20116831周翼(列车定位技术与高速列车组合定位系统分析)

1、城市轨道智能交通控制作业城市轨道交通作业列车定位技术与高速列车组合定位系统分析学 号: 20116831姓 名: 周翼二零一四年四月【内容摘要】：简单介绍了列车定位技术定义和几种列车定位技术的主要方法，并从定位精度、闭塞制式、维护投资成本、抗干扰等方面进行分析比较。提出组合定位系统，并根据现高速铁路的要求进行分析。 关键字 ：列车定位，性能比较，定位方法，高速铁路， 获得列车物理位置信息，即确定车辆在地球表面上的坐标，简称为列车定位。及时准确地获取列车物理位置，才能确保列车安全有效运行。因此，通过列车定位，可以更加有效地提高行车的安全和效率，使行车调度与控制实现全新智能化模式成为可能。因此列车

2、定位应提供准确、实时的列车位置信息，并具有以下功能1）能够为列车控制系统随时随地提供准确的位置和实时速度信息，保证前后列车的安全间隔；2）缩短前后追踪列车的间隔时间，提高区间列车运行速度；3）通过列车定位可获得列车运行状态的基础信息，从而便于实现列控系统的车载及轨旁设备的故障分析；4）依据列车超速防护子系统的速度模式曲线，实现列车的定点停车及超速防护；5）为列车安全运行提供关键的数据，从而使ATC 系统功能实现成为可能。列车定位的主要方法轨道电路定位法传统的轨道电路定位法是利用铁路线路的2 根钢轨作为导体，两端加以机械绝缘（或电气绝缘），并接上送电和受电设备所构成的电路。轨道电路就是检测轨道区

3、段是否有列车占用，来实现列车的定位。目前广泛采用S 型连接棒音频无绝缘轨道电路，即采用电气绝缘实现区段的划分实现列车定位。地面应答器法地面应答器也称为信标， 地面应答器与车载应答器，轨旁电子单元配合使用来实现列车定位。地面应答器主要分为有源和无源2 种。应答器安装在站内或每个轨道分区等轨道沿线，应答器无需与任何设备相连，其内部寄存器的数据已固定。当列车通过时，地面应答器与车载的相应设备对准，车载设备以电磁感应的原理以一定的频率传递给地面应答器相应信号， 应答器接收到车载设备传送的信号后开始工作通常利用移频键控方式将列车当前的绝对点物理位置信息回传至列车。车载设备会使列车定位信息再次刷新，得到新

4、的列车位置起点。交叉电缆回线定位法交叉电缆回线定位是使用电缆按一定间隔绕制成一个环路设于轨道上。其设备的布置方式：在2 根基本轨之间铺设交叉电缆回线，一条线安装在基本轨间的到床上，另一条线安装在钢轨的颈部底端， 两条线每隔相应距离作一次交叉。当列车通过每一个电缆交叉点时，车载设备感应接收到交叉电缆回线提供的相应信号变化信息，并由车载计算机进行处理，从而确定列车的物理坐标信息，使车载设备对列车位置信息刷新。测速定位法测速定位法是先测得列车运行的即时速度，对其进行积分即得列车运行距离，从而实现列车的定位。目前测速的方法很多,一类是利用轮轴旋转信息的测速方法,具体主要为测速电机和脉冲转速传感器方式；

5、另一类是利用无线通信方法,直接测出列车运行的速度,具体包括多普勒雷达测速、GPS 测速定位和无线扩频定位。除以上述定位方法外，轨道交通中还应用其他一些定位技术，例如：计轴器定位、惯性列车定位系统定位、航位推算系统定位、地图匹配定位、裂缝波导定位、无线移动通信技术定位等。列车定位技术的选择与比较闭塞制式的分析轨道交通列车运行控制系统采用3 种闭塞制式：固定闭塞，准移动闭塞和移动闭塞。在轨道交通中，不同的闭塞制式对于列车定位技术的采用是有取舍的。1）轨道电路定位法无法确定列车在闭塞分区内的具体位置，因此列车实施制动的起点和终点总在分区的边界，在确保安全的前提下，需设防护区段，加大了列车间的间隔，使

