基于CPⅢ的動態精確定位技術的應用與探討

楊 超，鐘進軍，王登陽，顧洪培，譚 鑫

(1.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京 100081;2.上海鐵路局工務處，上海 200071)

基于CPⅢ的動態精確定位技術的應用與探討

楊 超1，鐘進軍2，王登陽1，顧洪培2，譚 鑫1

(1.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京 100081;2.上海鐵路局工務處，上海 200071)

動態精確定位是綜合檢測列車的關鍵技術之一，其難點在于校準點對應的精確里程數據庫的建立。本文利用目前高速鐵路沿線布設的CPⅢ數據資源，采用簡單的圓心測量與等分測量方法和數據處理軟件，將校準點的里程與CPⅢ測量里程一一對應，建立精確數據庫，從而實現了動態精確定位;并在京滬高速鐵路K718—K740進行了最高速度為400 km/h的驗證試驗，動態定位精度可達1 m以內。

綜合檢測列車 CPⅢ 動態精確定位技術 電子射頻標簽 校準點

綜合檢測列車是一列裝有專用檢測設備，對線路軌道、牽引供電、輪軌動力學、通信、信號及周邊環境中影響列車運行安全的技術指標和相關信息進行實時檢測，并具有時空同步定位、數據傳輸和綜合評價分析功能的動車組。其定位精度關系到檢測數據的應用和分析;因此，綜合檢測列車的動態精確定位技術是需要解決的關鍵技術之一。目前綜合檢測列車的定位技術多采用在光電編碼器輸出的距離脈沖作為里程信息基礎上，再配合GPS、電子射頻標簽或應答器等修正方法，但這些技術均是采用一種通用的里程與地面標志物的位置相對應，故本文探討將GPS、電子射頻標簽或應答器地面的位置換算為CPⅢ控制點對應的里程，并將其作為動態精確定位技術的精確里程校準點。

1 動態精確定位技術介紹

目前綜合檢測列車采用光電編碼器輸出的距離脈沖作為里程累加基礎信息，但這個里程是個線性增加的數值，無法與地面真實的里程相對應，因此需要地面上每隔幾公里布設GPS點位、電子標簽或點式應答器，作為特征點或修正點提供修正信息，達到車載定位里程實時輸出與地面里程相對應。

1.1 GPS定位技術

GPS定位技術是指利用線路上公里牌的經緯度提前建立里程經緯度數據庫，車上安裝的GPS接收機實時輸出經緯度，并與數據庫中的里程經緯度數據庫相匹配，經過延遲處理及算法處理得到當前的里程數。該技術要求GPS定位精度高，并需要車載GPS接收機實時性好，傳輸速率高，才可達到一定的定位精度，這種方式類似汽車GPS導航系統。

1.2 電子射頻標簽技術

電子射頻標簽技術就是在地面的公里牌上或接觸網支柱上安裝電子射頻標簽，并提前建立好數據庫;在車上安裝標簽閱讀器，通過實時讀取電子標簽卡號，并和數據庫中的里程數進行匹配得到實時里程。該技術與ETC(不停車收費系統)相似，只不過ETC技術是射頻卡移動，閱讀器固定。該技術的動態精度較高，本文試驗中，在速度400 km/h時定位精度可達到1 m以內。

1.3 點式應答器定位技術

點式應答器定位技術是利用高速鐵路上使用的點式應答器的點位信息，在車上需要安裝BTM天線和處理系統，實時讀取點式應答器數據或進行數據庫查找，進行里程的計算。該方式定位精度較高，但是在鐵路聯調聯試階段(ATP未開放)時無法使用。

1.4 其它定位技術

如利用特征點像道岔或曲線要素等方式判斷里程信息，則要求具有可判斷道岔的金屬探測器或可進行曲線測量的慣性導航系統。金屬探測無法判斷具體的道岔位置，需要人工干預給予初始值，而曲線測量則要求對曲線要素的測量精度較高，尤其是大半徑曲線時，測量精度要求更高，才可進行曲線半徑計算并需要判斷曲線的頭尾。

2 方案設計

無論綜合檢測列車或專業檢查車采用何種定位技術，其核心問題都是需要將GPS點位、電子標簽或點式應答器校準點，與地面里程相對應并快速建立準確的數據庫，因此需要探索利用現有的資源來快速而準確地建立數據庫。本文利用高速鐵路沿線布設的軌道控制網(CPⅢ)進行動態精確定位技術研究。

軌道控制網(CPⅢ)是沿鐵路線布設的平面控制網，由施工單位在施工過程中建網測量，工程竣工后移交給運營單位用于運營期間軌道維護測量，具有相對精度高、點位分布密集、使用周期長等特點。CPⅢ控制點實質是埋設相應測量標志的預埋件，一般按照大約60 m距離布設(左右軌道均需布設)，且不應＞80 m，點位設置高度應不低于軌道面0.3 m，左右一對點大致等高。一般路基地段上的CPⅢ點布置在接觸網支柱上或專門混凝土立柱上，而橋梁上的CPⅢ點一般布設在橋梁固定支座端防護墻上(距梁端0.5 m);隧道內則布設在電纜槽頂面以上的邊墻內襯上。

