20116831周翼(列車定位技術與高速列車組合定位系統(tǒng)分析)

1、城市軌道智能交通控制作業(yè)城市軌道交通作業(yè)列車定位技術與高速列車組合定位系統(tǒng)分析學 號: 20116831姓 名: 周翼二零一四年四月【內容摘要】：簡單介紹了列車定位技術定義和幾種列車定位技術的主要方法，并從定位精度、閉塞制式、維護投資成本、抗干擾等方面進行分析比較。提出組合定位系統(tǒng)，并根據(jù)現(xiàn)高速鐵路的要求進行分析。 關鍵字 ：列車定位，性能比較，定位方法，高速鐵路， 獲得列車物理位置信息，即確定車輛在地球表面上的坐標，簡稱為列車定位。及時準確地獲取列車物理位置，才能確保列車安全有效運行。因此，通過列車定位，可以更加有效地提高行車的安全和效率，使行車調度與控制實現(xiàn)全新智能化模式成為可能。因此列車

2、定位應提供準確、實時的列車位置信息，并具有以下功能1）能夠為列車控制系統(tǒng)隨時隨地提供準確的位置和實時速度信息，保證前后列車的安全間隔；2）縮短前后追蹤列車的間隔時間，提高區(qū)間列車運行速度；3）通過列車定位可獲得列車運行狀態(tài)的基礎信息，從而便于實現(xiàn)列控系統(tǒng)的車載及軌旁設備的故障分析；4）依據(jù)列車超速防護子系統(tǒng)的速度模式曲線，實現(xiàn)列車的定點停車及超速防護；5）為列車安全運行提供關鍵的數(shù)據(jù)，從而使ATC 系統(tǒng)功能實現(xiàn)成為可能。列車定位的主要方法軌道電路定位法傳統(tǒng)的軌道電路定位法是利用鐵路線路的2 根鋼軌作為導體，兩端加以機械絕緣（或電氣絕緣），并接上送電和受電設備所構成的電路。軌道電路就是檢測軌道區(qū)

3、段是否有列車占用，來實現(xiàn)列車的定位。目前廣泛采用S 型連接棒音頻無絕緣軌道電路，即采用電氣絕緣實現(xiàn)區(qū)段的劃分實現(xiàn)列車定位。地面應答器法地面應答器也稱為信標， 地面應答器與車載應答器，軌旁電子單元配合使用來實現(xiàn)列車定位。地面應答器主要分為有源和無源2 種。應答器安裝在站內或每個軌道分區(qū)等軌道沿線，應答器無需與任何設備相連，其內部寄存器的數(shù)據(jù)已固定。當列車通過時，地面應答器與車載的相應設備對準，車載設備以電磁感應的原理以一定的頻率傳遞給地面應答器相應信號， 應答器接收到車載設備傳送的信號后開始工作通常利用移頻鍵控方式將列車當前的絕對點物理位置信息回傳至列車。車載設備會使列車定位信息再次刷新，得到新

4、的列車位置起點。交叉電纜回線定位法交叉電纜回線定位是使用電纜按一定間隔繞制成一個環(huán)路設于軌道上。其設備的布置方式：在2 根基本軌之間鋪設交叉電纜回線，一條線安裝在基本軌間的到床上，另一條線安裝在鋼軌的頸部底端， 兩條線每隔相應距離作一次交叉。當列車通過每一個電纜交叉點時，車載設備感應接收到交叉電纜回線提供的相應信號變化信息，并由車載計算機進行處理，從而確定列車的物理坐標信息，使車載設備對列車位置信息刷新。測速定位法測速定位法是先測得列車運行的即時速度，對其進行積分即得列車運行距離，從而實現(xiàn)列車的定位。目前測速的方法很多,一類是利用輪軸旋轉信息的測速方法,具體主要為測速電機和脈沖轉速傳感器方式；

