本發(fā)明屬于列車定位技術領域，涉及基于無線傳感網(wǎng)絡的列車定位方法，具體指鐵路長大隧道環(huán)境下基于分簇無線傳感網(wǎng)絡的列車定位方法。

背景技術：

近年來，隨著我國已投入使用的或正在修建、計劃修建的高鐵隧道數(shù)量的增多，長大隧道及特長隧道的存在也越來越普遍。隧道內(nèi)列車定位在高鐵運行中的作用主要體現(xiàn)在以下2個方面：（1）地面控制中心根據(jù)列車的位置信息，進行間隔控制，保證追蹤運行的列車的安全間隔；（2）車載設備獲得列車的位置和速度信息，可以根據(jù)速度-模式曲線進行控制，與僅根據(jù)速度進行的階梯控制相比，可避免列車的多次制動，提高運行效率。高鐵作為現(xiàn)代化的智能系統(tǒng)，如何精確地檢測列車位置以完成對列車運行等進行控制是鐵路智能運輸系統(tǒng)的核心內(nèi)容。

然而長大隧道（長度為公里級）內(nèi)的列車定位研究尚處于起步階段。由于gps在隧道內(nèi)無法實施定位，造成定位盲區(qū)，所以長大隧道內(nèi)列車定位的技術手段主要采取有線方式，包括軌道電路定位、里程計定位、查詢-應答器定位、交叉感應回線定位等，它們普遍存在定位精度不高、不能實時連續(xù)定位以及設置軌旁設備引起的維護成本高等弊端。

無線傳感器網(wǎng)絡（wsn）具有費用低、覆蓋廣、易于部署維護等特點，是一種可用于實時列車定位與跟蹤的解決方案。目前學者對wsn定位算法已經(jīng)做出了很多研究，然而在長大隧道內(nèi)如何部署wsn，以及如何利用wsn對高速列車進行精確定位仍然面臨諸多技術難題，本發(fā)明針對這些難題做出了創(chuàng)新性的研究。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述技術問題，本發(fā)明提供了一種長大隧道環(huán)境下基于分簇無線傳感網(wǎng)絡的列車定位方法，通過建立三維隧道與二維平面的映射關系，以二維映射平面為目標平面，進行合理的wsn節(jié)點部署以及有效的參數(shù)估計、優(yōu)化機制，切實解決了長大隧道內(nèi)如何部署wsn，以及如何利用wsn對高速行進的列車進行精確定位的諸多技術難題。

本發(fā)明通過以下技術方案來實現(xiàn)上述目的：

一種長大隧道環(huán)境下基于分簇無線傳感網(wǎng)絡的列車定位方法，包括以下步驟：

s1、對隧道水平分割后展開其上半平面，在實際的三維隧道和展開的二維平面間建立空間映射關系，并以展開的上半平面作為隧道無線傳感網(wǎng)絡wsn部署的目標平面；

s2、在所映射的二維平面上劃分正方形網(wǎng)格，并依據(jù)劃分的網(wǎng)格部署無線傳感網(wǎng)節(jié)點；定義普通節(jié)點、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點3種wsn節(jié)點；其中，普通節(jié)點負責執(zhí)行目標節(jié)點的方位角測量和接收來自目標節(jié)點的信息；簇頭節(jié)點負責與本簇內(nèi)的普通節(jié)點通信，以及與相鄰的簇頭節(jié)點通信；匯聚節(jié)點負責接收來自簇頭節(jié)點的多跳定位信息，并將此信息傳輸至隧道外的接收設備；

s3、針對列車高速運行和無線收、發(fā)傳輸時延差會導致目標節(jié)點位置估計出現(xiàn)偏移，對列車運行速度、多普勒頻移及無線收、發(fā)傳輸時延差進行參數(shù)估計；

s4、利用上述估計后的參數(shù)構建偏移前、后的列車位置估算坐標之間的函數(shù)關系，以最小二乘法ls為優(yōu)化工具，得到校正后的列車位置。

作為本案的優(yōu)化方案，通過在列車上配置2個串行設置的嵌入式電流傳感器ecs完成對列車運行速度v的估計，并基于列車運行速度v的估值對多普勒頻移fm和無線收、發(fā)傳輸時延差tm進行估計。

