城市轨道交通列车定位误差检测与补偿及方法改进的研究.docx
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城市轨道交通列车定位误差检测与补偿及方法改进的研究
城市轨道交通列车定位中对轮轴空转、滑行误差分析及方法改进的研究
目录
摘要：
2
一、绪论：
3
1.1基于通信的列车控制（CBTC）系统的发展3
1.2列车定位系统分析6
1.2.1列车定位系统的地位6
1.2.2列车定位系统的现状分析7
1.3本文的研究工作9
2列车定位方法研究9
2.1基于速度传感器的列车定位10
2.1.1定位算法10
2.1.2定位误差分析10
2.1.3对轮对的校准12
2.1.4定位误差的测量13
2.1.5定位误差的补偿14
3列车定位算法设计15
3.1基于加速度计的列车定位误差的检测算法研究15
3.2基于加速度计的列车定位误差的补偿算法研究17
4总结与展望18
5参考文献19
摘要：
列车控制系统中，列车定位系统是保证铁路行车安全，提升通过能力，提高运输效率的重要技术装备之一。
近些年来随着铁路运行压力日增以及高速铁路的快速发展对其提出了更高的要求。
列车定位问题的研究是目前信号控制系统重要的研究方向。
列车测速定位的精度和可靠性直接影响列车的行车安全和运行效率。
在城市轨道交通的列车运行自动控制系统和指挥系统中，实时、准确地获得列车速度和位置信息是列车安全、高效运行的保障。
因此对列车测速定位方法进行深入研究，对于推动城市轨道交通的发展具有重大和深远的意义。
本文总结了目前列车定位的发展现状，以及基于多传感器信息融合的列车定位的发展。
同时还对当前最常用的基于速度传感器的列车定位方法进行了深入研究，包括定位算法，误差产生原因，以及定位误差的检测和补偿等都做了分析。
通过这些研究作者发现，基于速度传感器的列车定位方法不能很好的检测定位误差，尤其是空转和滑行的产生。
因此在本文中作者对速度传感器测速的原理进行阐述，并对其误差来源进行分析，同时对轮对校准和误差补偿；在第三章中提出了基于加速度传感器的测速原理，并在理论上加以验证。
论文得出结论，基于加速度传感器测速对速度传感器的补偿是行之有效的方法，由于在理论上对于该原理进行验证，有很大的理论依据；有可能成为有效提高列车测速定位的精度和可靠性的方法。
关键词:
列车定位;速度传感器;空转滑行;误差补偿;加速度传感器
一、绪论：
在当今的城市交通系统、区域综合交通系统和国家综合交通运输体系中，轨道交通系统都发挥着重要的骨干作用。
轨道交通系统包括干线铁路、城市地铁和轻轨系统等。
无论是高速轮轨与常规轮轨，无论是城市地铁轻轨铁路与干线铁路，轨道交通作为一种社会可持续发展的陆上交通工具，已经得到普遍的公认。
特别是随着二十世纪六十年代高速铁路的出现以及人类对即将要面临的能源危机的觉醒，使人们对轨道交通的认识不断深入。
由于轨道交通系统具有运量大，占地少，单位运量能耗小等诸多优点，所以目前世界各国均将轨道交通的建设作为其综合交通系统建设中的重点，特别是高速铁路的建设和城市轨道交通的建设。
随着城市经济、文化活动的发展，城市交通问题日益突出，带来一系列的问题，如交通阻塞、车速下降、事故频繁发生、汽车排放的尾气和噪声等对环境的污染等。
为了缓解城市交通压力和解决这一系列的问题，地铁、轻轨铁路等城市轨道交通己经成为城市交通的首选。
城市轨道交通以其运送量大、快速、正点、低能耗、少污染、乘坐舒适和安全著称。
安全和高效永远是轨道交通系统追求的目标，在保证安全的前提下，需要提升列车运行速度，进一步提高列车运输效率。
这就要求有一个更加安全稳定的列车运行控制系统。
列车运行控制系统是保证行车安全，提高运输效率的铁路设备，是铁路的关键技术装备之一。
随着列车速度和密度的不断提高对列车运行控制系统也提出了更高的要求。
列车运行控制系统目前已发展为先进的自动化控制系统。
