（机械制造及其自动化专业论文）城市轨道交通列车定位方法研究.pdf

纠 ，- j 1 a ， i j a s t u d y o nt r a i nl o c a t i o nm e t h o di nt h eu r b a nr a i lt r a f f i c 。 b y c a oc h a n g h o n g b e ( x i n j i a n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 5 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n m a c h i n em a n u f a c t u r i n g & a u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry a ns h u t i a n a p r i l ，2 0 1 1 函十 i 毒 708 58洲8iiiily 一 一 一 l 一_j 譬 硕士学位论文 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：蘑饭】犯日期：加i 年3 f j 岁1 ) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 嗜梭版z 日期：2 oi f 年 日期：o 厶，年 r 罚弓oe l f 日妨e l 十一 i f j - 一 一 d # 0 户 ， j 一 “ o 城市轨道交通列车定位方法研究 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第1 章绪论1 1 1 论文研究背景和意义1 1 2 国内外相关研究综述2 1 2 1 列车自动控制系统研究现状2 1 2 2 列车定位方法研究现状5 1 2 3 基于多传感器信息融合的列车定位方法研究现状8 1 3 多传感器信息融合在列车组合导航中的应用1 0 1 4 论文的研究内容和组织结构1 1 第2 章列车组合定位理论分析13 2 1 多传感器信息融合理论1 3 2 1 1 多传感器信息融合的基本原理1 3 2 1 2 多传感器信息融合的一般结构1 3 2 1 3 信息融合的基本方法1 4 2 1 4 多传感器信息融合的主要特点1 4 2 1 5 列车定位领域多传感器数据融合的理论方法。1 5 2 2 卡尔曼滤波简介1 5 2 2 1 卡尔曼滤波器的特点1 6 2 2 2 离散型卡尔曼滤波基本方程1 7 2 2 3 卡尔曼滤波器算法流程1 8 2 3 集中式卡尔曼滤波1 9 2 4 联邦卡尔曼滤波理论与研究2 0 2 4 1 联邦卡尔曼滤波原理2 0 2 4 2 联邦卡尔曼滤波器的各种结构和性能分析2 1 2 4 3 联邦卡尔曼滤波器算法2 2 2 4 4 联邦滤波器的特点2 3 2 5 本章小结2 4 第3 章组合导航系统的误差模型分析2 5 j t 自 _ j c ， 一 硕十学位论文 3 1 引言2 5 3 2 惯性导航系统2 6 3 2 1 捷联惯导系统的工作原理2 6 3 2 2 常用坐标系说明2 8 3 2 3 常用坐标系之间的转换2 9 3 3 捷联惯导系统误差分析3 1 3 3 1 惯导系统的误差源分析3 l 3 3 2 惯导系统误差方程3 2 3 4 全球定位导航系统误差分析3 4 3 4 1 g p s 导航定位基本原理3 4 3 4 2 g p s 定位误差3 7 3 5 里程计定位误差分析3 8 3 6 本章小结3 8 第4 章基于卡尔曼滤波的组合导航系统建模与仿真3 9 4 1 引言3 9 4 2 i n s g p s o d 组合导航系统融合结构设计3 9 4 3 i n s g p s o d 组合导航计算系统数学模型的建立4 0 4 3 1 组合导航系统导航状态估计方法4 0 4 3 2 状态变量的选取和系统状态方程的建立4 1 4 3 3 子滤波器1 的状态方程和量测方程的建立4 2 4 3 4 子滤波器2 的状态方程和量测方程的建立4 3 4 4 仿真与分析4 4 4 5 组合导航系统容错设计4 6 4 6 本章小结4 7 第5 章基于h 。滤波的组合导航系统设计与应用4 8 5 1 引言4 8 5 2 鲁棒h 。滤波理论4 8 5 2 1 基本的h 。控制4 8 5 2 2h 。问题的数学描述5 0 5 2 3 次优h 。滤波问题的解5 l 5 2 4h 。滤波和卡尔曼滤波的关系5 2 5 3 基于联邦h 。滤波融合的组合导航定位方法5 2 5 4 仿真结果分析与讨论5 3 5 5 本章小结5 5 ， 一 城市轨道交通列下定位方法研究 结论5 6 展望5 7 参考文献5 8 致谢6 2 附录攻读硕士学位期间发表的学术论文6 3 一 p ；。