基于激光多普勒测速的列车精确定位方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于轨道列车运行控制系统中的列车定位技术领域，涉及一种“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位”方法与装置。该方法过程为，以安装在列车上的激光多普勒测速仪连续扫描轨道，高精度测试列车相对于轨道的运行速度和累积运行距离，扫描并识别安装在轨道旁的编码信标，读取其编码信息，输出数据给列车运行控制系统。列车运行控制系统连续获得列车运行方向速度和累积运行距离，连续高精度确定列车位置；利用编码信息查询车载列车轨道线路数据库，识别列车运行的轨道并获得轨道固定信息、校准累积运行距离。本发明专利技术使列车在轨道线路的全程，具有连续、可靠和高精度的独立自主定位能力，并大幅度降低列车定位系统的维护工作量和生命周期成本。?

【技术实现步骤摘要】
基于激光多普勒测速的列车精确定位方法及装置
本专利技术属于轨道列车运行控制系统中的列车定位
。在轨道列车交通系统中，可用作列车运行控制系统中的列车定位子系统，连续精确测试列车在运行中的速度，连续给出列车已运行的轨道里程，并通过固定位置的轨道信标进行绝对位置标定和轨道里程校准，从而连续精确定位列车的轨道位置。
技术介绍
在轨道列车交通系统中，列车运行控制系统的性能与列车定位子系统密不可分。列车定位方法在列车运行控制系统中起着非常重要的作用: ★列车定位方法的精度和可靠性是影响列车安全防护距离的重要因素之一，会关系到列车的运行安全，运行间隔，会影响到轨道交通系统的效率；★列车定位方法的机理和采用的传感器是影响列车运行控制系统制式的重要因素之一，会关系到可采用的闭塞制式，会影响到列车运行控制系统的兼容性和生命周期费用；现在，国内外列车运行控制系统的列车定位方法基本上都采用多传感器信息融合的集成应用定位方案，必然使得定位系统和列车运行控制高度复杂化，但是却还是存在潜在的系统风险； 例如，我国2011年“温州7.23追尾事故”中(CTCS-2列控系统)，用于列车定位的轨道电路系统的严重故障是事故发生的主要原因；2013年7月的西班牙火车出轨事故中，其列车运行控制系统也显然没有发挥应有的作用； 以及时常见诸报道的地铁信号系统故障导致降低运行模式，乘客滞留，等等； 因而，对列车运行控制系统进行改进的需求及其迫切性是显而易见的。其中，列车定位方法及其改进对于推动列车运行控制系统的研究和轨道交通系统的发展具有重大和深远的意义。列车运行控制系统和列车定位子系统[1’2] 基于通信技术的列车控制系统(Communication Based Train Control,CBTC)已成为列车运行控制系统的主流。CBTC通过地~车间的双向通信，可以实现对列车的闭环控制，具有较强的操作能力和灵活性，可以方便的在司机室进行信号显示、速度控制，可以精确控制速度、加速和制动过程，并能准确确定列车的位置。加速和制动的精确控制可以提高列车运行品质和节能水平； 在这个技术背景下，列车运行控制系统对列车定位子系统提出了新的要求，要求列车定位子系统具有精确可靠的自主定位能力，减小对外界的依赖。列车定位系统必须满足的技术要求[3] I)精确性 列车定位的精确性需满足两种不同的要求，一个是列车在同一轨道上纵向的定位精确性，另一个是列车在不同轨道之间横向的定位精确性。在纵向的定位精度必须不低于IOm，在横向的定位精度必须不低于Im(保证轨道选择的正确性)； 2)对于时间的可用性 定位系统必须具有执行列车定位而不发生任何间断的能力，即有很好的连续性； 3)对于空间的可用性 不管列车运行在任何地理领域内，定位信息必须不间断地提供给列车运行控制系统，即有良好的覆盖性； 4)可靠性和安全性 定位系统与列车运行控制系统的其它子系统相互独立，并能检测和报告本身发生的失效和故障； 5)可维护性 定位系统的设计和使用必须综合考虑预防性维护和校正性维护等因素，从而使定位系统的生命周期成本最小。