5、另一類是利用無線通信方法,直接測出列車運行的速度,具體包括多普勒雷達測速、GPS 測速定位和無線擴頻定位。除以上述定位方法外，軌道交通中還應用其他一些定位技術，例如：計軸器定位、慣性列車定位系統(tǒng)定位、航位推算系統(tǒng)定位、地圖匹配定位、裂縫波導定位、無線移動通信技術定位等。列車定位技術的選擇與比較閉塞制式的分析軌道交通列車運行控制系統(tǒng)采用3 種閉塞制式：固定閉塞，準移動閉塞和移動閉塞。在軌道交通中，不同的閉塞制式對于列車定位技術的采用是有取舍的。1）軌道電路定位法無法確定列車在閉塞分區(qū)內的具體位置，因此列車實施制動的起點和終點總在分區(qū)的邊界，在確保安全的前提下，需設防護區(qū)段，加大了列車間的間隔，使

6、區(qū)間通過能力的提高受到限制。該定位法定位的精度較低，無法構成移動閉塞。2）地面應答器法也是較典型的準移動閉塞定位技術。3）交叉電纜回線定位法可以實現(xiàn)移動閉塞，是目前行業(yè)內比較先進的控制技術。4）利用測速原理的無線擴頻定位技術也可實現(xiàn)移動閉塞。該方式的定位原理與輪軸測速不同，是利用電臺間相互傳輸信號實現(xiàn)定位。設備投資成本分析1）軌道電路定位法由于可以利用現(xiàn)有設備不需要再投資，因而費用較低，而且該方法即可實現(xiàn)列車定位，也可以檢測線路是否完好，能實現(xiàn)故障安全原則。2）GPS 定位法的設備投資也較小。只要在列車兩端安裝GPS 接收機和差分誤差信息接收器，接收器導航定位衛(wèi)星發(fā)送來的信息，通過測量衛(wèi)星信號

7、發(fā)射與接收的時間差，得到衛(wèi)星至地面的距離，就可確定列車的坐標位置。3）交叉電纜回線定位法實現(xiàn)時只需在線間鋪設電纜環(huán)線，因此成本較低。4）無線擴頻定位技術由于設備相對復雜，需要在區(qū)段沿線設置用于測距的專用擴頻基站和中心控制站，投資成本較高。5）利用設置地面信標，可以消除測速設備帶來的累計誤差，通過地面信標與測速設備配合實現(xiàn)定位，投資相對較小。 維護費用分析1）軌道電路法在實現(xiàn)列車定位功能時，由于存在送電和受電設備，因而軌旁設備數(shù)量較大，維護工作量也相應較大。2）GPS 定位法實現(xiàn)列車定位時，不設地面設備，只需在車列上安裝接收機即可，因此大量的安裝及維護費用得到節(jié)約。3）地面應答器定位法由于設備簡

8、單，維護及運行費用也較低。抗干擾性能分析1）軌道電路定位法因為軌道電路的工作條件和設備的特殊性，使其抗干擾性較差。軌道電路易受振動、天氣、環(huán)境和車輛輪對潔凈程度的影響,比如雨天、下雪天會導致軌道電路分路不良。牽引電流和道砟阻抗變化等因素也會對其造成干擾。2）GPS 衛(wèi)星定位也易受到障礙物干擾，在軌道線路周圍阻擋物較多的地方易形成盲區(qū)，惡劣的天氣對其性能影響也較大，使定位精度下降，另外該方式又受制于衛(wèi)星和空間站的設備性能情況。3）交叉電纜回線定位法利用極性交叉的原理實現(xiàn)，因此可以抗牽引電流的干擾。4）地面應答器法抗干擾性也較強，能適應惡劣氣候條件，可以在任何環(huán)境、地點，甚至GPS 無法實現(xiàn)定位的