； 吣 硕十学位论文 摘要 城市轨道交通的迅速发展促使中国社会城市化和城市大都市化步伐不断加 快。而且国内外许多城市的实践证明城市轨道交通是解决城市交通堵塞问题的有 效途径。随着城市轨道交通的快速发展，引发出对新型交通方式的成套技术研究 需求。列车定位技术成为城轨交通列车运行自动控制系统的关键技术之一，列车 测速定位的精度和可靠性直接影响列车的行车安全和运行效率。 本文的主要目标是利用多传感器信息融合技术提高城市轨道交通中列车定 位的精度和可靠度。使用单传感器进行测速定位很难达到基于通信的列车运行控 制系统对列车定位的精度和可靠性的需求，但是每一种传感器又都有各自的优 势，所以本文研究了基于多传感器信息融合的定位方法。本文应用惯性导航系统 ( i n s ) 和全球定位系统( g p s ) 以及里程计( o d ) 进行信息融合，能有效的进行优势互 补，以达到较高的精度和可靠性。 本文对各定位子系统分别进行了详细的探讨，论述了各自的工作原理、系统 组成、误差来源和模型计算，阐述了联邦滤波理论和日。滤波理论。在此基础上 设计了基于联邦卡尔曼滤波算法和基于联邦日。滤波算法的i n s g p s o d 组合导 航信息融合系统。对两种信息融合方法进行了研究，编写了组合导航相关计算机 仿真程序，并做了大量的仿真实验。通过对实验结果进行分析，论文得出结论： 多传感器信息融合的列车定位方法能有效提高列车测速定位的精度和可靠性。基 于联邦卡尔曼滤波融合的测速定位方法的精度较高，计算量小，容错性好，但需 要对干扰信号进行准确的数学描述，鲁棒性不强；而基于联邦日。滤波融合的定 位方法具有较强的鲁棒性，能解决噪声统计特性和模型参数不易确定的问题，克 服了联邦卡尔曼滤波的缺点，提高了测速定位方法的适应能力，定位精度也能够 满足城市轨道交通的需求，所以它非常适用于城市轨道交通。 实时、准确地获得列车速度和位置信息是列车安全、高效运行的保障。因此 对列车测速定位方法进行深入研究，对于推动城市轨道交通的发展具有重大和深 远的意义。 关键词：列车定位；惯导系统；多传感器信息融合：联邦卡尔曼滤波；h 。滤波 一 城市轨道交通列午定位方法研究 a b s tr a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a nr a i lt r a f f i ch a sp r o m p t e dt h ec h i n e s es o c i a l u r b a n i z a t i o na n da c c e l e r a t e dt h ep a c eo fc i t yb i gu r b a n i z a t i o n i na d d i t i o n ，i th a s b e e np r o v e dt ob ea ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e mo fc i t yt r a f f i cj a mi nm a n y o fc i t i e sa th o m ea n da b r o a d a c c o m p a n yw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fu r b a nr a i l t r a f f i c ，t h et e c h n i c a lr e s e a r c ho ft h ec o m p l e t es e tt e c h n o l o g yo ft h en e wt r a n s p o r t w a yi sh i g h l yd e m a n d e dm o r ea n dm o r e a n dt h et r a i nl o c a t i o nt e c h n o l o g yh a s b e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ea u t o m a t i ct r a i nc o n t r o ls y s t e m ，i t s a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yd i r e c t l yi m p a c to nt h et r a i ns a f e t ya n d t h et r a f f i ce f f i c i e n c y t h em a i ng o a lo ft h i s p a p e ri s t oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo f t r a i nl o c a t i o ni nt h eu r b