现有列车定位方法及其不足 1)基于测速电机或脉冲转速传感器的列车定位方法[2’4] 通过测速电机或脉冲转速传感器测量列车车轮转速来计算列车速度和运行距离的方法。轮轨间的空转和滑行是无法避免的，速度传感器由于受机车轮对可能发生空转和滑行的影响，其测量精度会随着空转和滑行恶化。另外，由于车轮的磨损导致其直径的减小，也会带来额外的误差。为补偿空转和滑行、车轮磨损等因素造成的精度降低，存在累积误差，派生出了复杂的检测和误差补偿方案，只能够在一定条件下降低列车定位的误差； 2)利用轨道电路的定位技术[5’6] 轨道电路是以铁路线路的两根钢轨作为导体，并用引接线连接信号发送、接收设备所构成的电气回路。利用数字轨道电路对列车进行定位是目前城市轨道交通系统中应用最为普遍的技术手段。由于以轨道电路长度为最小定位单元，列车在分区的始末端无法判断，定位精度差，加大列车间的间隔，限制了区间通过能力；无法构成移动闭塞；设备维护调试工作量大；受气候环境变化影响较大，特别是在电气化区段易受牵引电流干扰； 3)交叉感应回线定位[5’6] 在整个轨道线路沿线铺设电缆环线，电缆环线位于轨道中间，每隔一定的距离交叉一次。列车经过每个电缆交叉点时通过车载设备检测环线内信号的相位变化，并对相位变化的次数进行计数，从而确定列车运行的距离，达到对列车定位的目的。改善了在电气化区段易受牵引电流干扰的问题。此定位方法的累积误差较大，定位精度与交叉区长度相矛盾，提高定位精度难度较大； 4)基于查询/应答器的列车定位[3’4] 基于查询/应答器和里程计的列车定位是世界铁路上运用最为广泛的一种方式。其中，查询/应答器定位原理是首先在铁路干线的沿线上安装间隔一定距离的查询/应答器作为列车绝对位置的识别，列车每经过一个查询/应答器都会获得一个新的绝对位置。只能给出点式定位信息，存在设置间距和投资规模的矛盾。查询/应答器安装位置的不确定性，也影响其定位精度。由于拥有大量的地面设备，所以不利于设备的维护和保养； 5)信标(RFID)定位[7’8] 信标是安装在线路沿线反映线路绝对位置的物理标志。信标分有源信标和无源信标两种，有源信标可以实现车地的双向通信，无源信标类似于非接触式IC卡，在列车经过信标所在位置时，车载天线发射的电磁波激励信标工作，并传递绝对位置信息给列车。由于信标提供的位置精度很高，达厘米量级，常用信标作为修正列车实际运行距离的手段。采用信标定位技术的信息传递是间断的，即当列车从一个信息点获得地面信息后，要到下一个信息点才能更新信息，若其间地面情况发生变化，就无法立即将变化的信息实时传递给列车；定位精度的提高以加大信标密度，牺牲成本为代价；维护工作量大。信标定位技术往往作为其它定位技术的补充手段； 6)裂缝波导定位技术[9] 裂缝波导是中空的铝质矩形方管，在其顶部每隔一定距离开有窄缝，采用连续波频率通过裂缝耦合出不均匀的场强，对连续波的场强进行采集和处理，并通过计数器确定列车经过的裂缝数，从而计算出列车走行的距离，确定列车在线路中的位置。此方法受铁轨长度的影响较大，属分段计数定位，定位精度不足，特别是受到现在推广的无缝钢轨的限制； 7)无线扩频通信定位技术[4’5] 利用车站、轨旁和列车上的扩频电台，一方面通过这些电台在列车与轨旁控制室之间传递安全信息，另一方面也利用它们对列车进行定位。轨旁电台的位置是固定不变的，并经过精确测量。所有的电台都由同步时钟精确同步。轨旁计算机或车载计算机利用不同电台传输信息的时间延时可以精确计算出列车的位置。美国AATC系统采用无线测距进行定位。需要在区段沿线设置用于测距的专用的扩频基站和中心控制站，投资成本较高，运行维护工作量和费用高； 8)INS (惯性定位系统)列车定位[4’10] 惯性导航系统具有不依赖外界信息，完全独立自主地提供多种较高精度的导航参数(位置、速度、姿态)的优点，具有抗电子辐射干扰、全天候、隐蔽性好等特点。