利用交叉感应环线的定位测速和车地通信系统以及方法与流程

1.本发明涉及超高速磁浮列车定位测速技术领域，尤其涉及一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信系统以及方法。


背景技术：

2.现有技术无法采用同一套系统兼顾定位测速和车地通信，往往是采用两套车载天线和地面环线，分别工作在不同的频率下，以确保二者互相不影响，并独立完成定位测速和车地通信的功能。对于定位测速系统而言，利用h线和h’线进行相对定位，利用r线和n对g线进行绝对定位；而对于通信系统而言，需要另外采用一对平行线缆进行通信，且二者在空间上存在电磁场互相干扰的问题，因而需要错开工作频率。也就是，现有的感应环线可以分别用于定位测速或者车地通信，但是无法利用同一套设备同时满足定位测速和车地通信的需求。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信系统以及方法，能够解决现有技术中的问题。
4.本发明提供了一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信系统，其中，该系统包括：
5.车载子系统，包括载波信号发生器和天线单元，所述载波信号发生器用于对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流，所述天线单元用于根据所述调频驱动电流产生调频电磁场；
6.地面环线子系统，包括r线、sg0线和g0～gn线，所述r线、所述sg0线和所述g0～gn线根据所述调频电磁场产生调频感应电压；
7.地面站子系统，包括地址检测单元，所述地址检测单元用于对所述g0线和sg0线产生的调频感应电压进行处理得到列车的相对位置信息、用于对所述r线和所述g0～gn线产生的调频感应电压进行处理得到列车的绝对位置信息、以及用于对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统。
8.优选地，所述载波信号发生器包括调制模块和驱动电路，所述载波信号发生器用于对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流包括：
9.所述调制模块用于对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数，根据基带信号的当前码元选通所述第一分频系数或所述第二分频系数，并在当前码元对应的载波周期数达到目标值n的情况下进行移位操作，将下一位码元作为当前码元选通对应的分频系数，得到调频载波信号；
10.所述驱动电路用于对所述调频载波信号进行处理，得到调频驱动电流。
11.优选地，所述调制模块包括分频器、第一移位器、二选一电子开关和第一计数器，
其中，
12.所述分频器用于对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数；
13.所述第一移位器用于根据基带信号的当前码元控制所述二选一电子开关选通所述第一分频系数或所述第二分频系数；
14.所述第一计数器用于对当前码元对应的载波周期进行计数；
15.所述第一移位器还用于在当前码元对应的载波周期数达到目标值n的情况下进行移位操作，将下一位码元作为当前码元控制所述二选一电子开关选通对应的分频系数，得到调频载波信号。
16.优选地，所述地址检测单元包括解调模块，所述地址检测单元用于对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统包括：
17.所述解调模块用于根据r线产生的调频感应电压生成方波，通过脉宽计数法对所述方波进行载波频率判断并根据判断结果生成对应的二进制码元，对生成的二进制码元进行移位处理生成组合编码，对生成的组合编码进行串并转换并进行校验，在校验成功的情况下得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统，其中所述组合编码包括有效信息和校验码。
18.优选地，所述解调模块包括比较器、第二计数器、判断单元、第二移位器、串并转换单元和校验单元，其中，
19.所述比较器用于根据r线产生的调频感应电压生成方波；
20.所述第二计数器用于对所述方波进行脉宽计数得到脉宽计数值；
21.所述判断单元用于将脉宽计数值与阈值进行比较，如果脉宽计数值大于或等于所述阈值，则判断载波频率对应于第一分频系数对应的频率且根据第一分频系数对应的频率生成对应的二进制码元，否则判断载波频率对应于第二分频系数对应的频率且根据第二分频系数对应的频率生成对应的二进制码元；
22.所述第二移位器用于对生成的二进制码元进行移位处理生成组合编码；
23.所述串并转换单元用于对生成的组合编码进行串并转换；
