基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)研究進(jìn)展

沙聰雪

摘 要：為探討如何提高列車測(cè)速定位的精度與可靠性，本文對(duì)近年來軌道交通領(lǐng)域基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了說明。本文首先闡述了列車組合定位技術(shù)的基本原理和常規(guī)系統(tǒng)構(gòu)造，然后將各國在列車組合定位技術(shù)方面的發(fā)展歷程及研究成果進(jìn)行了比對(duì)分析，并著重對(duì)我國的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析探討，以期為促進(jìn)我國軌道交通事業(yè)的發(fā)展提供一定參考。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航；列車；組合定位；軌道交通

中圖分類號(hào)：U284 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在當(dāng)今的城市交通系統(tǒng)、區(qū)域綜合交通系統(tǒng)和國家綜合交通運(yùn)輸體系中，軌道交通系統(tǒng)都發(fā)揮著重要的骨干作用。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、污染小和安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前世界各國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)。

列車測(cè)速定位技術(shù)是列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前常用的列車定位方式有：基于軌道電路的列車定位、基于查詢/應(yīng)答器的列車定位以及基于衛(wèi)星系統(tǒng)的列車定位等。其中基于軌道電路的列車定位方法其定位精度較低；基于應(yīng)答器的列車定位方法成本高、維護(hù)不易；基于衛(wèi)星系統(tǒng)的列車定位當(dāng)列車進(jìn)入隧道、山區(qū)、森林等地時(shí)信號(hào)易被遮擋而無法定位，并且在并行線路上易發(fā)生認(rèn)錯(cuò)股道的現(xiàn)象。因此，如何進(jìn)一步提高列車測(cè)速定位的精度和可靠度，成為國內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域的重點(diǎn)研究課題，也是擺在我國鐵路發(fā)展面前的一項(xiàng)重要任務(wù)。

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)利用各個(gè)定位方式的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，根據(jù)不同的環(huán)境和條件選擇適當(dāng)?shù)慕M合方案和信息融合算法，可大大提高列車定位的精度和可靠度。本文分析了近年來基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，旨在為研究列車定位技術(shù)提供一定的理論參考和方式借鑒。

1 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)研究

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)將GPS接收機(jī)、里程計(jì)等車載定位設(shè)備提供的多個(gè)定位信息數(shù)據(jù)基于Kalman濾波等方式進(jìn)行融合，以獲取列車位置、速度等運(yùn)行狀態(tài)參量，可有效提高對(duì)列車跟蹤或狀態(tài)估計(jì)的精度。

1.1 定位方式

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)的定位方式主要包括：（1）GPS/北斗/GSM/CDMA的無線組合定位；（2）GPS和車載多傳感器的組合定位；（3）GPS和軌旁設(shè)備（應(yīng)答器/軌道電路/感應(yīng)線圈）的組合定位。

GPS/北斗/GSM/CDMA的無線組合定位是利用多種無線定位手段組合，提高定位精度。如武漢中國光谷信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司研發(fā)的車載GPS+CDMA復(fù)合定位終端，其以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)，以GPS、GPSOne、CDMA定位方法為核心，使得移動(dòng)終端獲取與當(dāng)前位置相關(guān)的信息。系統(tǒng)同時(shí)從GPS衛(wèi)星和CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)收集測(cè)量數(shù)據(jù)，然后通過組合這些數(shù)據(jù)生成精確的三維定位。

GPS和車載多傳感器的組合定位是最常用的組合定位方式，其中車載多傳感器一般選用加速度計(jì)、陀螺儀、速度計(jì)等。如美國Sandor Wayne Shapery研發(fā)的一種列車在線定位系統(tǒng)，系統(tǒng)采用慣性器件作為基本定位傳感器，GPS用于對(duì)慣性定位誤差進(jìn)行離散校正，并對(duì)慣性器件定位結(jié)果的誤差及不確定性進(jìn)行約束。