6、区间通过能力的提高受到限制。该定位法定位的精度较低，无法构成移动闭塞。2）地面应答器法也是较典型的准移动闭塞定位技术。3）交叉电缆回线定位法可以实现移动闭塞，是目前行业内比较先进的控制技术。4）利用测速原理的无线扩频定位技术也可实现移动闭塞。该方式的定位原理与轮轴测速不同，是利用电台间相互传输信号实现定位。设备投资成本分析1）轨道电路定位法由于可以利用现有设备不需要再投资，因而费用较低，而且该方法即可实现列车定位，也可以检测线路是否完好，能实现故障安全原则。2）GPS 定位法的设备投资也较小。只要在列车两端安装GPS 接收机和差分误差信息接收器，接收器导航定位卫星发送来的信息，通过测量卫星信号

7、发射与接收的时间差，得到卫星至地面的距离，就可确定列车的坐标位置。3）交叉电缆回线定位法实现时只需在线间铺设电缆环线，因此成本较低。4）无线扩频定位技术由于设备相对复杂，需要在区段沿线设置用于测距的专用扩频基站和中心控制站，投资成本较高。5）利用设置地面信标，可以消除测速设备带来的累计误差，通过地面信标与测速设备配合实现定位，投资相对较小。 维护费用分析1）轨道电路法在实现列车定位功能时，由于存在送电和受电设备，因而轨旁设备数量较大，维护工作量也相应较大。2）GPS 定位法实现列车定位时，不设地面设备，只需在车列上安装接收机即可，因此大量的安装及维护费用得到节约。3）地面应答器定位法由于设备简

8、单，维护及运行费用也较低。抗干扰性能分析1）轨道电路定位法因为轨道电路的工作条件和设备的特殊性，使其抗干扰性较差。轨道电路易受振动、天气、环境和车辆轮对洁净程度的影响,比如雨天、下雪天会导致轨道电路分路不良。牵引电流和道砟阻抗变化等因素也会对其造成干扰。2）GPS 卫星定位也易受到障碍物干扰，在轨道线路周围阻挡物较多的地方易形成盲区，恶劣的天气对其性能影响也较大，使定位精度下降，另外该方式又受制于卫星和空间站的设备性能情况。3）交叉电缆回线定位法利用极性交叉的原理实现，因此可以抗牵引电流的干扰。4）地面应答器法抗干扰性也较强，能适应恶劣气候条件，可以在任何环境、地点，甚至GPS 无法实现定位的

9、位置，都可以可靠工作。5）无线扩频定位法由于为独立系统，不易受其他因素干扰，因此定位比较精确。定位精度分析1）轨道电路法只能实现分区内的边界定位，因此定位精度不高，为了实现较精确的定位，可以与测速设备配合使用。计轴器定位法与轨道电路法相近，定位精度也不高，通常也需与测速装置相结合实现列车定位。2）地面应答器法是点式定位，相对附近区域定位精度较高。但如果实现各连续点的定位，则必须缩小应答器设置的间距，加大应答器的设置数量提高定位的精度。3）GPS 卫星定位属于相对运动状态下工作，定位的精度则受到限制，但只要GPS 信号可用，就可以提供列车的绝对位置信息， 即使是在较远的距离利用其载波相位进行定位

10、，精度也会较高，时间的积累不影响误差值。使用差分定位方法，定位精度可以达到3 m 左右。4）交叉电缆回线定位累计误差较大，定位精度与交叉区长度设置形成一对矛盾，因此提高定位精度难度较大。5）在通过测速定位的方法中，无线扩频定位技术定位比较精确，对列车定位的精度可达5 m 范围内的误差，信息传输的时间间隔也较小，具有在较差的电磁条件下可靠传输数据的能力。而测量车轮转速定位法因车轮磨损导致的累计误差较大，因而在定位精度要求不高的情况，可以用增加地面信标的方法补偿校正。除从以上方面进行比较外，还可以从以下方面进行比较：1）采集定位信息是否连续，定位信息的特点分为：点式信息和连续式信息， 其中地面应答

