一種基于多傳感器組合的磁浮列車定位方案

蔡 煊,鄔忠萍,郭金瑩,侯宇婷,陶漢卿

(1.成都工業學院汽車與交通學院,成都 611730； 2.柳州鐵道職業技術學院電子技術學院,廣西柳州 545616)

磁浮列車定位技術是磁浮運控系統的關鍵技術之一，測速定位功能是磁浮列車運行控制的基礎。由于磁浮列車不依賴輪軌接觸而是通過電磁力來實現列車懸浮、驅動以及導向，傳統的諸如通過測量車輪轉速計算列車運行速度和走行距離的輪軌列車測速定位方法并不適用于磁浮系統。文獻[1-2]介紹了上海磁浮示范運營線的列車定位技術，主要采用“定位標志板識別+長定子齒槽計數”的絕對定位和相對定位相結合的定位方式。文獻[3]設計了一種用于磁浮列車測速定位的新型交叉感應回線系統。文獻[4]研究了一種基于鋼軌枕的中低速磁浮列車組合測速定位方法。文獻[5-6]綜述了各種適用于磁浮列車的測速定位方法，包括交叉感應回線定位法、計數軌枕定位法、全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)定位法、長定子齒槽檢測定位法、查詢/應答器定位法、雷達測速定位法等，并分析比較了各種定位技術的優缺點，同時指出基于GNSS的多傳感器組合定位系統是磁浮列車定位技術的重要發展方向之一，但并未構建具體系統以及驗證系統定位性能。通過相關文獻可以看出，現有磁浮列車定位方法大多需基于軌旁設備實現定位功能，普遍存在結構復雜、建設及維護成本高、可移植性差等問題。本文根據磁浮列車運行控制對列車定位的具體功能需求，采用北斗衛星導航系統、多普勒測速雷達、慣性單元以及軌道電子地圖，構建了一種成本較低的磁浮車載組合定位系統，將磁浮列車定位功能盡量建立在車載環境中并能保證連續、可靠的測速定位，最后通過實驗室內部搭建的仿真測試平臺驗證了該組合定位系統的性能。

1 組合定位方案

GNSS可為列車提供實時的絕對位置和測速信息，為軌道車輛定位提供了一種低成本且高效的解決方案[7]，但衛星定位同時也存在由于信號被遮擋導致定位精度較差甚至失效等缺陷，單獨使用衛星定位無法有效保證列車定位的可靠性和連續性，還需結合其他定位手段共同實現列車定位功能。目前針對GPS在鐵路施工、災害監測、列車定位等中的應用研究已有很多，但基于我國自主建設的北斗衛星導航系統(Beidou Navigation Satellite System，BDS)的相關研究還較少。BDS系統作為我國自主研發的全球衛星系統，與GPS系統在系統結構、導航定位原理、調制解調方式等方面都很相似[8]，但BDS系統還具有諸如通信/導航一體化、自帶廣域差分增強等獨特優勢[9-10]，因此對BDS系統在我國交通、通信、國防等重要領域中的應用展開研究具有重要的現實意義。

本文采用BDS系統作為磁浮列車的主要定位手段，采集列車的低頻絕對定位信息，同時利用多普勒雷達、慣性測量單元采集高頻相對定位信息，再輔以軌道電子地圖進行匹配定位，從而構建一種絕對/相對定位功能完整的磁浮車載組合定位系統。在該組合定位系統中，利用BDS系統實時測量磁浮列車的位置和速度信息，當BDS系統短時失效時利用軌道電子地圖輔助多普勒雷達和慣性測量單元來保證磁浮列車定位的連續性和可用性，該組合定位系統結構如圖1所示。

