【高速磁浮专栏】面向工程化应用的高速磁浮定位测速系统方案研究

高速磁浮列车作为新一代轨道交通技术的代表，凭借其非接触悬浮、低运行阻力、高能效及低噪声等优势，已成为实现地面超高速运输的核心方向。目前，国内已实现600 km/h高速磁悬浮列车的技术突破，并持续开展更高速度等级的技术攻关。

随着高速磁浮列车向600 km/h以上速度发展，其定位测速技术具有难点较多、工程化实施困难等特点。现有定位测速技术中，齿槽检测技术虽精度优异，却受限于常导磁浮的长定子结构，无法适应多种磁悬浮制式；多普勒雷达技术易受天气干扰且存在累积误差；脉宽编码技术对振动和电磁环境敏感；基于光纤光栅的测量技术具有天然抗电磁干扰和高实时性的特点，但在定位测速领域尚处实验阶段。而交叉感应环线技术凭借非接触测量、环境适应性强的优势成为工程化的主流方案。

然而，基于交叉感应环线技术的定位测速系统在实现工程化应用中还面临着多项挑战。首先，悬浮间隙波动会导致相对位置检测信号幅值变化，传统反余弦函数法或查表线性插值法要求间隙恒定，无法直接应用；其次，在高速工况下（速度≥600 km/h）运行时，每根交叉感应环线的采集通道在硬件上存在差异，容易产生时间同步误差；最后，高速磁浮列车直线电机工作时产生的强磁场会耦合进定位测速交叉感应环线中，形成幅值可达有效信号数倍的干扰。

针对上述挑战，国内外研究者都提出了相应的解决方案，但相关研究多聚焦局部技术，缺乏对测速定位全套设备的总体性、系统性研究分析。本文提出一套完整的定位测速系统方案，致力于在定位精度、实时性、可靠性及工程可行性等多维度实现协同优化，以期为工程应用提供解决方案。

1 系统架构

本文提出基于车载-环线-地面三级协同架构的定位测速系统解决方案，系统架构如图1所示。其原理是在轨道沿线按照一定编码规律铺设交叉感应环线，车载天线中通入高频激励信号，根据电磁感应定律，地面交叉环线中将产生感应信号，通过检测感应信号的幅值和相位可以实时获知列车的位置与速度信息。系统设计聚焦三大工程优化。

1.1 设备双重冗余设计

同时提升所有部件的可靠性，可大幅度提升系统的可靠性，对设备进行冗余配置，可以从系统级的角度上提高可靠性。车载设备采用主/从式双天线冷备冗余设计，单点故障时自动切换备用天线；交叉感应环线在防护工装内分层冗余布置，分别接入两套热备地面定位测速主机。

1.2 镜像抗干扰技术

交叉感应环线沿长定子轨道铺设时，电机初级绕组产生的高次谐波磁场将耦合至环线回路，形成强共模电磁干扰。为抑制干扰，本方案采用镜像抗干扰技术，每套交叉感应环线由正向环线和镜像环线构成，通过镜像环线反向感应消除电机初级绕组产生的共模电磁干扰。

1.3 悬浮间隙自适应设计

传统技术中，基于同步解调技术获取相对位置信号的包络线来实现相对定位，但悬浮间隙波动会引起信号幅值漂移，导致查表或者反余弦计算相对位置时产生误差。本方案采用文献中的方法，配置两对相位相差90°的相对位置信号线，并对它们的电压包络信号进行除法运算。所得比值能够实现与悬浮间隙的解耦，从而有效消除悬浮间隙波动对定位精度的影响。同时，该方法也具备易于工程化应用的优点。

2 系统详细设计方案

2.1 系统接口设计

测速定位系统作为高速磁浮列车牵引与运行控制的基础，其接口设计需预留充分对外接口。系统接口设计如图2所示，从顶层角度提供电源及信号接口的完整参考架构：车载设备预留电源接口，其电源由车辆提供，地面设备预留面向轨旁电路的电源接口。所有信号处理和对外通信都由地面设备完成，其中地面设备预留位置速度信息给分区运控系统、车载网络系统的接口，预留提供磁极相角信息给牵引控制系统的接口。

2.2 车载设备方案

每个车载主机包含主、从两个独立的载波发生单元。车载主机分别向主天线和从天线发送42 kHz和44 kHz的高频脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）波，使天线内部产生相应频率的激励电流。天线的发射功率则可以通过调整PWM波的占空比来实现。在高频电流的激励下，车载天线周围产生高频交变磁场，随试验车一起向前移动，从而使交变磁场中包含了试验车的位置信息。