24.所述校验单元用于对串并转换后的组合编码进行校验，并在校验成功的情况下得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统。
25.优选地，所述天线单元包括串联谐振电路。
26.本发明还提供了一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信方法，其中，该方法包括：
27.所述载波信号发生器对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流；
28.天线单元根据所述调频驱动电流产生调频电磁场；
29.r线、sg0线和g0～gn线根据所述调频电磁场产生调频感应电压；
30.地址检测单元对所述g0线和sg0线产生的调频感应电压进行处理得到列车的相对位置信息、对所述r线和所述g0～gn线产生的调频感应电压进行处理得到列车的绝对位置信息、以及对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统。
31.优选地，所述载波信号发生器对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流包括：
32.对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数，根据基带信号的当前码元选通所述第一分频系数或所述第二分频系数，并在当前码元对应的载波周期数达到目标值n的情况下进行移位操作，将下一位码元作为当前码元选通对应的分频系数，得到调频载波信号；
33.对所述调频载波信号进行处理，得到调频驱动电流。
34.优选地，所述地址检测单元对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统包括：
35.根据r线产生的调频感应电压生成方波，通过脉宽计数法对所述方波进行载波频率判断并根据判断结果生成对应的二进制码元，对生成的二进制码元进行移位处理生成组合编码，对生成的组合编码进行串并转换并进行校验，在校验成功的情况下得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统，其中所述组合编码包括有效信息和校验码。
36.优选地，通过脉宽计数法对所述方波进行载波频率判断并根据判断结果生成对应的二进制码元包括：
37.对所述方波进行脉宽计数得到脉宽计数值；
38.将脉宽计数值与阈值进行比较，如果脉宽计数值大于或等于所述阈值，则判断载波频率对应于第一分频系数对应的频率且根据第一分频系数对应的频率生成对应的二进制码元，否则判断载波频率对应于第二分频系数对应的频率且根据第二分频系数对应的频率生成对应的二进制码元。
39.通过技术方案，可以利用一套交叉感应环线设备同时实现定位测速和车地通信的功能，有效解决现有技术中两套设备在同一空间中电磁场互相干扰的问题，实现了全程绝对位置测量、高精度相对位置测量、速度和运行方向测量、以及车地通信的功能，有效节省了硬件成本，降低了信号处理的复杂性。
附图说明
40.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1示出了根据本发明一种实施例的一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信系统的方框图；
42.图2示出了根据本发明一种实施例的调制模块的原理框图；
43.图3示出了根据本发明一种实施例的解调模块的原理框图；
44.图4示出了根据本发明一种实施例的rlc串联谐振电路的示意图；
45.图5示出了根据本发明一种实施例的对格雷母线编码原理示意图；
46.图6示出了根据本发明一种实施例的相对定位原理示意图；
47.图7示出了根据本发明一种实施例的地面环线接收信号幅值受到调制的示意图；
48.图8示出了根据本发明一种实施例的相对定位和速度检测示意图。
具体实施方式
49.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
50.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
51.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
52.图1示出了根据本发明一种实施例的一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信系统的方框图。
53.其中，该系统可以应用于高速飞行列车。
54.如图1所示，本发明实施例提供了一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信系统，其中，该系统包括：
