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于保障車輛安全運行具有重要意義，軌道車輛往往含有大量的鐵磁性結構，高速行駛的車輛在遇到對向和同向錯車情況，與相鄰車輛互相影響，產生強烈的感應磁場干擾。設計了一種基于小波變換的地磁錯車干擾抑制方法，采用對稱性良好的“sym8”小波基波以及八級小波分解模型，試驗結果表明，提出的方法可以顯著抑制高頻高幅值的錯車干擾信號。

關鍵詞： 軌道車輛 地磁 干擾抑制 交通工具

中圖分類號： TP393文獻標識碼： A文章編號： 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、貨物運輸的重要交通工具，提供實時、可靠的定位信息是保障軌道車輛安全運行的一項重要措施。傳統的軌道車輛主要依賴于信號機或者應答器實現定位，基本原理是通過一種用于地面向列車信息傳輸的點式設備，向列控車載設備提供線路基本參數、線路速度、特殊定位、列車運行目標數據、臨時限速、車運行目標數據、臨時限速、車站進路等固定和實時可變的信息。該定位方式需要在軌道上布設大量的有源、無源設備，部署成本高、維護成本高。另外，隨著北斗三號組網成功，新興的軌道車輛上部署了衛星導航定位系統，但是衛星導航定位系統的缺點是在隧道環境中，會因為無法接收到導航信號而定位中斷；同時，在電磁復雜的環境，如戰場環境，導航信號本身的脆弱性導致其容易受到干擾，無法為軌道車輛提供可靠的定位服務[1]。

地磁導航具有無源、無輻射、全天時、全天候、全地域、能耗低的優良特征。目前，地磁導航主要應用在航空和航海領域，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構產生，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航的數據來源。軌道車輛地磁導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構，高速行駛的車輛在遇到對向和同向錯車情況，與相鄰車輛互相影響，產生強烈的感應磁場干擾，該干擾將地磁場有效特征掩埋，最終導致干擾時段地磁匹配失效[2]。

1 軌道車輛地磁干擾抑制方法

1.1 干擾分析

本文采用時域和頻域結合的方法來分析軌道車輛錯車干擾特性，試驗數據來源于鐵路機車上搭載的磁傳感器設備。磁傳感器設備采用一臺三軸磁通門磁傳感器，精度為1 nT，采樣率30 Hz。同時采用高精度位置基準標記機車的地理位置信息，精度為1cm RMS（RTK）。截取約12 km長度的地磁數據進行時域分析，縱軸為地磁合場強的幅值，如圖1所示。

截取干擾時段地磁數據和無干擾時段地磁數據，進行傅里葉變換。由于軌道車輛在垂直方向（Z軸）的機動性較小，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行在軌道車輛地磁匹配定位，水平方向磁場數據單邊頻率如圖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，且峰值可達到7 000 nT。由此可以考慮，對幅值較高的高頻信號進行抑制，可以有效降低干擾的影響[3]。

1.2 干擾抑制方法原理

為了實現在實時地磁匹配中，對錯車干擾磁場進行抑制，采用兼具時域和頻域處理能力的小波變換方法，相比短時傅里葉變換，其優點為信號處理窗口自適應變化，實現在低頻信號處理時，提高頻率分辨率，在高頻信號處理時，提高時間分辨率。其原理為利用原始時域的信號，與不同頻率的小波信號進行卷積計算，實現在頻域對信號分解。對干擾頻段進行識別，去除干擾信號后進行信號重構，實現干擾抑制[4]。

2 試驗驗證

磁場數據的采樣率為30 Hz，無錯車干擾的磁信號集中在0～0.2 Hz，因此，針對地磁數據和錯車干擾信號特征，本文設計八級小波分解降噪方法，最小頻率分量為0～0.16 Hz，采用“sym8”小波基波[5]。對不同級數小波分量進行信號重構，如圖3所示，其中，a8為低頻率分量，d1～d8為高頻分量。由結果可以看出錯車干擾信號主要在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描述了地磁數據的主信號變化趨勢，提取a8分量作為錯車干擾抑制后的數據[5]。

將干擾抑制后地磁數據與原始地磁數據比較，如圖4所示，所設計八級小波分解降噪方法能夠有效降低錯車干擾。

3 結語

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，采用對稱性良好的“sym8”小波基波，設計了八級小波分解模型，干擾抑制后，錯車引起的高頻高幅值磁場干擾信號有顯著改善。

參考文獻

[1]毛寧，陳石，楊永友，等.地磁長期變化信號提取和模型預測精度評估[J].地球物理學報，2023，66（8）： 3302-3315.

[2]劉文會，石勝明，徐蘇寧，等.長輸管道地磁雜散電流干擾機理探討[J].全面腐蝕控制，2023，37（7）：8-12.

[3]李翊君.基于地磁臺站時均值及協方差矩陣的2010-2021地磁場長期變化研究[D].南京：南京信息工程大學，2023.

[4]王銘超.基于磁梯度張量的目標定位及識別方法研究[D].長春：吉林大學，2023.

[5]趙乃千，郭宇鑫，廖紹歡，等.成都地鐵運營對成都地震中心站地磁觀測的干擾分析[J].地震地磁觀測與研究，2023，44（1）：67-73.