硕士论文城轨交通车载控制器定位技术的研究

西南交通大学硕士研究生学位论文第III页摘要列轴定位技术是提高列车行车安全级别及运输效賴关键技术。在基于通信的 列车运行控制S统中，车载控制器是车载设备的S心。车载控制器主要负责对列车运 行过程中的各种信息进行综合性的处理、实时的生成目标-距离速度防护曲线、监控列车运行过程，列车定位技术是实现以上功能的基础。本文根据城市轨道交通的特殊环境，设计了组合定位方案，釆臓速测距方法进 行列车定位，测賴酿働工_鍊在辅上_度传雜、多普 勒雷达测iii仪W财随度计计算列车走行过程巾的速度、加速度参数 据这些参数 计算出列_位置。_賴麵_職油应錄雜行位_嫌以减小 走行过程中的误差，走行过程中的误差主要有：轮径的磨损、传感器测量的固有误差、 空转滑行产生的误差等，其中空转滑行产生的误差占主导地位对列车的猶定位影 响较大。论文臓工細猶碰过程巾空細棚、謹应肺酿有重要参考价值。、本文在分析了主要的列车定位技术后，研究了轮轴速度传感器、多普勒雷达测速仪以及加舰諸合臟雜的方案，同时用查询赌器断绝对位置賺核。设计方案通过这几种传感器的测量麵断列车是否发生空转滑行，并对空转滑行引起的误差进行校核，然后再漏校核后的值计算列轴走行距离，完細车测速定位系，。为了进-步提翻糊般位随度，浦細合的方紐赃猶雜巾对二个传感器的测量值进彳谨合处理，得到全局最优速度彳时值并根据这些速度信息估计值算出辭陳置。论文最后仿真实现了醉麵碰雑，信麵合的处理，达到预期目标。关键词车载控制器；测速定位；空转滑行；检测校核AbstractTrain location is the key technology to improve the level of train traffic safety and transport efficiency. In the CBTC, VOBC is the core of vehicle equipment. VOBC can process comprehensively diverse informations of train movement, and production goals - protection from the speed curve real-time, monitoring the operation of the train. All this is inseparable from the train location technology.According to the special circumstances of urban rail transit, integrated positioning solutions designed,The method of speed and location detection is using in train location.Its working principle is to use axle velocity sensor, radar speed device, acceleration spectrum which are installed in the vehicle to calculate speed and acceleration parameters during the operation of the train. Calculate the location of the train based on these parameters. While taking advantage of wayside equipment responder to check the absolute position with reduce the error of running. Error in the train operation are:wheel wear, sensor measurement error, error of spin and slide, the most important reason is error of spin and slide, It is influenced the location of the train. The work which checked spin and slide in the process of measure speed and location of this paper have important value referenceIn this paper, a method that measure speed and position by a compound mode of axle velocity sensor, radar speed device, acceleration spectrum has been put forward after researched many train positioning