城市軌道交通列車定位誤差檢測(cè)與補(bǔ)償及方法改進(jìn)的研究

1、城市軌道交通列車定位中對(duì)輪軸空轉(zhuǎn)、滑行誤差分析及方法改進(jìn)的研究目錄摘要：2一、緒論：31.1基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)的發(fā)展31.2列車定位系統(tǒng)分析61.2.1列車定位系統(tǒng)的地位61.2.2 列車定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析71.3本文的研究工作92列車定位方法研究92.1基于速度傳感器的列車定位102.1.1 定位算法102.1.2 定位誤差分析102.1.3 對(duì)輪對(duì)的校準(zhǔn)122.1.4定位誤差的測(cè)量132.1.5 定位誤差的補(bǔ)償143列車定位算法設(shè)計(jì)153.1基于加速度計(jì)的列車定位誤差的檢測(cè)算法研究153.2基于加速度計(jì)的列車定位誤差的補(bǔ)償算法研究174總結(jié)與展望185參考文獻(xiàn)19摘要： 列

2、車控制系統(tǒng)中，列車定位系統(tǒng)是保證鐵路行車安全，提升通過能力，提高運(yùn)輸效率的重要技術(shù)裝備之一。近些年來隨著鐵路運(yùn)行壓力日增以及高速鐵路的快速發(fā)展對(duì)其提出了更高的要求。列車定位問題的研究是目前信號(hào)控制系統(tǒng)重要的研究方向。列車測(cè)速定位的精度和可靠性直接影響列車的行車安全和運(yùn)行效率。在城市軌道交通的列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲得列車速度和位置信息是列車安全、高效運(yùn)行的保障。因此對(duì)列車測(cè)速定位方法進(jìn)行深入研究，對(duì)于推動(dòng)城市軌道交通的發(fā)展具有重大和深遠(yuǎn)的意義。 本文總結(jié)了目前列車定位的發(fā)展現(xiàn)狀，以及基于多傳感器信息融合的列車定位的發(fā)展。同時(shí)還對(duì)當(dāng)前最常用的基于速度傳感器的列車定位方法進(jìn)

3、行了深入研究，包括定位算法，誤差產(chǎn)生原因，以及定位誤差的檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)榷甲隽朔治?。通過這些研究作者發(fā)現(xiàn)，基于速度傳感器的列車定位方法不能很好的檢測(cè)定位誤差，尤其是空轉(zhuǎn)和滑行的產(chǎn)生。因此在本文中作者對(duì)速度傳感器測(cè)速的原理進(jìn)行闡述，并對(duì)其誤差來源進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)輪對(duì)校準(zhǔn)和誤差補(bǔ)償；在第三章中提出了基于加速度傳感器的測(cè)速原理，并在理論上加以驗(yàn)證。論文得出結(jié)論，基于加速度傳感器測(cè)速對(duì)速度傳感器的補(bǔ)償是行之有效的方法，由于在理論上對(duì)于該原理進(jìn)行驗(yàn)證，有很大的理論依據(jù)；有可能成為有效提高列車測(cè)速定位的精度和可靠性的方法。關(guān)鍵詞:列車定位;速度傳感器;空轉(zhuǎn)滑行;誤差補(bǔ)償;加速度傳感器一、緒論： 在當(dāng)今的城市交

4、通系統(tǒng)、區(qū)域綜合交通系統(tǒng)和國(guó)家綜合交通運(yùn)輸體系中，軌道交通系統(tǒng)都發(fā)揮著重要的骨干作用。軌道交通系統(tǒng)包括干線鐵路、城市地鐵和輕軌系統(tǒng)等。無論是高速輪軌與常規(guī)輪軌，無論是城市地鐵輕軌鐵路與干線鐵路，軌道交通作為一種社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的陸上交通工具，已經(jīng)得到普遍的公認(rèn)。特別是隨著二十世紀(jì)六十年代高速鐵路的出現(xiàn)以及人類對(duì)即將要面臨的能源危機(jī)的覺醒，使人們對(duì)軌道交通的認(rèn)識(shí)不斷深入。由于軌道交通系統(tǒng)具有運(yùn)量大，占地少，單位運(yùn)量能耗小等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以目前世界各國(guó)均將軌道交通的建設(shè)作為其綜合交通系統(tǒng)建設(shè)中的重點(diǎn)，特別是高速鐵路的建設(shè)和城市軌道交通的建設(shè)。 隨著城市經(jīng)濟(jì)、文化活動(dòng)的發(fā)展，城市交通問題日益突出，帶來一

5、系列的問題，如交通阻塞、車速下降、事故頻繁發(fā)生、汽車排放的尾氣和噪聲等對(duì)環(huán)境的污染等。為了緩解城市交通壓力和解決這一系列的問題，地鐵、輕軌鐵路等城市軌道交通己經(jīng)成為城市交通的首選。城市軌道交通以其運(yùn)送量大、快速、正點(diǎn)、低能耗、少污染、乘坐舒適和安全著稱。 安全和高效永遠(yuǎn)是軌道交通系統(tǒng)追求的目標(biāo)，在保證安全的前提下，需要提升列車運(yùn)行速度，進(jìn)一步提高列車運(yùn)輸效率。這就要求有一個(gè)更加安全穩(wěn)定的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是保證行車安全，提高運(yùn)輸效率的鐵路設(shè)備，是鐵路的關(guān)鍵技術(shù)裝備之一。隨著列車速度和密度的不斷提高對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)也提出了更高的要求。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)目前已發(fā)展為先進(jìn)的自動(dòng)化控制