9、位置，都可以可靠工作。5）無線擴頻定位法由于為獨立系統(tǒng)，不易受其他因素干擾，因此定位比較精確。定位精度分析1）軌道電路法只能實現(xiàn)分區(qū)內的邊界定位，因此定位精度不高，為了實現(xiàn)較精確的定位，可以與測速設備配合使用。計軸器定位法與軌道電路法相近，定位精度也不高，通常也需與測速裝置相結合實現(xiàn)列車定位。2）地面應答器法是點式定位，相對附近區(qū)域定位精度較高。但如果實現(xiàn)各連續(xù)點的定位，則必須縮小應答器設置的間距，加大應答器的設置數(shù)量提高定位的精度。3）GPS 衛(wèi)星定位屬于相對運動狀態(tài)下工作，定位的精度則受到限制，但只要GPS 信號可用，就可以提供列車的絕對位置信息， 即使是在較遠的距離利用其載波相位進行定位

10、，精度也會較高，時間的積累不影響誤差值。使用差分定位方法，定位精度可以達到3 m 左右。4）交叉電纜回線定位累計誤差較大，定位精度與交叉區(qū)長度設置形成一對矛盾，因此提高定位精度難度較大。5）在通過測速定位的方法中，無線擴頻定位技術定位比較精確，對列車定位的精度可達5 m 范圍內的誤差，信息傳輸?shù)臅r間間隔也較小，具有在較差的電磁條件下可靠傳輸數(shù)據(jù)的能力。而測量車輪轉速定位法因車輪磨損導致的累計誤差較大，因而在定位精度要求不高的情況，可以用增加地面信標的方法補償校正。除從以上方面進行比較外，還可以從以下方面進行比較：1）采集定位信息是否連續(xù)，定位信息的特點分為：點式信息和連續(xù)式信息， 其中地面應答

11、器采集的就是點式信息，GPS 列車定位的信息則是連續(xù)的。2）定位設備的安裝位置可分為軌旁定位和車載定位2種。軌旁定位方式目前主要有軌道電路法、計軸器法、查詢應答器法、交叉感應回線法、無線擴頻法等；車載定位方式主要有是在輪軸上安裝里程儀或者脈沖轉速傳感器實現(xiàn)列車的定位。3）與軌道是否接觸，由于軌道交通運營模式存在車體運行中與軌道是否接觸的區(qū)別， 在定位技術上也有差別。與輪軌交通方式對比分析，磁懸浮交通對列車定位提出了特殊的要求。其中車輪轉速方法定位無法實現(xiàn)，只能用無線方式。由于磁懸浮列車速度較高，則對定位的相關參數(shù)要求更高。目前磁懸浮列車定位的方法主要有：交叉電纜回線定位、傳感器定位、微波定位。

12、4）定位技術實現(xiàn)的難易程度，定位方法中交叉電纜回線定位法實現(xiàn)比較簡單。5）線路是否封閉，如果軌道交通線路是封閉的，那么列控系統(tǒng)要求定位信息必須是絕對位置信息，才能滿足控制要求。組合控制隨著通信和計算機技術的發(fā)展，出現(xiàn)了很多新型定位技術并已運用。在列車定位技術的選擇與比較中不難發(fā)現(xiàn)，只利用一種定位方法很難在定位精度、成本、可靠性等方面得到均衡，而且從故障安全方面考慮，也不能保證系統(tǒng)的安全可靠性。因此，目前在列車運行控制系統(tǒng)中定位往往是綜合運用，將多種方法融合，互補，使之能滿足列車運行控制系統(tǒng)安全運行要求。高速鐵路列車定位新需求 高鐵列車運行速度快，行車密度高，前后追蹤列車空間間隔距離短，列控系統(tǒng)