a nr a i lt r a f f i cb ye m p l o y e dt h et e c h n o l o g yo fm u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o n a sw ek n o w n ，t h ea p p l i c a t i o no fo n l yas i n g l es e n s o ri sd i f f i c u l tt os a t i s f yt h ed e m a n do fh i g ha c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y ，b u te a c h s e n s o rh a si t so w na d v a n t a g e si nt h ea u t o m a t i ct r a i nc o n t r o ls y s t e m i fw e c o m b i n ew i t hm a n yo ft h e s es e n s o r sa n dm a k et h eb e s to fr e s p e c t i v ea d v a n t a g e s ，t h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yw i l lb ee n h a n c e dg r e a t l y w ec o m b i n ew i t h t h es e n s o ro fi n s ，g p sa n do df o rm u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o ni n t h i sp a p 。 e r ，b e c a u s et h e yc o u l dc o m p l e m e n te a c ho t h e re f f e c t i v e l yb yt h e i ra d v a n t a g e s ， a st oa c h i e v eh i g ha c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y i nt h ep a p e r , w ef i r s td i s c u s se a c ho ft h ep o s i t i o n i n gs u b s y s t e m si nd e t a i l ，a n d e x p a t i a t et h e i rw o r k i n gp r i n c i p l e ，s y s t e mc o m p o n e n t s ，e r r o rs o u r c e sa n dm o d e l c a l c u l a t i o n s ，a sw e l la sf e d e r a lk a l m a nf i l t e rt h e o r ya n dh 。f i l t e rt h e o r y o nt h e b a s eo ft h e s ei n v e s t i g a t i o n s ，t h ei n f o r m a t i o nf u s i o na l g o r i t h ma p p l i e dt ot h et r a i n l o c a t i o ni nu r b a nr a i lt r a f f i ca n dt h et r a i nl o c a t i o nm e t h o db a s e do nk a l m a nf i l t e r i n g a l g o r i t h ma n dr o b u s th 。f i l t e r i n ga l g o r i t h ma r ed e s i g n e d t h e nl o t so fs i m u l a t i o n s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r em a d e t h o s es i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tm u l t i s e n s o r i n f o r m a t i o nf u s i o nc a ne l e v a t i o nt h ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h et r a i nl o c a t i o n t