CN103612649A - 基于激光多普勒测速的列车精确定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

基于激光多普勒测速的列车精确定位方法及装置

技术领域

本发明属于轨道列车运行控制系统中的列车定位技术领域。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。 

背景技术

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]

1）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10m ,在横向的定位精度必须不低于1m(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) ，导航参数的误差随时间而积累, 因而不适合长时间的单独导航； 

9）航位推算系统定位 ^[4，11]

航位推算是在知道当前时刻位置的条件下，通过测量移动的距离和方位，推算下一时刻位置的方法，使用加速度计、磁罗盘、陀螺仪。航位推算系统受到传感器本身温漂、敏感度等的影响，在短时间内测量具有较高的精度，但长时间使用会导致较大的累积误差，因此在使用航位推算系统进行列车测速定位时，需要解决累积误差的补偿问题；

10）基于卫星导航的列车定位方法 ^[4，10]

使用GPS、格洛纳斯GLONASS、伽利略定位系统（Galileo Positioning System）等卫星导航系统的定位方法，并对其进行增强。该定位方法使用多个卫星的伪距，经过计算获得一个可信的列车位置区间。北美ARES、PTC、PTS 系统采用GPS进行定位。由于基于卫星的定位系统容易受到地形的影响，造成卫星的信号无法很好的接收到；也受恶劣天气的影响，因此可靠性比较低。这个方法无法满足铁路系统在隧道环境以及遮蔽环境下的要求；

11）雷达测速 ^[4，12]

列车上载有的雷达始终向轨面或地面发射雷达波，利用多普勒频移效应原理，计算列车运行速度。多普勒雷达测速方法比较复杂，需要考虑雷达校正问题，需要解决小型化和实用化的问题，同时，其对铁路线路要求也比较严格，不同地面反射系数等问题。以目前国际先进水平的多普勒雷达测速系统与激光多普勒测速仪器的测速误差相比较，多普勒雷达测速系统的测速误差较大，差不多相差8倍左右。另外，其测速误差还会来源于：

☆ 轨道沿途地面状况的变化；

☆ 列车的动态加/减速；

☆ 雷达安装的对齐角度误差；

12）基于轨道数字地图匹配的列车定位方法 ^{[4，11，13]}

由于列车运行轨迹的曲率是非常小的，采用廉价的陀螺传感器很难识别这些曲线，因此采用光纤陀螺。这个方法通过光纤陀螺测量角速度，再通过速度传感器测量结果进行转化，最终与地图数据库中提取的角速度进行匹配，进而得到列车的位置。被匹配算法修正过的速度传感器比单纯采用速度传感器获得的列车位置的误差有明显的降低。但是定位算法对列车运行速度敏感，当列车低速运行或速度变化较大的情况下，匹配结果不理想。

基于多传感器信息融合的列车定位方法 ^[1，4，10]

在列车定位技术的选择与比较中不难发现，只利用一种已有定位方法很难全面满足“列车定位系统必须满足的技术要求”，因此，目前在列控系统中定位的方法往往是综合运用，将几种方法融合，进行互补。多传感器融合的定位系统的组合应用方式多样，在干线高速铁路和城市轨道交通中的应用也有很大区别，此处选取代表性的两个组合定位系统作为代表；

1）城市轨道交通，选取技术成熟，应用广泛的“基于查询应答器（信标）和里程计的地铁列车定位系统”（简称为“地铁信标里程计定位系统”）；

“地铁信标里程计定位系统”的不足：

☆ 列车定位的精确性较低

车载速度传感器是通过测量车轮转速来计算列车瞬时速度，不可避免的误差来自于车轮“空转”、“打滑”和“磨损”。经测算，其中仅因地铁列车轮的“磨损”而带来的误差就大于0.06%，而“空转”、“打滑”是误差的主要来源，虽然经过加速度计作补偿处理，仍然难以消除，因而其定位误差仍然远大于先进的激光多普勒测速仪器小于0.05%的测速定位误差；

☆ 可维护性及可靠性低

由多个分系统集成，系统构成很复杂，因而增加了维护难度，并且会对系统可靠性带来不利影响；

☆ 系统投资和运行维护成本高

据市场调查，系统的车载设备估计总价为23～25万元，地铁轨道内的信标（RFID）的价值，估算约为5～6万元/km，需要运行维护；

2）干线高速铁路，选取最具有代表性的中国高速铁路CTCS-3列控系统“基于轨道电路/车轮测速/雷达测速/查询应答器”的列车定位子系统（简称为“CTCS-3列车定位子系统”）；

