蘭州交通大學 機電技術研究所 蘭州 730070

1 研究背景

隨著我國城市化的持續(xù)快速發(fā)展,城市人口數量在不斷增加,城市交通設施與城市化之間的矛盾正在逐步顯現。在人們選擇各種交通方式出行的同時,軌道交通越來越受到關注。從各國城市發(fā)展的實踐來看,軌道交通因容量大、速度快、安全可靠、能耗低、污染少、準時舒適而受到公眾的青睞。可見,城市軌道交通系統將成為我國公共交通的發(fā)展方向。軌道交通系統中的定位和導航是提高列車運行精度的重要部分。目前,地鐵列車自動控制系統一般采用軌道和車輛設備實時定位列車,通過列車與軌道之間的信息傳遞,實現信息交換,實時控制列車。常用的列車定位技術包括衛(wèi)星導航、慣性導航、查詢應答器、里程表速度測量、多普勒雷達、軌道電路、航位推算、地圖匹配等[1]。這些方法單獨使用時都有一定的局限性,并且一旦出錯,對乘客造成的危害是非常大的。為了提高地鐵列車的導航定位精度,筆者提出射頻識別(RFID)與無陀螺捷聯慣導系統(GFSINS)組合的地鐵列車定位方法,這樣能夠減小傳感器的誤差漂移積累,提高地鐵列車定位的精度[2]。

2 原理概述

2.1 RFID定位

RFID定位主要由三個部分構成,分別為標簽、讀寫器和中央信息系統。RFID系統通過使用閱讀器和發(fā)射天線,將采集到的信息進行發(fā)送。當標簽處于正常的工作狀態(tài)時,內置的射頻天線會將對應的編碼信息發(fā)送至閱讀器進行閱讀及解碼,最終使中央信息系統獲得有效信息,并進行完整的識別和處理,以便完成對所采集信息的讀寫。RFID定位原理如圖1所示[3-4]。

傳統的捷聯慣導系統(SINS)在確定載體的具體位置和姿態(tài)時采用加速度計測量物體運動的線速度,采用陀螺儀測量物體運行的角速度。GFSINS不再采用陀螺儀進行測量,而是使用加速度計代替陀螺儀,并且根據加速度計測量的比力進一步求解出載體的角速度,從而降低系統的復雜性,同時也能夠節(jié)約成本。在對SINS加速度計進行安裝操作的過程中,由于安裝環(huán)境和安裝者工藝水平的影響,并不能完全保證可以將加速度計安裝到理想位置,進而造成安裝于載體上的加速度計與質心位置有一定程度的偏移。當存在這種安裝誤差時,若載體做線性運動,則在進行測量時幾乎沒有影響;若載體在慣性空間內做旋轉運動,則加速度計就會輸出一定量的偏差,產生的這種偏差受載體旋轉運動大小和加速度計安裝誤差大小兩個方面的影響[5]。

圖1 RFID定位原理

在SINS中,為達到理想的導航定位效果,必須采取一定的補償辦法修正該加速度計在空間運動時所產生的誤差。而在GFSINS中,并不需要采用修正的方法補償誤差。因為GFSINS對于加速度值的測量是根據多個加速度計的合理設計并安裝在載體非質心處來實現的,加速度計測量的加速度值可以轉換為載體的角速度,這樣就起到了SINS中陀螺儀的作用。由此可見,研究的重點是在省略陀螺儀的情況下如何獲得旋轉角速度和捷聯矩陣[6]。GFSINS原理框圖如圖2所示[7]。

圖2 GFSINS原理框圖

2.2 RFID與GFSINS的組合

基于RFID和GFSINS的地鐵列車定位方法,將地面RFID和列車控制系統有機結合在一起,無源標簽以固定間隔放置,并且標簽讀取器和通信設備與安裝在列車上的計算機相連。當地鐵列車通過定位標簽時,激活標簽的有效工作狀態(tài),由此產生感應電流,同時車載讀寫設備讀取標簽中的位置信息數據,列車控制系統通過分析數據來實現定位[8]。