6、系統(tǒng)。作為軌道交通系統(tǒng)的核心，其性能的好壞直接影響著軌道交通系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行。 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，是由地面設(shè)備和車載設(shè)備構(gòu)成，用于控制列車運(yùn)行速度、列車安全高效運(yùn)行的控制系統(tǒng)，是鐵道信號(hào)的重要組成部分。本文所說的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)主要指區(qū)間列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。 列車定位技術(shù)是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)。列車的速度和位置是描述列車運(yùn)行狀態(tài)的重要信息，為防止列車超速且與前行列車保持安全距離，必須可靠、精準(zhǔn)的確定列車的速度和位置信息。列車控制中心可以根據(jù)列車的速度和位置信息，確定列車間隔，合理控制列車運(yùn)行安全和效率的平衡點(diǎn)。而車載設(shè)備可以通過列車的速度和位置信息，控制列車更加安全、穩(wěn)定、舒適的運(yùn)行。

7、這些都需要更加精準(zhǔn)的列車定位，也需要提高列車自主定位的能力。1.1基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)的發(fā)展 列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是由閉塞設(shè)備、地面信號(hào)設(shè)備、車載速度控制設(shè)備構(gòu)成的用于控制列車運(yùn)行速度保證行車安全和提高運(yùn)輸能力的控制系統(tǒng)。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是伴隨著軌道交通的出現(xiàn)而誕生的。在過去的近200年歷史中，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)經(jīng)歷了人工控制、機(jī)械控制、電氣控制和電子控制的發(fā)展歷程。它大體上可以劃分為三個(gè)發(fā)展階段，第一階段稱為機(jī)械裝置控制階段，是以機(jī)械鎖閉器和臂板信號(hào)機(jī)為代表的時(shí)代。從上個(gè)世紀(jì)30年代開始，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)進(jìn)入第二階段，稱為電氣控制階段，以繼電器聯(lián)鎖系統(tǒng)和色燈信號(hào)機(jī)為代表。第三階段為電

8、子控制階段，從上個(gè)世紀(jì)六十年代開始，電子器件和計(jì)算機(jī)開始應(yīng)用于列車運(yùn)行控制系統(tǒng)之中，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)迎來了快速發(fā)展的階段，智能化的車載控制系統(tǒng)。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)還將不斷地發(fā)展。 總體上看，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)最基本的問題有下列兩方面. (1)要保證任何一個(gè)運(yùn)行中的列車是安全的。高速運(yùn)行的列車具有較大的動(dòng)量，制動(dòng)需要一定的時(shí)間和距離，所以列車既要與前行列車保持足夠的安全距離，不撞前行列車，同時(shí)也要防護(hù)本列車，使后隨列車也與本列車保持一個(gè)安全距離，為此，就必須決定本列車應(yīng)該按什么速度行車，其中安全是行車的基本要求。 (2)在保證行車安全的前提下，還要使行車有更高的效率，這也是表征一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)是否發(fā)達(dá)的

9、標(biāo)志之一。 由此可見，作為軌道交通系統(tǒng)，安全和高效是其追求的兩大目標(biāo)。軌道交通系統(tǒng)能否安全高效運(yùn)行，首先取決于列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的性能。在軌道交通系統(tǒng)中，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是確保列車運(yùn)行安全，提高列車運(yùn)行效率的核心子系統(tǒng)，是軌道交通系統(tǒng)的大腦和中樞，也是一個(gè)國(guó)家體現(xiàn)自動(dòng)化水平的標(biāo)志之一。在城市軌道交通系統(tǒng)中，列車運(yùn)行速度雖然不是很高，但站間距離短，列車運(yùn)行過程中追蹤間距和時(shí)間間隔都比較小，一般間隔為能達(dá)到90s，甚至更短。以如此短的追蹤間距和時(shí)間間隔行車，既要保證行車安全，又要保證行車的效率和準(zhǔn)確性，對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)有著更高的要求。而快速發(fā)展的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和控制技術(shù)為軌道交通

10、列車控制技術(shù)發(fā)展提供了強(qiáng)而有力的支持。 列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)是將先進(jìn)的控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與軌道交通信號(hào)技術(shù)溶為一體的行車指揮、控制、管理自動(dòng)化系統(tǒng)。它是現(xiàn)代保障軌道交通行車安全、提高運(yùn)輸效率的核心，也是標(biāo)志一個(gè)國(guó)家軌道交通技術(shù)裝備現(xiàn)代化水準(zhǔn)的重要組成部分。它包含:列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(ATO)、列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(ATP)和列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS ) o ATC系統(tǒng)能替代司機(jī)的部分甚至全部作用，大大地提高行車的效率和安全性，使得因人為的疏忽、設(shè)備的故障而產(chǎn)生的事故率降至最低。 列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)有如下的功能及特點(diǎn):.將先進(jìn)的控制技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與軌道交通

11、信號(hào)技術(shù)溶為一體的安全控制系統(tǒng); .線路空閑檢測(cè);.車內(nèi)信號(hào)屬于主體信號(hào)，直接給司機(jī)指示列車應(yīng)遵循的安全運(yùn)行速度; .測(cè)速定位功能;.自動(dòng)監(jiān)控列車運(yùn)行速度，有效地防止由于司機(jī)失去警惕或錯(cuò)誤操作可能釀成超速運(yùn)行、列車顛覆、冒進(jìn)信號(hào)或列車追尾等事故，它是一種行車安全控制設(shè)備; .為滿足行車安全控制需要，給司機(jī)指示安全可靠的速度指令，它通過安全可靠的大容量的地車之間信息傳輸系統(tǒng)傳輸安全控制信息;隨著人們進(jìn)入數(shù)字化、信息化時(shí)代，生活水平不斷提高，人們對(duì)軌道交通運(yùn)輸?shù)囊笠苍絹碓礁撸\(yùn)輸市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。如何實(shí)現(xiàn)安全、快速、高效、經(jīng)濟(jì)的列車運(yùn)行控制，己成為近年來在鐵路列車控制技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，目前，被

