衛(wèi)星導(dǎo)航在鐵路列車控制領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展*

· 文 |北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 劉江 蔡伯根 王劍

衛(wèi)星導(dǎo)航在鐵路列車控制領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展*

· 文 |北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院 劉江 蔡伯根 王劍

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)在世界范圍內(nèi)的迅速發(fā)展，對多種交通運輸系統(tǒng)方式的革新與發(fā)展均起到了十分顯著的作用。鐵路運輸系統(tǒng)作為我國國民經(jīng)濟的大動脈，具有運量大、占地多、單位運量耗能低等諸多特點，與常規(guī)的道路交通運輸方式相比具有顯著差異。近年來，我國高速鐵路已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展時期，廣大中西部鐵路路網(wǎng)覆蓋也已成為未來時期的重要方向，在鐵路運輸系統(tǒng)的建設(shè)、運營、管理等眾多過程中，鐵路專用移動體、特定目標(biāo)的位置信息，是眾多鐵路功能領(lǐng)域的支撐性基礎(chǔ)因素?；谖恢玫蔫F路服務(wù)（Location-based Service for Railway，LBS-R）已成為鐵路系統(tǒng)功能運轉(zhuǎn)、效能提升的重要內(nèi)容。

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，我國鐵路運輸系統(tǒng)自21世紀(jì)初開始逐步引入衛(wèi)星導(dǎo)航，其在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用先后經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：初始階段，借鑒其它領(lǐng)域GPS技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗，開始采用GPS實施列車等關(guān)鍵目標(biāo)體的定位、系統(tǒng)授時等方面的技術(shù)嘗試和應(yīng)用探索；技術(shù)積累階段，美國、歐盟先后結(jié)合GPS、GALILEO系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展逐步開始從技術(shù)與應(yīng)用層面大力推動衛(wèi)星定位在鐵路列車運行控制等安全領(lǐng)域的發(fā)展，為國內(nèi)開展相關(guān)研究和技術(shù)應(yīng)用提供了重要的外部環(huán)境，北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)的建設(shè)以及2006年開通運營的青藏鐵路格（格爾木）拉（拉薩）段率先在國內(nèi)采用GPS定位實施列車運行控制，為衛(wèi)星導(dǎo)航實質(zhì)性應(yīng)用于鐵路運輸服務(wù)提供了重要的發(fā)展契機，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于列車定位以及鐵路領(lǐng)域的測量測繪、調(diào)度指揮、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測等眾多方面實現(xiàn)了技術(shù)積累；應(yīng)用融合階段，隨著2012年起北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供亞太區(qū)域服務(wù)，衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展時期，其在鐵路運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用效益日趨顯著，鐵路系統(tǒng)的自主化、信息化、智慧化發(fā)展為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用提供了新的機遇，特別是在列車定位技術(shù)及其所支持的眾多鐵路生命安全應(yīng)用方面，同時也對衛(wèi)星導(dǎo)航及其增強系統(tǒng)提出了更多要求。

本文將重點從鐵路列車定位技術(shù)的特點及發(fā)展情況出發(fā)，分析列車運行控制系統(tǒng)（下文中簡稱列控系統(tǒng)）這一核心應(yīng)用中列車定位的具體需求，對衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)在鐵路定位領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢、潛在模式、推進(jìn)方向進(jìn)行總結(jié)，并對未來發(fā)展進(jìn)行了展望和建議。

一、列車定位技術(shù)及其特點分析

列車作為鐵路客貨運輸活動的主要載體，其運行狀態(tài)的感知是實施鐵路運營、管理、調(diào)度、控制等相關(guān)功能的核心基礎(chǔ)。相比于道路車輛等其他陸用載體，列車的運行過程及相應(yīng)的定位功能具有其特殊性，主要集中在以下三個方面：①運行空間受限性；②位置的一維屬性；③運行過程計劃性；

基于上述特征，列車控制系統(tǒng)領(lǐng)域長期以來普遍采用的列車定位與測速技術(shù)，如軌道電路、脈沖速度傳感器、應(yīng)答器、多普勒雷達(dá)等，均在其一維受限條件下針對性提出，且與鐵路系統(tǒng)車、地協(xié)同的運行過程緊密聯(lián)系。近年來，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)因其顯著的性能及成本效益，逐步被引入鐵路系統(tǒng)用于列車定位測速，所能帶來的最大優(yōu)勢在于應(yīng)用衛(wèi)星定位在盡可能減少系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)成本的基礎(chǔ)上確保一定的性能效益。然而，對于列車控制等安全應(yīng)用而言，衛(wèi)星定位因其面臨的一些制約因素，如信號遮擋、多徑效應(yīng)、信號干擾等，如何進(jìn)一步從系統(tǒng)服務(wù)能力方面提升衛(wèi)星定位的應(yīng)用性能，是使其滿足特定需求并發(fā)揮其“成本-效能”優(yōu)勢的決定性問題。伴隨著衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)建設(shè)及應(yīng)用的熱潮，利用增強系統(tǒng)提供的服務(wù)進(jìn)一步確保其在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用能力逐步成為可能，為未來形成更大范圍、更多方向、更深層次的基于衛(wèi)星導(dǎo)航的鐵路專用定位應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。

