蔡 煊,鄔忠萍,郭金瑩,侯宇婷,陶漢卿

(1.成都工業(yè)學(xué)院汽車與交通學(xué)院,成都 611730； 2.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子技術(shù)學(xué)院,廣西柳州 545616)

磁浮列車定位技術(shù)是磁浮運(yùn)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，測速定位功能是磁浮列車運(yùn)行控制的基礎(chǔ)。由于磁浮列車不依賴輪軌接觸而是通過電磁力來實(shí)現(xiàn)列車懸浮、驅(qū)動(dòng)以及導(dǎo)向，傳統(tǒng)的諸如通過測量車輪轉(zhuǎn)速計(jì)算列車運(yùn)行速度和走行距離的輪軌列車測速定位方法并不適用于磁浮系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1-2]介紹了上海磁浮示范運(yùn)營線的列車定位技術(shù)，主要采用“定位標(biāo)志板識別+長定子齒槽計(jì)數(shù)”的絕對定位和相對定位相結(jié)合的定位方式。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種用于磁浮列車測速定位的新型交叉感應(yīng)回線系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]研究了一種基于鋼軌枕的中低速磁浮列車組合測速定位方法。文獻(xiàn)[5-6]綜述了各種適用于磁浮列車的測速定位方法，包括交叉感應(yīng)回線定位法、計(jì)數(shù)軌枕定位法、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)定位法、長定子齒槽檢測定位法、查詢/應(yīng)答器定位法、雷達(dá)測速定位法等，并分析比較了各種定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)指出基于GNSS的多傳感器組合定位系統(tǒng)是磁浮列車定位技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，但并未構(gòu)建具體系統(tǒng)以及驗(yàn)證系統(tǒng)定位性能。通過相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，現(xiàn)有磁浮列車定位方法大多需基于軌旁設(shè)備實(shí)現(xiàn)定位功能，普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)及維護(hù)成本高、可移植性差等問題。本文根據(jù)磁浮列車運(yùn)行控制對列車定位的具體功能需求，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒測速雷達(dá)、慣性單元以及軌道電子地圖，構(gòu)建了一種成本較低的磁浮車載組合定位系統(tǒng)，將磁浮列車定位功能盡量建立在車載環(huán)境中并能保證連續(xù)、可靠的測速定位，最后通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部搭建的仿真測試平臺驗(yàn)證了該組合定位系統(tǒng)的性能。

1 組合定位方案

GNSS可為列車提供實(shí)時(shí)的絕對位置和測速信息，為軌道車輛定位提供了一種低成本且高效的解決方案[7]，但衛(wèi)星定位同時(shí)也存在由于信號被遮擋導(dǎo)致定位精度較差甚至失效等缺陷，單獨(dú)使用衛(wèi)星定位無法有效保證列車定位的可靠性和連續(xù)性，還需結(jié)合其他定位手段共同實(shí)現(xiàn)列車定位功能。目前針對GPS在鐵路施工、災(zāi)害監(jiān)測、列車定位等中的應(yīng)用研究已有很多，但基于我國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS)的相關(guān)研究還較少。BDS系統(tǒng)作為我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星系統(tǒng)，與GPS系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)航定位原理、調(diào)制解調(diào)方式等方面都很相似[8]，但BDS系統(tǒng)還具有諸如通信/導(dǎo)航一體化、自帶廣域差分增強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢[9-10]，因此對BDS系統(tǒng)在我國交通、通信、國防等重要領(lǐng)域中的應(yīng)用展開研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文采用BDS系統(tǒng)作為磁浮列車的主要定位手段，采集列車的低頻絕對定位信息，同時(shí)利用多普勒雷達(dá)、慣性測量單元采集高頻相對定位信息，再輔以軌道電子地圖進(jìn)行匹配定位，從而構(gòu)建一種絕對/相對定位功能完整的磁浮車載組合定位系統(tǒng)。在該組合定位系統(tǒng)中，利用BDS系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量磁浮列車的位置和速度信息，當(dāng)BDS系統(tǒng)短時(shí)失效時(shí)利用軌道電子地圖輔助多普勒雷達(dá)和慣性測量單元來保證磁浮列車定位的連續(xù)性和可用性，該組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磁浮車載組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 定位原理及流程

2.1 基于北斗系統(tǒng)的磁浮列車定位

在磁浮列車上安裝北斗衛(wèi)星接收機(jī)及衛(wèi)星接收天線，接收當(dāng)前空域北斗導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的星歷數(shù)據(jù)，即可解算得到列車接收機(jī)的實(shí)時(shí)絕對位置。與GPS類似，常用的機(jī)動(dòng)載體北斗定位方法為偽距定位法[11]，列車接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星播發(fā)的星歷數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而獲取該信息從北斗衛(wèi)星到列車接收機(jī)的傳輸時(shí)間，乘以電磁波在空氣中的傳播速度(光速)，得到列車接收機(jī)與對應(yīng)北斗衛(wèi)星之間的距離。由于列車接收機(jī)時(shí)鐘、各導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)鐘與北斗系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘之間均存在時(shí)鐘誤差，因此該距離為偽距。各導(dǎo)航衛(wèi)星的時(shí)鐘誤差可由北斗地面監(jiān)控站測出和修正，列車接收機(jī)時(shí)鐘誤差則作為一個(gè)待求解參數(shù)與列車位置坐標(biāo)一并求解。除了絕對位置坐標(biāo)，還能通過列車接收機(jī)同時(shí)解算出磁浮列車的實(shí)時(shí)速度、運(yùn)動(dòng)方向等參數(shù)。基于北斗系統(tǒng)的磁浮列車定位原理如圖2所示。