12、普遍認(rèn)同的是發(fā)展基于通信的列車控制CBTC(Communication Based TrainControl)系統(tǒng)。 總體來說，CBTC系統(tǒng)由以下特點(diǎn): 1大容量連續(xù)雙向車地通信;2安全計(jì)算機(jī)為核心，地面設(shè)備及車載設(shè)備均采用安全計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理列車狀態(tài)、控制命令，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的間隔控制、進(jìn)路控制速度防護(hù)、自動(dòng)駕駛等;3高精度列車定位，獨(dú)立于軌道電路實(shí)現(xiàn)高精度定位。 與傳統(tǒng)的列車控制系統(tǒng)相比較，CBTC具有較多優(yōu)點(diǎn)，如系統(tǒng)以控制中心設(shè)備為核心，車載和車站設(shè)備為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，車、地列車控制設(shè)備一體化;可利用無線信道進(jìn)行車地之間數(shù)據(jù)的雙向傳輸，列車可將其位置、速度等信息傳給車站，同時(shí)車站也可將控制命令傳給列車

13、，為實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行自動(dòng)控制提供了更好的條件;不間斷地跟蹤、監(jiān)控列車運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)的控制效率和安全性:取消固定閉塞分區(qū)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)自動(dòng)閉塞MAS (Moving Auto-block System),進(jìn)一步縮短列車運(yùn)行間隔，可進(jìn)行靈活的運(yùn)輸組織，方便行車調(diào)度，提高運(yùn)輸效率;集列車運(yùn)行控制及列車運(yùn)行管理于一體，優(yōu)化運(yùn)行方案，可實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行圖;減少沿線地面設(shè)備和維護(hù)工作量，節(jié)省維修費(fèi)用，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，CBTC系統(tǒng)可以進(jìn)一步優(yōu)化列車駕駛的節(jié)能算法，提高節(jié)能效果。 CBTC系統(tǒng)能有效地提高列車運(yùn)行速度，減少列車運(yùn)行的追蹤間隔，提高列車的運(yùn)行效率。為了滿足軌道交通自身列車控制和運(yùn)輸

14、管理的需要，為了提高軌道交通運(yùn)輸質(zhì)量、保證行車安全、提高運(yùn)營(yíng)效率，為了能在日趨激烈的運(yùn)輸市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲取較大的份額，基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)已成為當(dāng)今列車控制發(fā)展的主流方向。從上述發(fā)展簡(jiǎn)述可以看出，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)自從軌道交通誕生以來，就一直不斷地采用新技術(shù)。當(dāng)前的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，己經(jīng)成為集現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)的一個(gè)綜合控制系統(tǒng)，成為軌道交通系統(tǒng)的大腦和中樞系統(tǒng)。在列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)中，特別是在CBTC系統(tǒng)中，列車定位是一項(xiàng)關(guān)鍵性的技術(shù)。在高速度、高密度的運(yùn)行條件下，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)就必須實(shí)時(shí)地、精確地獲得列車的速度和位置信息，以保證列車的行車安全。如何

15、獲得列車實(shí)時(shí)的、精確的速度和位置信息就顯得至關(guān)重要，是提高軌道交通運(yùn)輸效率和安全性的重要條件。1.2列車定位系統(tǒng)分析1.2.1列車定位系統(tǒng)的地位 列車測(cè)速定位的基本功能是在任何時(shí)刻、任何地方都能精確、及時(shí)地確定列車的具體速度和位置，包括列車行車安全的相關(guān)間隔、速度及加速度。其在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面: (1)地面控制中心根據(jù)列車的位置信息，進(jìn)行間隔控制，保證追蹤運(yùn)行的列車的安全間隔。基于軌道電路的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，地面控制中心是通過軌道電路獲得的列車位置，是以軌道電路的分區(qū)為單位的?；谕ㄐ诺牧熊囘\(yùn)行控制系統(tǒng)，可以通過無線通信，獲得列車的準(zhǔn)確位置。(2)車載設(shè)備獲得列

16、車的位置和速度信息，可以根據(jù)速度模式曲線進(jìn)行控制，與僅根據(jù)速度進(jìn)行的階梯控制相比，可避免列車的多次制動(dòng)。過去幾十年中，人們?cè)谘芯啃滦土熊囘\(yùn)行控制系統(tǒng)方面取得了富有成效的進(jìn)展，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的功能不再僅僅局限于對(duì)列車的檢測(cè)、表示等，而由“表示型”向“控制型”發(fā)展。目前，基于通信技術(shù)的列車控制(CBTC)系統(tǒng)已蓬勃興起，并成為列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的主流。CBTC通過地車間的雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的閉環(huán)控制，具有較強(qiáng)的操作能力和靈活性，可以方便的在司機(jī)室進(jìn)行信號(hào)顯示、速度控制，可以精確控制速度、加速和制動(dòng)過程，并能準(zhǔn)確確定列車的位置。加速和制動(dòng)的精確控制可以提高列車運(yùn)行品質(zhì)和節(jié)能水平。在這個(gè)技術(shù)背景