二、列車控制領(lǐng)域衛(wèi)星定位技術(shù)發(fā)展動態(tài)

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路應(yīng)用系統(tǒng)中的性能、成本、市場、戰(zhàn)略等多個層面所顯現(xiàn)的巨大潛力及價值，開發(fā)并應(yīng)用基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車運行控制系統(tǒng)已成為世界范圍內(nèi)鐵路系統(tǒng)及技術(shù)領(lǐng)域的重要共識，并已成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路系統(tǒng)安全應(yīng)用領(lǐng)域的引領(lǐng)性發(fā)展方向。對世界范圍內(nèi)主要的代表性應(yīng)用發(fā)展情況總結(jié)如下。

（1）美國

美國是世界上最早將衛(wèi)星導(dǎo)航引入鐵路列車控制領(lǐng)域的國家。近年來，美國聯(lián)邦鐵路管理局、美國海岸警衛(wèi)隊和聯(lián)邦公路管理局共同經(jīng)營并維護(hù)了專用的地面增強系統(tǒng)——NDGPS（Nationwide Differential Global Positioning System），可提供用于鐵路列車定位及控制系統(tǒng)的完全無償開放的增強服務(wù)，支持五個等級的NDGPS應(yīng)用，并計劃通過采用國際標(biāo)準(zhǔn)建造的方式構(gòu)建全球范圍的無縫增強服務(wù)，如圖1所示。

圖1 美國NDGPS全球無縫增強服務(wù)

（2）歐盟

歐盟自上世紀(jì)90年代開始發(fā)展Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將鐵路安全運輸作為Galileo應(yīng)用服務(wù)的一個重要方向，特別是在鐵路列車運行控制方面，為了提高運營效率、互操作性并保證安全，拓展ERTMS（European Rail Traffic Management System，歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)）規(guī)范使其滿足日益增長的鐵路發(fā)展需求，有效降低歐洲列車控制系統(tǒng)（European Train Control System，ETCS）運營成本，先后提出了ETCS-LC（Low Cost）、NGTC（Next Generation Train Control）計劃，旨在利用衛(wèi)星導(dǎo)航替代、優(yōu)化既有的位置決策系統(tǒng)（Location Determination System，LDS），實施高自主性、低成本化的列車定位及占用檢查，提升系統(tǒng)靈活性及適用性。

（3）中國

青藏鐵路是修建在世界屋脊上海拔最高、線路最長的高原鐵路，大部分處于動土區(qū)和無人區(qū)，全長1956km，海拔4000m以上地段長度約965km，自然環(huán)境惡劣，列控系統(tǒng)的選擇除了要滿足列車安全快速通過的需求，還需要實現(xiàn)無維修、少維護(hù)的管理需要，為此，引進(jìn)了ITCS列控系統(tǒng)，率先在國內(nèi)實際運營線路上運用基于GPS衛(wèi)星定位的列車控制模式，極大減少了地面軌旁設(shè)備的運用及維護(hù)量。為了確保采用GPS定位的精度及其他應(yīng)用要求，沿線建設(shè)局域差分增強系統(tǒng)提供性能增強服務(wù)，隨車站設(shè)置GPS差分站，通過鐵路專用GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)向列車車載設(shè)備傳輸差分信息，車載接收機計算列車精確位置并結(jié)合線路數(shù)據(jù)庫確定運行方向及所占用虛擬閉塞分區(qū)，并向地面發(fā)送位置報告。

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展以及我國自主化列車控制技術(shù)的實施進(jìn)程，將GPS、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及其增強系統(tǒng)應(yīng)用于列車控制領(lǐng)域并實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)及核心資源的自主化成為了重要的發(fā)展議題，鐵道部（2013年后為中國鐵路總公司）自2012年起設(shè)立了“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路應(yīng)用研究”項目，主持開展北斗鐵路應(yīng)用的頂層規(guī)劃設(shè)計，并先后啟動了多項衛(wèi)星導(dǎo)航在列車控制與安全領(lǐng)域的研究開發(fā)計劃?？萍疾坑?014年設(shè)立了“基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車運行控制技術(shù)合作研究”計劃，在國內(nèi)率先啟動了與德國在衛(wèi)星導(dǎo)航列控應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)合作。此外，國內(nèi)多個鐵路通信信號設(shè)備廠商均開始將北斗導(dǎo)航納入為未來技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的發(fā)展方向，同時為我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展星基、地基增強系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)儲備。

