環(huán)行鐵道城軌試驗(yàn)線列車位置實(shí)時(shí)監(jiān)測方案研究

柴金川，張金月，張 鄖，于 海，楊 鐸

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國家鐵道試驗(yàn)中心，北京 100015）

環(huán)行鐵道城市軌道交通試驗(yàn)線（簡稱：城軌試驗(yàn)線）作為城市軌道交通綜合試驗(yàn)平臺(tái)，在城軌領(lǐng)域科研試驗(yàn)發(fā)揮著重要作用。城軌試驗(yàn)線正線全長8.63 km，其中，地面線長6.92 km，高架橋長785 m，隧道長925 m，夾直線長度為1 463 m。城軌試驗(yàn)線沿線鋪設(shè)光纜槽道及光纜，并配置了采用IEEE802.11g WLAN車地?zé)o線通信承載的國產(chǎn)MTC-I型CBTC系統(tǒng)和計(jì)軸系統(tǒng)，沿城軌試驗(yàn)線每隔300 m左右設(shè)置無線接入點(diǎn)（AP）并采用A/B雙網(wǎng)覆蓋，城軌試驗(yàn)線平面圖如圖1所示[1]。隨著城軌科研試驗(yàn)需求的增加，城軌試驗(yàn)線承載的試驗(yàn)任務(wù)越來越多，需要通過實(shí)現(xiàn)列車位置監(jiān)測功能，擴(kuò)展城軌試驗(yàn)線多維試驗(yàn)空間，并提高保障城軌試驗(yàn)線試驗(yàn)安全的能力。

目前，國內(nèi)外軌道交通中列車定位方式主要包括傳感器定位[2]、軌道電路定位[3]、計(jì)軸系統(tǒng)定位[4]、無線網(wǎng)絡(luò)定位[5]、衛(wèi)星定位[6]以及移動(dòng)裝備運(yùn)行行程定位方式等。在我國軌道交通運(yùn)營中，除青藏鐵路采用了基于GPS和列車慣性輔助定位方式[7]外，鐵路CTCS-3系統(tǒng)采用傳感器加列車慣性輔助定位方式[8]，鐵路CTCS-0至CTCS-2列控線路以及站場均采用軌道電路定位方式；城市軌道交通CBTC系統(tǒng)采用傳感器加列車慣性輔助定位方式[9]，CBTC降級(jí)及站場采用軌道電路或計(jì)軸系統(tǒng)定位。上述每一種定位方式都有特定的適用場景，且每一種定位方式都存在不同特征和性能。本文通過綜合分析現(xiàn)有各種定位方式的應(yīng)用場景及特征、性能，結(jié)合城軌試驗(yàn)線既有實(shí)際環(huán)境，提出城軌試驗(yàn)線可以采用分布式光纖振動(dòng)定位方式[10]和增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星定位方式[11]，通過驗(yàn)證表明，這兩種方法在城軌試驗(yàn)線列車定位監(jiān)測中具有較好的適用性，可以作為現(xiàn)有技術(shù)手段的有效補(bǔ)充，在城軌試驗(yàn)線列車定位監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。

圖1 城軌試驗(yàn)線平面示意圖

1 典型定位方式分析

1.1 RFID傳感器定位方式

1.1.1 基本原理

射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）傳感器是一種通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID 傳感器具有使用壽命長、環(huán)境適應(yīng)性好、無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸等優(yōu)點(diǎn)。RFID傳感器由射頻標(biāo)簽、閱讀器及天線3部分組成。射頻標(biāo)簽附著在目標(biāo)對(duì)象上，并由唯一的電子編碼標(biāo)識(shí)目標(biāo)；閱讀器是一種用于讀?。ㄓ袝r(shí)也可以寫入）射頻標(biāo)簽信息的手持或固定設(shè)備；天線用于閱讀器和射頻標(biāo)簽之間利用發(fā)射或接收射頻信號(hào)而傳遞信息。具體工作原理為：射頻標(biāo)簽感應(yīng)到閱讀器的射頻信號(hào)磁場后，將感應(yīng)到的磁場能量轉(zhuǎn)換成存儲(chǔ)在芯片中信息的信號(hào)（無源標(biāo)簽）發(fā)射出去，或主動(dòng)將某一頻率的信號(hào)（有源標(biāo)簽）發(fā)射出去；閱讀器接收到射頻標(biāo)簽信號(hào)后，經(jīng)過解碼和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息并作出相應(yīng)的動(dòng)作。RFID 基本工作原理如圖2所示。

