基于卡爾曼濾波的編組站機(jī)車組合定位方法的研究與設(shè)計(jì)

湯振源 何倚霜

摘 要：編組站調(diào)車作業(yè)自動(dòng)化是編組站綜合自動(dòng)化發(fā)展的趨勢，對調(diào)車機(jī)車的定位是自動(dòng)調(diào)車的重要研究內(nèi)容之一。本文通過對軌道交通定位系統(tǒng)的研究，結(jié)合編組站調(diào)車機(jī)車作業(yè)性質(zhì)和特點(diǎn)，通過對軌道電路接收端的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GPS/軌道電路/里程計(jì)的機(jī)車組合定位方案，該方案利用卡爾曼濾波自適應(yīng)信息融合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能夠解決GPS定位在不同環(huán)境下誤差大、可靠性低的問題，同時(shí)也可以對提高編組站的作業(yè)效率和實(shí)現(xiàn)調(diào)車機(jī)車調(diào)車作業(yè)的安全防護(hù)提供有效信息。

關(guān)鍵詞：機(jī)車定位;GPS;軌道電路;里程計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.141

0 引言

素有“列車工廠”之稱的編組站，是列車的集散地，負(fù)責(zé)集中辦理大量貨物列車的到達(dá)、解體、編組出發(fā)等作業(yè)。對編組站的調(diào)車機(jī)車實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位能夠極大提高編組站信息化建設(shè)程度，實(shí)現(xiàn)機(jī)車位置數(shù)據(jù)共享，減輕機(jī)車司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高編組站的作業(yè)效率，機(jī)車與固定設(shè)備的距離的判定，不僅能夠更進(jìn)一步確保調(diào)車作業(yè)安全，而且為以后的自動(dòng)調(diào)車目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定一定的基礎(chǔ)。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，針對編組站站場規(guī)模大、股道數(shù)量多、調(diào)車作業(yè)繁忙、作業(yè)過程復(fù)雜、受人為因素影響大等特點(diǎn)，提出了一基于GPS/軌道電路/里程計(jì)組合的調(diào)車機(jī)車跟蹤定位系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)、精確跟蹤機(jī)車在線路上的位置，采集到的位置數(shù)據(jù)，不僅可以作為調(diào)度監(jiān)控機(jī)車的位置，也可以為調(diào)車作業(yè)安全防護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，防止機(jī)車冒進(jìn)信號，超速行駛等問題。

1 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）主要有GPS、GLONASS、GALILEO以及我國新部署完成的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。其中美國的GPS是最先進(jìn)和成熟的系統(tǒng)之一，應(yīng)用最為廣泛，涉及到軍事，民用等多個(gè)領(lǐng)域。目前美國已經(jīng)開始布局第三代GPS導(dǎo)航衛(wèi)星，建成后將具有更高的精度和更強(qiáng)的抗干擾能力。

1.1 GPS定位基本原理

GPS定位，實(shí)際上就是通過至少四顆已知位置的衛(wèi)星來確定GPS接收器的位置。如圖所示：

通過GPS電文解譯出四顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，用距離交會(huì)的方法求解p點(diǎn)的三維坐標(biāo)的觀測方程為：

1.2 DGPS定位

GPS 偽距差分技術(shù)（DGPS）是目前常用的高精度定位技術(shù)，廣泛用于車輛的導(dǎo)航與定位[1]，由于 DGPS 定位存在一定誤差，故采用組合定位系統(tǒng)，其基本原理為：

基準(zhǔn)站接收到第i顆衛(wèi)星廣播的位置為，而且基準(zhǔn)站經(jīng)測繪是在位置上，從而可知基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離為：

基準(zhǔn)站然后對第i顆衛(wèi)星做出偽距測量值，包括到衛(wèi)星的距離以及誤差值：

式中，表示基準(zhǔn)站時(shí)鐘與GPS系統(tǒng)時(shí)鐘的偏移時(shí)的誤差，表示偽距誤差。

將基準(zhǔn)站計(jì)算出的幾何距離與偽距測量值比較，得出差分校正值：

由于偽距校正值隨時(shí)間變化，故隨時(shí)間變化的偽距校正值表示為：

基準(zhǔn)站將廣播給機(jī)車上的GPS接收機(jī)，然后加載同一顆衛(wèi)星的偽距測量值上：

除了多徑和噪聲誤差外，大多數(shù)情況下，車載GPS接收機(jī)偽距誤差分量與基準(zhǔn)站是相同的，校正過的偽距可表示為：

式中，指的是偽距殘留誤差，而是車載GPS接收機(jī)和基準(zhǔn)站的時(shí)鐘差。

為了使車載GPS接收機(jī)能夠補(bǔ)償偽距誤差速率，基準(zhǔn)站還需發(fā)送偽距速率校正值，車載接收機(jī)然后進(jìn)行偽距校正，以便與自己測量時(shí)間t 對應(yīng)，表示如下：

