本发明涉及铁路交通通信技术领域，具体涉及一种用于铁路交通的车辆定位系统及其方法。
背景技术：
在铁路交通日益发展，运行速度日益增快、载客载货量日益增加的大背景下，对车辆的运行状态的监控就日益重要，需要随时对车辆的位置进行定位，从而能够有效的进行车辆的控制及调度，因此信标定位实现方案应运而生。
目前，主要应用于铁路交通中的定位技术，需要使用卫星导航系统、卫星信号放大器及信号接收系统等设备，所需的造价成本高，安装应用复杂。
同时，在复杂地形的地区，卫星导航系统基本失效，其定位方式基本是使用运行距离进行位置估计，该方式定位精度不高，软件实现复杂。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于铁路交通的车辆定位系统及其方法。此系统及方法旨在解决传统铁路交通的定位技术安装复杂且定位精度低的问题，通过车辆携带的天线设备读取轨道沿途信标的fsk信号，以定位信标中心点，通过计算获得车辆的位置信息，完成车辆定位，提高定位精度、安装和开发维护更方便，造价低廉。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于铁路交通的车辆定位系统，包括：信标模块、天线模块、信号通道电路、ad采样电路、fpga和cpu；信标模块接收车辆的报文信息；天线模块的输入端与信标模块的输出端连接，采集报文信息，获得车辆的fsk信号；信号通道电路的第一输入端与天线模块的输出端连接，对fsk信号进行信号处理，获得处理后的fsk信号；ad采样电路，输入端与信号通道电路的输出端连接，对处理后的fsk信号进行ad转换，获得数字信号；fpga的第一输入端与ad采样电路的输出端连接，对数字信号进行寻峰计算，获得峰值时间；cpu的输入端与fpga的第一输出端连接，根据峰值时间，对车辆进行识别定位，获得车辆的信标位置，完成车辆定位。
最优选的，该车辆定位系统还包括自检模块；自检模块的输入端与fpga的第二输出端连接，其输出端与信号通道电路的第二输入端连接，且cpu的输出端与fpga的第二输入端连接，使得cpu、fpga、自检模块、信号通道电路、ad采样电路、fpga和cpu构成一自检回路，对该车辆定位系统进行自检。
最优选的，信号通道电路包括：
衰减网络，输入端与天线模块的输出端连接，对fsk信号，进行幅度控制，并生成幅度控制的fsk信号；
电子开关，第一输入端与衰减网络的输出端连接，第二输入端与自检模块的输出端连接，根据幅度控制的fsk信号或自检模块发出的检测模拟信号，选择车辆定位电路或系统自检电路；
低通滤波器，输入端与电子开关的输出端连接，对幅度控制的fsk信号或检测模拟信号进行降噪，获得处理后的fsk信号或处理后的检测模拟信号。
最优选的，fpga包括：
读取模块，第一输入端与ad采样电路的输出端连接，对数字信号进行读取变更，获得信标能量值；
门限比较模块，输入端与读取模块的输出端连接，将信标能量值与其内设的门限阈值进行比较；当信标能量值大于门限值，则将信标能量值传输至寻峰模块；当信标能量值不大于门限值，则停止计算；
寻峰模块，输入端与门限比较模块的输出端连接，对大于门限值的信标能量值进行寻峰计算，获得峰值时间。
最优选的，天线模块为车辆自身携带的天线设备。
本发明还提供了一种用于铁路交通的车辆定位方法，该车辆定位方法是基于上述的一种用于铁路交通的车辆定位系统实现的，该车辆定位方法包括以下步骤：
步骤1：信标模块接收车辆的报文信息；
步骤2：天线模块采集报文信息，并转化为车辆的fsk信号；
步骤3：将fsk信号传输至信号通道电路进行信号处理，获得处理后的fsk信号；
步骤4：将处理后的fsk信号传输至ad采样电路进行ad转换，获得数字信号；
步骤5：将数字信号传输至fpga进行寻峰计算，获得峰值时间；
步骤6：将峰值时间传输至cpu，cpu根据峰值时间，对车辆进行识别定位，获得车辆的信标位置，完成车辆的信标定位。
