張世聰

(中國鐵道科學研究院研究生部,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，將列車車輪的轉動轉化為列車的速度后進行檢測、讀出，并結合軌道電路、應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現(xiàn)列車的懸浮、導向還有驅動，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。在磁浮列車領域處于領先地位的日本和德國，分別根據各自的需求和技術特點，采用了不同的技術方案實現(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，我國從20世紀80年代開始磁浮列車相關技術的研究，隨著各試驗線和上海、長沙與北京的商用磁浮線路的建成和應用，對于磁浮列車關鍵技術的掌握不斷進步。由于磁浮列車的商用建設起步較晚，目前該領域的文獻資料多為對產品工程實現(xiàn)和專利的描述，綜述類文獻較少，且缺乏對各類方法的評述比較和對研究趨勢的跟進。為滿足磁浮列車整車型式試驗的測速要求，對目前國內外各種主要的磁浮列車測速和定位方法及其最新發(fā)展趨勢進行綜述，并對各種測速技術進行研究和對比。

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-應答器的絕對定位技術和基于脈寬編碼絕對定位技術[1,4,6]。由于磁浮列車為軌道車輛，所以當已知列車初始位置和列車的位移，即可知列車此時的相對位置，此類方法主要包括：基于感應回線的測速定位、基于計數(shù)軌枕的測速定位、基于多普勒雷達的測速定位，還有主要應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隨著時間累積，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行修正，以將誤差控制在一定的范圍之內?；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分類

由于列車的速度滿足關系

(1)

式中，v為列車速度；ΔS為列車的位移；Δt為經過的時間，所以列車的定位和測速經常由一套系統(tǒng)同時完成。絕對定位技術則由于成本原因，定位點相對離散化，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 基于感應回線的測速定位

文獻[2,7-11]介紹了基于感應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)磁浮列車試驗線和18.4 km的山梨縣(Yamanashi)磁浮試驗線上均有應用[1,2,12]，其定位分辨力可達到10 cm[2]。

基于感應回線的測速定位方法是指在軌道上鋪設感應回線，并在車底設置感應線圈，利用它們之間的電磁感應來進行列車的定位和測速。感應回線的鋪設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結構特征長度的線圈結構，圖2給出了系統(tǒng)結構和原理說明。當在回線中通以高頻交變電流時，對于交叉感應回線，相鄰回線線圈中的交變電流及其產生的交變磁場幅值和頻率相等但方向相反；對于非交叉的感應回線，相鄰回線線圈中的交變電流及其產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，當感應線圈處于回線線圈正上方時，互感最大，車底感應線圈感生的交變電信號幅值最大；而當感應線圈處于交叉處或回線靠近處時，感生電信號最小，經過濾波、整形、檢波之后，則會隨著列車的運動，形成一系列頻率正比于列車速度的位置脈沖，由脈沖數(shù)和感應回線重復結構的特征長度又可以得知列車的相對位移。

文獻[2,7-8,10-11]使用多組車底感應線圈并對信號處理手段進行改進，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鼐€的測速定位方法，具有可靠性好、抗干擾能力強的特點，但是由于要在軌面鋪設大量感應回線和信號設備，且在道岔處需要特殊處理，因此其造價和所需的維護工作量較高。

圖2 基于感應線圈的測速定位示意

1.2 基于計數(shù)軌枕的測速定位

基于計數(shù)軌枕的測速定位技術[1,9-10,13-17]主要被應用在中低速磁浮列車系統(tǒng)中，并且已經在國防科技大學試驗線、長沙磁浮快線和北京S1中低速磁浮線得到應用。此方法利用圖3車底的具有固定間距d的電渦流接近開關傳感器，對軌道的金屬軌枕進行檢測，軌枕間距為固定值D，當列車以一定的速度行駛時，軌枕觸發(fā)接近傳感器會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、造價低、維護簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點，但對線路上軌枕的安裝間距的精度有較高要求。

文獻[13,15]通過改進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[13-15,17]通過改進算法并融合加速度計的信號，可以改善其低速時測速不準和高速時脈沖漏檢的不足。