55.车载子系统，包括载波信号发生器和天线单元，所述载波信号发生器用于对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流(高频驱动电流)，所述天线单元用于根据所述调频驱动电流产生调频电磁场(高频交变磁场信号)；
56.地面环线子系统(图1中简称地面环线)，包括r线、sg0线和g0～gn线，所述r线、所述sg0线和所述g0～gn线根据所述调频电磁场产生调频感应电压；
57.地面站子系统，包括地址检测单元，所述地址检测单元用于对所述g0线和sg0线产生的调频感应电压进行处理得到列车的相对位置信息、用于对所述r线和所述g0～gn线产生的调频感应电压进行处理得到列车的绝对位置信息、以及用于对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统(图1中简称分区运控)。
58.也就是，g0线和sg0线用于相对定位，r线和g0～gn线用于绝对定位，另外r线还用于车地通信。
59.其中，以高速飞行列车为例，g0～gn线可以为g0～g11线。有效信息可以包括列车id号、列车位置、列车速度和列车运行方向。该有效信息除了可以发送至分区运控系统，还可以发送至列车的牵引控制系统。
60.通过技术方案，可以利用一套交叉感应环线设备同时实现定位测速和车地通信的功能，有效解决现有技术中两套设备在同一空间中电磁场互相干扰的问题，实现了全程绝对位置测量、高精度相对位置测量、速度和运行方向测量、以及车地通信的功能，有效节省了硬件成本，降低了信号处理的复杂性。
61.根据本发明一种实施例，所述载波信号发生器包括调制模块和驱动电路，所述载波信号发生器用于对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流包括：
62.所述调制模块用于对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数，根据基带信号的当前码元选通所述第一分频系数或所述第二分频系数，并在当前码元对应的载波周期数达到目标值n的情况下进行移位操作，将下一位码元作为当前码元选通对应的分频系数，得到调频载波信号；
63.所述驱动电路用于对所述调频载波信号进行处理，得到调频驱动电流。
64.根据本发明一种实施例，如图2所示，所述调制模块包括分频器、第一移位器、二选一电子开关和第一计数器，其中，
65.所述分频器用于对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数；
66.所述第一移位器用于根据基带信号的当前码元控制所述二选一电子开关选通所述第一分频系数或所述第二分频系数；
67.所述第一计数器用于对当前码元对应的载波周期进行计数；
68.所述第一移位器还用于在当前码元对应的载波周期数达到目标值n的情况下进行移位操作，将下一位码元作为当前码元控制所述二选一电子开关选通对应的分频系数，得到调频载波信号。
69.下面对图2中的各部分进行说明：
70.clk：表示时钟信号，为单片机提供标准时钟信息；
71.reset：复位信号，为单片机提供复位信息；
72.基带信号：由单片机根据需要传输的有效信息+校验码生成的“0”和“1”的编码信息流，作为控制信号，送入第一移位器中；
73.第一移位器：对基带信号中的编码信息流进行移位操作，通过当前位码元的值控制二选一电子开关；
74.分频器包括第一分频开关和第二分频开关，第一分频开关：对晶振进行分频得到第一分频系数，产生频率f1；
75.第二分频开关：对晶振进行分频得到第二分频系数，产生频率f2；
76.二选一电子开关：以基带信号的当前码元作为控制信号，当前码元为“0”，选通第一分频系数，当前码元为“1”，选通第二分频系数；
77.第一计数器：用来对基带信号中某一位码元对应的载波周期进行计数，为了降低误码率，优选选取n个(n≥10)载波周期表示基带信号中的一位码元，并将计数结果发给移位器用于控制移位操作。
78.在本发明中，只需采用一个晶振，不同的码元对应不同的分频系数，利用计数器对载波周期进行精确计数，可以确保频率切换点位于过零位置，不存在过渡频率，即确保了相位的连续性。这样，对于天线单元(下述的串联rlc电路)而言，偏谐程度很低，重新建立谐振的时间可以忽略不计。如果采用2个独立的晶振分别产生2个载频信号，在频率切换点会出现相位不连续的情况，导致出现一个远离谐振点的中间频率，系统存在重新建立谐振的时间，此时间在ms级，对定位测速精度会造成严重影响。也就是，本发明仅采用一个晶振，避免了2个独立晶振带来的问题，提高了定位测速精度。
79.根据本发明一种实施例，所述地址检测单元包括解调模块，所述地址检测单元用于对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统包括：