圖2 RFID傳感器組成

1.1.2 適用性

RFID傳感器僅能實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的點(diǎn)式定位，不適用于單獨(dú)承擔(dān)城軌試驗(yàn)線列車定位。

1.2 鐵路CTCS-3與城軌CBTC的列車定位方式

1.2.1 基本原理

鐵路CTCS-3與城市軌道交通CBTC的列車定位原理基本相同，如圖3所示。列車通過應(yīng)答器與列車慣性定位結(jié)合獲得當(dāng)前位置信息，并利用無線通信平臺(tái)將實(shí)時(shí)位置信息傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。具體工作原理為：列車首先在某點(diǎn)獲得位置信息，并在運(yùn)行過程中通過列車上安裝的傳感器監(jiān)測獲得列車運(yùn)行速度、時(shí)間、距離計(jì)算出當(dāng)前列車的位置。由于列車在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)位置計(jì)算的誤差累計(jì)現(xiàn)象，因此需要在軌道上每隔一段距離安裝一組應(yīng)答器使列車在應(yīng)答器處進(jìn)行位置校準(zhǔn)。鐵路CTCS-3與城市軌道交通CBTC的列車定位可實(shí)現(xiàn)車上和地面同時(shí)監(jiān)測列車位置信息，但對(duì)列車自身慣性定位系統(tǒng)依賴較高。

圖3 鐵路CTCS-3與城軌CBTC的列車定位原理示意圖

另外，鐵路和城市軌道交通中檢測車的檢測數(shù)據(jù)定位與鐵路CTCS-3和城市軌道交通CBTC列車定位的原理相同，不同之處為將安裝在軌道上的應(yīng)答器改為安裝在接觸網(wǎng)桿或隧道壁上的電子標(biāo)簽（一種RFID傳感器）。相對(duì)于應(yīng)答器，通常電子標(biāo)簽設(shè)置密度較大，且間隔相對(duì)較均勻，連續(xù)定位的精度比CTCS-3和CBTC略強(qiáng)。

1.2.2 適用性

國內(nèi)各地方各城軌線CBTC制式眾多，且兼容性較差，城軌試驗(yàn)線既有CBTC僅能與具有相同車載CBTC制式列車匹配，與國內(nèi)大多數(shù)城軌列車車載CBTC制式不匹配。如果利用CBTC實(shí)現(xiàn)所有列車定位，或者花費(fèi)大量資金在地面配置多種制式CBTC系統(tǒng)，或者購買既有地面系統(tǒng)相匹配的車載CBTC定位系統(tǒng)并與試驗(yàn)列車既有系統(tǒng)互聯(lián)互通。在地面配置多種制式CBTC系統(tǒng)且僅為實(shí)現(xiàn)列車定位意義不大，因此不予考慮。購買既有地面系統(tǒng)相匹配的車載CBTC定位還需與每一輛城軌試驗(yàn)列車車載系統(tǒng)相匹配，可操作性較低，因此也不予考慮。

鐵路CTCS-3的列車定位與CBTC的列車定位方式等效，且城軌試驗(yàn)線及城軌列車均無CTCS-3設(shè)備。因此鐵路CTCS-3的列車定位不適用于城軌試驗(yàn)線。

基于電子標(biāo)簽和列車慣性的定位方式目前僅限于檢測列車應(yīng)用，城軌試驗(yàn)線承擔(dān)檢測列車試驗(yàn)較少，可考慮作為檢測列車的定位方式。