然后計(jì)算在時(shí)刻t矯正后的車載GPS接收機(jī)偽距：

2 軌道電路定位原理

軌道電路是鐵路信號設(shè)備的重要組成部分，利用鋼軌和鋼軌絕緣節(jié)構(gòu)成的電路，主要用來顯示車站或區(qū)間線路列車占用情況。將列車運(yùn)行與信號燈聯(lián)系起來，還可以利用軌道電路向機(jī)車傳遞行車信息。這里我們把軌道電路作為一種定位機(jī)車的設(shè)備，通過軌道電路的變化確定調(diào)機(jī)位置。

2.1軌道電路的基本組成

軌道電路有送電設(shè)備、接收設(shè)備、鋼軌絕緣以及連接線組成，軌道電路有多種型號，除了送電設(shè)備、接收設(shè)備不盡相同之外，鋼軌絕緣和連接線是相同的。簡單的軌道電路如2.1所示：

當(dāng)區(qū)段內(nèi)鋼軌完整，沒有被占用時(shí)，軌道繼電器吸起，表示區(qū)段空閑;當(dāng)軌道被占用時(shí)，由于繼電器線圈電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪對電阻，軌道電路被分路，繼電器的電流大大減小，軌道繼電器落下，表示區(qū)段有車占用[2]。

2.2 改進(jìn)的軌道電路接收器

受電端的接收器部分是軌道電路的不可或缺的一部分，接收器的穩(wěn)定性以及可靠性決定了軌道電路的安全系數(shù)。本文設(shè)計(jì)的接收器具有故障自檢、監(jiān)測報(bào)警等功能，能夠?qū)υO(shè)備的各個(gè)環(huán)節(jié)自我監(jiān)測，如果發(fā)生故障后可以自動(dòng)報(bào)警。其結(jié)構(gòu)與功能如下圖所示：

通過軌道電路傳輸?shù)碾娦盘柕竭_(dá)接收器后，經(jīng)過信號濾波，光電隔離處理，對波形進(jìn)行精密處理后，分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，把系統(tǒng)提供的數(shù)字電源轉(zhuǎn)換成需要的模擬電源，轉(zhuǎn)換后的信號分別由MPU1和MPU2兩個(gè)微處理器進(jìn)行處理，在此過程中，MPU1與MPU2保持嚴(yán)格同步，若運(yùn)算結(jié)果不同，說明軌道處于占用狀態(tài)，兩個(gè)微處理器會(huì)停止向安全與門輸出信號，繼電器失磁落下。相反，如果兩個(gè)微處理器運(yùn)算結(jié)果相同，則向安全與門輸出信號，安全與門將兩路信號波轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，繼電器勵(lì)磁吸起，表示線路處于空閑狀態(tài)。如果安全與門發(fā)生故障，會(huì)觸發(fā)報(bào)警器報(bào)警。如果電路中有其他故障，微處理器會(huì)自動(dòng)斷開安全與門的信號輸出，并觸發(fā)報(bào)警，保證系統(tǒng)的安全性。

3 里程計(jì)定位原理

編碼里程計(jì)通過編碼盤與輪軸耦合，驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)裝在編碼盤四周的光電傳感器，這些傳感器產(chǎn)生一個(gè)和速度成比例的脈沖序列，車載計(jì)算機(jī)通過采樣電路得到列車運(yùn)行的速度[3]。最后通過車載計(jì)算機(jī)由速度對時(shí)間積分來求得機(jī)車在某個(gè)區(qū)段的具體位置。

輪運(yùn)動(dòng)一周，里程計(jì)輸出n個(gè)脈沖數(shù)，N為單位時(shí)間內(nèi)里程計(jì)輸出的脈沖數(shù)，為車輪直徑，那么，機(jī)車某時(shí)刻行進(jìn)速度V計(jì)算如下：

4 組合定位設(shè)計(jì)