17、下，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)對(duì)列車定位子系統(tǒng)提出了新的要求，要求列車定位子系統(tǒng)具有精確可靠的自主定位能力，減小對(duì)外界的依賴。1.2.2 列車定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析 目前隨著軌道交通尤其是城市軌道交通以及高速鐵路的發(fā)展3，列車定位技術(shù)的研究已經(jīng)逐漸深化。下面首先從定位技術(shù)分析，總結(jié)各種定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足。 1基于輪軸速度傳感器的列車定位基于輪軸速度傳感器的定位方法是目前最常用的列車定位方法之一。就是利用速度傳感器測(cè)量列車輪軸的轉(zhuǎn)速來確定列車的運(yùn)行速度。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，速度傳感器會(huì)產(chǎn)生一定比例的脈沖序列，通過對(duì)此脈沖序列的處理，就可以得到列車的速度。同時(shí)以車輪的周長(zhǎng)作為尺子，只要通過速度傳感器測(cè)得車輪轉(zhuǎn)過的圈

18、數(shù)，再測(cè)出車輪直徑，就可以得到列車的走行距離。由于列車所在的軌道線路是一維的，即根據(jù)列車在線路上走行距離，就可以確定列車的具體位置。所以，輪軸速度傳感器可以用于列車的定位系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn):用輪軸速度傳感器作為列車定位系統(tǒng)時(shí)，沒有數(shù)據(jù)冗余，不會(huì)增加數(shù)據(jù)處理及通信的額外負(fù)擔(dān)。 不足:利用輪軸速度傳感器定位的誤差主要來自兩方面。一是由于車輪的空轉(zhuǎn)、滑行、蠕動(dòng)等造成一定的誤差。二是由于車輪磨損引起輪徑的變化，繼而影響里程計(jì)算的精度。 針對(duì)以上不足可以采用查詢應(yīng)答器等設(shè)備對(duì)列車進(jìn)行絕對(duì)位置的校正，車載定位設(shè)備接收到查詢應(yīng)答器發(fā)送的標(biāo)識(shí)信息后，將不斷校正自身的位置。也可以采用其他傳感器進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)償，這些將在

19、第二章具體介紹。 2)基于查詢應(yīng)答器的列車定位 基于查詢應(yīng)答器的列車定位是世界鐵路上運(yùn)用最為廣泛的一種方式，一般由車載查詢器、地面應(yīng)答器和軌旁電子單元組成。應(yīng)答器被以一定間隔距離設(shè)置在鐵路沿線上，列車每經(jīng)過一個(gè)地面應(yīng)答器，車載查詢器就會(huì)讀取存儲(chǔ)于其上的數(shù)據(jù)信息，從而對(duì)列車的絕對(duì)位置進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)列車的點(diǎn)式定位。利用查詢應(yīng)答器獲取的信息是間斷的，若在兩個(gè)應(yīng)答器之間，外部信息就無法實(shí)時(shí)傳遞給列車。因此，應(yīng)答器更多的是作為其他傳感器定位的補(bǔ)充手段。例如作為上述基于輪軸速度傳感器的列車定位的一個(gè)有效補(bǔ)充。應(yīng)答器安裝的間隔取決于系統(tǒng)能夠容忍的定位誤差極限，若想提高列車定位的精度，則需適當(dāng)減小應(yīng)答器之間的

20、間距。 優(yōu)點(diǎn):在地面應(yīng)答器安裝點(diǎn)的定位精度較高，在復(fù)線鐵路上可以正確區(qū)分列車行駛所在股道，維修費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)且能在惡劣條件下穩(wěn)定工作。 不足:只能給出點(diǎn)式定位信息，存在設(shè)置間距和投資規(guī)模的矛盾。 (3)基于多普勒雷達(dá)測(cè)速的列車定位 基于多普勒雷達(dá)測(cè)速的列車定位是利用了“多普勒效應(yīng)”。將測(cè)速雷達(dá)安裝在列車底部。由于機(jī)車和軌面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)“多普勒移頻效應(yīng)”，在發(fā)射波和反射波之間產(chǎn)生頻差，通過測(cè)量頻差可以計(jì)算出機(jī)車的運(yùn)行速度，并通過時(shí)間上的積分求出運(yùn)行距離。 優(yōu)點(diǎn):基于自身設(shè)備定位，受外界干擾較小。 不足:由于需要速度信息積分獲得位置信息，存在較大累計(jì)誤差。 這種基于測(cè)速的列車定位，由于

21、存在累積誤差，在實(shí)際的應(yīng)用中都需增加應(yīng)答器進(jìn)行間斷的位置校正。 (4)基于慣性導(dǎo)航傳感器的列車定位 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，簡(jiǎn)稱INS )，是一種自助式全天候?qū)Ш较到y(tǒng)，其工作時(shí)不需要任何外來信息，僅依靠系統(tǒng)本身就能全天候進(jìn)行連續(xù)的三維空間定位和定向。正由于其工作的自主性，信息的全面性，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在航空航天、航海以及陸地導(dǎo)航等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為一種主要的導(dǎo)航定位手段。 一般完整的用于列車定位的慣行導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括加速度計(jì)，陀螺儀以及導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。其中，加速度計(jì)主要用來測(cè)量載體運(yùn)行的加速度，陀螺儀模擬一個(gè)導(dǎo)航坐標(biāo)系，將加速度的測(cè)量軸穩(wěn)定在導(dǎo)航坐標(biāo)

22、系中，并用模擬的方法給出載體的姿態(tài)和方位信息。導(dǎo)航計(jì)算機(jī)則用來完成導(dǎo)航計(jì)算和平臺(tái)跟蹤回路中指令角速度信號(hào)的計(jì)算。 優(yōu)點(diǎn):基于自身設(shè)備定位，受外界干擾較小，且在航空航天中的廣泛應(yīng)用也證明了其良好的穩(wěn)定性。 不足:高精度的慣性導(dǎo)航設(shè)備的價(jià)格過高，在軌道交通系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用易受成本限制，而且由于需要積分獲得位置信息，同樣存在較大累計(jì)誤差。 (5)基于GNSS的列車定位5,6 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，簡(jiǎn)稱GNS S)包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(GPS)、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS以及歐洲的伽利略系統(tǒng)等。GNSS能夠在全球范圍

