高速鐵路列車定位技術(shù)的研究

1、 (, 摘 , 闡述了高速鐵路中常用的列車定位技術(shù) . 最, 綜合利用基于衛(wèi)星的列車定位技術(shù)和基于查詢 /應(yīng)答器的定位技術(shù) , 大量減少了地面的查詢 /應(yīng)答器 . 并對這些定位技術(shù)進行了比較 .關(guān)鍵詞 高速鐵路 列車定位 查詢 /應(yīng)答器 基于衛(wèi)星的列車定位分類號 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高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)的定位模型的基本功能是在任何時刻 、 任何地方能決定列車 的具體位置 , 包括列車行車安全的相關(guān)間隔 、 速度 、 加速度及軌旁設(shè)備和車載設(shè)備資源的分配 . 從傳統(tǒng)來講 , 列車運行控制系統(tǒng)中的信息傳輸媒體主要是軌

4、道電路 . 但是利用軌道電路作為高 速鐵路的控制 , 還存在著一定的局限性 1, 主要是因為 :(1 系統(tǒng)控制要求有更多的信息并且要縮短信息響應(yīng)時間 , 這自然要求提高傳送信息的頻 率 , 而頻率的提高使電信息在軌道中衰耗增大 , 即軌道電路只能是縮短或增加補償?shù)拇胧?. 這 就會增加投資和維修費用 .(2 移動列車與地面控制之間應(yīng)該有雙向的信息傳輸通道 , 以利于構(gòu)成真正的閉環(huán)控制系 統(tǒng) . 但軌道電路作為信息傳輸?shù)拿襟w , 只能完成地面到列車方向的信息傳輸 .(3 利用軌道電路一般只能構(gòu)成固定自動閉塞 , 而難以構(gòu)成移動自動閉塞系統(tǒng) , 就不能顯 著地縮短列車運行間隔 .基于上述原因 ,

5、高速鐵路列車運行控制系統(tǒng)的發(fā)展必將取消地面軌道電路 , 同樣 , 列車定 本文收到日期 1999201218 閆劍平 男 1972年生 博士生 email yjp 263. net1999年 10月 北 方 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報 Oct. 1999位方式也必須不依賴軌道電路 . 為此 , 世界范圍內(nèi)發(fā)展研究了一系列新型的列車定位方式 , 并 取得了可喜的成果 .1 列車定位的一般概念(1 列車定位信息的產(chǎn)生 基于離散的方式 (/. ( . (如德國 L Z B 系統(tǒng)中的軌間電 纜 , .(2 定位信息在列車運行控制系統(tǒng)的不同部分產(chǎn)生 完全基于軌旁設(shè)備的定位 不依賴于車載設(shè)備 , 所有定位的有

6、源器件都安裝在軌道上 (如歐洲安裝在較低運輸密度鐵路線上的防護系統(tǒng)的定位系統(tǒng) . 完全基于車載設(shè)備的定位 不依賴于軌旁設(shè)備 , 所有定位的有源器件都安裝在列車上 (例如基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng) . 基于軌旁設(shè)備和車載設(shè)備的定位 定位信息由軌旁設(shè)備和車載設(shè)備綜合產(chǎn)生 , 定位的 有源器件一部分安裝在列車上 (如里程計 、 查詢 /應(yīng)答器識別裝置等 , 另一部分安裝在軌道上 (例如查詢 /應(yīng)答器 .(3 列車定位系統(tǒng)必須滿足的技術(shù)要求 2 精確性 列車定位的精確性需滿足兩種不同的要求 , 一個是列車在同一軌道上縱向的 定位精確性 , 另一個是列車在不同軌道之間橫向的定位精確性 . 在縱向的定位精度必須不

7、低于 10m , 在橫向的定位精度必須不低于 1m (保證軌道選擇的正確性 . 對于時間的可用性 定位系統(tǒng)必須具有執(zhí)行列車定位而不發(fā)生任何間斷的能力 , 即有 很好的連續(xù)性 . 對于空間的可用性 不管列車運行在任何地理領(lǐng)域內(nèi) , 定位信息必須不間斷地提供給 列車運行控制系統(tǒng) , 即有良好的覆蓋性 . 可靠性和安全性 定位系統(tǒng)與列車運行控制系統(tǒng)的其它子系統(tǒng)相互獨立 , 并能檢測和 報告本身發(fā)生的失效和故障 . 可維護性 定位系統(tǒng)的設(shè)計和使用必須綜合考慮預(yù)防性維護和校正性維護等因素 , 從 而使定位系統(tǒng)的生命周期成本最小 .2 高速鐵路采用的定位方式高速鐵路已在發(fā)達國家取得了很大發(fā)展 , 所采用的

