定位技术

第3章列车运行控制的主要技术与方法速度控制模式3.1测速技术3.2列车定位技术3.3无线通信技术3.4闭塞方式3.5列车位置信息在列车自动控制系统中具有重要的地位，几乎每个子功能的实现都需要列车的位置信息作为参数之一。所以说列车定位是列车控制系统中一个非常重要的环节，它使得调度指挥和行车控制一体化的综合自动化系统的实现成为可能，更加有效地提高行车效率和安全性。在列车运行控制系统中的作用主要体现在以下两个方面：（1）地面控制中心根据列车的位置信息，进行间隔控制，保证追踪运行列车的安全间隔。基于轨道电路的列车运行控制系统中，地面控制中心通过轨道电路获得的列车位置，以轨道电路的分区为单位。基于通信的列车运行控制系统，可以通过无线通信，获得列车的准确位置。（2）车载设备获得列车的位置和速度信息，可以根据速度——距离模式曲线进行控制，与仅根据速度进行的阶梯控制相比，可避免列车的多次制动。过去几十年中，关于列车运行控制系统的研究取得了显著的进展，使其功能不再仅仅局限于对列车的检测、表示等，而由“表示型”转向“控制型”发展。目前，在世界各国轨道交通列车自动控制系统中使用的列车定位方式主要有：1．轨道电路定位2．计轴器定位3．查询应答器定位4．测速定位5．交叉感应回线定位6．GPS列车定位7．无线扩频列车定位8．IPS列车定位9．航位推算系统定位1．轨道电路定位基于轨道电路的列车定位是一种粗精度检测列车位置的方式。将钢轨分成不同的区段，在每个区段的始端和终端加上发送、接收设备，构成一个闭合电流/信息传输回路。当列车进入区段时，车轮对将两根钢轨短路，电流/信息不能到达接收端，接收端继电器失磁落下，对应点亮红色信号灯，达到列车定位的目的。轨道电路定位方式的优点是经济、方便、可靠性高，既可以实现列车定位，又可以检测轨道的完好情况，且无需对当前设备做大的改动即可实现列车定位；缺点是定位精度取决于轨道电路的长度，不精确，无法构成移动闭塞。轨道电路分为机械绝缘和电气绝缘两种类型，利用数字轨道电路对列车进行定位是城市轨道交通系统中应用较为普遍的技术手段。2．计轴器定位计轴器是一种特殊的列车定位装置，适用于某些无法采用轨道电路的场合。近年来，我国城市轨道交通也逐渐在各线路广泛使用该技术。计轴器定位继承了轨道电路定位的诸多特点，和前述的轨道电路法一样，这种方法的定位安全性较高，精度较差，通常也需与测速装置结合起来使用。由于不依赖于轨道电路，对环境的适应性更强，维护量相对较小；但不能作为车——地信息传输的通道，也无法检测断轨故障。3．查询应答器定位基于查询应答器的定位方法也是广泛采用的列车定位方式，它可以在设置查询应答器的相应点给出列车定位信息。一般由车载查询器、地面应答器和轨旁电子单元组成。应答器被以一定间隔距离设置在轨道交通沿线上，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。作为列车定位系统，查询应答器的维修费用低、使用寿命长且能在恶劣条件下稳定工作；具有很高的定位精度，它在应答器安装点的定位精度为1~2m，取决于查询天线的作用范围。它同时还具有很高的可靠度，可以在任何气候、任何地点（包括GPS作用不到的地区）可靠地工作，并且还具有维修简便、运行费用等一系列优点。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。目前一般采用混合定位法，即用其他定位方法测距，以查询应答器纠正累计误差，这种混合定位法通常配合出现轮径变化、打滑或空转时，累计误差可能很大的定位方法使用。4．测速定位轨道电路、计轴器定位技术的定位精度都比较低，在对列车运行速度、位移实施精确控制时是远远不够的。为了提高列车定位的精度，目前在现场上比较广泛地应用了测速定位作为辅助定位方式。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影响也是非常直接。因此，该方法关键在于速度测量的准确性和求位移算法的合理性。但是，测速定位这种方法属于相对定位，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。为了提高测速定位的精度和系统的稳定性和可靠性，通常采用轮脉冲速度传感器、多普勒雷达速度传感器、加速度计与查询应答器组合使用，进行多传感器信息融合列车测速定位。5．交叉感应回线定位由于轨道电路在实现车——地通信时受钢轨、道床条件的限制较大，成为制约列车提速、提高行车密度的“瓶颈”。通常采用的方法是在两根钢轨之间敷设等距交叉感应回线。一条线固定在轨道中央的道床上，另一条线固定在钢轨的颈部下方，它们每隔一定距离（25m或50m）做交叉。当列车经过每个电缆交叉点时，车载设备检测到回线内信号的极性变化，并对极性变化的次数进行计数，从而确定列车行驶过的距离，达到列车定位的目的。交叉感应回线定位方式成本较低，实现也比较简单，但只能实现列车的相对定位，每隔一段距离就要对列车的位置进行修正，而且定位精度受交叉区长度的限制，如果交叉区比较窄，位置脉冲漏计的可能性增大。列控中心25m沿轨道安装的环线216．