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作為牽引電機，列車位置信息的準確度對于同步直線電機的定子電流控制至關重要。上海浦東機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，并應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]結合具有固定間距的信標檢測的絕對定位方法。同步直線電機的長定子齒槽具有精準的重復幾何結構和尺寸[10]。當列車以一定的速度行駛時，通過如圖4設置于列車轉子側的傳感器檢測長定子的齒槽。測速定位傳感器所用感應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信號源和諧振電路驅動，當線圈在齒槽表面上方移動時，由于其經過的齒槽結構變化導致磁路的變化，線圈自身的等效電感的周期性變化會被檢測出來。經過信號處理，可以得到線圈單位時間經過的齒槽數(shù)n，乘以齒槽的間距l(xiāng)，就可以得到單位時間內的位移，即列車的速度v[18,20,24]。

(2)

文獻[18]通過對按特定位置排列的多組線圈的信號進行相位鑒別，得到列車的運行方向?；陂L定子齒槽檢測的測速定位方法，具有分辨力高、造價相對較低、可靠性高、維護簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點，但依賴長定子的特定齒槽結構?；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 基于多普勒雷達的測速定位

基于多普勒雷達的測速定位方法[1,5,9-10]指在車底安裝多普勒雷達，向軌面發(fā)射電磁波，根據多普勒頻移效應，由于列車與軌面存在相對運動，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]。

之后根據列車速度可得列車相對位移?；诙嗥绽绽走_的測速定位具有維護簡單、應用范圍廣的優(yōu)點，在列車速度很高時誤差較小，但其易受外部條件的影響，如振動、安裝誤差、雨雪和軌道的接縫或不平整等都會造成測量誤差。

文獻[25]使用雙天線結構，可自動校正波束與軌面夾角，文獻[26]使用自適應卡爾曼濾波的方法，均可以提高測速的精度。

1.5 基于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)測速定位

基于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System-GNSS)的定位方法，在鐵路施工、調度、救援和物流等方面已有廣泛應用[27]，且在如青藏線這樣對信號控制設備有特殊要求的線路，已作為重要的列車定位方式得以應用[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)控站點則以衛(wèi)星通信獲取衛(wèi)星星歷數(shù)據、導航、時間以及誤差校正數(shù)據；用戶接收機則被動接收衛(wèi)星信號，通過其包含的發(fā)射時間、自己的接收時間和已知的電磁波速度就可以得到偽距(接收機和衛(wèi)星之間的距離)，接收機的速度則是根據與衛(wèi)星之間的多普勒頻移效應得到的。目前GPS的定位精度已經可以達到1～3 m，而使用差分(如Real-time kinematic： RTK)技術，其定位精度可達到厘米級[30-31]，而誤差主要來源于大氣影響、多路徑效應和電磁干擾等[31]。

圖5 基于GNSS的測速定位示意

基于GNSS的測速定位技術的主要優(yōu)點是設備簡單且維護方便。文獻[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組合導航系統(tǒng)，INS(加速度計、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，通過卡爾曼濾波和魯棒H∞濾波等數(shù)據融合方法，可以很好地與GNSS互補，提高系統(tǒng)的整體可用性和安全性。

1.6 基于查詢-應答器和脈寬編碼的絕對定位技術

文獻[4，6，9]描述了基于查詢-應答器和脈寬編碼的絕對定位技術，它們具有相似的實現(xiàn)方式。基于查詢-應答器的絕對定位技術由車載的查詢器和安裝于軌枕中央或鋼軌側面的無源應答器組成，當列車經過時，查詢器的發(fā)射線圈與應答器的接收線圈耦合并通過電磁感應的方式傳輸能量，應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)據傳回查詢器[6，9]。以歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)(ERTMS)所采用的歐洲標準應答器EUROBALISE為例，其速度適用范圍上限可達500 km/h[6]。

基于脈寬編碼的絕對定位技術由車載閱讀器和安裝于軌道兩側的位置標志板組成[1，4，9]。車載閱讀器為U形槽結構，在U形結構的兩側安裝有相對的互為冗余的2組發(fā)射-接收線圈；金屬材質的位置標志板上則刻有一連串以位置數(shù)據對間距進行編碼的開槽。當列車經過位置標志板時，板上的開槽順序經過U形槽，由于未開槽位置的金屬板材對電磁波的阻擋，接收線圈會接收到一系列脈沖時間間隔與開槽間距成比例的脈沖序列。以首個脈沖間隔為參考值，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，可知此位置標志板的絕對位置。因為此方法是將標志板的開槽間距轉換為脈沖的時間間隔，所以要求列車最好是以勻速通過位置標志板，通過對編碼的裕量進行調整，可以滿足一定加/減速度范圍內的位置讀取[4]。

