柴金川，張金月，張 鄖，于 海，楊 鐸

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心，北京 100015）

環(huán)行鐵道城市軌道交通試驗(yàn)線（簡(jiǎn)稱(chēng)：城軌試驗(yàn)線）作為城市軌道交通綜合試驗(yàn)平臺(tái)，在城軌領(lǐng)域科研試驗(yàn)發(fā)揮著重要作用。城軌試驗(yàn)線正線全長(zhǎng)8.63 km，其中，地面線長(zhǎng)6.92 km，高架橋長(zhǎng)785 m，隧道長(zhǎng)925 m，夾直線長(zhǎng)度為1 463 m。城軌試驗(yàn)線沿線鋪設(shè)光纜槽道及光纜，并配置了采用IEEE802.11g WLAN車(chē)地?zé)o線通信承載的國(guó)產(chǎn)MTC-I型CBTC系統(tǒng)和計(jì)軸系統(tǒng)，沿城軌試驗(yàn)線每隔300 m左右設(shè)置無(wú)線接入點(diǎn)（AP）并采用A/B雙網(wǎng)覆蓋，城軌試驗(yàn)線平面圖如圖1所示[1]。隨著城軌科研試驗(yàn)需求的增加，城軌試驗(yàn)線承載的試驗(yàn)任務(wù)越來(lái)越多，需要通過(guò)實(shí)現(xiàn)列車(chē)位置監(jiān)測(cè)功能，擴(kuò)展城軌試驗(yàn)線多維試驗(yàn)空間，并提高保障城軌試驗(yàn)線試驗(yàn)安全的能力。

目前，國(guó)內(nèi)外軌道交通中列車(chē)定位方式主要包括傳感器定位[2]、軌道電路定位[3]、計(jì)軸系統(tǒng)定位[4]、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位[5]、衛(wèi)星定位[6]以及移動(dòng)裝備運(yùn)行行程定位方式等。在我國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)中，除青藏鐵路采用了基于GPS和列車(chē)慣性輔助定位方式[7]外，鐵路CTCS-3系統(tǒng)采用傳感器加列車(chē)慣性輔助定位方式[8]，鐵路CTCS-0至CTCS-2列控線路以及站場(chǎng)均采用軌道電路定位方式；城市軌道交通CBTC系統(tǒng)采用傳感器加列車(chē)慣性輔助定位方式[9]，CBTC降級(jí)及站場(chǎng)采用軌道電路或計(jì)軸系統(tǒng)定位。上述每一種定位方式都有特定的適用場(chǎng)景，且每一種定位方式都存在不同特征和性能。本文通過(guò)綜合分析現(xiàn)有各種定位方式的應(yīng)用場(chǎng)景及特征、性能，結(jié)合城軌試驗(yàn)線既有實(shí)際環(huán)境，提出城軌試驗(yàn)線可以采用分布式光纖振動(dòng)定位方式[10]和增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星定位方式[11]，通過(guò)驗(yàn)證表明，這兩種方法在城軌試驗(yàn)線列車(chē)定位監(jiān)測(cè)中具有較好的適用性，可以作為現(xiàn)有技術(shù)手段的有效補(bǔ)充，在城軌試驗(yàn)線列車(chē)定位監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用。

圖1 城軌試驗(yàn)線平面示意圖

1 典型定位方式分析

1.1 RFID傳感器定位方式

1.1.1 基本原理

射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）傳感器是一種通過(guò)無(wú)線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID 傳感器具有使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)性好、無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸等優(yōu)點(diǎn)。RFID傳感器由射頻標(biāo)簽、閱讀器及天線3部分組成。射頻標(biāo)簽附著在目標(biāo)對(duì)象上，并由唯一的電子編碼標(biāo)識(shí)目標(biāo)；閱讀器是一種用于讀?。ㄓ袝r(shí)也可以寫(xiě)入）射頻標(biāo)簽信息的手持或固定設(shè)備；天線用于閱讀器和射頻標(biāo)簽之間利用發(fā)射或接收射頻信號(hào)而傳遞信息。具體工作原理為：射頻標(biāo)簽感應(yīng)到閱讀器的射頻信號(hào)磁場(chǎng)后，將感應(yīng)到的磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換成存儲(chǔ)在芯片中信息的信號(hào)（無(wú)源標(biāo)簽）發(fā)射出去，或主動(dòng)將某一頻率的信號(hào)（有源標(biāo)簽）發(fā)射出去；閱讀器接收到射頻標(biāo)簽信號(hào)后，經(jīng)過(guò)解碼和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信息并作出相應(yīng)的動(dòng)作。RFID 基本工作原理如圖2所示。