作为轨道交通系统的核心，其性能的好坏直接影响着轨道交通系统安全高效的运行。
列车运行控制系统，是由地面设备和车载设备构成，用于控制列车运行速度、列车安全高效运行的控制系统，是铁道信号的重要组成部分。
本文所说的列车运行控制系统主要指区间列车运行控制系统。
列车定位技术是列车运行控制系统中的重要一环。
列车的速度和位置是描述列车运行状态的重要信息，为防止列车超速且与前行列车保持安全距离，必须可靠、精准的确定列车的速度和位置信息。
列车控制中心可以根据列车的速度和位置信息，确定列车间隔，合理控制列车运行安全和效率的平衡点。
而车载设备可以通过列车的速度和位置信息，控制列车更加安全、稳定、舒适的运行。
这些都需要更加精准的列车定位，也需要提高列车自主定位的能力。
1.1基于通信的列车控制（CBTC）系统的发展
列车运行控制系统是由闭塞设备、地面信号设备、车载速度控制设备构成的用于控制列车运行速度保证行车安全和提高运输能力的控制系统。
列车运行控制系统是伴随着轨道交通的出现而诞生的。
在过去的近200年历史中，列车运行控制系统经历了人工控制、机械控制、电气控制和电子控制的发展历程。
它大体上可以划分为三个发展阶段，第一阶段称为机械装置控制阶段，是以机械锁闭器和臂板信号机为代表的时代。
从上个世纪30年代开始，列车运行控制系统进入第二阶段，称为电气控制阶段，以继电器联锁系统和色灯信号机为代表。
第三阶段为电子控制阶段，从上个世纪六十年代开始，电子器件和计算机开始应用于列车运行控制系统之中，列车运行控制系统迎来了快速发展的阶段，智能化的车载控制系统。
列车运行控制系统还将不断地发展。
总体上看，列车运行控制系统最基本的问题有下列两方面.
（1）要保证任何一个运行中的列车是安全的。
高速运行的列车具有较大的动量，制动需要一定的时间和距离，所以列车既要与前行列车保持足够的安全距离，不撞前行列车，同时也要防护本列车，使后随列车也与本列车保持一个安全距离，为此，就必须决定本列车应该按什么速度行车，其中安全是行车的基本要求。
（2）在保证行车安全的前提下，还要使行车有更高的效率，这也是表征一个国
家经济是否发达的标志之一。
由此可见，作为轨道交通系统，安全和高效是其追求的两大目标。
轨道交通系统能否安全高效运行，首先取决于列车运行控制系统的性能。
在轨道交通系统中，列车运行控制系统是确保列车运行安全，提高列车运行效率的核心子系统，是轨道交通系统的大脑和中枢，也是一个国家体现自动化水平的标志之一。
在城市轨道交通系统中，列车运行速度虽然不是很高，但站间距离短，列车运行过程中追踪间距和时间间隔都比较小，一般间隔为能达到90s，甚至更短。
以如此短的追踪间距和时间间隔行车，既要保证行车安全，又要保证行车的效率和准确性，对列车运行控制系统有着更高的要求。
而快速发展的通信技术、计算机技术、传感器技术和控制技术为轨道交通列车控制技术发展提供了强而有力的支持。
列车运行自动控制系统（ATC）是将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与轨道交通信号技术溶为一体的行车指挥、控制、管理自动化系统。
它是现代保障轨道交通行车安全、提高运输效率的核心，也是标志一个国家轨道交通技术装备现代化水准的重要组成部分。
它包含:
列车自动驾驶系统（ATO）、列车自动防护系统（ATP）和列车自动监控系统（ATS）oATC系统能替代司机的部分甚至全部作用，大大地提高行车的效率和安全性，使得因人为的疏忽、设备的故障而产生的事故率降至最低。
列车运行自动控制系统（ATC）有如下的功能及特点:
.将先进的控制技术、通信技术、计算机技术与轨道交通信号技术溶为一体的安全控制系统;
.线路空闲检测;
.车内信号属于主体信号，直接给司机指示列车应遵循的安全运行速度;
.测速定位功能;
.自动监控列车运行速度，有效地防止由于司机失去警惕或错误操作可能酿成超速运行、列车颠覆、冒进信号或列车追尾等事故，它是一种行车安全控制设备;
