高速铁路列车定位技术的研究

1、 (, 摘 , 阐述了高速铁路中常用的列车定位技术 . 最, 综合利用基于卫星的列车定位技术和基于查询 /应答器的定位技术 , 大量减少了地面的查询 /应答器 . 并对这些定位技术进行了比较 .关键词 高速铁路 列车定位 查询 /应答器 基于卫星的列车定位分类号 U284. 21Study on T rain Locating of High Speed R ail w ayYan Jianping Bu Bing(College of Electronics and Information Engineering , Northern Jiaotong University , Beijin

2、g 100044Abstract This paper deals with the common concepts for high speed train locating.The main train locating technologies in the worldwide are discussed , and a new typemethod of train locating are proposed finally. The method combines balises and satellitebased location modules with low require

3、ments concerning trackside equipment. Theproperties of the above mentioned methods are also given.K ey w ords high speed railway train locating balise satellite based train locating高速铁路列车运行控制系统的定位模型的基本功能是在任何时刻 、 任何地方能决定列车 的具体位置 , 包括列车行车安全的相关间隔 、 速度 、 加速度及轨旁设备和车载设备资源的分配 . 从传统来讲 , 列车运行控制系统中的信息传输媒体主要是轨

4、道电路 . 但是利用轨道电路作为高 速铁路的控制 , 还存在着一定的局限性 1, 主要是因为 :(1 系统控制要求有更多的信息并且要缩短信息响应时间 , 这自然要求提高传送信息的频 率 , 而频率的提高使电信息在轨道中衰耗增大 , 即轨道电路只能是缩短或增加补偿的措施 . 这 就会增加投资和维修费用 .(2 移动列车与地面控制之间应该有双向的信息传输通道 , 以利于构成真正的闭环控制系 统 . 但轨道电路作为信息传输的媒体 , 只能完成地面到列车方向的信息传输 .(3 利用轨道电路一般只能构成固定自动闭塞 , 而难以构成移动自动闭塞系统 , 就不能显 著地缩短列车运行间隔 .基于上述原因 ,

5、高速铁路列车运行控制系统的发展必将取消地面轨道电路 , 同样 , 列车定 本文收到日期 1999201218 闫剑平 男 1972年生 博士生 email yjp 263. net1999年 10月 北 方 交 通 大 学 学 报 Oct. 1999位方式也必须不依赖轨道电路 . 为此 , 世界范围内发展研究了一系列新型的列车定位方式 , 并 取得了可喜的成果 .1 列车定位的一般概念(1 列车定位信息的产生 基于离散的方式 (/. ( . (如德国 L Z B 系统中的轨间电 缆 , .(2 定位信息在列车运行控制系统的不同部分产生 完全基于轨旁设备的定位 不依赖于车载设备 , 所有定位的有

6、源器件都安装在轨道上 (如欧洲安装在较低运输密度铁路线上的防护系统的定位系统 . 完全基于车载设备的定位 不依赖于轨旁设备 , 所有定位的有源器件都安装在列车上 (例如基于卫星的定位系统 . 基于轨旁设备和车载设备的定位 定位信息由轨旁设备和车载设备综合产生 , 定位的 有源器件一部分安装在列车上 (如里程计 、 查询 /应答器识别装置等 , 另一部分安装在轨道上 (例如查询 /应答器 .(3 列车定位系统必须满足的技术要求 2 精确性 列车定位的精确性需满足两种不同的要求 , 一个是列车在同一轨道上纵向的 定位精确性 , 另一个是列车在不同轨道之间横向的定位精确性 . 在纵向的定位精度必须不

7、低于 10m , 在横向的定位精度必须不低于 1m (保证轨道选择的正确性 . 对于时间的可用性 定位系统必须具有执行列车定位而不发生任何间断的能力 , 即有 很好的连续性 . 对于空间的可用性 不管列车运行在任何地理领域内 , 定位信息必须不间断地提供给 列车运行控制系统 , 即有良好的覆盖性 . 可靠性和安全性 定位系统与列车运行控制系统的其它子系统相互独立 , 并能检测和 报告本身发生的失效和故障 . 可维护性 定位系统的设计和使用必须综合考虑预防性维护和校正性维护等因素 , 从 而使定位系统的生命周期成本最小 .2 高速铁路采用的定位方式高速铁路已在发达国家取得了很大发展 , 所采用的

8、列车定位技术是各种各样的 3. 如法 国 ASTREE 系统采用多普勒雷达进行定位 ; 北美 ARES 、 PTC 、 PTS 系统采用 GPS (全球定位 系统 进行定位 ; 欧洲 ETCS 、 日本 CARA T 系统采用查询 /应答器和里程计进行定位 ; 德国 L Z B 系统采用轨间电缆进行列车定位 ; 美国 AA TC 系统采用无线测距进行定位等 . 下面简单 介绍基于卫星的列车定位 、 基于查询 /应答器和里程计的列车定位 .2. 1 基于卫星的列车定位这种定位方式比较成熟的系统是 GPS. GPS 利用低轨道多颗卫星进行全球导航定位 , 卫 星处在距地面高度约 20000km 、

9、 相互间隔 120的三条轨道上 . 每个轨道上有 68颗卫星 , 即 北 方 交 通 大 学 学 报 第 23卷 总共有 18颗到 24颗卫星围绕地球运转 , 每 12h 绕地球一周 . 其目的是保证地球上任何一个 用户终端能同时看到 4颗卫星 , 以进行 4颗卫星的无源定位 , 获得三维空间的位置参数 . 由于 电磁波的传播速度是固定不变的光速 , , 也就等于测量出两个物体之间的距离 . , 扩展的频谱越宽 , 精度就越高 . 利用 C/A 码 (, , 4.利用 GPS . 缺点是 :定位精度较低 ; 列车 .2. 2 /应答器和里程计的列车定位是世界铁路上运用最为广泛的一种方式 . 其

