适用于磁浮列车的测速定位方法研究综述

张世聪

(中国铁道科学研究院研究生部,北京 100081)

列车的测速和定位系统在列车行车调度安全、列车行驶控制和列车定位中起到重要的作用。传统的轮轨式列车主要依靠安装在轴端的光电编码器或测速电机，将列车车轮的转动转化为列车的速度后进行检测、读出，并结合轨道电路、应答器或无线通信等方法来得到列车的位置。磁浮列车不依赖传统的轮轨接触，而是依靠电磁力来实现列车的悬浮、导向还有驱动，因此无法使用轮轨列车基于轮轨间接触的测速和定位方法。在磁浮列车领域处于领先地位的日本和德国，分别根据各自的需求和技术特点，采用了不同的技术方案实现磁浮列车的定位与测速[1-3]。目前还没有一种可以满足不同线路和工程所有要求的测速定位方法，不同的方法具有各自的优点，我国从20世纪80年代开始磁浮列车相关技术的研究，随着各试验线和上海、长沙与北京的商用磁浮线路的建成和应用，对于磁浮列车关键技术的掌握不断进步。由于磁浮列车的商用建设起步较晚，目前该领域的文献资料多为对产品工程实现和专利的描述，综述类文献较少，且缺乏对各类方法的评述比较和对研究趋势的跟进。为满足磁浮列车整车型式试验的测速要求，对目前国内外各种主要的磁浮列车测速和定位方法及其最新发展趋势进行综述，并对各种测速技术进行研究和对比。

1 磁浮列车测速定位方法

通常按照位置信息的参照来分，列车的定位方法可分为绝对定位方法和相对定位方法[1,4-5]。绝对定位方法主要依靠检测轨道旁已知位置的装置来获取列车绝对位置的一类方法，主要包括：基于查询-应答器的绝对定位技术和基于脉宽编码绝对定位技术[1,4,6]。由于磁浮列车为轨道车辆，所以当已知列车初始位置和列车的位移，即可知列车此时的相对位置，此类方法主要包括：基于感应回线的测速定位、基于计数轨枕的测速定位、基于多普勒雷达的测速定位，还有主要应用于高速磁浮列车中的基于长定子齿槽检测的测速定位。相对定位方法的定位误差会随着时间累积，所以通常每隔一定距离就要利用绝对定位方法对列车的位置进行修正，以将误差控制在一定的范围之内。基于全球卫星定位系统(GNSS)的测速定位方法也可以提供列车的绝对位置和速度，但由于地形或建筑等对信号的遮挡因素，其可靠性制约了其作为列车行车调度安全和列车行驶控制中唯一位置信息来源。除以上提到的方法外，利用惯性导航系统INS(Inertial Navigation System)测量三轴姿态和加速度，也可以通过积分得到速度和相对位移，但由于精度问题一般只用于为其他测速定位方法提供辅助。图1给出了各种测速定位方法的分类。

图1 磁浮列车测速定位技术分类

由于列车的速度满足关系

(1)

式中，v为列车速度；ΔS为列车的位移；Δt为经过的时间，所以列车的定位和测速经常由一套系统同时完成。绝对定位技术则由于成本原因，定位点相对离散化，所以测速通常由相对定位方法和全球卫星定位方法来完成。

1.1 基于感应回线的测速定位

文献[2,7-11]介绍了基于感应回线的测速定位方法，此方法在日本名古屋的长1.5 km的HSST(High Speed Surface Transport)磁浮列车试验线和18.4 km的山梨县(Yamanashi)磁浮试验线上均有应用[1,2,12]，其定位分辨力可达到10 cm[2]。

基于感应回线的测速定位方法是指在轨道上铺设感应回线，并在车底设置感应线圈，利用它们之间的电磁感应来进行列车的定位和测速。感应回线的铺设方法有交叉和非交叉两种，但都为沿轨道方向具有相等的重复结构特征长度的线圈结构，图2给出了系统结构和原理说明。当在回线中通以高频交变电流时，对于交叉感应回线，相邻回线线圈中的交变电流及其产生的交变磁场幅值和频率相等但方向相反；对于非交叉的感应回线，相邻回线线圈中的交变电流及其产生的交变磁场幅值和频率相等且方向相同。列车在轨道上以一定的速度行驶，当感应线圈处于回线线圈正上方时，互感最大，车底感应线圈感生的交变电信号幅值最大；而当感应线圈处于交叉处或回线靠近处时，感生电信号最小，经过滤波、整形、检波之后，则会随着列车的运动，形成一系列频率正比于列车速度的位置脉冲，由脉冲数和感应回线重复结构的特征长度又可以得知列车的相对位移。

