基于地磁匹配的铁路列车组合导航定位系统

张建柏 来奇峰 王彦东 周元

摘要：目前铁路列车的车载设备定位主要通过卫星导航定位完成，由于卫星导航信号易受遮挡和干扰造成定位失准。本文提出了一种适用于铁路列车地磁匹配组合导航定位系统，通过实际测试，可实现2～3m的定位精度。

概述

在现代铁路运输系统中，列车的跟踪与定位在运输调度、运行控制和运输管理中发挥着重要作用。随着铁路运输变得高速、便捷、舒适，对于列车的定位精度、可用性、连续性等也提出了更高的要求。目前列车大部分采用车载设备与地面设备相结合的方式进行定位。其中车载设备中主要依赖卫星导航定位设备，但由于卫星导航易受遮挡和干扰，在隧道或者强电磁环境下易受到干扰，导致定位精度下降，采用组合导航定位方式是提高列车定位精度和可用性的有效手段。

1 地磁导航研究现状

目前常用的导航定位技术有航位推算导航、无线电导航、惯性导航、地图匹配、卫星导航或应用多种技术的综合导航技术。地磁场是地球的固有磁场，地磁导航是根据地磁场的分布规律进行地磁匹配或者地磁模型计算的一种导航方法，地磁导航不需要接收外部信息且导航误差不会随着时间而进行累积。地磁导航利用地磁场在近地空间的物理分布进行地磁的分布图绘制或者建立地磁的分布模型，作为参考数据源通过实时的对比参考数据源的数据和载体的测量数据，进行导航定位。

目前，国内外地磁导航主要集中在水下导航和航空、航天，采用主磁场进行定位，由于主磁场分辨率较低，定位精度在几十米左右，而车载地磁匹配定位的研究相对较少，在铁路中的应用更加少见。

2.基于地磁匹配的铁路列车组合定位系统

通过对现有铁路列车定位需求进行分析，结合国际最新的导航定位方法，本文提出了一种基于地磁匹配的铁路列车组合定位系统，并在兰新线上进行了测试，取得了大量的测试数据，通过数据分析定位精度及可用满足铁路定位需求

2.1 系统组成

本文提出了一种基于地磁匹配的铁路列车组合导航系统，该系统由磁力计、里程计、处理板卡及基准地磁数据库组成。当列车进入基准地磁数据库相关区域时，地磁传感器实时地采集当地地磁场强度，形成一个一维测量序列，配合里程计数据，将该测量序列与基准地磁数据库进行相关匹配，寻找最相似点，获得列车位置，便可以完成对列车轨迹误差的纠正，具体工作流程见图1。

2.2 定位原理

基于磁场特征的车辆辅助定位技术的基本原理是，在具备与位置x一一对应的地磁基准库B（x）的基础上，通過地磁传感器实时测量到的磁场特征B（t）反演出车辆在t时刻的位置x（t）。具体而言，在基准库的建立过程中，地磁传感器按照所需路线不断地采集地磁数据，得到随时间t变化的磁场测量值B（t），与此同时，车辆上搭载高精度GNSS/惯性组合导航系统采集车辆的实时位置，得到随时间变化的位置数据x（t），数据处理时，将地磁数据和位置数据做时间同步，便会得到随空间变化的地磁基准库B（x）。在实时定位过程中，地磁传感器仍然负责采集沿途的磁场数据B（t），同时结合已建立的地磁基准库B（x），便可以推算出t时刻车辆的位置x（t）。

本系统采用一维线性基准库地磁匹配方法进行定位，其流程如下：

（1）利用磁传感器测量实时地磁数据。地磁匹配过程中，由于存在地磁值相同的点，单点匹配时容易产生误匹配，因而在载体运行过程中，一般要求磁传感器按照预设的距离（里程）间隔采集一系列地磁数据，然后经预处理后得到测量数据序列，可记为vw=[v1，v2，…，vw]，其中w表示单次匹配的采样个数，其值由具体地磁场的特点决定。当地磁数据变化特性丰富时，w可适当取小些;当地磁数据变化特性不太显著时，w应取大些。

（2）在地磁基准图中确定搜索范围，由于数据库中已经预存地磁基准数据，在实际运行过程中，根据惯性导航提供的粗位置信息，可在地磁基准图上的临近位置确定搜索区域。一般来说，扩大匹配搜索区域有利于寻找真实位置，但同时必须考虑到计算机的运算能力，应在保证足够计算速度的前提下，尽可能扩大搜索范围。

（3）寻找最佳匹配位置，在确定匹配区域后，运用相关匹配算法，对磁传感器实时测量的地磁信息和基准图进行相关性判断，以确定载体的最佳匹配位置，同时将位置结果反馈至惯导系统中，修正系统误差。

在线匹配阶段，对采集到的地磁场强度与里程值同样进行时序到空间序列的转换，实现地磁数据的等里程间隔采样。取w作为里程刻度区间，物理意义是在里程上取距离为D=wd长度的地磁场强矢量与地磁基准库里的地磁数据矢量进行滑动匹配定位，d为空间采样间隔。

匹配算法利用相关系数法，是用以反映变量之间的相关关系密切程度的统计指标。相关系数是按积差方法计算，以两变量与各自平均值的离差为基础，通过两个离差相乘来反映两变量之间的相关程度。

公式反映两变量u和v的间的相关度r的计算公式，式中u指的是离线阶段采集的地磁数据信息，利用里程值进行空间划分后得到单位地磁数据矢量，式中v为在线阶段实际采集到的地磁数据以相同的方式分成的单位地磁数据矢量。在搜索区间内，相关系数峰值rmax所对应基准地磁序列位置即为最佳匹配位置。

3试验验证

3.1 数据采集

本系统试验设备分为地磁传感器设备、里程传感器设备和数据处理与采集设备，采用事后处理的方式进行数据处理。

磁传感器设备采用一台三轴磁通门磁传感器，精度为1nT，采样率30Hz。具体设备见下图所示。

（2）里程传感器

里程数据主要由机车自身搭载的里程设备提供。

（3）数据采集与处理设备

数据采集和处理设备采用一台笔记本处理器，性能为i7，内存8G，操作系统为Linux。该设备安装了自研开发的数据采集和处理软件，采集的数据均进行了时间同步，存储在本地磁盘上，嘉峪关到武威沿线，途径酒泉、梧桐泉、张掖等地，测试总长度350km。在试验路线上，重复采集2次试验数据。

3.2 测试结果

试验重复采集两次试验数据，第一次数据用于构建地磁基准图，第二次数据用于验证地磁定位的精度。试验的实际运动轨迹如图 3所示。第二次采集得地磁特征数据与地磁基准图中地磁特征数据比较，见图 4，地磁匹配定位误差时序图如图 5所示，对定位误差统计为2.43m，如图 4。

4.结论

本文介绍了一种适用于铁路列车地磁匹配组合导航定位系统，并且开展了嘉峪关到武威300km初步的实际测试，可实现2.43m的定位精度。测试结果能够说明轨道地磁匹配定位具有可行性。同时，试验验证中还存在一些问题，需要后续继续解决，主要包括：1、列车错车会引起磁场的波动，会影响定位精度，需要进一步探索干扰抑制方法。2、地磁特征不丰富的区域，定位短时中断，需要跟其他传感器进行组合定位。

参考文献

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