列控車載設(shè)備測速測距雷達標定方法的優(yōu)化研究

劉佳欣

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100073）

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列控車載設(shè)備測速測距雷達標定方法的優(yōu)化研究

劉佳欣

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100073）

摘要：重點對車載設(shè)備雷達較為復雜繁瑣動態(tài)標定方法進行優(yōu)化深入研究，從理論分析到現(xiàn)場試驗測試，研究并形成車載測速多普勒雷達靜態(tài)標定的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：測速測距系統(tǒng)；雷達標定；CTCS3-300T車載

Abstract:This paper mainly introduces the complicated dynamic calibration method of ODO system of ATP and studies the improved veri fi cation method of Doppler radar through the theory analysis and fi eld test.

Keywords:radar; calibration; CTCS3-300T; ATP

1　背景

CTCS3-300T列控車載設(shè)備測速測距系統(tǒng)包括兩個速度傳感器和兩個多普勒雷達，車載系統(tǒng)通過測速測距系統(tǒng)進行列車運行的安全防護以及列車定位。速度傳感器由其工作原理特性決定，伴隨所在輪軸的空轉(zhuǎn)或打滑情況的發(fā)生，測速容易出現(xiàn)偏差。因此需要雷達進行速度校準。動車組車載設(shè)備雷達安裝完成后，均需進行標定才能投入運用。傳統(tǒng)方法是動態(tài)測速調(diào)整雷達脈沖輸出，該方案在現(xiàn)場實現(xiàn)存在諸多弊端。本文重點討論另一種靜態(tài)標定雷達的方式，優(yōu)化實施過程，提高現(xiàn)場工作效率。

2　雷達原理介紹

雷達內(nèi)部主要包括以下模塊：電源模塊、信號處理模塊、天線模塊、脈沖輸出模塊、IO輸出模塊。原理如圖1所示。

雷達電源模塊為其他各模塊提供5 V、3.3 V等工作電壓，信號處理模塊為雷達的核心處理模塊，其將采集到的微波信號轉(zhuǎn)化成兩種速度信號，一種通過脈沖輸出模塊輸出矩形脈沖速度信號，另一種通過IO輸出模塊的RS-458協(xié)議輸出速度信息，雷達內(nèi)部有兩個不同角度的天線，天線通過多普勒效應測速。

多普勒效應即是當微波收發(fā)器發(fā)生相對位移后，接收到的回波頻率與發(fā)射頻率之間會產(chǎn)生頻率差，該頻率差即多普勒頻移，頻移的大小取決于微波收發(fā)器相對位移的速度。CTCS3-300T列控車載設(shè)備雷達安裝在動車組車體底部，平行于底板，左右兩側(cè)各安裝一個，且雷達照射方向相反，以其中一個雷達天線為例，天線發(fā)射角度與鐵軌成α°角，則如圖2所示。

圖2中，h為雷達安裝高度，s為運行距離，v為車輛行進方向，則可以得到時間t內(nèi)的相位角速度為：

則可知：

根據(jù)ω＝2?π?f得到：

由此可知，雷達測速主要取決于雷達本身的安裝高度以及雷達的安裝俯仰角度。

3　傳統(tǒng)雷達標定方法

測速測距為ATP系統(tǒng)中重要的安全功能，而雷達的測速原理很好的彌補傳統(tǒng)霍爾或光電元件在軸端脈沖計數(shù)測速中的不足，不受車輪空轉(zhuǎn)、打滑的影響，因此對雷達功能的前期調(diào)試至關(guān)重要，傳統(tǒng)方式是在低速下，以速度傳感器速度為參考進行雷達參數(shù)的校準，因此在標定雷達前，需確保雷達前后俯仰角度值和向外傾斜角度值在規(guī)定的范圍內(nèi)并更新最新的輪徑信息，原理如下：

其中，輪徑值為速度傳感器所在軸的車輪直徑，脈沖/圈為速度傳感器所在軸的齒盤齒數(shù)，N為每公里雷達產(chǎn)生的脈沖數(shù)，為固定數(shù)值。由此可知，速度傳感器的測速精度決定了雷達測速精度。