GPS和軌旁設(shè)備組合定位是在GPS信號(hào)未覆蓋區(qū)域設(shè)置軌旁設(shè)備輔助定位，以實(shí)現(xiàn)GPS覆蓋區(qū)和非覆蓋區(qū)的無縫連續(xù)定位。如日本信號(hào)公司研發(fā)的一種車載系統(tǒng)，相關(guān)專利JP特開2009—298309A，其利用GPS進(jìn)行定位，并通過讀取地面應(yīng)答器信息輔助列車定位。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位系統(tǒng)一般包括4部分：（1）輸入層；（2）故障檢測(cè)與隔離層；（3）數(shù)據(jù)融合層；（4）輸出層。輸入層采用GPS接收機(jī)、慣性測(cè)量單元等組成數(shù)據(jù)通道，完成數(shù)據(jù)采集輸入并實(shí)現(xiàn)測(cè)量冗余。故障檢測(cè)與隔離層對(duì)各個(gè)定位通道的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測(cè)，一旦檢測(cè)到故障后，立即采用相應(yīng)隔離策略進(jìn)行故障隔離，保證組合定位的有效性和可靠性。數(shù)據(jù)融合層根據(jù)系統(tǒng)需求采用一定的數(shù)據(jù)融合算法對(duì)不同數(shù)據(jù)通道的定位信息進(jìn)行融合計(jì)算，給出最準(zhǔn)確的定位輸出信息。輸出層則利用數(shù)字軌道地圖進(jìn)行比較，給出地圖匹配后的最后定位輸出信息。

2 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)的應(yīng)用

在20世紀(jì)90年代中期國內(nèi)外專家對(duì)80年代開發(fā)的ATCS系統(tǒng)列控功能的不足進(jìn)行了補(bǔ)充完善，采用無線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位技術(shù)確定列車相對(duì)于軌旁設(shè)備的位置，降低了建設(shè)成本和維護(hù)費(fèi)用，自此國內(nèi)外專家學(xué)者開始對(duì)低成本的GPS列車組合定位技術(shù)進(jìn)行深入研究，以提高GPS定位的準(zhǔn)確性。2003年5月起，國內(nèi)外學(xué)者研究將粗大誤差檢測(cè)、平滑等方法用于GPS數(shù)據(jù)處理，并成功應(yīng)用于WCRM（West Coast Route Modernization Program）項(xiàng)目，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，GPS列車組合定位技術(shù)邁入了新的階段。

2.1 各國研究狀況簡(jiǎn)析

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)主要集中在日本、中國、美國等國家，日本居于首位，這主要和日本的國情有關(guān)，日本土地資源匱乏，人口密度較大，而軌道交通具備運(yùn)送量大、快速、低能耗和污染小等優(yōu)點(diǎn)，可以緩解日本城市交通壓力和解決能源、污染等問題。因此，日本對(duì)軌道交通的建設(shè)和完善較為重視。

日本從1993年便開始了衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)的相關(guān)研究，但是因?yàn)樵撾A段日本的國內(nèi)經(jīng)濟(jì)不夠景氣研究成果較少。自2002年以來，日本掙脫了長(zhǎng)期蕭條步入復(fù)蘇階段，在列車組合定位技術(shù)方面的研究也逐漸起步，其中三菱電機(jī)公司、大同信號(hào)公司、日立電子公司、日本信號(hào)公司等成果顯著，成了日本軌道交通技術(shù)領(lǐng)域的重要企業(yè)，它們申請(qǐng)的專利主要涉及基于GPS的多傳感器數(shù)據(jù)融合定位等。

GPS技術(shù)起源于美國，因此，在GPS列車組合定位這一領(lǐng)域美國的申請(qǐng)量自然是名列前茅。不過美國交通較依賴于小型車輛，對(duì)軌道交通的需求較之日本、中國并沒有那么強(qiáng)烈，美國在技術(shù)發(fā)展初期相關(guān)專利申請(qǐng)較多，技術(shù)發(fā)展一段時(shí)間后專利申請(qǐng)較少。美國GEN通用公司掌握這一領(lǐng)域的重要技術(shù)和專利，其開發(fā)了基于GPS定位和鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM-R的增強(qiáng)型列車控制系統(tǒng)ITCS，實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)行控制。

我國土地廣闊，人口密度大，軌道交通建設(shè)是我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要領(lǐng)域。下面對(duì)我國在基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)析。