80.所述解调模块用于根据r线产生的调频感应电压生成方波，通过脉宽计数法对所述方波进行载波频率判断并根据判断结果生成对应的二进制码元，对生成的二进制码元进行移位处理生成组合编码，对生成的组合编码进行串并转换并进行校验，在校验成功的情况下得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统，其中所述组合编码包括有效信息和校验码。
81.根据本发明一种实施例，如图3所示，所述解调模块包括比较器、第二计数器、判断单元、第二移位器、串并转换单元和校验单元，其中，
82.所述比较器用于根据r线产生的调频感应电压生成方波；
83.所述第二计数器用于对所述方波进行脉宽计数得到脉宽计数值；
84.所述判断单元用于将脉宽计数值与阈值(脉宽阈值)进行比较，如果脉宽计数值大于或等于所述阈值，则判断载波频率对应于第一分频系数对应的频率且根据第一分频系数对应的频率生成对应的二进制码元，否则判断载波频率对应于第二分频系数对应的频率且根据第二分频系数对应的频率生成对应的二进制码元；
85.所述第二移位器用于对生成的二进制码元进行移位处理生成组合编码；
86.所述串并转换单元用于对生成的组合编码进行串并转换；
87.所述校验单元用于对串并转换后的组合编码进行校验，并在校验成功的情况下得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统。
88.也就是，如图3所示，r线中感应电压信号送入到地址检测单元的比较器中，与门限电压ref比较，生成方波信号，通过第二计数器对此方波信号进行脉宽计数，并通过判断单元与阈值val进行比较，若大于或等于阈值val，判断是频率f1(f1《f2)，若小于val，判断是频率f2。连续判断n个周期，得到一位码元，送入第二移位器中，最终解码得到有效信息+校验码的组合编码，之后进行校验得到有效信息。
89.下面对图3中的各部分进行说明：
90.载波信号：地面环线r线中产生的感应电压信号；
91.ref：门限电压；
92.比较器：将载波信号电压与基准电压进行比较，用于将正弦信号转换为方波信号；
93.第二计数器：利用高频基准时钟信号填充方波信号的高电平部分，记录填充的高频脉冲的个数，即可以计算出一个周期内，高电平部分持续时间。对于不同的频率f1和f2，其高电平部分持续时间存在差别。
94.val：脉宽阈值，大于或等于val判断为f1，小于val判断为f2；
95.第二移位器：对判断出来的数个当前位的码元通过移位得到二进制码流；
96.串并转换单元：通过并口读到单片机，提高读写效率；
97.校验单元：对有效信息+校验码序列进行校验，判断通信过程中有无信息丢失，无丢失则为校验通过；
98.有效信息：需要通过车地通信传输的信息。
99.根据本发明一种实施例，所述天线单元可以包括串联谐振电路。
100.如图4所示，串联谐振电路例如为rlc串联谐振电路。由此，天线单元可以利用rlc串联谐振原理，在天线单元的线圈周围空间中产生高频交变磁场，通过合理选择电感l和电容c的值，确保激励电流的频率等于电路谐振点的频率，能够在输入电压幅值一定的情况下，使天线单元线圈中的电流达到最大。
101.其中，对于电感l和电容c的值，本发明不对此进行限定。
102.下面以高速飞行列车为例对本发明中的绝对定位进行描述。
103.地面环线中的g0～g11线通过格雷码编码原理铺设于轨道内，称为格雷母线，以3对格雷码为例进行说明，如图5所示。其中，最小交叉间距如图5所示，其等于天线单元沿航向的尺寸，所有的格雷母线在起始点位置的相位和r线相同，每经过一个交叉点相位反相(格雷母线在相邻交叉点位置相位反相)。因此，当天线单元从左向右移动时，绝对位置按照格雷码发生变化，依次为：000-》001-》011-》010-》110-》111-》101-》100。地址检测单元对各格雷母线进行解析，得到对应的格雷码，由此可以判断出天线单元位于哪一个“最小交叉间距”中，从而实现绝对定位。
104.下面以高速飞行列车为例对本发明中的绝对定位进行描述。
105.当天线单元的线圈与地面环线的单个交叉单元(最小交叉单元)的正对面积最大(图6中左侧阴影部分所示)时，环线中感应电压幅值最大；当天线单元中心位于交叉点正上方(图6中右侧阴影部分所示)时，交叉点两边的交叉单元内的磁通近似相等，而相邻交叉单元为反相设计，所以整体磁通近似为零，从而使得感应信号的幅值也接近于零。因此，天线单元随着列车移动过程中，地面环线中的感应电压信号幅值也经历周期性变化，即高频载波信号的幅值被调制，其包络(调制后的包络)近似按照正弦规律变化，表征了列车的相对位置信息。
106.其中，g0线/sg0线中的感应电压信号如图7所示。