.为满足行车安全控制需要，给司机指示安全可靠的速度指令，它通过安全可靠的大容量的地—车之间信息传输系统传输安全控制信息;
随着人们进入数字化、信息化时代，生活水平不断提高，人们对轨道交通运输的要求也越来越高，运输市场竞争日趋激烈。
如何实现安全、快速、高效、经济的列车运行控制，己成为近年来在铁路列车控制技术领域研究的热点，目前，被普遍认同的是发展基于通信的列车控制CBTC（CommunicationBasedTrainControl）系统。
总体来说，CBTC系统由以下特点:
1大容量连续双向车地通信;
2安全计算机为核心，地面设备及车载设备均采用安全计算机实时处理列车
状态、控制命令，实现连续的间隔控制、进路控制速度防护、自动驾驶等;
3高精度列车定位，独立于轨道电路实现高精度定位。
与传统的列车控制系统相比较，CBTC具有较多优点，如系统以控制中心设备为核心，车载和车站设备为执行机构，车、地列车控制设备一体化;可利用无线信道进行车—地之间数据的双向传输，列车可将其位置、速度等信息传给车站，同时车站也可将控制命令传给列车，为实现列车运行自动控制提供了更好的条件;不间断地跟踪、监控列车运行，实现对列车的闭环控制，提高系统的控制效率和安全性:
取消固定闭塞分区，实现移动自动闭塞MAS（MovingAuto-blockSystem）,进一步缩短列车运行间隔，可进行灵活的运输组织，方便行车调度，提高运输效率;集列车运行控制及列车运行管理于一体，优化运行方案，可实时调整运行图;减少沿线地面设备和维护工作量，节省维修费用，降低劳动强度。
另外，CBTC系统可以进一步优化列车驾驶的节能算法，提高节能效果。
CBTC系统能有效地提高列车运行速度，减少列车运行的追踪间隔，提高列车的运行效率。
为了满足轨道交通自身列车控制和运输管理的需要，为了提高轨道交通运输质量、保证行车安全、提高运营效率，为了能在日趋激烈的运输市场竞争中获取较大的份额，基于通信的列车控制（（CBTC）系统已成为当今列车控制发展的主流方向。
从上述发展简述可以看出，列车运行控制系统自从轨道交通诞生以来，就一直不断地采用新技术。
当前的列车运行控制系统，己经成为集现代移动通信技术、计算机技术、控制技术、传感技术的一个综合控制系统，成为轨道交通系统的大脑和中枢系统。
在列车运行自动控制系统中，特别是在CBTC系统中，列车定位是一项关键性的技术。
在高速度、高密度的运行条件下，列车运行控制系统就必须实时地、精确地获得列车的速度和位置信息，以保证列车的行车安全。
如何获得列车实时的、精确的速度和位置信息就显得至关重要，是提高轨道交通运输效率和安全性的重要条件。
1.2列车定位系统分析
1.2.1列车定位系统的地位
列车测速定位的基本功能是在任何时刻、任何地方都能精确、及时地确定列车的具体速度和位置，包括列车行车安全的相关间隔、速度及加速度。
其在列车运行控制系统中的作用主要体现在以下两个方面:
（1）地面控制中心根据列车的位置信息，进行间隔控制，保证追踪运行的列车的安全间隔。
基于轨道电路的列车运行控制系统中，地面控制中心是通过轨道电路获得的列车位置，是以轨道电路的分区为单位的。
基于通信的列车运行控制系统，可以通过无线通信，获得列车的准确位置。
（2）车载设备获得列车的位置和速度信息，可以根据速度—模式曲线进行控制，与仅根据速度进行的阶梯控制相比，可避免列车的多次制动。
过去几十年中，人们在研究新型列车运行控制系统方面取得了富有成效的进展，列车运行控制系统的功能不再仅仅局限于对列车的检测、表示等，而由“表示型”向“控制型”发展。
目前，基于通信技术的列车控制（（CBTC）系统已蓬勃兴起，并成为列车运行控制系统的主流。
CBTC通过地—车间的双向通信，可以实现对列车的闭环控制，具有较强的操作能力和灵活性，可以方便的在司机室进行信号显示、速度控制，可以精确控制速度、加速和制动过程，并能准确确定列车的位置。