1.3 計(jì)軸系統(tǒng)與軌道電路系統(tǒng)定位方式

1.3.1 基本原理

計(jì)軸系統(tǒng)定位方式為將軌道劃分成許多區(qū)間，并在區(qū)間的兩端同時(shí)設(shè)置一組車輪傳感器即計(jì)軸探頭，當(dāng)列車的金屬車輪經(jīng)過計(jì)軸探頭時(shí)，計(jì)軸探頭會(huì)感應(yīng)到車輪通過并能判斷出通過列車車輪的數(shù)目，并將檢測到的車輪信息經(jīng)電纜傳到計(jì)軸主機(jī)，如圖4所示。計(jì)軸主機(jī)根據(jù)檢測到的數(shù)據(jù)即可計(jì)算出進(jìn)入該區(qū)間和離開區(qū)間的車輪數(shù)量，通過比較分析，給出區(qū)間的空閑或占用，從而根據(jù)列車所在的區(qū)間判斷列車位置。

圖4 計(jì)軸系統(tǒng)列車定位示意圖

軌道電路定位與計(jì)軸系統(tǒng)定位相似，如圖5所示。把軌道線路劃分成若干軌道區(qū)段，通過判斷列車占用某區(qū)段，確定列車在該區(qū)段范圍內(nèi)。具體工作原理為：將列車作為左右兩根軌道的傳導(dǎo)體，當(dāng)某區(qū)間沒有列車即空閑時(shí)，軌道電路的發(fā)射端電源通過鋼軌與軌道電路的接收端形成閉合電路，使繼電器勵(lì)磁從而接通綠色顯示電路。當(dāng)列車進(jìn)入該區(qū)間時(shí)，列車作為傳導(dǎo)體使軌道電路端部電流減弱，使繼電器消磁從而接通紅色顯示電路，表示該區(qū)段被列車占用。地面系統(tǒng)根據(jù)軌道區(qū)段占用信息判斷列車位置。

圖5 軌道電路列車定位示意圖

1.3.2 適用性

計(jì)軸系統(tǒng)定位不具備連續(xù)性；僅能判斷列車在某大區(qū)間范圍內(nèi)，定位精度很低，且區(qū)間設(shè)置越長，精確度越低。多輛列車在同一固定區(qū)間內(nèi)，無法準(zhǔn)確判斷區(qū)間內(nèi)列車的具體位置和同一區(qū)間內(nèi)相鄰列車的距離；同理，相鄰區(qū)間內(nèi)兩列相鄰的列車無法判斷相互之間的距離。由于城軌試驗(yàn)線上列車運(yùn)行沒有規(guī)定的運(yùn)行圖，列車運(yùn)行速度及占用軌道的位置較隨意，計(jì)軸系統(tǒng)定位無法滿足靈活、精確的列車定位需求。鑒于城軌試驗(yàn)線已經(jīng)具有計(jì)軸系統(tǒng)，不需要再投資建設(shè)，可將其作為城軌試驗(yàn)線列車定位的備用方式。

軌道電路與計(jì)軸系統(tǒng)功能和性能等效，沒必要再花費(fèi)資金在城軌試驗(yàn)線建設(shè)一套軌道電路系統(tǒng)。因此，軌道電路定位方式不適用于城軌試驗(yàn)線。

1.4 無線網(wǎng)絡(luò)定位方式

1.4.1 基本原理

無線網(wǎng)絡(luò)定位主要通過無線基站或傳感器與用戶設(shè)備之間利用無線電波通信計(jì)算出用戶設(shè)備位置，通常采用的方法有：基站標(biāo)識(shí)定位法、基站場強(qiáng)定位法、到達(dá)時(shí)間法（TOA，Time of Arrival）、到達(dá)時(shí)間差法（TDOA，Time Difference of Arrival）、到達(dá)角度法（AOAAngle of Arrival），以及幾種方法的混合方式。其中，TOA、TDOA、AOA是目前相對(duì)較為成熟的方法。

（1）基站小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法

移動(dòng)臺(tái)根據(jù)基站覆蓋強(qiáng)度與最強(qiáng)信號(hào)基站（或無線節(jié)點(diǎn)）通信，從而判斷移動(dòng)臺(tái)在該基站小區(qū)范圍內(nèi)?；拘^(qū)標(biāo)識(shí)定位法只能判斷移動(dòng)臺(tái)在某基站小區(qū)范圍之內(nèi)，定位精度取決于小區(qū)服務(wù)區(qū)域大小，通常定位精度很低。