h et r a i nl o c a t i o nm e t h o db a s e do nt h ef e d e r a lk a l m a no p t i m a lf i l t e r i n gi n f o r m a t i o n f u s i o nh a st h e h i g ha c c u r a c y ，a f e wo fc a l c u l a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff a u l t t o l e r a n c ea r ew e l l b u ti tn e e d st h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no ft h e i n t e r f e r e n c es i g n a l ，a n di t sr o b u s t n e s si sn o ts t r o n g h o w e v e r ，t h et r a i nl o c a t i o n 一 硕十学位论文 m e t h o db a s e do nt h ef e d e r a lh 。f i l t e r i n gi n f o r m a t i o nf u s i o ni sm o r er o b u s t i td o e s n o tn e e da n yh y p o t h e s i so ft h ei n t e r f e r e n c es i g n a l ，i to v e r c o m e st h ed i f f i c u l t i e sa n d i m p r o v e st h ea d a p t a b i l i t yo ft h et r a i nl o c a t i o n ，t h ea c c u r a c yo fe s t i m a t e s i s s a t i s f i e dw i t ht r a i nl o c a t i o n s oi ti sv e r ys u i t a b l ef o rt h eu r b a nr a i lt r a f f i c r e a l - t i m ea n da c c u r a t ei n f o r m a t i o no ft r a i ns p e e dl o c a t i o ni st h e g u a r a n t e co ft r a i ns a f e t ya n dt r a f f i ce f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ft h et r a i n s p e e dp o s i t i o n i n gh a st h ep r o f o u n ds i g n i f i c a n c ei np r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to f u r b a nr a i l w a ys y s t e m k e y w o r d s ：t r a i np o s i t i o n ；i n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ；m u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o n f u s i o n ；f e d e r a t e dk a l m a nf i l t e r ；h 。f i l t e r h i _ 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究背景和意义 目前，许多大中型城市交通问题日益加剧，带来了一系列的问题，如交通阻 塞、车速缓慢、交通事故频繁发生、汽车排放的尾气和噪声等对环境的污染等等。 为了缓解城市交通压力和解决这一系列的问题，地铁、城市快速铁路、轻轨等城 市轨道交通已经成为解决城市交通问题的首选。城市轨道交通以其运送量大、占 地少、快速、便利、正点、能耗低、污染少、乘坐舒适和安全著称。非常适合于 城市内部与城郊之间大规模的出行需求，成为现代城市公共客运交通体系的骨干， 起到客流组织的主导作用。 城市轨道交通列车车站的间距近、运行密度很高、对安全性的要求也很高， 想要防止列车碰撞、保证交通的顺畅，实时准确地了解列车的位置是关键。准确、 实时地获得列车的位置和速度信息是列车安全、高效运行的保障。