，所以声纳导航在水下得到了大规模的应用。文献[32]解释了基于声纳的空气导航方法面临的一些问题，如声纳数据的合理解释。文献[33]的研究表明，声纳对物体表面的材料较敏感，且会给精确的地铁定位带来问题。

文献[34]分别使用卡尔曼滤波器和蒙特卡罗滤波器，基于红外传感器进行了导航和定位。经研究表明，红外传感器存在对物体表面颜色敏感的问题，其会导致距离测量不准确。然而使用激光雷达(LiDAR)原理与声纳、红外传感器类似，其可生成密集、高分辨率的3D地图，从而实现高精度的地铁定位。

2 定位技术评价指标

定位系统的性能可以通过下述指标进行表征。

2.1 准确性

定位准确性表征了真实定位数值与估计位置之间的定位误差。在定位技术的相关研究中广泛使用均方根误差(Root Mean Squared Error，RMSE)

(1)

式中，xp和yp是估计车辆位置坐标；x与y是车辆真实定位坐标。

2.2 可用性

可用性是车载定位系统提供可用位置信息的时间占比，其通常表示为接收器输出满足所需规范时段的百分比。

2.3 连续性

连续性表征了车载定位系统无故障或中断运行的能力，通常连续性被实例化为定位接收器在正常工作时有反馈的概率。

2.4 完整性

完整性表征车载定位系统提供的信息正确性，即车辆系统对定位信息的信任程度。同时，其也表征了车载定位系统在提供的信息不准确时向用户提供及时警告的能力。

此外，根据应用场景的不同，对于车载定位技术的评价手段包括但不限于：首次定位时间、信号捕获灵敏度、定位跟踪灵敏度、信号重新捕获时间、静态和动态导航精度等。

3 车载通信技术

车载通信是一类移动无线网络技术，最初由美国国防部高级研究计划局于1970年提出，并引入了分组无线电网络的概念。移动节点可以在无基础设施模式下使用无线信道进行通信，其可支持移动节点随时随地进行任意方向的通信。车载通信节点能够通过自动配置，实现通信过程中节点自主加入或离开网络。

3.1 地铁车载通信标准

车载场景由于其高拓扑变化和高移动性，需要高速数据传输与快速通信。文献[10]中提出了一种数据竞争缓冲方案，以减少系统中的延迟。车载环境无线接入标准(WAVE)由众多标准组成，且这些标准独立执行相应功能：IEEE802.11a管理网络物理层；IEEE1609.1工作于应用层；IEEE1609.2提供安全机制；IEEE1609.3用于管理车载环境无线接入标准；IEEE1609.4管理逻辑链路控制层。文献[35]的研究发现，车载环境无线接入标准违反了TCP/IP层设计，因此其提出了一个两层设计通讯架构来快速访问IPv6。

3.2 车用路由研究

路由是车载通信中使用的一项技术。在车载通信网络中，由于车辆的高移动性，故而该技术是一项难以实现的任务。车载通信网络需要进行网络管理、流量管理、广播、移动性、拓扑变化、服务质量、快速数据传输等；而车载通信中所用的路由系统包括：基于拓扑的路由协议、基于地理信息的路由等。

基于地理信息的路由使用地理位置信息来选择下一跳转发消息，并使用信标来广播消息。基于地理信息的路由，无需维护路由和路由表。随着移动性的增加，汽车节点拓扑变化频繁，若使用基于拓扑的路由，可能会在网络负载高的情况下降低性能。因此，基于地理信息的路由方案具有更优的表现。

3.3 面向定位的地铁通信研究

地铁隧道形状不规则，而且墙壁由岩石等成分组成，这两个特征均会影响沿隧道传播的无线电信号，例如现有的定位信号GPS(Global Positioning System)无法使用。LORAN(Long Range Navigation)系统是一种常用的隧道内定时定位系统，文献[36]中讨论了隧道中Wi-Fi/ZigBee通信的可用性。文献[37]中提出了隧道自动识别与自主定位解决方案，通过几种假想模型来分析隧道中的无线电信号传播，例如有限状态马尔可夫信道(Finite-State Markov Chain，FSMC)。目前有3种类型的模型实现了对环境的建模：基于模态理论[38]、一般绕射理论[39]和基于混合方法[40]。文献[40]中提出了一种基于ZigBee网络的地铁防撞系统和用于定位地铁隧道中列车位置的ZigBee协议机制。研究表明，在开放空间中，两个ZigBee节点之间的传输距离可达100 m。

如今，地铁行业的基础设施向着基于自动传感和物智能联网应用的方向发展。随着地铁速度的增加，通信设备的可靠性以及对通信质量的要求也显著提高。文献[41]表明，近期开发的宽带通信系统(LTE通信技术、5G通信技术、超宽带雷达、IEEE 802.11ad等)在数据通信的带宽与速度方面均具有较多优势。在这些技术广泛应用之前，使用现有框架，并结合新兴技术，进而提高地铁环境的通信质量，对于整个地铁行业的发展具有重要意义。