加速和制动的精确控制可以提高列车运行品质和节能水平。
在这个技术背景下，列车运行控制系统对列车定位子系统提出了新的要求，要求列车定位子系统具有精确可靠的自主定位能力，减小对外界的依赖。
1.2.2列车定位系统的现状分析
目前随着轨道交通尤其是城市轨道交通以及高速铁路的发展[[3]，列车定位技术的研究已经逐渐深化。
下面首先从定位技术分析，总结各种定位技术的优点和不足。
1基于轮轴速度传感器的列车定位基于轮轴速度传感器的定位方法是目前最常用的列车定位方法之一。
就是利用速度传感器测量列车轮轴的转速来确定列车的运行速度。
当车轮转动时，速度传感器会产生一定比例的脉冲序列，通过对此脉冲序列的处理，就可以得到列车的速度。
同时以车轮的周长作为尺子，只要通过速度传感器测得车轮转过的圈数，再测出车轮直径，就可以得到列车的走行距离。
由于列车所在的轨道线路是一维的，即根据列车在线路上走行距离，就可以确定列车的具体位置。
所以，轮轴速度传感器可以用于列车的定位系统。
优点:
用轮轴速度传感器作为列车定位系统时，没有数据冗余，不会增加数据处理及通信的额外负担。
不足:
利用轮轴速度传感器定位的误差主要来自两方面。
一是由于车轮的空转、滑行、蠕动等造成一定的误差。
二是由于车轮磨损引起轮径的变化，继而影响里程计算的精度。
针对以上不足可以采用查询应答器等设备对列车进行绝对位置的校正，车载定位设备接收到查询应答器发送的标识信息后，将不断校正自身的位置。
也可以采用其他传感器进行检测和补偿，这些将在第二章具体介绍。
2）基于查询应答器的列车定位
基于查询应答器的列车定位是世界铁路上运用最为广泛的一种方式，一般由车载查询器、地面应答器和轨旁电子单元组成。
应答器被以一定间隔距离设置在铁路沿线上，列车每经过一个地面应答器，车载查询器就会读取存储于其上的数据信息，从而对列车的绝对位置进行校正，实现列车的点式定位。
利用查询应答器获取的信息是间断的，若在两个应答器之间，外部信息就无法实时传递给列车。
因此，应答器更多的是作为其他传感器定位的补充手段。
例如作为上述基于轮轴速度传感器的列车定位的一个有效补充。
应答器安装的间隔取决于系统能够容忍的定位误差极限，若想提高列车定位的精度，则需适当减小应答器之间的间距。
优点:
在地面应答器安装点的定位精度较高，在复线铁路上可以正确区分列车行驶所在股道，维修费用低、使用寿命长且能在恶劣条件下稳定工作。
不足:
只能给出点式定位信息，存在设置间距和投资规模的矛盾。
（3）基于多普勒雷达测速的列车定位
基于多普勒雷达测速的列车定位是利用了“多普勒效应”。
将测速雷达安装在列车底部。
由于机车和轨面之间的相对运动，根据“多普勒移频效应”，在发射波和反射波之间产生频差，通过测量频差可以计算出机车的运行速度，并通过时间上的积分求出运行距离。
优点:
基于自身设备定位，受外界干扰较小。
不足:
由于需要速度信息积分获得位置信息，存在较大累计误差。
这种基于测速的列车定位，由于存在累积误差，在实际的应用中都需增加应答器进行间断的位置校正。
（4）基于惯性导航传感器的列车定位
惯性导航系统（InertialNavigationSystem，简称INS），是一种自助式全天候导航系统，其工作时不需要任何外来信息，仅依靠系统本身就能全天候进行连续的三维空间定位和定向。
正由于其工作的自主性，信息的全面性，惯性导航系统在航空航天、航海以及陆地导航等许多领域得到广泛应用，成为一种主要的导航定位手段。
一般完整的用于列车定位的惯行导航系统主要包括加速度计，陀螺仪以及导航计算机。
其中，加速度计主要用来测量载体运行的加速度，陀螺仪模拟一个导航坐标系，将加速度的测量轴稳定在导航坐标系中，并用模拟的方法给出载体的姿态和方位信息。
导航计算机则用来完成导航计算和平台跟踪回路中指令角速度信号的计算。
优点:
基于自身设备定位，受外界干扰较小，且在航空航天中的广泛应用也证明了其良好的稳定性。