圖1 磁浮車載組合定位系統結構

2 定位原理及流程

2.1 基于北斗系統的磁浮列車定位

在磁浮列車上安裝北斗衛星接收機及衛星接收天線，接收當前空域北斗導航衛星播發的星歷數據，即可解算得到列車接收機的實時絕對位置。與GPS類似，常用的機動載體北斗定位方法為偽距定位法[11]，列車接收機接收北斗衛星播發的星歷數據并進行相關運算，從而獲取該信息從北斗衛星到列車接收機的傳輸時間，乘以電磁波在空氣中的傳播速度(光速)，得到列車接收機與對應北斗衛星之間的距離。由于列車接收機時鐘、各導航衛星時鐘與北斗系統標準時鐘之間均存在時鐘誤差，因此該距離為偽距。各導航衛星的時鐘誤差可由北斗地面監控站測出和修正，列車接收機時鐘誤差則作為一個待求解參數與列車位置坐標一并求解。除了絕對位置坐標，還能通過列車接收機同時解算出磁浮列車的實時速度、運動方向等參數?；诒倍废到y的磁浮列車定位原理如圖2所示。

圖2 基于北斗系統的磁浮列車定位

(1)

式中，ρi為列車衛星接收機到第i顆北斗衛星的偽距；(xi，yi，zi)為第i顆北斗衛星的三維空間位置，可由已知星歷數據獲??；(x，y，z)為待求解的列車衛星接收機三維位置；c為光速；Δt為列車衛星接收機的時鐘誤差。

2.2 基于多普勒雷達的磁浮列車定位

多普勒雷達測速測距是將雷達傳感器安裝在磁浮列車底部，通過雷達以一定傾斜角度向軌道平面發射電磁波，并接收軌道平面反射的回波信號，基于多普勒頻移效應原理，實時測量雷達發射波頻率和反射波頻率之間的頻率差值(多普勒頻移量)便可計算得到磁浮列車相對于軌道平面的移動速度，對速度積分可獲得列車里程增量

(2)

多普勒雷達測速測距誤差主要由列車振動、雷達安裝角度誤差以及自身固有測量誤差等造成。在雷達諸項誤差因素中，列車縱向高頻小幅振動對雷達測速精度影響最大[12]。采用詹納斯配置方式可有效減少列車振動造成的測速測距誤差。具體方法為，在列車底部以相反方向安裝2個雷達，如圖3所示。采用詹納斯配置方式后，可將列車縱向振動造成的雷達測速誤差從|vk，h/vk|(vk，h為k時刻列車縱向振動速度)數量級減少到10-8～10-7數量級，使得該項誤差可以忽略。

圖3 基于多普勒雷達的磁浮列車定位

2.3 基于慣性測量裝置的磁浮列車定位

與輪軌系統相似，為保證磁浮列車安全平穩運行，磁浮軌道線路大部分為長直線并根據需要采用小部分曲線線路，列車運行軌跡受軌道約束。因此可近似認為磁浮列車在平面內運行，列車的俯仰、橫滾等姿態變化以及垂向速度可以忽略。基于以上機動載體運動特征合理假設，可對傳統的慣性導航系統(Inertial Navigation System，INS)進行簡化處理，采用單軸角速率陀螺儀和單軸加速度計構成慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)[13-14]應用于磁浮列車的測速定位?；贗MU的磁浮列車定位原理如圖4所示。圖4中下角標n、b分別表示平面坐標軸X、Y的導航坐標系和載體坐標系，φk表示磁浮列車的實時航向角，(xk，yk)表示磁浮列車的實時位置。

圖4 基于IMU的磁浮列車定位

通過單軸角速率陀螺儀實時測量垂直于磁浮列車運行平面方向的轉動角速度ωb，k，通過單軸加速度計實時測量磁浮列車運行方向的加速度fb，k。在利用北斗定位信息輔助IMU初始對準的前提下，對ωb，k積分可獲得磁浮列車的實時航向角φk，對fb，k在每一個測量周期內積分可獲取磁浮列車的速度vk和里程lk，然后對第k周期的里程增量Δlk(Δlk=(lk-lk-1))基于φk在二維平面內進行分解即可得到第k周期磁浮列車的平面位置坐標

(3)

不難看出，IMU定位是一種典型的航跡推算法，計算量少、自主性高以及短時定位精度高，但其位置誤差隨時間累積，不適合單獨用于磁浮列車的長時定位，因此可利用多普勒雷達測速測距信息與其相互輔助，不斷校正IMU的累積誤差。