但是它的系统精度主要取决于惯性测量器件(陀螺仪和加速度计)，导航参数的误本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位方法，其特征在于：1）“激光多普勒测速仪”通过“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”固定安装在列车底部；2）列车在“列车钢轨”上运行时，“激光多普勒测速仪”发出的激光束连续照射在“列车钢轨”上进行相对速度测试，同时对测得的速度值进行积分运算得到累积运行距离；3）“激光多普勒测速仪”所测得的速度和计算的累积运行距离分别等于列车相对于“列车钢轨”的运行速度和累积运行距离；4）“激光多普勒测速仪”将速度和累积运行距离数据连续传输给“列车运行控制系统”；5）“列车运行控制系统”对速度和累积运行距离数据进行处理，从而连续精确地确定列车的运行方向、速度和在“列车钢轨”上的位置。

【技术特征摘要】
1.基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位方法，其特征在于: 1)“激光多普勒测速仪”通过“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”固定安装在列车底部； 2)列车在“列车钢轨”上运行时，“激光多普勒测速仪”发出的激光束连续照射在“列车钢轨”上进行相对速度测试，同时对测得的速度值进行积分运算得到累积运行距离； 3)“激光多普勒测速仪”所测得的速度和计算的累积运行距离分别等于列车相对于“列车钢轨”的运行速度和累积运行距离； 4)“激光多普勒测速仪”将速度和累积运行距离数据连续传输给“列车运行控制系统”； 5)“列车运行控制系统”对速度和累积运行距离数据进行处理，从而连续精确地确定列车的运行方向、速度和在“列车钢轨”上的位置。2.根据权利I所述的“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位方法，其特征在于: 1)增加“高压空气吹扫钢轨装置”，固定安装在列车底部，其安装位置相对于“激光多普勒测速仪”更靠近列车运行方向的头部并保持适当距离；安装时将其高压空气喷嘴对准“列车钢轨”上“激光多普勒测速仪”的激光束将要扫描的部位； 2)列车在“列车钢轨”上运行时，“高压空气吹扫钢轨装置”喷出的高压空气对“列车钢轨”上“激光多普勒测速仪”的激光束将要扫描的部位进行吹扫，清除可能存在的灰土或积雪。3.基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位方法，其特征在于: 1)“激光多普勒测速仪”通过“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”固定安装在列车底部； 2)列车在“列车钢轨”上运行时，“激光多普勒测速仪”发出的激光束连续照射在“列车钢轨”上进行相对速度测试，同时对测得的速度值进行积分运算得到累积运行距离； 3)“激光多普勒测速仪”所测得的速度和计算的累积运行距离分别等于列车相对于“列车钢轨”的运行速度和累积运行距离； 4)“编码信标”的基本构造特征为，由安装基座和多个不透光信标单元构成；多个相同的信标单元按照二进制编码要求，进行间隔排列或不间隔排列，并固定在安装基座上；安装基座和信标单元均以耐腐蚀的材料制造； 5)按照对“列车运行距离和定位”进行校准的需要，选择在列车轨道线路的一些节点安装“编码信标”，每一节点安装至少一件； 6)将“编码信标”的详细信息，以及列车轨道线路固定信息记入“列车轨道线路数据库”软件； 7)在列车轨道线路节点，“编码信标”的具体安装位置是在列车轨道内的轨枕上，“列车钢轨”的旁边；按照技术要求进行安装，使“编码信标”的安装基座长轴线平行于“列车钢轨”，并且与“列车钢轨”保持要求的距离，“编码信标”上的信标单元位于“激光多普勒测速仪”发出的激光束的照射扫描光路上，能够确保遮挡激光束，使激光束照射在信标单元上时形成的光斑不在“激光多普勒测速仪”的有效测速景深范围内； 8)当列车运行经过安装有“编码信标”的列车轨道线路节点时，“激光多普勒测速仪”发出的激光束将依次扫描照射“列车钢轨”和信标单元； 