11、器采集的就是点式信息，GPS 列车定位的信息则是连续的。2）定位设备的安装位置可分为轨旁定位和车载定位2种。轨旁定位方式目前主要有轨道电路法、计轴器法、查询应答器法、交叉感应回线法、无线扩频法等；车载定位方式主要有是在轮轴上安装里程仪或者脉冲转速传感器实现列车的定位。3）与轨道是否接触，由于轨道交通运营模式存在车体运行中与轨道是否接触的区别， 在定位技术上也有差别。与轮轨交通方式对比分析，磁悬浮交通对列车定位提出了特殊的要求。其中车轮转速方法定位无法实现，只能用无线方式。由于磁悬浮列车速度较高，则对定位的相关参数要求更高。目前磁悬浮列车定位的方法主要有：交叉电缆回线定位、传感器定位、微波定位。

12、4）定位技术实现的难易程度，定位方法中交叉电缆回线定位法实现比较简单。5）线路是否封闭，如果轨道交通线路是封闭的，那么列控系统要求定位信息必须是绝对位置信息，才能满足控制要求。组合控制随着通信和计算机技术的发展，出现了很多新型定位技术并已运用。在列车定位技术的选择与比较中不难发现，只利用一种定位方法很难在定位精度、成本、可靠性等方面得到均衡，而且从故障安全方面考虑，也不能保证系统的安全可靠性。因此，目前在列车运行控制系统中定位往往是综合运用，将多种方法融合，互补，使之能满足列车运行控制系统安全运行要求。高速铁路列车定位新需求 高铁列车运行速度快，行车密度高，前后追踪列车空间间隔距离短，列控系统

13、需要对列车在线路上运行的位置进行精确测定，以便给列车提供正确的控制信息。传统列控系统采用固定闭塞方式控制列车运行，依靠轨道电路检测列车在线路中所处的位置，以此为后续列车提供行车许可条件。随着列车速度的不断提高和行车间隔的进一步缩小，轨道电路提供的离散位置信息无法有效保证行车安全。列控系统需要依靠新的设备测定列车实时位置，为列控系统提供连续的、精确的列车位置信息，以便进一步缩短行车间隔，实现移动闭塞。高铁列车定位需求特点如下：（1）连续性。列车高速运行时，其空间位移变化很快，列控系统需要实时掌握每列车的位置坐标，以便为后续列车提供正确的行车许可。因此列车位置的检测应具有连续性，在列车运行的全过程

14、中能随时掌握列车的具体位置，包括在隧道或山谷等无线电波盲区，也能进行连续定位。（2）精确性。列车位置是生成行车许可的必要条件，检测结果的精确度直接影响列控系统能否正确控制列车运行。在保证安全的前提下，定位设备测得的列车位置误差越小越好。（3）低成本。高铁造价高昂，设备成本要占其大半。因此，运用于高铁的定位设备应考虑其投资和维护成本，以降低总体造价。（4）受干扰小。对高速列车进行连续定位的过程中，受恶劣天气和外界电磁波的影响，设备测量结果往往会产生误差，甚至失去作用。因此，选用的定位设备需具有抗干扰、适应环境变化的能力 几种常用定位方法比较定位技术是否连续定位定位精度投资成本维护成本机动性能主要

15、优点主要缺点轨道电路否差高高差简单，成熟，安全可靠传输信息量小，不能连续定位，机动性差，维护量大应答器否高高高差传输信息量大，提供绝对位置信息，辅助定位性能好只能给出点式信息，布设数量大，投资与维护成本高计轴定位否差高高差简单可靠、环境适应能力强，辅助定位性能好定位精度差，投资与维护成本高卫星定位是高低低好性能稳定，不受干扰，投资成本低受遮挡地区无法定位，受外国控制，需要其他方法辅助无线定位是低高高好既可作为通信手段，又可测定列车位置需要大量轨旁设备，存在信号盲区，可靠性需要提高轨道感应环线否差高高差简单，抗干扰性能好，定位分辨率可达6.25 m定位精度受交叉区长度影响，高速环境下适应性差里程

