基于BDS和RFID的现代有轨电车定位信号完整性研究

第

铁

道学报

JOURNALOFTHECHINARALWAYSOCETY

Vol.39 No.11November 2017

文章编号：1001-8360(2017)11-0071-06

基于BDS和RFID的现代有轨电车定位信号完整性研究

王

迪

1,2，

陈光武1,2，

杨

厅

1,2

(1.兰州交通大学自动控制研究所，甘

肃兰州

730070; 2.甘肃省交通信息工程及控制重点实验室，甘

肃兰州

730070)

摘要：现代有轨电车作为一种城市交通工具，其行驶中卫星信号会受到折射、反射、多路径效应等因素的影响，造成卫星定位精度差、信号失锁等问题。为此本文提出一种基于BDS和将北斗卫星U

RFID的提高定位信号完整性的方法。

TC引人RFID的TOA算法中，得出基于RFID的定位方程，同时在北斗卫星最佳位置的判决门限 中引人水平精度因子HDOP，得出伪距测量方程，最后通过结合最小二乘法与小波滤波得出位置坐标。经测试 该方法有效降低了卫星信号的多路径效应，弥补了单一北斗卫星定位的不足，定位精度提高了 50%。最后分析 有效数据传输及误码率，证明该方法能满足车-地通信的要求，定位信号的完整性提高了 71.2%。关键词：城市交通；信号完整性；BDS/RFID;现代有轨电车；多路径中图分类号：U284 文献标志码：八 doi： 10.3969/j.issn.1001-8360.2017.1 1.01 1

Study on Positioning Signal Integrity of Modern Tram

Based on BDS and RFID

WANG Di12 ,

CHENGuangwu1'2， YANGTing

1'2

(1. Automiatic C'ontrol Reseach Institute. Lanzhou Jiaotong University. Lanzhou 730070. C'hina：

2. (j-ansu Provincial Key Laboratory of Traffic Informiation Engineering and C'ontrol, Lanzhou 730070. C'hina)

Abstract： Modern trams, as a tool tion

for urban transport, are affected by their satellite signal refr

, multipath effects during operation, resulting in satellite positioning accuracyand signal lock loss prob­

a method

based

on BDS and RFID that improves

the

lems. This paper presented

positioning

The Beidou satellite UTC was introduced into the RFID-TOA algorithm to obtain the RFID-based positioning equation，while the

HDOP level

pseudorange

measurements were introduced into

the

decision th

best position of Beidou satellite. The position coordinates were obtained by combining the least square method and wavelet filtering. The test results showed that the proposed method can effectively reduce the effects ofmultipath satellite signals

to

make

up

for

the

shortage

of

single Beidou sa

positioning accuracy by 50%. Finally, the analysis of the effective data transmission and bit error rate proved that the method can meet the requirements nals by 71.2%.

Key words： urban traffic; signal integrity; BDS/RFID

of

the

TWC with

the increase

of

the

in

； modern trams; multi path

制系统的关键设备，其定位功能需满足道岔控制子系 统、运营调度管理子系统、平交路口信号控制子系统3 大系统需求。因此现代有轨电车定位系统更必须具备 高精度、连续性、可靠性和安全性等特点。

近年来随着我国北斗卫星导航技术的快速发展， 卫星定位服务已经逐渐引人铁路领域，这对现代有轨 电车定位方式产生了重要影响[2]。北斗卫星导航系统 空间星座由35颗卫星组成，目前已经成功发射22颗， 可公开提供全天时、全天候的服务，包括定位、测速和

作为一种新型轨道交通方式，现代有轨电车正在 被越来越多的城市所采用[1]。与列车不同，现代有轨 电车由于运行在城市中，因此其设计应当秉承节能、绿 色、环保的理念。定位设备作为现代有轨电车信号控

收稿日期：2014-06-13;修回日期：2016-10-14

基金项目：甘肃省基础研究创新群体计划（ 1606JIA327)兰州交

通大学青年科学基金（2016023:2015035)