文献[2,7-8,10-11]使用多组车底感应线圈并对信号处理手段进行改进，可以大大提高抗电磁干扰和防止高速情况下漏检脉冲的能力。基于感应回线的测速定位方法，具有可靠性好、抗干扰能力强的特点，但是由于要在轨面铺设大量感应回线和信号设备，且在道岔处需要特殊处理，因此其造价和所需的维护工作量较高。

图2 基于感应线圈的测速定位示意

1.2 基于计数轨枕的测速定位

基于计数轨枕的测速定位技术[1,9-10,13-17]主要被应用在中低速磁浮列车系统中，并且已经在国防科技大学试验线、长沙磁浮快线和北京S1中低速磁浮线得到应用。此方法利用图3车底的具有固定间距d的电涡流接近开关传感器，对轨道的金属轨枕进行检测，轨枕间距为固定值D，当列车以一定的速度行驶时，轨枕触发接近传感器会形成一系列位置脉冲，通过测定脉冲频率，可以得到列车的速度和相对位移。此方法具有装置简单、造价低、维护简单、抗干扰能力强等优点，但对线路上轨枕的安装间距的精度有较高要求。

文献[13,15]通过改进的检测方法如传感器的多重化，可以使其不依赖于固定间距的轨枕安装完成测速定位。文献[13-15,17]通过改进算法并融合加速度计的信号，可以改善其低速时测速不准和高速时脉冲漏检的不足。

1.3 基于长定子齿槽检测的测速定位

在高速磁浮列车中，普遍采用的是长定子直线同步电机作为牵引电机，列车位置信息的准确度对于同步直线电机的定子电流控制至关重要。上海浦东机场到龙阳路站的世界首条商用高速磁浮线路(SMT)采用了德国TR08(TransRapid)高速磁浮技术，并应用了基于长定子齿槽检测的测速和相对定位方法[4,9-11,18-24]结合具有固定间距的信标检测的绝对定位方法。同步直线电机的长定子齿槽具有精准的重复几何结构和尺寸[10]。当列车以一定的速度行驶时，通过如图4设置于列车转子侧的传感器检测长定子的齿槽。测速定位传感器所用感应线圈为一组平行于齿槽方向且几何尺寸与长定子齿槽相近的“8”字形线圈，由于沿齿槽方向的磁场是均匀分布的，所以这样可以消除线圈与外部磁路的交链而又不影响自身磁链。线圈由固定频率的激励信号源和谐振电路驱动，当线圈在齿槽表面上方移动时，由于其经过的齿槽结构变化导致磁路的变化，线圈自身的等效电感的周期性变化会被检测出来。经过信号处理，可以得到线圈单位时间经过的齿槽数n，乘以齿槽的间距l，就可以得到单位时间内的位移，即列车的速度v[18,20,24]。

(2)

文献[18]通过对按特定位置排列的多组线圈的信号进行相位鉴别，得到列车的运行方向。基于长定子齿槽检测的测速定位方法，具有分辨力高、造价相对较低、可靠性高、维护简单、抗干扰能力强等优点，但依赖长定子的特定齿槽结构。基于长定子齿槽检测的测速定位示意见图4。

图4 基于长定子齿槽检测的测速定位示意

1.4 基于多普勒雷达的测速定位

基于多普勒雷达的测速定位方法[1,5,9-10]指在车底安装多普勒雷达，向轨面发射电磁波，根据多普勒频移效应，由于列车与轨面存在相对运动，通过检测发射波和反射波之间的频移就可以得到列车的速度

(3)

式中，fr为发射波和反射波之间的频移；c为波速；Δf为电磁波频率；α为发射角[5]。

之后根据列车速度可得列车相对位移。基于多普勒雷达的测速定位具有维护简单、应用范围广的优点，在列车速度很高时误差较小，但其易受外部条件的影响，如振动、安装误差、雨雪和轨道的接缝或不平整等都会造成测量误差。

