張建柏 來奇峰 王彥東 周元

摘要：目前鐵路列車的車載設備定位主要通過衛(wèi)星導航定位完成，由于衛(wèi)星導航信號易受遮擋和干擾造成定位失準。本文提出了一種適用于鐵路列車地磁匹配組合導航定位系統(tǒng)，通過實際測試，可實現(xiàn)2～3m的定位精度。

概述

在現(xiàn)代鐵路運輸系統(tǒng)中，列車的跟蹤與定位在運輸調度、運行控制和運輸管理中發(fā)揮著重要作用。隨著鐵路運輸變得高速、便捷、舒適，對于列車的定位精度、可用性、連續(xù)性等也提出了更高的要求。目前列車大部分采用車載設備與地面設備相結合的方式進行定位。其中車載設備中主要依賴衛(wèi)星導航定位設備，但由于衛(wèi)星導航易受遮擋和干擾，在隧道或者強電磁環(huán)境下易受到干擾，導致定位精度下降，采用組合導航定位方式是提高列車定位精度和可用性的有效手段。

1 地磁導航研究現(xiàn)狀

目前常用的導航定位技術有航位推算導航、無線電導航、慣性導航、地圖匹配、衛(wèi)星導航或應用多種技術的綜合導航技術。地磁場是地球的固有磁場，地磁導航是根據(jù)地磁場的分布規(guī)律進行地磁匹配或者地磁模型計算的一種導航方法，地磁導航不需要接收外部信息且導航誤差不會隨著時間而進行累積。地磁導航利用地磁場在近地空間的物理分布進行地磁的分布圖繪制或者建立地磁的分布模型，作為參考數(shù)據(jù)源通過實時的對比參考數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)和載體的測量數(shù)據(jù)，進行導航定位。

目前，國內(nèi)外地磁導航主要集中在水下導航和航空、航天，采用主磁場進行定位，由于主磁場分辨率較低，定位精度在幾十米左右，而車載地磁匹配定位的研究相對較少，在鐵路中的應用更加少見。

2.基于地磁匹配的鐵路列車組合定位系統(tǒng)

通過對現(xiàn)有鐵路列車定位需求進行分析，結合國際最新的導航定位方法，本文提出了一種基于地磁匹配的鐵路列車組合定位系統(tǒng)，并在蘭新線上進行了測試，取得了大量的測試數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析定位精度及可用滿足鐵路定位需求

2.1 系統(tǒng)組成

本文提出了一種基于地磁匹配的鐵路列車組合導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)由磁力計、里程計、處理板卡及基準地磁數(shù)據(jù)庫組成。當列車進入基準地磁數(shù)據(jù)庫相關區(qū)域時，地磁傳感器實時地采集當?shù)氐卮艌鰪姸龋纬梢粋€一維測量序列，配合里程計數(shù)據(jù)，將該測量序列與基準地磁數(shù)據(jù)庫進行相關匹配，尋找最相似點，獲得列車位置，便可以完成對列車軌跡誤差的糾正，具體工作流程見圖1。

2.2 定位原理

基于磁場特征的車輛輔助定位技術的基本原理是，在具備與位置x一一對應的地磁基準庫B（x）的基礎上，通過地磁傳感器實時測量到的磁場特征B（t）反演出車輛在t時刻的位置x（t）。具體而言，在基準庫的建立過程中，地磁傳感器按照所需路線不斷地采集地磁數(shù)據(jù)，得到隨時間t變化的磁場測量值B（t），與此同時，車輛上搭載高精度GNSS/慣性組合導航系統(tǒng)采集車輛的實時位置，得到隨時間變化的位置數(shù)據(jù)x（t），數(shù)據(jù)處理時，將地磁數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)做時間同步，便會得到隨空間變化的地磁基準庫B（x）。在實時定位過程中，地磁傳感器仍然負責采集沿途的磁場數(shù)據(jù)B（t），同時結合已建立的地磁基準庫B（x），便可以推算出t時刻車輛的位置x（t）。

本系統(tǒng)采用一維線性基準庫地磁匹配方法進行定位，其流程如下：

（1）利用磁傳感器測量實時地磁數(shù)據(jù)。地磁匹配過程中，由于存在地磁值相同的點，單點匹配時容易產(chǎn)生誤匹配，因而在載體運行過程中，一般要求磁傳感器按照預設的距離（里程）間隔采集一系列地磁數(shù)據(jù)，然后經(jīng)預處理后得到測量數(shù)據(jù)序列，可記為vw=[v1，v2，…，vw]，其中w表示單次匹配的采樣個數(shù)，其值由具體地磁場的特點決定。當?shù)卮艛?shù)據(jù)變化特性豐富時，w可適當取小些;當?shù)卮艛?shù)據(jù)變化特性不太顯著時，w應取大些。