16、计是较高较高低好简单，高速时测量精度更高，受环境影响小依赖车轮转动，发生打滑、空转时，误差易累积 组合定位方式性能分析针对高速列车定位问题，使用单一测量设备测量信号比较容易处理，但均存在一定缺点。为了更好地得到列车位置信息，将两种或多种不同的定位方法结合起来，相互弥补，扬长补短。多种测量设备组合使用时，需要采用多传感器数据融合处理技术，将不同通道获取的测量信息进行滤波和校正，消除测量误差，得到相对更加精确的列车位置信息。 GPS/INS/MM组合定位系统分析 GPS/INS/MM组合定位系统利用基于网络实时动态测量技术（RTK）的快速差分算法来减小定位误差，对GPS测量的列车位置、速度、加速度

17、等信息进行修正。将高精度的卫星测量结果不断修正与INS的测量误差，同时与MM匹配结果进行校正，将测量误差降到最小，从而获得更加精确可靠的列车位置信息。当GPS信号丢失时，组合处理器采用卡尔曼滤波算法，对INS和MM数据进行融合处理，将GPS失效前测得的数据作为参考进行校正，使系统能够不间断地输出精确的列车位置信息，保证定位的安全可靠性。优点：INS的高频输出弥补了GPS低频测量的不足和卫星信号受遮挡时无法准确定位的缺陷，测量精度有了较大提高。同时，依靠GPS的测量结果，能及时消除惯性单元的测量误差，机动灵活，环境适应能力好。当GPS信号丢失时，组合系统切换到以INS为主的工作模式，利用先进的滤

18、波算法融合测量信息，保持系统连续定位。当INS出现故障时，组合系统切换至以GPS为主的工作模式，接续组合系统输出，保证系统连续稳定地进行定位导航。缺点：过于依赖卫星定位精度，如果惯性导航单元累积误差很大时，反而会降低组合系统定位精度。此外，当GPS和INS同时故障时，系统将无法工作，列车被迫采取制动停车或降速慢行的方式来保证安全。与此同时，从战略角度考虑，无论是采用GPS还是GNSS，其使用权限均有可能受到限制，理论上都存在一定的不可靠因素。而高铁一旦投入使用，将是重要的战略资源，尤其是在关键时刻，如果出现问题，将造成不可估量的后果。适用于我国300 km/h以上高铁列车的定位技术高铁作为现代

19、化的智能系统，有着极其苛刻的控制要求，列车速度越快，控制系统反应速度、控制精确度、稳定性、安全可靠性等要求就越高。因此准确定位相结合，设计稳定的控制方法和高效、可靠的智能算法，才能保证定位系统安全、可靠的工作。随着我国科技事业的发展，由我国自主研制的北斗卫星导航系统（CNSS）目前已正式开始提供服务。因此，无论从定位精度、设备投资、系统稳定性、维护成本、机动性和抗干扰性等方面分析，以CNSS为核心的组合导航系统将是我国高铁定位技术进一步发展的新趋势。C N S S 由空间端、地面端和用户端3 部分组成，分开放和授权2种服务类型。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10 m，测

20、速精度0.2 m/s，授时精度10 ns。授权服务为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务，以及系统完好性信息；同时，其三维定位精度约几十米，授时精度约100 ns，其总体性能优于GNSS系统。作为高铁定位系统，应选择使用授权服务作为可靠定位和实时通信的保障。基于CNSS的列车定位导航系统以CNSS定位信息输出为主，综合利用测速传感器、应答器、电子地图，构成一个全方位立体多信息冗余的定位导航系统。当卫星信息受遮挡时，利用测速传感器和应答器来确定列车位置；当测速传感器故障时，利用卫星定位与电子地图相结合，给列控系统提供精确的列车位置信息。 CNSS组合定位系统优点 以CNSS为核心的组合定位导航系统不仅能连续定位列车，而且始终能够输出高精度的定位信息。系统设计采用多冗余方式，大大提高了定位的可靠性。此外，系统还有以下优势：（1）充分考虑对我国高铁既有测速定位设备的利用，并将其融入新的组合系统中，减少了测量误差，提高了定位系统可靠性和定位精度。（2）当CNSS信号缺失时，利用多传感器信息融合，再用应答器和电子地图进行校正，有效保证了定位精度，提升了系统的可靠