圖2 RFID傳感器組成

1.1.2 適用性

RFID傳感器僅能實(shí)現(xiàn)不連續(xù)的點(diǎn)式定位，不適用于單獨(dú)承擔(dān)城軌試驗(yàn)線列車(chē)定位。

1.2 鐵路CTCS-3與城軌CBTC的列車(chē)定位方式

1.2.1 基本原理

鐵路CTCS-3與城市軌道交通CBTC的列車(chē)定位原理基本相同，如圖3所示。列車(chē)通過(guò)應(yīng)答器與列車(chē)慣性定位結(jié)合獲得當(dāng)前位置信息，并利用無(wú)線通信平臺(tái)將實(shí)時(shí)位置信息傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。具體工作原理為：列車(chē)首先在某點(diǎn)獲得位置信息，并在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)列車(chē)上安裝的傳感器監(jiān)測(cè)獲得列車(chē)運(yùn)行速度、時(shí)間、距離計(jì)算出當(dāng)前列車(chē)的位置。由于列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)位置計(jì)算的誤差累計(jì)現(xiàn)象，因此需要在軌道上每隔一段距離安裝一組應(yīng)答器使列車(chē)在應(yīng)答器處進(jìn)行位置校準(zhǔn)。鐵路CTCS-3與城市軌道交通CBTC的列車(chē)定位可實(shí)現(xiàn)車(chē)上和地面同時(shí)監(jiān)測(cè)列車(chē)位置信息，但對(duì)列車(chē)自身慣性定位系統(tǒng)依賴(lài)較高。

圖3 鐵路CTCS-3與城軌CBTC的列車(chē)定位原理示意圖

另外，鐵路和城市軌道交通中檢測(cè)車(chē)的檢測(cè)數(shù)據(jù)定位與鐵路CTCS-3和城市軌道交通CBTC列車(chē)定位的原理相同，不同之處為將安裝在軌道上的應(yīng)答器改為安裝在接觸網(wǎng)桿或隧道壁上的電子標(biāo)簽（一種RFID傳感器）。相對(duì)于應(yīng)答器，通常電子標(biāo)簽設(shè)置密度較大，且間隔相對(duì)較均勻，連續(xù)定位的精度比CTCS-3和CBTC略強(qiáng)。

1.2.2 適用性

國(guó)內(nèi)各地方各城軌線CBTC制式眾多，且兼容性較差，城軌試驗(yàn)線既有CBTC僅能與具有相同車(chē)載CBTC制式列車(chē)匹配，與國(guó)內(nèi)大多數(shù)城軌列車(chē)車(chē)載CBTC制式不匹配。如果利用CBTC實(shí)現(xiàn)所有列車(chē)定位，或者花費(fèi)大量資金在地面配置多種制式CBTC系統(tǒng)，或者購(gòu)買(mǎi)既有地面系統(tǒng)相匹配的車(chē)載CBTC定位系統(tǒng)并與試驗(yàn)列車(chē)既有系統(tǒng)互聯(lián)互通。在地面配置多種制式CBTC系統(tǒng)且僅為實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位意義不大，因此不予考慮。購(gòu)買(mǎi)既有地面系統(tǒng)相匹配的車(chē)載CBTC定位還需與每一輛城軌試驗(yàn)列車(chē)車(chē)載系統(tǒng)相匹配，可操作性較低，因此也不予考慮。

鐵路CTCS-3的列車(chē)定位與CBTC的列車(chē)定位方式等效，且城軌試驗(yàn)線及城軌列車(chē)均無(wú)CTCS-3設(shè)備。因此鐵路CTCS-3的列車(chē)定位不適用于城軌試驗(yàn)線。

基于電子標(biāo)簽和列車(chē)慣性的定位方式目前僅限于檢測(cè)列車(chē)應(yīng)用，城軌試驗(yàn)線承擔(dān)檢測(cè)列車(chē)試驗(yàn)較少，可考慮作為檢測(cè)列車(chē)的定位方式。