23、內(nèi)通過衛(wèi)星提供精確實(shí)時(shí)的導(dǎo)航服務(wù)。 基于GNSS的列車定位系統(tǒng)可以在列車上安裝GNSS接收機(jī)接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，以導(dǎo)航衛(wèi)星作為動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，實(shí)時(shí)解算出接收機(jī)即列車當(dāng)前位置、速度等信息。目前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，美國(guó)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)精度最高，但高精度的GPS更多用于美國(guó)軍方，民用GPS在美國(guó)國(guó)防部加入了選擇可用性技術(shù)(即Selective Availability，簡(jiǎn)稱SA)后，定位精度相對(duì)較弱。 優(yōu)點(diǎn):使用GNSS技術(shù)進(jìn)行列車定位，可以最大程度的減少軌旁設(shè)備，減少設(shè)備以及維護(hù)費(fèi)用，最大限度降低列車控制系統(tǒng)成本。另外GNS S技術(shù)可以提高列車定位的性能，不受列車運(yùn)行中空轉(zhuǎn)和滑行等因素的干擾

24、，并且誤差不隨時(shí)間累積。 不足:采用GNSS定位易受自然環(huán)境的干擾，在山區(qū)等地衛(wèi)星信號(hào)易受遮擋;頻帶窄，當(dāng)運(yùn)載體作高機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收機(jī)的碼環(huán)和載波環(huán)極易失鎖而丟失信號(hào)，從而完全喪失導(dǎo)航能力;另外，目前的民用GPS精度不足夠高，且受他人控制，易受人為干擾和電子欺騙。若定位精度和發(fā)送頻率能夠進(jìn)一步提高，GNSS定位技術(shù)相比于其他技術(shù)優(yōu)勢(shì)比較明顯。相信隨著國(guó)產(chǎn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐漸完善，再輔以其他傳感器進(jìn)行定位。在保證定位精度的前提下，能夠提高列車運(yùn)行的性能，也將會(huì)對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的發(fā)展起到重要作用。1.3本文的研究工作本文主要從列車定位系統(tǒng)現(xiàn)狀的各種方法中分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并從輪軸空轉(zhuǎn)、花型問題

25、出發(fā)分析誤差來源，研究了基于加速度計(jì)和輪軸速度傳感器的空轉(zhuǎn)和滑行的檢測(cè)方法。相對(duì)于單一的速度傳感器，此方法能夠提高空轉(zhuǎn)滑行的檢測(cè)性能，能夠檢測(cè)到單一速度傳感器無法檢測(cè)到的空轉(zhuǎn)和滑行。并針對(duì)空轉(zhuǎn)和滑行的發(fā)生區(qū)段，設(shè)計(jì)了一種新的基于加速度計(jì)的列車定位誤差的補(bǔ)償算法。2列車定位方法研究本章研究了基于輪軸速度傳感器(以下簡(jiǎn)稱速度傳感器)的列車定位方法。設(shè)計(jì)了基于多傳感器信息融合的列車定位方法的整體結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的多種傳感器組合中，依據(jù)軌道交通的特點(diǎn)和自主定位的理念，合理選擇傳感器，最終確定了以速度傳感器為主的列車定位方法。最后對(duì)定位算法中用加速度傳感器進(jìn)行了補(bǔ)償，利用加速度傳感器原理在理論上進(jìn)行驗(yàn)證。2

26、.1基于速度傳感器的列車定位2.1.1 定位算法 基于速度傳感器的列車定位方法是目前最常用的列車測(cè)速定位方法。真實(shí)列車中速度傳感器測(cè)速定位的原理如圖2-1所示: 圖2-1速度傳感器測(cè)速定位原理 Figure2-1 Speed and position principle based on speed sensor 列車速度傳感器能夠計(jì)算出列車的走行距離，根據(jù)列車在一維線路上的走行距離，就可以確定列車的具體位置。在k時(shí)刻，由速度傳感器測(cè)量的列車走行距離S(k)為 (2. 1)式中，n(k)為k時(shí)刻速度傳感器發(fā)出的脈沖數(shù); N為輪對(duì)每轉(zhuǎn)一圈速度傳感器輸出的脈沖數(shù); D為輪對(duì)的直徑。 根據(jù)列車走行距

27、離也可以測(cè)算出列車運(yùn)行速度， (2. 2) 式中，n為單位時(shí)間內(nèi)測(cè)速傳感器輸出的脈沖數(shù)。2.1.2 定位誤差分析雖然基于速度傳感器的測(cè)速定位方法十分簡(jiǎn)單，且易于實(shí)現(xiàn)。但由于其產(chǎn)生的誤差隨著時(shí)間增大而逐漸累積，最終導(dǎo)致測(cè)量誤差的增大，所以不能單獨(dú)使用。下面我們首先對(duì)其的誤差來源做具體分析。 采用速度傳感器進(jìn)行列車定位的誤差主要來自于兩方面:計(jì)數(shù)誤差和輪徑磨耗。其中，計(jì)數(shù)誤差主要由車輪空轉(zhuǎn)、滑行、蠕滑等造成;輪徑磨耗則是由于車輪磨損引起輪徑變化，從而影響走行距離的計(jì)算。在實(shí)際的列車運(yùn)行過程中，車輪的滑行和空轉(zhuǎn)對(duì)列車的影響是是很大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，列車滑行一次造成的誤差會(huì)達(dá)到十幾米，如此累積造成的誤差將十