作為本案的優(yōu)化方案，上述步驟4中，采用目標方位角輔助的最小二乘法對列車位置進行估算。

作為本案的優(yōu)化方案，上述步驟2中，基于覆蓋效率及網(wǎng)絡連通度，正方形網(wǎng)格根據(jù)考慮了隧道特殊環(huán)境的無線鏈路預算理論確定出網(wǎng)格的邊長。

作為本案的優(yōu)化方案，上述步驟2中，依據(jù)劃分的正方形網(wǎng)格基于分簇的無線傳感網(wǎng)節(jié)點部署為，每簇由4個正方形網(wǎng)格構成，普通節(jié)點位于網(wǎng)格中心位置、簇頭節(jié)點位于簇中心、匯聚節(jié)點節(jié)點位于隧道兩端，每個簇內(nèi)由3個普通節(jié)點參與目標定位算法，1個普通節(jié)點提供通信冗余。

本發(fā)明的有益效果是：

1、建立三維隧道和二維平面的空間映射關系，在不減弱問題目標的條件下，降低了wsn部署的復雜度；

2、wsn節(jié)點部署中利用考慮了隧道特殊環(huán)境的無線鏈路預算理論，充分考慮隧道墻壁等對無線信號的影響，使得節(jié)點分布具有較好連通性、均勻性且能提供一定的通信冗余；

3、考慮到列車運行速度、多普勒頻移、無線收/發(fā)傳輸時延差等參數(shù)對最終列車位置定位的影響，對這些參數(shù)設計了有效的估計機制，以提高定位結(jié)果的精度；

4、研究因方位角量化誤差和參數(shù)估計誤差引起的列車位置偏移，并以最小二乘法為優(yōu)化工具完成目標方位角輔助的列車定位；

5、切實解決了長大隧道內(nèi)如何有效部署wsn，以及如何利用wsn對高速行進的列車進行進行定位的技術難題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于分簇wsn列車定位方法中三維隧道與二維平面的映射示意圖；

圖2為本發(fā)明基于分簇wsn列車定位方法中網(wǎng)格形狀選取示意圖；

圖3為本發(fā)明基于分簇wsn列車定位方法中網(wǎng)格以及節(jié)點部署示意圖；

圖4為本發(fā)明基于分簇wsn列車定位方法中列車定位原理示意圖；

圖5為本發(fā)明基于分簇wsn列車定位方法中速度與輸出信號的關聯(lián)特性曲線。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明及其效果作進一步闡述。

本發(fā)明研究了長大隧道環(huán)境下基于分簇無線傳感網(wǎng)絡的列車定位方法，包括以下步驟：

s1、對隧道水平分割后展開其上半平面，在實際的三維隧道和展開的二維平面間建立空間映射關系，并以展開的上半平面作為隧道無線傳感網(wǎng)絡wsn部署的目標平面。鐵路隧道形狀呈圓柱形，傳感器節(jié)點部署在隧道壁或隧道地面，為三維空間問題，增加了wsn節(jié)點部署的復雜性；本發(fā)明提出對隧道進行水平分割之后展開其上半平面，以展開后的上半平面作為隧道wsn部署的目標平面，這樣就在實際的三維隧道和二維平面間建立了空間映射關系（如圖1所示）。這種映射關系的建立是基于如下事實：相比映射的二維平面，三維隧道的wsn網(wǎng)絡連通性會更好些，這是因為任何2個wsn收、發(fā)節(jié)點在三維隧道的通信距離略短于二維平面，因此，在所映射的二維平面上展開wsn節(jié)點部署研究所得到的結(jié)果不會減弱在三維隧道部署wsn的目標。

s2、在所映射的二維平面上劃分正方形網(wǎng)格，并依據(jù)劃分的網(wǎng)格部署無線傳感網(wǎng)節(jié)點；定義普通節(jié)點（以sn表示）、簇頭節(jié)點（以rn表示）和匯聚節(jié)點（以sink表示）3種wsn節(jié)點；其中，普通節(jié)點負責執(zhí)行目標節(jié)點的方位角測量和接收來自目標節(jié)點的信息；簇頭節(jié)點負責與本簇內(nèi)的普通節(jié)點通信，以及與相鄰的簇頭節(jié)點通信；匯聚節(jié)點負責接收來自簇頭節(jié)點的多跳定位信息，并將此信息傳輸至隧道外的接收設備。