不足:
高精度的惯性导航设备的价格过高，在轨道交通系统中广泛应用易受成本限制，而且由于需要积分获得位置信息，同样存在较大累计误差。
（5）基于GNSS的列车定位[5,6]
全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，简称GNSS）包括美国的全球定位系统（GPS）、中国的北斗卫星导航系统、俄罗斯的GLONASS以及欧洲的伽利略系统等。
GNSS能够在全球范围内通过卫星提供精确实时的导航服务。
基于GNSS的列车定位系统可以在列车上安装GNSS接收机接收导航卫星发送的导航定位信号，以导航卫星作为动态已知点，实时解算出接收机即列车当前位置、速度等信息。
目前的卫星导航系统中，美国的GPS导航系统精度最高，但高精度的GPS更多用于美国军方，民用GPS在美国国防部加入了选择可用性技术（即SelectiveAvailability，简称SA）后，定位精度相对较弱。
优点:
使用GNSS技术进行列车定位，可以最大程度的减少轨旁设备，减少设备以及维护费用，最大限度降低列车控制系统成本。
另外GNSS技术可以提高列车定位的性能，不受列车运行中空转和滑行等因素的干扰，并且误差不随时间累积。
不足:
采用GNSS定位易受自然环境的干扰，在山区等地卫星信号易受遮挡;频带窄，当运载体作高机动运动时，接收机的码环和载波环极易失锁而丢失信号，从而完全丧失导航能力;另外，目前的民用GPS精度不足够高，且受他人控制，易受人为干扰和电子欺骗。
若定位精度和发送频率能够进一步提高，GNSS定位技术相比于其他技术优势比较明显。
相信随着国产北斗卫星导航系统的逐渐完善，再辅以其他传感器进行定位。
在保证定位精度的前提下，能够提高列车运行的性能，也将会对列车运行控制系统的发展起到重要作用。
1.3本文的研究工作
本文主要从列车定位系统现状的各种方法中分析方法的优缺点，并从轮轴空转、花型问题出发分析误差来源，研究了基于加速度计和轮轴速度传感器的空转和滑行的检测方法。
相对于单一的速度传感器，此方法能够提高空转滑行的检测性能，能够检测到单一速度传感器无法检测到的空转和滑行。
并针对空转和滑行的发生区段，设计了一种新的基于加速度计的列车定位误差的补偿算法。
2列车定位方法研究
本章研究了基于轮轴速度传感器（以下简称速度传感器）的列车定位方法。
设计了基于多传感器信息融合的列车定位方法的整体结构，在现有的多种传感器组合中，依据轨道交通的特点和自主定位的理念，合理选择传感器，最终确定了以速度传感器为主的列车定位方法。
最后对定位算法中用加速度传感器进行了补偿，利用加速度传感器原理在理论上进行验证。
2.1基于速度传感器的列车定位
2.1.1定位算法
基于速度传感器的列车定位方法是目前最常用的列车测速定位方法。
真实列
车中速度传感器测速定位的原理如图2-1所示:
图2-1速度传感器测速定位原理
Figure2-1Speedandpositionprinciplebasedonspeedsensor
列车速度传感器能够计算出列车的走行距离，根据列车在一维线路上的走行距离，就可以确定列车的具体位置。
在k时刻，由速度传感器测量的列车走行距离
S（k）为
（2.1）
式中，n（k）为k时刻速度传感器发出的脉冲数;
N为轮对每转一圈速度传感器输出的脉冲数;
D为轮对的直径。
根据列车走行距离也可以测算出列车运行速度，
（2.2）
式中，n为单位时间内测速传感器输出的脉冲数。
2.1.2定位误差分析
虽然基于速度传感器的测速定位方法十分简单，且易于实现。
但由于其产生的误差随着时间增大而逐渐累积，最终导致测量误差的增大，所以不能单独使用。
下面我们首先对其的误差来源做具体分析。
采用速度传感器进行列车定位的误差主要来自于两方面:
计数误差和轮径磨耗。
其中，计数误差主要由车轮空转、滑行、蠕滑等造成;轮径磨耗则是由于车轮磨损引起轮径变化，从而影响走行距离的计算。