10、原理是 首先在铁路干线的沿线上安装间隔一定距离的查询 /应答器作为列车绝对位置的识别 , 列车每 经过一个查询 /应答器都会获得一个新的绝对位置 ; 在两个查询 /应答器之间 , 列车的具体位置 通过里程计计算而得出 , 即得到列车对于绝对位置的相对距离 . 其原理和结构如图 1所示 .图 1 基于查询 /应答器和 里程计的定位每一个查询 /应答器都存储着它本身的识别号码 , 还存储着下一个查询 /应答器的识别号码 、 到达下一个查询 /应答器的距离以及绝对可靠和安全的列车行车间隔 . 列车一旦读取了定位查询 /应答器的识别号码 , 就可以通过存储在列车上电子地图的辅助 , 得到列车在轨道上的

11、绝对位置信息 . 查询 /应答器内部的信息由列车上的查询 /应答器识别装置来读取 ,由 车载计算机判别一个查询 /应答器的信息是否被成功地读取 , 处理后送到里程计 . 里程计对列车在相临两个查询 /应答器之间已经走行的距离进行计算 , 并综合绝对位置信息 , 产生 一个完整的列车位置信息 , 再送往车载计算机 , 作为列车运行 控制的依据 . 当列车每经过一个查询 /应答器 , 都得到一个新的绝对位置信息 , 同时校正里程计的测距误差 1基于查询 /应答器和里程计的定位方式的特点是 :定位精度比较高 , 可以达到 5m ; 成本比 较昂贵 , 需要在轨道每间隔 1km 处 、 每一个道岔及道

12、口处安装查询 /应答器 ; 由于拥有大量的 地面设备 , 所以不利于设备的维护和保养 2,4.3 卫星辅助的基于查询 /应答器和里程计的列车定位通过对上述两种列车定位方式及其特点的阐述 , 其中基于查询 /应答器和里程计的定位方 式比较精确 , 但是这是以很高的成本和维护量为代价的 1为了降低成本和维护量 , 通过适当引 入卫星的定位方式 , 产生一种崭新的列车定位方式 卫星辅助的基于查询 /应答器和里程计 的列车定位 , 可互相取长补短 , 达到最佳的效益 /成本比率 1首先 , 由于引入了基于卫星的列车定位方式 , 因此 , 需在列车上安装通过传感器 (卫星定位 模块 以接收卫星信息 1基

13、于卫星的定位模块在该方式中只是根据电子地图按一定距离间隔 (例如 1km 提供列车的绝对位置 , 即具有同查询 /应答器一样的功能 1绝对位置之间的相对 位置也是由里程计测距得出 , 每隔一定的距离则由卫星定位模块根据电子地图进行校正 1采 用里程计而不使用卫星进行列车的连续定位 , 可以有效避免卫星定位误差的累积 , 因此该定位第 5期 闫剑平等 :高速铁路列车定位技术的研究 方式的精度比卫星定位高 1另外 , 要进一步提高精度 , 相应缩短卫星的定位模块提供绝对位置 信息的间隔即可 , 因此具有高灵活性 1其次 , 考虑到有些地方接收不到卫星发出的定位信息 (例如隧道 , 在这些地方应安装

14、查询 /应答器 , 并切换到基于查询 /应答器和里程计的定位方式 进行工作 1为了保证定位方式之间的切换和兼容 , 装调节器 , /一步提高精度 , /整 , 1, /应答器的数量 ; 其定位精度低于基于查询 /应答器和里程 , 高于卫星定位 1其原理和结构参见图 21图 2 卫星辅助基于查询 /应答器和里程计定位 当卫星定位模块能够接收到卫星信息时 ,卫星信息经过调节器转化为查询 /应答器的报文形式 , 送往车载计算机 , 与内部存储的电子地图结合 , 把绝对位置信息送到里程计 1里程计综合绝对位置信息和本身的测距 , 产生一完整的列车位置信息 , 再送往车载计算机作为列车运行控制的依据 1

15、里程计的误差由卫星定位模块按一定距离间隔或由查询 /应答器校正 1当卫星定位模块接收不到卫星信息时 , 调 节器通知查询 /应答器识别装置 , 并开始工作 ,读取查询 /应答器的内容作为列车的绝对位置 , 通过调节器不加变化地送往车载计算机 , 此后 的工作过程与基于查询 /应答器和里程计的定位方式相同 14 结论卫星辅助的基于查询 /应答器和里程计的定位方式具有如下特点 :(1 安装的基于卫星的定位模块的数量远远低于节省的查询 /应答器 , 而安装一个基于卫 星的定位模块的费用与安装一个查询 /应答器的费用基本相同 , 所以可大大节约成本 .(2 节省了大量的轨旁查询 /应答器 , 而代之于少量的列车上的基于卫星的定位模块 , 使设 备所处的环境得到了改善 , 提高了定位设备的可靠性 .(3 设备数量减少 , 并且大部分位于列车上 , 所以利于维护 .(4 定位精度对比于基于卫星的定位来说有较大的提高 , 可完全地满足高速铁路的需要 .参 考 文 献1 汪希时 . 高速铁路行车安全控制系统概论 . 世界铁路报道 ,1997, (2 :33372 Rover S. Satellite Based L