2.4 基于軌道電子地圖輔助的磁浮列車定位

利用測繪測量等手段建立包含軌道線路完整的曲率、坡度、道岔點等特征數據的數據庫，在此基礎上即可建立整個軌道線路絕對公里標與各類特征參數逐一對應的軌道電子地圖[15-17]。在軌道車輛定位中應用電子地圖匹配定位具有計算量少、匹配精度高等明顯優勢，但軌道地圖匹配定位無法單獨完成列車定位功能，在本文的磁浮列車組合定位方案中，軌道電子地圖匹配定位可作為雷達/IMU組合的有效輔助。

在磁浮北斗定位短時失效發生時，將最后一個北斗有效定位結果作為磁浮列車的參考初始位置，利用雷達/IMU組合測量和計算列車速度和里程，有效保證磁浮列車定位的連續性和可用性，同時將IMU中的角速率陀螺儀獲取的列車姿態信息與曲率、坡度等存儲在軌道電子地圖中的軌道線路特征參數進行匹配，即可獲取磁浮列車的絕對公里標位置，利用該絕對位置信息即可對雷達/IMU組合的里程累積誤差進行有效校正?；谲壍离娮拥貓D輔助的磁浮列車定位原理如圖5所示。

圖5 基于軌道電子地圖輔助的磁浮列車定位

2.5 定位流程

(1)首先基于BDS系統定位數據初始化磁浮列車運行狀態；(2)如果BDS系統正常工作，則基于BDS系統連續測量磁浮列車位置和速度參數；(3)若發生BDS系統短時失效，則以BDS失效前一時刻獲取的有效衛星定位數據作為參考基準，利用雷達/IMU組合持續推算磁浮列車的運行速度和里程增量，同時利用軌道電子地圖匹配方式輔助校正雷達/IMU組合的里程累積誤差，在此基礎上通過分解計算獲取磁浮列車二維平面位置坐標；(4)當BDS系統恢復正常后再次轉入北斗為主的定位模式，并以衛星定位數據對IMU進行初始校準；(5)不斷循環(1)～(4)直到列車運行停止。

3 仿真驗證

為檢驗本文構建的磁浮車載組合定位系統的定位性能，在實驗室環境下搭建的仿真測試平臺上進行仿真驗證，該平臺結構如圖6所示。

圖6 仿真測試平臺結構

圖7 組合定位里程誤差

圖8 組合定位速度誤差

由圖7可見，在北斗/IMU組合定位模式下，里程誤差總體上較小且平穩，但在300～400 s北斗失效時段內，由于缺少衛星定位結果的校正，IMU單獨定位的里程誤差呈現出逐漸發散的趨勢，與其自身誤差特性一致。而在300～400 s北斗失效時段內，在軌道地圖匹配輔助的雷達/IMU組合定位模式下，里程誤差總體上保持平穩無明顯發散跡象，表明了軌道電子地圖輔助雷達/IMU組合的有效性。同樣，由圖8可見，在300～400 s北斗失效時段內，由于缺少衛星定位結果對雷達/IMU組合的校正，IMU測速誤差明顯增大，而在軌道地圖匹配輔助的雷達/IMU組合定位模式下，300～400 s時段內的速度測量誤差相對收斂，表明軌道意子地圖匹配輔助下的雷達/IMU組合定位能將誤差有效控制在要求的范圍內。

4 結語

針對目前常用的磁浮列車定位方法存在的缺陷，構建了一種結合北斗衛星導航系統、多普勒測速雷達、慣性測量單元以及軌道電子地圖的車載組合定位系統并給出了具體定位原理及定位流程。通過實驗室環境下的仿真測試，驗證了該組合定位方法可以保證磁浮列車定位的精確性和連續性，為磁浮列車定位提供了一種成本較低且理論上可行的替代解決方案。下一步研究考慮將多源信息融合估計算法引入到該組合定位方法中，以獲得更優的列車定位參數。另外，受限于客觀條件，實驗室環境下獲取的仿真結果并不能完全真實地反映磁浮列車的運行狀態和實際影響因素，后續將尋求搭建真實的磁浮線路車載試驗平臺并分析驗證該組合定位方案的可行性。