衛(wèi)星導(dǎo)航在鐵路列控系統(tǒng)中的應(yīng)用評(píng)價(jià)研究

賈云光

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

近年來，鐵路快速發(fā)展，世界各國興起了新一輪鐵路建設(shè)高潮，信號(hào)系統(tǒng)作為確保鐵路安全的重要產(chǎn)品迎來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，以衛(wèi)星定位技術(shù)為代表的新一代列控技術(shù)逐步顯現(xiàn)。

1.1 列控系統(tǒng)既有定位系統(tǒng)

當(dāng)前為鐵路列控系統(tǒng)提供測(cè)速測(cè)距服務(wù)的是一套組合的多維的測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)，包含了速度傳感器、測(cè)速雷達(dá)、加速度傳感器、應(yīng)答器、軌道電路、計(jì)軸器等[1-2]，通過以上幾種的組合為列控車載系統(tǒng)提供高安全測(cè)速測(cè)距功能，保障了列車的安全。

目前，列控系統(tǒng)應(yīng)用中，任何一種單一的傳感器都無法滿足當(dāng)前列控系統(tǒng)中安全測(cè)速測(cè)距的實(shí)現(xiàn)，因此造成鐵路列控系統(tǒng)測(cè)速測(cè)距成本代價(jià)高昂。

為此，基于衛(wèi)星定位的車載定位測(cè)速測(cè)距技術(shù)在歐洲、美國、俄羅斯等地區(qū)與國家已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究、試驗(yàn)，并已經(jīng)成功投入商業(yè)運(yùn)用，形成了一系列經(jīng)驗(yàn)，但對(duì)于列控測(cè)速測(cè)距的安全應(yīng)用缺乏一套完整的評(píng)價(jià)體系。

1.2 衛(wèi)星定位系統(tǒng)在列控系統(tǒng)中的角色定位

衛(wèi)星定位技術(shù)主要是提供地面交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)等地面設(shè)備定位的裝備[3]，對(duì)于鐵路列控系統(tǒng)，其中一項(xiàng)核心的功能便是獲得安全、精確的列車位置，為列車提供安全的控制基礎(chǔ)，如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)與列控定位系統(tǒng)的關(guān)系Fig.1 Relationship between satellite positioning navigation system and train control positioning system

既有列車定位技術(shù)能夠?yàn)榱锌叵到y(tǒng)提供安全可靠的定位技術(shù)，并滿足SIL4 的要求。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)引入列控系統(tǒng)無疑能給列車定位帶來新的選擇，并具備一系列優(yōu)點(diǎn)。但也存在一系列限制因素，這些因素制約了衛(wèi)星定位技術(shù)在列控系統(tǒng)的應(yīng)用。目前針對(duì)衛(wèi)星是否適合列控系統(tǒng)，一直沒有明確應(yīng)用評(píng)價(jià)體系來評(píng)估某條線路的列控系統(tǒng)是否適用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

就鐵路列控系統(tǒng)而言，有一系列的標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)來衡量其能否進(jìn)行安全應(yīng)用。但在北斗衛(wèi)星定位領(lǐng)域、也有一系列的指標(biāo)來衡量其自身的性能。但是這兩者之間是否存在差異，指標(biāo)是否能夠匹配鐵路列控系統(tǒng)需要進(jìn)行探討。

本文通過結(jié)合衛(wèi)星定位的特點(diǎn)、列控系統(tǒng)定位的要求以及用戶要求等，分析衛(wèi)星定位系統(tǒng)在列控系統(tǒng)中的適用性以及如何進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.3 鐵路測(cè)速測(cè)距裝備與衛(wèi)星定位差異概述

任何測(cè)速測(cè)距子系統(tǒng)都不能100%保障列車定位的安全性和可靠性，列控測(cè)速測(cè)距子系統(tǒng)也是如此。為保證列控安全，列控測(cè)速測(cè)距要求獲得SIL4[4]的安全性，SIL4 級(jí)實(shí)際上表示定位性能不滿足的概率在10-9～10-8之間?；诟怕驶A(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)，衛(wèi)星定位來評(píng)估其定位的精度，因此衛(wèi)星定位可以用于列控車載設(shè)備的SIL 等級(jí)計(jì)算。但是兩者由于原理的不同帶來不同的應(yīng)用條件，只有充分評(píng)估相關(guān)的應(yīng)用條件，才能充分確定衛(wèi)星定位在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用,如表1 所示。

表1 衛(wèi)星定位與列控其他測(cè)速定位的對(duì)比Tab.1 Comparisons between satellite positioning and other speed measurement of train control