最优选的，信号处理还包括以下步骤：
步骤3.1：将fsk信号传输至衰减网络，进行幅度控制，并生成幅度控制的fsk信号；
步骤3.2：将幅度控制的fsk信号传输至电子开关，并根据幅度控制的fsk信号选择车辆定位电路；
步骤3.3：将幅度控制的fsk信号传输至低通滤波器进行降噪，获得处理后的fsk信号。
最优选的，寻峰计算还包括以下步骤：
步骤5.1：将数字信号传输至读取模块进行读取变更，获得信标能量值；
步骤5.2：将信标能量值传输至门限比较模块，与门限比较模块内设的门限阈值进行比较；
步骤5.3：当信标能量值不大于门限值，则停止计算；当信标能量值大于门限值，则将信标能量值传输至寻峰模块，对大于门限值的信标能量值进行寻峰计算，获得峰值时间。
最优选的，该车辆定位方法还包括通过由cpu、fpga、自检模块、信号通道电路、ad采样电路、fpga和cpu构成的自检回路，对该车辆定位系统进行系统自检。
最优选的，系统自检还包括以下步骤：
cpu发出自检信号；fpga根据自检信号，生成检测数字信号；自检模块对检测数字信号进行数字处理，获得检测模拟信号；信号通道电路中的电子开关根据检测模拟信号，选择系统自检电路，并对检测模拟信号进行信号处理，获得处理后的检测模拟信号；ad采样电路对处理后的检测模拟信号进行ad转换，获得自检数字信号；fpga对自检数字信号进行寻峰处理，获得自检能量值；cpu将自检能量值与内设的能量阈值进行比对，判定该车辆定位系统完成该车辆定位系统的系统自检。
运用此发明，解决了传统铁路交通的定位技术安装复杂且定位精度低的问题，通过车辆携带的天线设备读取轨道沿途信标的fsk信号，以定位信标中心点，通过计算获得车辆的位置信息，完成了车辆定位，提高了定位精度、安装和开发维护更方便，造价低廉。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的用于铁路交通的车辆定位系统，读取信标数据时间间隔小，目前的定位精度为正负50厘米，提高了车辆定位系统的定位精度。
2、本发明提供的用于铁路交通的车辆定位系统，使用的天线模块为目前车辆已配备的设备，新增设备少，减少了造价成本，造价低廉。
3、本发明提供的用于铁路交通的车辆定位系统，将信号通道电路、fpga和cpu安装于一控制板卡中，只需更新控制板卡及相应软件即可实现定位功能，需要维护更新的设备和软件少，安装方便且开发维护方便。
附图说明
图1为本发明提供的车辆定位系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。
本发明提供了一种用于铁路交通的车辆定位系统，如图1所示，该车辆定位系统包括：信标模块1、天线模块2、信号通道电路3、模拟数字(ad)采样电路4、fpga5和cpu6。
信标模块1接收车辆沿着行进轨道行进过程中的车辆的报文信息；天线模块2设置于车辆上，且天线模块2的输入端与信标模块1的输出端连接，采集信标模块1的报文信息，将报文信息转化为车辆的数字频率调制(frequencyshiftkeying,fsk)信号。
在本实施例中，车辆的报文信息是一种信号能量，越靠近车辆的中心位置，信标模块1接收到的信号能量越强，则天线模块2相应产生的fsk信号的幅值越大。
信号通道电路3的第一输入端与天线模块2的输出端连接，对fsk信号进行信号处理，获得处理后的fsk信号；ad采样电路4的输入端与信号通道电路3的输出端连接，对处理后的fsk信号进行ad转换，获得数字信号；其中，处理后的fsk信号为模拟信号，需要通过ad采样电路4进行ad转换，转换为数字信号。
信标模块1和天线模块2之间的高度不一致，天线模块2产生的fsk信号的幅值的差距大，在本实施例中，ad采样电路4选用输入信号幅度大的型号的adc，以获取大的幅度差距大的fsk信号，减小其余的干扰信号对幅值差距小的fsk信号的影响；在本实施例中，数字信号为数字量为12位的数字信号。