28、分嚴(yán)重。因此，如何解決這一問題是列車定位的關(guān)鍵。 解決這一問題有兩種方案:一是改善車輪和軌道的接觸條件，盡量避免此類現(xiàn)象的發(fā)生;二是通過檢測(cè)空轉(zhuǎn)滑行的發(fā)生并對(duì)其誤差進(jìn)行校正來解決。而事實(shí)上，在軌道交通系統(tǒng)中，車輪和軌道間的滑行和空轉(zhuǎn)是無法避免的，因此需要通過檢測(cè)和補(bǔ)償誤差來解決。下面分析一下滑行和空轉(zhuǎn)發(fā)生的原因以及輪徑磨耗問題。 1、空轉(zhuǎn)和滑行空轉(zhuǎn)大多發(fā)生在列車啟動(dòng)過程中。正常情況下，車輪在鋼軌上轉(zhuǎn)動(dòng)，其切線速和切線加速度與列車速度和加速度相等。車輪每轉(zhuǎn)過一圈，列車在軌道上走過的距離等于車輪的周長(zhǎng)。但是，在啟動(dòng)過程中，列車動(dòng)力很大，如果輪軌之間的摩擦力過小，則空轉(zhuǎn)就會(huì)產(chǎn)生。此時(shí)車輪轉(zhuǎn)過一圈，列

29、車在軌道上走過的距離要小于車輪的周長(zhǎng)。即列車的運(yùn)行速度要小于車輪的切線速度。此時(shí)列車真實(shí)的運(yùn)行速度為v(k)，傳感器測(cè)得的車輪的速度為Vn (k)，則不考慮其他因素，v(k)vn(k)。 2、輪徑磨耗在列車運(yùn)行過程中，由于車輪與軌道之間的不斷摩擦損耗，實(shí)際中不可能得到車輪的真實(shí)直徑。車輪在不斷的磨損情況下，直徑將不斷減小。由2.1.1中列車走行距離的計(jì)算公式2.1和速度的計(jì)算公式2.2可知，若名義輪徑小于實(shí)際輪徑，則隨著列車的不斷運(yùn)行，測(cè)得的列車運(yùn)行距離要小于實(shí)際的運(yùn)行距離，走行距離誤差會(huì)逐漸增大，形成累積效應(yīng)，對(duì)列車的測(cè)速定位精度會(huì)產(chǎn)生較大影響。由以上分析可知，速度傳感器測(cè)得的列車速度應(yīng)包含

30、以下五部分內(nèi)容，即k時(shí)刻測(cè)得列車速度為vn k)。則 ( 2. 3)式中，v(k)為列車的真實(shí)運(yùn)行速度; vd(k)為車輪輪徑誤差對(duì)速度測(cè)量造成的影響; vslide (k)為因滑行造成的車輪運(yùn)行的速度誤差; vslip(k)為因空轉(zhuǎn)造成的車輪運(yùn)行的速度誤差; vo (k)測(cè)速時(shí)的干擾，可考慮為白噪聲。 為了減少由滑行和空轉(zhuǎn)帶來的誤差，我們還應(yīng)該了解列車運(yùn)行中滑行和空轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。需要注意的是，在一個(gè)較小的時(shí)間段，對(duì)于同一輪對(duì)，滑行和空轉(zhuǎn)不可能同時(shí)發(fā)生。因此，我們可以將列車的運(yùn)行分為三種情況。即任取一段較小的時(shí)間t1,t2,只會(huì)產(chǎn)生以下情況中的一種:vslide (k)=0 , vslip (k)

31、 0(即發(fā)生空轉(zhuǎn))，或vslide (k) 0 ,vslip (k) = 0(即發(fā)生滑行)，或vslide (k) = 0 , vslipe(k) = 0(即空轉(zhuǎn)滑行均未發(fā)生)。 因此我們可以將空轉(zhuǎn)滑行帶來的速度誤差表示為vp (k)，則測(cè)得列車速度公式可變?yōu)?vn(k)=v(k) + vd (k)+vp(k)+vo(k) (2.4)式中，vp(k)為因空轉(zhuǎn)或滑行造成的車輪運(yùn)行的速度誤差，滑行為負(fù)，空轉(zhuǎn)為正。 同樣，采用速度傳感器進(jìn)行列車定位的誤差同樣來自于四個(gè)方面，k時(shí)刻的列車運(yùn)行位置為Sn(k)。 Sn(k)=S(k)+Sd(k)+Sp(k)+So(k) (2. 5)式中，S(k)為列車在

32、k時(shí)刻的真實(shí)運(yùn)行位置; Sd(k)為車輪輪徑誤差對(duì)定位造成的影響; Sp(k)為因空轉(zhuǎn)或滑行造成的車輪運(yùn)行位置的誤差，滑行時(shí)負(fù)，空轉(zhuǎn)為正; So(k)為定位時(shí)的干擾，可考慮為白噪聲。 由式2.4, 2.5可知，針對(duì)上述存在的誤差，需通過兩方面進(jìn)行校正。一是修正車輪輪徑誤差，減小其對(duì)測(cè)速定位產(chǎn)生的影響。二是對(duì)空轉(zhuǎn)和滑行的發(fā)生進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償校正，盡量減小其產(chǎn)生的誤差。而對(duì)于測(cè)速定位時(shí)存在的噪聲干擾可通過濾波解決。2.1.3 對(duì)輪對(duì)的校準(zhǔn) 列車輪對(duì)由于受長(zhǎng)期磨損影響，輪徑會(huì)產(chǎn)生變化。在列車運(yùn)行的過程中，輪徑誤差產(chǎn)生累積，會(huì)對(duì)列車的測(cè)速定位產(chǎn)生較大影響。因此，需要定期對(duì)車輪輪徑進(jìn)行校準(zhǔn)。目前

