劉佳欣

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073）

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列控車載設(shè)備測(cè)速測(cè)距雷達(dá)標(biāo)定方法的優(yōu)化研究

劉佳欣

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100073）

摘要：重點(diǎn)對(duì)車載設(shè)備雷達(dá)較為復(fù)雜繁瑣動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法進(jìn)行優(yōu)化深入研究，從理論分析到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，研究并形成車載測(cè)速多普勒雷達(dá)靜態(tài)標(biāo)定的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)；雷達(dá)標(biāo)定；CTCS3-300T車載

Abstract:This paper mainly introduces the complicated dynamic calibration method of ODO system of ATP and studies the improved veri fi cation method of Doppler radar through the theory analysis and fi eld test.

Keywords:radar; calibration; CTCS3-300T; ATP

1　背景

CTCS3-300T列控車載設(shè)備測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)包括兩個(gè)速度傳感器和兩個(gè)多普勒雷達(dá)，車載系統(tǒng)通過(guò)測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行列車運(yùn)行的安全防護(hù)以及列車定位。速度傳感器由其工作原理特性決定，伴隨所在輪軸的空轉(zhuǎn)或打滑情況的發(fā)生，測(cè)速容易出現(xiàn)偏差。因此需要雷達(dá)進(jìn)行速度校準(zhǔn)。動(dòng)車組車載設(shè)備雷達(dá)安裝完成后，均需進(jìn)行標(biāo)定才能投入運(yùn)用。傳統(tǒng)方法是動(dòng)態(tài)測(cè)速調(diào)整雷達(dá)脈沖輸出，該方案在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)存在諸多弊端。本文重點(diǎn)討論另一種靜態(tài)標(biāo)定雷達(dá)的方式，優(yōu)化實(shí)施過(guò)程，提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率。

2　雷達(dá)原理介紹

雷達(dá)內(nèi)部主要包括以下模塊：電源模塊、信號(hào)處理模塊、天線模塊、脈沖輸出模塊、IO輸出模塊。原理如圖1所示。

雷達(dá)電源模塊為其他各模塊提供5 V、3.3 V等工作電壓，信號(hào)處理模塊為雷達(dá)的核心處理模塊，其將采集到的微波信號(hào)轉(zhuǎn)化成兩種速度信號(hào)，一種通過(guò)脈沖輸出模塊輸出矩形脈沖速度信號(hào)，另一種通過(guò)IO輸出模塊的RS-458協(xié)議輸出速度信息，雷達(dá)內(nèi)部有兩個(gè)不同角度的天線，天線通過(guò)多普勒效應(yīng)測(cè)速。

多普勒效應(yīng)即是當(dāng)微波收發(fā)器發(fā)生相對(duì)位移后，接收到的回波頻率與發(fā)射頻率之間會(huì)產(chǎn)生頻率差，該頻率差即多普勒頻移，頻移的大小取決于微波收發(fā)器相對(duì)位移的速度。CTCS3-300T列控車載設(shè)備雷達(dá)安裝在動(dòng)車組車體底部，平行于底板，左右兩側(cè)各安裝一個(gè)，且雷達(dá)照射方向相反，以其中一個(gè)雷達(dá)天線為例，天線發(fā)射角度與鐵軌成α°角，則如圖2所示。

圖2中，h為雷達(dá)安裝高度，s為運(yùn)行距離，v為車輛行進(jìn)方向，則可以得到時(shí)間t內(nèi)的相位角速度為：

則可知：

根據(jù)ω＝2?π?f得到：

由此可知，雷達(dá)測(cè)速主要取決于雷達(dá)本身的安裝高度以及雷達(dá)的安裝俯仰角度。

3　傳統(tǒng)雷達(dá)標(biāo)定方法

測(cè)速測(cè)距為ATP系統(tǒng)中重要的安全功能，而雷達(dá)的測(cè)速原理很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)霍爾或光電元件在軸端脈沖計(jì)數(shù)測(cè)速中的不足，不受車輪空轉(zhuǎn)、打滑的影響，因此對(duì)雷達(dá)功能的前期調(diào)試至關(guān)重要，傳統(tǒng)方式是在低速下，以速度傳感器速度為參考進(jìn)行雷達(dá)參數(shù)的校準(zhǔn)，因此在標(biāo)定雷達(dá)前，需確保雷達(dá)前后俯仰角度值和向外傾斜角度值在規(guī)定的范圍內(nèi)并更新最新的輪徑信息，原理如下：

其中，輪徑值為速度傳感器所在軸的車輪直徑，脈沖/圈為速度傳感器所在軸的齒盤齒數(shù)，N為每公里雷達(dá)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，為固定數(shù)值。由此可知，速度傳感器的測(cè)速精度決定了雷達(dá)測(cè)速精度。

4　改進(jìn)型多普勒雷達(dá)標(biāo)定方法

傳統(tǒng)測(cè)試方法中存在弊端：1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施要求條件嚴(yán)格。為保證速度傳感器不發(fā)生空轉(zhuǎn)打滑請(qǐng)況，必須保證整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，線路為坡度小于5‰的平直軌道，且司機(jī)需確保車輛平穩(wěn)行駛一段時(shí)間。2）測(cè)試成本巨大。由于雷達(dá)標(biāo)定需要?jiǎng)討B(tài)進(jìn)行，每一次的標(biāo)定需要花費(fèi)很大的人力物力，優(yōu)化后的雷達(dá)標(biāo)定方法在靜態(tài)下即可以完成。