13、需要對列車在線路上運行的位置進行精確測定，以便給列車提供正確的控制信息。傳統(tǒng)列控系統(tǒng)采用固定閉塞方式控制列車運行，依靠軌道電路檢測列車在線路中所處的位置，以此為后續(xù)列車提供行車許可條件。隨著列車速度的不斷提高和行車間隔的進一步縮小，軌道電路提供的離散位置信息無法有效保證行車安全。列控系統(tǒng)需要依靠新的設備測定列車實時位置，為列控系統(tǒng)提供連續(xù)的、精確的列車位置信息，以便進一步縮短行車間隔，實現(xiàn)移動閉塞。高鐵列車定位需求特點如下：（1）連續(xù)性。列車高速運行時，其空間位移變化很快，列控系統(tǒng)需要實時掌握每列車的位置坐標，以便為后續(xù)列車提供正確的行車許可。因此列車位置的檢測應具有連續(xù)性，在列車運行的全過程

14、中能隨時掌握列車的具體位置，包括在隧道或山谷等無線電波盲區(qū)，也能進行連續(xù)定位。（2）精確性。列車位置是生成行車許可的必要條件，檢測結果的精確度直接影響列控系統(tǒng)能否正確控制列車運行。在保證安全的前提下，定位設備測得的列車位置誤差越小越好。（3）低成本。高鐵造價高昂，設備成本要占其大半。因此，運用于高鐵的定位設備應考慮其投資和維護成本，以降低總體造價。（4）受干擾小。對高速列車進行連續(xù)定位的過程中，受惡劣天氣和外界電磁波的影響，設備測量結果往往會產生誤差，甚至失去作用。因此，選用的定位設備需具有抗干擾、適應環(huán)境變化的能力 幾種常用定位方法比較定位技術是否連續(xù)定位定位精度投資成本維護成本機動性能主要

15、優(yōu)點主要缺點軌道電路否差高高差簡單，成熟，安全可靠傳輸信息量小，不能連續(xù)定位，機動性差，維護量大應答器否高高高差傳輸信息量大，提供絕對位置信息，輔助定位性能好只能給出點式信息，布設數(shù)量大，投資與維護成本高計軸定位否差高高差簡單可靠、環(huán)境適應能力強，輔助定位性能好定位精度差，投資與維護成本高衛(wèi)星定位是高低低好性能穩(wěn)定，不受干擾，投資成本低受遮擋地區(qū)無法定位，受外國控制，需要其他方法輔助無線定位是低高高好既可作為通信手段，又可測定列車位置需要大量軌旁設備，存在信號盲區(qū)，可靠性需要提高軌道感應環(huán)線否差高高差簡單，抗干擾性能好，定位分辨率可達6.25 m定位精度受交叉區(qū)長度影響，高速環(huán)境下適應性差里程

16、計是較高較高低好簡單，高速時測量精度更高，受環(huán)境影響小依賴車輪轉動，發(fā)生打滑、空轉時，誤差易累積 組合定位方式性能分析針對高速列車定位問題，使用單一測量設備測量信號比較容易處理，但均存在一定缺點。為了更好地得到列車位置信息，將兩種或多種不同的定位方法結合起來，相互彌補，揚長補短。多種測量設備組合使用時，需要采用多傳感器數(shù)據(jù)融合處理技術，將不同通道獲取的測量信息進行濾波和校正，消除測量誤差，得到相對更加精確的列車位置信息。 GPS/INS/MM組合定位系統(tǒng)分析 GPS/INS/MM組合定位系統(tǒng)利用基于網(wǎng)絡實時動態(tài)測量技術（RTK）的快速差分算法來減小定位誤差，對GPS測量的列車位置、速度、加速度

17、等信息進行修正。將高精度的衛(wèi)星測量結果不斷修正與INS的測量誤差，同時與MM匹配結果進行校正，將測量誤差降到最小，從而獲得更加精確可靠的列車位置信息。當GPS信號丟失時，組合處理器采用卡爾曼濾波算法，對INS和MM數(shù)據(jù)進行融合處理，將GPS失效前測得的數(shù)據(jù)作為參考進行校正，使系統(tǒng)能夠不間斷地輸出精確的列車位置信息，保證定位的安全可靠性。優(yōu)點：INS的高頻輸出彌補了GPS低頻測量的不足和衛(wèi)星信號受遮擋時無法準確定位的缺陷，測量精度有了較大提高。同時，依靠GPS的測量結果，能及時消除慣性單元的測量誤差，機動靈活，環(huán)境適應能力好。當GPS信號丟失時，組合系統(tǒng)切換到以INS為主的工作模式，利用先進的濾