第一作者：王迪（991 一）男，河南漯河人，硕士研究生。

E-mail: wangdigood2011@ 163. com

通信作者：陈光武（1976 —）男，阿克苏市人，教授，博士。

E-miail:cgwyjhl976@126.c()m

72铁 道学报

第39卷

授时，同时满足水平和垂直定位精度优于10 m(置信 度95%)[3]。现代有轨电车采用我国自主研发的北斗 卫星导航系统作为主要定位方式，但由于城市高楼建 筑、立交桥等会使卫星信号发生折射、反射、多路径效 应等，这极大降低了卫星的定位精度。因此，本文通过 行环境进行分析，基于卫星定位的最大问题在于地面 接收机周围局部环境的影响，如信号来自建筑物、树木 的反射等[4]。多路径效应会使得信号到接收机的伪距 测量时间变长，增大测量误差，见图2。

引入RF1D提出了一种提高定位信号完整性的方法。

1基于

BDS和RFID现代有轨电车定位原理

1.1定位方案分析

目前用于现代有轨电车的定位方式大多和铁路运 行列车相同，主要有轨道电路法、应答器法、交叉电缆 回线法、卫星定位法和测速定位法等。表1为各种定 位方法的比较，从表中可见卫星定位法具有投资成本 低、易于维护、定位精度高的特点，是现代有轨电车定 位的最好选择，但其抗干扰能力差，因此可以通过引入

RFID

来提高其抗干扰性。

表1

各种定位方法比较

方法

投资成本

维护情况

抗干扰性

定位精度

轨道电路法低难差低应答器法中难强低交叉电缆回线法低难差低卫星定位法低易差高测速定位法

高

易

强

低

基于BDS和RFD定位信号完整性方法由北斗 定位单元、RFID定位单元、信息判决处理单元3部分 组成，实现框图见图1。系统中北斗定位单元是北斗 接收模块通过北斗接收天线获取北斗卫星的导航电 文，包括位置、速度、时间等信息，此时将UTC引入

RFID

定位单元，作为RFID定位同步时间，RFID采

用反射式定位原理，结合TOA算法实现精准定位；信 息判决处理单元根据北斗卫星定位水平精度因子

HDOP

进行最佳位置判决，消除部分多路径效应，然

后结合其测量方程组与RFID测量方程组并采用最小 二乘法解算位置坐标，最后采用小波滤波进行数据 处理。

[iTfTdI

^—

|定位[rfid

S：

：

信息(输rfid物

I

出

|RFIDfi■

图1

现代有轨电车定位信号完整性实现框图

1.2

BDS定位技术分析

北斗卫星定位作为一种快速、高精度、全天候的定

位技术已经应用到各种领域。根据现代有轨电车的运

图2

卫星定位多路径效应示意图

基于北斗的卫星定位原理是根据卫星到用户的距 离进行定位的，其信号传播的误差为

= (了(； 一 <) + Az — A\" + A^r,n + Ayr。+ Ay„p

(1

)

式中为传播误差；了。为接收机接收到卫星信号的 周期；为卫星J发射信号时的时间；A«为接收机时

钟偏差Ar为卫星钟差；A«i:,n为电离层误差；A«t。为对 流层误差；AZp为多路径误差[5]。

两边同时乘以光速c可得

,

=^J+cAz — cAy 十c Azfrnl+cA^lr。十c A^„1：J

( 2 )Rj = (x —xj )2十（y—y )2 十（z —)2

(3)式中为卫星到接收机的几何距离，由于和真实距 离，存在一定的误差故称伪距。卫星钟差A

j

可由

地面监控系统测定并通过卫星发播的导航电文提供给 用户，同时电离层和对流层误差cA^n和cAG。也可以 通过导航电文提供的电离层和对流层参数模型进行校 正，因此由式（2)和式（3)可得

,=Rj + cAz + cAj

mp

+ m ( 4 )

式中：M为卫星伪距误差常量，可通过计算进行校正。 由于有轨电车在路面行驶，因此其运动为二维平面内 的运动。此时采用二维平面分析，建立其对应的误差 方程并引入水平精度因子HDOP参数AmXP，其误差 为

PX+Py =A

HD〇p

. (cAj

p

+ M) ( 5 )

式中：P和^为水平纬度和经度方向的位置偏差[

]。

由式（5 )可知可以通过HDOP值来定性判断此时多 路径效应带来的偏差，图3(a)、3(b)分别为在不同

HDOP

值的情况下的静态定位效果图，其采样点数为

700。

图4是在有多路径效应影响和无多路径效应影响 情况下的HDOP值的比较，从图中可明显看出，由于 多路径效应的影响，其HDOP值呈现很大的跳动，从 而影响卫星定位误差。