107.具体地，在本发明中，可以利用基于乘法器的同步解调法完成包络信号提取，其中，如图8所示，实线(正弦实线)代表g0线感应电压信号解调之后的包络，虚线(正弦虚线)代表sg0感应电压信号解调后的包络，由于两个环线(g0/sg0)的交叉长度是最小交叉单元，信号周期长度也为最小交叉单元，而它们相差半个最小交叉单元铺设，所以它们相差90度，利用g0和sg0线的感应电压相位关系可以实现试验车运行方向的判断(举例来讲，如果实线相比虚线相位超前90度，则判断列车正向运行；如果实线相比虚线相位滞后90度，则判断列车反向运行)。更进一步地，利用g0/sg0包络信号的幅值可以完成对一个交叉间距内相对位置的判断，根据信号采样后的幅值(实线和虚线中任一个的幅值)利用查表法可以获取列车相对位置，为了不混淆本发明，在此不再赘述。预定时间(例如，50ms)内相对位置之差除以时间可以得到速度，其中，预定时间越短越好，越接近真实速度。
108.对于车地通信，如上所述可以采用2fsk(二进制频移键控)，利用载波频率的变化来表示数字信息，通过改变载波信号发生器中晶振的分频系数，生成频率随时间变化的方波信号，并通过rlc串联谐振电路，转换为天线单元中的磁场，地面环线中感应电压的载波频率同样按照此编码规律变化，之后地址检测单元利用解调模块完成信息解码。
109.本发明实施例还提供了一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信方法，其中，该方法包括：
110.s100，所述载波信号发生器对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流；
111.s102，天线单元根据所述调频驱动电流产生调频电磁场；
112.s104，r线、sg0线和g0～gn线根据所述调频电磁场产生调频感应电压；
113.s106，地址检测单元对所述g0线和sg0线产生的调频感应电压进行处理得到列车的相对位置信息、对所述r线和所述g0～gn线产生的调频感应电压进行处理得到列车的绝对位置信息、以及对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统。
114.通过技术方案，可以利用一套交叉感应环线设备同时实现定位测速和车地通信的功能，有效解决现有技术中两套设备在同一空间中电磁场互相干扰的问题，实现了全程绝对位置测量、高精度相对位置测量、速度和运行方向测量、以及车地通信的功能，有效节省了硬件成本，降低了信号处理的复杂性。
115.根据本发明一种实施例，所述载波信号发生器对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流包括：
116.对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数，根据基带信号的当前码元选通所述第一分频系数或所述第二分频系数，并在当前码元对应的载波周期数达到目标值n的情况下进行移位操作，将下一位码元作为当前码元选通对应的分频系数，得到调频载波信号；
117.对所述调频载波信号进行处理，得到调频驱动电流。
118.根据本发明一种实施例，所述地址检测单元对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统包括：
119.根据r线产生的调频感应电压生成方波，通过脉宽计数法对所述方波进行载波频率判断并根据判断结果生成对应的二进制码元，对生成的二进制码元进行移位处理生成组合编码，对生成的组合编码进行串并转换并进行校验，在校验成功的情况下得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统，其中所述组合编码包括有效信息和校验码。
120.根据本发明一种实施例，通过脉宽计数法对所述方波进行载波频率判断并根据判断结果生成对应的二进制码元包括：
121.对所述方波进行脉宽计数得到脉宽计数值；
122.将脉宽计数值与阈值进行比较，如果脉宽计数值大于或等于所述阈值，则判断载波频率对应于第一分频系数对应的频率且根据第一分频系数对应的频率生成对应的二进制码元，否则判断载波频率对应于第二分频系数对应的频率且根据第二分频系数对应的频率生成对应的二进制码元。
123.上述方法与图1所述的系统相对应，具体示例可以参考上述关于图1所述的系统的描述，在此不再赘述。
124.下面继续参考图1，以传递列车id号(vid)为例对本发明的系统和方法进行描述。
125.分区运控系统通过定位测速系统(感应环线)获取列车id号等信息，用于在进入本区段之前完成注册，若注册不成功，则认为该区段不可用，该列车不能进入本区段。对于已注册的列车，按照列车id号(vid)进行控制，对不同标识建立独立的连接，并进行相应的信息交互。
126.具体过程为：车载运控系统将列车id号传递给感应环线载波信号发生器，载波信号发生器根据vid生成校验码，以vid+校验码作为基带信号(控制信号)，送入到第一移位器中，第一移位器通过移位获取当前码元，控制二选一电子开关选通，选择一路分频系数，得到n个周期的载波信号，计数器完成n个周期的计数后，控制移位器移位，将下一位作为当前位，重复上述过程，最终得到一串用来表示vid的调频载波信号。此调频载波信号通过驱动电路后得到调频驱动电流，作为串联谐振电路的激励电源，在天线单元的线圈中产生调频电磁场。基于电磁感应原理，地面环线的r线产生调频感应电压，送入到地址检测单元的解调模块中，转换成方波后，通过脉宽计数法判断载波频率，得到此频率对应的二进制码元，第二移位器经过移位处理后生成vid+校验码组成的码流。通过串并转换后，在单片机中完成校验，最终将vid发送给分区运控系统。