“CTCS-3列车定位子系统” 的不足：

☆ 列车定位的精确性较低

由于测量车轮转速来计算列车瞬时速度的方法带来的误差很大，“CTCS-3定位系统”增加了“多普勒测速雷达”来进行测速修正。据收集的技术信息，德国DEUTA雷达速度传感器是欧洲高速列车ETCS/ERTMS系统推荐的解决方案，测速范围0.2-600km/h。其测速误差为：

小于0.4 km/h(V<100 km/h)

小于0.4%(V>100 km/h)

并且，其测速误差还会来源于：

轨道沿途地面状况的变化；

列车的动态加/减速；

雷达安装的对齐角度误差；

可见，其最终的列车定位误差必然远大于先进的激光多普勒测速仪器小于0.05%的测速定位误差；

☆ 可维护性及可靠性低

由多个分系统集成，系统构成很复杂，因而增加了维护难度，并且会对系统可靠性带来不利影响；

☆ 系统投资和运行维护成本高

与“地铁信标里程计定位系统”相比较，“CTCS-3定位系统”用更加昂贵的“多普勒测速雷达”代替了“加速度计”，每列车安装两套。“CTCS-3列车定位子系统”车载设备的总价值约为27～29万元。轨道内的信标（RFID）的价值，估算约为0.24～0.30万元/km，需要运行维护。

  

本发明所采用的激光多普勒速度测试技术 ^[14，15]

本发明中用于列车速度测试的仪器为激光多普勒测速仪，通过其激光束连续照射列车钢轨进行相对速度测试，属于非接触性速度测试技术。其技术原理是公知的利用激光的多普勒效应进行连续方向、速度测试，对测得的速度数据进行积分计算即可得到激光多普勒测速仪与被测物之间累积的相对位移。本发明所涉及的激光多普勒测速仪，采用激光后向双散射型光路的系统构成方式，结构紧凑；其内部的数据处理系统可以并行多个数据处理线程，通过工业数据总线输出数据。国际上有多家公司制造和销售此类测速仪器，广泛应用于许多工业领域，实际测试精度明显优于其它类型的速度测试系统，耐恶劣工作环境能力强，长期运行可靠性高。

  

 本发明的目的

☆ 使列车在轨道线路的全程，具有连续、独立自主的定位能力；

☆ 大幅度提高列车定位的精确性； 

☆ 显著改善列车定位子系统的可维护性及可靠性；

☆ 大幅度降低列车定位系统的生命周期成本。

发明内容

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的； 

1 基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位方法，如图1所示，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1所述的“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位方法，如图1所示，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，如图2所示，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”的基本构造特征如图2中举例所示，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，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1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1位“0”码；将“T”时间宽度的“正常速度信号”识读为1位“1”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，如图2所示，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，如图3所示，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”的基本构造特征如图2中举例所示，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，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1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1位“0”码；将“T”时间宽度的“正常速度信号”识读为1位“1”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“数据处理和显示系统”，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“数据处理和显示系统”；

10）在“数据处理和显示系统”内，“工业计算机”中运行的“数据处理和显示软件”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“数据处理和显示系统”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，通过其“工业计算机”内运行的“数据处理和显示软件”利用二进制编码信息查询存储的“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。

  

6 根据权利5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，如图3所示，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。

  

7 基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位装置，如图4所示，其特征在于：

1）包括“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“列车钢轨”、“列车运行控制系统”；

2）“激光多普勒测速仪”被装配在“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”内，“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”对“激光多普勒测速仪”进行防护，两者一体化固定安装在列车底部；

3）“激光多普勒测速仪”发出的激光束照射“列车钢轨”进行相对速度测试并计算累积运行距离；

4）“激光多普勒测速仪”通过控制和数据电缆与“列车运行控制系统”连接，进行操作控制和数据传输；

5）“列车运行控制系统”进行数据处理。

  

8 根据权利7所述的“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位装置”，如图4所示，其特征在于：

1）还包括“高压空气吹扫钢轨装置”；

2）“高压空气吹扫钢轨装置”被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，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。