当前，世界上 最先进的列车运行控制系统是基于通信的列车运行控制系统( c b t c ) ，它已经成 为城市轨道交通中列车运行控制系统的主流，列车定位技术是c b t c 系统中的非 常关键的技术之一。仅仅单纯依靠提高现有的单一传感器本身的精度和容量改善 列车定位性能是比较困难的，难以满足c b t c 系统对列车定位精度和定位可靠性、 实时性的要求，难以胜任列车行车安全和高效指挥等要求。但是基于多传感器信 息融合的列车定位方法可以利用多个不同的不必非常精确的定位传感器系统组 合在一起，它实际上是一种利用多种信息源的综合技术，优缺点互补，构成一种 有多余度和导航准确性能更高的多功能系统。基于多传感器信息融合的列车定位 方法由于具有提高信息的可信度、能提高整个系统的容错和系统重构能力、扩大 空间和时间的覆盖区域等特点而引起人们的普遍关注。采用多传感器信息融合的 列车定位方法确定列车的精确位置成为轨道交通系统中的未来发展方向。 随着我国国民经济的持续快速发展，城市化进程的不断加快，城市交通设施 与城市化发展的矛盾逐渐显现，从各国城市化发展的实践来看，轨道交通以其运 量大、速度快、安全可靠、低能耗、低污染、准点舒适的技术优势在日、美、欧 等国家和地区已经成为主要的城市交通工具，在我国北京、上海、广州、深圳等 城市已在大规模修建地铁，并且很受市民欢迎，因此修建城市轨道交通系统将成 为我国大城市公共交通的发展方向乜3 。而对于城市轨道交通系统高效率高密度的 要求来说，不断提升列车运行控制水平和等级是必不可少的，它能缩短行车间隔， 提高运行速度，实现载客能力的提高。而列车运行控制系统的性能与列车定位子 系统密不可分。研究列车运行控制系统中的列车定位子系统，提出精确可靠的列 城市轨道交通列车定位方法研究 车自主定位方法，从而推动先进的列车运行控制系统的研究，为列车运行控制系 统的发展提供理论和技术支持。深入研究列车定位方法，对于推动列车运行控制 系统的研究和轨道交通系统的发展具有重大和深远的意义。 轨道交通系统的建设，是未来我国经济建设的重要领域之一。必须加强对轨 道交通领域相关基础科学问题和技术的系统研究和应用开发研究，才能确保我国 轨道交通建设的健康有序发展，满足国家对轨道交通系统建设和运营的要求n 1 。 1 2 国内外相关研究综述 1 2 1 列车自动控制系统研究现状 列车自动控制( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r o l - a t c ) 系统是一套以安全和效率 为目的、调节列车运行间隔的自动控制设备。现在的列车运行控制系统是通过车 载设备、地面设备、车站和控制中心组成的控制系统完成列车运行控制，它包括 三部分设备：列车自动监控系统a t s 、列车自动防护系统a t p 和列车自动驾驶系 统a t o h 3 。列车运行控制系统自从轨道交通诞生以来，就一直不断地采用新技术。 当前的列车运行控制系统，己经成为集现代移动通信技术、计算机技术、控制技 术、传感技术的一个综合控制系统。它已经成为轨道交通系统的大脑和中枢系统。 ( 1 ) 列车自动控制系统的发展 2 0 世纪6 0 年代之前，列车运行控制系统由路旁信号机来传递信息，列车运 行安全取决于司机的视觉驾驶技术和经验，前后列车间的空间间隔由相邻信号机 之间的距离来实现。在这种传统的信号系统中，信号机显示信息的能力极为有限， 完全依赖司机，信号机的位置不能随意改变，列车间隔控制的灵活性较差，导致 系统的安全性不高，效率较低喳1 。 进入2 0 世纪7 0 年代之后，随着地面信息传输技术( 应答器、轨道电路和轨 间环线电缆等) 和列车信息接收技术的不断完善，出现了点式a t c 系统、点连式 a t c 系统和连续式a t c 系统。例如，法国的t v m 系统，德国的l z b 系统和日本的 a t s - p 系统等都是连续式自动列车运行控制系统哺1 。到了9 0 年代，数字化a t c 系统的面世使列车运行的安全性得到增强，效率得到提高，效益得到明显的改善。 例如，上海地铁二号线、广州地铁一号线采用的自动列车运行控制系统都属于数 字化a t c 技术。欧洲一些发达国家( 如德国、英国、法国) 在干线铁路及城市轨 道交通上安装了各自的自动列车运行控制系统。历时五年半，1 9 9 6 年底，欧洲 铁路列车控制系统( e t c s e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 1 技术规范问世。e t c s 是为了适应欧洲铁路互联互通的目的，符合兼容性要求开发的，为了让同一 列车能在不同装备水平的干线铁路上跨国运行。 在e t c s 规范中，对自动列车运行控制系统规定了三个发展等级】，所研制 2 硕十学位论文 开发的机车上的设备能适应各种等级的情况。