圖2 基于北斗系統(tǒng)的磁浮列車定位

(1)

式中，ρi為列車衛(wèi)星接收機(jī)到第i顆北斗衛(wèi)星的偽距；(xi，yi，zi)為第i顆北斗衛(wèi)星的三維空間位置，可由已知星歷數(shù)據(jù)獲?。?x，y，z)為待求解的列車衛(wèi)星接收機(jī)三維位置；c為光速；Δt為列車衛(wèi)星接收機(jī)的時(shí)鐘誤差。

2.2 基于多普勒雷達(dá)的磁浮列車定位

多普勒雷達(dá)測速測距是將雷達(dá)傳感器安裝在磁浮列車底部，通過雷達(dá)以一定傾斜角度向軌道平面發(fā)射電磁波，并接收軌道平面反射的回波信號，基于多普勒頻移效應(yīng)原理，實(shí)時(shí)測量雷達(dá)發(fā)射波頻率和反射波頻率之間的頻率差值(多普勒頻移量)便可計(jì)算得到磁浮列車相對于軌道平面的移動(dòng)速度，對速度積分可獲得列車?yán)锍淘隽?/p>

(2)

多普勒雷達(dá)測速測距誤差主要由列車振動(dòng)、雷達(dá)安裝角度誤差以及自身固有測量誤差等造成。在雷達(dá)諸項(xiàng)誤差因素中，列車縱向高頻小幅振動(dòng)對雷達(dá)測速精度影響最大[12]。采用詹納斯配置方式可有效減少列車振動(dòng)造成的測速測距誤差。具體方法為，在列車底部以相反方向安裝2個(gè)雷達(dá)，如圖3所示。采用詹納斯配置方式后，可將列車縱向振動(dòng)造成的雷達(dá)測速誤差從|vk，h/vk|(vk，h為k時(shí)刻列車縱向振動(dòng)速度)數(shù)量級減少到10-8～10-7數(shù)量級，使得該項(xiàng)誤差可以忽略。

圖3 基于多普勒雷達(dá)的磁浮列車定位

2.3 基于慣性測量裝置的磁浮列車定位

與輪軌系統(tǒng)相似，為保證磁浮列車安全平穩(wěn)運(yùn)行，磁浮軌道線路大部分為長直線并根據(jù)需要采用小部分曲線線路，列車運(yùn)行軌跡受軌道約束。因此可近似認(rèn)為磁浮列車在平面內(nèi)運(yùn)行，列車的俯仰、橫滾等姿態(tài)變化以及垂向速度可以忽略?；谝陨蠙C(jī)動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)特征合理假設(shè)，可對傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)進(jìn)行簡化處理，采用單軸角速率陀螺儀和單軸加速度計(jì)構(gòu)成慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)[13-14]應(yīng)用于磁浮列車的測速定位?；贗MU的磁浮列車定位原理如圖4所示。圖4中下角標(biāo)n、b分別表示平面坐標(biāo)軸X、Y的導(dǎo)航坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系，φk表示磁浮列車的實(shí)時(shí)航向角，(xk，yk)表示磁浮列車的實(shí)時(shí)位置。

圖4 基于IMU的磁浮列車定位

通過單軸角速率陀螺儀實(shí)時(shí)測量垂直于磁浮列車運(yùn)行平面方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ωb，k，通過單軸加速度計(jì)實(shí)時(shí)測量磁浮列車運(yùn)行方向的加速度fb，k。在利用北斗定位信息輔助IMU初始對準(zhǔn)的前提下，對ωb，k積分可獲得磁浮列車的實(shí)時(shí)航向角φk，對fb，k在每一個(gè)測量周期內(nèi)積分可獲取磁浮列車的速度vk和里程lk，然后對第k周期的里程增量Δlk(Δlk=(lk-lk-1))基于φk在二維平面內(nèi)進(jìn)行分解即可得到第k周期磁浮列車的平面位置坐標(biāo)

(3)

不難看出，IMU定位是一種典型的航跡推算法，計(jì)算量少、自主性高以及短時(shí)定位精度高，但其位置誤差隨時(shí)間累積，不適合單獨(dú)用于磁浮列車的長時(shí)定位，因此可利用多普勒雷達(dá)測速測距信息與其相互輔助，不斷校正IMU的累積誤差。