第11期

王迪等：基于BDS和RFID的现代有轨电车定位信号完整性研究

各个阅读器*和标签之间的距离为

d

73

, = (T101al., — T

aw

— T

ss

— T

able

, ) • c ( 6 )

式中：T1Mill.,为阅读器i接收到标签信息所需的总时 间；T

ys

为系统延时；T

ale

aw

为所有标签的延迟值，所有标

签都相同；T,为各个接收天线之间缆线造成的延

迟[7—8]^为光速。其阅读范围示意见图5,阅读误差会

36.105 44 '

纬度/)

36.106 36

纬度/(。）随着阅读距离的增加而增大，见图6。对于现代有轨 电车其RFID标签的距离必须在有限安全监测距离之 (无多路径环境（有多路径环境

图3

有无多路径环境下静态定位效果

--无多路径效应

—多路径效应

doaH100 200 300 400 500

采样点数

图4

两种情况下的HDOP值比较

由于其周围环境处于不断的变化中，因此其多路 径误差具有不确定性和不可预测性，本文通过引 人HDOP和RFID测量方程来减弱其多路径误差，以 提高卫星定位信号的完整性。13

RFID定位技术分析

RFID

通过空间电磁耦合的方式实现能量的传

输，达到双向通信并交换数据的目的，实现对待识别物 体的自动识别，适应在各种恶劣环境中工作[6\\

RFID

作为辅助定位，具有成本低、易于维护的优点，但其定 位精度较差，需要通过与其他定位方式组合来提高定 位精度。目前基于RFID的定位算法主要有4种，其 优缺点比较见表2。

表2 RFID定位算法比较

定位算法

优点缺点精度高时间同步要求高TDOATOA

精度高易受环境影响

AOA精度高成本高RSSI

易于搭建

精度差

考虑到与北斗卫星定位系统结合，本文采用TOA 算法，一方面可以通过北斗导航电文引人UTC来弥 补时间不同步的缺点，另一方面其定位方程可以和北 斗伪距测量方程组合，减弱多路径效应，提高卫星信号 的完整性。

基于TOA算法的定位系统采用无源标签，标签 采用脉冲压缩技术及大量潜在编码。查询每个标签的 逆时脉冲响应，然后重新发送相关的信号，其信号呈现 1个自相关的峰值，拥有最大幅度响应的标签就是所 要找的标签。

内。

/

，一-—!

阅读半径日0/RFID |/

2.5 /丨 i邶查^倍母i 宁1.7 径卟. \\

鸹阅读器卜、？

%I 5.5|! 1 '

,赵泅

Lk—m7

0 1

图5

RFjD阅读器阅读范围 6 7

示意图(单位:m)

图6

RFID定位误差曲线

由以上分析可知，采用TOA算法进行现代有轨 电车RFID定位时，定位系统中相邻两个RFID标签 之间的距离需要满足RFID阅读器检测的安全距离， 这样就能够保证每个时刻至少能够读取两个RFID标 签的信息，其定位系统结构见图7。

3G/4G通信

定位

/1 ,/RFiD^atti\\|~\\ 处理

单元

丁

RFID d

丽—

d

，

标

1

T’丨-

图7

RFID定位系统结构图

根据图7可知，2个RFID标签之间的距离为L， 假设两个RFID标签的坐标分别为（a; i，w)和（：r2， ^)。由式（6 )可知RFID阅读器到两个标签距离为

!

d 1 = (T 1〇ial. 1 — T

sa„

— T STS — T alJe.1 )_ ' • C

( 7 )d 2 = (T 101a1.2 — T

sa„

— T

sys

— T

ca|l.2

) • C

式（7 )即为RFID的定位方程，其中的时间延迟 未知量可通过引人北斗UTC消除误差，同时与北斗 伪距方程组合来解算位置坐标，此时如果北斗定位卫 星数目小于4时仍可实现定位。同时由于其定位方程 的引人极大地减弱了卫星的多路径效应，提高了定位 信号的完整性。如果卫星信号消失，则可以完全通过

RFID

进行位置解算。

2定位信号完整性算法分析

为提高定位信号的完整性，将改进后的TOA算

74铁 道学报第39卷

法定位方程组与北斗卫星伪距测量方程组结合，采用 最小二乘法和小波滤波对数据进行处理，使得北斗卫 星信号的多路径效应和信号缺失得到改善。2.1改进的TOA算法及组合定位解算