1.3 計(jì)軸系統(tǒng)與軌道電路系統(tǒng)定位方式

1.3.1 基本原理

計(jì)軸系統(tǒng)定位方式為將軌道劃分成許多區(qū)間，并在區(qū)間的兩端同時(shí)設(shè)置一組車(chē)輪傳感器即計(jì)軸探頭，當(dāng)列車(chē)的金屬車(chē)輪經(jīng)過(guò)計(jì)軸探頭時(shí)，計(jì)軸探頭會(huì)感應(yīng)到車(chē)輪通過(guò)并能判斷出通過(guò)列車(chē)車(chē)輪的數(shù)目，并將檢測(cè)到的車(chē)輪信息經(jīng)電纜傳到計(jì)軸主機(jī)，如圖4所示。計(jì)軸主機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)即可計(jì)算出進(jìn)入該區(qū)間和離開(kāi)區(qū)間的車(chē)輪數(shù)量，通過(guò)比較分析，給出區(qū)間的空閑或占用，從而根據(jù)列車(chē)所在的區(qū)間判斷列車(chē)位置。

圖4 計(jì)軸系統(tǒng)列車(chē)定位示意圖

軌道電路定位與計(jì)軸系統(tǒng)定位相似，如圖5所示。把軌道線路劃分成若干軌道區(qū)段，通過(guò)判斷列車(chē)占用某區(qū)段，確定列車(chē)在該區(qū)段范圍內(nèi)。具體工作原理為：將列車(chē)作為左右兩根軌道的傳導(dǎo)體，當(dāng)某區(qū)間沒(méi)有列車(chē)即空閑時(shí)，軌道電路的發(fā)射端電源通過(guò)鋼軌與軌道電路的接收端形成閉合電路，使繼電器勵(lì)磁從而接通綠色顯示電路。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入該區(qū)間時(shí)，列車(chē)作為傳導(dǎo)體使軌道電路端部電流減弱，使繼電器消磁從而接通紅色顯示電路，表示該區(qū)段被列車(chē)占用。地面系統(tǒng)根據(jù)軌道區(qū)段占用信息判斷列車(chē)位置。

圖5 軌道電路列車(chē)定位示意圖

1.3.2 適用性

計(jì)軸系統(tǒng)定位不具備連續(xù)性；僅能判斷列車(chē)在某大區(qū)間范圍內(nèi)，定位精度很低，且區(qū)間設(shè)置越長(zhǎng)，精確度越低。多輛列車(chē)在同一固定區(qū)間內(nèi)，無(wú)法準(zhǔn)確判斷區(qū)間內(nèi)列車(chē)的具體位置和同一區(qū)間內(nèi)相鄰列車(chē)的距離；同理，相鄰區(qū)間內(nèi)兩列相鄰的列車(chē)無(wú)法判斷相互之間的距離。由于城軌試驗(yàn)線上列車(chē)運(yùn)行沒(méi)有規(guī)定的運(yùn)行圖，列車(chē)運(yùn)行速度及占用軌道的位置較隨意，計(jì)軸系統(tǒng)定位無(wú)法滿(mǎn)足靈活、精確的列車(chē)定位需求。鑒于城軌試驗(yàn)線已經(jīng)具有計(jì)軸系統(tǒng)，不需要再投資建設(shè)，可將其作為城軌試驗(yàn)線列車(chē)定位的備用方式。

軌道電路與計(jì)軸系統(tǒng)功能和性能等效，沒(méi)必要再花費(fèi)資金在城軌試驗(yàn)線建設(shè)一套軌道電路系統(tǒng)。因此，軌道電路定位方式不適用于城軌試驗(yàn)線。

1.4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位方式

1.4.1 基本原理

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位主要通過(guò)無(wú)線基站或傳感器與用戶(hù)設(shè)備之間利用無(wú)線電波通信計(jì)算出用戶(hù)設(shè)備位置，通常采用的方法有：基站標(biāo)識(shí)定位法、基站場(chǎng)強(qiáng)定位法、到達(dá)時(shí)間法（TOA，Time of Arrival）、到達(dá)時(shí)間差法（TDOA，Time Difference of Arrival）、到達(dá)角度法（AOAAngle of Arrival），以及幾種方法的混合方式。其中，TOA、TDOA、AOA是目前相對(duì)較為成熟的方法。