在設(shè)備完好狀態(tài)下，當(dāng)機(jī)車第一輪對進(jìn)入一個(gè)區(qū)段后，軌道電路短路，軌道繼電器落下，信號樓顯示該區(qū)段紅光帶，表示此區(qū)段處被占用狀態(tài)，軌道電路電子接收器將脈沖信息以及股道信息傳遞給車載計(jì)算機(jī)，里程計(jì)開始工作，車載機(jī)計(jì)算機(jī)根據(jù)里程計(jì)采集到的速度數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)車相對上一個(gè)分界點(diǎn)開始的走行距離。從而判斷機(jī)車在股道上的具體位置。與此同時(shí)，車載GPS接收機(jī)會(huì)收到來自基準(zhǔn)站和多顆衛(wèi)星的信號，通過基準(zhǔn)站的偽距校正，向車載計(jì)算機(jī)輸出觀測到的位置，最后通過計(jì)算機(jī)綜合處理后，輸出位置數(shù)據(jù)。在里程計(jì)/GPS設(shè)備故障的情況下，以GPS/里程計(jì)的定位結(jié)果作為真實(shí)的位置坐標(biāo)。

車載計(jì)算機(jī)將機(jī)車ID，股道信息，機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)等一系列參數(shù)匯總后，以一定的格式通過專用網(wǎng)絡(luò)傳送到調(diào)度室，供調(diào)度人員對機(jī)車進(jìn)行監(jiān)控指揮。

4.1 數(shù)據(jù)處理方法

本系統(tǒng)可通過建立自適應(yīng)卡爾曼濾波自濾波器的聯(lián)合濾波結(jié)構(gòu)，采用模糊自適應(yīng)算法實(shí)時(shí)監(jiān)測各子濾波器量測噪聲統(tǒng)計(jì)特性變化情況，計(jì)算子濾波器置信度[4]?？柭鼮V波是一種最優(yōu)估計(jì)方法，基本原理是利用系統(tǒng)模型和觀測模型的統(tǒng)計(jì)特性，遞推得到最優(yōu)融合數(shù)據(jù)[5]。

4.2 系統(tǒng)的可行性

采用組合定位方法對調(diào)車機(jī)車進(jìn)行定位，彌補(bǔ)了單個(gè)定位方法的不足，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。編組站調(diào)車機(jī)車采用GPS/軌道電路/里程計(jì)的組合定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確定位具有很好的可行性，具體表現(xiàn)如下：

（1）GPS定位模塊和里程計(jì)比較成熟，采用一般的定位器材即可滿足需求;

（2）隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，定位傳感器的價(jià)格越來越便宜;

（3）組合定位系統(tǒng)在編組站應(yīng)用前景大;

（4）隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，各大衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位精度在不斷地提高，隨著我國北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的不斷成熟，GPS模塊可換做BD定位模塊，系統(tǒng)的可替換性較好。

5 結(jié)論與展望

在調(diào)車作業(yè)過程中對調(diào)機(jī)在線路中的位置精確定位，不僅方便了調(diào)度指揮中心對機(jī)車實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控，而且對于調(diào)車作業(yè)自動(dòng)防護(hù)，防止機(jī)車超速、冒進(jìn)信號等事故的發(fā)生有重大實(shí)踐意義，是編組站綜合自動(dòng)化研究的重要內(nèi)容。

本文通過對GPS工作原理的研究分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的定位原理不能夠滿足調(diào)車作業(yè)定位要求，考慮到調(diào)車作業(yè)的重要性，為了確保萬無一失，本文又研究了軌道電路/里程計(jì)的工作原理，提出了以軌道電路為參考系統(tǒng)，里程計(jì)為主要定位方式確定調(diào)車機(jī)車在股道中的具體位置的方法，該方法與GPS配套使用，遵循“故障-安全”原則，可行性高，此外，此系統(tǒng)還具有成本低，可靠性高，穩(wěn)定性好，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，對以后實(shí)現(xiàn)調(diào)車作業(yè)自動(dòng)化，提高編組站調(diào)車作業(yè)效率，提高路網(wǎng)通過能力具有重要意義。

本系統(tǒng)可以與編組站現(xiàn)有系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而更好地服務(wù)編組站作業(yè)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]林立新，楊宏偉.GPS定位的調(diào)車系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2004（04）.

[2]林瑜筠.軌道電路設(shè)備原理及維護(hù)[M].北京：中國鐵道出版社，2017.

[3]孫林祥，房堅(jiān).城市軌道交通的列車定位技術(shù)[J].電子工程師，2002（07）：28-30.

[4]周宇.基于傳感器置信度的列車組合定位信息融合算法[J].電子世界，2014（03）：128.

[5]高禮群.基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的列車組合定位技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2013.

作者簡介：湯振源（1991-），男，甘肅慶陽人，碩士研究生在讀，研究方向：交通運(yùn)輸信息技術(shù)。