適用于磁浮列車的測速定位方法研究綜述

張世聰

(中國鐵道科學(xué)研究院研究生部,北京 100081)

列車的測速和定位系統(tǒng)在列車行車調(diào)度安全、列車行駛控制和列車定位中起到重要的作用。傳統(tǒng)的輪軌式列車主要依靠安裝在軸端的光電編碼器或測速電機(jī)，將列車車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為列車的速度后進(jìn)行檢測、讀出，并結(jié)合軌道電路、應(yīng)答器或無線通信等方法來得到列車的位置。磁浮列車不依賴傳統(tǒng)的輪軌接觸，而是依靠電磁力來實(shí)現(xiàn)列車的懸浮、導(dǎo)向還有驅(qū)動(dòng)，因此無法使用輪軌列車基于輪軌間接觸的測速和定位方法。在磁浮列車領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的日本和德國，分別根據(jù)各自的需求和技術(shù)特點(diǎn)，采用了不同的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)磁浮列車的定位與測速[1-3]。目前還沒有一種可以滿足不同線路和工程所有要求的測速定位方法，不同的方法具有各自的優(yōu)點(diǎn)，我國從20世紀(jì)80年代開始磁浮列車相關(guān)技術(shù)的研究，隨著各試驗(yàn)線和上海、長沙與北京的商用磁浮線路的建成和應(yīng)用，對于磁浮列車關(guān)鍵技術(shù)的掌握不斷進(jìn)步。由于磁浮列車的商用建設(shè)起步較晚，目前該領(lǐng)域的文獻(xiàn)資料多為對產(chǎn)品工程實(shí)現(xiàn)和專利的描述，綜述類文獻(xiàn)較少，且缺乏對各類方法的評述比較和對研究趨勢的跟進(jìn)。為滿足磁浮列車整車型式試驗(yàn)的測速要求，對目前國內(nèi)外各種主要的磁浮列車測速和定位方法及其最新發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述，并對各種測速技術(shù)進(jìn)行研究和對比。

1 磁浮列車測速定位方法

通常按照位置信息的參照來分，列車的定位方法可分為絕對定位方法和相對定位方法[1,4-5]。絕對定位方法主要依靠檢測軌道旁已知位置的裝置來獲取列車絕對位置的一類方法，主要包括：基于查詢-應(yīng)答器的絕對定位技術(shù)和基于脈寬編碼絕對定位技術(shù)[1,4,6]。由于磁浮列車為軌道車輛，所以當(dāng)已知列車初始位置和列車的位移，即可知列車此時(shí)的相對位置，此類方法主要包括：基于感應(yīng)回線的測速定位、基于計(jì)數(shù)軌枕的測速定位、基于多普勒雷達(dá)的測速定位，還有主要應(yīng)用于高速磁浮列車中的基于長定子齒槽檢測的測速定位。相對定位方法的定位誤差會(huì)隨著時(shí)間累積，所以通常每隔一定距離就要利用絕對定位方法對列車的位置進(jìn)行修正，以將誤差控制在一定的范圍之內(nèi)?；谌蛐l(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)的測速定位方法也可以提供列車的絕對位置和速度，但由于地形或建筑等對信號的遮擋因素，其可靠性制約了其作為列車行車調(diào)度安全和列車行駛控制中唯一位置信息來源。除以上提到的方法外，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(Inertial Navigation System)測量三軸姿態(tài)和加速度，也可以通過積分得到速度和相對位移，但由于精度問題一般只用于為其他測速定位方法提供輔助。圖1給出了各種測速定位方法的分類。

圖1 磁浮列車測速定位技術(shù)分類

由于列車的速度滿足關(guān)系

(1)

式中，v為列車速度；ΔS為列車的位移；Δt為經(jīng)過的時(shí)間，所以列車的定位和測速經(jīng)常由一套系統(tǒng)同時(shí)完成。絕對定位技術(shù)則由于成本原因，定位點(diǎn)相對離散化，所以測速通常由相對定位方法和全球衛(wèi)星定位方法來完成。