（1）基站小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法

移動(dòng)臺(tái)根據(jù)基站覆蓋強(qiáng)度與最強(qiáng)信號(hào)基站（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）通信，從而判斷移動(dòng)臺(tái)在該基站小區(qū)范圍內(nèi)。基站小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法只能判斷移動(dòng)臺(tái)在某基站小區(qū)范圍之內(nèi)，定位精度取決于小區(qū)服務(wù)區(qū)域大小，通常定位精度很低。

（2）基站場(chǎng)強(qiáng)定位法

已知信道衰落模型及發(fā)射信號(hào)的功率值，通過(guò)測(cè)出基站接收信號(hào)的功率值，估算出收發(fā)信號(hào)機(jī)之間的距離，從而估計(jì)出目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置區(qū)域。由于天線的抖動(dòng)、無(wú)線信道的不確定性等因素都會(huì)造成信道衰落模型的大小尺度變化，從而使定位不準(zhǔn)確。

（3）到達(dá)時(shí)間法（TOA）

這種方法利用在3座基站（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)與3座基站之間通信的時(shí)間信息估計(jì)出移動(dòng)臺(tái)位置。如圖6所示，移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)可由3個(gè)圓弧的交點(diǎn)確定。計(jì)算移動(dòng)臺(tái)位置（X，Y）的TOA方程組如式（1）：

其中，（Xi，Yi）表示基站（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）所在的位置，c表示光速，t表示移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)，ti為移動(dòng)臺(tái)的第一個(gè)路徑信號(hào)到達(dá)基站i（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）的時(shí)間點(diǎn)，i表示基站（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）的編號(hào)。由于無(wú)線信道的多變，基站（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）覆蓋相交處常常為一個(gè)區(qū)域，而非一點(diǎn)。另外，TOA定位要求移動(dòng)臺(tái)和基站的時(shí)間精確同步，這樣就增加了算法的復(fù)雜度。所以TOA技術(shù)很少被應(yīng)用到實(shí)際中。

（4）到達(dá)時(shí)間差法（TDOA）

TDOA定位技術(shù)是在TOA技術(shù)基礎(chǔ)上通過(guò)改進(jìn)算法而不再要求時(shí)間同步的技術(shù)。TDOA定位中，移動(dòng)臺(tái)對(duì)一系列的基站（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，并測(cè)量出每一對(duì)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差。然后由3個(gè)及以上基站（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）得到2個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的時(shí)間差測(cè)量值及基站（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）位置、無(wú)線信道信息計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)位置，如圖7所示。類(lèi)同TOA公式（1），可得到TDOA的方程組如式（2）：

同TOA相比，TDOA利用時(shí)間差從而降低了時(shí)間同步要求，所以TDOA更具實(shí)際應(yīng)用意義。

圖6 到達(dá)時(shí)間法

圖7 到達(dá)時(shí)間差法

圖8 到達(dá)角法

（5）到達(dá)角度法（AOA）

利用基站（或無(wú)線節(jié)點(diǎn)）的陣列天線判斷出基站與移動(dòng)臺(tái)的方向角度，并繪制基站與移動(dòng)臺(tái)的連線，兩座基站與移動(dòng)臺(tái)形成的2條連線的交點(diǎn)即為待定位移動(dòng)臺(tái)的位置，如圖8所示。使用AOA技術(shù)時(shí)，移動(dòng)臺(tái)的位置沒(méi)有二義性，但是此技術(shù)需要基站配備有方向性強(qiáng)的檢測(cè)天線陣列。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，通常將AOA與TOA、TDOA聯(lián)合起來(lái)使用，從而達(dá)到更高的定位精度的效果。但無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位對(duì)無(wú)線信道的穩(wěn)定性要求較高。

1.4.2 適用性

城軌試驗(yàn)線既有WLAN和正在建設(shè)的LTE-M無(wú)線通信系統(tǒng)均沒(méi)有定位功能，如果要利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位方式則需對(duì)既有系統(tǒng)進(jìn)行改造或新建具備定位功能的無(wú)線通信系統(tǒng)，并配置車(chē)載設(shè)備。由于試驗(yàn)線呈閉合環(huán)狀線性，隧道內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)利用3個(gè)及以上基站協(xié)同定位；如果全線采用非三角定位法則需沿線大量建設(shè)無(wú)線基站，且會(huì)由于無(wú)線覆蓋的不穩(wěn)定性造成位置信息串?dāng)_的現(xiàn)象；如果僅隧道外線路采用三角定位法，則需配置方向性很強(qiáng)的檢測(cè)天線和計(jì)算能力很強(qiáng)的基站。另外，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位對(duì)無(wú)線信道模型依賴(lài)性較強(qiáng)，鑒于城軌試驗(yàn)線無(wú)線環(huán)境開(kāi)放，易受外界電磁干擾而造成無(wú)線信道變化多端，從而使定位信息不穩(wěn)定。為保障定位的準(zhǔn)確性及列車(chē)行車(chē)安全，環(huán)狀線性、無(wú)線環(huán)境開(kāi)放的城軌試驗(yàn)線不宜采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位方式實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位。