2.4 基于軌道電子地圖輔助的磁浮列車定位

利用測繪測量等手段建立包含軌道線路完整的曲率、坡度、道岔點(diǎn)等特征數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上即可建立整個(gè)軌道線路絕對公里標(biāo)與各類特征參數(shù)逐一對應(yīng)的軌道電子地圖[15-17]。在軌道車輛定位中應(yīng)用電子地圖匹配定位具有計(jì)算量少、匹配精度高等明顯優(yōu)勢，但軌道地圖匹配定位無法單獨(dú)完成列車定位功能，在本文的磁浮列車組合定位方案中，軌道電子地圖匹配定位可作為雷達(dá)/IMU組合的有效輔助。

在磁浮北斗定位短時(shí)失效發(fā)生時(shí)，將最后一個(gè)北斗有效定位結(jié)果作為磁浮列車的參考初始位置，利用雷達(dá)/IMU組合測量和計(jì)算列車速度和里程，有效保證磁浮列車定位的連續(xù)性和可用性，同時(shí)將IMU中的角速率陀螺儀獲取的列車姿態(tài)信息與曲率、坡度等存儲在軌道電子地圖中的軌道線路特征參數(shù)進(jìn)行匹配，即可獲取磁浮列車的絕對公里標(biāo)位置，利用該絕對位置信息即可對雷達(dá)/IMU組合的里程累積誤差進(jìn)行有效校正?；谲壍离娮拥貓D輔助的磁浮列車定位原理如圖5所示。

圖5 基于軌道電子地圖輔助的磁浮列車定位

2.5 定位流程

(1)首先基于BDS系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)初始化磁浮列車運(yùn)行狀態(tài)；(2)如果BDS系統(tǒng)正常工作，則基于BDS系統(tǒng)連續(xù)測量磁浮列車位置和速度參數(shù)；(3)若發(fā)生BDS系統(tǒng)短時(shí)失效，則以BDS失效前一時(shí)刻獲取的有效衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)作為參考基準(zhǔn)，利用雷達(dá)/IMU組合持續(xù)推算磁浮列車的運(yùn)行速度和里程增量，同時(shí)利用軌道電子地圖匹配方式輔助校正雷達(dá)/IMU組合的里程累積誤差，在此基礎(chǔ)上通過分解計(jì)算獲取磁浮列車二維平面位置坐標(biāo)；(4)當(dāng)BDS系統(tǒng)恢復(fù)正常后再次轉(zhuǎn)入北斗為主的定位模式，并以衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)對IMU進(jìn)行初始校準(zhǔn)；(5)不斷循環(huán)(1)～(4)直到列車運(yùn)行停止。

3 仿真驗(yàn)證

為檢驗(yàn)本文構(gòu)建的磁浮車載組合定位系統(tǒng)的定位性能，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建的仿真測試平臺上進(jìn)行仿真驗(yàn)證，該平臺結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 仿真測試平臺結(jié)構(gòu)

圖7 組合定位里程誤差

圖8 組合定位速度誤差

由圖7可見，在北斗/IMU組合定位模式下，里程誤差總體上較小且平穩(wěn)，但在300～400 s北斗失效時(shí)段內(nèi)，由于缺少衛(wèi)星定位結(jié)果的校正，IMU單獨(dú)定位的里程誤差呈現(xiàn)出逐漸發(fā)散的趨勢，與其自身誤差特性一致。而在300～400 s北斗失效時(shí)段內(nèi)，在軌道地圖匹配輔助的雷達(dá)/IMU組合定位模式下，里程誤差總體上保持平穩(wěn)無明顯發(fā)散跡象，表明了軌道電子地圖輔助雷達(dá)/IMU組合的有效性。同樣，由圖8可見，在300～400 s北斗失效時(shí)段內(nèi)，由于缺少衛(wèi)星定位結(jié)果對雷達(dá)/IMU組合的校正，IMU測速誤差明顯增大，而在軌道地圖匹配輔助的雷達(dá)/IMU組合定位模式下，300～400 s時(shí)段內(nèi)的速度測量誤差相對收斂，表明軌道意子地圖匹配輔助下的雷達(dá)/IMU組合定位能將誤差有效控制在要求的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

針對目前常用的磁浮列車定位方法存在的缺陷，構(gòu)建了一種結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒測速雷達(dá)、慣性測量單元以及軌道電子地圖的車載組合定位系統(tǒng)并給出了具體定位原理及定位流程。通過實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的仿真測試，驗(yàn)證了該組合定位方法可以保證磁浮列車定位的精確性和連續(xù)性，為磁浮列車定位提供了一種成本較低且理論上可行的替代解決方案。下一步研究考慮將多源信息融合估計(jì)算法引入到該組合定位方法中，以獲得更優(yōu)的列車定位參數(shù)。另外，受限于客觀條件，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下獲取的仿真結(jié)果并不能完全真實(shí)地反映磁浮列車的運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)際影響因素，后續(xù)將尋求搭建真實(shí)的磁浮線路車載試驗(yàn)平臺并分析驗(yàn)證該組合定位方案的可行性。