西班牙的马德里一巴塞罗拿线采用 该系统，列控系统符合欧洲铁路统一标准e t c s 2 级标准，速度监控方式采用一次 连续速度曲线控制模式( 又称目标距离一次制动模式曲线方式) ，列车占用靠u m 2 0 0 0 轨道电路，列车定位靠欧洲应答器，车与地双向传输靠无线数字传输。 除了欧洲铁路列车控制系统，还有北美的先进列车控制系统( a t c s a d v a n c e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，日本的计算机和无线通信辅助列车控制系统( c a r a t c o m p u t e ra n dr a d i oa i d e dc o n t r o ls y s t e m ) 1 等等，各国都在紧锣密鼓的研 究先进的列车控制系统。 随着电子通信技术的快速发展，国际上几家著名的信号系统制造商如加拿大 的阿尔卡特( a 1 c a t e l ) 公司、法国的阿尔斯通( a 1 s t o m ) 公司、美国的通用( g e ) 电气公司和联合道岔与信号公司( u s & s ) 、德国的西门子公司( s ie m e n s ) 、英 国的西屋( w e s t i n g h o u s e ) 公司、日本的日立信号公司等纷纷开展了基于通信的 移动闭塞列车自动控制系统的研究开发，它代表了城市轨道交通领域信号系统的 一种发展趋势，其产品已开始进入实用阶段 1 。基于通信的列车自动控制移动闭 塞信号系统实现了车载设备与地面设备之间连续、高速度、大容量、安全、可靠 的数据信息交换。通过各种技术手段实现列车自动定位，移动闭塞通过双向通信 手段，每列车不仅知道自身在线路中的位置，也了解前行列车在线路中的精确位 置，这样就可以在保证行车安全距离的情况下缩短列车的行车间隔，提高行车密 度和行车效率，从而增加运能，提高服务质量和服务水平，这正是城市轨道交通 领域信号系统发展的需求和趋势。 由上可见，国外在轨道交通系统列车运行控制系统方面投入大量的人力和物 力，已经取得了长足的发展。 ( 2 ) 基于通信的列车控制系统简介 基于通信的列车控制( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r o l ，c b t c ) 系统 是指利用高精度的列车定位( 不依赖于轨道电路) ，双向连续、大容量的车一地数 据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统阳1 。 c b t c 的基本工作原理n 1 ( 如图1 1 所示) ：调度控制中心d c c ( d is p a t c hc o n t r o lc e n t e r ) 控制多个车站控制中心s c c ( s t a t i o nc o n t r o lc e n t e r ) ，实现相 邻s c c 之间的控制交接。s c c 通过管辖范围内的多个基站b s ( b a s es t a t i o n ) 与覆 盖范围内的车载设备0 b e ( o nb o a r de q u i p m e n t ) 实时双向联系。列车在区段内运 行时，通过全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 、速度传感器、查 询一应答器或里程器等实现列车位置和速度的测定，o b e 利用无线通过基站b s 将 列车位置、速度信息发送给s c c 。s c c 通过b s 周期地将目标位置、速度及线路参 数等信息发送给后行列车。o b e 收到信息后，根据前车运行状态( 位置、速度、 工况) 线路参数( 弯道、坡度等) 、本车运行状态、列车参数( 列车长度、牵引 3 城市轨道交通列车定位方法研究 重量、制动性能等) ，采用车上计算、地面( s c c ) 计算或是车上、地面同时计算， 并根据信号故障一安全原则，比较、选择的方式，预期列车在一个信息周期末的 状态能否满足列车追踪间隔的要求，从而确定合理的驾驶策略，实现列车在区段 内高速、平稳地以最优间隔追踪运行。 图1 1c b t c 系统基本原理 c b t c 有以下特点呻1 ： 1 、独立于轨道电路实现高精度的列车定位； 2 、大容量连续双向车地通信。通过连续覆盖的车、地双向数据通信网络， 实现列车的控制、状态信息的传递，其信息量大； 3 、安全计算机为核心，道旁及车载设备均采用安全计算机实时处理列车状 态、列车控制数据，实现连续的间隔控制、进路控制、速度防护、自动驾驶等。 