  

9 基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位装置，如图5所示，其特征在于：

1）包括“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“列车钢轨”、“列车运行控制系统”、“编码信标”；

2）“激光多普勒测速仪”被装配在“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”内，“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”对“激光多普勒测速仪”进行防护，两者一体化固定安装在列车底部；

3）“激光多普勒测速仪”发出的激光束连续照射“列车钢轨”进行相对速度测试并计算累积运行距离；

4）“激光多普勒测速仪”发出的激光束依次照射扫描“列车钢轨”和“编码信标”的信标单元时，识读出“编码信标”信标单元编码排列的二进制编码信息；

5）“激光多普勒测速仪”通过控制和数据电缆与“列车运行控制系统”连接，进行操作控制和数据传输；

6）“列车运行控制系统”，包括“列车轨道线路数据库”，进行数据处理。

  

10 根据权利9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装置”，如图5所示，其特征在于：

1）还包括“高压空气吹扫钢轨装置”；

2）“高压空气吹扫钢轨装置”被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，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。

  

11 基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位装置，如图6所示，其特征在于：

1）包括“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“列车钢轨”、“数据处理和显示系统”、“编码信标”；

2）“激光多普勒测速仪”被装配在“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”内，“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”对“激光多普勒测速仪”进行防护，两者一体化固定安装在列车底部；

3）“激光多普勒测速仪”发出的激光束连续照射“列车钢轨”进行相对速度测试并计算累积运行距离；

4）“激光多普勒测速仪”发出的激光束依次照射扫描“列车钢轨”和“编码信标”的信标单元时，识读出“编码信标”信标单元编码排列的二进制编码信息；

5）“激光多普勒测速仪”通过控制和数据电缆与“数据处理和显示系统”连接，进行操作控制和数据传输；

6）“数据处理和显示系统”包括“工业计算机”、“数据处理和显示软件”、“列车轨道线路数据库”，进行数据处理和显示。

  

12 根据权利11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装置”，如图6所示，其特征在于：

1）还包括“高压空气吹扫钢轨装置”；

2）“高压空气吹扫钢轨装置”被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，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。

  

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1） 首先将具有高度精确和可靠性的“激光多普勒速度测试仪及技术”应用到列车测速定位领域；

2） 采用可以被“激光多普勒速度测试仪”识读的、低成本和低维护需求的“编码信标”作为绝对物理位置标记；

3） 将“激光多普勒速度测试仪及技术”与“编码信标”结合，通过识读“编码信标”的二进制编码信息并结合“编码信标”的绝对物理位置数据，来进行列车定位校准，使列车具有更加精确可靠的自主定位能力；

4）通过识读“编码信标”的二进制编码信息来查询车载的“列车轨道线路数据库”，获得轨道线路各区段的相关固定信息。

本发明对比已有技术具有以下显著优点： 

1） 以一套系统进行连续列车运行方向、速度测试和定位，精确度和可靠性更高；

2） 无论列车运行在任何地理领域内，都能确保定位信息不间断地提供给列车运行控制系统，具有良好的覆盖性；

3） 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；

4） 大幅度降低列车定位子系统的投资；

5） 综合考虑预防性维护和校正性维护等因素，使定位系统的生命周期成本大幅度降低。

图1是本发明“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位方法”的示意图；

图2是本发明“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”的示意图；

图3是本发明“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”的示意图；

图4是本发明“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位装置”的示意图；

图5是本发明“基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位装置”的示意图；

图6是本发明“基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位装置”的示意图；

图7是本发明实施例1的示意图；

图8是本发明实施例2的示意图；

图9是本发明实施例3的示意图；

其中：1-列车钢轨、2-高压空气吹扫钢轨装置、3-列车运行控制系统（包括，列车轨道线路数据库）、4-在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置、5-激光多普勒速度测试仪、6-编码信标、7-数据处理和显示系统（包括，工业计算机、数据处理和显示软件、列车轨道线路数据库）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明； 

本发明的基本思想是融合“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“列车钢轨”、“列车运行控制系统”，使列车具有独立、连续和可靠的自主高精度定位能力，再通过增加融合“编码信标”，进一步提高列车定位的精确性与可靠性，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。

  

实施例1

采用附图7所示的装置实现“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位”