technology, meanwhile eliminate error of position by the balise. The key point of this design is to detect have spin or slide by the Several sensors measurements and the check of spin or slide, Then according the measurement value to calculate tiie distance of train run,completion of the measure speed and position system. In order to improve the location accuracy of the train further，will use the method of information fusion in the location and get the speed estimates of the optimum from the measurements of the three sensor fusion,and to calculate the location of the train based on these estimates. Finally simulation the speed and location detection system，the processing speed of information fusion and to achieve the desired objectives.key words VOBC;speed and location;spin and slide;detect;check目 录第1章绪论11.1研究背景11.2国内外发展现状11.3论文的研究目标及研究内容2第2章列车定位技术42.1基于通信的列车运行控制系统42.2列车定位技术的重要性62.3常用列车定位技术62.4城市轨道交通列车定位系统方案的选择15第3章列车空转滑行的检测校正173.1 173.2列车空转滑行产生的原理分析173.2.1列车空转的产生原理分析173.2.2列车滑行的产生原理分析183.3列车空转滑行的检测及校正193.3.1单测速方式的空转滑行检测193.3.2多测速方式空转滑行的检测213.3.3空转滑行的校正方法263.4列车空转滑行的控制策略26第4章列车组合定位技术研究284.1 臓284.2 信息融合的基本理论及其在列车定位中的应用284.2.1 信息融合理论简介284.2.2 信息融合技术在列车定位中的应用294.3 列车定位系统运动模型及观测方程304.3.1 列车运动模型的选取304.3.2 列车运动过程状态方程的建立314.3.3 各传感器的量测方程32西南交通大学硕士研究生学位论文第10页4.4 基于Kalman滤波的列车定位系统算法设计334.4.1 联邦Kalman滤波器334.4.2 基于联邦Kalman滤波的列车定位设计36第5章列车定位系统的仿真实现385.1 列车定位系统总体方案385.1.1 列车定位系统的硬件框图385.1.2 列车定位系统的软件流程385.2 列车定位系统各模块算法395.3 列车定位系统仿真实现43 49论文所做的工作49结论与展望49IJC M51参考文献52第1章绪论1.1研究背景随着经济社会的发展和城市人口城市规模的扩大，交通问题日益严峻，如交通拥 堵、事故频繁发生、尾气噪声等，交通问题成为了制约城市发展的一个因素，为了缓 解这一系列的压力，城市轨道交通应运而生，它具有速度快、安全可靠、节能环保、 准时舒适等优点。因此城市轨道交通在整个交通系统建设中占有很重要的地位，在北 京上海这些一线城市，未来几年城市轨道交通的总里程将达到一千多公里。城市轨道交通的信号控制技术也由早期的基于轨道电路固定闭塞方式发展到现 在的基于无线通信的列车运行控制技术，固定闭塞方式是将轨道电路划分区段，对这 些区段进行管理，以不能满足现在高密度、高安全的要求。基于通信的列车运行控制 系统CBTC (Communication Based Train Control System)是一种准移动、移动闭塞制式下 的列控系统，它通过高精度的列车定位技术和不间断的车地-通信提供更精确的列车控 制、持续的列车安全分隔和速度防护，使得列车可以在更短的运行间隔内实现安全运 行，提高运输能力。CBTC将成为今后城市轨道交通系统信号控制的主流技术2在基于通信的列车运行控制系统中，车载控制器是车载设备中最主要的模块，主 要负责列车的精确定位、并将位置信息传送给轨旁设备，轨旁设备根据列车的位置信 息以及前方障碍物的信息生成移动授权，由车载控制器根据移动授权实时计算速度防 护曲线，保障列车行车安全，另外车载控制器还负责列车完整性检测及车门监督等。 