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

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

2 各種測速定位方法對比及適用于型式試驗的測速方法

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、設備和維護成本等方面存在各自的優(yōu)點和缺點，所以工程實踐中需要依據具體情況，選擇合適的測速定位方法或選用優(yōu)勢互補的方法進行組合。

表1 各種測速定位方法對比

根據文獻[36-39]，鐵路機車車輛設計企業(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。磁浮列車速度的測量為型式試驗中起動加速和運行阻力等多個項點所必須，而應用于型式試驗的傳感器和測試設備需要進行檢定或校準[40]，所以應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)基于感應回線的相對測速定位技術和各種絕對測速定位技術由于需要大量的軌道設備，并不適用于型式試驗；

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

(3)基于多普勒雷達和GNSS的測速定位方法，則由于其系統(tǒng)實現(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，采用長定子同步直線電機驅動，并應用了基于長定子齒槽檢測的測速和相對定位方法結合具有固定間距的信標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提高長定子齒槽檢測[18，19，21]和信標檢測定位系統(tǒng)[32-33]的性能和可靠性。

日本高速超導磁浮線路東京至大阪中央新干線已于2014年底動工，L0型高速超導磁浮列車于2015年在山梨試驗線創(chuàng)造了最高時速603 km的世界紀錄。山梨縣高速磁浮試驗線原本采用基于交叉感應回線的測速定位方法，由于其設備及維護成本高昂，對新型的測速定位方法組合進行了設計、制造和測試[12]。在列車低速未起浮時，采用安裝于與軌道接觸的膠輪上的轉速傳感器信號；高速浮起時，利用“電動勢觀測器EMF observer”(原理為同步直線電機的無速度傳感器的轉速和位置估計)的信號進行測速定位。同時改造已有的車地通信的毫米波裝置，實現(xiàn)了磁浮列車的基于毫米波雷達的區(qū)間定位，用于行車調度安全[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線、長沙磁浮快線和北京S1線等的建成和投入運行，國內對于中低速磁浮列車的測速定位方法進行了大量研究。綜合考慮設備和維護的成本、系統(tǒng)性能和可靠性，采用基于計數(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行改進，降低對軌枕間距安裝標準的要求[13,15]，改進算法并融合加速度計的信號，改善其低速時測速不準和高速時脈沖漏檢的不足[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，為了彌補單一測速定位系統(tǒng)的不足，在工程實踐中需要依據具體情況，選擇優(yōu)勢互補的測速定位方法進行組合。多傳感器數(shù)據融合方法已經在基于GNSS的測速定位中有大量應用[32-33，42]；文獻[43]利用聯(lián)邦卡爾曼算法，將多普勒雷達、交叉感應回線和查詢應答器的 測速定位信息進行融合，顯著提高測速定位的精度與可靠性，消除積累誤差。文獻[5]利用卡爾曼濾波、H∞濾波等數(shù)據融合方法，對輪軸脈沖速度傳感器和多普勒雷達的測速定位信息進行處理和數(shù)據融合，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性。

4 結語

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

(2)對目前國內外各種主要的磁浮列車測速和定位方法的適用性和技術特點進行了比較，基于感應回線的相對測速定位和各種絕對測速定位，需要大量的軌道設備；基于齒槽檢測和計數(shù)軌枕的測速定位，需要分別對長定子齒槽和軌枕進行適配，不具有對不同車型的廣泛兼容性且難于校準，因此均不適用于整車型式試驗?；诙嗥绽绽走_和GNSS的測速定位，則由于其實現(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測速。

(3)國內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其不足。由于需要著重考慮成本和可靠性，基于計數(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。另外針對具體的應用環(huán)境，對不同測速定位方法進行多傳感器數(shù)據融合，使它們的優(yōu)勢互補，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。