对“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位装置”的方法与装置进行详细描述如下：

1）“激光多普勒测速仪”，采用“博腾电子产品(成都)有限公司”制造的“SLM200200”型“激光多普勒速度/长度测试仪”，其基本参数如下：

最大测试速度 10000m/min （600km/h）

最小测试速度 0.8m/min （0.048km/h）

测试距离 2000mm

有效测试景深 200mm

测试精度 0.05%

测试重复性 0.02%

测试间隔时间 40μS

测试加速度 500m/S²

测试激光斑点尺寸 3mm

外形尺寸（长×宽×高） 317mm×130mm×75mm

仪器重量 4.5kg

耐环境保护等级 IP67

电源 DC 25V

功耗 20W

2) “在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”，根据列车底部的固定安装条件，结合“激光多普勒测速仪”的外形尺寸，特别设计符合列车底部设备安装防护相关技术规范要求的安装防护装置。“激光多普勒测速仪”被装配在“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”内，在“激光多普勒测速仪”的镜头处安装中空管状防护罩，并接入干燥压缩空气，由防护罩内向外吹风，提供对于“激光多普勒测速仪”的镜头和激光束光路的保护。“激光多普勒测速仪”由列车供电系统供电，并设独立蓄电池作备用电源；

3）本实施例，以CRH5动车组的车体（宽度3200mm）底部骨架为“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”的安装位置；我国列车轨道宽度为1435mm，采用60 kg/m规格“列车钢轨”； 

4）安装固定“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”时，确保“激光多普勒测速仪”的激光束以有效测试距离和景深，照射在“列车钢轨”的侧面适当位置，以钢轨轨头的侧面为佳；

5）“列车运行控制系统”为CTCS-3级列控系统。“激光多普勒测速仪”与“列车运行控制系统”通过标准工业总线进行连接； 

6）“高压空气吹扫钢轨装置”，可以自带压缩空气机或利用列车上的压缩空气系统供应压缩空气，带空气压力调节装置；其安装位置在列车底部，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，用特别设计的装置安装固定。在满足相关技术规范的情况下，用长度适当的喷气管，使喷气嘴对准和尽量靠近“列车钢轨”上“激光多普勒测速仪”的激光束将要扫描的部位；“列车运行控制系统”通过控制电路接口控制“高压空气吹扫钢轨装置”的启动及停止；

7）列车将要启动前，“列车运行控制系统”控制“激光多普勒测速仪”启动测试；列车运行时，“激光多普勒测速仪”扫描轨道连续测试列车相对于轨道的运行速度，以及列车在轨道上累积运行的轨道里程；

8）“激光多普勒测速仪”将测试所得的数据通过标准工业总线传输给“列车运行控制系统”；

9）“列车运行控制系统”连续获得列车在轨道上运行的方向、速度、累积运行的轨道里程，通过列车初始位置信息和数据处理连续确定列车所处的精确位置；

10）根据列车轨道线路环境和气候情况，“列车运行控制系统”按需要控制启动“高压空气吹扫钢轨装置”，用高压空气吹扫钢轨特定部位，来去除可能存在的尘土或积雪；

11）按照“列车运行控制系统”（CTCS-3级列控系统）的要求，本实施例的车载装置（“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“高压空气吹扫钢轨装置”）应该在列车首尾各布置一套。在考虑系统冗余时，可以再增加布置一套本实施例装置，作为系统的热备用；

此实施例通过一系列的措施，实现了“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位”方法与装置，与已有列车定位技术相比，具有在本发明的“有益效果”中描述的显著优点。

  

实施例2

采用附图8所示的装置实现“基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位”

对“基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位装置”的方法与装置进行详细描述如下：

1）“激光多普勒测速仪”，采用“博腾电子产品(成都)有限公司”制造的“SLM200200”型“激光多普勒速度/长度测试仪”，其基本参数如下：

最大测试速度 10000m/min （600km/h）

最小测试速度 0.8m/min （0.048km/h）

测试距离 2000mm

有效测试景深 200mm

测试精度 0.05%

测试重复性 0.02%

测试间隔时间 40μS

测试加速度 500m/S²

测试激光斑点尺寸 3mm

外形尺寸（长×宽×高） 317mm×130mm×75mm

仪器重量 4.5kg

耐环境保护等级 IP67

电源 DC 25V

功耗 20W

2) “在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”，根据列车底部的固定安装条件，结合“激光多普勒测速仪”的外形尺寸，特别设计符合列车底部设备安装防护相关技术规范要求的安装防护装置。“激光多普勒测速仪”被装配在“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”内，在“激光多普勒测速仪”的镜头处安装空管状防护罩，并接入干燥压缩空气，由防护罩内向外吹风，提供对于“激光多普勒测速仪”的镜头和激光束光路的保护。“激光多普勒测速仪”由列车供电系统供电，并设独立蓄电池作备用电源；