影響多普勒雷達(dá)測(cè)速的因素包括雷達(dá)高度、雷達(dá)俯仰角度以及雷達(dá)水平傾斜角度。雷達(dá)的安裝高度和水平傾斜角度在不同車型做出了不同規(guī)定，在動(dòng)車組出廠前會(huì)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的檢查，且雷達(dá)水平傾斜角度在1°的范圍內(nèi)測(cè)速偏差為0.02%，可以忽略不計(jì)，因此，改進(jìn)型多普勒雷達(dá)標(biāo)定系數(shù)（真實(shí)速度與雷達(dá)速度的比值）僅與雷達(dá)俯仰角度有關(guān)。

4.1理論計(jì)算

現(xiàn)定義車輛速度與雷達(dá)測(cè)速的比值作為靜態(tài)標(biāo)定系數(shù)C，即：

其中，β為雷達(dá)實(shí)際安裝角度與雷達(dá)理論角度間差值，雷達(dá)理論角度為45°，代入化簡(jiǎn)上式得：

根據(jù)公式（3）代（5）可知：

則可以得到標(biāo)定后系統(tǒng)雷達(dá)脈沖值：

4.2改進(jìn)型多普勒雷達(dá)標(biāo)定方案

標(biāo)定前提條件：

1）根據(jù)測(cè)量速度傳感器所對(duì)應(yīng)車輪輪徑值并且修改系統(tǒng)中的相應(yīng)參數(shù)；

2）軌道以及車輛應(yīng)保持平行，車輛轉(zhuǎn)向架之間不得有碰撞或傾角變化；

3）用于測(cè)量的多普勒雷達(dá)表面必須保持清潔；

4）多普勒雷達(dá)下方的軌道表面必須保持清潔。

標(biāo)定具體步驟：

1）數(shù)字角度測(cè)量?jī)x設(shè)置為絕對(duì)零度，這是后續(xù)測(cè)量的準(zhǔn)確性保障前提，該步驟根據(jù)不同產(chǎn)品操作不同；

2）將數(shù)字角度測(cè)量?jī)x緊貼雷達(dá)下表面測(cè)量多普勒雷達(dá)傾斜角，如多普勒雷達(dá)前部低于后部，則該傾斜角為正，反之為負(fù)；

3）重復(fù)上述步驟至少3次；

4）如果3次測(cè)量結(jié)果最大偏差大于0.04°，則該3次結(jié)果無(wú)效；繼續(xù)測(cè)量直到3次，測(cè)量結(jié)果之間最大偏差小于或等于0.04°；

5）計(jì)算3次測(cè)量的平均值，結(jié)果記為βradar；

6）將數(shù)字角度測(cè)量?jī)x緊貼鐵軌表面測(cè)量軌道傾斜角，如軌道前部低于后部，則該傾斜角為正，反之為負(fù)；

7）重復(fù)步驟3）、4），計(jì)算3次測(cè)量的平均值，結(jié)果記為βrail；

8）如果｜βradar－βrail｜大于1°，應(yīng)調(diào)整多普勒雷達(dá)的安裝，然后重新進(jìn)行上述測(cè)量；

9）如果｜βradar－βrail｜不大于1°，則根據(jù)公式（8）正確的雷達(dá)脈沖應(yīng)為：

按照上述測(cè)量情況，更新ATP系統(tǒng)內(nèi)兩雷達(dá)相應(yīng)參數(shù)。

4.3改進(jìn)型雷達(dá)標(biāo)定法的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)改進(jìn)型多普勒雷達(dá)標(biāo)定方法進(jìn)行雷達(dá)標(biāo)定，并與傳統(tǒng)標(biāo)定方法進(jìn)行比對(duì)，其中：

具體數(shù)據(jù)如表1、2、3所示。

地點(diǎn)：廣州，長(zhǎng)春，北京

表1　廣州數(shù)據(jù)表

表2　長(zhǎng)春數(shù)據(jù)表

表3　北京數(shù)據(jù)表

通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以看出兩種標(biāo)定方法的偏差率均小于2%，絕大多數(shù)集中在1%左右，且上述車輛在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，ATP測(cè)速與車輛HMI顯示速度、GPS顯示速度均進(jìn)行分段多次比對(duì)，測(cè)速偏差也均小于2%，因此能夠初步證明，改進(jìn)型標(biāo)定方法得出的雷達(dá)脈沖數(shù)值的可用性較高，綜合考慮下更適合現(xiàn)有條件下的雷達(dá)標(biāo)定工作。

5　結(jié)語(yǔ)

改進(jìn)后的多普勒雷達(dá)標(biāo)定方法較傳統(tǒng)標(biāo)定方法相比，有著操作便捷，計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證該方法計(jì)算的數(shù)據(jù)可用性高，如現(xiàn)場(chǎng)大范圍推廣運(yùn)用，將節(jié)約大量人力、時(shí)間以及運(yùn)營(yíng)成本，提高CTCS3-300T車載系統(tǒng)的可維護(hù)性。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵運(yùn)[2012]211號(hào).CTCS-3級(jí)列控車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范（暫行）[S].

收稿日期：（2015-11-13）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.003