18、波算法融合測量信息，保持系統(tǒng)連續(xù)定位。當INS出現(xiàn)故障時，組合系統(tǒng)切換至以GPS為主的工作模式，接續(xù)組合系統(tǒng)輸出，保證系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地進行定位導航。缺點：過于依賴衛(wèi)星定位精度，如果慣性導航單元累積誤差很大時，反而會降低組合系統(tǒng)定位精度。此外，當GPS和INS同時故障時，系統(tǒng)將無法工作，列車被迫采取制動停車或降速慢行的方式來保證安全。與此同時，從戰(zhàn)略角度考慮，無論是采用GPS還是GNSS，其使用權限均有可能受到限制，理論上都存在一定的不可靠因素。而高鐵一旦投入使用，將是重要的戰(zhàn)略資源，尤其是在關鍵時刻，如果出現(xiàn)問題，將造成不可估量的后果。適用于我國300 km/h以上高鐵列車的定位技術高鐵作為現(xiàn)代

19、化的智能系統(tǒng)，有著極其苛刻的控制要求，列車速度越快，控制系統(tǒng)反應速度、控制精確度、穩(wěn)定性、安全可靠性等要求就越高。因此準確定位相結合，設計穩(wěn)定的控制方法和高效、可靠的智能算法，才能保證定位系統(tǒng)安全、可靠的工作。隨著我國科技事業(yè)的發(fā)展，由我國自主研制的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（CNSS）目前已正式開始提供服務。因此，無論從定位精度、設備投資、系統(tǒng)穩(wěn)定性、維護成本、機動性和抗干擾性等方面分析，以CNSS為核心的組合導航系統(tǒng)將是我國高鐵定位技術進一步發(fā)展的新趨勢。C N S S 由空間端、地面端和用戶端3 部分組成，分開放和授權2種服務類型。開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度10 m，測

20、速精度0.2 m/s，授時精度10 ns。授權服務為有高精度、高可靠衛(wèi)星導航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務，以及系統(tǒng)完好性信息；同時，其三維定位精度約幾十米，授時精度約100 ns，其總體性能優(yōu)于GNSS系統(tǒng)。作為高鐵定位系統(tǒng)，應選擇使用授權服務作為可靠定位和實時通信的保障。基于CNSS的列車定位導航系統(tǒng)以CNSS定位信息輸出為主，綜合利用測速傳感器、應答器、電子地圖，構成一個全方位立體多信息冗余的定位導航系統(tǒng)。當衛(wèi)星信息受遮擋時，利用測速傳感器和應答器來確定列車位置；當測速傳感器故障時，利用衛(wèi)星定位與電子地圖相結合，給列控系統(tǒng)提供精確的列車位置信息。 CNSS組合定位系統(tǒng)優(yōu)點 以CNSS為核心的組合定位導航系統(tǒng)不僅能連續(xù)定位列車，而且始終能夠輸出高精度的定位信息。系統(tǒng)設計采用多冗余方式，大大提高了定位的可靠性。此外，系統(tǒng)還有以下優(yōu)勢：（1）充分考慮對我國高鐵既有測速定位設備的利用，并將其融入新的組合系統(tǒng)中，減少了測量誤差，提高了定位系統(tǒng)可靠性和定位精度。（2）當CNSS信號缺失時，利用多傳感器信息融合，再用應答器和電子地圖進行校正，有效保證了定位精度，提升了系統(tǒng)的可靠