3）本实施例，以CRH5动车组的车体（宽度3200mm）底部骨架为“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”的安装位置；我国列车轨道宽度为1435mm，采用60 kg/m规格“列车钢轨”； 

4）安装固定“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”时，确保“激光多普勒测速仪”的激光束以有效测试距离和景深，照射在“列车钢轨”的侧面适当位置，以钢轨轨头的侧面为佳；

5）“列车运行控制系统”为CTCS-3级列控系统。“激光多普勒测速仪”与“列车运行控制系统”通过标准工业总线进行连接； 

6）“编码信标”的基本构造特征如图2中举例所示，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分别以耐腐蚀的工程塑料和橡胶材料制造；

7）按照对列车运行距离和定位进行校准的需要，在列车轨道线路上以固定间距（例如，5km）安装“编码信标”，并在所有重要节点都安装“编码信标”，每点安装1～2件； 

8）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；

9）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； 

10）“高压空气吹扫钢轨装置”，可以自带压缩空气机或利用列车上的压缩空气系统供应压缩空气，带空气压力调节装置；其安装位置在列车底部，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，用特别设计的装置安装固定。在满足相关技术规范的情况下，用长度适当的喷气管，使喷气嘴对准和尽量靠近“列车钢轨”上“激光多普勒测速仪”的激光束将要扫描的部位；“列车运行控制系统”通过控制电路接口控制“高压空气吹扫钢轨装置”的启动及停止；

11）列车将要启动前，“列车运行控制系统”控制“激光多普勒测速仪”启动测试；列车运行时，“激光多普勒测速仪”扫描轨道连续测试列车相对于轨道的运行方向、速度，以及列车在轨道上累积运行的轨道里程；

12）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1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1位“0”码；将“T”时间宽度的“正常速度信号”识读为1位“1”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；

同时，由于“激光多普勒测速仪”内部具有多线程数据处理能力，“激光多普勒测速仪”仍然保持连续方向、速度测试，不受扫描和识读“编码信标”的影响；

13）“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”；

14）“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；

15）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；

16）根据列车轨道线路环境和气候情况，“列车运行控制系统”按需要控制启动“高压空气吹扫钢轨装置”，用高压空气吹扫钢轨特定部位，来去除可能存在的尘土或积雪；

17）按照“列车运行控制系统”（CTCS-3级列控系统）的要求，本实施例的车载装置（“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“高压空气吹扫钢轨装置”）应该在列车首尾各布置一套。在考虑系统冗余时，可以再增加布置一套本实施例装置，作为系统的热备用；

此实施例通过一系列的措施，实现了“基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位”方法与装置，与已有列车定位技术相比，具有在本发明的“有益效果”中描述的显著优点。

  

实施例3

采用附图9所示的装置实现“基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位”

对“基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位装置”的方法与装置进行详细描述如下：

1）“激光多普勒测速仪”，采用“博腾电子产品(成都)有限公司”制造的“SLM200200”型“激光多普勒速度/长度测试仪”，其基本参数如下：

最大测试速度 10000m/min （600km/h）

最小测试速度 0.8m/min （0.048km/h）

测试距离 2000mm

有效测试景深 200mm

测试精度 0.05%

测试重复性 0.02%

测试间隔时间 40μS

测试加速度 500m/S²

测试激光斑点尺寸 3mm

外形尺寸（长×宽×高） 317mm×130mm×75mm

仪器重量 4.5kg

耐环境保护等级 IP67

电源 DC 25V

功耗 20W

2) “在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”，根据列车底部的固定安装条件，结合“激光多普勒测速仪”的外形尺寸，特别设计符合列车底部设备安装防护相关技术规范要求的安装防护装置。“激光多普勒测速仪”被装配在“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”内，在“激光多普勒测速仪”的镜头处安装空管状防护罩，并接入干燥压缩空气，由防护罩内向外吹风，提供对于“激光多普勒测速仪”的镜头和激光束光路的保护。“激光多普勒测速仪”由列车供电系统供电，并设独立蓄电池作备用电源；