8、列車定位技術(shù)是各種各樣的 3. 如法 國 ASTREE 系統(tǒng)采用多普勒雷達進行定位 ; 北美 ARES 、 PTC 、 PTS 系統(tǒng)采用 GPS (全球定位 系統(tǒng) 進行定位 ; 歐洲 ETCS 、 日本 CARA T 系統(tǒng)采用查詢 /應(yīng)答器和里程計進行定位 ; 德國 L Z B 系統(tǒng)采用軌間電纜進行列車定位 ; 美國 AA TC 系統(tǒng)采用無線測距進行定位等 . 下面簡單 介紹基于衛(wèi)星的列車定位 、 基于查詢 /應(yīng)答器和里程計的列車定位 .2. 1 基于衛(wèi)星的列車定位這種定位方式比較成熟的系統(tǒng)是 GPS. GPS 利用低軌道多顆衛(wèi)星進行全球?qū)Ш蕉ㄎ?, 衛(wèi) 星處在距地面高度約 20000km 、

9、 相互間隔 120°的三條軌道上 . 每個軌道上有 68顆衛(wèi)星 , 即 北 方 交 通 大 學(xué) 學(xué) 報 第 23卷 總共有 18顆到 24顆衛(wèi)星圍繞地球運轉(zhuǎn) , 每 12h 繞地球一周 . 其目的是保證地球上任何一個 用戶終端能同時看到 4顆衛(wèi)星 , 以進行 4顆衛(wèi)星的無源定位 , 獲得三維空間的位置參數(shù) . 由于 電磁波的傳播速度是固定不變的光速 , , 也就等于測量出兩個物體之間的距離 . , 擴展的頻譜越寬 , 精度就越高 . 利用 C/A 碼 (, , 4.利用 GPS . 缺點是 :定位精度較低 ; 列車 .2. 2 /應(yīng)答器和里程計的列車定位是世界鐵路上運用最為廣泛的一種

10、方式 . 其原理是 首先在鐵路干線的沿線上安裝間隔一定距離的查詢 /應(yīng)答器作為列車絕對位置的識別 , 列車每 經(jīng)過一個查詢 /應(yīng)答器都會獲得一個新的絕對位置 ; 在兩個查詢 /應(yīng)答器之間 , 列車的具體位置 通過里程計計算而得出 , 即得到列車對于絕對位置的相對距離 . 其原理和結(jié)構(gòu)如圖 1所示 .圖 1 基于查詢 /應(yīng)答器和 里程計的定位每一個查詢 /應(yīng)答器都存儲著它本身的識別號碼 , 還存儲著下一個查詢 /應(yīng)答器的識別號碼 、 到達下一個查詢 /應(yīng)答器的距離以及絕對可靠和安全的列車行車間隔 . 列車一旦讀取了定位查詢 /應(yīng)答器的識別號碼 , 就可以通過存儲在列車上電子地圖的輔助 , 得到列

11、車在軌道上的絕對位置信息 . 查詢 /應(yīng)答器內(nèi)部的信息由列車上的查詢 /應(yīng)答器識別裝置來讀取 ,由 車載計算機判別一個查詢 /應(yīng)答器的信息是否被成功地讀取 , 處理后送到里程計 . 里程計對列車在相臨兩個查詢 /應(yīng)答器之間已經(jīng)走行的距離進行計算 , 并綜合絕對位置信息 , 產(chǎn)生 一個完整的列車位置信息 , 再送往車載計算機 , 作為列車運行 控制的依據(jù) . 當列車每經(jīng)過一個查詢 /應(yīng)答器 , 都得到一個新的絕對位置信息 , 同時校正里程計的測距誤差 1基于查詢 /應(yīng)答器和里程計的定位方式的特點是 :定位精度比較高 , 可以達到 5m ; 成本比 較昂貴 , 需要在軌道每間隔 1km 處 、 每