從表1 對(duì)比可以看出，速度傳感器、雷達(dá)、應(yīng)答器3 種定位設(shè)備均存在無法解決的影響定位精度和誤差的問題。但均通過一定方法獲得了最大安全閾值，保證定位的安全。但這種定位閾值也是依賴于外部條件的，例如，雷達(dá)也依賴軌道條件、天氣因素等。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用于列車定位也存在上述問題，但衛(wèi)星定位的最大問題在于鐵路環(huán)境的復(fù)雜性，其中最主要的是在長大隧道情況下，無法收到衛(wèi)星信號(hào)，即無法提供定位服務(wù)，這與其他3 種測(cè)速測(cè)距裝置存在最大的不同。

2 衛(wèi)星定位的特點(diǎn)及用戶指標(biāo)的提出

2.1 線路環(huán)境適用性指標(biāo)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)一般由3 部分組成：空間部分、地面部分和用戶部分?？臻g部分指天空運(yùn)行的衛(wèi)星；地面部分主要用于對(duì)天空運(yùn)行的衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)控和信息注入；用戶部分主要是指為用戶提供定位信息的接收機(jī)等設(shè)備。空間部分以及地面部分一般由國家投入建設(shè)與運(yùn)營，并向公眾開發(fā)信息，用戶部分主要面向各種不同的用戶[5]。

因此，衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)于一般用戶來說，空間部分、地面部分是不需要用戶投入成本的，用戶只需要關(guān)注接收機(jī)或者建設(shè)差分基站的成本，這就為衛(wèi)星定位在列控系統(tǒng)的應(yīng)用方面提供了成本的優(yōu)勢(shì)。

由于衛(wèi)星定位是靠地面接收機(jī)捕獲衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)產(chǎn)生定位的，這為衛(wèi)星定位的使用帶來限制條件，衛(wèi)星定位系統(tǒng)天空發(fā)射的頻率主要 1.2 ～2.5 GHz 之間，該頻率的信號(hào)容易形成反射、對(duì)遮擋較為敏感，在遮擋區(qū)域，用戶設(shè)備基本失去定位功能，對(duì)于用戶來講主要影響定位的限制性因素有如下幾方面[6]。

1）天氣因素:電離層延時(shí)；對(duì)流層延時(shí)。

2）地形因素:隧道因素、多山、森林。

鑒于此，對(duì)于鐵路列控系統(tǒng)在應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)來說，就產(chǎn)生了第一個(gè)指標(biāo)，將之概括為：線路環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)用于評(píng)估線路是否適合應(yīng)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

線路環(huán)境適應(yīng)指標(biāo)之所以重要是因?yàn)樗鼪Q定衛(wèi)星定位系統(tǒng)在鐵路列控系統(tǒng)應(yīng)用前提條件，例如，在全是隧道的鐵路條件下，衛(wèi)星定位系統(tǒng)就失去應(yīng)用的價(jià)值。在應(yīng)用該指標(biāo)時(shí)，定義如下兩個(gè)參數(shù)作為評(píng)估具體值。

其中， Tshaded為列車通過時(shí)遮擋的時(shí)間， Lshaded為線路最大遮擋物的長度， sshaded為列車通過遮擋物時(shí)列車所運(yùn)行的速度。

Rshaded為線路的遮擋百分比， Lm為線路遮擋總長度， L 為線路總長度。

單體物理遮擋率的閾值根據(jù)線路閉塞方式、系統(tǒng)參數(shù)來確定，線路遮擋率通過線路測(cè)試確定，閾值一般不能超過40%，需要根據(jù)用戶要求的性能確定。

2.2 線路定位精度指標(biāo)

從用戶的角度來將，除了線路環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)外，更希望關(guān)心定位的準(zhǔn)確性，希望在使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)后，其定位準(zhǔn)確性能夠滿足用戶的需求。從定位準(zhǔn)確性的角度來說，脫離用戶的實(shí)際需求是沒有意義的，因此本指標(biāo)是在用戶的需求的背景下提出的，如果用戶在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)定位準(zhǔn)確性要求特別高，那么定位對(duì)環(huán)境的要求就會(huì)急劇提高，對(duì)定位的安全性、可靠性要求也急劇提高。

因此，使用線路定位精度指標(biāo)來表述線路定位精度指標(biāo)，與評(píng)估衛(wèi)星定位的指標(biāo)相似，本指標(biāo)應(yīng)有使用根據(jù)線路的運(yùn)營間隔、疏密等合理提出對(duì)定位精度的要求，從而確立對(duì)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用評(píng)價(jià)，對(duì)于不符合線路定位需求的衛(wèi)星定位設(shè)備，則不宜采用。

