盛日興
(蘭州鐵路局蘭州電務段安全科,甘肅 蘭州 730050)
雙接收北斗衛(wèi)星和GSM-R的動車定位方案研究
盛日興
(蘭州鐵路局蘭州電務段安全科,甘肅 蘭州 730050)
伴隨現(xiàn)在鐵路的高速發(fā)展,高速列車的定位問題會嚴重影響列車的運行安全,因此要對高速列車進行精確的定位,以確保列車高速安全的運行。原有的列車定位是基于軌道電路、交叉電纜回線、應答器、記軸器、航位推算、GSM-R等單一或覆蓋定位方法不能完全保證現(xiàn)有高速列車的全方位定位安全。采用列車前后同時接受雙北斗衛(wèi)星和雙GSM-R的定位,再綜合車載陀螺儀、里程儀用融合算法來實現(xiàn)高速列車精確定位和實時運行安全。本文采用的兩種方法相融合方法提高高速列車定位精度,從而保證了列車的高速行車安全。
北斗衛(wèi)星;GSM-R;動車定位
在列車運行過程中保證高速列車運行安全,高精度的列車定位越來越重要,傳統(tǒng)列車定位方法成本高,且移動定位性能差,不能實現(xiàn)現(xiàn)代高速鐵路智能控制與高效調(diào)度,當前研究的雙模GPS/北斗衛(wèi)星定位很大程度上提高了定位精度[1],適應未來鐵路發(fā)展潮流,而且現(xiàn)有的列車定位采用的GSM-R無線列車定位方法,由于現(xiàn)有高鐵速度的提高就需要快速準確實現(xiàn)列車定位這就對GSM-R提出了挑戰(zhàn)。
因此本文結(jié)合現(xiàn)有的GSM-R鐵路定位系統(tǒng)[2],并在此基礎(chǔ)上結(jié)合了我國最新自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng),提出了雙接收北斗導航和雙GPS-R的高速列車高精度定位系統(tǒng)。
本文在北斗和DR組合導航的基礎(chǔ)上用車載雙天線,里程計、陀螺儀,設(shè)計基于雙GSM-R并用融合算法[3]精確計算定位。GSM-R采用雙接收天線實現(xiàn)冗余可靠安全。當前我國高速鐵路采用CRH型動車組[4],CRH型車組編組一般是固定不變的,它與動力集中式和分散式列車是不同的,不可以隨便地增減車廂的數(shù)量。CRH型動車組標準使用8節(jié)車來組成一列車組,但是也可以把兩個車組合成一個編組。對于這樣標準的動車編組,本文就使用車載雙天線方案:在列車前端和尾端分別設(shè)置一個通信收發(fā)天線(Ant1和Ant2),這兩個通信收發(fā)天線通過總線和CCS(CentralControlStation,中央控制站)相連接,受到控制站重點控制操作。動車組通過天線接入通信網(wǎng)絡,將動車的上行信息發(fā)送到CCS,再由CCS控制將所有的上行信息通過外部的動車車載天線發(fā)送到軌旁的基站中。動車車載雙天線接收到通信基站發(fā)送的下行信息后,CCS對收到的數(shù)據(jù)先進行處理,然后將信息轉(zhuǎn)發(fā)到動車內(nèi),以形成地面的基站與動車組之間的信息交互。
因為安裝于動車頂端的車載雙天線距離相對較遠,所以雙天線之間不受其相互影響,提高動車接收信號的質(zhì)量,消除近距離的天線干擾帶來的信號混亂保證信息正確。
本文基于交織站址冗余覆蓋方式,通過車載雙天線和虛擬小區(qū)協(xié)作進行通信,當一個天線正在切換時,另一個天線實時通信,保證通信不間斷從而實現(xiàn)了高可靠性、高安全性。
若設(shè)相鄰兩個基站之間的距離是L,動車在越過原服務小區(qū)BSi時,在t時刻與BSi之間的距離為Xt時,那么動車天線接收信號的強度可用下式表示。
式中:K1是BSi的發(fā)射功率;K2是Hata模型中路徑損耗因子;ε(i)是陰影衰落因子,ε(i):N(0,σ2);ψ(i)為衰落影響。列車在行駛過程中,行駛即將交接的小區(qū)為BSj,因此動車車載接收目標小區(qū)的信號質(zhì)量為式2所示∶
動車小區(qū)切換的條件在切換之前就要對接收的
信號質(zhì)量進行平均值處理,旨在減少小區(qū)切換過程中產(chǎn)生的乒乓效應[5]以及切換小區(qū)信息的誤判,并降低了信號衰落引起的信號起伏落差大的問題。本文使用加權(quán)平均進行處理,即是∶
式中:St為列車在t時刻接收基站的信號強度;α為加權(quán)因子 (0<α<1);St-Δt為前一次測量時刻t-△t計算的接收的信號強度的平均值t為測量小區(qū)信號質(zhì)量的時間間隔。
