基于卡尔曼滤波的编组站机车组合定位方法的研究与设计

汤振源 何倚霜

摘 要：编组站调车作业自动化是编组站综合自动化发展的趋势，对调车机车的定位是自动调车的重要研究内容之一。本文通过对轨道交通定位系统的研究，结合编组站调车机车作业性质和特点，通过对轨道电路接收端的改进，设计了一个基于GPS/轨道电路/里程计的机车组合定位方案，该方案利用卡尔曼滤波自适应信息融合方法进行数据处理，能够解决GPS定位在不同环境下误差大、可靠性低的问题，同时也可以对提高编组站的作业效率和实现调车机车调车作业的安全防护提供有效信息。

关键词：机车定位;GPS;轨道电路;里程计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.141

0 引言

素有“列车工厂”之称的编组站，是列车的集散地，负责集中办理大量货物列车的到达、解体、编组出发等作业。对编组站的调车机车实现精准定位能够极大提高编组站信息化建设程度，实现机车位置数据共享，减轻机车司机的劳动强度，提高编组站的作业效率，机车与固定设备的距离的判定，不仅能够更进一步确保调车作业安全，而且为以后的自动调车目标的实现奠定一定的基础。

本文在前人研究的基础上，针对编组站站场规模大、股道数量多、调车作业繁忙、作业过程复杂、受人为因素影响大等特点，提出了一基于GPS/轨道电路/里程计组合的调车机车跟踪定位系统，用于实时、精确跟踪机车在线路上的位置，采集到的位置数据，不仅可以作为调度监控机车的位置，也可以为调车作业安全防护提供数据支撑，防止机车冒进信号，超速行驶等问题。

1 GPS卫星定位技术

全球卫星导航系统（GNSS）主要有GPS、GLONASS、GALILEO以及我国新部署完成的北斗导航系统。其中美国的GPS是最先进和成熟的系统之一，应用最为广泛，涉及到军事，民用等多个领域。目前美国已经开始布局第三代GPS导航卫星，建成后将具有更高的精度和更强的抗干扰能力。

1.1 GPS定位基本原理

GPS定位，实际上就是通过至少四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。如图所示：

通过GPS电文解译出四颗GPS卫星的三维坐标，用距离交会的方法求解p点的三维坐标的观测方程为：

1.2 DGPS定位

GPS 伪距差分技术（DGPS）是目前常用的高精度定位技术，广泛用于车辆的导航与定位[1]，由于 DGPS 定位存在一定误差，故采用组合定位系统，其基本原理为：

基准站接收到第i颗卫星广播的位置为，而且基准站经测绘是在位置上，从而可知基准站到卫星的距离为：

基准站然后对第i颗卫星做出伪距测量值，包括到卫星的距离以及误差值：

式中，表示基准站时钟与GPS系统时钟的偏移时的误差，表示伪距误差。

将基准站计算出的几何距离与伪距测量值比较，得出差分校正值：

由于伪距校正值随时间变化，故随时间变化的伪距校正值表示为：

基准站将广播给机车上的GPS接收机，然后加载同一颗卫星的伪距测量值上：

除了多径和噪声误差外，大多数情况下，车载GPS接收机伪距误差分量与基准站是相同的，校正过的伪距可表示为：

式中，指的是伪距残留误差，而是车载GPS接收机和基准站的时钟差。

为了使车载GPS接收机能够补偿伪距误差速率，基准站还需发送伪距速率校正值，车载接收机然后进行伪距校正，以便与自己测量时间t 对应，表示如下：

然后计算在时刻t矫正后的车载GPS接收机伪距：

2 轨道电路定位原理

轨道电路是铁路信号设备的重要组成部分，利用钢轨和钢轨绝缘节构成的电路，主要用来显示车站或区间线路列车占用情况。将列车运行与信号灯联系起来，还可以利用轨道电路向机车传递行车信息。这里我们把轨道电路作为一种定位机车的设备，通过轨道电路的变化确定调机位置。

2.1轨道电路的基本组成

轨道电路有送电设备、接收设备、钢轨绝缘以及连接线组成，轨道电路有多种型号，除了送电设备、接收设备不尽相同之外，钢轨绝缘和连接线是相同的。简单的轨道电路如2.1所示：

当区段内钢轨完整，没有被占用时，轨道继电器吸起，表示区段空闲;当轨道被占用时，由于继电器线圈电阻远远大于轮对电阻，轨道电路被分路，继电器的电流大大减小，軌道继电器落下，表示区段有车占用[2]。

2.2 改进的轨道电路接收器

受电端的接收器部分是轨道电路的不可或缺的一部分，接收器的稳定性以及可靠性决定了轨道电路的安全系数。本文设计的接收器具有故障自检、监测报警等功能，能够对设备的各个环节自我监测，如果发生故障后可以自动报警。其结构与功能如下图所示：

