基于CPⅢ的动态精确定位技术的应用与探讨

杨 超，钟进军，王登阳，顾洪培，谭 鑫

(1.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京 100081;2.上海铁路局工务处，上海 200071)

基于CPⅢ的动态精确定位技术的应用与探讨

杨 超1，钟进军2，王登阳1，顾洪培2，谭 鑫1

(1.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京 100081;2.上海铁路局工务处，上海 200071)

动态精确定位是综合检测列车的关键技术之一，其难点在于校准点对应的精确里程数据库的建立。本文利用目前高速铁路沿线布设的CPⅢ数据资源，采用简单的圆心测量与等分测量方法和数据处理软件，将校准点的里程与CPⅢ测量里程一一对应，建立精确数据库，从而实现了动态精确定位;并在京沪高速铁路K718—K740进行了最高速度为400 km/h的验证试验，动态定位精度可达1 m以内。

综合检测列车 CPⅢ 动态精确定位技术 电子射频标签 校准点

综合检测列车是一列装有专用检测设备，对线路轨道、牵引供电、轮轨动力学、通信、信号及周边环境中影响列车运行安全的技术指标和相关信息进行实时检测，并具有时空同步定位、数据传输和综合评价分析功能的动车组。其定位精度关系到检测数据的应用和分析;因此，综合检测列车的动态精确定位技术是需要解决的关键技术之一。目前综合检测列车的定位技术多采用在光电编码器输出的距离脉冲作为里程信息基础上，再配合GPS、电子射频标签或应答器等修正方法，但这些技术均是采用一种通用的里程与地面标志物的位置相对应，故本文探讨将GPS、电子射频标签或应答器地面的位置换算为CPⅢ控制点对应的里程，并将其作为动态精确定位技术的精确里程校准点。

1 动态精确定位技术介绍

目前综合检测列车采用光电编码器输出的距离脉冲作为里程累加基础信息，但这个里程是个线性增加的数值，无法与地面真实的里程相对应，因此需要地面上每隔几公里布设GPS点位、电子标签或点式应答器，作为特征点或修正点提供修正信息，达到车载定位里程实时输出与地面里程相对应。

1.1 GPS定位技术

GPS定位技术是指利用线路上公里牌的经纬度提前建立里程经纬度数据库，车上安装的GPS接收机实时输出经纬度，并与数据库中的里程经纬度数据库相匹配，经过延迟处理及算法处理得到当前的里程数。该技术要求GPS定位精度高，并需要车载GPS接收机实时性好，传输速率高，才可达到一定的定位精度，这种方式类似汽车GPS导航系统。

1.2 电子射频标签技术

电子射频标签技术就是在地面的公里牌上或接触网支柱上安装电子射频标签，并提前建立好数据库;在车上安装标签阅读器，通过实时读取电子标签卡号，并和数据库中的里程数进行匹配得到实时里程。该技术与ETC(不停车收费系统)相似，只不过ETC技术是射频卡移动，阅读器固定。该技术的动态精度较高，本文试验中，在速度400 km/h时定位精度可达到1 m以内。

1.3 点式应答器定位技术

点式应答器定位技术是利用高速铁路上使用的点式应答器的点位信息，在车上需要安装BTM天线和处理系统，实时读取点式应答器数据或进行数据库查找，进行里程的计算。该方式定位精度较高，但是在铁路联调联试阶段(ATP未开放)时无法使用。

1.4 其它定位技术

如利用特征点像道岔或曲线要素等方式判断里程信息，则要求具有可判断道岔的金属探测器或可进行曲线测量的惯性导航系统。金属探测无法判断具体的道岔位置，需要人工干预给予初始值，而曲线测量则要求对曲线要素的测量精度较高，尤其是大半径曲线时，测量精度要求更高，才可进行曲线半径计算并需要判断曲线的头尾。

2 方案设计

无论综合检测列车或专业检查车采用何种定位技术，其核心问题都是需要将GPS点位、电子标签或点式应答器校准点，与地面里程相对应并快速建立准确的数据库，因此需要探索利用现有的资源来快速而准确地建立数据库。本文利用高速铁路沿线布设的轨道控制网(CPⅢ)进行动态精确定位技术研究。

