蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所 蘭州 730070

1 研究背景

隨著我國(guó)城市化的持續(xù)快速發(fā)展,城市人口數(shù)量在不斷增加,城市交通設(shè)施與城市化之間的矛盾正在逐步顯現(xiàn)。在人們選擇各種交通方式出行的同時(shí),軌道交通越來(lái)越受到關(guān)注。從各國(guó)城市發(fā)展的實(shí)踐來(lái)看,軌道交通因容量大、速度快、安全可靠、能耗低、污染少、準(zhǔn)時(shí)舒適而受到公眾的青睞?？梢?jiàn),城市軌道交通系統(tǒng)將成為我國(guó)公共交通的發(fā)展方向。軌道交通系統(tǒng)中的定位和導(dǎo)航是提高列車(chē)運(yùn)行精度的重要部分。目前,地鐵列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用軌道和車(chē)輛設(shè)備實(shí)時(shí)定位列車(chē),通過(guò)列車(chē)與軌道之間的信息傳遞,實(shí)現(xiàn)信息交換,實(shí)時(shí)控制列車(chē)。常用的列車(chē)定位技術(shù)包括衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、查詢應(yīng)答器、里程表速度測(cè)量、多普勒雷達(dá)、軌道電路、航位推算、地圖匹配等[1]。這些方法單獨(dú)使用時(shí)都有一定的局限性,并且一旦出錯(cuò),對(duì)乘客造成的危害是非常大的。為了提高地鐵列車(chē)的導(dǎo)航定位精度,筆者提出射頻識(shí)別(RFID)與無(wú)陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(GFSINS)組合的地鐵列車(chē)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(chē)定位的精度[2]。

2 原理概述

2.1 RFID定位

RFID定位主要由三個(gè)部分構(gòu)成,分別為標(biāo)簽、讀寫(xiě)器和中央信息系統(tǒng)。RFID系統(tǒng)通過(guò)使用閱讀器和發(fā)射天線,將采集到的信息進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)標(biāo)簽處于正常的工作狀態(tài)時(shí),內(nèi)置的射頻天線會(huì)將對(duì)應(yīng)的編碼信息發(fā)送至閱讀器進(jìn)行閱讀及解碼,最終使中央信息系統(tǒng)獲得有效信息,并進(jìn)行完整的識(shí)別和處理,以便完成對(duì)所采集信息的讀寫(xiě)。RFID定位原理如圖1所示[3-4]。

傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)(SINS)在確定載體的具體位置和姿態(tài)時(shí)采用加速度計(jì)測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的線速度,采用陀螺儀測(cè)量物體運(yùn)行的角速度。GFSINS不再采用陀螺儀進(jìn)行測(cè)量,而是使用加速度計(jì)代替陀螺儀,并且根據(jù)加速度計(jì)測(cè)量的比力進(jìn)一步求解出載體的角速度,從而降低系統(tǒng)的復(fù)雜性,同時(shí)也能夠節(jié)約成本。在對(duì)SINS加速度計(jì)進(jìn)行安裝操作的過(guò)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(jì)安裝到理想位置,進(jìn)而造成安裝于載體上的加速度計(jì)與質(zhì)心位置有一定程度的偏移。當(dāng)存在這種安裝誤差時(shí),若載體做線性運(yùn)動(dòng),則在進(jìn)行測(cè)量時(shí)幾乎沒(méi)有影響;若載體在慣性空間內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),則加速度計(jì)就會(huì)輸出一定量的偏差,產(chǎn)生的這種偏差受載體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)大小和加速度計(jì)安裝誤差大小兩個(gè)方面的影響[5]。

圖1 RFID定位原理

在SINS中,為達(dá)到理想的導(dǎo)航定位效果,必須采取一定的補(bǔ)償辦法修正該加速度計(jì)在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的誤差。而在GFSINS中,并不需要采用修正的方法補(bǔ)償誤差。因?yàn)镚FSINS對(duì)于加速度值的測(cè)量是根據(jù)多個(gè)加速度計(jì)的合理設(shè)計(jì)并安裝在載體非質(zhì)心處來(lái)實(shí)現(xiàn)的,加速度計(jì)測(cè)量的加速度值可以轉(zhuǎn)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(jiàn),研究的重點(diǎn)是在省略陀螺儀的情況下如何獲得旋轉(zhuǎn)角速度和捷聯(lián)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(chē)定位方法,將地面RFID和列車(chē)控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起,無(wú)源標(biāo)簽以固定間隔放置,并且標(biāo)簽讀取器和通信設(shè)備與安裝在列車(chē)上的計(jì)算機(jī)相連。當(dāng)?shù)罔F列車(chē)通過(guò)定位標(biāo)簽時(shí),激活標(biāo)簽的有效工作狀態(tài),由此產(chǎn)生感應(yīng)電流,同時(shí)車(chē)載讀寫(xiě)設(shè)備讀取標(biāo)簽中的位置信息數(shù)據(jù),列車(chē)控制系統(tǒng)通過(guò)分析數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位[8]。