1.1 基于感應(yīng)回線的測速定位

文獻(xiàn)[2,7-11]介紹了基于感應(yīng)回線的測速定位方法，此方法在日本名古屋的長1.5 km的HSST(High Speed Surface Transport)磁浮列車試驗(yàn)線和18.4 km的山梨縣(Yamanashi)磁浮試驗(yàn)線上均有應(yīng)用[1,2,12]，其定位分辨力可達(dá)到10 cm[2]。

基于感應(yīng)回線的測速定位方法是指在軌道上鋪設(shè)感應(yīng)回線，并在車底設(shè)置感應(yīng)線圈，利用它們之間的電磁感應(yīng)來進(jìn)行列車的定位和測速。感應(yīng)回線的鋪設(shè)方法有交叉和非交叉兩種，但都為沿軌道方向具有相等的重復(fù)結(jié)構(gòu)特征長度的線圈結(jié)構(gòu)，圖2給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理說明。當(dāng)在回線中通以高頻交變電流時(shí)，對于交叉感應(yīng)回線，相鄰回線線圈中的交變電流及其產(chǎn)生的交變磁場幅值和頻率相等但方向相反；對于非交叉的感應(yīng)回線，相鄰回線線圈中的交變電流及其產(chǎn)生的交變磁場幅值和頻率相等且方向相同。列車在軌道上以一定的速度行駛，當(dāng)感應(yīng)線圈處于回線線圈正上方時(shí)，互感最大，車底感應(yīng)線圈感生的交變電信號幅值最大；而當(dāng)感應(yīng)線圈處于交叉處或回線靠近處時(shí)，感生電信號最小，經(jīng)過濾波、整形、檢波之后，則會(huì)隨著列車的運(yùn)動(dòng)，形成一系列頻率正比于列車速度的位置脈沖，由脈沖數(shù)和感應(yīng)回線重復(fù)結(jié)構(gòu)的特征長度又可以得知列車的相對位移。

文獻(xiàn)[2,7-8,10-11]使用多組車底感應(yīng)線圈并對信號處理手段進(jìn)行改進(jìn)，可以大大提高抗電磁干擾和防止高速情況下漏檢脈沖的能力?；诟袘?yīng)回線的測速定位方法，具有可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但是由于要在軌面鋪設(shè)大量感應(yīng)回線和信號設(shè)備，且在道岔處需要特殊處理，因此其造價(jià)和所需的維護(hù)工作量較高。

圖2 基于感應(yīng)線圈的測速定位示意

1.2 基于計(jì)數(shù)軌枕的測速定位

基于計(jì)數(shù)軌枕的測速定位技術(shù)[1,9-10,13-17]主要被應(yīng)用在中低速磁浮列車系統(tǒng)中，并且已經(jīng)在國防科技大學(xué)試驗(yàn)線、長沙磁浮快線和北京S1中低速磁浮線得到應(yīng)用。此方法利用圖3車底的具有固定間距d的電渦流接近開關(guān)傳感器，對軌道的金屬軌枕進(jìn)行檢測，軌枕間距為固定值D，當(dāng)列車以一定的速度行駛時(shí)，軌枕觸發(fā)接近傳感器會(huì)形成一系列位置脈沖，通過測定脈沖頻率，可以得到列車的速度和相對位移。此方法具有裝置簡單、造價(jià)低、維護(hù)簡單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但對線路上軌枕的安裝間距的精度有較高要求。

文獻(xiàn)[13,15]通過改進(jìn)的檢測方法如傳感器的多重化，可以使其不依賴于固定間距的軌枕安裝完成測速定位。文獻(xiàn)[13-15,17]通過改進(jìn)算法并融合加速度計(jì)的信號，可以改善其低速時(shí)測速不準(zhǔn)和高速時(shí)脈沖漏檢的不足。