1.5 衛(wèi)星系統(tǒng)定位方式

1.5.1 基本原理

衛(wèi)星定位方式基本原理與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位相似，如圖9所示，只是將無(wú)線基站設(shè)置在太空中，從而使地球上任意一點(diǎn)可利用衛(wèi)星接收機(jī)接收到3顆及以上衛(wèi)星定位信息的接收機(jī)，通過(guò)三角公式TOA計(jì)算得到接收機(jī)在地球上的位置。

圖9 衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.5.2 適用性

衛(wèi)星定位同樣易受電磁波和氣候等因素影響而存在定位精確度偏低、定位信息在一定精確度內(nèi)漂移的現(xiàn)象，且衛(wèi)星無(wú)法直接覆蓋城軌試驗(yàn)線隧道，滿(mǎn)足不了城軌試驗(yàn)線全線范圍內(nèi)列車(chē)定位的要求。因此既有衛(wèi)星定位方式不適用于城軌試驗(yàn)線列車(chē)位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 城軌試驗(yàn)線列車(chē)位置監(jiān)測(cè)技術(shù)方案研究

通過(guò)分析可知，上述幾種典型的定位方式均不能滿(mǎn)足城軌試驗(yàn)線定位需求。鑒于此，本文提出利用分布式光纖振動(dòng)定位方式和增強(qiáng)衛(wèi)星定位方式實(shí)現(xiàn)城軌試驗(yàn)線列車(chē)位置監(jiān)測(cè)方案，并通過(guò)結(jié)果分析驗(yàn)證其適用性，作為城軌試驗(yàn)線定位的技術(shù)依據(jù)。

2.1 分布式光纖振動(dòng)定位方式

2.1.1 基本原理

分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)基于相位敏感光時(shí)域反射儀(Φ-OTDR)技術(shù)，主要利用的是光纖中的瑞利散射效應(yīng)。該定位方式利用窄線寬激光器作為光源；激光經(jīng)過(guò)調(diào)制器后形成脈沖光并注入到振動(dòng)傳感光纖中，并在光纖中傳播；當(dāng)光纖某位置處受到來(lái)自車(chē)輪產(chǎn)生的振動(dòng)時(shí)，該位置處的光纖長(zhǎng)彎度、折射率會(huì)發(fā)生變化，從而引起此處的后向瑞利散射光信號(hào)產(chǎn)生變化；由于光在光纖中發(fā)生瑞利散射，其中沿光傳播的反方向傳播的后向瑞利散射光，在脈沖寬度內(nèi)后向散射光會(huì)發(fā)生干涉作用；光探測(cè)器通過(guò)探測(cè)該瑞利散射光干涉信號(hào)的變化，獲得傳感光纖鏈路上的振動(dòng)信息，從而獲得列車(chē)輪軌的振動(dòng)情況；探測(cè)器通過(guò)記錄脈沖光注入光纖的時(shí)間，并根據(jù)光在光纖中傳播的有效速度和接收到光纖中散射回來(lái)的的散射光的時(shí)間，準(zhǔn)確描繪出擾動(dòng)曲線；將擾動(dòng)時(shí)刻的曲線與前一時(shí)刻的曲線進(jìn)行作差處理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)位置的準(zhǔn)確定位，從而準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)列車(chē)的位置。系統(tǒng)的定位精度由發(fā)射的光脈沖寬度和信號(hào)的采樣間隔決定，系統(tǒng)原理如圖10所示。

圖10 分布式光纖振動(dòng)定位檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需在軌道上布設(shè)任何傳感裝置和供電，直接利用軌道旁槽道內(nèi)通信光纜搭建系統(tǒng)即可完成對(duì)列車(chē)振動(dòng)信號(hào)的在線采集，通過(guò)對(duì)所采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)智能化處理，獲得列車(chē)沿軌道運(yùn)行的位置、方向、速度、車(chē)長(zhǎng)等綜合信息。