GPS列车定位GPS全球定位系统(GlobalPositioningSystem)是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统，可为全球提供完善的定位服务。GPS由位于地球上空约20231km的24颗卫星和监视管理这群卫星的5个地面站组成。这些卫星用原子钟作为标准时间，每天绕地球2周，一天24h向地球连续播发精确的时间及位置信息。配有GPS接收机的用户，可在地球上任何地方、任何时刻收到卫星播发的信息，通过测量卫星信号发射和接收的时间间隔，计算出用户至卫星的距离，然后根据4颗卫星的数据，即可实时地确定用户所在地理位置，即经度、纬度和高度三维地点信息。系统包括GPS卫星（空间部分）、地面支撑系统（地面监控部分）和GPS接收机（用户部分）三个部分。通过在列车上安装GPS接收机，接收太空中4颗以上卫星信号，根据这些信号及信号传输过程中的时间延迟或相位延迟，计算出三维空间中列车所处的绝对位置。利用GPS实现列车定位，优点是设备简单、接收机技术成熟、成本低、体积小、维护方便。但也存在不少缺点：目前运动定位精度远低于静止定位精度，在并行线路上易发生认错股道的现象。接收器处应有开阔的天空，视场内阻碍物的高度的仰角应小于12°～15°，以减弱对流层对卫星信号折射的影响，而列车不可避免地要穿过隧道、密林和城市，在这些地方存在定位盲区，极大地影响了列车的定位精度，在通过遂道、密林时，根本接收不到信号，在通过高楼林立的城市时，也会因视场不开阔而接收不到信号。恶劣的天气也会对GPS的工作产生重大的干扰，而列车的运行却不能因为天气恶劣而停止。在城市轨道交通中，列车处在林立的高楼之间，卫星定位的精度受到很大程度的影响，地铁更是在地面的遮蔽下，根本无法接收到卫星信号，无疑卫星定位技术在城市轨道交通特别是在地铁的列车定位系统中无法充当主要角色。7．无线扩频列车定位无线扩频列车定位的基本原理是在地面沿线路设置无线基站，无线基站不断发射带有其位置信息的扩频信号。列车接收到由无线基站发送的扩频信息后，求解列车与信息之间的时钟差，并根据该时钟差求出与无线基站之间的距离，同时接收3个以上无线基站的信息就可以求出列车的即时位置。可以看出，扩频无线电定位与GPS定位原理几乎完全一样，只是将卫星“挪”到了地面，由无线基站实现了GPS卫星的功能。它的特点是抗干扰性强、隐蔽性强、易于实现码分多址和抗多径干扰。扩频多址主要有跳频扩频和直接序列扩频两种方法。8．IPS列车定位IPS（Inertialpositioningsystem）惯性列车定位系统，根据牛顿力学定律，通过测量列车的加速度，将加速度进行一次积分得到列车的运行速度，再进行一次积分即可得到列车的位置（包括经度、纬度和高度），从而实现了对列车的定位。IPS定位的显著优点是环境适应性强，它不受天气、电磁场等影响，属于一种高安全性的定位方式。它随时可以采集列车的位置信息（连续采集、连续积分），在小范围内其测量精度也较高，而且该种方法获取的信息种类较多，如列车的方向、位置、速度等。但是这种方法是一种相对定位方式，必须获得列车的初始位置信息后方可得到列车的即时位置；同时，与其他定位方式一样，也存在误差积累的缺陷，所以通常与其他定位方式结合使用，作为提高定位精度的手段或解决某些定位方法的缺陷。9．航位推算系统定位航位推算系统由测量航向角的传感器和测量距离的传感器构成。典型的航位推算系统传感设备能够测量出正在行驶的车辆的运行距离、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，以避免累计误差。但是由于城市轨道交通所处的特殊环境决定了需要对上述多种定位方法的合理性和适用性综合比较进行慎重选择。（1）由于城市土地资源紧张，一般的城市轨道交通都是地下铁道，就是我们通常所说的地铁，列车运行于地面底下一定的深度，地面上的电磁波的无法直接传播到地铁中。这种条件下，列车根本无法接收到GPS等的卫星信号，所以在城市轨道中，GPS等定位技术已经无用武之地。（2）由于城市轨道交通中列车的运行路线比较固定，而且比较简单，基本上可以看作一维的，只要测量出列车运行的距离就可以确定列车的位置。(3)城市轨道列车速度不是很高，通常在80km/h左右。但随着城市轨道交通中CBTC系统的应用和发展，移动自动闭塞的实现，列车之间的追踪间隔越来越小，一般能到90s，未来会更小。测速定位的实时性和精度就显得更加重要。(4)城市轨道的路面情况虽然没有铁路复杂，但也有很多的不确定因素，对雷达测速有一定的随机干扰(白色和有色噪声)。城市轨道交通与铁路一样存在轮对空转和滑行等的情况，轮脉冲测速传感器测速也因此受到影响。加速度计由于列车的振动等也会有测量误差。所以要进行多传感器信息融合，使各个传感器能互补缺陷。经过分析，针对城市轨道交通对定位技术的精度和实时性要求以及其所处环境的特殊性，选用基于测速的列车定位方法，并用查询应答器的定位方法对测速定位进行校正的方案比较理想。对列车的控制不仅需要掌握列车的位置信息，还需要检测列车的完整性。检测列车完整性的最好方法是在列车尾部也安装无线通信设备，它能不间断地发出无线信号给列车头部的车载设备，一旦头尾通信中断，则认为列车完整性出现了问题。