（2）基站場強(qiáng)定位法

已知信道衰落模型及發(fā)射信號(hào)的功率值，通過測出基站接收信號(hào)的功率值，估算出收發(fā)信號(hào)機(jī)之間的距離，從而估計(jì)出目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置區(qū)域。由于天線的抖動(dòng)、無線信道的不確定性等因素都會(huì)造成信道衰落模型的大小尺度變化，從而使定位不準(zhǔn)確。

（3）到達(dá)時(shí)間法（TOA）

這種方法利用在3座基站（或無線節(jié)點(diǎn)）覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)與3座基站之間通信的時(shí)間信息估計(jì)出移動(dòng)臺(tái)位置。如圖6所示，移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)可由3個(gè)圓弧的交點(diǎn)確定。計(jì)算移動(dòng)臺(tái)位置（X，Y）的TOA方程組如式（1）：

其中，（Xi，Yi）表示基站（或無線節(jié)點(diǎn)）所在的位置，c表示光速，t表示移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，ti為移動(dòng)臺(tái)的第一個(gè)路徑信號(hào)到達(dá)基站i（或無線節(jié)點(diǎn)）的時(shí)間點(diǎn)，i表示基站（或無線節(jié)點(diǎn)）的編號(hào)。由于無線信道的多變，基站（或無線節(jié)點(diǎn)）覆蓋相交處常常為一個(gè)區(qū)域，而非一點(diǎn)。另外，TOA定位要求移動(dòng)臺(tái)和基站的時(shí)間精確同步，這樣就增加了算法的復(fù)雜度。所以TOA技術(shù)很少被應(yīng)用到實(shí)際中。

（4）到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）

TDOA定位技術(shù)是在TOA技術(shù)基礎(chǔ)上通過改進(jìn)算法而不再要求時(shí)間同步的技術(shù)。TDOA定位中，移動(dòng)臺(tái)對(duì)一系列的基站（或無線節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行監(jiān)聽，并測量出每一對(duì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差。然后由3個(gè)及以上基站（或無線節(jié)點(diǎn)）得到2個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的時(shí)間差測量值及基站（或無線節(jié)點(diǎn)）位置、無線信道信息計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)位置，如圖7所示。類同TOA公式（1），可得到TDOA的方程組如式（2）：

同TOA相比，TDOA利用時(shí)間差從而降低了時(shí)間同步要求，所以TDOA更具實(shí)際應(yīng)用意義。

圖6 到達(dá)時(shí)間法

圖7 到達(dá)時(shí)間差法

圖8 到達(dá)角法

（5）到達(dá)角度法（AOA）

利用基站（或無線節(jié)點(diǎn)）的陣列天線判斷出基站與移動(dòng)臺(tái)的方向角度，并繪制基站與移動(dòng)臺(tái)的連線，兩座基站與移動(dòng)臺(tái)形成的2條連線的交點(diǎn)即為待定位移動(dòng)臺(tái)的位置，如圖8所示。使用AOA技術(shù)時(shí)，移動(dòng)臺(tái)的位置沒有二義性，但是此技術(shù)需要基站配備有方向性強(qiáng)的檢測天線陣列。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，通常將AOA與TOA、TDOA聯(lián)合起來使用，從而達(dá)到更高的定位精度的效果。但無線網(wǎng)絡(luò)定位對(duì)無線信道的穩(wěn)定性要求較高。