车载控制器的定位功能在整个的列控系统中占有很重要的地位，列车的移动授权、运 行间隔、安全防护距离、运输效率等都与列车的实时位置有关，因此随着低间隔、高 效率、准时、舒适逐渐成为城市轨道交通的发展目标，对列车的定位精度的要求也会 越来越高。同时，在考虑列车定位精度的同时，系统的可靠性、复杂性、小型化以及定位系 统的价格都应该作为参考因素考虑在内，因此开发和选择良好的列车定位技术，对于 整个列控系统的研究来说具有很重要的意义。1.2国内外发展现状随着科学技术的进步，列车定位技术也在不断的发展，目前较为常见的列车定位 方法有：轨道电路定位、速度传感器测速定位、多普勒雷达测速定位、感应环线定位、 航位推算定位、查询应答器定位、惯性导航定位等。这些定位技术在不同的地方应用 比例也不尽相同，在欧洲北美较为常用的是查询应答器定位、惯性导航定位及GPS定位， 在亚洲地区主要采用传感器测速定位。这些定位方法具有不同的优缺点，定位精度、 成本等也不尽相同。列车定位技术的重要性在于它能够实时提供可靠的列车位置信息， 随着轨道交通技术的快速发展，对列车的定位精度要求越来越高，单一的定位手段已 不能满足这一需要，如何利用一种有效的理论，将多种定位技术组合起来也即组合定 位技术，有效的进行优势互补，以达到较高定位精度和可靠性，成为今后列车定位技 术的发展方向。组合定位就是在一个定位系统中采用多种定位方式，并将这些定位方式测量出的 列车位置参数信息通过一定的数学运算有机的组合在一起，得到精度较高的列车位置 参数。常见的组合定位有：GPS和航位推算组合定位、航位推算和查询应答器的组合 定位、航位推算和GPS和应答器组合定位、多普勒雷达和速度传感器和加速度计及应 答器组合定位等。将列车位置信息有机组合在一起的方法有多种，如空转滑行发生时 按权值分配各传感器的信息量或当空转滑行发生时直接用受空转滑行误差较小的传感 器作为整个系统的测量值，一般常用的是Kalman滤波信息融合的方法，黎巴嫩学者 SamerS.Saab釆用Kalman滤波信息融合对组合定位中的空转滑行检测问题进行处理，用 这种方法对定位信息进行处理，不但能够提高列车定位精度，还使整个系统具有一定 的冗余性，因此在组合定位中应用较为广泛。随着计算机和通信技术的发展，越来越多的高端技术应用于列车运行控制领域， GSM-R、GPS、电子地图等先进的定位技术相继问世，大大提高了列车的定位精度及 安全可靠性，拥有先进科技的列车定位技术必将更好的服务于城市轨道交通运输行业。1.3 论文的研究目标及研究内容 研究目标本文针对车载控制器的定位功能进行研究，分析城市轨道交通常用的定位技术， 设计适合城市轨道交通的列车定位方案。研究列车走行过程中空转滑行的产生机理、 单测速手段和多测速手段空转滑行的检测方法、由于空转滑行带来误差原因和误差校 正的办法等，完成测速测距列车定位系统。然后分析信息融合技术在列车定位中的应 用，采用多传感器信息融合的方法法对各传感器测量值进行融合，优势互补，验证信 息融合技术在列车定位中的有效性，最后对测速测距系统及信息融合处理模块进行仿 真。研究内容在研究目标的基础上，主要研究内容分为五章，具体安排如下：(1)第一章主要分析本文的研究背景、国内外发展现状、意义及目标。(2)第二章对常用的列车定位方法从定位原理方面做一个概括性的介绍，并对基 于通信的列车运行控制系统进行雛，分析城市轨道交通的特殊环境初步设计出本 文的定位方案。第三章先分析_轨道交通空转滑行产生的_，漏原理介绍单测速及组 合定位手段下敝雜赚正方法，重点分析廳度计雜麵離感籠合定位时 空滑的检黯、法、轮繼雜聽够普觀雜合碰时空_誦摊。最后对 除空转滑行其他絲黯酬素脈分析，给出常郷魏翻控制策略。(4) 第四章分析重点分析列车的组合定位技术及信息融合方法在列车定位中的应 用，采用多普勒雷达测速传感器、轮轴速度传感器、加速度计组合定位的方案，然后 肖肖邦Kalman冑難方法社述几种獅翻量酿舰行融合处理。(5) 第五章对列车定位纖进行软件设计仿真，観实现列车走行过程中空转滑 行的检测及对拽浙引起的误差断赃，翻较为_车位置親，并采用 信息融合腿獅各传雜酬量雛碰合处理。艘个碰雜分力五个模块 并对各仿錢誠浦法分析，細各纖麵陳实现界面。第2章列车定位技术2.1基于通信的列车运行控制系统基于通信的列车运行控制系统 CBTC (Communication Based Train Control System) 是指在不依赖轨道电路的情况下，通过高精度的列车定位技术以及连续双向、大容量 的车地通信，实现列车连续自动运行控制的一种系统。但是在这种系统中，通信要求 是连续的，这样才能有效的保障车地通信，实现列车高效安全运行。传统的列车运行控制系统是基于轨道电路的列车控制系统TBTC (Track Circuit Based Train Control),这种传统的列控系统为保障列车的运行安全，提高运输效率等方 面发挥了重要的作用，但是TBTC的信息传输是借助于轨道电路来完成的，分区的占 用情况、完整性检测等靠的也是轨道电路，因此它又有着传输的信息量不足，行车效 率相对较低、安全冗余度不高且轨道电路容易受外界环境的影响等缺点。