在实际的列车运行过程中，车轮的滑行和空转对列车的影响是是很大的。
据统计，列车滑行一次造成的误差会达到十几米，如此累积造成的误差将十分严重。
因此，如何解决这一问题是列车定位的关键。
解决这一问题有两种方案:
一是改善车轮和轨道的接触条件，尽量避免此类现象的发生;二是通过检测空转滑行的发生并对其误差进行校正来解决。
而事实上，在轨道交通系统中，车轮和轨道间的滑行和空转是无法避免的，因此需要通过检测和补偿误差来解决。
下面分析一下滑行和空转发生的原因以及轮径磨耗问题。
1、空转和滑行
空转大多发生在列车启动过程中。
正常情况下，车轮在钢轨上转动，其切线速和切线加速度与列车速度和加速度相等。
车轮每转过一圈，列车在轨道上走过的距离等于车轮的周长。
但是，在启动过程中，列车动力很大，如果轮轨之间的摩擦力过小，则空转就会产生。
此时车轮转过一圈，列车在轨道上走过的距离要小于车轮的周长。
即列车的运行速度要小于车轮的切线速度。
此时列车真实的运行速度为v（k），传感器测得的车轮的速度为Vn（k），则不考虑其他因素，v（k）相较于空转，滑行更多发生在列车制动时。
在列车制动时，若制动设备将轮对卡的过紧，轮轨之间的摩擦力有不足的情况下，滑行就会发生。
其机理与启动时的空转一致。
此时车轮转过一圈，列车在轨道上走过的距离要大于车轮的周长。
即列车的运行速度要大于车轮的切线速度。
在不考虑其他因素的情况下，v（k）>vn（k）。
2、轮径磨耗
在列车运行过程中，由于车轮与轨道之间的不断摩擦损耗，实际中不可能得到车轮的真实直径。
车轮在不断的磨损情况下，直径将不断减小。
由2.1.1中列车走行距离的计算公式2.1和速度的计算公式2.2可知，若名义轮径小于实际轮径，则随着列车的不断运行，测得的列车运行距离要小于实际的运行距离，走行距离误差会逐渐增大，形成累积效应，对列车的测速定位精度会产生较大影响。
由以上分析可知，速度传感器测得的列车速度应包含以下五部分内容，即k时刻测得列车速度为vn}k）。
则
（2.3）
式中，v（k）为列车的真实运行速度;
vd（k）为车轮轮径误差对速度测量造成的影响;
vslide（k）为因滑行造成的车轮运行的速度误差;
vslip（k）为因空转造成的车轮运行的速度误差;
vo（k）测速时的干扰，可考虑为白噪声。
为了减少由滑行和空转带来的误差，我们还应该了解列车运行中滑行和空转的特点。
需要注意的是，在一个较小的时间段，对于同一轮对，滑行和空转不可能同时发生。
因此，我们可以将列车的运行分为三种情况。
即任取一段较小的时间[t1,t2],只会产生以下情况中的一种:
vslide（k）=0,vslip（k）≠0（即发生空转），或vslide（k）≠0,vslip（k）=0（即发生滑行），或vslide（k）=0,vslipe（k）=0（即空转滑行均未发生）。
因此我们可以将空转滑行带来的速度误差表示为vp（k），则测得列车速度公式
可变为
vn（k）=v（k）+vd（k）+vp（k）+vo（k）（2.4）
式中，vp（k）为因空转或滑行造成的车轮运行的速度误差，滑行为负，空转为正。
同样，采用速度传感器进行列车定位的误差同样来自于四个方面，k时刻的列
车运行位置为Sn（k）。
Sn（k）=S（k）+Sd（k）+Sp（k）+So（k）（2.5）
式中，S（k）为列车在k时刻的真实运行位置;
Sd（k）为车轮轮径误差对定位造成的影响;
Sp（k）为因空转或滑行造成的车轮运行位置的误差，滑行时负，空转为正;
So（k）为定位时的干扰，可考虑为白噪声。
由式2.4,2.5可知，针对上述存在的误差，需通过两方面进行校正。
一是修正车轮轮径误差，减小其对测速定位产生的影响。
二是对空转和滑行的发生进行检测，并对其进行补偿校正，尽量减小其产生的误差。
而对于测速
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