線路定位精度指標(biāo)從用戶實(shí)際應(yīng)用來說，主要有兩個(gè)方面的指標(biāo)：定位準(zhǔn)確性和定位一致性。

定位準(zhǔn)確性，是用戶要求設(shè)備定位與實(shí)際測(cè)量的線路的偏差限于一定的限制值，其可以用公式（3）表示。

根據(jù)當(dāng)前鐵路建設(shè)兩條并行鐵軌之間的最小間距要求，一般不應(yīng)該超過4 m，因此，有Δε＜4。

其 中， D2(LonS, Lats, Alts) 為 真 實(shí) 點(diǎn) 坐 標(biāo)， D1(Lon1, Lat1, Alt1)為測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)。

定位一致性，是用戶要求定位設(shè)備自定位點(diǎn)連續(xù)定位所的點(diǎn)與測(cè)量的偏差的一致性。數(shù)學(xué)上，方差用于衡量隨機(jī)變量或一組數(shù)據(jù)的離散程度，因此可以用方差指標(biāo)來評(píng)估一致性。一致性越好，說明測(cè)量點(diǎn)一定時(shí)間內(nèi)落入Δε 為圓的范圍內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)數(shù)越高，也說明其可靠性和安全越好。因此精度一致性也用圓概率，標(biāo)準(zhǔn)方差來衡量。比如，精度為1.5 m 的接收機(jī)，其精度1.5 m 一般是指的是1 σ標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)條件下的概率。

3 鐵路RAMS評(píng)價(jià)與衛(wèi)星定位指標(biāo)性應(yīng)用評(píng)價(jià)形成

鐵路列控系統(tǒng)應(yīng)遵循“故障―安全”理念，采用RAMS 評(píng)估體系[7]，列控車載系統(tǒng)需要符合如下要求[8]：

1） 車載設(shè)備的設(shè)計(jì)、 實(shí)現(xiàn)過程應(yīng)符合EN50126、EN50128、EN50129 以 及TB/T2615-94 的相關(guān)要求；

2） 車載設(shè)備平均無故障時(shí)間（MTBF）應(yīng)大于或者等于105；

3） 車載設(shè)備的安全完整性等級(jí)應(yīng)達(dá)到SIL4 級(jí)的要求。

衛(wèi)星定位系統(tǒng)，圍繞精度指標(biāo)，提出連續(xù)性、可用性、可維護(hù)性、完好性四大指標(biāo)，這四項(xiàng)指標(biāo)與鐵路RAMS 存在不一致，因此需要分析鐵路RAMS 與衛(wèi)星定位指標(biāo)性的差異。

3.1 RAMS與衛(wèi)星定位指標(biāo)的差異分析

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)引入列控系統(tǒng)中，將為列控系統(tǒng)提供定位服務(wù)，因此必須滿足列控系統(tǒng)對(duì)于定位子系統(tǒng)的安全與性能要求，并滿足故障導(dǎo)向安全原則。為實(shí)現(xiàn)以上目的，需要對(duì)比兩者之前的差異。

3.1.1 安全完整性與完好性

既有列控系統(tǒng)的測(cè)速測(cè)距子系統(tǒng)，通過置信區(qū)間的概念實(shí)現(xiàn)對(duì)源自諸如速度傳感器、雷達(dá)、應(yīng)答器等設(shè)備引入的誤差進(jìn)行安全評(píng)估，置信區(qū)間是一個(gè)范圍值，但該范圍的安全等級(jí)要求應(yīng)滿足SIL4 級(jí)，即測(cè)速測(cè)距結(jié)果超出該置信區(qū)間范圍導(dǎo)致不安全的概率在10-8～10-9之間，由此可見，既有測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)的安全性評(píng)估指標(biāo)本質(zhì)上也是一種概率事件。

在衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)中，精度是通過對(duì)定位點(diǎn)統(tǒng)計(jì)得出的，通過引入圓概率或者均方根值對(duì)精度進(jìn)行評(píng)估。RMS 是1 σ 標(biāo)準(zhǔn)差，概率為67%，顯然1 σ 無法滿足應(yīng)用要求，因此需要擴(kuò)大概率范圍，假設(shè)為6 σ，計(jì)算如下。

P{－6＜X＜6}=2φ(6)－1=2×NORM.S.DIST (6,TRUE)－1=0.999 999 998。

不符合率=1－0.999 999 998=0.000 000 002= 2×10-9。

在7 σ 的情況下：

P{－7＜X＜7}=2φ(7)－1=2×NORM.S.DIST (7,TRUE)－1=0.999 999 999 997 440。

不符合率=1－0.999 999 999 997 440=0.000 000 000 002 560=2.56×10-12。

從概率這個(gè)概念來說，衛(wèi)星定位的精度和列控置信區(qū)間具有相通性，因此，只要北斗精度概率滿足一定的概率要求，可以作為參與列控車載的置信區(qū)間計(jì)算和THR 指標(biāo)分配的。