1.4.2 適用性

城軌試驗(yàn)線既有WLAN和正在建設(shè)的LTE-M無線通信系統(tǒng)均沒有定位功能，如果要利用無線網(wǎng)絡(luò)定位方式則需對(duì)既有系統(tǒng)進(jìn)行改造或新建具備定位功能的無線通信系統(tǒng)，并配置車載設(shè)備。由于試驗(yàn)線呈閉合環(huán)狀線性，隧道內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)利用3個(gè)及以上基站協(xié)同定位；如果全線采用非三角定位法則需沿線大量建設(shè)無線基站，且會(huì)由于無線覆蓋的不穩(wěn)定性造成位置信息串?dāng)_的現(xiàn)象；如果僅隧道外線路采用三角定位法，則需配置方向性很強(qiáng)的檢測天線和計(jì)算能力很強(qiáng)的基站。另外，無線網(wǎng)絡(luò)定位對(duì)無線信道模型依賴性較強(qiáng)，鑒于城軌試驗(yàn)線無線環(huán)境開放，易受外界電磁干擾而造成無線信道變化多端，從而使定位信息不穩(wěn)定。為保障定位的準(zhǔn)確性及列車行車安全，環(huán)狀線性、無線環(huán)境開放的城軌試驗(yàn)線不宜采用無線網(wǎng)絡(luò)定位方式實(shí)現(xiàn)列車定位。

1.5 衛(wèi)星系統(tǒng)定位方式

1.5.1 基本原理

衛(wèi)星定位方式基本原理與無線網(wǎng)絡(luò)定位相似，如圖9所示，只是將無線基站設(shè)置在太空中，從而使地球上任意一點(diǎn)可利用衛(wèi)星接收機(jī)接收到3顆及以上衛(wèi)星定位信息的接收機(jī)，通過三角公式TOA計(jì)算得到接收機(jī)在地球上的位置。

圖9 衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.5.2 適用性

衛(wèi)星定位同樣易受電磁波和氣候等因素影響而存在定位精確度偏低、定位信息在一定精確度內(nèi)漂移的現(xiàn)象，且衛(wèi)星無法直接覆蓋城軌試驗(yàn)線隧道，滿足不了城軌試驗(yàn)線全線范圍內(nèi)列車定位的要求。因此既有衛(wèi)星定位方式不適用于城軌試驗(yàn)線列車位置實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 城軌試驗(yàn)線列車位置監(jiān)測技術(shù)方案研究

通過分析可知，上述幾種典型的定位方式均不能滿足城軌試驗(yàn)線定位需求。鑒于此，本文提出利用分布式光纖振動(dòng)定位方式和增強(qiáng)衛(wèi)星定位方式實(shí)現(xiàn)城軌試驗(yàn)線列車位置監(jiān)測方案，并通過結(jié)果分析驗(yàn)證其適用性，作為城軌試驗(yàn)線定位的技術(shù)依據(jù)。

2.1 分布式光纖振動(dòng)定位方式

2.1.1 基本原理

分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)基于相位敏感光時(shí)域反射儀(Φ-OTDR)技術(shù)，主要利用的是光纖中的瑞利散射效應(yīng)。該定位方式利用窄線寬激光器作為光源；激光經(jīng)過調(diào)制器后形成脈沖光并注入到振動(dòng)傳感光纖中，并在光纖中傳播；當(dāng)光纖某位置處受到來自車輪產(chǎn)生的振動(dòng)時(shí)，該位置處的光纖長彎度、折射率會(huì)發(fā)生變化，從而引起此處的后向瑞利散射光信號(hào)產(chǎn)生變化；由于光在光纖中發(fā)生瑞利散射，其中沿光傳播的反方向傳播的后向瑞利散射光，在脈沖寬度內(nèi)后向散射光會(huì)發(fā)生干涉作用；光探測器通過探測該瑞利散射光干涉信號(hào)的變化，獲得傳感光纖鏈路上的振動(dòng)信息，從而獲得列車輪軌的振動(dòng)情況；探測器通過記錄脈沖光注入光纖的時(shí)間，并根據(jù)光在光纖中傳播的有效速度和接收到光纖中散射回來的的散射光的時(shí)間，準(zhǔn)確描繪出擾動(dòng)曲線；將擾動(dòng)時(shí)刻的曲線與前一時(shí)刻的曲線進(jìn)行作差處理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)位置的準(zhǔn)確定位，從而準(zhǔn)確監(jiān)測列車的位置。系統(tǒng)的定位精度由發(fā)射的光脈沖寬度和信號(hào)的采樣間隔決定，系統(tǒng)原理如圖10所示。

