應(yīng)用于磁浮交通的組合定位系統(tǒng)

【摘要】隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，磁浮交通作為一種新興的軌道交通技術(shù)，得到越來越多的關(guān)注。磁浮列車控制技術(shù)依賴于精確測速與連續(xù)定位信息，但是傳統(tǒng)列車測速定位方法已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前磁浮列車的需求。本文在對磁浮列車定位系統(tǒng)研究進(jìn)展進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)用于磁浮交通的GNSS/INS組合定位系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】組合定位系統(tǒng);磁浮交通;GNSS;INS。

1引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的迅速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)在經(jīng)濟(jì)社會中的地位越來越重要。全球化的深入發(fā)展要求效率更高、速度更快的運(yùn)輸工具。磁懸浮列車無輪軌阻力，提速快，列車為直線電機(jī)推動運(yùn)行，最高運(yùn)行速度不受到輪軌粘滯系數(shù)的限制，因此被看作超高速列車最有前景的一種實(shí)現(xiàn)方式。此外磁懸浮列車還具備爬坡能力強(qiáng)、安全環(huán)保、噪音小與易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，尤其是具有更好的過彎能力，有利于應(yīng)用在城際鐵路和市內(nèi)交通。其在超高速領(lǐng)域有著輪軌列車所無法比擬的優(yōu)勢，在中低速領(lǐng)域，目前也已具備一定的市場競爭力。安全是軌道交通運(yùn)輸?shù)闹刂兄?，也是所有生產(chǎn)活動的前提。在磁浮列車運(yùn)行中，定位關(guān)系列車調(diào)度控制更關(guān)乎安全運(yùn)行，具有非常重要的意義?，F(xiàn)有的列車測速定位方法隨著速度的提升及牽引方式的轉(zhuǎn)變，存在重大缺陷。為了適應(yīng)磁浮交通系統(tǒng)高效運(yùn)營及調(diào)度對定位信息的高精度、高實(shí)時性及高可靠性要求，迫切需要提出一種可以適應(yīng)磁浮列車需求的列車定位測速方法。

2磁浮列車定位系統(tǒng)研究進(jìn)展

現(xiàn)有的列車測速定位系統(tǒng)存在多種形式，包括輪對傳感器、查詢應(yīng)答器、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）、計數(shù)軌枕測速定位、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）等，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

磁浮列車懸浮行駛且采用直線電機(jī)，顯然沒有安裝輪對速度傳感器的條件，無法應(yīng)用。查詢應(yīng)答器可以提供絕對位置，這種方法需要在軌道安裝大量的地面設(shè)備，設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)比較困難，且該方法無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時高精度測速定位，不適應(yīng)磁懸浮列車。GNSS測速定位設(shè)備體積小、精度高、可維護(hù)性強(qiáng)，但是若衛(wèi)星信號丟失，性能會急劇惡化，甚至無法定位。基于慣性傳感器的INS可以不受外界干擾，不需要輸入信息而獨(dú)立進(jìn)行定位及測速工作，精度高實(shí)時性強(qiáng)，不過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)長時間工作會產(chǎn)生嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象，很難做到全天候高精度長時間工作。計數(shù)軌枕測速定位已經(jīng)在中低速磁浮列車系統(tǒng)中工程化使用，如長沙磁浮快線使用了該技術(shù)。此方法設(shè)備簡單、易于維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性和抗干擾性強(qiáng)，但對軌道軌距的精度有嚴(yán)格的要求，同時其低速和高速段精度較差。綜上所述，現(xiàn)有的各種列車測速定位方法存在缺陷，無法滿足磁浮交通的測速定位需求。

3磁浮交通組合定位系統(tǒng)

現(xiàn)有的列車測速定位系統(tǒng)存在多種形式，已在上面詳細(xì)論述，這些測速定位系統(tǒng)單獨(dú)工作均不能達(dá)到比較好的效果，甚至無法應(yīng)用于磁浮列車。磁浮列車對測速定位系統(tǒng)的精度和實(shí)時性要求很高，所以有必要采用新型組合定位技術(shù)。

INS單獨(dú)工作會有累計誤差，長時間工作精度難以保證;GNSS單獨(dú)工作會受到衛(wèi)星信號缺失影響，在隧道、密集建筑物場景下無法定位。GNSS衛(wèi)星信號極易受到干擾，但衛(wèi)星導(dǎo)航提供的位置誤差不隨時間累積，GNSS與INS之間具有很好的互補(bǔ)性，通過組合可以充分發(fā)揮兩種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

組合系統(tǒng)采用卡爾曼融合濾波算法。這樣提高了定位測速系統(tǒng)的精度與實(shí)時性，能保證高精度高刷新率，也能在衛(wèi)星信號丟失的情況下繼續(xù)工作，還可以避免積分誤差，實(shí)現(xiàn)測速實(shí)時性與定位連續(xù)性，因此GNSS/INS組合定位系統(tǒng)可以滿足磁浮交通的使用需求。圖1是GNSS/INS組合算法的典型步驟。

4結(jié)論

近年來我國社會和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，軌道交通行業(yè)也得到了迅速發(fā)展，磁懸浮列車的優(yōu)勢越來越得到凸顯，傳統(tǒng)的列車測速定位方法已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前磁浮交通發(fā)展的需求。本文在對測速定位系統(tǒng)的研究進(jìn)展進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出采用組合定位方法。組合定位系統(tǒng)利用卡爾曼濾波算法，融合了GNSS與INS的優(yōu)點(diǎn)，滿足磁浮交通系統(tǒng)的定位需求。本文的組合定位系統(tǒng)不僅適用于磁浮交通領(lǐng)域，同時在其他領(lǐng)域還有廣泛的應(yīng)用場景，如應(yīng)用于車輛自動駕駛、城市復(fù)雜路況導(dǎo)航、地下停車場定位等。

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作者簡介：王帥（1995），性別：男，民族：漢，籍貫：山西省運(yùn)城市，碩士研究生學(xué)歷，研究方向：交通設(shè)備與控制工程，任職于民航機(jī)場規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司西北分公司，單位：民航機(jī)場規(guī)劃研究總院有限公司西北分公司。