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1、定位与导航技术摘要:实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。列车自动控制系统利用轨旁及车载设备对列车进行实时的跟踪。轨旁定位主要采用轨道电路、信标、电缆环线、裂缝波导、扩频电台、GPS 等技术手段, 列车自身的定位可依赖于安装在轮轴上的编码里程仪实现, 通过车地之间的信息传输通道, 实现轨旁与列车之间实时的信息交换, 实时控制列车在线路中的运行。Positioning and navigation technologyAbstract: real-time, precisely determine the train in the position of t
2、he line is to guarantee the safety, efficiency, providing the best service of premise. Automatic train control system using rail to train the on-board equipment branch into the real-time tracking. Trackside positioning mainly USES the track circuit, beacon, cable ring, crack waveguide, spread spectr
3、um radio station, GPS technology means, to train their own positioning can rely on for installation in the coding mileage on wheel is achieved, through the car to the communication channel between information and realize trackside between trains and real-time information exchange, real-time control
4、in the running train line. 1 引言铁路是我国国民经济运行的大动脉，通过信息技术增强铁路行业的竞争实力，是使其扭亏为盈的基础和前提。铁路智能运输系统（Railway Intelligent Transportation System,RITS）是利用计算机技术、现代通信技术、现代信息处理技术、控制与系统技术、管理与决策支持技术和智能自动化技术等，实现信息采集、传输、处理和共享，通过高效利用与铁路运输相关的所有资源，以较低的成本达到保障安全、提高运输效率、改善经营管理和提高服务质量为目的的新一代铁路运输系统。列车定位技术是实现列车自动控制的关键技术之一，几乎每个子系统的
5、实现都需要列车的位置信息作为参数之一。所以说列车定位是列车控制系统中一个非常重要的环节，它的引入使得调度指挥和行车控制一体化新的综合自动化系统的实现成为可能，更加有效地提高行车效率和安全度。它在列车自动控制系统中的作用有：为保证安全列车间隔提供依据；在某些自动控制系统中，提供区段占用、出清信息，作为转换轨道检测信息和速度控制信息发送的依据。本论文介绍了铁路中列车定位的必要性及 GPS 列车定位方式，通过对原理的概述、计算、地图的投影方法以及 GPS 在铁路的应用，使大家对 GPS 列车定位技术有一定了解,以适应铁路系统的提速，高铁的发展趋势。2 城市轨道交通定位技术2.1 列车定位的基本功能和
6、作用列车定位系统的基本功能：能够在任何时刻、任何地方按要求确定列车的位置，包括列车行车安全的相关间隔、速度；对轨旁设备和车载设备等资源进行分配和故障诊断；在局部出现故障时，能够在满足一定精度要求的前提下，降级运行。列车定位方式按照空间可用性分为离散方式、连续方式和接近连续方式。按照产生定位信息的不同部分分为完全基于轨旁设备的方式、完全基于车载设备的方式和基于轨旁设备和车载设备的方式。2.2 列车定位的主要体现列车定位技术在现代轨道交通行车安全和指挥系统中的作用主要体现在以下几个方面：为保证安全列车间隔提供依据；在某些 ATC 系统中，提供区段占用出清信息，作为转换轨道检测信息和速度控制信息发送
7、的依据；为列车自动防护(ATP)子系统提供准确位置信息。作为列车在车站停车后打开车门以及站内屏蔽门的依据；为列车自动运行(ATO)子系统提供列车精确位置信息，作为列车计算速度曲线，实施速度自动控制的主要参数；为列车自动监控(ATS)子系统提供列车位置信息，作为显示列车运行状态的基础信息；在某些 CBTC 系统中，作为无线基站接续的依据；在高速磁悬浮交通中。提供位置信息，作为道岔控制、定子绕组供电接续的依据等。 3 GPS随着卫星定位技术的不断成熟，定位精度也越来越高，这将为列车的定位提供一种新的位置测量手段。将GPS技术运用于铁路，列车调度系统便可高度掌握列车的运行位置，便于跟踪监测。根据机车
8、行车线路的具体路况，将相应的调度命令，对司机进行路况语音提示。这样将大大提高机车的安全性，并缓解司乘人员作业紧张程度；将机车的位置信息及时发送给铁路养护维修人员，从而有利地保证人身安全；同时旅客也可以知道自己所乘坐列车的确切位置和前方车站的有关信息。3.1 卫星定位系统的概述卫星定位在军事领域里使用较多，例如用来给导弹、飞机等导航等，很多国家都花了大量的人力、物力搞自己的卫星定位系统。其中有前苏联的GLONASS (Global Navigation SateUite System)、美国的GPS(G10balPositioning System)、欧洲的伽利略卫星定位系统、以及我国的北斗星双
9、星定位和开始筹建的北斗二代等。这么多的国家热衷与此，可见卫星定位的重要性。近来，卫星定位技术使用越来越广泛，随着该技术的不断成熟和发展，卫星定位的应用领域已经迅速扩大，列车定位当然也包括在这其中。3.2 GPS 概述全球定位系统 GPS （Global Positioning System）美国从 1973 年开始筹建，于1989 年开始发射正式工作卫星，历时 20 年，耗资 200 亿美元，于 1994 年全部建成，投入使用。GPS 系统由 21 颗卫星组成，均匀分布在 6 个轨道面上卫星向地面发射两个波段的信号，能在全球范围内，向任意多用 户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、