而CBTC系 统克服了上述缺点，很好的解决了 TBTC列控系统中影响列车安全高效运行的局限因 素。因此，在今后列控系统的发展中，CBTC将会逐步的取代TBTC,成为列车运行控 制系统的发展方向。CBTC摆脱了用轨道电路传输信息、列车占用及完整性检测的束缚，实现了准移 动、移动闭塞。CBTC充分利用了无线通信技术，实时连续的进行车地双向通信，在 列车运行过程中，追踪列车能够及时的掌握前方障碍物的位置信息，通过自身控制系 统的计算，能够给出一个最佳的制动曲线，因而能够提高区间的通过能力，减少多次 制动，提高旅客乘车的舒适度，指导列车按前方限制运营条件行车，列车运行安全大 大提局典型的CBTC系统主要包括地面设备、车载设备和传输子系统等。其中地面设备 主要有区域控制器ZC (Zone Controller)、计算机联锁系统Cl (Computer Interlocking), 列车自动监督系统ATS (Automatic Train Supervision),数据库存储单兀DSU (Database Storage Unit)以及其他系统设备组成。而车载设备主要有车载控制器、车载天线、显示 器、测速设备等组成，具体的结构及工作原理图如图2-1所示18。西南交通大学硕士研究生学位论文第10页图2-1 CBTC原理图在上述结构中，ATS, CI、ZC、DSU等设备通过双重的冗余骨干网络联系在一起 进行麵的传输交换，麵网络主要是依据IEEE802.3协议来进行构建，每辆列车在 车头和车尾部分各有一个车载控制器，两个车载控制器互为冗余。车载控制器的网络 设计也是依据IEEE802.3协议来构建，车腿信采用的是2.4G的无麵信方式，依据是 IEEE802.il 协议p3。其中车载控制器是车载设备的核心，它是最实际的列车运行控制设备，所有跟列车信号安全操作有关的都由其负责。根据生产厂家的不同车载控制器的设计模块也 不一样，有些厂家车载控繼只有车载ATP，有些厂家车雜制器包括车载ATP和车 载ATO，本论文将重点研究辅控輯巾ATP議雜位功能在接下細研究中车载控制器的定位功能和车载ATP的定位功能是指同一意思。车载控制翻碰功雛醉在走行过程巾，通雖雜实咖繼列车速度、 加速度等信息，车载控制器根据这些信息计算出列车走行的位移，从而确定列车的位 置。由于误差_累，需要誠赃酣麵傾的雛当辭通过查询应答 器时能够自动获取应答器醜号，然S根雛个编号細应答器在鎌_库中的位 置，完成列车定位车载控制麵量_轴龍之后廳无腿雛术_位置錄给轨旁的 区域控繼和ATS,区赚糧醒減麵列车位置信整合赚錄计算出追 踪列车的移自授权MA (Movement Authority)并ifiil无线通信T传输给车载控制 器，移动授权是列车在线路上行驶的安全保障，它实现了列车间的安全距离控制，决 定着发车间隔及运输量的大小，因此可以看出列车的位置信息在整个列车运行过程中 起到很关键的作用。车载控制器接收到移动授权后结合当前列车的行驶速度等信息生成速度距离 防护曲线，当列车的运行速度超过了移动授权所要求的速度时，列车将自动采用常规 制动或者是紧急制动的方式让列车减速，使其在非安全点前方停止下来，完成对列车 的速度防护。通过上述对CBTC工作原理的阐述，可以知道双向、大容量的无线通信技术在整 个系统中起到非常关键的作用，一旦车地的传输通道出现故障，地面指挥与车载的传 输通道将中断，对列车的安全运行产生很大的影响，将有可能导致列车的延误运行， 影响行车的效率，情况严重时还会将CBTC切换到降级模式运行，因此无线通信技术 要有很高的可靠性和传输质量。目前的CBTC中，多数系统采用的是基于ffiEE802.ll 标准的无线局域网络(WLAN)作为车地传输信息的媒介，一般常采用交叉冗余的覆盖方 式来提升无线通信技术的安全可靠性，而在无线通信传输受干扰严重的地方还可以使 用漏泄波导管来作为传输信息的媒介。2. 2列车定位技术的重要性列车的定位技术在列车运行控制系统中占据着很重要的地位，它直接关系到列车 的安全运行，影响着轨道交通的运输效率。列车在运行的过程中，需要收到区域控制 中心发来的移动授权，方可继续安全运行，而移动授权的生成跟列车的实时位置有很 大的关系，因此实时准确的计算列车位置是列车安全运行的根本保障。控制中心又根 据列车的实时位置，安排合理的发车间隔。车载设备则是根据列车的实时位置、速度、 加速度等信息生成速度防护曲线，所以精确的测量计算列车位置是实现列车安全运行 的基本保障。在亚洲一般采用测速测距的方法对列车进行定位，而列车的测速测距方 法有很多种，如何采用一种简洁、高效、安全的测速方法成为人们关注的重点，因此， 采用何种方法提高测量精度将有助于推动轨道交通技术的发展。2. 3常用列车定位技术(1)轨道电路定位方案目前，在大铁路上大部分是用轨道电路的方案来进行列车的定位，城市轨道交通 中，也有一些线路还在使用。基于轨道电路的列车定位方案是将轨道电路划分成不同 的轨道区段来实现的，这种方案在每个区段的始端与终端都加上一个发送/接受设备， 构成一个传输信息的闭环回路。当区段处于空闲状态时，信息将由发送器经过闭环回路传送到接收I接權幡将会目麵磁激起。