127.从上述实施例可以看出，与传统感应环线实现定位测速和车地通信采用两套设备、两种互不干扰的频率相比，本发明上述的系统和方法能够只用一套感应环线系统同时满足定位测速和车地通信的需求，定位精度能够达到
±
2.5mm，车地通信波特率与载波频率和1位码元重复的周期数有关系，计算公式为：baud＝f/n，式中，f为载波频率，n为一位码元对应的载波周期数，当f为48khz、n为10时，波特率为4.8khz。利用计数器对变频载波周期进行计数，能够确保载波信号相位连续，不会出现中间的过渡频率，基本不存在谐振重新建立的过程，能够确保定位测速的精度。同时，利用连续n(n≥10)个载波周期判断一个码元，能够提高判断结果的可靠性，降低误码率。
128.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
129.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
130.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于
对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
131.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信系统，其特征在于，该系统包括：车载子系统，包括载波信号发生器和天线单元，所述载波信号发生器用于对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流，所述天线单元用于根据所述调频驱动电流产生调频电磁场；地面环线子系统，包括r线、sg0线和g0～gn线，所述r线、所述sg0线和所述g0～gn线根据所述调频电磁场产生调频感应电压；地面站子系统，包括地址检测单元，所述地址检测单元用于对所述g0线和sg0线产生的调频感应电压进行处理得到列车的相对位置信息、用于对所述r线和所述g0～gn线产生的调频感应电压进行处理得到列车的绝对位置信息、以及用于对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述载波信号发生器包括调制模块和驱动电路，所述载波信号发生器用于对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流包括：所述调制模块用于对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数，根据基带信号的当前码元选通所述第一分频系数或所述第二分频系数，并在当前码元对应的载波周期数达到目标值n的情况下进行移位操作，将下一位码元作为当前码元选通对应的分频系数，得到调频载波信号；所述驱动电路用于对所述调频载波信号进行处理，得到调频驱动电流。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述调制模块包括分频器、第一移位器、二选一电子开关和第一计数器，其中，所述分频器用于对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数；所述第一移位器用于根据基带信号的当前码元控制所述二选一电子开关选通所述第一分频系数或所述第二分频系数；所述第一计数器用于对当前码元对应的载波周期进行计数；所述第一移位器还用于在当前码元对应的载波周期数达到目标值n的情况下进行移位操作，将下一位码元作为当前码元控制所述二选一电子开关选通对应的分频系数，得到调频载波信号。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述地址检测单元包括解调模块，所述地址检测单元用于对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统包括：所述解调模块用于根据r线产生的调频感应电压生成方波，通过脉宽计数法对所述方波进行载波频率判断并根据判断结果生成对应的二进制码元，对生成的二进制码元进行移位处理生成组合编码，对生成的组合编码进行串并转换并进行校验，在校验成功的情况下得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统，其中所述组合编码包括有效信息和校验码。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述解调模块包括比较器、第二计数器、判断单元、第二移位器、串并转换单元和校验单元，其中，所述比较器用于根据r线产生的调频感应电压生成方波；所述第二计数器用于对所述方波进行脉宽计数得到脉宽计数值；
