基于卡爾曼濾波的編組站機車組合定位方法的研究與設計

湯振源 何倚霜

摘 要：編組站調車作業自動化是編組站綜合自動化發展的趨勢，對調車機車的定位是自動調車的重要研究內容之一。本文通過對軌道交通定位系統的研究，結合編組站調車機車作業性質和特點，通過對軌道電路接收端的改進，設計了一個基于GPS/軌道電路/里程計的機車組合定位方案，該方案利用卡爾曼濾波自適應信息融合方法進行數據處理，能夠解決GPS定位在不同環境下誤差大、可靠性低的問題，同時也可以對提高編組站的作業效率和實現調車機車調車作業的安全防護提供有效信息。

關鍵詞：機車定位;GPS;軌道電路;里程計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.141

0 引言

素有“列車工廠”之稱的編組站，是列車的集散地，負責集中辦理大量貨物列車的到達、解體、編組出發等作業。對編組站的調車機車實現精準定位能夠極大提高編組站信息化建設程度，實現機車位置數據共享，減輕機車司機的勞動強度，提高編組站的作業效率，機車與固定設備的距離的判定，不僅能夠更進一步確保調車作業安全，而且為以后的自動調車目標的實現奠定一定的基礎。

本文在前人研究的基礎上，針對編組站站場規模大、股道數量多、調車作業繁忙、作業過程復雜、受人為因素影響大等特點，提出了一基于GPS/軌道電路/里程計組合的調車機車跟蹤定位系統，用于實時、精確跟蹤機車在線路上的位置，采集到的位置數據，不僅可以作為調度監控機車的位置，也可以為調車作業安全防護提供數據支撐，防止機車冒進信號，超速行駛等問題。

1 GPS衛星定位技術

全球衛星導航系統（GNSS）主要有GPS、GLONASS、GALILEO以及我國新部署完成的北斗導航系統。其中美國的GPS是最先進和成熟的系統之一，應用最為廣泛，涉及到軍事，民用等多個領域。目前美國已經開始布局第三代GPS導航衛星，建成后將具有更高的精度和更強的抗干擾能力。

1.1 GPS定位基本原理

GPS定位，實際上就是通過至少四顆已知位置的衛星來確定GPS接收器的位置。如圖所示：

通過GPS電文解譯出四顆GPS衛星的三維坐標，用距離交會的方法求解p點的三維坐標的觀測方程為：

1.2 DGPS定位

GPS 偽距差分技術（DGPS）是目前常用的高精度定位技術，廣泛用于車輛的導航與定位[1]，由于 DGPS 定位存在一定誤差，故采用組合定位系統，其基本原理為：

基準站接收到第i顆衛星廣播的位置為，而且基準站經測繪是在位置上，從而可知基準站到衛星的距離為：

基準站然后對第i顆衛星做出偽距測量值，包括到衛星的距離以及誤差值：

式中，表示基準站時鐘與GPS系統時鐘的偏移時的誤差，表示偽距誤差。

將基準站計算出的幾何距離與偽距測量值比較，得出差分校正值：

由于偽距校正值隨時間變化，故隨時間變化的偽距校正值表示為：

基準站將廣播給機車上的GPS接收機，然后加載同一顆衛星的偽距測量值上：

除了多徑和噪聲誤差外，大多數情況下，車載GPS接收機偽距誤差分量與基準站是相同的，校正過的偽距可表示為：

式中，指的是偽距殘留誤差，而是車載GPS接收機和基準站的時鐘差。

為了使車載GPS接收機能夠補償偽距誤差速率，基準站還需發送偽距速率校正值，車載接收機然后進行偽距校正，以便與自己測量時間t 對應，表示如下：

然后計算在時刻t矯正后的車載GPS接收機偽距：

2 軌道電路定位原理

軌道電路是鐵路信號設備的重要組成部分，利用鋼軌和鋼軌絕緣節構成的電路，主要用來顯示車站或區間線路列車占用情況。將列車運行與信號燈聯系起來，還可以利用軌道電路向機車傳遞行車信息。這里我們把軌道電路作為一種定位機車的設備，通過軌道電路的變化確定調機位置。

2.1軌道電路的基本組成

軌道電路有送電設備、接收設備、鋼軌絕緣以及連接線組成，軌道電路有多種型號，除了送電設備、接收設備不盡相同之外，鋼軌絕緣和連接線是相同的。簡單的軌道電路如2.1所示：

當區段內鋼軌完整，沒有被占用時，軌道繼電器吸起，表示區段空閑;當軌道被占用時，由于繼電器線圈電阻遠遠大于輪對電阻，軌道電路被分路，繼電器的電流大大減小，軌道繼電器落下，表示區段有車占用[2]。

2.2 改進的軌道電路接收器

受電端的接收器部分是軌道電路的不可或缺的一部分，接收器的穩定性以及可靠性決定了軌道電路的安全系數。本文設計的接收器具有故障自檢、監測報警等功能，能夠對設備的各個環節自我監測，如果發生故障后可以自動報警。其結構與功能如下圖所示：