2.1.2 試驗(yàn)及適用性分析研究

圖11和圖12為某雙線鐵路利用兩軌道中間光纜搭建分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果。圖11為不同長(zhǎng)度列車(chē)的振動(dòng)信號(hào)的結(jié)果比對(duì)，圖12為單輛運(yùn)行軌跡、兩輛列車(chē)同向和反向運(yùn)行軌跡比對(duì)。

由圖11和圖12可知，分布式光纖振動(dòng)定位方式具有可判斷列車(chē)長(zhǎng)度、定位精度較高、位置與時(shí)間信息明確、可準(zhǔn)確判斷列車(chē)運(yùn)行方向等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于相鄰并行線路同時(shí)同向運(yùn)行列車(chē)時(shí)會(huì)存在相互干擾而無(wú)法分辨兩列列車(chē)的缺陷。

圖11 分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)采集到不同長(zhǎng)度的列車(chē)振動(dòng)信息

圖12 分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)檢測(cè)到軌道上列車(chē)運(yùn)行軌跡

城軌試驗(yàn)線沿線全部鋪設(shè)了光纜，利用城軌試驗(yàn)線光纜安裝分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖13可知利用分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)能夠獲得較清晰的列車(chē)運(yùn)行軌跡，即城軌試驗(yàn)線具備利用分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)監(jiān)視列車(chē)運(yùn)行的條件。

圖13 城軌試驗(yàn)線列車(chē)位置信號(hào)分布圖及列車(chē)經(jīng)過(guò)某位置時(shí)的時(shí)域信號(hào)

城軌試驗(yàn)線除隧道和高架橋外，均與鐵路試驗(yàn)線存在并行相鄰，最近距離僅5.5 m左右，相鄰試驗(yàn)線路同時(shí)開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，分布式光纖振動(dòng)定位系統(tǒng)會(huì)存在干擾而不適用。但當(dāng)鐵路試驗(yàn)線與城軌試驗(yàn)線列車(chē)相對(duì)行駛，且相鄰鐵路試驗(yàn)線列車(chē)同時(shí)試驗(yàn)的數(shù)量較少時(shí)，分布式光纖振動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)列車(chē)行駛方向區(qū)分出城軌試驗(yàn)線列車(chē)位置。同時(shí)，除相鄰線路干擾外，分布式光纖振動(dòng)定位方式只能檢測(cè)出運(yùn)行中列車(chē)的位置，判斷靜止中的列車(chē)的位置需信息系統(tǒng)時(shí)時(shí)記錄列車(chē)位置并根據(jù)以往位置信息判斷靜止列車(chē)所在位置。

因此，分布式光纖振動(dòng)定位方式僅不適于城軌試驗(yàn)線和相鄰鐵路試驗(yàn)線同時(shí)開(kāi)展列車(chē)同向行駛試驗(yàn)時(shí)，以及相鄰鐵路試驗(yàn)線具有較多列車(chē)同時(shí)試驗(yàn)時(shí)的城軌試驗(yàn)線列車(chē)位置監(jiān)測(cè)，其它場(chǎng)景下較合適。

2.2 增強(qiáng)衛(wèi)星定位方式

通過(guò)分析衛(wèi)星基準(zhǔn)站技術(shù)和衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，驗(yàn)證在傳統(tǒng)衛(wèi)星定位方式的基礎(chǔ)上加載上述兩種技術(shù)構(gòu)成的增強(qiáng)衛(wèi)星定位方式的適用性。

2.2.1 衛(wèi)星基準(zhǔn)站技術(shù)