高速鐵路在設計階段對線路設定了設計里程，但是施工過程中由于種種原因，可能會造成實際里程與設計里程不符，同時為了方便動車組司機辨別所在的大致位置，在接觸網支柱上會懸掛里程標識，而這個整公里里程標識往往與實際的里程也不相符合，這就造成了線路上多個里程使用比較混亂。為了避免這些問題，本文需要利用CPⅢ對應的里程對這些校準點進行統一。在安裝或確定這些校準點時，應找最近的一處CPⅢ點，將校準點和CPⅢ點均投影到鋼軌外側，利用卷尺測量這個距離L(見圖1)，使用CPⅢ專用的軟件精確地輸出該里程，并建立數據庫。

投影點的測量可采用圓心測量與等分法(圖2)，即以CPⅢ點或校準點為圓心，使用鋼尺在鋼軌外側上找到圓心與鋼軌邊緣的兩個交叉點，然后使用鋼尺再找到兩點在鋼軌上的中心點，此點即為CPⅢ或校準點在鋼軌上的投影點。

圖1 測量CPⅢ點到校準點的投影距離

圖2 圓心測量與等分法確定投影點

最后使用30 m以上的鋼卷尺測量這兩個投影點之間的距離，即為標簽點和CPⅢ點的距離L。

3 現場試驗

2011年11月16日在京滬高速鐵路上海局管內K726處進行了現場試驗。在K726處接觸網桿上安裝1塊標簽，但是該處的里程不是實際的726 km;因此，本文需要根據CPⅢ點來測算該標簽點的精確里程，按照設計方案，確定了接觸網桿和最近一處CPⅢ點投影到鋼軌外側的垂直點，確認投影點并記錄下這些數據，圖3為現場測量照片。

圖3 CPⅢ地面校準

由于線路斷鏈及平面投影等因素，線路里程與實際軌道長度有一定偏差，因此需要基于CPⅢ點對GPS點位、電子標簽或點式應答器這些修正點進行線路實際測量，不僅要求具有定位標識作用的準確線路里程，更要求測得精確的相互間軌道的長度。根據CPⅢ點大地坐標，本文通過專用軟件求得其在上下行線路中心線的準確貫通投影里程，里程輸出的結果見圖4。

4 應用與展望

圖4 原射頻卡里程與CPⅢ處理完的里程

應用CPⅢ對應的里程數據，以簡單的圓心測量與等分測量方法和數據處理軟件，對校準點進行里程修正時將精確里程與檢測數據相關聯，既實現了檢測數據的精確里程定位，也符合現場維修人員查找超限處所的維修習慣。特別是在電子射頻標簽技術大規模應用于高速鐵路與既有鐵路線時，可結合該技術精確建立里程數據庫。

［1］王衛東，許貴陽.0號高速綜合檢測列車項目研究報告［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2008.

［2］夏博光，王衛東，王登陽.無線射頻(RFID)技術在高速檢測列車精確定位中的應用［J］.鐵道建筑，2011(12)：102-106.

［3］梁勇.GPS衛星定位系統在軌道檢查車里程校正系統中的應用［J］.鐵道建筑，2008(11)：96-97.

［4］范恒秀.高速鐵路施工測量［M］.西安：西安交通大學出版社，2011.

［5］安國棟.高速鐵路無砟軌道技術標準與質量控制［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

Application and Discussion on Dynamic Positioning Technology Based on CPⅢNetwork

YANG Chao1，ZHONG Jinjun2，WANG Dengyang1，GU Hongpei2，TAN Xin1
(1.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;2.Shanghai Railway Bureau，Shanghai 200071，China)

Dynamic pinpoint technology is one of key technology in comprehensive inspection train，the difficulty of which is establishing accurate mileage database corresponding to calibration point.Based on CPⅢ data resource along the current high-speed railway，this paper gave the accurate mileage database in which one-to-one correspondence between calibration point mileage and CPⅢmileage was realized by adopting circle measurement method，part measurement method and data processing software.Dynamic pinpoint was realized in the paper and the technology was tested by Beijing-shanghai high-speed railway KM718-KM740 with maximum speed of 400 km/h，in which the dynamic pinpoint precision can reach to 1 m.

Comprehensive inspection train;Base-piles control pointsⅢ;Dynamic pinpoint technology;Electronic radiofrequency tag;Calibration point

(責任審編 孟慶伶)

U216.3

A

1003-1995(2012)06-0123-03

2012-01-20;

2012-02-15

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2009AA110301)作者簡介：楊超(1979— )，男，湖北武漢人，助理研究員，碩士。