而自醉进入駆S时列车轮对 将闭环回路酿，信餅不能雜馳離翻驗器，雜继电器会動失去磁性 而落下，完成列车区段占用检测及列车定位。如果采用机械性绝缘的轨道电路，需要 将钢轨切断，如果采用电气绝缘，则无需将钢轨切断。在目前的城市轨道交通定位系 统中，采用较多的是用“S棒，音频轨道电路来进行电气隔离，数字音频轨道电路的发射 设备将以差分方式向另一端传送个调制好的信号通过轨道电路，在轨道电路的另 端提取出信号即可【。将发送的信号和接收的信号相比较，以此来判断轨道电路的占有 状态。当列车占有该区段时，列车轮对会将轨道电路短路，接收端的信号电平将会发 生变化，因此可以检测出列车占有该区段。轨道电路定位方案具体工作原理如图2-2所示图2-2轨道电路定位方案轨道电路酬车定位方案，能满足定位的需求，既可以对列车的完整性进行检测 又可以对列车断碰，符合離纖巾鹏細鱗錢酬，从始可靠性来 讲是一种不错關车麵及碰方法。这种旅在实獅藤巾紐轨道电路作为最 小的列车定位单元，安全性较高，但这种定位方案也存在着局限性定位精度不是很高，误差较大。(2) 电子计轴列车定位方案、计轴器定位是一种新型的能够实时检测所防护区段车辆占有和空闲状态的安全设 备，它可以实现列车在区间中的完整性检测及列车定位功能，不仅能够保证列车的运行安全，还可以提高运输效率。计轴器的工作原理是在轨道的轨腰上装有两个轮轴传感器，发麵錄在钢轨的 外侧，接循头装棚細酬，发麵头分肺个电子链關力其提供3GKHz和 29KHz的发送电压，通过磁场的稱合，接收端就能接收到发送牺发送的电压，产生磁 通，当有列车经过时，由于受轮对的屏蔽影响，磁通发生变化，从而检测出列车通过m。 当车轮经过计轴点时，因为磁通的变化产生感应信号，这些信号通过电缆设备传输到 控制中心的运算计算机，运算计算机比较计轴结果，输出列车出清或列车占用的表示实现了列车的完整性检测以及定位功能。显然从其定位功能上綠，職道电路大致棚。但是计轴器自好具备给列车传输信息的功能，列车要想获取自身的位置还需要增加车地通信的设备，如应答器、 CBTC中的通信子系统等。但相比传统的轨道电路来说，计轴器不会受钢轨表面清洁 情况，绝缘节是否破损的影响，不用切割轨道电路，安装绝缘节，而且计轴区段一般 可以达到1020km，安装起来较为方便。具体工作原理如图2-3所示。JJ J，./r- 图2-3计轴器工作原理(3) 列车测速定位方案在上面的两种定位方案中，在区段的始端以及终端将无法判断到列车的位置，列 车定位误差最大可为一个区段的长度，为了比较准确的得到列车的位置信息，在采用 上述两种方法计算列车位置信息时，通常都要引入列车的实时速度，列车的测速定 满足下数学公式：5 = 50 = v(?)x At其中S0 初始位置At-列车速度采用间隔 某个速度采样点上测得列车的实时速度将速度信息引入后，能够大大减少列车的定位误差，目前较为常用的方法是用轮 轴速度传感器测量车轮的转速，然后将其转换为列车的即时速度，此方案虽然在一定 程度上缓解了上面两种方案的始端、终端不能测量的缺点，但也引入了新的误差，因 为列车在运行的过程中会有空转滑行的产生，速度传感器将不能正确的测量到列车的 速度，长时间的磨损会导致车轮半径的减小，在将转速转换成列车速度时会产生误差， 而这种误差将会随着列车走行距离的增加而增加。按照轮径值为285mm来计算的话， 当轮径磨损0.5mm时，列车每走行285m将会产生lm的误差，误差会逐渐的增大， 如果要消除这些误差就需要安装一些查询应答器，每隔一段时间校核一次。还可以在 列车上安装多普勒雷达测速设备，将其和速度传感器组合使用，在论文后续几章的工 作中将会围绕这种定位方案对几种传感器深入研究误差的产生、判断以及消除办法。(4)查询应答器列车定位方案查询应答器通常情况下有地面应答器发送设备、车载接收设备以及轨道旁的电子 单元组成。地面设备中应答器一般都是安装在两根钢轨之间或者是一条钢轨的外面， 车载设备的接收设备安装在与地面应答器相互对应的位置处。应答器分为有源应答器 和无源应答器两种，应用于列车定位的应答器一般是无源的，里面固化好了要传输的 位置信息等，当列车从应答器上面经过时，车载上面的查询应答器将会以电磁感应的 形式将能量传给地面的应答器，地面应答器被激活，将里面存储的位置等参数信息以 一定的方式传送给车载上面的查询设备，车载查询设备再通过解析数据获取到位置信 息。具体工作原理如图2-4所示。图2-4查询应答器工作原里查询应答器可以作为列车定位的辅助设备，也可以用作计轴器等地面设备向车载 传输信息的通道，显然，对这种定位方式来讲列车经过应答器后就能够获得位置参数 信息，提高了列车的定位精度。但是为了提高定位精度地面就需要设置较多的应答器 来进行绝对位置校核，成本较高。查询应答器可以其他的定位方式组合使用，在纽约 的快捷线中就是将测速定位和应答器结合起来，间隔95305m设置一组地面应答器， 即减少了投资成本又提高了列车的定位精度。(1) GPS列车定位方案GPS系统主要由GPS导航卫星、地面的监控检测站以及GPS卫星接收机组成。