1.3 基于長定子齒槽檢測的測速定位

在高速磁浮列車中，普遍采用的是長定子直線同步電機(jī)作為牽引電機(jī)，列車位置信息的準(zhǔn)確度對于同步直線電機(jī)的定子電流控制至關(guān)重要。上海浦東機(jī)場到龍陽路站的世界首條商用高速磁浮線路(SMT)采用了德國TR08(TransRapid)高速磁浮技術(shù)，并應(yīng)用了基于長定子齒槽檢測的測速和相對定位方法[4,9-11,18-24]結(jié)合具有固定間距的信標(biāo)檢測的絕對定位方法。同步直線電機(jī)的長定子齒槽具有精準(zhǔn)的重復(fù)幾何結(jié)構(gòu)和尺寸[10]。當(dāng)列車以一定的速度行駛時(shí)，通過如圖4設(shè)置于列車轉(zhuǎn)子側(cè)的傳感器檢測長定子的齒槽。測速定位傳感器所用感應(yīng)線圈為一組平行于齒槽方向且?guī)缀纬叽缗c長定子齒槽相近的“8”字形線圈，由于沿齒槽方向的磁場是均勻分布的，所以這樣可以消除線圈與外部磁路的交鏈而又不影響自身磁鏈。線圈由固定頻率的激勵(lì)信號源和諧振電路驅(qū)動(dòng)，當(dāng)線圈在齒槽表面上方移動(dòng)時(shí)，由于其經(jīng)過的齒槽結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致磁路的變化，線圈自身的等效電感的周期性變化會(huì)被檢測出來。經(jīng)過信號處理，可以得到線圈單位時(shí)間經(jīng)過的齒槽數(shù)n，乘以齒槽的間距l(xiāng)，就可以得到單位時(shí)間內(nèi)的位移，即列車的速度v[18,20,24]。

(2)

文獻(xiàn)[18]通過對按特定位置排列的多組線圈的信號進(jìn)行相位鑒別，得到列車的運(yùn)行方向?；陂L定子齒槽檢測的測速定位方法，具有分辨力高、造價(jià)相對較低、可靠性高、維護(hù)簡單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但依賴長定子的特定齒槽結(jié)構(gòu)?；陂L定子齒槽檢測的測速定位示意見圖4。

圖4 基于長定子齒槽檢測的測速定位示意

1.4 基于多普勒雷達(dá)的測速定位

基于多普勒雷達(dá)的測速定位方法[1,5,9-10]指在車底安裝多普勒雷達(dá)，向軌面發(fā)射電磁波，根據(jù)多普勒頻移效應(yīng)，由于列車與軌面存在相對運(yùn)動(dòng)，通過檢測發(fā)射波和反射波之間的頻移就可以得到列車的速度

(3)

式中，fr為發(fā)射波和反射波之間的頻移；c為波速；Δf為電磁波頻率；α為發(fā)射角[5]。

之后根據(jù)列車速度可得列車相對位移。基于多普勒雷達(dá)的測速定位具有維護(hù)簡單、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在列車速度很高時(shí)誤差較小，但其易受外部條件的影響，如振動(dòng)、安裝誤差、雨雪和軌道的接縫或不平整等都會(huì)造成測量誤差。

文獻(xiàn)[25]使用雙天線結(jié)構(gòu)，可自動(dòng)校正波束與軌面夾角，文獻(xiàn)[26]使用自適應(yīng)卡爾曼濾波的方法，均可以提高測速的精度。