fpga5的第一输入端与ad采样电路4的输出端连接，对数字信号进行寻峰计算，获得峰值时间。
其中，fpga5包括：读取模块501、门限比较模块502和寻峰模块503；读取模块501的第一输入端与ad采样电路4的输出端连接，对数字信号进行读取变更，获得信标能量值；门限比较模块502的输入端与读取模块501的输出端连接，对信标能量值与其内设的门限阈值进行比较；当信标能量值大于门限值，则将信标能量值传输至寻峰模块503；当信标能量值不大于门限值，则停止计算；寻峰模块503的输入端与门限比较模块502的输出端连接，对大于门限值的信标能量值进行寻峰计算，获得信标能量值最高的时间即为车辆经过信标位置的时间，即为峰值时间。
在本实施例中，读取模块501间隔固定的时间持续接收ad采样电路4的数字量为12位的数字信号，将二进制数的数字信号转变为十进制数的信标能量值。
cpu6的输入端与fpga5中寻峰模块503的第一输出端连接，根据峰值时间，对车辆进行识别定位，获得车辆的信标位置，完成车辆的信标定位。
该车辆定位系统还包括自检模块7；自检模块7的输入端与fpga5的中寻峰模块503的第二输出端连接，自检模块7的输出端与信号通道电路3中的第二输入端连接；且cpu6的输出端与fpga5中读取模块501的第二输入端连接，使得cpu6、fpga5、自检模块7、信号通道电路3、ad采样电路4、fpga5和cpu6构成一自检回路。
其中，自检回路中cpu6发出自检信号；fpga5根据cpu6发出的自检信号，生成检测数字信号；自检模块7对检测数字信号进行数字处理，获得检测模拟信号；信号通道电路3对检测模拟信号进行信号处理，获得处理后的检测模拟信号；ad采样电路4对处理后的检测模拟信号进行ad转换，获得自检数字信号；fpga5对自检数字信号进行寻峰处理，获得自检能量值；cpu6将自检能量值与内设的能量阈值进行比对，完成该车辆定位系统的系统自检。
在本实施例中，自检模块7为da转换器，对频率固定的检测数字信号进行转换，获得检测模拟信号。
其中，信号通道电路3包括：衰减网络301、电子开关302和低通滤波器303；衰减网络301的输入端与天线模块2的输出端连接，对fsk信号进行幅度控制，并生成幅度控制的fsk信号，以保证幅度控制的fsk信号在后续的ad采样电路4中不会产生多余的饱和信号；电子开关302的第一输入端与衰减网络301的输出端连接，第二输入端与自检模块7的输出端连接，根据幅度控制的fsk信号或自检模块7的检测模拟信号选择车辆定位电路或系统自检电路；低通滤波器303的输入端与电子开关302的输出端连接，输出端与ad采样电路4的输入端连接，对幅度控制的fsk信号或检测模拟信号进行降噪，以过滤信号频谱高于4mhz的杂波，获得处理后的fsk信号或处理后的检测模拟信号。
本发明还提供了一种用于铁路交通的车辆定位方法，该车辆定位方法是基于一种用于铁路交通的车辆定位系统实现的，该车辆定位方法包括以下步骤：
步骤1：信标模块1在车辆沿着行进轨道行进过程中，接收车辆的报文信息；
步骤2：天线模块2采集车辆的报文信息，并转化为车辆的fsk信号；
步骤3：将fsk信号传输至信号通道电路3进行信号处理，获得处理后的fsk信号；其中，信号处理还包括以下步骤：
步骤3.1：将fsk信号传输至衰减网络301进行幅度控制，并生成幅度控制的fsk信号，以保证幅度控制的fsk信号在后续的ad采样电路4中不会产生多余的饱和信号；
步骤3.2：将幅度控制的fsk信号传输至电子开关302，并根据幅度控制的fsk信号选择车辆定位电路；
步骤3.3：将幅度控制的fsk信号传输至低通滤波器303进行降噪，以过滤信号频谱高于4mhz的杂波，获得处理后的fsk信号。
步骤4：将处理后的fsk信号传输至ad采样电路4进行ad转换，获得数字信号；其中，处理后的fsk信号为模拟信号，需要通过ad采样电路4进行ad转换，转换为数字信号；