2.2 我國的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究起步相對(duì)較晚，我國早期建設(shè)的鐵路甚至沒有衛(wèi)星定位所需的數(shù)字地圖。國務(wù)院2004年1月通過了《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，確定了我國鐵路的發(fā)展目標(biāo)，2004年以后相關(guān)專利申請(qǐng)量開始有了逐步提升，在國家基金項(xiàng)目的扶持下，我國完善了軌道數(shù)字地圖，將衛(wèi)星導(dǎo)航組合定位技術(shù)結(jié)合到我國的CTCS系列通信列車上，并在組合定位的算法融合、數(shù)據(jù)處理等方面提出了很多創(chuàng)新性的技術(shù)方案。

在國內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)中北京交通大學(xué)在列車組合定位技術(shù)方面成果顯著，北京交通大學(xué)依托鐵道部科技開發(fā)計(jì)劃等國家基金項(xiàng)目，人才、技術(shù)和資金等各方面資源都很充足，其中北京交通大學(xué)的王劍、蔡伯根等帶領(lǐng)的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)，在GPS組合定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)、組合定位深耦合定位算法研究方面都提出了很多創(chuàng)新性的思路。除此以外，西安交通大學(xué)、蘭州交通大學(xué)以及南京理工大學(xué)等以各自的強(qiáng)勢(shì)學(xué)科為依托，以系統(tǒng)硬件布置和算法設(shè)計(jì)為切入口，整合控制技術(shù)和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，也獲得了相應(yīng)技術(shù)分支的研究成果。株洲南車等國內(nèi)企業(yè)則更注重將理論與技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的產(chǎn)品中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2.3 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)發(fā)展路線

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)最初采用速度計(jì)與GPS進(jìn)行切換方式的簡(jiǎn)單組合，例如1996年的日本專利JP特開平8-86853A、1999年的美國專利US6377215B1。或者是為了彌補(bǔ)GPS信號(hào)易被遮擋等缺陷，在GPS信號(hào)非覆蓋區(qū)域設(shè)置應(yīng)答器等軌旁設(shè)備，如2000年日本專利JP特開2000-229571A。而后逐漸發(fā)展到多傳感器與GPS的信息融合式組合定位，例如2004年美國專利US2004/0140405A1、2005年美國專利US2005/0065726A1。為了更精確地定位出列車所在的軌道區(qū)段，以降低軌道電路等軌旁設(shè)備的建設(shè)成本，專家們對(duì)定位數(shù)據(jù)與數(shù)字軌道地圖的匹配作了進(jìn)一步研究，例如2009年專利CN101357644A、專利CN101357643A，2010年日本專利JP特開2010-234979A，2012年美國專利US8688297B2。隨著北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐漸完善，專家學(xué)者們對(duì)比分析各個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)定位的差異性，提出了GPS/北斗/GSM/CDMA無線組合定位方式，例如2005年國內(nèi)專利CN1632611A、2015年國內(nèi)專利CN104933845A、2017年國內(nèi)專利CN107662624A。

結(jié)語

在經(jīng)歷了從20世紀(jì)90年代起從無到有、從萌芽到飛速發(fā)展的階段之后，基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位技術(shù)逐漸成熟，而且在發(fā)展早期，一些跨國企業(yè)諸如通用、西門子等走在了技術(shù)前列，它們的不少相關(guān)專利申請(qǐng)為該領(lǐng)域奠定了最初的技術(shù)基礎(chǔ)，且技術(shù)創(chuàng)新水平較高。與此同時(shí)，國內(nèi)的應(yīng)用技術(shù)研究近幾年正如火如荼地進(jìn)行著，相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量也在近些年呈現(xiàn)出較快的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。

基于衛(wèi)星系統(tǒng)的列車組合定位能夠有效提高運(yùn)輸效率、降低運(yùn)營和維護(hù)成本，為我國大量存在的低密度線路提供有效的系統(tǒng)方案。經(jīng)過十余年的努力，我國在軌道交通技術(shù)方面已經(jīng)做出了巨大的努力并取得了一定成績(jī)，雖然與國外相比還存在著一定的差距，但是只要在學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷堅(jiān)持創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)，中國在未來的鐵路交通技術(shù)領(lǐng)域必將占據(jù)重要地位。

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