所述判断单元用于将脉宽计数值与阈值进行比较，如果脉宽计数值大于或等于所述阈值，则判断载波频率对应于第一分频系数对应的频率且根据第一分频系数对应的频率生成对应的二进制码元，否则判断载波频率对应于第二分频系数对应的频率且根据第二分频系数对应的频率生成对应的二进制码元；所述第二移位器用于对生成的二进制码元进行移位处理生成组合编码；所述串并转换单元用于对生成的组合编码进行串并转换；所述校验单元用于对串并转换后的组合编码进行校验，并在校验成功的情况下得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统。6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于，所述天线单元包括串联谐振电路。7.一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信方法，其特征在于，该方法包括：所述载波信号发生器对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流；天线单元根据所述调频驱动电流产生调频电磁场；r线、sg0线和g0～gn线根据所述调频电磁场产生调频感应电压；地址检测单元对所述g0线和sg0线产生的调频感应电压进行处理得到列车的相对位置信息、对所述r线和所述g0～gn线产生的调频感应电压进行处理得到列车的绝对位置信息、以及对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述载波信号发生器对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据所述第一分频系数和第二分频系数产生调频驱动电流包括：对所述晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数，根据基带信号的当前码元选通所述第一分频系数或所述第二分频系数，并在当前码元对应的载波周期数达到目标值n的情况下进行移位操作，将下一位码元作为当前码元选通对应的分频系数，得到调频载波信号；对所述调频载波信号进行处理，得到调频驱动电流。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述地址检测单元对r线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统包括：根据r线产生的调频感应电压生成方波，通过脉宽计数法对所述方波进行载波频率判断并根据判断结果生成对应的二进制码元，对生成的二进制码元进行移位处理生成组合编码，对生成的组合编码进行串并转换并进行校验，在校验成功的情况下得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统，其中所述组合编码包括有效信息和校验码。10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，通过脉宽计数法对所述方波进行载波频率判断并根据判断结果生成对应的二进制码元包括：对所述方波进行脉宽计数得到脉宽计数值；将脉宽计数值与阈值进行比较，如果脉宽计数值大于或等于所述阈值，则判断载波频率对应于第一分频系数对应的频率且根据第一分频系数对应的频率生成对应的二进制码
元，否则判断载波频率对应于第二分频系数对应的频率且根据第二分频系数对应的频率生成对应的二进制码元。

技术总结
本发明公开了一种利用交叉感应环线的定位测速和车地通信系统以及方法，该系统包括：车载子系统，其载波信号发生器用于对一个晶振进行分频得到第一分频系数和第二分频系数并根据第一和第二分频系数产生调频驱动电流，其天线单元用于根据调频驱动电流产生调频电磁场；地面环线子系统，包括R线、SG0线和G0～Gn线，R线、SG0线和G0～Gn线根据调频电磁场产生调频感应电压；地面站子系统，包括地址检测单元，用于对G0线和SG0线产生的调频感应电压进行处理得到列车的相对位置信息、用于对R线和G0～Gn线产生的调频感应电压进行处理得到列车的绝对位置信息、以及用于对R线产生的调频感应电压进行处理得到有效信息并通过车地通信将有效信息发送至列车的分区运控系统。信将有效信息发送至列车的分区运控系统。信将有效信息发送至列车的分区运控系统。


技术研发人员：张艳清 金成日 李维新 陈海波 魏坤原 张航 沈胜兵
受保护的技术使用者：中国航天科工飞航技术研究院（中国航天海鹰机电技术研究院）
技术研发日：2021.11.04
技术公布日：2023/5/5