文献[25]使用双天线结构，可自动校正波束与轨面夹角，文献[26]使用自适应卡尔曼滤波的方法，均可以提高测速的精度。

1.5 基于全球导航卫星系统测速定位

基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System-GNSS)的定位方法，在铁路施工、调度、救援和物流等方面已有广泛应用[27]，且在如青藏线这样对信号控制设备有特殊要求的线路，已作为重要的列车定位方式得以应用[28]。以GPS为例，如图5所示，其主要由空间卫星部分、地面控制中心和用户设备组成[29]。GPS的空间部分包括24颗在轨卫星；地面监控站点则以卫星通信获取卫星星历数据、导航、时间以及误差校正数据；用户接收机则被动接收卫星信号，通过其包含的发射时间、自己的接收时间和已知的电磁波速度就可以得到伪距(接收机和卫星之间的距离)，接收机的速度则是根据与卫星之间的多普勒频移效应得到的。目前GPS的定位精度已经可以达到1～3 m，而使用差分(如Real-time kinematic： RTK)技术，其定位精度可达到厘米级[30-31]，而误差主要来源于大气影响、多路径效应和电磁干扰等[31]。

图5 基于GNSS的测速定位示意

基于GNSS的测速定位技术的主要优点是设备简单且维护方便。文献[32-33]针对卫星信号可能受到遮挡而丢失的情况，采用了GNSS/INS组合导航系统，INS(加速度计、陀螺仪等)具有高自主性、不易受外界条件干扰、信号输出频率高但存在累积误差的特点，通过卡尔曼滤波和鲁棒H∞滤波等数据融合方法，可以很好地与GNSS互补，提高系统的整体可用性和安全性。

1.6 基于查询-应答器和脉宽编码的绝对定位技术

文献[4，6，9]描述了基于查询-应答器和脉宽编码的绝对定位技术，它们具有相似的实现方式。基于查询-应答器的绝对定位技术由车载的查询器和安装于轨枕中央或钢轨侧面的无源应答器组成，当列车经过时，查询器的发射线圈与应答器的接收线圈耦合并通过电磁感应的方式传输能量，应答器接收能量后将按协议存储的包含绝对位置信息的数据传回查询器[6，9]。以欧洲铁路运输管理系统(ERTMS)所采用的欧洲标准应答器EUROBALISE为例，其速度适用范围上限可达500 km/h[6]。

基于脉宽编码的绝对定位技术由车载阅读器和安装于轨道两侧的位置标志板组成[1，4，9]。车载阅读器为U形槽结构，在U形结构的两侧安装有相对的互为冗余的2组发射-接收线圈；金属材质的位置标志板上则刻有一连串以位置数据对间距进行编码的开槽。当列车经过位置标志板时，板上的开槽顺序经过U形槽，由于未开槽位置的金属板材对电磁波的阻挡，接收线圈会接收到一系列脉冲时间间隔与开槽间距成比例的脉冲序列。以首个脉冲间隔为参考值，若其后的脉冲间隔大于参考值，则地址编码为1，反之则为0。这样通过所得到的多位地址编码，可知此位置标志板的绝对位置。因为此方法是将标志板的开槽间距转换为脉冲的时间间隔，所以要求列车最好是以匀速通过位置标志板，通过对编码的裕量进行调整，可以满足一定加/减速度范围内的位置读取[4]。

文献[4，24，34，35]介绍了一种硬件实现类似于基于脉宽编码的绝对定位技术，通过比对读取的脉冲位置与参考位置来进行编码，称为感应式编码定位。

基于查询-应答器和脉宽编码的绝对定位技术，具有抗干扰能力强、稳定可靠、无定位盲区和定位精确度高等优点，但需要在线路沿线安装大量定位设备，设备和维护成本较高。

2 各种测速定位方法对比及适用于型式试验的测速方法

表1对目前磁浮列车的各种主要测速定位方法进行了对比：不同的测速定位方法在定位方式、可靠性、抗干扰能力、精度、安装匹配、设备和维护成本等方面存在各自的优点和缺点，所以工程实践中需要依据具体情况，选择合适的测速定位方法或选用优势互补的方法进行组合。

表1 各种测速定位方法对比

根据文献[36-39]，铁路机车车辆设计企业取得型号合格证、制造企业取得制造许可证的前提之一为样车通过型式试验。磁浮列车速度的测量为型式试验中起动加速和运行阻力等多个项点所必须，而应用于型式试验的传感器和测试设备需要进行检定或校准[40]，所以应该在一定程度上满足：

(1)系统拆装简单快速；

(2)对不同车型的兼容性好；

(3)在严苛使用环境下保持可靠性；

(4)具有测量溯源性等要求。

通过上文对现有适用于磁浮列车的各种测速定位方法的讨论可知：

(1)基于感应回线的相对测速定位技术和各种绝对测速定位技术由于需要大量的轨道设备，并不适用于型式试验；

(2)基于齿槽检测和计数轨枕的测速定位技术，则由于其需要对直线同步电机的长定子齿槽和轨枕进行适配，所以不具有对不同车型的广泛兼容性且难于校准而难以在型式试验中采用；