如果在兩次測量信號質(zhì)量的時間間隔內(nèi)動車的運行速度V變化較小時,則動車行駛的距離可表示為∶
動車在行駛的過程中,當查詢到的從基站傳來信號質(zhì)量滿足切換的條件時,就可以進行切換,那么在t時刻,列車開始切換的概率可表示為∶
式中:Γ是動車車載接收到兩個相鄰切換通信基站的信號強度的差;H是滿足動車組與基站之間最底信號強度的閾值。
在本文中,切換發(fā)動可定義為動車雙天線查詢到滿足切換小區(qū)的條件后,開始向目標基站進行切換操作;切換完成可表示為動車已經(jīng)完成目標基站的網(wǎng)絡進入的過程;切換中斷是表示動車與目標地面基站間的通信沒有成功切換,導致動車與目標基站通訊中斷。
北斗衛(wèi)星由于定位衛(wèi)星軌道的分布的不同,因此其在高遮蔽區(qū)的信號質(zhì)量更高,而且首次定位時間短加上其短報文通信功能,所以更加適用于現(xiàn)代高速鐵路大范圍集中控制管理與調(diào)度,然而在實際中列車可能受森林、沙漠、橋隧、涵洞、山體和建筑物的影響等從而導致部分區(qū)域接收衛(wèi)星信號差,因此采用北斗和GSM-R結(jié)合的組合定位方法實現(xiàn)相互互補的定位[6]。
在列車頭尾各裝一個北斗衛(wèi)星接收器,車頭的衛(wèi)星接收機接收到至少2個衛(wèi)星的定位信息,接收器必須記錄接收到衛(wèi)星發(fā)射的測距信號強弱,同時也要記錄著接收機接收到測距信號的時刻,接收信號時刻時間減去發(fā)射信號時刻的時間等于信號的傳播時間,信號的傳播速度是已定的值,兩者相乘就得到衛(wèi)星距離列車前端的距離長度,因此可以以此距離為半徑進行畫圓。同樣的方法對其他的衛(wèi)星進行距離換算,得到至少兩個圓,則圓的相交處就是此車頭的位置,而且接收到的衛(wèi)星的信號比較多時,那么定位將會更加準確。尤其是本文還有列車尾部的衛(wèi)星接收機,則尾部的接收機同樣和頭部的接收機共同工作實現(xiàn)定位,但是頭尾會有定位差,如果列車行走在直線軌道上,車頭和車尾可以通過總線通信計算,那么車頭和車尾的定位差為此列車的定長,且可以輔助檢查列車的完整性,達到意想不到的效果。
輔助定位法[7]為在衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域內(nèi)布置靜止的基站以輔助衛(wèi)星的接收器接收信號,實際上就是把微弱的信號在地面加強傳送到移動的機車上,實際上增強接收機的接收能力,采用的輔助定位方法為利用現(xiàn)場的基站并由GSM-R發(fā)送校正信息提高定位精度,而且在CRH列車上裝設(shè)有陀螺儀和里程儀,還有應答器接收線圈,把他們的信息融合起來傳送到車載計算機里,并使用信息融合算法進行融合分析計算得到最精確的定位信息。
利用輔助的衛(wèi)星定法,移動接收機不用時刻追蹤衛(wèi)星信號,可以很大程度節(jié)省功耗,輔助定位只要同步偽隨機噪聲碼,就可以實現(xiàn)高靈敏度的定位,并且不需要把得知衛(wèi)星信號信息,通過計算機換算出來其最精確位置信息。收集現(xiàn)場資料可以得出各個定位方法的定位精度見表1[8]。
從表1列舉的定位方法比較可以知道利用雙北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、雙GSM-R、陀螺儀和里程儀、航位推算等融合提高動車運行的精確定位,防止因為定位不良或列車在軌道上丟失發(fā)生碰撞,有效地保證了行車安全,提高了列車的可靠性,而且有利于對列車進行調(diào)度指揮,提高列車在區(qū)間的優(yōu)化和運行效率。
本文主要介紹了雙接受GSM-R和雙接受北斗衛(wèi)星的在列車定位的定位原理,并在原有的鐵路無線定位系統(tǒng)GSM-R的定位原理的基礎(chǔ)上,將我國最
新研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)了高精確度的列車實時定位。由文中的結(jié)果得出使用基于這兩種定位系統(tǒng)組合技術(shù)不僅僅可以保證高速列車的精確定位,同時保證了鐵路運輸系統(tǒng)的安全可靠。
表1 定位方法比較
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