4　改進型多普勒雷達標定方法

傳統(tǒng)測試方法中存在弊端：1）現(xiàn)場實施要求條件嚴格。為保證速度傳感器不發(fā)生空轉(zhuǎn)打滑請況，必須保證整個測試過程中，線路為坡度小于5‰的平直軌道，且司機需確保車輛平穩(wěn)行駛一段時間。2）測試成本巨大。由于雷達標定需要動態(tài)進行，每一次的標定需要花費很大的人力物力，優(yōu)化后的雷達標定方法在靜態(tài)下即可以完成。

影響多普勒雷達測速的因素包括雷達高度、雷達俯仰角度以及雷達水平傾斜角度。雷達的安裝高度和水平傾斜角度在不同車型做出了不同規(guī)定，在動車組出廠前會進行相對應的檢查，且雷達水平傾斜角度在1°的范圍內(nèi)測速偏差為0.02%，可以忽略不計，因此，改進型多普勒雷達標定系數(shù)（真實速度與雷達速度的比值）僅與雷達俯仰角度有關(guān)。

4.1理論計算

現(xiàn)定義車輛速度與雷達測速的比值作為靜態(tài)標定系數(shù)C，即：

其中，β為雷達實際安裝角度與雷達理論角度間差值，雷達理論角度為45°，代入化簡上式得：

根據(jù)公式（3）代（5）可知：

則可以得到標定后系統(tǒng)雷達脈沖值：

4.2改進型多普勒雷達標定方案

標定前提條件：

1）根據(jù)測量速度傳感器所對應車輪輪徑值并且修改系統(tǒng)中的相應參數(shù)；

2）軌道以及車輛應保持平行，車輛轉(zhuǎn)向架之間不得有碰撞或傾角變化；

3）用于測量的多普勒雷達表面必須保持清潔；

4）多普勒雷達下方的軌道表面必須保持清潔。

標定具體步驟：

1）數(shù)字角度測量儀設(shè)置為絕對零度，這是后續(xù)測量的準確性保障前提，該步驟根據(jù)不同產(chǎn)品操作不同；

2）將數(shù)字角度測量儀緊貼雷達下表面測量多普勒雷達傾斜角，如多普勒雷達前部低于后部，則該傾斜角為正，反之為負；

3）重復上述步驟至少3次；

4）如果3次測量結(jié)果最大偏差大于0.04°，則該3次結(jié)果無效；繼續(xù)測量直到3次，測量結(jié)果之間最大偏差小于或等于0.04°；

5）計算3次測量的平均值，結(jié)果記為βradar；

6）將數(shù)字角度測量儀緊貼鐵軌表面測量軌道傾斜角，如軌道前部低于后部，則該傾斜角為正，反之為負；

7）重復步驟3）、4），計算3次測量的平均值，結(jié)果記為βrail；

8）如果｜βradar－βrail｜大于1°，應調(diào)整多普勒雷達的安裝，然后重新進行上述測量；

9）如果｜βradar－βrail｜不大于1°，則根據(jù)公式（8）正確的雷達脈沖應為：

按照上述測量情況，更新ATP系統(tǒng)內(nèi)兩雷達相應參數(shù)。

4.3改進型雷達標定法的現(xiàn)場驗證

現(xiàn)場通過改進型多普勒雷達標定方法進行雷達標定，并與傳統(tǒng)標定方法進行比對，其中：

具體數(shù)據(jù)如表1、2、3所示。

地點：廣州，長春，北京

表1　廣州數(shù)據(jù)表

表2　長春數(shù)據(jù)表

表3　北京數(shù)據(jù)表

通過上述數(shù)據(jù)可以看出兩種標定方法的偏差率均小于2%，絕大多數(shù)集中在1%左右，且上述車輛在動態(tài)測試中，ATP測速與車輛HMI顯示速度、GPS顯示速度均進行分段多次比對，測速偏差也均小于2%，因此能夠初步證明，改進型標定方法得出的雷達脈沖數(shù)值的可用性較高，綜合考慮下更適合現(xiàn)有條件下的雷達標定工作。

5　結(jié)語

改進后的多普勒雷達標定方法較傳統(tǒng)標定方法相比，有著操作便捷，計算簡單的優(yōu)勢，且通過現(xiàn)場測試驗證該方法計算的數(shù)據(jù)可用性高，如現(xiàn)場大范圍推廣運用，將節(jié)約大量人力、時間以及運營成本，提高CTCS3-300T車載系統(tǒng)的可維護性。

參考文獻

[1]鐵運[2012]211號.CTCS-3級列控車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范（暫行）[S].

收稿日期：（2015-11-13）

DOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2016.01.003