1.5 基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)測速定位

基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System-GNSS)的定位方法，在鐵路施工、調(diào)度、救援和物流等方面已有廣泛應(yīng)用[27]，且在如青藏線這樣對信號控制設(shè)備有特殊要求的線路，已作為重要的列車定位方式得以應(yīng)用[28]。以GPS為例，如圖5所示，其主要由空間衛(wèi)星部分、地面控制中心和用戶設(shè)備組成[29]。GPS的空間部分包括24顆在軌衛(wèi)星；地面監(jiān)控站點(diǎn)則以衛(wèi)星通信獲取衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)、導(dǎo)航、時(shí)間以及誤差校正數(shù)據(jù)；用戶接收機(jī)則被動(dòng)接收衛(wèi)星信號，通過其包含的發(fā)射時(shí)間、自己的接收時(shí)間和已知的電磁波速度就可以得到偽距(接收機(jī)和衛(wèi)星之間的距離)，接收機(jī)的速度則是根據(jù)與衛(wèi)星之間的多普勒頻移效應(yīng)得到的。目前GPS的定位精度已經(jīng)可以達(dá)到1～3 m，而使用差分(如Real-time kinematic： RTK)技術(shù)，其定位精度可達(dá)到厘米級[30-31]，而誤差主要來源于大氣影響、多路徑效應(yīng)和電磁干擾等[31]。

圖5 基于GNSS的測速定位示意

基于GNSS的測速定位技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單且維護(hù)方便。文獻(xiàn)[32-33]針對衛(wèi)星信號可能受到遮擋而丟失的情況，采用了GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，INS(加速度計(jì)、陀螺儀等)具有高自主性、不易受外界條件干擾、信號輸出頻率高但存在累積誤差的特點(diǎn)，通過卡爾曼濾波和魯棒H∞濾波等數(shù)據(jù)融合方法，可以很好地與GNSS互補(bǔ)，提高系統(tǒng)的整體可用性和安全性。

1.6 基于查詢-應(yīng)答器和脈寬編碼的絕對定位技術(shù)

文獻(xiàn)[4，6，9]描述了基于查詢-應(yīng)答器和脈寬編碼的絕對定位技術(shù)，它們具有相似的實(shí)現(xiàn)方式?；诓樵?應(yīng)答器的絕對定位技術(shù)由車載的查詢器和安裝于軌枕中央或鋼軌側(cè)面的無源應(yīng)答器組成，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，查詢器的發(fā)射線圈與應(yīng)答器的接收線圈耦合并通過電磁感應(yīng)的方式傳輸能量，應(yīng)答器接收能量后將按協(xié)議存儲的包含絕對位置信息的數(shù)據(jù)傳回查詢器[6，9]。以歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)(ERTMS)所采用的歐洲標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)答器EUROBALISE為例，其速度適用范圍上限可達(dá)500 km/h[6]。

基于脈寬編碼的絕對定位技術(shù)由車載閱讀器和安裝于軌道兩側(cè)的位置標(biāo)志板組成[1，4，9]。車載閱讀器為U形槽結(jié)構(gòu)，在U形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)安裝有相對的互為冗余的2組發(fā)射-接收線圈；金屬材質(zhì)的位置標(biāo)志板上則刻有一連串以位置數(shù)據(jù)對間距進(jìn)行編碼的開槽。當(dāng)列車經(jīng)過位置標(biāo)志板時(shí)，板上的開槽順序經(jīng)過U形槽，由于未開槽位置的金屬板材對電磁波的阻擋，接收線圈會(huì)接收到一系列脈沖時(shí)間間隔與開槽間距成比例的脈沖序列。以首個(gè)脈沖間隔為參考值，若其后的脈沖間隔大于參考值，則地址編碼為1，反之則為0。這樣通過所得到的多位地址編碼，可知此位置標(biāo)志板的絕對位置。因?yàn)榇朔椒ㄊ菍?biāo)志板的開槽間距轉(zhuǎn)換為脈沖的時(shí)間間隔，所以要求列車最好是以勻速通過位置標(biāo)志板，通過對編碼的裕量進(jìn)行調(diào)整，可以滿足一定加/減速度范圍內(nèi)的位置讀取[4]。