这种双频冗余设置使得当车载天线发生单点故障时，能够自动切换备用天线（主从互为备用），同时地面主机能够通过识别激励频率来判断当前是启用了主天线还是从天线。由于主、从天线之间有一定的安装间距d，如果无法识别天线类型，则当主、从天线进行切换时，会产生距离为d的定位偏置，因此设置双频冗余在实际应用中至关重要。

本方案中车载载波发生主机箱接口详细描述如图3所示，为工程化应用做了如下关键优化：电源设置双路冗余，主、从单元独立供电；通信双通道冗余，主、从单元各预留接入车载网络的RS-485、控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线，保障控制指令实时同步。

2.3 环线设备方案

交叉感应环线包括多根格雷母线G线、1对基准线R线，以及2对相对位置检测线G0、SG0线，另外还包括始端箱、终端箱等。其中格雷母线的对数由所应用的线路距离及精度指标来确定，起到绝对定位的作用，能将列车位置精准定位到格雷码范围内。而将高频磁场信号转换成G0和SG0这两对线中的电压包络信号，通过包络信号的幅值大小可以获得1个格雷码中的相对位置信息。

从实现工程化应用、提高可靠性和可用性的角度上来说，交叉感应环线需集成热备冗余功能、抗共模干扰功能、悬浮间隙自适应功能。其中悬浮间隙自适应功能由于SG0的加入得到了解决，其余问题需在绕制方式上做出优化。首先，交叉感应环线采用双重冗余设计，冗余的两组交叉感应环线重叠放置于同一个骨架中，共用同一个车载天线，既能最大化地缩小设备体积，又能减少系统设备数量。此外，每组交叉感应环线都采用了镜像绕制方法，分别对称分布在骨架两侧，镜像原理如图4所示。以G0为例，v_正和v_镜分别为正向线圈和镜像线圈的感应电动势，根据非闭合线圈的电磁感应定律可以得到：在共模干扰磁场下v_正和v_镜的方向相反、互相抵消；而在差模激励磁场下v_正和v_镜的方向相同、互相增强。

多次交叉的环线在交变的磁场环境下呈现出复杂的阻抗模型，随着环线的延长，信号反射使得电路模型更为复杂，因此每隔一段距离应该进行一次阻抗匹配。同时为了方便生产运输、安装施工和故障检修，地面交叉感应环线每400 m左右分为1段，两端设置始端箱和终端箱，其中终端箱中设置匹配阻抗，如图5所示。

2.4 地面设备方案

地面主机柜中包含2个独立的地面主机，互为冗余，分别与2套交叉感应环线对应连接。地面主机箱如图6所示，具备电源接口、交叉感应环线接口、CAN接口用于观测、光纤接口连接至牵引控制系统，网络接口连接至运控系统。地面主机负责所有的信号处理功能，其实时性和同步性在高速工况下至关重要。

格雷母线的电压信号被采集后，经由过零比较电路和模数转换电路转换为能反应绝对位置的格雷码；G0和SG0的电压信号则通过乘法器和同步解调电路转换成能反应相对位置的近似正弦信号。由此可见，相对位置和绝对位置信息的软、硬件路径均不相同，不可避免地会产生不同步性。这种不同步在中低速时并不明显，但在高速工况下则会引起较大的精度误差。

为了避免这种不同步性，本方案提出了一种高信息源同步的软件架构——仅在判定初始绝对位置时采用格雷母线信号，一旦列车启动，则通过采集G0上升沿累加绝对位置，这样绝对位置和相对位置的信息源均为G0，保证了系统在高速工况下的同步性和实时性。

3 结论

本文提出一种面向600 km/h高速磁浮的定位测速系统方案，系统总结车载-环线-地面三级协同的设备架构，并梳理子系统接口设计；通过融合应用多个关键技术，解决了悬浮间隙波动、电磁干扰与实时性难题；进一步提出环线模块化设计，显著缩短部署周期并降低工程复杂度。

需指出的是，感应环线技术因其普适性与高精度优势，成为工程实践的首选方案。然而，轨旁设备密集导致的成本问题仍不可忽视，因此优化工程方案将是未来高速磁浮测速定位的核心研究方向。