由式（6 )可知，系统延迟和各个标签的延迟数值 可以通过引人UTC参数T距式为

utc来

是离散的，因此将其离散化，把a, b离散化后分别取 作a = a 0，b = a 0 b 0,因此离散小波函数为

a 〇 2

_ ) • 0 (a〇) t — k〇)

^

(12)

消除，因此改进后测

其重构公式为

ft = C^ ^ Cj.tipj.k (J)

(13)

{

i d i

了 UTC

? = + 2 +

caltle.i ) * ^

? ( 8 ){y^ ~y2

由于RFID与北斗卫星观测所得的数据是离散序 L 联立北斗伪距测量方程（4)和RFID测量方程 (8)并采用最小二乘法得位置测量方程为

d 1 =

(T lol;1l. 1 — T UTC — T ale. 1 )

d'2 = (T 101i,1.2 — T

utc — T ale. 2 ) ' C

f D 3 = R1 + C /tt + C /tt ^np + u ( 9 )

Dn =Rn + c C\ + c C\mnp + u

式中：d

1

和d

2

为RFID标签到阅读器的测量距离。

D

3

到Dn为n — 2个北斗卫星到接收机的距离。假设

现代有轨电车的位置坐标为（a：,，y，2：,)，即要通过方 程组（9 )实现位置坐标的“最佳”估计，其前提是使多路径值cAtnp最小。为方便求解，将式（9 )转换为矩 阵形式[9]

T lou,i. 1 c

—T UTC c—丁able.1 c0 )T iou.il. 2 c

—T UTC c

—丁able.2 c0H =R1c /tcp

uR

n

c /tctnp

u 0

d 1d 2

X

C=D3

X =y

2_Dn_可得

X = [HT H]—HTC

(10)

2.2小波滤波分析

小波变换的基本思路是用一族函数去逼近或表示 某一信号，这族函数被称为小波函数系，它由基本小波 基在时间上的平移和频率上的伸缩构成。信号y的 小波变换定义为[10]

Wy (a ,b) = (y ,ipa.b > =

JR

y (〇 a

• ^ 八{t a b，] 0

dj (11)

式中：^ (〇为小波基；a b分别为伸缩和平移因子，a、 石<5只，且“乒〇;7(〇为0(〇的共轭。考虑到定位数据

列，因此，采用M

ilt

塔式算法进行离散二进小波分

解。以3次分解为例，见图8。

图8 3层分解结构树

首先对长度为N的数据序列进行第1层分解，可 得到长度为N/2的第1层低频系数和长度为N/2的 第1层高频系数；然后对长度为N/2的低频系数进行 第2层分解，可得到长度为N/4的第2层低频系数和 长度为N/4的第2层高频系数；一直进行下去，直到

1

个数目较小（即所需要）的光滑部分被保留下

来[11〜]。若令M)代表分辨率2 j的函数a的低频部

分，cD)代表其高频部分，则用公式可以表述为（以3 次分解为例)

S =cAi + cD i =cA2 +c〇2 + cD i =

cA 3 + cD 3 + cD 2 + cD i

(14)

图9为其完成小波滤波的框图。

「北斗伪距方程组-■ RFID方程组

1

小波函数选择

小波分解设置阈伹小波重构

¥

原始信号估计位

图9小波滤波框图

3

仿真验证及测试分析

3.1数据传输及误码率仿真分析

由于现代有轨电车在行驶中RFID阅读器与标签 之间的通信是短暂的。其通过1次的运行速度与车上

第11期

王迪等：基于BDS和RFID的现代有轨电车定位信号完整性研究

75

接收报文的次数可用如下经验公式描述为[13]

M=

e [3.6(1+e)/—J

f L v _位精度方面可看出，改进后的BDS/RFID的定位精度

(15)

高于单独的北斗卫星定位。

36.1080

36.1075 36.1070 0 36.1065 趔 36.1060 ^ 36.1055

36.1050b36.1045

0 100

103.7266 103.72 ^103.7262 ^ 103.7260 ^ 103.7258 ® 103.7256

103.7254

Wvv103.7252

7000 100 300

式中：M为接收报文的次数；e为接收机灵敏度；f为 传输速度^为每帧码的位数^为场强有效作用距 离；r为响应时间；v为车速。一般在传输长报文时要 保证M>3才有利于车载设备正确接收报文和可靠译码[13]。