文獻(xiàn)[4，24，34，35]介紹了一種硬件實(shí)現(xiàn)類似于基于脈寬編碼的絕對定位技術(shù)，通過比對讀取的脈沖位置與參考位置來進(jìn)行編碼，稱為感應(yīng)式編碼定位。

基于查詢-應(yīng)答器和脈寬編碼的絕對定位技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、無定位盲區(qū)和定位精確度高等優(yōu)點(diǎn)，但需要在線路沿線安裝大量定位設(shè)備，設(shè)備和維護(hù)成本較高。

2 各種測速定位方法對比及適用于型式試驗(yàn)的測速方法

表1對目前磁浮列車的各種主要測速定位方法進(jìn)行了對比：不同的測速定位方法在定位方式、可靠性、抗干擾能力、精度、安裝匹配、設(shè)備和維護(hù)成本等方面存在各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，所以工程實(shí)踐中需要依據(jù)具體情況，選擇合適的測速定位方法或選用優(yōu)勢互補(bǔ)的方法進(jìn)行組合。

表1 各種測速定位方法對比

根據(jù)文獻(xiàn)[36-39]，鐵路機(jī)車車輛設(shè)計(jì)企業(yè)取得型號合格證、制造企業(yè)取得制造許可證的前提之一為樣車通過型式試驗(yàn)。磁浮列車速度的測量為型式試驗(yàn)中起動(dòng)加速和運(yùn)行阻力等多個(gè)項(xiàng)點(diǎn)所必須，而應(yīng)用于型式試驗(yàn)的傳感器和測試設(shè)備需要進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)[40]，所以應(yīng)該在一定程度上滿足：

(1)系統(tǒng)拆裝簡單快速；

(2)對不同車型的兼容性好；

(3)在嚴(yán)苛使用環(huán)境下保持可靠性；

(4)具有測量溯源性等要求。

通過上文對現(xiàn)有適用于磁浮列車的各種測速定位方法的討論可知：

(1)基于感應(yīng)回線的相對測速定位技術(shù)和各種絕對測速定位技術(shù)由于需要大量的軌道設(shè)備，并不適用于型式試驗(yàn)；

(2)基于齒槽檢測和計(jì)數(shù)軌枕的測速定位技術(shù)，則由于其需要對直線同步電機(jī)的長定子齒槽和軌枕進(jìn)行適配，所以不具有對不同車型的廣泛兼容性且難于校準(zhǔn)而難以在型式試驗(yàn)中采用；

(3)基于多普勒雷達(dá)和GNSS的測速定位方法，則由于其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單、成本較低和兼容性好，適用于磁浮列車的型式試驗(yàn)測速。

3 磁浮列車測速定位方法的研究方向

3.1 高速磁浮列車測速定位方法的研究方向

上海高速磁浮線路SMT采用了德國TR08高速磁浮技術(shù)，采用長定子同步直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并應(yīng)用了基于長定子齒槽檢測的測速和相對定位方法結(jié)合具有固定間距的信標(biāo)檢測的絕對定位方法。目前的研究方向主要集中于通過信號處理算法的改進(jìn)提高長定子齒槽檢測[18，19，21]和信標(biāo)檢測定位系統(tǒng)[32-33]的性能和可靠性。

日本高速超導(dǎo)磁浮線路東京至大阪中央新干線已于2014年底動(dòng)工，L0型高速超導(dǎo)磁浮列車于2015年在山梨試驗(yàn)線創(chuàng)造了最高時(shí)速603 km的世界紀(jì)錄。山梨縣高速磁浮試驗(yàn)線原本采用基于交叉感應(yīng)回線的測速定位方法，由于其設(shè)備及維護(hù)成本高昂，對新型的測速定位方法組合進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制造和測試[12]。在列車低速未起浮時(shí)，采用安裝于與軌道接觸的膠輪上的轉(zhuǎn)速傳感器信號；高速浮起時(shí)，利用“電動(dòng)勢觀測器EMF observer”(原理為同步直線電機(jī)的無速度傳感器的轉(zhuǎn)速和位置估計(jì))的信號進(jìn)行測速定位。同時(shí)改造已有的車地通信的毫米波裝置，實(shí)現(xiàn)了磁浮列車的基于毫米波雷達(dá)的區(qū)間定位，用于行車調(diào)度安全[39]。

