第八讲测速和定位技术(一、二)

（1）测速电机方式 测速电机包括一个齿轮和两组带有永久磁铁 的线圈。齿轮固定在机车轮轴上，随车轮转动。
线圈固定在轴箱上。轮轴转动，带动齿轮切割磁
力线，在线圈上产生感应电动势，其频率与列车 速度（齿轮的转速）成正比。这样列车的速度信 息就包含在感应电动势的频率特征里。经过频率 -电压变化后，把列车实际运行的速度变换为电
②滑行校正 若现在的列车速度和 1s 前的列车速度的差值 （减速度）过大，如图 5-21 所示，图中速度曲线的 尖峰部分，超过了滑行判定加速度，列控车载设备认 为出现了滑行，并对列车速度进行校正。 校正方法：把滑行校正减速度默认为当前减速度， 得出校正速度 v ，当来自速度传感器的检测速度值高 于校正速度 v ，校正结束。
轨面发射电磁波， 由于机车和轨面之
间有相对运动，因
此在发射波和反射 波之间产生频差， 通过测量频差可以 计算出机车的运行 速度，并累计求出 走行距离。
若无线电波所碰到的物体是固定不动的， 那么所反射回来的无线电波其频率是不会改变 的。 若物体是朝着无线电线发射的方向前进时， 此时所反射回来的无线电波会被压缩，因此该 电波的频率会随之提高；反之，若物体是朝着 远离无线电波方向行进时，则反射回来的无线 电波的频率则会随之降低。
频率变换电路中机车速度为零时也产生一定的频 率，这样就可以区分机车速度为零还是故障。 当频率为零时（或某频率下），设备就可以 报警或自动停车。
频率一电压变换电路的原理框图如图 5-18 所示。
多谐振荡器作为射极藕合触发器与自激多谐振荡器 结合的电路。 在速度高时，即交流信号增大，这时振荡器为射极 藕合触发器，其输出与测速发电机同步。 当列车速度低于一定值（近似为零）时，电路由射 极藕合触发器变为多谐振荡器。 从式可见， f 与车轮的直径有关。 在速度相同时直径大的车轮其输出的速度电压频率 低,反之则频率高。因此需设置一个车轮直径补偿电 路，以消除不同直径的车轮所产生的差异。
（1）轮轴传感器
脉冲转速传感器方式测距定位的基本原理是：由传 感器输出频率与轮轴转速成正比的脉冲信号，通过对频 率进行换算得到速度，再由速度对时间求积分得到累加 距离。 设动轮直径为 D（m)，传感器每转输出脉冲个数为 F ，输出脉冲频率为 F ，则动轮线速度为： V＝FD3.6／N（Km/h）
卫星定位技术和地面、无线电定位技术。
独立定位技术即采用相对列车传感器和地面
传感器（或称信标）实现列车的定位；
卫星定位技术是把全球定位系统（GPS）接
收机安装在车辆上，采用卫星技术实现列车的定
位。 下图为一般的列车定位系统。
GPS接收机 轮轴传感器 纬度、经度 速度、时间等
距离
融合算法
陀螺 方向
罗盘 方向
提供一种实用的、价廉的在全球范围内确定位
S (t ) V (u)du
0 t
S (n) Viti T Vi
i n i n
(2)地面绝对信标 单独靠列车车载上相对轮轴脉冲传感器是
不能提供完全准确的车辆定位信息，以上测距
定位的累积误差会很大，将直接影响列车的控
制精度和安全。
为消除测距定位的累积误差，目前在铁路 和城市轨道交通上应用的处理办法有如下几种：
测周法：
测周法的时基信号为高频（与所测信号相比） 脉冲，对所测信号一个周期内的时基脉冲进行计 数，由计数值求出信号频率
②多周期法 多周期法是在测周法的基础上提出的，其基 本原理是根据被测信号频率范围的不同，选择不 同的被测信号周期数的方法，使总的计数时间与 时基信号的周期相差很大，即达到减小误差。
相对传感器
列车定位
绝对传感器
1、相对传感器+地面绝对信标 相对传感器是基于预先确定或以前测量距离、 位置或取向变化的装置。不知道初始位置（或参 照位置）或取向，传感器就不能用于确定相对于 大地的绝对位置和取向。 为得到列车的确定位置和消除累积误差，在 相对传感器应用的基础上，在地面适当的地点加 装信标，目前在铁路上应用的信标有查询应答器 和轨道环线。
单独的相对传感器不能提供相对于参考坐标