从 数量上来说GPS系统中总共包括24颗卫星以及管理这些卫星的5个地面工作站，这 24颗卫星分别在6个运行轨道平面上，以保证地球上的任何一点都能被定位到。GPS能够实现全球范围、全天候时间实时连续的导航定位，它属于无线电自动导 航范畴，具有抗干扰能力强，简便快捷，定位工作基本可以在几秒内完成，给用户实 时提供连续动态的三维速度、位置以及时间参数，在现在的民用导航系统中一般定位 精度能够达到10m以内。为了提高用户的定位精度，一般采用差分导航技术，即 DGPS(DifFerential Global Position System), DGPS是釆用引入一个已知位置信息误差的 技术，通过这种技术DGPS的定位精度可以限制在lm以内。这种方法在带来方便快捷、成本较低、便携、定位精度较高等优点的同时也存在 着明显的不足，GPS导航不能区分两个并行的卫星轨道，而且环境的适应能力不是太 好，当被定位的目标周围有很多障碍物如在城市里面、山区里面、森林以及隧道里面， 如果目标定位的接收机接收不到4个以上的卫星定位信号，就不能够很好的对目标就 行定位，因此，若采用卫星导航对列车进行定位的话还需要配合着其他的列车定位方 法来提高列车的定位精度。在列车的定位过程中是将GPS接收机分别安装在列车的头 部和尾部，列车的位置不应与差分台距离太远，否则将会影响列车的定位精确性。全 球导航系统对卫星的故障问题比较敏感，一旦一个导航卫星出现问题，就会使导航性 能恶化，因此不能单一的把GPS的定位位置作为计算移动授权的参数，而且GPS系统 是由美国国防部控制的，不能过分的依赖这个系统。GPS列车定位方案如图2-5所示12。图2-5 GPS列车定位方案(6)交叉感应环线列车定位方案在地面设备中电缆交叉铺设在两根钢轨之间，两根电缆相隔一定的距离就交叉一 次（城市轨道交通一般为25m左右)，行成了一个闭环回路，数据信息就是利用这个闭 环回路传输的。在列车车头的下面装有一个感应线圈，当列车从感应环线上面通过时， 线圈与电缆之间将产生耦合，就能将电缆上的数据利用电磁感应传输到列车上。采用 交叉式铺设的原因是抵抗牵引电流的干扰，提高定位的可靠性，感应环线的定位原理 是列车通过一个环线交叉点时，车载检测设备检测到环线内的信号有相位的变化，并 比较相位的变化次数，信号极性发生变化后，地址码会自动加1，机车的中央控制设备 再通过计算地址码计算出列车当前位置，并对列车测速定位进行修正。感应环线工作 原理如图2-6、2-7所不。图2-7交叉感应环线列车定位原理(7)无线扩频列车定位方案无线扩频列车定位方法是采用比较先进的扩频通信技术，伪码检测技术以及计算 机处理信息等技术，能够实现在复杂的环境中对列车精确跟踪、定位，无线扩频列车 定位是利臟雜备、车躲抓及辅隊馳自相互进浦息传递实麵车定位， 轨旁电台和车站电台的位置是固定的，整个定位系统所删的电台都是经同步时钟处 理过精确同步的，车载计算机和轨旁计算机将根据各个电台信息传输的延时时间，计算出列车的位置。、其工作原理可描述为：麵设备中设置有中心控制站以及各测距分站，列车的头部和尾部分别安装有扩频通信的发射装置，发射装置实时的向地面各分站发射列车定位信息，各测距分站在收到列车位置信息后采用数字信号处理技术算出列车伪距，并将处理结果发送到处理中心进行信息处理，将其定位结果在电子地图中显示出来，用无线通信技术传賴醉上。趟扩縣贼套歡的醉雜雜，定位精度较高，定位原理如图2-8所示。图2-8无线扩频方案原理这种定位方法对地面设备的要求较高，维护起来相对麻烦，但它又不像GPS定位 一样容易受环境的影响，而且扩频基站可以根据线路的实际场景灵活的设置，环境适 应能力较强；扩频定位自身又是一套独立的系统，整个系统对单个基站的依赖性较低， 系统抗瘫痪能力较强；它还是一种连续的绝对位置定位系统，能够实现列车的连续定 位，误差的累积较小。(8)惯性导航列车定位方案基于惯性导航的列车定位系统IPS (Inertial Positioning System)，是利用车载上的 加速度传感器、陀螺仪等惯性元器件测量列车在走行过程中的加速度，再将测量得的 加速度参数通过积分器，计算出列车的速度，位置等信息。惯性导航列车定位系统是 具有自主知识产权的列车定位系统，能够适应各种复杂的场景，可以在较短的时间内 测量得到精度较髙的列车定位参数。但是，在计算列车位置的时候需要对测量得到的加速度积分两次，列车定位的误 差将会随着计算时间的增加而增加，定位误差一般会达到总里程的0.25%U%,因此 单个的惯性导航相对来说定位精度不高，需要结合其他的定位方式组合在一起，如轮 轴速度传感器、GPS以及査询应答器等。定位原理如图2-9所示。图2-9惯性导航定位原理上图中，和少0为计算的坐标起始值，K和为计算的初速度起始值，七和 为测量得的x轴y轴方向加速度值分量。