圖10 分布式光纖振動(dòng)定位檢測系統(tǒng)示意圖

分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于無需在軌道上布設(shè)任何傳感裝置和供電，直接利用軌道旁槽道內(nèi)通信光纜搭建系統(tǒng)即可完成對(duì)列車振動(dòng)信號(hào)的在線采集，通過對(duì)所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能化處理，獲得列車沿軌道運(yùn)行的位置、方向、速度、車長等綜合信息。

2.1.2 試驗(yàn)及適用性分析研究

圖11和圖12為某雙線鐵路利用兩軌道中間光纜搭建分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果。圖11為不同長度列車的振動(dòng)信號(hào)的結(jié)果比對(duì)，圖12為單輛運(yùn)行軌跡、兩輛列車同向和反向運(yùn)行軌跡比對(duì)。

由圖11和圖12可知，分布式光纖振動(dòng)定位方式具有可判斷列車長度、定位精度較高、位置與時(shí)間信息明確、可準(zhǔn)確判斷列車運(yùn)行方向等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于相鄰并行線路同時(shí)同向運(yùn)行列車時(shí)會(huì)存在相互干擾而無法分辨兩列列車的缺陷。

圖11 分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)采集到不同長度的列車振動(dòng)信息

圖12 分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)檢測到軌道上列車運(yùn)行軌跡

城軌試驗(yàn)線沿線全部鋪設(shè)了光纜，利用城軌試驗(yàn)線光纜安裝分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖13可知利用分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)能夠獲得較清晰的列車運(yùn)行軌跡，即城軌試驗(yàn)線具備利用分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)監(jiān)視列車運(yùn)行的條件。

圖13 城軌試驗(yàn)線列車位置信號(hào)分布圖及列車經(jīng)過某位置時(shí)的時(shí)域信號(hào)

城軌試驗(yàn)線除隧道和高架橋外，均與鐵路試驗(yàn)線存在并行相鄰，最近距離僅5.5 m左右，相鄰試驗(yàn)線路同時(shí)開展試驗(yàn)時(shí)，分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)會(huì)存在干擾而不適用。但當(dāng)鐵路試驗(yàn)線與城軌試驗(yàn)線列車相對(duì)行駛，且相鄰鐵路試驗(yàn)線列車同時(shí)試驗(yàn)的數(shù)量較少時(shí)，分布式光纖振動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)列車行駛方向區(qū)分出城軌試驗(yàn)線列車位置。同時(shí)，除相鄰線路干擾外，分布式光纖振動(dòng)定位方式只能檢測出運(yùn)行中列車的位置，判斷靜止中的列車的位置需信息系統(tǒng)時(shí)時(shí)記錄列車位置并根據(jù)以往位置信息判斷靜止列車所在位置。

因此，分布式光纖振動(dòng)定位方式僅不適于城軌試驗(yàn)線和相鄰鐵路試驗(yàn)線同時(shí)開展列車同向行駛試驗(yàn)時(shí)，以及相鄰鐵路試驗(yàn)線具有較多列車同時(shí)試驗(yàn)時(shí)的城軌試驗(yàn)線列車位置監(jiān)測，其它場景下較合適。

2.2 增強(qiáng)衛(wèi)星定位方式

通過分析衛(wèi)星基準(zhǔn)站技術(shù)和衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，驗(yàn)證在傳統(tǒng)衛(wèi)星定位方式的基礎(chǔ)上加載上述兩種技術(shù)構(gòu)成的增強(qiáng)衛(wèi)星定位方式的適用性。

2.2.1 衛(wèi)星基準(zhǔn)站技術(shù)