步骤5：将数字信号传输至fpga5进行寻峰计算，获得峰值时间；其中，寻峰计算还包括以下步骤：
步骤5.1：将数字信号传输至读取模块501进行读取变更，获得信标能量值；在本实施例中，读取模块501间隔固定的时间持续接收ad采样电路4的数字量为12位的数字信号，将二进制数的数字信号转变为十进制数的信标能量值；
步骤5.2：将信标能量值传输至门限比较模块502，与门限比较模块502内设的门限阈值进行比较；
步骤5.3：当信标能量值不大于门限值，则停止计算；当信标能量值大于门限值，则将信标能量值传输至寻峰模块503，对大于门限值的信标能量值进行寻峰计算，获得信标能量值最高的时间即为车辆经过信标位置的时间，即为峰值时间。
步骤6：将峰值时间传输至cpu6，cpu6根据峰值时间，对车辆进行识别定位，获得车辆的信标位置，完成车辆的信标定位。
该车辆定位方法还包括通过由cpu6、fpga5、自检模块7、信号通道电路3、ad采样电路4、fpga5和cpu6构成的自检回路，对该车辆定位系统进行系统自检；具体包括：自检回路中cpu6发出自检信号；fpga5根据cpu6发出的自检信号，生成检测数字信号；自检模块7对检测数字信号进行数字处理，获得检测模拟信号；信号通道电路3中的电子开关302接收到检测模拟信号，选择系统自检电路，并通过低通滤波器303对检测模拟信号进行信号处理，获得处理后的检测模拟信号；ad采样电路4对处理后的检测模拟信号进行ad转换，获得自检数字信号；fpga5对自检数字信号进行寻峰处理，获得自检能量值；cpu6将自检能量值与内设的能量阈值进行比对，完成该车辆定位系统的系统自检。
本发明的工作原理：
天线模块在车辆沿着行进轨道行进过程中，接收车辆的报文信息；将车辆的报文信息传输至信标模块，转化为车辆的fsk信号；将fsk信号传输至信号通道电路进行信号处理，获得处理后的fsk信号；将处理后的fsk信号传输至ad采样电路进行ad转换，获得数字信号；将数字信号传输至fpga进行寻峰计算，获得峰值时间；将峰值时间传输至cpu，cpu根据峰值时间，对车辆进行识别定位，获得车辆的信标位置，完成车辆的信标定位。
综上所述，本发明一种用于铁路交通的车辆定位系统及其方法，解决了传统铁路交通的定位技术安装复杂且定位精度低的问题，通过车辆携带的天线设备读取轨道沿途信标的fsk信号，以定位信标中心点，通过计算获得车辆的位置信息，完成了车辆定位，提高了定位精度、安装和开发维护更方便，造价低廉。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
1.一种用于铁路交通的车辆定位系统，其特征在于，包括：
信标模块，接收车辆的报文信息；
天线模块，输入端与所述信标模块的输出端连接，采集所述报文信息，获得车辆的fsk信号；
信号通道电路，第一输入端与所述天线模块的输出端连接，对所述fsk信号进行信号处理，获得处理后的fsk信号；
ad采样电路，输入端与所述信号通道电路的输出端连接，对所述处理后的fsk信号进行ad转换，获得数字信号；
fpga，第一输入端与所述ad采样电路的输出端连接，对所述数字信号进行寻峰计算，获得峰值时间；
cpu，输入端与所述fpga的第一输出端连接，根据所述峰值时间，对车辆进行识别定位，获得车辆的信标位置，完成车辆定位。
2.如权利要求1所述的用于铁路交通的车辆定位系统，其特征在于，该车辆定位系统还包括自检模块；所述自检模块的输入端与所述fpga的第二输出端连接，其输出端与所述信号通道电路的第二输入端连接，且所述cpu的输出端与所述fpga的第二输入端连接，使得所述cpu、所述fpga、所述自检模块、所述信号通道电路、所述ad采样电路、所述fpga和所述cpu构成一自检回路，对该车辆定位系统进行自检。
3.如权利要求2所述的用于铁路交通的车辆定位系统，其特征在于，所述信号通道电路包括：