(9)漏泄波导管列车定位方案在轨道的沿线铺设有波导管，波导管的顶端设置有缝隙，传输方式就是通过波导 管缝隙通信来计数，以此来传输列车运行过程中相关参数，也能够通过此方法精确的 计算出列车的位置，漏泄波导管是一种用来链接轨旁和和车载的传输媒介，地面的控 制中心与地面和车载的无线接入点（AP)联系借助于无线通信系统，无线接入点又将 信息通过漏泄波导管传递给车载，列车的车载计算机接收到地面传输上来的信息后， 计算出列车的具体位置，再通过漏泄波导管、无线接入点传输到地面的控制中心，从 而实现列车的实时定位功能。工作原理如图2-10所示。图2-10漏泄波导管定位原理(10)电子地图匹配技术列车定位方案一般情况下采用单个的定位方案已不能满足列车定位精度的要求，而近几年来电 子地图匹配列车定位技术发展较快，定位精度又相对较高，有很多工程人员在设计的 时候也倾向于将电子地图匹配列车定位方案作为一个定位修正方法。电子地图匹配列车定位方案依靠软件技术来进行误差修正的方案，其定位修正原 理是在列车运行过程中将列车由其他定位方案测得的位置信息同电子地图中的信息结 合起来，确定列车在电子地图中的具体位置。一般情况下电子地图匹配定位误差不大 于15m,使用电子地图进行列车定位修正要满足两个前提条件：（1)电子地图的坐标 匹配精度要高。（2)需要被定位的列车一定要在电子地图的道路网中。满足了这两个 条件以后，就能够将列车的位置信息和车辆的其他参数同电子地图提供的道路网信息 相比较，通过匹配找到列车运行的道路网信息和在道路网中的位置信息，电子地图中 常用到的算法有滤波法和投影法等，其中投影法是一种比较直观比较常用的算法。(11)航位推算列车定位方案航位推算（DR，Dead Reckoning)是一种比较经典的列车定位方法，此方法是将 列车的运动形式看着二维坐标上的运动，如果给定列车起始位置坐标和起始航角，根 据实时测量的列车位置和航角就能计算出列车当前的位置。具体的航位计算原理如图2-11所示。图2-11航位推算原理图具体定位算法如下：Xy =+ioos0o.(2-1)少1 =少。+名 COS0。（2-2)xl=x0+d0 cos0o(2-3)y2-)i+ dx oos9x(2-4)以此类推下去有K-lxk = x0 + 式 cos 疼(2-5)yt =yo+Zdicosei(2-6)其中是列车的初始位置=式和3为列车一个步长内位移和航角的偏移量， 按此计算下去就可以得到列车的位置，定位的误差是由式和的测量值造成的，在计算的过程中误差会累积下去，所以一般要采用组合的方式进行融合互补，航角的测量 一般选用陀螺仪、磁罗盘传感器等，测量位移增量一般选用多普勒雷达、加速度计等。列车定位还有其他的一些技术，在此不再一一介绍，这些定位方法都有各自的优 缺点，如何从众多的定位方法中选取一种较为适用的定位方法，要根据具体的线路情 况具体分析。(12)列车组合定位在列车的定位过程中，采用单一的定位方法往往不能满足定位精度及系统安全的 需要，一般情况下是利用多种定位方式组合在一起，将测量得到的信息进行融合优势 互补，以此来提高列车的定位精度，常见的组合方式主要有以下几种。1) GPS和航位推算（DR)组合定位利用全球卫星定位和航位推算组合进行列车定位是一种比较普遍的组合方式，在 列车定位及公路交通等领域得到了广泛的应用，航位推算系统一般有惯性传感器组成， 惯性传感器的高频性能较好，低频性能交差，而卫星定位正好与之相反，将二者组合 起来能够有效的利用二者的优势，提高整个系统的性能。2) 航位推算和查询应答器的组合定位单独使用航位推算列车的位置误差会随着时间的增长而增加，就需要不断的校核， 而查询应答器里面是一些固定的位置信息，定位精度很高，将这两种方式结合起来用 航位推算测量列车位置，每隔一定距离再用应答器校核一次，提高了定位系统的安全 性。而整个系统所要关注的问题也就集中在应答器的安装误差以及多远距离设置一个 应答器组合效果最好。3) 航位推算和GPS和应答器组合定位对于这种组合方式，当列车在装有查询应答器的线路上且查询应答器数据可用时， 系统工作在三种定位方式下，可进行信息融合估计出GPS和航位推算的误差参数，查 询应答器提供了精确的位置信息，提高了整个定位系统的可用性及可靠性。当查询应 答器的数据丢失时，还可利用其他两种定位方式来补充。4) 多普勒雷达和速度传感器和加速度计及应答器组合定位这种组合定位方法具有明显的冗余性和可靠性，当其中一种定位方式出现故障时 可将定位系统降级处理，但是要选用合理的处理算法才能达到很好的定位效果。在选 取定位组合的时候并不是定位组合越多定位精度就越高，还要根据线路及周围环境的 实际情况具体考虑需用何种组合。本论文在第四章的讨论中将采用此种方法来进行列 车定位研究。2. 4城市轨道交通列车定位系统方案的选择城市轨道交通具有不同于其他交通方式的特点，可从以下几方面来说明。(1) 因为在城市里土地资源比较紧张，城市轨道交通一般情况下都是修在地下， 也就是我们常说的地铁。列车在距离地面一定深度的地下隧道中运行，导致地面的无 线信号无法直接传输到地下线路中去，所以，这种情况下GPS等依靠地面电磁波定位 的方式在地铁中就不再适用。(2) 在城市轨道交通中，列车运行的线路比较单一、固定，整个定位工作在一维 界面中就可以完成，只需测量出列车的速度，然后计算出其走行距离就可以确定列车 的具体位置。