三、列控系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航性能需求總結(jié)

針對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于列車定位存在的相應(yīng)特點，結(jié)合列車控制系統(tǒng)的安全苛求特征，如何針對性地確定列控應(yīng)用對衛(wèi)星導(dǎo)航的性能需求，是開展相關(guān)研究并推進(jìn)實踐應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，國外研究人員結(jié)合列車控制的特定場景對衛(wèi)星導(dǎo)航在用戶終端層次的性能需求進(jìn)行了較系統(tǒng)的總結(jié)，主要包括六個方面：①精確性；②完好性；③連續(xù)性；④可用性；⑤可維護(hù)性；⑥覆蓋度。

基于上述框架，歐洲研究人員在21世紀(jì)初按不同線路等級對用于列控系統(tǒng)的衛(wèi)星定位性能需求量化指標(biāo)進(jìn)行了分析與總結(jié)，如表1所示。此外，2014年發(fā)布的美國聯(lián)邦無線電導(dǎo)航計劃也對鐵路用戶的性能需求進(jìn)行了總結(jié)，涵蓋了列車運行控制、軌道缺陷定位、測繪、橋梁監(jiān)測等多個應(yīng)用方面，其中，用于列車運行控制的需求如表2 所示。

表1 列控系統(tǒng)列車衛(wèi)星定位性能需求指標(biāo)（歐盟，2000年）

表2 列控系統(tǒng)列車衛(wèi)星定位性能需求指標(biāo)（美國，2014年）

上述性能需求及指標(biāo)體系均從衛(wèi)星導(dǎo)航自身出發(fā)構(gòu)建，而在列控系統(tǒng)領(lǐng)域，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50126定義的RAMS指標(biāo)體系是對鐵路安全專用裝備的基本要求，從由衛(wèi)星導(dǎo)航性能需求驅(qū)動的上述列車定位性能指標(biāo)向?qū)嶋H場景的應(yīng)用特性進(jìn)行轉(zhuǎn)化，需要在不同的指標(biāo)體系之間挖掘其對應(yīng)和轉(zhuǎn)換關(guān)系。對于如何向RAMS指標(biāo)體系進(jìn)行映射方面，歐洲研究人員較早開始了相應(yīng)的方法探索，如圖2所示，以安全性、可信性為核心描述了基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車定位及控制性能框架。

圖2 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車定位性能框架

四、衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)列控應(yīng)用發(fā)展思路

從目前在國內(nèi)外開展的研究、試驗工作結(jié)果來看，脫離衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)實施列車衛(wèi)星定位在精度方面尚無法滿足列控系統(tǒng)的特定要求，除精度以外，定位系統(tǒng)的完好性及其它與安全相關(guān)的指標(biāo)也無法得以保障，結(jié)合青藏鐵路及國外其它基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車控制系統(tǒng)實例經(jīng)驗來看，對鐵路列車控制及其它相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)及其服務(wù)的主要模式預(yù)期如下：

（1）基于局域差分的方案

沿鐵路線路布設(shè)局域衛(wèi)星定位差分基準(zhǔn)站，作為列控系統(tǒng)地面（軌旁）設(shè)備的一部分，接入列控系統(tǒng)專用的車-地傳輸通道實現(xiàn)差分站的遠(yuǎn)程管理并向車載接收終端提供增強服務(wù)，如圖3所示。我國青藏鐵路目前即采用此方案，參考接收機的差分信息通過地面VBC（Virtual Block Controller）及GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至車載接收機，提供3～5m的定位精度?？傮w來看，該方案需要鐵路應(yīng)用系統(tǒng)為衛(wèi)星增強服務(wù)耗費一定的建設(shè)、維護(hù)成本，且所提供的服務(wù)能力與投入直接相關(guān)。

圖3 局域差分增強方案示意

圖4 基于地基增強的方案示意

（2）基于地基增強的方案

采用CORS（Continuous Operational Reference System）差分等方式為列車定位提供增強服務(wù)，擬建設(shè)的國家/行業(yè)數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)，能夠為鐵路專用用戶提供整合、優(yōu)化的數(shù)據(jù)處理、播發(fā)與服務(wù)接入，有效提升衛(wèi)星定位性能，如圖4所示。列控系統(tǒng)目前所采用的GSM-R網(wǎng)絡(luò)以及未來的LTE-R網(wǎng)絡(luò)能為地基增強系統(tǒng)提供鐵路專用的服務(wù)接入通道。然而，該方案的實施需要解決監(jiān)測站、數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)等設(shè)施的專用化問題，確保為列車控制這一應(yīng)用提供穩(wěn)定有效的支持。