与传统的列车控制系统相比较，c b t c 的优点是显而易见的，主要有以下几 点n 们：有利于实现移动自动闭塞m a s ( m o v i n g a u t o _ b l o c ks y s t e m ) ，进一步缩短 列车运行间隔，提高运输效率，真正构成列车运行闭环系统；系统以控制中心设 备为核心，车载和车站设备为执行机构，车、地列车控制设备一体化；通过无线 信道进行车、地间信息的双向传输，列车可将其位置、速度等信息传给车站，同 时车站也可将控制命令传给列车，为实现列车运行自动控制提供了更好的条件， 从而大大降低人为错误的影响，系统的可靠性更高；区段内所有运行列车的各种 参数( 如列车号、机车号、位置、速度、工况、始发站、终到站、车辆数、载重 量等) 自动地发送给各种管理系统，实现铁路信息化；集列车运行控制及列车运 行管理于一体，优化运行方案，可实时调整运行图：减少沿线地面设备，减轻设 备维护和管理工作强度，受环境的影响小。另外，c b t c 系统可以进一步优化列 车驾驶的节能算法，提高节能效果。 一 4 硕士学位论文 c b t c 系统特点和优点也对列车的测速定位系统提出了更高的要求。 1 2 2 列车定位方法研究现状 随着工程技术的发展，人们提出了多种列车定位技术，目前常用的有以下几 种： 1 、卫星导航列车定位方法 属于卫星导航系统的有第一代卫星导航系统“子午仪 ；1 9 7 8 年由法国国家 空间研究中心、美国宇航局( n a s a ) 和美国国家和海洋及大气监督局发展起来的多 普勒卫星系统( a r g o s ) ；19 8 5 年由欧洲空间局( e s a ) 开发的多用途卫星定位系统 ( n a v s a t ) ；美国的全球定位系统( g p s ) 以及前苏联开发的全球导航卫星系统 ( g l o n a s s ) ：还有我国自主研发的“北斗一号 、“北斗二号 卫星定位系统等n 。 对于列车的实时定位而言，卫星定位技术是一种新的手段。这方面使用较为 成熟的是美国的g p s 系统，尤其是2 0 0 0 年5 月，美国政府宣布s a 政策取消后， 采用差分d g p s 则可以达到3 m 5 m 的定位精度n 列。使用g p s 也有着诸多的缺陷， 例如g p s 机可能出现信号丢失的情况，导致定位信息的不连续，而且受到美国政 府的控制。 2 、惯性导航列车定位方法 无线电导航( 包括卫星导航) 属于非自主性导航。惯性导航系统( i n s ) 具 有不依赖外界信息，完全独立自主地提供多种较高精度的导航参数( 位置、速度、 姿态) 的优点，具有抗电子辐射干扰、全天候、隐蔽性好等特点，在初始条件正 确的情况下，惯性系统的短期精度较高。但是它的系统精度主要取决于惯性测量 器件( 陀螺仪和加速度计) ，导航参数的误差随时间而积累，因而不适合长时间 的单独导航n 钔。 3 、查询一应答器列车定位方法 基于查询一应答器的列车定位方法n 们是世界铁路上运用最为广泛的一种方 式，一般由车载查询器、地面应答器和轨旁电子单元( 可选择) 组成。地面应答 器一般装在两根轨道中央或一根钢轨的外侧。车载查询器装在机车上与应答器相 对应的位置。应答器一般都是无源的，其内部寄存器按协议数据形式存放实现列 车速度监控和其他行车功能所必须的数据。当列车驶过地面应答器且车载查询器 与应答器对准时，查询器首先以一定的频率通过电磁感应方法将能量传递给应答 器；应答器内部电路在接收到能量后即开始工作，将所存储的数据以某种调制方 式通过电磁感应传送到车上。应答器被以一定间隔距离设置在轨道沿线上，列车 每经过一个地面应答器，车载查询器就会读取存储其上的数据信息，实现列车的 点式定位。 查询一应答器定位方式的优点n 朝是可以提供准确的初始位置信息，在地面应 5 城市轨道交通列下定位方法研究 答器安装点的定位精度较高，维修简便、使用寿命长且能在恶劣条件下稳定工作， 可靠性高；缺点是只能给出点式定位信息，存在设置间距和投资规模的矛盾。要 实现更多的定位信息，需要大量的安装应答器，造成较大的成本，而且在无人烟 区不利于设备的维护和保养。目前一般采用混合定位法，即用轮轴编码器累加测 距，以查询一应答器纠正累计误差，这种方法在轮径变化、打滑或空转时，累计 误差可能很大，临近前方应答器时，累计误差达到最大。 4 、测速定位 测速定位就是通过不断测量列车的即时运行速度，对列车的即时速度进行积 分( 或求和) 的方法得到列车的运行距离。由于测速定位获取列车位置的方法是 对列车运行速度进行积分或求和，故其误差是积累的，而且测得的速度值误差对 最终距离值的误差影响也是非常直接。因此，利用该种定位方法的关键在于两点： 速度测量的准确性和求位移算法的合理性。另外，测速定位法总体来说属于相对 定位，它无法获取列车的初始位置，要获得列车的绝对位置仅仅依靠这种方法本 身几乎是不可能的。 测速定位主要包括轮速( 里程表) 法和多普勒雷达法等测量方法n 鲥。轮速 法的原理是在列车外侧安装旋转式光栅，当列车运行时由轮轴的旋转带动光栅旋 转；在光栅的两侧安装发光装置和光电传感器，随着光栅的旋转光电传感器可以 接收到发光装置的“光脉冲信号，并将其转化为电脉冲信号送至车载计数器， 由车载计数器对该脉冲信号进行计数；通过检测该信号次数可以判断车轮即时转 角，由车轮的转角又可以求得列车的位移。