10、三维定位和授时。GPS 系统的控制部分由设在美国本土上的 5 个监控站组成，这些站不问断地对 GPS 卫星进行观测，并将计算和预报的信息由注入站对卫星信息更新。GPS 系统的用户是非常隐蔽的，它是一种单程系统，用户只接收而不必发射信号，因此用户的数量也是不受限制的。虽然 GPS 系统一开始是为军事目的而建立的，但很快在民用方面得到了极大的发展，各类 GPS 接收机和处理软件纷纷涌现出来。 3.3 GPS 定位的基本观测量及定位原理3.3.1 GPS 卫星星座GPS 卫星星座由 21 颗卫星和 3 颗备用卫星组成。24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面内，轨道倾角为 55 度，各个轨道平面之间相
11、距 60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差 90 度，一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前 30 度。卫星高度为 20200 公里，运行周期 11 小时 58 分钟。这样轨道参数的卫星能覆盖地面面积 38%。卫星运行到轨道的任何位置上，它对地面的距离和波束覆盖面积基本不变。同时用户接收到的卫星信号强度近似相等。卫星信号信噪比近似相等，有利于提高定位精度。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到 4 颗，最多可见到 11 颗。在用 GPS 信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测 4 颗 GPS 卫星，称为定位星座。这 4 颗卫星在观测过程中的几何
12、位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做间隙段。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时测量。GPS 卫星重 774kg，柱形铝蜂巢结构，直径为 1.5m。星体两侧装有两块对日定向太阳能电池板，全长 5.33m，接受日光面积 7.2m2。对日定向系统控制两翼帆板旋转，使板面始终对准太阳，给三组 15AH 的镉镍蓄电池充电，以保证卫星在地影区能正常工作。在星体底部装有多波束定向天线，这是一种由 12 个单元构成的成形波束螺旋天线阵，发射 L1(频率1575.42MHz,波长 19.05cm)和 L2(频率 12
13、27.6MHz,波长 24.45cm)波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。此外，卫星上还装有姿态控制系统和轨道控制系统。工作卫星的设计寿命为 7 年。由于 GPS 定位采用被动定位原理，星载高稳定度的频率标准是精密定位的关键。采用铯原于钟，其尺寸为 12.819.538.1cm3，重 11.3kg，频率稳定度为(12)10 -13/d。在此基础上，进一步降低功耗、减轻重量、缩小体积，制成铯钟，作为卫星的频率标准，它使卫星定位的位置误差仅为 2.9m,能保证所有的卫星在一个月或更长时间内独立工作而无需地面校正。GPS 卫星向用户发送
14、的导航电文是一种不归零的二进制数据码 D（t） ，码率 fd = 50HZ。为了节省卫星的电能、增强 GPS 信号的抗干扰性、保密性，实现遥远的卫星通讯，GPS 卫星采用伪噪声码对 D 码作二级调制，即先将 D 码调制成伪噪声码（P 码和 C/A 码） ，再将上述两噪声码调制在 L1、L2 两载波上。因此，GPS 信号包括两种载波（L1、L2）和两种伪噪声码（P 码、C/A 码） 。其中，P 码为精确码，美国为了自身的利益，只供美国军方、政府机关以及得到美国政府批准的民用用户使用，C/A 码为粗码，其定位和时间精度均低于 P 码，目前，全世界的民用客户均可不受限制地免费使用。 3.3.2 地面
15、监控系统根据卫星发射的星历-描述卫星运动及其轨道的参数，可以计算出星的位置，用于用户定位。每颗 GPS 卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常作、卫星是否沿预定轨道运行，都由地面设备进行监测和控制。保持各颗卫星处于同一时间标准 GPS 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 GPS 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站位于科罗拉多的斯平士(Colorado Spings)的联合空间执行中心(CSOC)；三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地上，
16、即大西洋的阿松森(Ascension)岛、印度洋的狭哥伽西亚(Diego Garcia)和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)；五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。 监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。每个监控站配有 GPS 接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每 6 秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。五个监测站分布在美国本土和三大洋的美军基地上，保证了全球 GPS 定轨的精度要求。由这五个监测站提供的观测数据形成了 GPS 卫星实时发布的广播星历。主控站进行数据采集、计算、传输、诊断、编辑，完成下列功能：(1)采集数据：主控站采集各个监到站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状态数据。(2)编辑导航电文：根据采集到的全部数据计算出每一颗卫星的星历、时钟改正数、状态数据以及大气改正数，并按一定的格式编辑为导航电文，传送到注入站。