每当激光束扫描I个信标单元时，由于形成的光斑不在“激光多普勒测速仪”的有效测速景深范围内，“激光多普勒测速仪”不能测得速度数据，输出“零速度信号”;然而在信标单元之间的空隙，激光束扫描“列车钢轨”，可正常测得速度，输出“正常速度信号”； 如此，输出的“速度~时间”信号波形呈现与信标单元排列方式相对应的脉冲波形；根据已知的信标单元宽度及“激光多普勒测速仪”实测的当前列车运行速度，可知激光束扫过一个信标单元宽度所需的时间: T=(信标单元宽度/当前列车运行速度) 再通过“激光多普勒测速仪”的内部数据处理程序，将“T”时间宽度的“零速度信号”识读为I位“0”码；将“1”时间宽度的“正常速度信号”识读为I位“I”码； 由于每一件“编码信标”的多个信标单元，均按照二进制编码要求作不同的编码排列，因此，“激光多普勒测速仪”将识读出“编码信标”信标单元的编码排列所代表的二进制编码信息； 9)“激光多普勒测速仪”将速度和累积运行距离数据连续传输给“列车运行控制系统”，并在识读出“编码信标”的二进制编码信息时，实时将其传输给“列车运行控制系统”； 10)“列车运行控制系统”对速度和累积运行距离数据进行处理，从而连续精确地确定列车的运行方向、速度和在“列车钢轨”上的位置； 11)每当“列车运行控制系统”接收到“激光多普勒测速仪”传输来的“编码信标”的二进制编码信息后，利用二进制编码信息查询其内部存储的“列车轨道线路数据库”，可以识别扫描到的“编码信标”，确定列车所运行的轨道、获取轨道线路固定信息、对累积运行距离进行标定或(和)校准(消 除误差)处理，从而提高列车定位的精确度及可靠性。4.根据权利3所述的“基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位方法，其特征在于: 1)增加“高压空气吹扫钢轨装置”，固定安装在列车底部，其安装位置相对于“激光多普勒测速仪”更靠近列车运行方向的头部并保持适当距离；安装时将其高压空气喷嘴对准“列车钢轨”上“激光多普勒测速仪”的激光束将要扫描的部位； 2)列车在“列车钢轨”上运行时，“高压空气吹扫钢轨装置”喷出的高压空气对“列车钢轨”上“激光多普勒测速仪”的激光束将要扫描的部位和“编码信标”进行吹扫，清除可能存在的灰土或积雪。5.基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位方法，其特征在于: 1)“激光多普勒测速仪”通过“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”固定安装在列车底部； 2)列车在“列车钢轨”上运行时，“激光多普勒测速仪”发出的激光束连续照射在“列车钢轨”上进行相对速度测试，同时对测得的速度值进行积分运算得到累积运行距离； 3)“激光多普勒测速仪”所测得的速度和计算的累积运行距离分别等于列车相对于“列车钢轨”的运行速度和累积运行距离； 4)“编码信标”的基本构造特征为，由安装基座和多个不透光信标单元构成；多个相同的信标单元按照编码要求，进行间隔排列或不间隔排列，并固定在安装基座上；安装基座和信标单元均以耐腐蚀的材料制造； 5)按照对“列车运行距离和定位”进行校准的需要，选择在列车轨道线路的一些节点安装“编码信标”，每一节点安装至少一件；6)将“编码信标”的详细信息，以及列车轨道线路固定信息记入“列车轨道线路数据库”软件； 7)在列车轨道线路节点，“编码信标”的具体安装位置是在列车轨道内的轨枕上，“列车钢轨”的旁边；按照技术要求进行安装，使“编码信标”的安装基座长轴线平行于“列车钢轨”，并且与“列车钢轨”保持要求的距离，“编码信标”上的信标单元位于“激光多普勒测速仪”发出的激光束的照射扫描光路上...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建国，何成祥，
申请(专利权)人：成都南中软易科技有限公司，
类型：发明
国别省市：