轨道车辆地磁匹配干扰抑制方法研究

王彦东 刘继伟 方吉银 张雪燕 来奇峰

摘 要： 轨道车辆地磁定位对于保障车辆安全运行具有重要意义，轨道车辆往往含有大量的铁磁性结构，高速行驶的车辆在遇到对向和同向错车情况，与相邻车辆互相影响，产生强烈的感应磁场干扰。设计了一种基于小波变换的地磁错车干扰抑制方法，采用对称性良好的“sym8”小波基波以及八级小波分解模型，试验结果表明，提出的方法可以显著抑制高频高幅值的错车干扰信号。

关键词： 轨道车辆 地磁 干扰抑制 交通工具

中图分类号： TP393文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）02-0008-03

Research on Ground Magnetic Matching Interference Suppression Method for Rail Vehicles

WANG Yandong1 LIU Jiwei1 FANG Jiyin1 ZHANG Xueyan1 LAI Qifeng2*

（ 1.Jiayuguan Mechanical Department， China Railway Lanzhou Bureau Group Co.， Ltd.， Lanzhou， Gansu Province， 735100 China； 2.Institute of Space and Astronautical Information Innovation， Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100864 China ）

Abstract： The geomagnetic positioning of rail vehicles is of great significance to ensure the safe operation of vehicles. Rail vehicles often contain a large number of ferromagnetic structures， with high-speed vehicles encountering opposite and same direction staggering situations. The neighboring vehicles affect each other and produce strong induced magnetic field interference. In this paper， a wavelet transform-based geomagnetic misalignment interference suppression method is designed， using a good symmetry of the "sym8" wavelet fundamental and eight-level wavelet decomposition model. The test results show that the method proposed in this paper can significantly improve the high-frequency and high-amplitude misalignment interference signals.

Key Words： Rail vehicle； Geomagnetic； Interference suppression； Transportation

轨道车辆是人类出行、货物运输的重要交通工具，提供实时、可靠的定位信息是保障轨道车辆安全运行的一项重要措施。传统的轨道车辆主要依赖于信号机或者应答器实现定位，基本原理是通过一种用于地面向列车信息传输的点式设备，向列控车载设备提供线路基本参数、线路速度、特殊定位、列车运行目标数据、临时限速、车运行目标数据、临时限速、车站进路等固定和实时可变的信息。该定位方式需要在轨道上布设大量的有源、无源设备，部署成本高、维护成本高。另外，随着北斗三号组网成功，新兴的轨道车辆上部署了卫星导航定位系统，但是卫星导航定位系统的缺点是在隧道环境中，会因为无法接收到导航信号而定位中断；同时，在电磁复杂的环境，如战场环境，导航信号本身的脆弱性导致其容易受到干扰，无法为轨道车辆提供可靠的定位服务[1]。

地磁导航具有无源、无辐射、全天时、全天候、全地域、能耗低的优良特征。目前，地磁导航主要应用在航空和航海领域，轨道车辆行驶在地面上，地表可以探测到更为丰富异常场磁场，该磁场是由地壳中磁性岩石和人为建造的建筑结构产生，变化范围从小于1纳特至几万纳特，在空间分布上具有较高分辨率，适于作为轨道车辆地磁匹配导航的数据来源。轨道车辆地磁导航面临的主要问题是磁场干扰，轨道车辆往往含有大量的铁磁性结构，高速行驶的车辆在遇到对向和同向错车情况，与相邻车辆互相影响，产生强烈的感应磁场干扰，该干扰将地磁场有效特征掩埋，最终导致干扰时段地磁匹配失效[2]。

1 轨道车辆地磁干扰抑制方法

1.1 干扰分析

本文采用时域和频域结合的方法来分析轨道车辆错车干扰特性，试验数据来源于铁路机车上搭载的磁传感器设备。磁传感器设备采用一台三轴磁通门磁传感器，精度为1 nT，采样率30 Hz。同时采用高精度位置基准标记机车的地理位置信息，精度为1cm RMS（RTK）。截取约12 km长度的地磁数据进行时域分析，纵轴为地磁合场强的幅值，如图1所示。

截取干扰时段地磁数据和无干扰时段地磁数据，进行傅里叶变换。由于轨道车辆在垂直方向（Z轴）的机动性较小，其磁特征梯度相比水平方向（X轴和Y轴）较小，因此，主要采用水平磁场进行在轨道车辆地磁匹配定位，水平方向磁场数据单边频率如图2所示，可以看出，非干扰磁场幅值主要集中在零频附近，其余频率范围内幅值小于400 nT。干扰磁场在0.2～10 Hz有较高的幅值，且峰值可达到7 000 nT。由此可以考虑，对幅值较高的高频信号进行抑制，可以有效降低干扰的影响[3]。

1.2 干扰抑制方法原理

为了实现在实时地磁匹配中，对错车干扰磁场进行抑制，采用兼具时域和频域处理能力的小波变换方法，相比短时傅里叶变换，其优点为信号处理窗口自适应变化，实现在低频信号处理时，提高频率分辨率，在高频信号处理时，提高时间分辨率。其原理为利用原始时域的信号，与不同频率的小波信号进行卷积计算，实现在频域对信号分解。对干扰频段进行识别，去除干扰信号后进行信号重构，实现干扰抑制[4]。

2 试验验证

磁场数据的采样率为30 Hz，无错车干扰的磁信号集中在0～0.2 Hz，因此，针对地磁数据和错车干扰信号特征，本文设计八级小波分解降噪方法，最小频率分量为0～0.16 Hz，采用“sym8”小波基波[5]。对不同级数小波分量进行信号重构，如图3所示，其中，a8为低频率分量，d1～d8为高频分量。由结果可以看出错车干扰信号主要在d2～d7幅值明显较高，在d8和d7仍有部分残留。由于，低频分量a8描述了地磁数据的主信号变化趋势，提取a8分量作为错车干扰抑制后的数据[5]。

将干扰抑制后地磁数据与原始地磁数据比较，如图4所示，所设计八级小波分解降噪方法能够有效降低错车干扰。

3 结语

本文介绍了一种基于小波变换的轨道车辆地磁匹配干扰抑制方法，采用对称性良好的“sym8”小波基波，设计了八级小波分解模型，干扰抑制后，错车引起的高频高幅值磁场干扰信号有显著改善。

参考文献

[1]毛宁，陈石，杨永友，等.地磁长期变化信号提取和模型预测精度评估[J].地球物理学报，2023，66（8）： 3302-3315.

[2]刘文会，石胜明，徐苏宁，等.长输管道地磁杂散电流干扰机理探讨[J].全面腐蚀控制，2023，37（7）：8-12.

[3]李翊君.基于地磁台站时均值及协方差矩阵的2010-2021地磁场长期变化研究[D].南京：南京信息工程大学，2023.

[4]王铭超.基于磁梯度张量的目标定位及识别方法研究[D].长春：吉林大学，2023.

[5]赵乃千，郭宇鑫，廖绍欢，等.成都地铁运营对成都地震中心站地磁观测的干扰分析[J].地震地磁观测与研究，2023，44（1）：67-73.