（3）基于星基增強的方案

采用衛(wèi)星導(dǎo)航的星基增強系統(tǒng)，如規(guī)劃中的北斗星基增強系統(tǒng)BDSBAS，其系統(tǒng)設(shè)計、試驗與建設(shè)，在民航用戶的一類精密進(jìn)近服務(wù)基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步納入鐵路領(lǐng)域安全應(yīng)用需求，拓展行業(yè)覆蓋力，直接隨衛(wèi)星信號的播發(fā)、接收提供增強服務(wù)，如圖5所示。該方案對于既有的鐵路列控系統(tǒng)所需的改動最小，且無需專用傳輸通道、測站及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的支持，僅需更換特定終端即可實現(xiàn)，但需要完備的星基增強系統(tǒng)隨衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同步提供服務(wù)。

通過以上分析以及對目前鐵路領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航及其增強系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀的總結(jié)，對列控領(lǐng)域未來的拓展應(yīng)用方向進(jìn)行展望如下：

（1）衛(wèi)星定位終端及技術(shù)

開發(fā)可用于鐵路生命安全服務(wù)的專用型衛(wèi)星導(dǎo)航終端，突破多星座兼容、多源傳感器集成、軌道電子地圖構(gòu)建與融合、自主完好性監(jiān)測與增強等關(guān)鍵技術(shù)，將虛擬應(yīng)答器等相關(guān)的兼容化手段有效融入既有的列控系統(tǒng)技術(shù)體系并開展針對性的安全認(rèn)證及評估，將有效應(yīng)用既有導(dǎo)航衛(wèi)星資源，產(chǎn)生顯著的鐵路行業(yè)效益。

（2）地基/星基增強的構(gòu)建

鐵路等行業(yè)需求驅(qū)動下北斗地基/星基增強系統(tǒng)計劃的實施，將充分體現(xiàn)北斗系統(tǒng)的兼容開放特征，為在世界范圍內(nèi)鐵路領(lǐng)域形成深度融合與合作提供條件，進(jìn)一步凝聚行業(yè)應(yīng)用對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的價值。在此過程中，專用增強網(wǎng)絡(luò)及其服務(wù)與未來鐵路專用系統(tǒng)裝備的協(xié)同是關(guān)鍵，如何借鑒航空等領(lǐng)域?qū)㈣F路列控系統(tǒng)等應(yīng)用的需求從用戶終端級向衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)SIS層面的轉(zhuǎn)化，是國內(nèi)外在此方向均十分關(guān)注也必須解決的核心難題。

（3）專用標(biāo)準(zhǔn)與測試評估

為了驗證衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用于列車控制等安全應(yīng)用領(lǐng)域的實際能力，使其滿足鐵路領(lǐng)域特定的安全需求，如何將現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系向鐵路行業(yè)進(jìn)行輻射，并構(gòu)建面向?qū)Ш较到y(tǒng)級、用戶終端級、應(yīng)用系統(tǒng)級等多個層次的專用測試平臺及評估體系，是規(guī)范并協(xié)同鐵路專用衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。面向鐵路應(yīng)用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)指標(biāo)體系與專用測試評估技術(shù)是我國當(dāng)前面臨的一項十分緊迫的需求，后續(xù)潛力顯著，對鐵路領(lǐng)域衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)及成果的自主化、國際化作用巨大。業(yè)特定應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及測試評估體系，從而為新一代智慧化鐵路運輸服務(wù)提供關(guān)鍵支持。

圖5 基于星基增強的方案示意

五、結(jié)論

我國鐵路運輸系統(tǒng)及列車運行控制這一關(guān)鍵領(lǐng)域正在面臨十三五階段新的發(fā)展機遇，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在列車控制領(lǐng)域的應(yīng)用已進(jìn)入世界范圍內(nèi)的協(xié)同與融合發(fā)展時期，衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)所能提供的性能增強及輔助能力是未來列控系統(tǒng)發(fā)展的必然需求，具有十分顯著的發(fā)展應(yīng)用潛力。我國應(yīng)在整合融匯多個應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，加快開展面向?qū)Ｓ妙I(lǐng)域的衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)建設(shè)，完善面向行

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＊本文研究來源于國家自然科學(xué)基金項目“面向列車運行安全控制的列車衛(wèi)星定位自主完好性監(jiān)測關(guān)鍵問題研究（61403021）”。