軌道車輛地磁匹配干擾抑制方法研究

王彥東 劉繼偉 方吉銀 張雪燕 來奇峰

摘 要： 軌道車輛地磁定位對(duì)于保障車輛安全運(yùn)行具有重要意義，軌道車輛往往含有大量的鐵磁性結(jié)構(gòu)，高速行駛的車輛在遇到對(duì)向和同向錯(cuò)車情況，與相鄰車輛互相影響，產(chǎn)生強(qiáng)烈的感應(yīng)磁場干擾。設(shè)計(jì)了一種基于小波變換的地磁錯(cuò)車干擾抑制方法，采用對(duì)稱性良好的“sym8”小波基波以及八級(jí)小波分解模型，試驗(yàn)結(jié)果表明，提出的方法可以顯著抑制高頻高幅值的錯(cuò)車干擾信號(hào)。

關(guān)鍵詞： 軌道車輛 地磁 干擾抑制 交通工具

中圖分類號(hào)： TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2024）02-0008-03

Research on Ground Magnetic Matching Interference Suppression Method for Rail Vehicles

WANG Yandong1 LIU Jiwei1 FANG Jiyin1 ZHANG Xueyan1 LAI Qifeng2*

（ 1.Jiayuguan Mechanical Department， China Railway Lanzhou Bureau Group Co.， Ltd.， Lanzhou， Gansu Province， 735100 China； 2.Institute of Space and Astronautical Information Innovation， Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100864 China ）

Abstract： The geomagnetic positioning of rail vehicles is of great significance to ensure the safe operation of vehicles. Rail vehicles often contain a large number of ferromagnetic structures， with high-speed vehicles encountering opposite and same direction staggering situations. The neighboring vehicles affect each other and produce strong induced magnetic field interference. In this paper， a wavelet transform-based geomagnetic misalignment interference suppression method is designed， using a good symmetry of the "sym8" wavelet fundamental and eight-level wavelet decomposition model. The test results show that the method proposed in this paper can significantly improve the high-frequency and high-amplitude misalignment interference signals.

Key Words： Rail vehicle； Geomagnetic； Interference suppression； Transportation

軌道車輛是人類出行、貨物運(yùn)輸?shù)闹匾煌üぞ?，提供?shí)時(shí)、可靠的定位信息是保障軌道車輛安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要措施。傳統(tǒng)的軌道車輛主要依賴于信號(hào)機(jī)或者應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)定位，基本原理是通過一種用于地面向列車信息傳輸?shù)狞c(diǎn)式設(shè)備，向列控車載設(shè)備提供線路基本參數(shù)、線路速度、特殊定位、列車運(yùn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)、臨時(shí)限速、車運(yùn)行目標(biāo)數(shù)據(jù)、臨時(shí)限速、車站進(jìn)路等固定和實(shí)時(shí)可變的信息。該定位方式需要在軌道上布設(shè)大量的有源、無源設(shè)備，部署成本高、維護(hù)成本高。另外，隨著北斗三號(hào)組網(wǎng)成功，新興的軌道車輛上部署了衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，但是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的缺點(diǎn)是在隧道環(huán)境中，會(huì)因?yàn)闊o法接收到導(dǎo)航信號(hào)而定位中斷；同時(shí)，在電磁復(fù)雜的環(huán)境，如戰(zhàn)場環(huán)境，導(dǎo)航信號(hào)本身的脆弱性導(dǎo)致其容易受到干擾，無法為軌道車輛提供可靠的定位服務(wù)[1]。

地磁導(dǎo)航具有無源、無輻射、全天時(shí)、全天候、全地域、能耗低的優(yōu)良特征。目前，地磁導(dǎo)航主要應(yīng)用在航空和航海領(lǐng)域，軌道車輛行駛在地面上，地表可以探測到更為豐富異常場磁場，該磁場是由地殼中磁性巖石和人為建造的建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，變化范圍從小于1納特至幾萬納特，在空間分布上具有較高分辨率，適于作為軌道車輛地磁匹配導(dǎo)航的數(shù)據(jù)來源。軌道車輛地磁導(dǎo)航面臨的主要問題是磁場干擾，軌道車輛往往含有大量的鐵磁性結(jié)構(gòu)，高速行駛的車輛在遇到對(duì)向和同向錯(cuò)車情況，與相鄰車輛互相影響，產(chǎn)生強(qiáng)烈的感應(yīng)磁場干擾，該干擾將地磁場有效特征掩埋，最終導(dǎo)致干擾時(shí)段地磁匹配失效[2]。