3.2 中低速磁浮列車測速定位方法的研究方向

由于國防科大磁浮試驗(yàn)線、長沙磁浮快線和北京S1線等的建成和投入運(yùn)行，國內(nèi)對于中低速磁浮列車的測速定位方法進(jìn)行了大量研究。綜合考慮設(shè)備和維護(hù)的成本、系統(tǒng)性能和可靠性，采用基于計(jì)數(shù)軌枕的測速定位方法作為目前中低速磁浮列車的主流測速定位方法。對檢測方法、信號處理和傳感器布置進(jìn)行改進(jìn)，降低對軌枕間距安裝標(biāo)準(zhǔn)的要求[13,15]，改進(jìn)算法并融合加速度計(jì)的信號，改善其低速時(shí)測速不準(zhǔn)和高速時(shí)脈沖漏檢的不足[13-15,17]。

3.3 磁浮列車測速定位方法的信息融合

各種測速定位方法在定位方式、可靠性、抗干擾能力、精度、安裝匹配等方面各有優(yōu)劣，為了彌補(bǔ)單一測速定位系統(tǒng)的不足，在工程實(shí)踐中需要依據(jù)具體情況，選擇優(yōu)勢互補(bǔ)的測速定位方法進(jìn)行組合。多傳感器數(shù)據(jù)融合方法已經(jīng)在基于GNSS的測速定位中有大量應(yīng)用[32-33，42]；文獻(xiàn)[43]利用聯(lián)邦卡爾曼算法，將多普勒雷達(dá)、交叉感應(yīng)回線和查詢應(yīng)答器的 測速定位信息進(jìn)行融合，顯著提高測速定位的精度與可靠性，消除積累誤差。文獻(xiàn)[5]利用卡爾曼濾波、H∞濾波等數(shù)據(jù)融合方法，對輪軸脈沖速度傳感器和多普勒雷達(dá)的測速定位信息進(jìn)行處理和數(shù)據(jù)融合，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。

4 結(jié)語

(1)磁浮列車的測速定位系統(tǒng)是列車運(yùn)行和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文對目前國內(nèi)外各種主要的磁浮列車測速和定位方法進(jìn)行綜述。

(2)對目前國內(nèi)外各種主要的磁浮列車測速和定位方法的適用性和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了比較，基于感應(yīng)回線的相對測速定位和各種絕對測速定位，需要大量的軌道設(shè)備；基于齒槽檢測和計(jì)數(shù)軌枕的測速定位，需要分別對長定子齒槽和軌枕進(jìn)行適配，不具有對不同車型的廣泛兼容性且難于校準(zhǔn)，因此均不適用于整車型式試驗(yàn)。基于多普勒雷達(dá)和GNSS的測速定位，則由于其實(shí)現(xiàn)簡單、成本較低和兼容性好，更加適用于磁浮列車的整車型式試驗(yàn)測速。

(3)國內(nèi)外針對高速和中低速磁浮列車測速定位方法的研究趨勢主要包括對已有方法的改進(jìn)和對新方法的研發(fā)，以求提高已有方法的精度和可靠性或彌補(bǔ)其不足。由于需要著重考慮成本和可靠性，基于計(jì)數(shù)軌枕的測速定位方法在中低速磁浮中漸成主流。雖然技術(shù)路線不同，但日本高速磁浮在測速定位方法上的創(chuàng)新將起到重要的啟發(fā)和借鑒作用。另外針對具體的應(yīng)用環(huán)境，對不同測速定位方法進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合，使它們的優(yōu)勢互補(bǔ)，顯著提高測速定位的精度和可靠性，將成為未來重要的研究方向。