系的绝对方向和位置。相反，绝对传感器可提供
相对于大地的车辆位置信息。
提供绝对位置信息的最常用技术是 GPS 定
位系统和航位推算法（DR) 的结合。
（1）GPS 全 球 定 位 系 统 （ Global Positioning
System-GPS ）是基于卫星的无线导航系统，它
雷达测速的优点： 利用雷达测速，可以不从车轮旋转获得信息。 因此可以有效地克服空转和滑行等因素产生的误 差。
近年来雷达测速的技术发展日益成熟，为实
际应用提供了基础。
（2）GPS测速定位方式 GPS概况： GPS（全球定位系统）是美军70年代在子午仪 （Transit）系统上发展起来的全球性卫星导航系 统，它是目前技术上最成熟且已真正实用的一种 卫星导航和定位系统，能在全球范围内，在任意 时刻、任意气候条件下为用户提供连续不断的高 精度的三维位置、速度和时间信息。
设机车轮径为 D ，脉冲速度传感器车轮每转一圈 的脉冲数为 N ，测出的传感器输出脉冲频率为 f ，则 列车实时运行速度为：
V π D f 3.6 / N
(km/h)
其实速度传感器有很多种形式，如路程脉冲发生 器、光电式传感器、霍尔式脉冲传感器等。
霍尔脉冲速度传感器由铝盘和霍尔传感器探 头组成。 铝盘外缘有规则粘接了若干磁钢片，铝盘安 装在机车动轮轴头的顶端。根据采用的霍尔元件 不同，一个探头可以输出一路或两路速度信号。 传感器探头安装在轴箱盖上，霍尔脉冲传感器是 采用霍尔效应原理测量转速的，其原理示意如图 5-19 所示。
GPS测速定位的原理是：
卫星连续地发送可跟踪的唯一编码序列，用 户接收机调出卫星到接收天线的传播时间，乘上 电波传播速度，可以算出卫星到用户的距离。若 接收到4颗卫星的信号，即可实现3维定位（经度 、纬度和高度），进而求出速度。
三、列车测距定位基本方法、技术
测距定位系统是列车运行自动控制系统的重要组成部 分。
为了使地面控制中心和列车本身获知列车当前位置和
向顾客提供信息，必须精确地确定列车的位置。因此，对 任何性能良好的列车定位与导航系统来说，精确、可靠的
测距定位是必要的先决条件。
定位是指确定地球表面上车辆的坐标。 位置是指车辆相对于路标或其他地面特征 （如道路）的方位。 通常采用三种定位技术：独立定位技术、
二、测速方式的分类和基本原理 目前存在着多种测速方式，根据速度信息的 来源，可以把测速方式分成两大类。 一类是利用轮轴旋转信息的测速方法。 另一类是利用无线方式，直接检测列车的速
度。
1、轮轴旋转测速方式 轮轴测速系统的原理是对车轮旋转计数。 按具体类型，车轮每转一周，发生器输出多 至 200 个脉冲或波信号。对发生器波信号计数， 即可得到距离，测出出现的频率即可得出速度。 这种原理的主要缺点是车轮空转或打滑会使 测量结果产生严重错误。 这一类方法包括测速电机方式、脉冲转速传 感器方式等。
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在每站的站内（或每个轨道分区）埋设一
个查询应答器或轨道环线。
当列车机车通过时，感应接收到地面查询
应答器或轨道环线提供的绝对点信息，促使列
车对测距重新刷新，得到列车的又一个定位起 点，彻底消除了列车相对传感器测距的累积误
差。
2 . 绝对传感器（GPS/DR集成定位系统） 绝对取向和位置传感器在解决列车定位和导 航问题中是非常重要的。
（2）转速传感器方式（脉动式）
它的基本原理是对车轮旋转计数。 脉冲转速传感器（信号发生器）安装在轮轴上，轮 轴每转动一周，传感器输出一定数目的脉冲或方波信号 ，这样脉冲的频率就与轮轴的转速成正比。 输出脉冲经过隔离和整形后，直接输入到微处理器 进行频率测量并换算成速度和走行距离。
脉冲转速 传感器 隔离 限幅整形 频率测量 和计算 速度、距离 参数
当硅钢体在霍尔元件 下方时，霍尔元件可以
探测到霍尔电势；不在
下方时就无霍尔电势。
当铝盘转动时，霍尔元
件就会产生与铝盘转速 成正比的霍尔电势脉冲，
通过对此脉冲分析计算
就可测得铝盘转速。