通过轨道电路传输的电信号到达接收器后，经过信号滤波，光电隔离处理，对波形进行精密处理后，分别进行A/D转换，把系统提供的数字电源转换成需要的模拟电源，转换后的信号分别由MPU1和MPU2两个微处理器进行处理，在此过程中，MPU1与MPU2保持严格同步，若运算结果不同，说明轨道处于占用状态，两个微处理器会停止向安全与门输出信号，继电器失磁落下。相反，如果两个微处理器运算结果相同，则向安全与门输出信号，安全与门将两路信号波转换成直流电压信号，继电器励磁吸起，表示线路处于空闲状态。如果安全与门发生故障，会触发报警器报警。如果电路中有其他故障，微处理器会自动断开安全与门的信号输出，并触发报警，保证系统的安全性。

3 里程计定位原理

编码里程计通过编码盘与轮轴耦合，驱动一个或多个装在编码盘四周的光电传感器，这些传感器产生一个和速度成比例的脉冲序列，车载计算机通过采样电路得到列车运行的速度[3]。最后通过车载计算机由速度对时间积分来求得机车在某个区段的具体位置。

轮运动一周，里程计输出n个脉冲数，N为单位时间内里程计输出的脉冲数，为车轮直径，那么，机车某时刻行进速度V计算如下：

4 组合定位设计

在设备完好状态下，当机车第一轮对进入一个区段后，轨道电路短路，轨道继电器落下，信号楼显示该区段红光带，表示此区段处被占用狀态，轨道电路电子接收器将脉冲信息以及股道信息传递给车载计算机，里程计开始工作，车载机计算机根据里程计采集到的速度数据，计算机车相对上一个分界点开始的走行距离。从而判断机车在股道上的具体位置。与此同时，车载GPS接收机会收到来自基准站和多颗卫星的信号，通过基准站的伪距校正，向车载计算机输出观测到的位置，最后通过计算机综合处理后，输出位置数据。在里程计/GPS设备故障的情况下，以GPS/里程计的定位结果作为真实的位置坐标。

车载计算机将机车ID，股道信息，机车运行状态等一系列参数汇总后，以一定的格式通过专用网络传送到调度室，供调度人员对机车进行监控指挥。

4.1 数据处理方法

本系统可通过建立自适应卡尔曼滤波自滤波器的联合滤波结构，采用模糊自适应算法实时监测各子滤波器量测噪声统计特性变化情况，计算子滤波器置信度[4]。卡尔曼滤波是一种最优估计方法，基本原理是利用系统模型和观测模型的统计特性，递推得到最优融合数据[5]。

4.2 系统的可行性

采用组合定位方法对调车机车进行定位，弥补了单个定位方法的不足，提高了系统的稳定性。编组站调车机车采用GPS/轨道电路/里程计的组合定位技术实现精确定位具有很好的可行性，具体表现如下：

（1）GPS定位模块和里程计比较成熟，采用一般的定位器材即可满足需求;

（2）随着工业技术的不断进步，定位传感器的价格越来越便宜;

（3）组合定位系统在编组站应用前景大;

（4）随着卫星定位技术的发展，各大卫星定位系统的定位精度在不断地提高，随着我国北斗卫星定位系统的不断成熟，GPS模块可换做BD定位模块，系统的可替换性较好。

5 结论与展望

在调车作业过程中对调机在线路中的位置精确定位，不仅方便了调度指挥中心对机车实时状态的监控，而且对于调车作业自动防护，防止机车超速、冒进信号等事故的发生有重大实践意义，是编组站综合自动化研究的重要内容。

本文通过对GPS工作原理的研究分析，发现传统的定位原理不能够满足调车作业定位要求，考虑到调车作业的重要性，为了确保万无一失，本文又研究了轨道电路/里程计的工作原理，提出了以轨道电路为参考系统，里程计为主要定位方式确定调车机车在股道中的具体位置的方法，该方法与GPS配套使用，遵循“故障-安全”原则，可行性高，此外，此系统还具有成本低，可靠性高，稳定性好，维护方便等优点，对以后实现调车作业自动化，提高编组站调车作业效率，提高路网通过能力具有重要意义。

本系统可以与编组站现有系统集成，实现数据共享，从而更好地服务编组站作业任务。

参考文献：

[1]林立新，杨宏伟.GPS定位的调车系统[J].机车电传动，2004（04）.

[2]林瑜筠.轨道电路设备原理及维护[M].北京：中国铁道出版社，2017.

[3]孙林祥，房坚.城市轨道交通的列车定位技术[J].电子工程师，2002（07）：28-30.

[4]周宇.基于传感器置信度的列车组合定位信息融合算法[J].电子世界，2014（03）：128.

[5]高礼群.基于GSM-R网络的列车组合定位技术研究[D].西南交通大学，2013.

作者简介：汤振源（1991-），男，甘肃庆阳人，硕士研究生在读，研究方向：交通运输信息技术。