孔繁軍

(遼寧省交通高等專(zhuān)科學(xué)校 軌道交通工程系,遼寧 沈陽(yáng) 110122)

0 引言

列車(chē)定位的基本功能是在任何時(shí)刻、任何地方都能夠精確地確定列車(chē)的位置坐標(biāo),包括與列車(chē)相關(guān)的間隔、速度及加速度[1]。列車(chē)定位技術(shù)是檢測(cè)和驗(yàn)證高鐵列控系統(tǒng)是否合格甚至優(yōu)秀的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn),也是制約高鐵運(yùn)行速度和運(yùn)營(yíng)間隔的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。列控系統(tǒng)要求列車(chē)實(shí)時(shí)檢測(cè)速度和位置信息,才能保證列車(chē)的安全運(yùn)行和正點(diǎn)到達(dá)。

1 無(wú)絕緣音頻軌道電路法

該方法就是利用軌道電路檢測(cè)列車(chē)是否占用軌道電路區(qū)段實(shí)現(xiàn)定位。S型連接棒音頻軌道電路是應(yīng)用較廣的一種方法,該方法采用電氣絕緣來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)段的劃分。

1.1 定位原理

發(fā)送端以差分模式通過(guò)線(xiàn)路鋼軌向接收端傳輸調(diào)制信號(hào)。在軌道電路的另一端(即接收端)提取這個(gè)信號(hào),接收信息和傳送信息經(jīng)逐位比較確認(rèn)相同后,即可完成對(duì)接收信息的驗(yàn)證,以判斷鋼軌占用和軌道電路的工作狀態(tài)。當(dāng)軌道區(qū)段內(nèi)有車(chē)占用時(shí),由于列車(chē)車(chē)軸的阻抗遠(yuǎn)小于鋼軌,信號(hào)會(huì)被車(chē)軸“分路”掉;接收端可檢測(cè)到信號(hào)電平的變化,從而判斷列車(chē)到達(dá)相對(duì)應(yīng)的軌道電路位置,工作原理如圖1所示。

圖1 軌道電路的工作原理

1.2 評(píng)價(jià)分析

軌道電路法屬于固定閉塞制式的一種傳統(tǒng)定位方法。因此,該方案是一種粗定位方法,但該方法是許多其他定位方法的依據(jù)和基礎(chǔ),具有很高的參考價(jià)值。

優(yōu)點(diǎn):該方法可以利用現(xiàn)有設(shè)備,不需要再投資,技術(shù)相對(duì)成熟穩(wěn)定。另外,該方法除了具有基礎(chǔ)的檢測(cè)列車(chē)占用功能外,當(dāng)出現(xiàn)斷軌、線(xiàn)路被滾落的山石切斷時(shí),還能體現(xiàn)“故障-安全”原則。

缺點(diǎn):(1)該方法只能確定大體閉塞分區(qū),無(wú)法確定該閉塞分區(qū)的具體位置,因此列車(chē)實(shí)施制動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)都在閉塞分區(qū)的邊界處,為確保安全,需要增加一段50 m左右的安全防護(hù)距離,這就會(huì)加大列車(chē)的運(yùn)行間隔;(2)由于存在送電和受電設(shè)備,因而軌旁設(shè)備數(shù)量較大,后期的維護(hù)成本和工作量也較大;(3)軌道電路易受震動(dòng)、天氣、環(huán)境和車(chē)輪潔凈程度的影響,風(fēng)雪天氣和風(fēng)沙較大會(huì)導(dǎo)致分路不良,道砟阻抗和牽引電流等因素也會(huì)造成干擾。

1.3 應(yīng)用情況

該方法應(yīng)用于日本的新干線(xiàn)和數(shù)字新干線(xiàn)ATC列控系統(tǒng)、法國(guó)的TGV鐵路,以實(shí)現(xiàn)粗略列車(chē)位置檢測(cè)。

2 查詢(xún)/應(yīng)答器法(信標(biāo)法)

應(yīng)答器是安裝在線(xiàn)路沿線(xiàn)反映線(xiàn)路絕對(duì)位置的物理標(biāo)志。地面應(yīng)答器與車(chē)載應(yīng)答器、軌旁電子單元配合使用以實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位。地面應(yīng)答器主要分為有源和無(wú)源兩種。應(yīng)答器內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),固定不變的稱(chēng)為無(wú)源應(yīng)答器,數(shù)據(jù)可更改的是有源應(yīng)答器。應(yīng)答器安裝在鋼軌中間,外部封裝完好,完全能夠應(yīng)對(duì)外部復(fù)雜的環(huán)境。