列车车轮转速的测量方法有：
频率法（F）、周期法（T）、多倍精度周期
法（MT）、频率周期法（FT)
①测频法和测周法 测频法： 测频法就是定时计数法。系统设置固定的时间 闸门T，在T内计数到来脉冲，根据计数值求出脉 冲频率。
②查询应答器或轨道环线 采用轨道电路载频变化对测距进行各种修正 和校准存在一些问题。首先在整条线路上不可能 完全做到载频交叉，这样就可能在分区变化时得 不到定位校正；其次车载设备接收绝缘节信息的 延迟较长，造成校正信息的提供不及时，甚至造 成多绝缘节或少绝缘节的差错情况，使测距系统 混乱。因此在列车运行自动控制系统测距定位中 采用查询应答器或轨道环线的方法解决测距的校 正和准确定位 。
①轨道电路频率的变化来实现距离校正（绝缘节检验） 根据每个轨道分区的载频信息的不同，确定列车越 过一个轨道区段。轨道电路频率布置考虑了防止同一线路 相邻轨道电路和上、下行线间轨道电路等的横向和纵向干 扰，轨道中载频的布置见下图。上行线路为 f1、f3、f5 相间隔排列，下行线路为 f2 、f4 、f6 相间隔排列。
甲站 f5 f1 f3 f5 f1 乙站 f3
f2
f4 分区1
f6 分区2
f2 分区3
f4 分区4
f6
列车从起点甲站出发，在车载控制设备中存 储从甲站到乙站的线路数据，以甲站的出站信号 为起始点由列车轮轴脉冲传感器测量列车的实际 速度和列车走行距离。 如分区 1 的长度为 S1 ，当列车检测到列车 走行距离达到或接近 S1 时，列车上车载控制设 备检测轨道电路的载频信息，当检测到载频由 f4 变化到 f6 ，则说明列车进入分区 2 ，车载控制 设备重新以分区 2 的起始点为测距定位起点进行 列车的定位。
2、无线测速定位方式 无线测速定位方式抛开轮轴旋转产生的速度信 息，利用外加信号直接测量车体的速度和位置，因
此又称为外部信号法。
特点：由于这类方法不由轮旋转获得信息，因 此能有效地避免车轮空转、滑行等产生的误差，但 精度受到无线电波的传播特性等因素的影响。 主要包括雷达测速方式、GPS测速定位方式等
③频率周期法（FT法） FT法的基本思路是设置一个时间闸门T，在 闸门时间内记下每一个脉冲的到来时刻，以及输 入脉冲的个数，用最后一个脉冲到来时刻减去第 —个脉冲到来时刻得到实际的时间闸门T，根据T 和脉冲个数计算出脉冲频率。
⑶空转、滑行校正处理
列控车载设备根据速度传感器传输的速度脉冲信号检 测列车速度，并根据列车速度判断是否出现空转和滑行。 ①空转校正处理 若现在的列车速度和 1s前的列车速度的差值（加速度） 过大，如图 5-20 所示，图中速度曲线的尖峰部分，超过 了空转判定加速度，列控车载设备认为出现了空转，并对 列车速度进行校正。 校正方法：把空转校正加速度默认为当前加速度，得 出校正速度 v ，当来自速度传感器的检测速度值低于校正 速度 v ，校正结束。
（1）雷达测速方式
随着无线技术的发展和卫星、雷达的发明和 应用，人们又提出了一类直接检测车体速度的方 法。雷达测速就是其中之一，它是利用多普勒效 应原理实现的。 向移动体上发射一定频率的电磁波，反射波 与入射波之间会产生频差，这个频差与移动体的 速度成正比，这就是多普勒效应。
在机车上安
装雷达，它始终向
压值，通过测量电压的幅度得到速度值。
测速发电机所产生的频率可按下式计算：
1000 V Z f 3.6 π D
(Hz)
式中: f ― 测速发电机产生的 频率， Hz； V ― 列车速度，km/h； Z ― 发电机的齿数； D ― 车轮直径， mm。
为了确保发电机线圈断线的故障一安全，在
第八讲
一、概述
测速和定位技术
测速和定位作为列车运行自动控制系统的一部分， 就是要提供列车的实时运行速度和当时的具体位置。 它们的精度直接影响到列车的控制精度。 测速测距的精度太低，不仅会增加行车的不安全因 素，而且会造成系统预留的安全防护距离过大，从而影
响运输效率。
列车运行自动控制系统要求列车随时知道当时的速 度和位置，才能保证列车的安全运行和准点达到。