組合后RFID和GFSINS能夠互不影響地正常工作。因為GFSINS具有較強的自主性和快速更新特性,所以一般歸類為主體,而RFID則作為輔助。在對RFID和GFSINS進行組合時,需要充分考慮各個獨立系統的工作特點,從而充分發(fā)揮各系統正常工作時的最優(yōu)工作特性,因而需要設置合理的組合方案。根據目前地鐵列車組合導航的功能要求,基于不同的組合深度,常采用松散組合和緊密組合兩種不同的組合方式。

松散組合時,RFID和GFSINS閱讀器均安裝在地鐵列車上。RFID和GFSINS在進行組合之后,各測量元件獨立工作,彼此之間獨立測量載體的數據信息,其中兩個系統所測量的位置、速度及姿態(tài)等物理信息在輸出時需要進行相減,進而在對應方程中對該測量值進行最優(yōu)估計,最終系統對數據進行分析處理和反饋校正,輸出組合導航的參數信息。在松散組合方式下,RFID輔助GFSINS工作。

緊密組合方式的復雜性和深度都甚于松散組合方式,在進行緊密組合時,采用GFSINS和RFID分別測算出地鐵列車的偽距和偽距率,在此基礎上將兩系統測量值相減作為測量值,通過相應方程估算分析,進而達到最優(yōu)輸出。

以上兩種組合方式無絕對優(yōu)劣之分,具體采用哪種組合方式應該結合實際的項目需要進行綜合分析。松散組合方式較緊密組合方式簡單,有利于在工程中實現,并且松散組合方式中的兩個系統能夠獨立對載體進行測量,當其中一個系統發(fā)生故障時,不影響另一個系統正常工作。因而出于綜合考慮,筆者研究的地鐵列車定位方法采用松散組合方式,既能有效提高定位精度和穩(wěn)定性,又不會無謂增加運算量和提高系統的煩瑣程度。

3 常用坐標系相互關系

坐標系轉換是慣性導航的理論基礎之一,在對GFSINS中的坐標系進行轉換時,需要對常用坐標系相互關系進行描述。通過分析常用的慣性導航坐標系的相互關系及空間矢量的轉換關系,得到GFSINS載體上不同空間位置加速度計的表達式。在此基礎上,對求得的GFSINS角速度方程進行求解,從而進一步求取載體的姿態(tài)信息。

3.1 地心慣性坐標系(i系)-地球坐標系(e系)

地球自轉的參考坐標系就是地心慣性坐標系,自轉角速率就是地球坐標系相對于地心慣性坐標系的旋轉大小,在地球坐標系中可表示為:

(1)

相應的轉換矩陣為:

(2)

式中:ωe為地球自轉角速度,ωe=7.27×10-5rad/s;t為時間。

3.2 地球坐標系(e系)-地理坐標系(L系)

對于地理坐標系相對地球坐標系的旋轉角速度向量,可以分別推導出其在地球坐標系和地理坐標系中的分量表達式:

(3)

(4)

轉換矩陣為:

(5)

式中:λ、φ分別為載體所處位置的經度和緯度。

3.3 地理坐標系(L系)-載體坐標系(b系)

(6)

由轉動順序可得變換矩陣:

(7)

(8)

4 慣導系統工作過程

5 結束語

RFID與GFSINS組合的地鐵列車定位方法相比傳統的SINS,載體角速度和質心比力的獲取方式不同。組合地鐵列車定位方法能夠為地鐵列車提供連續(xù)的數據采集,可以全方面地將載體位置、速度、姿態(tài)等信息提供給列車運行控制系統,并且RFID定位有效避免了加速度計和陀螺儀在長期數據采集中的累積誤差。組合地鐵列車定位方法中,各個導航系統相輔相成、相互補充,提高了定位導航的精度[10-11]。對于組合地鐵列車定位方法,筆者推導了載體上任意一點處的加速度計輸出表達式,并以此作為理論基礎,根據多個加速度計的聯立方程組,為后續(xù)研究角加速度值和質心處的比力,進而獲得地鐵列車的線速度和位置參數提供了依據。