2.1 定位原理

當(dāng)線(xiàn)路上運(yùn)行的列車(chē)經(jīng)過(guò)地面應(yīng)答器時(shí),設(shè)在車(chē)底的車(chē)載設(shè)備會(huì)向該應(yīng)答器發(fā)送高頻率的電磁波,該電磁波也是應(yīng)答器的工作電源,然后應(yīng)答器將列車(chē)當(dāng)前的絕對(duì)點(diǎn)物理位置信息傳遞至列車(chē),即可再次獲得新的列車(chē)位置信息。

2.2 評(píng)價(jià)分析

查詢(xún)/應(yīng)答器定位法是一種屬于準(zhǔn)移動(dòng)閉塞制式列控系統(tǒng)中的定位方法。查詢(xún)/應(yīng)答器法是一種相對(duì)準(zhǔn)確的定位方法。很多其他的定位方法都通過(guò)該方法來(lái)提高定位精度。

優(yōu)點(diǎn):(1)設(shè)備簡(jiǎn)單,維護(hù)及運(yùn)行成本也較低;(2)抗干擾性較強(qiáng),能適應(yīng)惡劣氣候條件,可以在任何環(huán)境、任何地點(diǎn)可靠地工作;(3)使用壽命較長(zhǎng)。

缺點(diǎn):只能給出點(diǎn)式定位信息,如若希望準(zhǔn)確定位就必須在軌道上鋪設(shè)大量的應(yīng)答器,故存在設(shè)置間距和投資規(guī)模的矛盾。

2.3 應(yīng)用情況

歐洲的ETCS-2列控系統(tǒng)是典型的應(yīng)用查詢(xún)/應(yīng)答器方法來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)定位的。在ETCS-2列控系統(tǒng)中,車(chē)載設(shè)備具有確定列車(chē)位置的功能。該功能是依據(jù)地面應(yīng)答器收到的信息并以此為基準(zhǔn)點(diǎn)通過(guò)測(cè)速單元等設(shè)備測(cè)量列車(chē)運(yùn)行距離來(lái)獲得列車(chē)位置。計(jì)算列車(chē)位置時(shí)要考慮測(cè)速設(shè)備的誤差。車(chē)載設(shè)備應(yīng)定時(shí)向無(wú)線(xiàn)閉塞中心RBC報(bào)告列車(chē)位置。

3 多普勒雷達(dá)測(cè)速

多普勒雷達(dá)測(cè)速是利用多普勒效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)的。向移動(dòng)體上發(fā)射一定頻率的電磁波,反射波與入射波之間會(huì)產(chǎn)生頻差,這個(gè)頻差與移動(dòng)體的速度成正比,這就是多普勒效應(yīng)。

3.1 定位原理

在機(jī)車(chē)上安裝雷達(dá),它始終向軌面發(fā)射電磁波,由于機(jī)車(chē)和軌面之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此發(fā)射波和反射波之間會(huì)產(chǎn)生頻差,通過(guò)測(cè)量頻差可以計(jì)算出機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度,并求出運(yùn)行距離。多普勒雷達(dá)工作原理如圖2所示。

圖2 多普勒雷達(dá)工作示意

計(jì)算公式:

其中,λ是雷達(dá)發(fā)射波的波長(zhǎng),θ是雷達(dá)視線(xiàn)與地面的夾角,vr是列車(chē)上雷達(dá)相對(duì)地面的徑向運(yùn)動(dòng)速度,v是列車(chē)相對(duì)于地面的行駛速度,vr是v在雷達(dá)視線(xiàn)上的分量,可由公式求得。

只要測(cè)出fd,就可求得列車(chē)的行駛速度;若列車(chē)停止運(yùn)行,fd=0;當(dāng)θ=90°時(shí),即雷達(dá)發(fā)射波與地面成直角發(fā)射,fd=0,因此,安裝時(shí)避免此種情況。

根據(jù)多普勒效應(yīng)原理,目標(biāo)相向雷達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)fd為正,背向雷達(dá)運(yùn)動(dòng)時(shí)fd為負(fù)。根據(jù)多普勒雷達(dá)測(cè)速原理,若雷達(dá)發(fā)射波方向與列車(chē)運(yùn)行方向夾角θ小于90°,fd為正,反之,fd為負(fù)。計(jì)算公式即為:

其中,λ是確定參數(shù),只要求得θ和fd就可以求得列車(chē)瞬時(shí)運(yùn)行速度。θ主要由雷達(dá)的安裝位置所決定,如何快速、準(zhǔn)確地得到fd是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.2 評(píng)價(jià)分析

當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度較快的時(shí)候采用多普勒雷達(dá)來(lái)測(cè)速和實(shí)現(xiàn)定位。

優(yōu)點(diǎn):測(cè)速精度與車(chē)輪空轉(zhuǎn)、打滑無(wú)關(guān)。

缺點(diǎn):測(cè)量精度取決于雷達(dá)本身的性能不同;檢測(cè)距離所得的累計(jì)誤差,需由線(xiàn)路上的固定點(diǎn)來(lái)校正。