300 500500700

坐标点数坐标点数

采用本文提出的高频RFID定位方法，其传输速 率为40〜160 kbit/s(取70 kbit/s) ,RFID的阅读范围 为5〜7 m(取5 m)由式（15)可得车速与通信时间对 照表，见表3。

表3

车速与通信时间对照表

车速.''(km. h-^

通信时间/ms

接收比特数/bit报文条数

丄2015010 5008.7丄0018012 60010.58022515 75013.60

300

21 000

176

由于不同型号的现代有轨电车运行速度不同，但 其设计平均最大速度为70km/h,运营最大速度为60

km/h ,由

表3可知，当速度为60km/h时其接收报文

条数为17.6,满足车载设备可靠译码和正确接收报文 的条件。由于RFID在空间传输过程中存在信道干扰 的问题，因此要保证尽可能小的误码率。本文利用

M a 11 a b

和蒙特卡洛法进行信号模拟，分析现代有轨电

车在运行过程中与RFID标签通信误码率BER,见 图10。

lu

lo-：--•SfSj:lo-.lo-lo10o4. .

4

\\

30

40

50

60

SNR/d

;_

;

Dv-80km/h;

' ■ 。图1不同车速下

SNR

与

BER

的关系

由图10可见，当现代有轨电车的时速为60 km/h 时其信噪比SNR为59dB,无误码，满足车地通信对 误码率的要求。

32定位信号完整性测试分析

为对本文提出的信号完整性方法进行验证，采用 中科微电子的ATGM332D北斗卫星接收模块以及

VISION的VUM9000高频RFID阅读器，将高频

RFID

按照间隔5 m的距离放置在测试道路，通

过北斗卫星测量获取685组位置坐标。

图11(a)、11(b)为采用北斗卫星定位、真实路线 和BDS/RFID组合定位的纬度和经度曲线图，从其定

(纬度

()经度

一 BDS定位伯:；一-实际伯:；

BDS/RFID组合定位。

图11北斗定位纬度和经度曲线图对比

图12为单独北斗卫星定位的HDOP值和引人

RFID

后的HDOP值，从图可见改进后的HDOP值要

小于单独的北斗定位，特别是在HDOP值比较大，定 位信号差的情况下，提高51.2%,其改善效果更加 明显。

2.5

1.8

2.0

1.5

-普通值 …改进后

doaH0

100 200 300 400 500 600 700

采样点数

图12测试路线HDOP比较

图13是在6条不同路线下的信号完整性比较，根 据图13数据其统计方差分别为

=Dx( i)

= E ) — E2 (x i) ^ 0.126

(x2) = D (x2?) — (16)

[D D2 (x2) ^ 0.036

a = D (Vx 1) —Dx )D (

(xi)

、人 100% w 71.2% (17)

式中a为定位成功率；D (x)为单独的BDS定位数 据的方差；D (x)为BDS/RFID数据的方差；由式 (17)可知与传统的BDS定位系统相比，其定位成功率 提高了 71.2 %。

%/膝吞

银赵取

0

1

2 3 4 5

6

定位线路BDS

;

BDS/RFDI。

图13定位信号完整性比较

由表4可见单独的北斗卫星定位受到环境影响 (信号折射、反射、多路径)较大。当定位卫星数量低于 4时，便无法完成定位。本文提出的BDS/RFID定位

76铁 道学报第

39卷

方法弥补了以上不足，其定位精度提高了 50%以上， 特别是当定位卫星数量低于4时仍能实现误差在5 m 之内的高精度定位，完全能够满足现代有轨电车定位需求。

表4 不同定位方式下的定位误差

误差方向东向8丄.9362.32卫星数目48.0138.192525.59定位方法

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/

东向丄.031.9145166105北向

2.97

3.08

3.58

197

167

因此BDS/RFID的定位信号完整性方法能提高 卫星定位在复杂城市环境中的适应性，为现代有轨电 车定位系统提出了一种新思路。

4结束语

北斗卫星系统用于现代有轨电车定位时，其信号

易受到遮挡、反射、折射、多路径等因素影响，导致可用 性受限，与常规的添加辅助传感器增强定位能力不同， 本文充分利用北斗导航电文信息将UTC、HDOP引 人定位系统，采用位置解算与滤波算法完成定位输出， 测试仿真表明，该方法降低了卫星信号的多路径效应， 解决了卫星信号缺失无法定位的问题。本文提出的思 路方法对现代有轨电车定位系统的发展具有一定的参 考价值。

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(责任编辑江峰）