衰减网络，输入端与所述天线模块的输出端连接，对所述fsk信号进行幅度控制，并生成幅度控制的fsk信号；
电子开关，第一输入端与所述衰减网络的输出端连接，第二输入端与所述自检模块的输出端连接，根据幅度控制的fsk信号或所述自检模块生成的检测模拟信号，选择车辆定位电路或系统自检电路；
低通滤波器，输入端与所述电子开关的输出端连接，对所述幅度控制的fsk信号或所述检测模拟信号进行降噪，获得处理后的fsk信号或处理后的检测模拟信号。
4.如权利要求1所述的用于铁路交通的车辆定位系统，其特征在于，所述fpga包括：
读取模块，第一输入端与所述ad采样电路的输出端连接，对所述数字信号进行读取变更，获得信标能量值；
门限比较模块，输入端与所述读取模块的输出端连接，将所述信标能量值与其内设的门限阈值进行比较；当所述信标能量值大于所述门限值，则将所述信标能量值传输至寻峰模块；当所述信标能量值不大于所述门限值，则停止计算；
寻峰模块，输入端与所述门限比较模块的输出端连接，对大于门限值的信标能量值进行寻峰计算，获得所述峰值时间。
5.如权利要求1所述的用于铁路交通的车辆定位系统，其特征在于，所述天线模块为车辆自身携带的天线设备。
6.一种用于铁路交通的车辆定位方法，其特征在于，该车辆定位方法是基于权利要求1-5项中任意一项所述的用于铁路交通的车辆定位系统实现的，该车辆定位方法包括以下步骤：
步骤1：信标模块接收车辆的报文信息；
步骤2：天线模块采集所述报文信息，并转化为车辆的fsk信号；
步骤3：将所述fsk信号传输至信号通道电路进行信号处理，获得处理后的fsk信号；
步骤4：将所述处理后的fsk信号传输至ad采样电路进行ad转换，获得数字信号；
步骤5：将所述数字信号传输至fpga进行寻峰计算，获得峰值时间；
步骤6：将所述峰值时间传输至cpu，所述cpu根据峰值时间，对车辆进行识别定位，获得车辆的信标位置，完成车辆的信标定位。
7.如权利要求6所述的用于铁路交通的车辆定位系统，其特征在于，所述信号处理还包括以下步骤：
步骤3.1：将所述fsk信号传输至衰减网络，进行幅度控制，并生成幅度控制的fsk信号；
步骤3.2：将所述幅度控制的fsk信号传输至电子开关，并根据所述幅度控制的fsk信号选择车辆定位电路；
步骤3.3：将所述幅度控制的fsk信号传输至低通滤波器进行降噪，获得所述处理后的fsk信号。
8.如权利要求6所述的用于铁路交通的车辆定位系统，其特征在于，所述寻峰计算还包括以下步骤：
步骤5.1：将所述数字信号传输至读取模块进行读取变更，获得信标能量值；
步骤5.2：将所述信标能量值传输至门限比较模块，与所述门限比较模块内设的门限阈值进行比较；
步骤5.3：当所述信标能量值不大于所述门限值，则停止计算；当所述信标能量值大于所述门限值，则将所述信标能量值传输至寻峰模块，对大于门限值的信标能量值进行寻峰计算，获得所述峰值时间。
9.如权利要求6所述的用于铁路交通的车辆定位系统，其特征在于，该车辆定位方法还包括通过由所述cpu、所述fpga、所述自检模块、所述信号通道电路、所述ad采样电路、所述fpga和所述cpu构成的自检回路，对该车辆定位系统进行系统自检。
10.如权利要求9所述的用于铁路交通的车辆定位系统，其特征在于，所述系统自检还包括以下步骤：
所述cpu发出自检信号；
所述fpga根据所述自检信号，生成检测数字信号；
所述自检模块对所述检测数字信号进行数字处理，获得检测模拟信号；所述信号通道电路中的电子开关根据所述检测模拟信号，选择系统自检电路，并对所述检测模拟信号进行信号处理，获得处理后的检测模拟信号；所述ad采样电路对所述处理后的检测模拟信号进行ad转换，获得自检数字信号；
所述fpga对所述自检数字信号进行寻峰处理，获得自检能量值；
所述cpu将所述自检能量值与内设的能量阈值进行比对，判定该车辆定位系统完成该车辆定位系统的系统自检。
技术总结