為增強(qiáng)移動(dòng)裝置衛(wèi)星定位的準(zhǔn)確度，可在地面增設(shè)衛(wèi)星基準(zhǔn)站系統(tǒng)。其工作原理是把基準(zhǔn)站中一套衛(wèi)星定位接收機(jī)安裝在已確定精確位置的點(diǎn)上；基準(zhǔn)臺(tái)接收機(jī)時(shí)接收衛(wèi)星定位信號(hào)，并利用自身已知位置與衛(wèi)星定位信息對(duì)比計(jì)算出誤差值，然后將誤差信息時(shí)時(shí)廣播出去。基準(zhǔn)站覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)接收到衛(wèi)星定位信息和基準(zhǔn)站的誤差信息后，通過校準(zhǔn)，提高定位精確度。環(huán)行鐵道已在控制中心處部署一套基準(zhǔn)站，如圖14所示，可以覆蓋到除城軌試驗(yàn)線隧道外的其它鐵路試驗(yàn)線和城軌試驗(yàn)線。利用基準(zhǔn)站定位精度可精確到水平誤差0.4 m左右，垂直誤差0.5 m左右，如圖15所示。基于基準(zhǔn)站的衛(wèi)星定位精確度高，可以明顯區(qū)分相鄰并行試驗(yàn)線路列車位置。

圖14 環(huán)行鐵道衛(wèi)星基準(zhǔn)站精確定位系統(tǒng)框架

圖15 基于基準(zhǔn)站的定位監(jiān)測

2.2.2 衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)衛(wèi)星定位，可以利用衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，即在城軌試驗(yàn)線隧道外建設(shè)一套衛(wèi)星和差分站接收基站、在隧道內(nèi)增加無線信號(hào)覆蓋單元，并利用光纖貫通連接。隧道內(nèi)的衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)定位利用衛(wèi)星信息和無線網(wǎng)絡(luò)定位原理實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖16所示[13-14]。衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)技術(shù)已通過京沈客運(yùn)專線試驗(yàn)驗(yàn)證，高速條件下隧道內(nèi)定位精度約30 m，定位精度可滿足城軌試驗(yàn)線僅約900 m的隧道內(nèi)定位要求。

圖16 衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)系統(tǒng)

利用增強(qiáng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位還需要考慮車輛具備衛(wèi)星定位接收裝置。由于目前多數(shù)城軌列車都不具備衛(wèi)星定位接收功能，采用衛(wèi)星系統(tǒng)定位需在城軌試驗(yàn)線上試驗(yàn)的列車上安裝衛(wèi)星接收裝置。為實(shí)現(xiàn)地面對(duì)列車位置的監(jiān)測，需將列車上衛(wèi)星接收裝置接收到的定位信息通過無線通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送到地面。目前城軌列車均配置了WLAN或LTE-M，且城軌試驗(yàn)線具備WLAN系統(tǒng)并正在建設(shè)LTE-M系統(tǒng)，可滿足城軌列車將位置信息通過無線系統(tǒng)時(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。

因此，利用增強(qiáng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)城軌試驗(yàn)線列車位置監(jiān)測具備可行性。

2.3 列車位置監(jiān)測方案

綜上分析，鑒于當(dāng)前鐵路試驗(yàn)線試驗(yàn)同時(shí)試驗(yàn)的列車較少（同一時(shí)間段通常為一輛列車），故此優(yōu)先推薦城軌試驗(yàn)線采用分布式光纖振動(dòng)定位方式，相鄰鐵路試驗(yàn)線與城軌試驗(yàn)線采用相對(duì)運(yùn)行模式的列車位置監(jiān)測方案。試驗(yàn)列車較多的情況下考慮采用衛(wèi)星系統(tǒng)定位方式實(shí)現(xiàn)列車位置監(jiān)測的方案。同時(shí)考慮既有計(jì)軸系統(tǒng)作為其他方式的后備補(bǔ)充。

3 結(jié)束語

城軌試驗(yàn)線實(shí)現(xiàn)列車位置監(jiān)測是拓展試驗(yàn)?zāi)芰Α⒈Ｕ显囼?yàn)安全的關(guān)鍵技術(shù)手段。本文結(jié)合既有定位方式特征、性能與城軌試驗(yàn)線的實(shí)際情況，全面對(duì)比分析了各種定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，并提出了利用光纖振動(dòng)定位方式和衛(wèi)星定位方式解決城軌試驗(yàn)線列車位置監(jiān)測需求，為城軌試驗(yàn)線擴(kuò)能提供了參考方法和技術(shù)保障。