現(xiàn)代鐵路網(wǎng)絡(luò)的安全高效運(yùn)營(yíng)，離不開(kāi)精確且連續(xù)的定位能力。然而，隧道、有頂棚的車(chē)站以及樓宇密集的城市環(huán)境，使得實(shí)現(xiàn)可靠的列車(chē)定位成為一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)。本文將向您介紹，如何利用慣性導(dǎo)航技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

什么是慣性導(dǎo)航？

慣性導(dǎo)航技術(shù)通過(guò)集成了多種加速度計(jì)和陀螺儀的慣性測(cè)量單元，并運(yùn)行卡爾曼濾波算法，來(lái)推算車(chē)輛的位置、航向、姿態(tài)和速度。從系統(tǒng)層面看，慣導(dǎo)本身不依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)即可工作，因此能夠在衛(wèi)星信號(hào)微弱或短時(shí)完全中斷時(shí)提供補(bǔ)充和補(bǔ)償。在產(chǎn)品層面，多數(shù)慣導(dǎo)系統(tǒng)都與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)集成，借助衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行初始化和校準(zhǔn)，兩者在運(yùn)行中相輔相成。

多年來(lái)，u-blox開(kāi)發(fā)了多種慣導(dǎo)解決方案，包括非約束式慣導(dǎo)（用于填補(bǔ)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)中斷時(shí)的定位空白）和汽車(chē)級(jí)慣導(dǎo)（融合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)與車(chē)輪脈沖傳感器數(shù)據(jù)）。面向軌道交通的汽車(chē)級(jí)慣導(dǎo)是u-blox最新的慣導(dǎo)產(chǎn)品，它將汽車(chē)級(jí)慣導(dǎo)與專(zhuān)為軌道交通優(yōu)化的動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合。

為何軌道交通定位需要慣性導(dǎo)航？

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施——許多已有數(shù)十年甚至上百年歷史——包含大量隧道、鋼制頂棚和深邃的城市地下走廊，這些環(huán)境會(huì)阻擋或反射全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，如果僅僅依賴基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的解決方案，這將在實(shí)時(shí)追蹤列車(chē)位置的能力上形成顯著的盲區(qū)。

缺乏可靠的位置感知能力，會(huì)導(dǎo)致調(diào)度效率降低、車(chē)輛段運(yùn)營(yíng)需要更多人工干預(yù)，乘客信息系統(tǒng)也可能出現(xiàn)信息延遲或不準(zhǔn)確。依賴間歇性更新或固定軌道電路的傳統(tǒng)系統(tǒng)，無(wú)法滿足現(xiàn)代數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型鐵路管理所要求的連續(xù)定位能力。

軌道交通動(dòng)力學(xué)模型的重要性

慣導(dǎo)解決方案中的動(dòng)力學(xué)模型包含了一系列關(guān)于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)的規(guī)則，幫助卡爾曼濾波器剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。例如，針對(duì)汽車(chē)的模型會(huì)判定，顯示車(chē)輛在無(wú)前后移動(dòng)的情況下發(fā)生側(cè)向位移的數(shù)據(jù)是不可信的，因?yàn)槠?chē)無(wú)法橫向平移。對(duì)于軌道交通定位中的慣導(dǎo)，同樣需要類(lèi)似的模型。

挑戰(zhàn)在于，列車(chē)的運(yùn)動(dòng)特性與其他任何車(chē)輛都截然不同。它們加速緩慢，但運(yùn)行速度極高；轉(zhuǎn)彎半徑極小且受軌道嚴(yán)格約束，因此無(wú)法進(jìn)行"8"字形行駛（這是初始化許多慣導(dǎo)系統(tǒng)的常規(guī)要求）；此外，由于列車(chē)擁有兩個(gè)可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向架，而非一個(gè)固定軸和一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，在數(shù)據(jù)層面其前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)并無(wú)差異。

如何在動(dòng)力學(xué)模型中準(zhǔn)確體現(xiàn)這些特性，長(zhǎng)期以來(lái)一直是個(gè)技術(shù)難題。u-blox面向軌道交通導(dǎo)航的汽車(chē)級(jí)慣導(dǎo)解決方案，已成功設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一套專(zhuān)用模型，確保慣導(dǎo)系統(tǒng)在鐵路環(huán)境中能夠正確運(yùn)行。

u-blox軌道交通導(dǎo)航解決方案

ZED-F9R是u-blox推出的具備軌道交通慣導(dǎo)能力的硬件模塊。軌道交通慣導(dǎo)功能通過(guò)HPS1.40版本固件引入，該固件已預(yù)裝在ZED-F9R-04B產(chǎn)品中。我們選擇將軌道交通汽車(chē)級(jí)慣導(dǎo)功能集成于ZED-F9R，是因?yàn)樗且豢畛墒烨翌A(yù)期生命周期很長(zhǎng)的產(chǎn)品。這意味著鐵路運(yùn)營(yíng)商可以長(zhǎng)期（甚至數(shù)十年）使用該解決方案，而無(wú)需擔(dān)心未來(lái)需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

ZED-F9R同時(shí)具備標(biāo)準(zhǔn)精度全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位能力，使其成為一套功能完備、靈活適配的軌道交通定位解決方案。這些技術(shù)共同構(gòu)建了一個(gè)無(wú)縫的生態(tài)系統(tǒng)，確保提供連續(xù)、高精度的定位能力——這正是高效、互聯(lián)的鐵路運(yùn)營(yíng)的基石。

實(shí)際應(yīng)用案例：伯爾尼-索洛圖恩區(qū)域交通公司

用于測(cè)試的RBS區(qū)域列車(chē)

在行駛幾百米內(nèi)完成自動(dòng)校準(zhǔn)，ZED-F9R模塊僅憑慣導(dǎo)功能，驅(qū)動(dòng)列車(chē)穿越瑞士的Schanzen隧道，抵達(dá)伯爾尼地下車(chē)站并原路返回，總行程達(dá)2.5公里。您猜測(cè)試結(jié)束時(shí)的總定位誤差是多少？答案是小于30米。

塑造軌道交通定位的未來(lái)

隨著自動(dòng)化和數(shù)字化在鐵路行業(yè)的加速推進(jìn)，對(duì)高可靠性定位的需求將與日俱增。軌道交通汽車(chē)級(jí)慣導(dǎo)技術(shù)為基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的鐵路導(dǎo)航提供了有力支撐，為構(gòu)建更智能、更安全、連接更緊密的鐵路未來(lái)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

/關(guān)于u-blox公司/

u-blox是汽車(chē)、工業(yè)及消費(fèi)電子領(lǐng)域的全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，通過(guò)定位和短程通信技術(shù)持續(xù)推動(dòng)創(chuàng)新。作為高精度技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)拓者，我們提供智能可靠的解決方案，助力人員、車(chē)輛及機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位與無(wú)線通信。公司總部位于瑞士塔爾維爾，在歐洲、亞洲和美國(guó)設(shè)有辦事處，持續(xù)創(chuàng)造全球影響力。