33、，車輪輪徑測(cè)量更多依靠人工使用高精度的測(cè)量?jī)x器來完成。這就需要定期對(duì)每個(gè)測(cè)速輪對(duì)進(jìn)行測(cè)量，工作量較大，且易受人為影響，測(cè)量精度也不能保證。 下面給出一種基于加速度計(jì)和速度傳感器的輪徑修正方法:設(shè)加速度計(jì)的測(cè)量值為aw，其與真實(shí)值之間的誤差為ao，則（2.6） D為輪對(duì)的真實(shí)直徑。a為測(cè)速輪對(duì)的參考值。en，為單位時(shí)間內(nèi)測(cè)速傳感器輸出的脈沖數(shù)的微分。則可通過濾波等方式減小加速度與真實(shí)值之間的差距，使ao趨向于與0，這樣就可以求得一個(gè)較為接近真實(shí)值的列車輪徑。當(dāng)然，這需要通過大量數(shù)據(jù)的測(cè)量，來不斷的修正，以減小輪徑誤差對(duì)定位的影響。2.1.4定位誤差的測(cè)量 對(duì)列車定位誤差的檢測(cè)，更多的是針對(duì)空轉(zhuǎn)和

34、滑行的檢測(cè)。目前最常用的檢測(cè)方法是固定門限檢測(cè)法。通過對(duì)列車在運(yùn)行過程中加速度和減速度的最大變化量的測(cè)算，判斷加速度標(biāo)準(zhǔn)差是否超過門限值，來判斷空轉(zhuǎn)和滑行是否發(fā)生。這種檢測(cè)方法對(duì)于檢測(cè)較為明顯的空轉(zhuǎn)滑行較為有效。但微弱的就很難檢測(cè)出來。 基于速度傳感器的定位誤差檢測(cè)算法如下: 由2.1.2節(jié)中對(duì)測(cè)度定位的誤差分析可知，在k時(shí)刻，速度傳感器測(cè)得的輪對(duì)速度為vn(k)，則vn(k)=v(k) + vr (k) + v p (k)+vo (k) (2. 7) 正常情況下，車輪輪徑經(jīng)過精確測(cè)量以及2.1.3節(jié)中的校準(zhǔn)估計(jì)，精確度已達(dá)到極限值，其誤差沒有考慮的意義。則我們即可認(rèn)為v,(k)=0。而測(cè)量到

35、的列車速度經(jīng)過濾波可去除噪聲干擾，即濾波后可視為vv (k) =0。所以經(jīng)過車輪輪徑校準(zhǔn)和濾波后，測(cè)得的列車速度公式為 vn (k)=v(k)+vp(k) (2.8) 對(duì)上式微分，則 (2.9) (2.10)式中，a(k)為列車真實(shí)加速度，an(k)為vn(k)在k時(shí)刻的微分，T為采樣間隔。我們根據(jù)由速度傳感器計(jì)算出的加速度的變化量來判斷空轉(zhuǎn)和滑行是否發(fā)生，則(2.11)即：（2.12） 其中a(k)作為列車真實(shí)加速度的變化值，其加速度的變化是有一定標(biāo)準(zhǔn)的，假設(shè)最大值為amax，這個(gè)值即是判斷空轉(zhuǎn)或滑行發(fā)生的門限值，這樣我們就可以判斷: 若|a(k)| amax，則不符合標(biāo)準(zhǔn)，證明空滑發(fā)生。當(dāng)

36、空轉(zhuǎn)或滑行發(fā)生后，并不是|a(k)| amax，空轉(zhuǎn)或滑行就會(huì)結(jié)束，而是|a(k)|要小于一個(gè)值am，(amax為空轉(zhuǎn)或滑行結(jié)束的門限值)，空轉(zhuǎn)或滑行才會(huì)結(jié)束。 基于速度傳感器對(duì)空轉(zhuǎn)滑行進(jìn)行研究的方法是目前最為廣泛的。但是速度傳感器作為單一傳感器，并不能區(qū)分加速度的變化屬于正常運(yùn)行中的加速度還是發(fā)生空滑時(shí)的加速度。且利用速度傳感器獲得的加速度是由傳感器獲得速度的微分得到的，會(huì)增大加速度的測(cè)量誤差。因此，我們可以使用加速度計(jì)直接獲得列車運(yùn)行的加速度，從而提高空滑檢測(cè)的能力。2.1.5 定位誤差的補(bǔ)償在檢測(cè)到誤差之后，就需要減小誤差對(duì)定位的影響，這就是誤差的補(bǔ)償。目前有兩種方法較為常用:算法補(bǔ)償和

37、其他傳感器補(bǔ)償。當(dāng)發(fā)生空轉(zhuǎn)滑行時(shí)，列車的運(yùn)行充滿復(fù)雜和不可預(yù)知性，因此通過算法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，很難提高其性能。因此，目前更多通過其他不受空轉(zhuǎn)和滑行影響的傳感器來補(bǔ)償，如利用加速度計(jì)輸出的加速度進(jìn)行補(bǔ)償?；诩铀俣扔?jì)的補(bǔ)償算法會(huì)在第三章具體介紹。3列車定位算法設(shè)計(jì)第二章主要研究了基于速度傳感器的列車定位方法，這是目前最常用的列車定位方法。同時(shí)對(duì)其所產(chǎn)生的定位誤差做了分析，對(duì)定位誤差的檢測(cè)和補(bǔ)償也做了理論推導(dǎo)。并且對(duì)測(cè)速輪對(duì)的校準(zhǔn)估計(jì)做了詳細(xì)研究。在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的軌道交通系統(tǒng)中，車輪和軌道間的滑行和空轉(zhuǎn)現(xiàn)象無可避免。速度傳感器受滑行和空轉(zhuǎn)的影響，定位精度和速度測(cè)量精度都會(huì)受到較大的影響。