（2）在地磁基準圖中確定搜索范圍，由于數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)預存地磁基準數(shù)據(jù)，在實際運行過程中，根據(jù)慣性導航提供的粗位置信息，可在地磁基準圖上的臨近位置確定搜索區(qū)域。一般來說，擴大匹配搜索區(qū)域有利于尋找真實位置，但同時必須考慮到計算機的運算能力，應在保證足夠計算速度的前提下，盡可能擴大搜索范圍。

（3）尋找最佳匹配位置，在確定匹配區(qū)域后，運用相關匹配算法，對磁傳感器實時測量的地磁信息和基準圖進行相關性判斷，以確定載體的最佳匹配位置，同時將位置結果反饋至慣導系統(tǒng)中，修正系統(tǒng)誤差。

在線匹配階段，對采集到的地磁場強度與里程值同樣進行時序到空間序列的轉換，實現(xiàn)地磁數(shù)據(jù)的等里程間隔采樣。取w作為里程刻度區(qū)間，物理意義是在里程上取距離為D=wd長度的地磁場強矢量與地磁基準庫里的地磁數(shù)據(jù)矢量進行滑動匹配定位，d為空間采樣間隔。

匹配算法利用相關系數(shù)法，是用以反映變量之間的相關關系密切程度的統(tǒng)計指標。相關系數(shù)是按積差方法計算，以兩變量與各自平均值的離差為基礎，通過兩個離差相乘來反映兩變量之間的相關程度。

公式反映兩變量u和v的間的相關度r的計算公式，式中u指的是離線階段采集的地磁數(shù)據(jù)信息，利用里程值進行空間劃分后得到單位地磁數(shù)據(jù)矢量，式中v為在線階段實際采集到的地磁數(shù)據(jù)以相同的方式分成的單位地磁數(shù)據(jù)矢量。在搜索區(qū)間內(nèi)，相關系數(shù)峰值rmax所對應基準地磁序列位置即為最佳匹配位置。

3試驗驗證

3.1 數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)試驗設備分為地磁傳感器設備、里程傳感器設備和數(shù)據(jù)處理與采集設備，采用事后處理的方式進行數(shù)據(jù)處理。

磁傳感器設備采用一臺三軸磁通門磁傳感器，精度為1nT，采樣率30Hz。具體設備見下圖所示。

（2）里程傳感器

里程數(shù)據(jù)主要由機車自身搭載的里程設備提供。

（3）數(shù)據(jù)采集與處理設備

數(shù)據(jù)采集和處理設備采用一臺筆記本處理器，性能為i7，內(nèi)存8G，操作系統(tǒng)為Linux。該設備安裝了自研開發(fā)的數(shù)據(jù)采集和處理軟件，采集的數(shù)據(jù)均進行了時間同步，存儲在本地磁盤上，嘉峪關到武威沿線，途徑酒泉、梧桐泉、張掖等地，測試總長度350km。在試驗路線上，重復采集2次試驗數(shù)據(jù)。

3.2 測試結果

試驗重復采集兩次試驗數(shù)據(jù)，第一次數(shù)據(jù)用于構建地磁基準圖，第二次數(shù)據(jù)用于驗證地磁定位的精度。試驗的實際運動軌跡如圖 3所示。第二次采集得地磁特征數(shù)據(jù)與地磁基準圖中地磁特征數(shù)據(jù)比較，見圖 4，地磁匹配定位誤差時序圖如圖 5所示，對定位誤差統(tǒng)計為2.43m，如圖 4。

4.結論

本文介紹了一種適用于鐵路列車地磁匹配組合導航定位系統(tǒng)，并且開展了嘉峪關到武威300km初步的實際測試，可實現(xiàn)2.43m的定位精度。測試結果能夠說明軌道地磁匹配定位具有可行性。同時，試驗驗證中還存在一些問題，需要后續(xù)繼續(xù)解決，主要包括：1、列車錯車會引起磁場的波動，會影響定位精度，需要進一步探索干擾抑制方法。2、地磁特征不豐富的區(qū)域，定位短時中斷，需要跟其他傳感器進行組合定位。

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