轨道控制网(CPⅢ)是沿铁路线布设的平面控制网，由施工单位在施工过程中建网测量，工程竣工后移交给运营单位用于运营期间轨道维护测量，具有相对精度高、点位分布密集、使用周期长等特点。CPⅢ控制点实质是埋设相应测量标志的预埋件，一般按照大约60 m距离布设(左右轨道均需布设)，且不应＞80 m，点位设置高度应不低于轨道面0.3 m，左右一对点大致等高。一般路基地段上的CPⅢ点布置在接触网支柱上或专门混凝土立柱上，而桥梁上的CPⅢ点一般布设在桥梁固定支座端防护墙上(距梁端0.5 m);隧道内则布设在电缆槽顶面以上的边墙内衬上。

高速铁路在设计阶段对线路设定了设计里程，但是施工过程中由于种种原因，可能会造成实际里程与设计里程不符，同时为了方便动车组司机辨别所在的大致位置，在接触网支柱上会悬挂里程标识，而这个整公里里程标识往往与实际的里程也不相符合，这就造成了线路上多个里程使用比较混乱。为了避免这些问题，本文需要利用CPⅢ对应的里程对这些校准点进行统一。在安装或确定这些校准点时，应找最近的一处CPⅢ点，将校准点和CPⅢ点均投影到钢轨外侧，利用卷尺测量这个距离L(见图1)，使用CPⅢ专用的软件精确地输出该里程，并建立数据库。

投影点的测量可采用圆心测量与等分法(图2)，即以CPⅢ点或校准点为圆心，使用钢尺在钢轨外侧上找到圆心与钢轨边缘的两个交叉点，然后使用钢尺再找到两点在钢轨上的中心点，此点即为CPⅢ或校准点在钢轨上的投影点。

图1 测量CPⅢ点到校准点的投影距离

图2 圆心测量与等分法确定投影点

最后使用30 m以上的钢卷尺测量这两个投影点之间的距离，即为标签点和CPⅢ点的距离L。

3 现场试验

2011年11月16日在京沪高速铁路上海局管内K726处进行了现场试验。在K726处接触网杆上安装1块标签，但是该处的里程不是实际的726 km;因此，本文需要根据CPⅢ点来测算该标签点的精确里程，按照设计方案，确定了接触网杆和最近一处CPⅢ点投影到钢轨外侧的垂直点，确认投影点并记录下这些数据，图3为现场测量照片。

图3 CPⅢ地面校准

由于线路断链及平面投影等因素，线路里程与实际轨道长度有一定偏差，因此需要基于CPⅢ点对GPS点位、电子标签或点式应答器这些修正点进行线路实际测量，不仅要求具有定位标识作用的准确线路里程，更要求测得精确的相互间轨道的长度。根据CPⅢ点大地坐标，本文通过专用软件求得其在上下行线路中心线的准确贯通投影里程，里程输出的结果见图4。

4 应用与展望

图4 原射频卡里程与CPⅢ处理完的里程

应用CPⅢ对应的里程数据，以简单的圆心测量与等分测量方法和数据处理软件，对校准点进行里程修正时将精确里程与检测数据相关联，既实现了检测数据的精确里程定位，也符合现场维修人员查找超限处所的维修习惯。特别是在电子射频标签技术大规模应用于高速铁路与既有铁路线时，可结合该技术精确建立里程数据库。

［1］王卫东，许贵阳.0号高速综合检测列车项目研究报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2008.

［2］夏博光，王卫东，王登阳.无线射频(RFID)技术在高速检测列车精确定位中的应用［J］.铁道建筑，2011(12)：102-106.

［3］梁勇.GPS卫星定位系统在轨道检查车里程校正系统中的应用［J］.铁道建筑，2008(11)：96-97.

［4］范恒秀.高速铁路施工测量［M］.西安：西安交通大学出版社，2011.

［5］安国栋.高速铁路无砟轨道技术标准与质量控制［M］.北京：中国铁道出版社，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

(责任审编 孟庆伶)

U216.3

A

1003-1995(2012)06-0123-03

2012-01-20;

2012-02-15

国家高技术研究发展计划(863计划)(2009AA110301)作者简介：杨超(1979— )，男，湖北武汉人，助理研究员，硕士。