38、而由于速度傳感器自身的局限性，無法很好的檢測(cè)和補(bǔ)償空轉(zhuǎn)和滑行產(chǎn)生的誤差。設(shè)計(jì)了基于加速度的列車定位算法，能夠較好的解決上述問題，同時(shí)增強(qiáng)列車定位系統(tǒng)的冗余性和精確性。下面介紹其具體算法。3.1基于加速度計(jì)的列車定位誤差的檢測(cè)算法研究在2.1.4節(jié)中速度傳感器定位誤差的檢測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)這種方法的缺陷:由于速度傳感器作為單一傳感器，并不能區(qū)分加速度的變化是屬于正常運(yùn)行中的加速度還是由空轉(zhuǎn)或滑行引起的加速度變化;且利用速度傳感器測(cè)得的加速度是由其獲得速度的微分得到的，會(huì)增大加速度的測(cè)量誤差。因此，我們可以使用加速度計(jì)直接獲得列車運(yùn)行的加速度，從而提高空滑檢測(cè)的能力。下面介紹一種基于加速度計(jì)的列車定位誤

39、差的檢測(cè)方法。加速度計(jì)采用ADXL345 論文中加速度計(jì)采用的是ADI公司的ADXL345，它是一款小而薄的超低功耗3軸加速度計(jì)，分辨率高(13位)，測(cè)量范圍達(dá)士16g。數(shù)字輸出數(shù)據(jù)為16位二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，通過IIC數(shù)字接口訪問。ADXL345非常適合移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用。它可以在傾斜檢測(cè)應(yīng)用中測(cè)量靜態(tài)重力加速度，還可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能夠測(cè)量不到1.00的傾斜角度變化。該器件能提供多種特殊檢測(cè)功能。低功耗模式支持基于運(yùn)動(dòng)的智能電源管理，從而以極低的功耗進(jìn)行閡值感測(cè)和運(yùn)動(dòng)加速度測(cè)量。ADXL345采用3mmX5mmXlmm 14引腳小型超薄塑料封裝。其

40、性能參數(shù)如表3-1所示: 由表中加速度計(jì)的幾個(gè)重要參數(shù)可知，加速度計(jì)在測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的加速度時(shí)，其誤差主要來自幾個(gè)方面:比例因子帶來的誤差，溫度漂移、軸間禍合帶來的固有誤差，噪聲干擾帶來的隨機(jī)誤差。再考慮加速度計(jì)在安裝過程中存在的安裝誤差，我們可以假設(shè)k時(shí)刻加速度計(jì)測(cè)得的列車加速度為aw(k)，則（3.1） 為加速度計(jì)敏感軸與列車加速度方向之間的夾角在水平面上的投影，為加速度計(jì)敏感軸與列車加速度方向之間的夾角在豎直面上的投影。S為比例因子。a(k)為加速度計(jì)的固有測(cè)量誤差。ao（k）為列車加速度的測(cè)量噪聲，可考慮為白噪聲，濾波后其對(duì)加速度改變量的影響可以忽略。 我們可以據(jù)此計(jì)算出加速度傳感器測(cè)量

41、到的加速度變化，即（3.2）由2.1.4節(jié)中式2.11可知速度傳感器的測(cè)量加速度變化值為 則加速度計(jì)測(cè)量的加速度與速度傳感器的計(jì)算加速度變化量的差值為:（3.3）那么我們要求得的門限值為 （3.4）若加速度計(jì)安裝的較標(biāo)準(zhǔn)，趨近于0，則|2sin2(/2)|1。而加速度計(jì)的比例因子S值較小，所以2S.|sin2(/2)|1 . |a(k)|為加速度計(jì)固有測(cè)量誤差的最大值與最小值的差值。論文中使用的ADXL345為高靈敏度加速度計(jì)，測(cè)量誤差很小，所以 |a(k)|遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于|a(k)|。設(shè)|a(k)|= |a(k)|，1則 （3.5） 這說明采用基于加速度計(jì)的列車定位誤差檢測(cè)方法相比于基于速度傳感器

42、的方法，門限值小很多，可以檢測(cè)到微弱的空轉(zhuǎn)滑行現(xiàn)象，能夠最大程度的減小空轉(zhuǎn)和滑行現(xiàn)象對(duì)列車定位的影響。在實(shí)際中，門限值的大小是根據(jù)具體客觀條件以及長(zhǎng)期對(duì)空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)自行定義的，以能夠較好的檢測(cè)到空轉(zhuǎn)滑行為準(zhǔn)。 在實(shí)際的測(cè)試中，為了有更好的區(qū)分度，一般通過判斷兩種傳感器測(cè)得的加速度變化量差值的平方判斷空轉(zhuǎn)滑行的發(fā)生，這種方法經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)更加準(zhǔn)確。3.2基于加速度計(jì)的列車定位誤差的補(bǔ)償算法研究 目前針對(duì)列車空轉(zhuǎn)和滑行的補(bǔ)償問題，國(guó)內(nèi)外都做了大量的研究。 (1)對(duì)于空轉(zhuǎn)和滑行的補(bǔ)償，黎巴嫩學(xué)者Samer S. Saab等人提出了速度插值積分法，他們記錄下輪對(duì)空滑的開始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的速度值，再根據(jù)空轉(zhuǎn)和滑行持續(xù)的時(shí)間進(jìn)行速度的線性插值，這些插值就作為對(duì)應(yīng)時(shí)刻的補(bǔ)償速度，列車運(yùn)行距離的補(bǔ)償值即為補(bǔ)償速度值的積分。 (2)意大利學(xué)者M(jìn)oni