(3) 城市轨道交通对列车的运行速度要求不髙，一般都是70km/h左右，但是由 于受城市轨道交通运输量及方便快捷的影响，对列车的追踪间隔要求较高，一般是要 求达到90s左右，要实现这么小的追踪间隔，研究高精度的列车定位技术就显的尤为 重要。(4) 城市轨道交通在进行列车定位时，存在着很多未知的因素，如速度传感器安 装时存在安装误差，测量时又会受到噪声及随机误差的干扰，加速度计测量时会受到 列车振动的影响等，这些因素都会影响到列车的定位精度。(5) 城市轨道交通在进行列车定位时，与大铁一样会受到空转和滑行的影响，且 对列车定位精度的影响较大。采用传感器测速时，轮轴速度传感器会受到空转滑行的 影响，而多普勒雷达速度传感器不会受到空转和滑行的影响，加速度计会受到列车振 动的影响，所以要采用一种方法，对这几种传感器进行优势互补，才能尽可能的消除 空转滑行带来的误差综合以上对城市轨道交通特点的分析，本文采用轮轴速度传感器、多普勒雷达、 加速度计进行组合测速定位，并用查询应答器进行绝对位置的校核。拟完成列车走行 过程中空转滑行的检测、校正及列车位置的计算。跟单一的传感器测速定位相比，这种组合定位方法具有定位误差小，精度高，冗 余度强等优势，将今后列位技术的主要方向。第3章列车空转滑行的检测校正3.1概述列车运行过程中速度、位置等参数是计算列车位置的重要依据，车载安全防护设 备根据列车位置信息判断列车安全运行状态，而在速度、加速度以及位置信息的测量 计算过程中，空转滑行是造成测量误差的主要原因，因此要想提高列车的安全可靠性，需要对列车空转滑行引起的误差进行修正列车发生空转是由于车轮转速急剧增加且摩擦力太小，造成列车的转动轮在轨道 上面转动而不走行的现象。当空转发生时，由于轮对的转速过快会造成轮轨的擦伤，影响车轮的名义轮径及速度传感器的测量参数。列车发生滑行是由于列车轮子被抱死不发生转动而列车继续前进的现象。列车的 滑行将会造成车轮的擦伤及无法精确计算列车制动距离，车轮的擦伤会导致列车运行 时产生较强振动，对列车的轮轴承、车轴造成损伤，而无法精确计算列车制动距离会影响到列车的行车安全。_列车空转滑行的判断关系到行车的安全，因此如何检测空转滑行的产生及尽可能的消除空滑带来的影响，成为接下来要关注的问题。3. 2列车空转滑行产生的原理分析 3. 2.1列车空转的产生原理分析当列车开始牵引时，牵引电机会在列车轮轴上产生一个扭转力矩况，只要轮子与 轨道的黏着系数不被破坏，列车轮轴就会对轨道产生一个大小为广的作用力，力的作 用又是相互的，列车动轮又会产生一个跟厂大小相等，方向相反的作用力厂，这个作 用力f将会驱使列车向前运动，列车牵引力产生过程如图3-1所示132。当列车的牵引力大于或者等于粘着力时，车轮与轨道的粘着情况被破坏，列车将 会发生空转，发生空转时由于粘着情况的破坏导致F与广消失仅剩下列车牵引时产生 的力矩M。空转的产生如图3-2所示。列车运行方肉列车运行方叼 3. 2. 2列车滑行的产生原理分析列车滑行的机理与空转的正好相反，当列车制动时，由于车轮与轨道的粘着原因 制动装置产生的制动力矩，会产生两个大小相等方向相反的作用力5和友，5即为列 车受到的阻力，在阻力的作用下，列车开始减速。制动力的产生过程如图3-3所示。列车运行方向 .图3-3制动力的产生 当由制动力矩产生的制动力大于或者等于粘着力时，车轮与轨道间的粘着状态将 被破坏，轮子被抱死，列车的轮子的运动状态也由滚动变为滑动，滑行产生的过程如 图3-4所示。图3-4列车滑行的产生 当列车发生空转滑行时，列车牵引计算不能准确的计算出列车速度、位置信息，需要实时的对列车空转滑进行校正，以满足列车车载控制系统计算安全参数的需要。3. 3列车空转滑行的检测及校正3. 3.1单测速方式的空转滑行检测单测速方式是列车利用单一的测速方式测量列车的运行参数信息并根据这些信 息来判断列车是否发生空转滑行。目前常用的单测速方式是利用传感器测量列车速度、 加速度等信息，列车在检测空转滑行时，根据速度传感器测量得到的速度值，计算出 空转滑行的判断指标，跟先前设定的指标值进行比较，判断是否发生空转滑行，常见 的空转滑行指标主要有加速度、速度差、滑行率三种。(1)加速度指标检测比较列车t秒前的速度和现在列车的速度，当其差值也即加速度超过设定的判断 值夕时，则断定为出现空转现象。而在发生空转时车载控制设备将假定列车以加速度以 运行，当来自传感器的测量速度低于空转校正速度时，停止空转的校正。校正图如图 3-5所示图3-5空转校正示意图列车滑行的判断方法跟空转的判断方法相同，也是拿t秒前的速度和列车现在的 速度相比较，当其差值也即加速度大于判断值P时，判断为滑行情况。在发生滑行时 车载控制设备将假定列车以减速度a运行，距离的计算将采用刚刚出现滑行情况时的 速度，当来自传感器的测量速度低于滑行校正速度时，停止滑行的校正。滑行校正如 图3-6所不。图3-6滑行校正示意图(2) 速度差指标检测速度差的检测方法是以4个车轮的转速以及列车牵引或制动的命令发出以后以一 定加速度运行时车轮的假想转速即这五个转速中最大或最小的一个