3）本实施例，以CRH5动车组的车体（宽度3200mm）底部骨架为“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”的安装位置；我国列车轨道宽度为1435mm，采用60 kg/m规格“列车钢轨”； 

4）安装固定“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”时，确保“激光多普勒测速仪”的激光束以有效测试距离和景深，照射在“列车钢轨”的侧面适当位置，以钢轨轨头的侧面为佳；

5）“数据处理和显示系统”内包括“工业计算机”、“数据处理和显示软件”、“列车轨道线路数据库”，可以连接多台“激光多普勒测速仪”，对“激光多普勒测速仪”进行控制和接收处理“激光多普勒测速仪”传来的测试数据，并进行动态图形化显示。“激光多普勒测速仪”与“数据处理和显示系统”通过标准工业总线进行连接；“数据处理和显示系统”与列车运行控制系统（例如，CTCS-3级列控系统）通过数据传输接口进行连接和数据传输； 

6）“编码信标”的基本构造特征如图3中举例所示，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分别以耐腐蚀的工程塑料和橡胶材料制造；

7）按照对列车运行距离和定位进行校准的需要，在列车轨道线路上以固定间距（例如，5km）安装“编码信标”，并在所有重要节点都安装“编码信标”，每点安装1～2件；

8）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； 

9）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； 

10）“高压空气吹扫钢轨装置”，可以自带压缩空气机或利用列车上的压缩空气系统供应压缩空气，带空气压力调节装置；其安装位置在列车底部，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，用特别设计的装置安装固定。在满足相关技术规范的情况下，用长度适当的喷气管，使喷气嘴对准和尽量靠近“列车钢轨”上“激光多普勒测速仪”的激光束将要扫描的部位；“数据处理和显示系统”通过控制电路接口控制“高压空气吹扫钢轨装置”的启动及停止；

11）列车将要启动前，“数据处理和显示系统”控制“激光多普勒测速仪”启动测试；列车运行时，“激光多普勒测速仪”扫描轨道连续测试列车相对于轨道的运行方向、速度，以及列车在轨道上累积运行的轨道里程；

12）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1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1位“0”码；将“T”时间宽度的“正常速度信号”识读为1位“1”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；

同时，由于“激光多普勒测速仪”内部具有多线程数据处理能力，“激光多普勒测速仪”仍然保持连续速度测试，不受扫描和识读“编码信标”的影响；

13）“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“数据处理和显示系统”，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“数据处理和显示系统”；

14）“数据处理和显示系统”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；

15）每当“数据处理和显示系统”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，通过其“工业计算机”内运行的“数据处理和显示软件”利用二进制编码信息查询存储的“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；

16）根据列车轨道线路环境和气候情况，“数据处理和显示系统”按需要控制启动“高压空气吹扫钢轨装置”，用高压空气吹扫钢轨特定部位，来去除可能存在的尘土或积雪；

17）按照“列车运行控制系统”（CTCS-3级列控系统）的要求，本实施例的车载装置（“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“高压空气吹扫钢轨装置”）应该在列车首尾各布置一套。在考虑系统冗余时，可以再增加布置一套本实施例装置，作为系统的热备用；

此实施例通过一系列的措施，实现了“基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位”方法与装置，与已有列车定位技术相比，具有在本发明的“有益效果”中描述的显著优点。

  

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

  

参考文献

[1] 基于多传感器信息融合的列车定位方法研究,北京交通大学博士学位论文，

2007年6月

[2] CBTC系统中列车安全定位方法的研究,北京交通大学硕士学位论文，20080601

[3] 高速铁路列车定位技术的研究，北方交通大学学报，1999年10月第23卷，第5期

[4] 多传感器定位在高速铁路的应用，铁道通信信号，2006年12月，第42卷，第12期 

[5] 轨道交通列车定位技术的选择与比较，电子设计工程，2010年11月，第18卷，第11期

[6] 几种列车定位系统性能比较分析，铁道技术监督，第38卷，第6期

[7] RFID在列车运行控制系统中的应用，铁路通信信号工程技术(RSCE)，2012年8月

[8] 应用RFID技术实现地铁列车精确定位的研究，科技信息，2010年第33期

[9] 城市轨道交通的列车定位技术，电子技术应用，2002年，Vol.28 No.7

[10] 多传感器信息融合的列车定位方法研究，机械与电子，2011(4)