在三維隧道映射的二維平面上部署wsn節(jié)點屬于確定性區(qū)域覆蓋的節(jié)點部署問題，解決它的普遍做法是先將區(qū)域劃分成規(guī)則的網(wǎng)格，再進行節(jié)點部署。數(shù)學上可以證明，要用正多邊形無縫（無盲區(qū)）、無重疊地覆蓋一個平面區(qū)域，可用的形狀有正三角形、正方形、正六邊形3種。那么這3種形狀中選擇哪一種最合適呢？必須指出，這里所面向的wsn網(wǎng)格有別于蜂窩移動通信網(wǎng)絡的小區(qū)形狀選擇問題，它們具有不同的約束條件和優(yōu)化目標。為了滿足wsn錨節(jié)點部署的約束條件b.由簇頭節(jié)點（rns）為中繼節(jié)點的wsn具有全連通性，需要評估當相鄰rn間的距離相同（設為d）時的不同網(wǎng)格形狀的區(qū)域覆蓋效率。由圖2可知，正方形網(wǎng)格的覆蓋面積為最大，即就是說，正方形網(wǎng)格實現(xiàn)區(qū)域覆蓋所需的節(jié)點數(shù)最少，網(wǎng)絡覆蓋率最高；因此，宜采用正方形網(wǎng)格，為滿足節(jié)點間的覆蓋連通要求，正方形網(wǎng)格邊長不能過大，同時也不能過小，否則會導致節(jié)點通信范圍內(nèi)存在過多冗余節(jié)點；基于覆蓋效率及網(wǎng)絡連通度的考慮，正方形網(wǎng)格的覆蓋方式根據(jù)考慮了隧道特殊環(huán)境的無線鏈路預算理論確定出正方形網(wǎng)格的邊長；在此基礎上，部署基于分簇的wsn網(wǎng)絡。無線鏈路預算理論已被廣泛用于評估無線通信網(wǎng)絡節(jié)點間的連通性，其無線鏈路預算公式為

（2）

其中，pr為節(jié)點接收功率（以dbm計），pt為發(fā)射功率（以dbm計），gt、gr分別為發(fā)射、接收天線增益（以dbi計），pl(r)為收、發(fā)距離為r時的隧道內(nèi)路徑損耗（以db計），lfm隧道環(huán)境下的衰落儲備。

當接收功率pr大于或等于接收機靈敏度β（以dbm計）時，即可滿足網(wǎng)絡的連通性要求。在式（2）中，pt、gt、gr是預設值，而pl(r)、lfm則視無線傳輸環(huán)境而定。針對本項目的長大隧道環(huán)境，擬考慮以混凝土襯砌材料的彎道隧道的pl(r)、lfm作為基準，對于不同類型隧道的傳播環(huán)境給出相應修正因子mf。mf的取值由以下因素共同決定：節(jié)點收、發(fā)天線的位置、隧道襯砌材料、隧道曲率、工作頻段、列車定位算法要求的qos指標（中斷概率）。之后，將修正的pl(r)、lfm值代入路徑損耗、ricean衰落模型中，依據(jù)無線鏈路預算公式得到pr值，并計算出當時的節(jié)點間最大通信距離d。由圖3可看出，在滿足網(wǎng)絡全連通的約束條件下，正方形網(wǎng)格邊長的取值為d/2。

理想的簇頭節(jié)點rn位置應位于簇中心，若實際選取出的簇頭節(jié)點rn未處于簇中心，則其消耗的能量將是簇頭節(jié)點rn位于簇中心情形的2.4倍。因此，從綠色節(jié)能和執(zhí)行目標定位角度出發(fā)，本發(fā)明采取的分簇wsn節(jié)點部署方案見圖3所示；圖中，每簇均由4個正方形網(wǎng)格構成，普通節(jié)點位于網(wǎng)格中心位置、簇頭節(jié)點位于簇中心、匯聚節(jié)點位于隧道兩端，每個簇內(nèi)由3個普通節(jié)點參與目標定位算法，1個普通節(jié)點提供通信冗余。這樣的部署使節(jié)點位置達到了較好的均勻性，具有最優(yōu)的能量使用效率，因而延長了網(wǎng)絡生命周期，同時也滿足了隧道環(huán)境下wsn節(jié)點部署的約束條件。

s3、參數(shù)估計，由于列車高速運行和無線收、發(fā)傳輸時延差會導致目標節(jié)點位置的偏移，故對列車運行速度、多普勒頻移及無線收、發(fā)傳輸時延差進行估計。