通過軌道電路傳輸的電信號到達接收器后，經過信號濾波，光電隔離處理，對波形進行精密處理后，分別進行A/D轉換，把系統提供的數字電源轉換成需要的模擬電源，轉換后的信號分別由MPU1和MPU2兩個微處理器進行處理，在此過程中，MPU1與MPU2保持嚴格同步，若運算結果不同，說明軌道處于占用狀態，兩個微處理器會停止向安全與門輸出信號，繼電器失磁落下。相反，如果兩個微處理器運算結果相同，則向安全與門輸出信號，安全與門將兩路信號波轉換成直流電壓信號，繼電器勵磁吸起，表示線路處于空閑狀態。如果安全與門發生故障，會觸發報警器報警。如果電路中有其他故障，微處理器會自動斷開安全與門的信號輸出，并觸發報警，保證系統的安全性。

3 里程計定位原理

編碼里程計通過編碼盤與輪軸耦合，驅動一個或多個裝在編碼盤四周的光電傳感器，這些傳感器產生一個和速度成比例的脈沖序列，車載計算機通過采樣電路得到列車運行的速度[3]。最后通過車載計算機由速度對時間積分來求得機車在某個區段的具體位置。

輪運動一周，里程計輸出n個脈沖數，N為單位時間內里程計輸出的脈沖數，為車輪直徑，那么，機車某時刻行進速度V計算如下：

4 組合定位設計

在設備完好狀態下，當機車第一輪對進入一個區段后，軌道電路短路，軌道繼電器落下，信號樓顯示該區段紅光帶，表示此區段處被占用狀態，軌道電路電子接收器將脈沖信息以及股道信息傳遞給車載計算機，里程計開始工作，車載機計算機根據里程計采集到的速度數據，計算機車相對上一個分界點開始的走行距離。從而判斷機車在股道上的具體位置。與此同時，車載GPS接收機會收到來自基準站和多顆衛星的信號，通過基準站的偽距校正，向車載計算機輸出觀測到的位置，最后通過計算機綜合處理后，輸出位置數據。在里程計/GPS設備故障的情況下，以GPS/里程計的定位結果作為真實的位置坐標。

車載計算機將機車ID，股道信息，機車運行狀態等一系列參數匯總后，以一定的格式通過專用網絡傳送到調度室，供調度人員對機車進行監控指揮。

4.1 數據處理方法

本系統可通過建立自適應卡爾曼濾波自濾波器的聯合濾波結構，采用模糊自適應算法實時監測各子濾波器量測噪聲統計特性變化情況，計算子濾波器置信度[4]。卡爾曼濾波是一種最優估計方法，基本原理是利用系統模型和觀測模型的統計特性，遞推得到最優融合數據[5]。

4.2 系統的可行性

采用組合定位方法對調車機車進行定位，彌補了單個定位方法的不足，提高了系統的穩定性。編組站調車機車采用GPS/軌道電路/里程計的組合定位技術實現精確定位具有很好的可行性，具體表現如下：

（1）GPS定位模塊和里程計比較成熟，采用一般的定位器材即可滿足需求;

（2）隨著工業技術的不斷進步，定位傳感器的價格越來越便宜;

（3）組合定位系統在編組站應用前景大;

（4）隨著衛星定位技術的發展，各大衛星定位系統的定位精度在不斷地提高，隨著我國北斗衛星定位系統的不斷成熟，GPS模塊可換做BD定位模塊，系統的可替換性較好。

5 結論與展望

在調車作業過程中對調機在線路中的位置精確定位，不僅方便了調度指揮中心對機車實時狀態的監控，而且對于調車作業自動防護，防止機車超速、冒進信號等事故的發生有重大實踐意義，是編組站綜合自動化研究的重要內容。

本文通過對GPS工作原理的研究分析，發現傳統的定位原理不能夠滿足調車作業定位要求，考慮到調車作業的重要性，為了確保萬無一失，本文又研究了軌道電路/里程計的工作原理，提出了以軌道電路為參考系統，里程計為主要定位方式確定調車機車在股道中的具體位置的方法，該方法與GPS配套使用，遵循“故障-安全”原則，可行性高，此外，此系統還具有成本低，可靠性高，穩定性好，維護方便等優點，對以后實現調車作業自動化，提高編組站調車作業效率，提高路網通過能力具有重要意義。

本系統可以與編組站現有系統集成，實現數據共享，從而更好地服務編組站作業任務。

參考文獻：

[1]林立新，楊宏偉.GPS定位的調車系統[J].機車電傳動，2004（04）.

[2]林瑜筠.軌道電路設備原理及維護[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

[3]孫林祥，房堅.城市軌道交通的列車定位技術[J].電子工程師，2002（07）：28-30.

[4]周宇.基于傳感器置信度的列車組合定位信息融合算法[J].電子世界，2014（03）：128.

[5]高禮群.基于GSM-R網絡的列車組合定位技術研究[D].西南交通大學，2013.

作者簡介：湯振源（1991-），男，甘肅慶陽人，碩士研究生在讀，研究方向：交通運輸信息技術。