1 軌道車輛地磁干擾抑制方法

1.1 干擾分析

本文采用時(shí)域和頻域結(jié)合的方法來分析軌道車輛錯(cuò)車干擾特性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于鐵路機(jī)車上搭載的磁傳感器設(shè)備。磁傳感器設(shè)備采用一臺(tái)三軸磁通門磁傳感器，精度為1 nT，采樣率30 Hz。同時(shí)采用高精度位置基準(zhǔn)標(biāo)記機(jī)車的地理位置信息，精度為1cm RMS（RTK）。截取約12 km長度的地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析，縱軸為地磁合場強(qiáng)的幅值，如圖1所示。

截取干擾時(shí)段地磁數(shù)據(jù)和無干擾時(shí)段地磁數(shù)據(jù)，進(jìn)行傅里葉變換。由于軌道車輛在垂直方向（Z軸）的機(jī)動(dòng)性較小，其磁特征梯度相比水平方向（X軸和Y軸）較小，因此，主要采用水平磁場進(jìn)行在軌道車輛地磁匹配定位，水平方向磁場數(shù)據(jù)單邊頻率如圖2所示，可以看出，非干擾磁場幅值主要集中在零頻附近，其余頻率范圍內(nèi)幅值小于400 nT。干擾磁場在0.2～10 Hz有較高的幅值，且峰值可達(dá)到7 000 nT。由此可以考慮，對(duì)幅值較高的高頻信號(hào)進(jìn)行抑制，可以有效降低干擾的影響[3]。

1.2 干擾抑制方法原理

為了實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)地磁匹配中，對(duì)錯(cuò)車干擾磁場進(jìn)行抑制，采用兼具時(shí)域和頻域處理能力的小波變換方法，相比短時(shí)傅里葉變換，其優(yōu)點(diǎn)為信號(hào)處理窗口自適應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)在低頻信號(hào)處理時(shí)，提高頻率分辨率，在高頻信號(hào)處理時(shí)，提高時(shí)間分辨率。其原理為利用原始時(shí)域的信號(hào)，與不同頻率的小波信號(hào)進(jìn)行卷積計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在頻域?qū)π盘?hào)分解。對(duì)干擾頻段進(jìn)行識(shí)別，去除干擾信號(hào)后進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)干擾抑制[4]。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

磁場數(shù)據(jù)的采樣率為30 Hz，無錯(cuò)車干擾的磁信號(hào)集中在0～0.2 Hz，因此，針對(duì)地磁數(shù)據(jù)和錯(cuò)車干擾信號(hào)特征，本文設(shè)計(jì)八級(jí)小波分解降噪方法，最小頻率分量為0～0.16 Hz，采用“sym8”小波基波[5]。對(duì)不同級(jí)數(shù)小波分量進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，如圖3所示，其中，a8為低頻率分量，d1～d8為高頻分量。由結(jié)果可以看出錯(cuò)車干擾信號(hào)主要在d2～d7幅值明顯較高，在d8和d7仍有部分殘留。由于，低頻分量a8描述了地磁數(shù)據(jù)的主信號(hào)變化趨勢，提取a8分量作為錯(cuò)車干擾抑制后的數(shù)據(jù)[5]。

將干擾抑制后地磁數(shù)據(jù)與原始地磁數(shù)據(jù)比較，如圖4所示，所設(shè)計(jì)八級(jí)小波分解降噪方法能夠有效降低錯(cuò)車干擾。

3 結(jié)語

本文介紹了一種基于小波變換的軌道車輛地磁匹配干擾抑制方法，采用對(duì)稱性良好的“sym8”小波基波，設(shè)計(jì)了八級(jí)小波分解模型，干擾抑制后，錯(cuò)車引起的高頻高幅值磁場干擾信號(hào)有顯著改善。

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