(3)基于多普勒雷达和GNSS的测速定位方法，则由于其系统实现简单、成本较低和兼容性好，适用于磁浮列车的型式试验测速。

3 磁浮列车测速定位方法的研究方向

3.1 高速磁浮列车测速定位方法的研究方向

上海高速磁浮线路SMT采用了德国TR08高速磁浮技术，采用长定子同步直线电机驱动，并应用了基于长定子齿槽检测的测速和相对定位方法结合具有固定间距的信标检测的绝对定位方法。目前的研究方向主要集中于通过信号处理算法的改进提高长定子齿槽检测[18，19，21]和信标检测定位系统[32-33]的性能和可靠性。

日本高速超导磁浮线路东京至大阪中央新干线已于2014年底动工，L0型高速超导磁浮列车于2015年在山梨试验线创造了最高时速603 km的世界纪录。山梨县高速磁浮试验线原本采用基于交叉感应回线的测速定位方法，由于其设备及维护成本高昂，对新型的测速定位方法组合进行了设计、制造和测试[12]。在列车低速未起浮时，采用安装于与轨道接触的胶轮上的转速传感器信号；高速浮起时，利用“电动势观测器EMF observer”(原理为同步直线电机的无速度传感器的转速和位置估计)的信号进行测速定位。同时改造已有的车地通信的毫米波装置，实现了磁浮列车的基于毫米波雷达的区间定位，用于行车调度安全[39]。

3.2 中低速磁浮列车测速定位方法的研究方向

由于国防科大磁浮试验线、长沙磁浮快线和北京S1线等的建成和投入运行，国内对于中低速磁浮列车的测速定位方法进行了大量研究。综合考虑设备和维护的成本、系统性能和可靠性，采用基于计数轨枕的测速定位方法作为目前中低速磁浮列车的主流测速定位方法。对检测方法、信号处理和传感器布置进行改进，降低对轨枕间距安装标准的要求[13,15]，改进算法并融合加速度计的信号，改善其低速时测速不准和高速时脉冲漏检的不足[13-15,17]。

3.3 磁浮列车测速定位方法的信息融合

各种测速定位方法在定位方式、可靠性、抗干扰能力、精度、安装匹配等方面各有优劣，为了弥补单一测速定位系统的不足，在工程实践中需要依据具体情况，选择优势互补的测速定位方法进行组合。多传感器数据融合方法已经在基于GNSS的测速定位中有大量应用[32-33，42]；文献[43]利用联邦卡尔曼算法，将多普勒雷达、交叉感应回线和查询应答器的 测速定位信息进行融合，显著提高测速定位的精度与可靠性，消除积累误差。文献[5]利用卡尔曼滤波、H∞滤波等数据融合方法，对轮轴脉冲速度传感器和多普勒雷达的测速定位信息进行处理和数据融合，提高了系统的精度和可靠性。

4 结语

(1)磁浮列车的测速定位系统是列车运行和控制系统的关键技术之一，本文对目前国内外各种主要的磁浮列车测速和定位方法进行综述。

(2)对目前国内外各种主要的磁浮列车测速和定位方法的适用性和技术特点进行了比较，基于感应回线的相对测速定位和各种绝对测速定位，需要大量的轨道设备；基于齿槽检测和计数轨枕的测速定位，需要分别对长定子齿槽和轨枕进行适配，不具有对不同车型的广泛兼容性且难于校准，因此均不适用于整车型式试验。基于多普勒雷达和GNSS的测速定位，则由于其实现简单、成本较低和兼容性好，更加适用于磁浮列车的整车型式试验测速。

(3)国内外针对高速和中低速磁浮列车测速定位方法的研究趋势主要包括对已有方法的改进和对新方法的研发，以求提高已有方法的精度和可靠性或弥补其不足。由于需要着重考虑成本和可靠性，基于计数轨枕的测速定位方法在中低速磁浮中渐成主流。虽然技术路线不同，但日本高速磁浮在测速定位方法上的创新将起到重要的启发和借鉴作用。另外针对具体的应用环境，对不同测速定位方法进行多传感器数据融合，使它们的优势互补，显著提高测速定位的精度和可靠性，将成为未来重要的研究方向。