[11] 基于GPS和GSM-R的列车定位系统研究，西南交通大学硕士学位论文，20080501

[12] 磁浮列车测试定位方法综述，兵工自动化，2008年，第21卷，第1期

[13] 移动闭塞系统列车组合定位导航技术研究，控制与决策，2008年11月，第23卷，第11期

[14] 双光束激光多普勒测速系统，物理实验，第25卷，第3期，2005年3月 

[15] 激光多普勒测速技术的最新发展动向，激光技术，1993年6月

Claims (12)

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1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1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1位“0”码；将“T”时间宽度的“正常速度信号”识读为1位“1”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，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1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1位“0”码；将“T”时间宽度的“正常速度信号”识读为1位“1”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“数据处理和显示系统”，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“数据处理和显示系统”；

10）在“数据处理和显示系统”内，“工业计算机”中运行的“数据处理和显示软件”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“数据处理和显示系统”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，通过其“工业计算机”内运行的“数据处理和显示软件”利用二进制编码信息查询存储的“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。

6.根据权利5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。

7.基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位装置，其特征在于：

1）包括“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“列车钢轨”、“列车运行控制系统”；

2）“激光多普勒测速仪”被装配在“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”内，“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”对“激光多普勒测速仪”进行防护，两者一体化固定安装在列车底部；

3）“激光多普勒测速仪”发出的激光束照射“列车钢轨”进行相对速度测试并计算累积运行距离；

4）“激光多普勒测速仪”通过控制和数据电缆与“列车运行控制系统”连接，进行操作控制和数据传输；

5）“列车运行控制系统”进行数据处理。

8.根据权利7所述的“基于激光多普勒测速的轨道列车精确定位装置”，其特征在于：

1）还包括“高压空气吹扫钢轨装置”；

2）“高压空气吹扫钢轨装置”被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，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。

9.基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位装置，其特征在于：

1）包括“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“列车钢轨”、“列车运行控制系统”、“编码信标”；

2）“激光多普勒测速仪”被装配在“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”内，“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”对“激光多普勒测速仪”进行防护，两者一体化固定安装在列车底部；

3）“激光多普勒测速仪”发出的激光束连续照射“列车钢轨”进行相对速度测试并计算累积运行距离；

4）“激光多普勒测速仪”发出的激光束依次照射扫描“列车钢轨”和“编码信标”的信标单元时，识读出“编码信标”信标单元编码排列的二进制编码信息；

5）“激光多普勒测速仪”通过控制和数据电缆与“列车运行控制系统”连接，进行操作控制和数据传输；

6）“列车运行控制系统”，包括“列车轨道线路数据库”，进行数据处理。

10.根据权利9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装置”，其特征在于：

1）还包括“高压空气吹扫钢轨装置”；

2）“高压空气吹扫钢轨装置”被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，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。

11.基于激光多普勒测速及信标校准的轨道列车精确定位装置，其特征在于：

1）包括“激光多普勒测速仪”、“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”、“列车钢轨”、“数据处理和显示系统”、“编码信标”；

2）“激光多普勒测速仪”被装配在“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”内，“在列车上安装及防护激光多普勒测速仪的装置”对“激光多普勒测速仪”进行防护，两者一体化固定安装在列车底部；

3）“激光多普勒测速仪”发出的激光束连续照射“列车钢轨”进行相对速度测试并计算累积运行距离；

4）“激光多普勒测速仪”发出的激光束依次照射扫描“列车钢轨”和“编码信标”的信标单元时，识读出“编码信标”信标单元编码排列的二进制编码信息；

5）“激光多普勒测速仪”通过控制和数据电缆与“数据处理和显示系统”连接，进行操作控制和数据传输；

6）“数据处理和显示系统”包括“工业计算机”、“数据处理和显示软件”、“列车轨道线路数据库”，进行数据处理和显示。

12.根据权利11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装置”，其特征在于：

1）还包括“高压空气吹扫钢轨装置”；

2）“高压空气吹扫钢轨装置”被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，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。

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