用轮速法测量列车距离的方法主要缺 点在于：当列车轮对出现磨损、空转、滑行等情况时，其误差会较大。而且，这 种方法无论列车是在前进还是在后退，计数器均按照列车前进计数。同时对光测 量设备的抗冲击性要求也比较高。但是，这种方法非常简便，易于实现。 多普勒雷达法n 叫利用多普勒效应测量列车运行速度。在车头位置安装多普 勒雷达，雷达向地面发送一定频率的信号，并检测反射回来的信号。由于列车的 运动会产生多普勒效应，所以检测到的信号其频率与发送的信号频率是不完全相 同的。如果列车在前进状态，反射的信号频率高于发射信号频率；反之，则低于 发射信号频率。而且，列车运行速度越快，两个信号之间的频率差越大。通过测 量两个信号之间的频率差就可以获取列车的运行方向和即时运行速度，对列车的 速度进行积分就可得到列车的运行距离。这种方法对列车测速的精度和频率要求 都比较高。多普勒雷达法的设备相对于测速法较为复杂，如果地面不平整导致电 波的散射较厉害时测量难度会加大。但它的优点是克服了车轮磨损、空转或滑行 等造成的误差，可以连续测速、测向和定位。 5 、轨道电路定位方法 轨道电路方案的列车定位方法是将钢轨分割成不同的区段来实现，在每个区 6 硕十学位论文 段的始与终端加上发送接收器，从而构成一个信息传输回路。当区段空闲时， 信息由发送器通过回路传输到接收器，接收继电器励磁吸起；当列车进入区段， 此区段占用时，轮对将两根钢轨短路，信息不能送到接收器，接收继电器失磁落 下，从而达到列车检测及定位的目的。 轨道电路定位的优点n ：l 、轨道电路原理简单，安全性高，同时可以对断 轨故障进行检测；2 、轨道电路采用列车的运行轨道一一钢轨作为列车定位的信 息传输通道，这个通道同时又可以作为列车a t c 信息传输的通道，节省了大量设 备，具有较高的性价比；3 、技术成熟。轨道电路是目前使用最多、使用时间最 长的列车定位方法，经过几十年的发展，积累了丰富的施工、维护经验；4 、地 理环境适应性强，在隧道、地下都可以使用该方法；5 、适用速度范围宽，无论 高速还是低速均可使用该方法。 轨道电路定位的缺点是：l 、定位误差大。由它所实现的定位是以轨道电路 长度作为最小定位单元，车在区间的始端还是终端是无法判断的，列车定位的最 大误差为一个区段的长度，列车占用一个区间后，不管其在区间的始端还是终端， 都只能给出一个位置信息。在需要对列车实施精确控制的场合，必须辅之以其他 的列车定位方式，如测速定位、设置信标等；2 、传输距离有限。轨道电路的电 气特性是与传输的信息频率相关的，频率越高，传输衰耗越大，信息传输距离越 短，通过设置补偿电容可以加大传输距离，但其设备造价及施工维护量会提高； 3 、设备维护量大。继电器使用寿命有限( 平均为l 万次左右) ，而且还要在列车 轨道一定区段内设立一个监测站，因此维护费用较大。为了保证轨道电路的良好 电气特性，就需要经常进行测试与调整n 。 6 、航位推算系统定位( d e a dr e c k o n i n g ，简称d r ) 航位推算定位n 8 1 基于相对位置修正，由于列车的运动可以看作是在二维平 面上的运动，因为如果已知车辆的起始点，y n ( x 为局部平面坐标系中的东西 位置坐标，y 为局部平面坐标系中的北向位置坐标) 和初始航向角酿，通过实时 测量和递增积累列车的行驶距离和航向角的变化，就可以实时推算列车的位置。 航位推算原理如图1 2 所示： ( x o ，y o 图1 2 航位推算系统定位原理 7 城市轨道交通列下定位方法研究 从成本、应用环境和现实条件等方面考虑，一般采用角速度陀螺和里程计组 成了航位推算系统。航位推算系统传感设备能够量测出正在行驶的车辆运行距 离、速度和方位，在短时间内这些传感器的精度较高，但如果时间长就需采取措 施，以避免积累误差。 7 、地图匹配定位 为了提高车辆导航系统的定位精度，考虑到导航电子地图是车辆导航系统中 一个重要组成部分，况且近几年来随着电子地图制作方法的改进，其精度得到很 大提高，利用高精度地图对导航系统提供的车辆位置进行修正以提高系统的定位 精度。地图匹配是一种基于软件技术的定位误差修正方法，其基本思想是将列车 定位信息与数字地图中的道路网信息联系起来，并由此确定车辆在地图中的位 置。应用地图匹配技术要具备两个前提n9 1 ：( 1 ) 用于匹配的数字地图包含高精度 的道路位置坐标。( 2 ) 被定位的车辆正在道路网中行驶。当满足这些条件时，就 可以把定位数据和车辆运行轨迹数字化地图所提供的道路信息相比较，通过合适 的匹配过程来确定车辆最可能的行驶路段以及车辆在该路段中最可能的位置。由 于列车在除了进入车站等地之外大多情况都位于铁路网络中，因此通常可以满足 使用地图匹配技术的条件。地图匹配的主要算法有投影法、m a p 估计器和滤波方 法等，其中正交投影算法是其中最常用也是最直观的一种算法口。 1 2 3 基于多传