對列車的定位采用了以下思路，如圖4所示。我們已經(jīng)將wsn的部署映射到了一個二維平面，且在這個平面上部署了wsn節(jié)點，列車的位置(x,y)可由這些節(jié)點測得的方位角信息得出。令(xm,ym)為wsn單個簇內(nèi)第m個普通節(jié)點的位置坐標，θm為第m個普通節(jié)點測得的目標方位角(m=1,2,…,m)。但是由于多普勒頻移及無線電波傳輸時延的影響，所測量得到的角度θm與實際角度θm′總是存在偏差，造成最終對列車位置定位的偏移。

通過在列車上配置2個串行設置的嵌入式電流傳感器ecs完成對列車運行速度v的估計；列車運行速度v的估計具體為：

令2個ecs的輸出信號分別為s1(t)、s2(t)，而ssa1(t)、ssa2(t)分別表示s1(t)、的s2(t)的重采樣信號，速度v可通過分析s1(t)、s2(t)的互相關特性得到（如圖5所示），令其波形峰值對應的時移為

（3）

則列車運行速度v的估值為l/δt。

多普勒頻移fm和無線收、發(fā)傳輸時延差tm的估計：

列車高速移動引起接收頻率相對于發(fā)射信號頻率f0的頻移，即多普勒頻移fm；基于列車運行速度v的估值，第m個普通節(jié)點測量的目標方位角θm(0o<θm<180o)，得到目標節(jié)點的多普勒頻移fm=(f0*v/c)cosθm(m=1,2,...m)；

令(xm,ym)，m=1,2,..,m，為第m個普通節(jié)點的坐標，θm為第m個普通節(jié)點測量得到的的目標方位角，θm可表示為或(180o-θm)，取決于列車相對錨節(jié)點的運動方向。第m個普通節(jié)點測得的與目標節(jié)點的距離dm的值則由下式估算得到：

（4）

其中為考慮多普勒頻移條件下普通節(jié)點m接收到的信號功率，其中，s(f)為接收信號功率譜密度。在估算得到dm的條件下，就可得到無線收、發(fā)傳輸時延差的估值為tm=dm/c(m=1,2,…,m)，其中c無線電波的傳播速度，等同于光速。

s4、確定列車位置，利用上述估計后的參數(shù)構建偏移前、后的列車位置估算坐標之間的函數(shù)關系，以最小二乘法ls為優(yōu)化工具，得到校正后的列車位置坐標。

采用目標方位角輔助的最小二乘法對列車位置進行估算；

具體地，在三維隧道所映射的二維平面上，設列車即目標節(jié)點在定位算法執(zhí)行時間內(nèi)的運行軌跡為直線，建立平面坐標系，x軸取平行于目標節(jié)點的運行軌跡，令(xm,ym)為wsn單個簇內(nèi)第m個普通節(jié)點的位置坐標，θm為第m個普通節(jié)點測得的目標方位角(m=1,2,…,m)，可得如下方程組

（5）

且；

上式（5）為超定方程組，采用最小二乘法來求解，定義代價函數(shù)為

（6）

式中，θm是目標方位角量化后的值；

由于多普勒頻移fm和無線收、發(fā)傳輸時延差tm，引起了目標方位角的偏移，即θm→θm'，和目標位置坐標的偏移，即(x,y)→(xm',ym')；它們之間滿足如下關系式：

（7）

其中，；式（5）中，v、tm的取值以步驟3中列車運行速度，無線收、發(fā)傳輸時延差的估值為依據(jù)；

以（6）式的最小化為優(yōu)化目標，將不同普通節(jié)點的(xm',ym')、量化后的θm'、tm值發(fā)送至本簇的簇頭節(jié)點處，由簇頭節(jié)點再次執(zhí)行最小二乘法列車定位估計，得到目標節(jié)點位置坐標(x',y'）。

以上實施例僅是示例性的，并不會局限本發(fā)明，應當指出對于本領域的技術人員來說，在本發(fā)明所提供的技術啟示下，所做出的其它等同變型和改進，均應視為本發(fā)明的保護范圍。