為增強(qiáng)移動(dòng)裝置衛(wèi)星定位的準(zhǔn)確度，可在地面增設(shè)衛(wèi)星基準(zhǔn)站系統(tǒng)。其工作原理是把基準(zhǔn)站中一套衛(wèi)星定位接收機(jī)安裝在已確定精確位置的點(diǎn)上；基準(zhǔn)臺(tái)接收機(jī)時(shí)接收衛(wèi)星定位信號(hào)，并利用自身已知位置與衛(wèi)星定位信息對(duì)比計(jì)算出誤差值，然后將誤差信息時(shí)時(shí)廣播出去?；鶞?zhǔn)站覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)接收到衛(wèi)星定位信息和基準(zhǔn)站的誤差信息后，通過(guò)校準(zhǔn)，提高定位精確度。環(huán)行鐵道已在控制中心處部署一套基準(zhǔn)站，如圖14所示，可以覆蓋到除城軌試驗(yàn)線隧道外的其它鐵路試驗(yàn)線和城軌試驗(yàn)線。利用基準(zhǔn)站定位精度可精確到水平誤差0.4 m左右，垂直誤差0.5 m左右，如圖15所示。基于基準(zhǔn)站的衛(wèi)星定位精確度高，可以明顯區(qū)分相鄰并行試驗(yàn)線路列車(chē)位置。

圖14 環(huán)行鐵道衛(wèi)星基準(zhǔn)站精確定位系統(tǒng)框架

圖15 基于基準(zhǔn)站的定位監(jiān)測(cè)

2.2.2 衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)技術(shù)

實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)衛(wèi)星定位，可以利用衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，即在城軌試驗(yàn)線隧道外建設(shè)一套衛(wèi)星和差分站接收基站、在隧道內(nèi)增加無(wú)線信號(hào)覆蓋單元，并利用光纖貫通連接。隧道內(nèi)的衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)定位利用衛(wèi)星信息和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位原理實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖16所示[13-14]。衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)技術(shù)已通過(guò)京沈客運(yùn)專(zhuān)線試驗(yàn)驗(yàn)證，高速條件下隧道內(nèi)定位精度約30 m，定位精度可滿(mǎn)足城軌試驗(yàn)線僅約900 m的隧道內(nèi)定位要求。

圖16 衛(wèi)星全域覆蓋增強(qiáng)系統(tǒng)

利用增強(qiáng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)定位還需要考慮車(chē)輛具備衛(wèi)星定位接收裝置。由于目前多數(shù)城軌列車(chē)都不具備衛(wèi)星定位接收功能，采用衛(wèi)星系統(tǒng)定位需在城軌試驗(yàn)線上試驗(yàn)的列車(chē)上安裝衛(wèi)星接收裝置。為實(shí)現(xiàn)地面對(duì)列車(chē)位置的監(jiān)測(cè)，需將列車(chē)上衛(wèi)星接收裝置接收到的定位信息通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)送到地面。目前城軌列車(chē)均配置了WLAN或LTE-M，且城軌試驗(yàn)線具備WLAN系統(tǒng)并正在建設(shè)LTE-M系統(tǒng)，可滿(mǎn)足城軌列車(chē)將位置信息通過(guò)無(wú)線系統(tǒng)時(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。

因此，利用增強(qiáng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)城軌試驗(yàn)線列車(chē)位置監(jiān)測(cè)具備可行性。

2.3 列車(chē)位置監(jiān)測(cè)方案

綜上分析，鑒于當(dāng)前鐵路試驗(yàn)線試驗(yàn)同時(shí)試驗(yàn)的列車(chē)較少（同一時(shí)間段通常為一輛列車(chē)），故此優(yōu)先推薦城軌試驗(yàn)線采用分布式光纖振動(dòng)定位方式，相鄰鐵路試驗(yàn)線與城軌試驗(yàn)線采用相對(duì)運(yùn)行模式的列車(chē)位置監(jiān)測(cè)方案。試驗(yàn)列車(chē)較多的情況下考慮采用衛(wèi)星系統(tǒng)定位方式實(shí)現(xiàn)列車(chē)位置監(jiān)測(cè)的方案。同時(shí)考慮既有計(jì)軸系統(tǒng)作為其他方式的后備補(bǔ)充。

3 結(jié)束語(yǔ)

城軌試驗(yàn)線實(shí)現(xiàn)列車(chē)位置監(jiān)測(cè)是拓展試驗(yàn)?zāi)芰Α⒈Ｕ显囼?yàn)安全的關(guān)鍵技術(shù)手段。本文結(jié)合既有定位方式特征、性能與城軌試驗(yàn)線的實(shí)際情況，全面對(duì)比分析了各種定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，并提出了利用光纖振動(dòng)定位方式和衛(wèi)星定位方式解決城軌試驗(yàn)線列車(chē)位置監(jiān)測(cè)需求，為城軌試驗(yàn)線擴(kuò)能提供了參考方法和技術(shù)保障。