12、一個道岔及道口處安裝查詢 /應(yīng)答器 ; 由于擁有大量的 地面設(shè)備 , 所以不利于設(shè)備的維護和保養(yǎng) 2,4.3 衛(wèi)星輔助的基于查詢 /應(yīng)答器和里程計的列車定位通過對上述兩種列車定位方式及其特點的闡述 , 其中基于查詢 /應(yīng)答器和里程計的定位方 式比較精確 , 但是這是以很高的成本和維護量為代價的 1為了降低成本和維護量 , 通過適當引 入衛(wèi)星的定位方式 , 產(chǎn)生一種嶄新的列車定位方式 衛(wèi)星輔助的基于查詢 /應(yīng)答器和里程計 的列車定位 , 可互相取長補短 , 達到最佳的效益 /成本比率 1首先 , 由于引入了基于衛(wèi)星的列車定位方式 , 因此 , 需在列車上安裝通過傳感器 (衛(wèi)星定位 模塊 以接收衛(wèi)

13、星信息 1基于衛(wèi)星的定位模塊在該方式中只是根據(jù)電子地圖按一定距離間隔 (例如 1km 提供列車的絕對位置 , 即具有同查詢 /應(yīng)答器一樣的功能 1絕對位置之間的相對 位置也是由里程計測距得出 , 每隔一定的距離則由衛(wèi)星定位模塊根據(jù)電子地圖進行校正 1采 用里程計而不使用衛(wèi)星進行列車的連續(xù)定位 , 可以有效避免衛(wèi)星定位誤差的累積 , 因此該定位第 5期 閆劍平等 :高速鐵路列車定位技術(shù)的研究 方式的精度比衛(wèi)星定位高 1另外 , 要進一步提高精度 , 相應(yīng)縮短衛(wèi)星的定位模塊提供絕對位置 信息的間隔即可 , 因此具有高靈活性 1其次 , 考慮到有些地方接收不到衛(wèi)星發(fā)出的定位信息 (例如隧道 , 在這

14、些地方應(yīng)安裝查詢 /應(yīng)答器 , 并切換到基于查詢 /應(yīng)答器和里程計的定位方式 進行工作 1為了保證定位方式之間的切換和兼容 , 裝調(diào)節(jié)器 , /一步提高精度 , /整 , 1, /應(yīng)答器的數(shù)量 ; 其定位精度低于基于查詢 /應(yīng)答器和里程 , 高于衛(wèi)星定位 1其原理和結(jié)構(gòu)參見圖 21圖 2 衛(wèi)星輔助基于查詢 /應(yīng)答器和里程計定位 當衛(wèi)星定位模塊能夠接收到衛(wèi)星信息時 ,衛(wèi)星信息經(jīng)過調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)化為查詢 /應(yīng)答器的報文形式 , 送往車載計算機 , 與內(nèi)部存儲的電子地圖結(jié)合 , 把絕對位置信息送到里程計 1里程計綜合絕對位置信息和本身的測距 , 產(chǎn)生一完整的列車位置信息 , 再送往車載計算機作為列車運行控

15、制的依據(jù) 1里程計的誤差由衛(wèi)星定位模塊按一定距離間隔或由查詢 /應(yīng)答器校正 1當衛(wèi)星定位模塊接收不到衛(wèi)星信息時 , 調(diào) 節(jié)器通知查詢 /應(yīng)答器識別裝置 , 并開始工作 ,讀取查詢 /應(yīng)答器的內(nèi)容作為列車的絕對位置 , 通過調(diào)節(jié)器不加變化地送往車載計算機 , 此后 的工作過程與基于查詢 /應(yīng)答器和里程計的定位方式相同 14 結(jié)論衛(wèi)星輔助的基于查詢 /應(yīng)答器和里程計的定位方式具有如下特點 :(1 安裝的基于衛(wèi)星的定位模塊的數(shù)量遠遠低于節(jié)省的查詢 /應(yīng)答器 , 而安裝一個基于衛(wèi) 星的定位模塊的費用與安裝一個查詢 /應(yīng)答器的費用基本相同 , 所以可大大節(jié)約成本 .(2 節(jié)省了大量的軌旁查詢 /應(yīng)答器 , 而代之于少量的列車上的基于衛(wèi)星的定位模塊 , 使設(shè) 備所處的環(huán)境得到了改善 , 提高了定位設(shè)備的可靠性 .(3 設(shè)備數(shù)量減少 , 并且大部分位于列車上 , 所以利于維護 .(4 定位精度對比于基于衛(wèi)星的定位來說有較大的提高 , 可完全地滿足高速鐵路的需要 .參 考 文 獻1 汪希時 . 高速鐵路行車安全控制系統(tǒng)概論 . 世界鐵路報道 ,1997, (2 :33372 Rover S. Satellite Based