3.3 應(yīng)用情況

法國(guó)國(guó)鐵開(kāi)發(fā)的連續(xù)實(shí)時(shí)列車(chē)監(jiān)督控制系統(tǒng)(ASTREE)系統(tǒng)采用多普勒雷達(dá)來(lái)定位的,后來(lái)該系統(tǒng)合并到歐洲ETCS系統(tǒng)中,目前應(yīng)用較為廣泛的ETCS-2列控系統(tǒng)就是采用多普勒雷達(dá)實(shí)現(xiàn)定位的。

4 GPS定位

GPS是一種全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位系統(tǒng),能夠提供載體的經(jīng)緯度以及速度等信息,其誤差范圍為15 m誤差圓[2]。

4.1 定位原理

利用已知的衛(wèi)星高度和電波傳輸速度,即可測(cè)出時(shí)間。因接收機(jī)可跟蹤5～8顆衛(wèi)星(精度或性能差的接收機(jī)只能跟蹤3～5顆衛(wèi)星),追蹤第二顆衛(wèi)星可得到一個(gè)時(shí)間,再跟蹤第三顆衛(wèi)星又得到一個(gè)時(shí)間,跟蹤3顆衛(wèi)星即可得到相應(yīng)的時(shí)間差,來(lái)進(jìn)行二維定位。在地面已知坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)置差分接收臺(tái)站,對(duì)所獲得的位置再用固定臺(tái)站進(jìn)行差分處理。

4.2 評(píng)價(jià)分析

GPS是一種高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng),但該系統(tǒng)非常龐大,也會(huì)存在一些定位誤差。(1)每個(gè)動(dòng)車(chē)組接收機(jī)所公有的誤差,例如對(duì)流層、星歷和時(shí)鐘誤差等;(2)傳播時(shí)延誤差;(3)動(dòng)車(chē)組接收機(jī)的固有誤差,例如通道延時(shí)誤差、多徑效應(yīng)誤差及內(nèi)部噪聲誤差等。為了避免和消除上述誤差,科技人員也做了一些相應(yīng)的努力,最實(shí)用的就是差分技術(shù)。該方法可以消除(1)類(lèi)誤差,但只能消除部分(2)類(lèi)誤差,并且消除程度是由參考站和用戶(hù)接收機(jī)之間的距離決定的,但差分技術(shù)對(duì)(3)類(lèi)誤差卻顯得“無(wú)能為力”。綜上,利用差分技術(shù)可以排除SA政策的影響,而且減少了些許產(chǎn)生誤差的影響因素,當(dāng)用戶(hù)接收機(jī)與參考站之間的距離小于100 km時(shí),則可認(rèn)為它們受到大氣層的影響是相同的,根據(jù)距離校正鼓消除大氣層導(dǎo)致的定位誤差。

理論上GPS的定位精度為:水平位置15 m。GPS定位用于動(dòng)車(chē)組定位時(shí),需要增加應(yīng)答器給予校正。

優(yōu)點(diǎn):(1)不受季節(jié)、氣候影響,可24 h提供定位;(2)成本低;(3)維護(hù)費(fèi)用較低;(4)設(shè)備簡(jiǎn)單體積小,維護(hù)方便;(5)理想情況下使用差分定位時(shí),定位精度可達(dá)到米級(jí)(1 m或0.5 m)。

缺點(diǎn):(1)在山區(qū)、隧道等區(qū)段存在定位盲區(qū),必須另加補(bǔ)救措施;(2)需要建立沿線(xiàn)差分站,增加了成本和維護(hù)費(fèi)用;(3)易受到美國(guó)衛(wèi)星政策的影響;(4)由于使用的是美國(guó)的GPS,所以一些重要信息的安全性得不到保證。

4.3 應(yīng)用情況

GPS衛(wèi)星定位法是一種很先進(jìn)的現(xiàn)代定位技術(shù),但是由于美國(guó)衛(wèi)星使用政策以及保密性等原因,在當(dāng)今世界的典型列控系統(tǒng)中都沒(méi)有采用該定位方法。僅有美國(guó)的幾家鐵路運(yùn)營(yíng)工作主要采用該方法進(jìn)行列車(chē)定位;我國(guó)的青藏鐵路使用該方法作為備用定位方法;日本的新干線(xiàn)等高鐵網(wǎng)路也正在逐步將GPS定位方法應(yīng)用于列控系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

2020年正式投入運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)被應(yīng)用于列車(chē)定位技術(shù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研制、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信、采用混合星座組網(wǎng)模式、具有我國(guó)技術(shù)特色的全球衛(wèi)星導(dǎo)航?；诒倍穼?dǎo)航的列車(chē)定位技術(shù)是當(dāng)前列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)發(fā)展所需,是新一代將著力發(fā)展的列車(chē)定位技術(shù)[3]。