組合后RFID和GFSINS能夠互不影響地正常工作。因?yàn)镚FSINS具有較強(qiáng)的自主性和快速更新特性,所以一般歸類(lèi)為主體,而RFID則作為輔助。在對(duì)RFID和GFSINS進(jìn)行組合時(shí),需要充分考慮各個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的工作特點(diǎn),從而充分發(fā)揮各系統(tǒng)正常工作時(shí)的最優(yōu)工作特性,因而需要設(shè)置合理的組合方案。根據(jù)目前地鐵列車(chē)組合導(dǎo)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(shí),RFID和GFSINS閱讀器均安裝在地鐵列車(chē)上。RFID和GFSINS在進(jìn)行組合之后,各測(cè)量元件獨(dú)立工作,彼此之間獨(dú)立測(cè)量載體的數(shù)據(jù)信息,其中兩個(gè)系統(tǒng)所測(cè)量的位置、速度及姿態(tài)等物理信息在輸出時(shí)需要進(jìn)行相減,進(jìn)而在對(duì)應(yīng)方程中對(duì)該測(cè)量值進(jìn)行最優(yōu)估計(jì),最終系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和反饋校正,輸出組合導(dǎo)航的參數(shù)信息。在松散組合方式下,RFID輔助GFSINS工作。

緊密組合方式的復(fù)雜性和深度都甚于松散組合方式,在進(jìn)行緊密組合時(shí),采用GFSINS和RFID分別測(cè)算出地鐵列車(chē)的偽距和偽距率,在此基礎(chǔ)上將兩系統(tǒng)測(cè)量值相減作為測(cè)量值,通過(guò)相應(yīng)方程估算分析,進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)輸出。

以上兩種組合方式無(wú)絕對(duì)優(yōu)劣之分,具體采用哪種組合方式應(yīng)該結(jié)合實(shí)際的項(xiàng)目需要進(jìn)行綜合分析。松散組合方式較緊密組合方式簡(jiǎn)單,有利于在工程中實(shí)現(xiàn),并且松散組合方式中的兩個(gè)系統(tǒng)能夠獨(dú)立對(duì)載體進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)其中一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),不影響另一個(gè)系統(tǒng)正常工作。因而出于綜合考慮,筆者研究的地鐵列車(chē)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(huì)無(wú)謂增加運(yùn)算量和提高系統(tǒng)的煩瑣程度。

3 常用坐標(biāo)系相互關(guān)系

坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換是慣性導(dǎo)航的理論基礎(chǔ)之一,在對(duì)GFSINS中的坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí),需要對(duì)常用坐標(biāo)系相互關(guān)系進(jìn)行描述。通過(guò)分析常用的慣性導(dǎo)航坐標(biāo)系的相互關(guān)系及空間矢量的轉(zhuǎn)換關(guān)系,得到GFSINS載體上不同空間位置加速度計(jì)的表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上,對(duì)求得的GFSINS角速度方程進(jìn)行求解,從而進(jìn)一步求取載體的姿態(tài)信息。

3.1 地心慣性坐標(biāo)系(i系)-地球坐標(biāo)系(e系)

地球自轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系就是地心慣性坐標(biāo)系,自轉(zhuǎn)角速率就是地球坐標(biāo)系相對(duì)于地心慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)大小,在地球坐標(biāo)系中可表示為:

(1)

相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣為:

(2)

式中:ωe為地球自轉(zhuǎn)角速度,ωe=7.27×10-5rad/s;t為時(shí)間。

3.2 地球坐標(biāo)系(e系)-地理坐標(biāo)系(L系)

對(duì)于地理坐標(biāo)系相對(duì)地球坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度向量,可以分別推導(dǎo)出其在地球坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系中的分量表達(dá)式:

(3)

(4)

轉(zhuǎn)換矩陣為:

(5)

式中:λ、φ分別為載體所處位置的經(jīng)度和緯度。

3.3 地理坐標(biāo)系(L系)-載體坐標(biāo)系(b系)

(6)

由轉(zhuǎn)動(dòng)順序可得變換矩陣:

(7)

(8)

4 慣導(dǎo)系統(tǒng)工作過(guò)程

5 結(jié)束語(yǔ)

RFID與GFSINS組合的地鐵列車(chē)定位方法相比傳統(tǒng)的SINS,載體角速度和質(zhì)心比力的獲取方式不同。組合地鐵列車(chē)定位方法能夠?yàn)榈罔F列車(chē)提供連續(xù)的數(shù)據(jù)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(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng),并且RFID定位有效避免了加速度計(jì)和陀螺儀在長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集中的累積誤差。組合地鐵列車(chē)定位方法中,各個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)相輔相成、相互補(bǔ)充,提高了定位導(dǎo)航的精度[10-11]。對(duì)于組合地鐵列車(chē)定位方法,筆者推導(dǎo)了載體上任意一點(diǎn)處的加速度計(jì)輸出表達(dá)式,并以此作為理論基礎(chǔ),根據(jù)多個(gè)加速度計(jì)的聯(lián)立方程組,為后續(xù)研究角加速度值和質(zhì)心處的比力,進(jìn)而獲得地鐵列車(chē)的線速度和位置參數(shù)提供了依據(jù)。