3.1.2 連續(xù)性與可靠性

當(dāng)前國內(nèi)高鐵列控系統(tǒng)要求的平均無故障時(shí)間MTBF 一般為大于或等于105h。這里的MTBF 是指的車設(shè)備連續(xù)工作不發(fā)生故障的概率，對(duì)于車載測(cè)速測(cè)距置信區(qū)間，其不超出置信區(qū)間連續(xù)工作時(shí)間： MTBF≥105h。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的連續(xù)性是指衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能不滿足用戶使用性能的概率；因此，連續(xù)性評(píng)估的指標(biāo)則為：那么不發(fā)生故障的概率為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的連續(xù)性指的是精度（準(zhǔn)確性）和完好性同時(shí)滿足時(shí)的連續(xù)性。

綜上，北斗衛(wèi)星定位連續(xù)性與車載設(shè)備的可靠性概念具有相同性，滿足連續(xù)性的北斗定位系統(tǒng)在達(dá)到車載可靠性等級(jí)的情況下可以用于列控車載設(shè)備。但由于北斗衛(wèi)星定位的連續(xù)性涉及到空間、地面設(shè)備，對(duì)于安全用戶來說，不受控制的因素較多。因此，提高北斗衛(wèi)星空間信號(hào)的連續(xù)性是列控車載設(shè)備使用需要考慮的問題。

3.1.3 可用性的比較

可用性是評(píng)價(jià)導(dǎo)航系統(tǒng)為運(yùn)載體提供可用導(dǎo)航服務(wù)的時(shí)間百分比。與連續(xù)性的區(qū)別在于考慮了導(dǎo)航系統(tǒng)故障時(shí)狀態(tài)，即平均恢復(fù)時(shí)間：MTTR。

在鐵路RAMS 系統(tǒng)，也存在相應(yīng)的指標(biāo)來評(píng)估鐵路列控產(chǎn)品的可用性。

由于長大隧道等對(duì)衛(wèi)星定位造成的可用性也屬于衛(wèi)星定位可用的要素，但此處將該要素歸于線路環(huán)境適用性指標(biāo)評(píng)價(jià)，其余關(guān)于衛(wèi)星定位設(shè)備的可用性問題就與鐵路列控產(chǎn)品可用性問題取得一致，即用MTTR 來評(píng)估衛(wèi)星定位設(shè)備在鐵路列控系統(tǒng)的可用性問題。

3.1.4 可維護(hù)性的比較

對(duì)于衛(wèi)星定位系統(tǒng)，由于其空間部分由相關(guān)國家建設(shè)運(yùn)行和維護(hù)，因此，這部分不存在維護(hù)性問題，與用戶相關(guān)的就是接收機(jī)部分的可維護(hù)性問題。

由于接收機(jī)可安裝于列車上，因此其可以用鐵路RAMS 指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)和評(píng)估，其差異性也不存在問題。

綜上，鐵路RAMS 指標(biāo)與衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的指標(biāo)存在內(nèi)在聯(lián)系，并可以作為技術(shù)性指標(biāo)評(píng)估衛(wèi)星定位在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用，但在應(yīng)用時(shí)，需要注意內(nèi)在的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換。

4 衛(wèi)星定位應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路列控車載設(shè)備最終目的，是降低列控系統(tǒng)定位成本，在滿足定位要求的前提下降低設(shè)備維護(hù)成本。

評(píng)價(jià)衛(wèi)星定位系統(tǒng)引入列控系統(tǒng)成本是否降低，最直接就是與現(xiàn)有的列控定位系統(tǒng)作比較。

現(xiàn)在有列控系統(tǒng)定位系統(tǒng)主要如下。

1） 速度傳感器

速度傳感器主要安裝車輛輪軸上實(shí)現(xiàn)對(duì)列車速度的測(cè)量。

2） 雷達(dá)

雷達(dá)主要安裝在列車底部實(shí)現(xiàn)對(duì)列車速度的測(cè)量。

3） 軌道電路

軌道電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的占用檢查，主要由軌道電路的地面設(shè)備和車載接收裝置組成。

4） 應(yīng)答器定位系統(tǒng)

應(yīng)答器定位系統(tǒng)主要在鐵路沿線布置精確定位點(diǎn)，通過列車安裝接收設(shè)備，在列車經(jīng)過地面定位點(diǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)列車位置的測(cè)量。

由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的引入主要用于取代軌道電路、應(yīng)答器等定位裝置，因此經(jīng)濟(jì)效益的評(píng)價(jià)主要是通過與以上系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比。此處拿應(yīng)答器設(shè)備舉例，如表2 所示。

表2 衛(wèi)星定位與應(yīng)答器定位系統(tǒng)給的設(shè)備對(duì)比Tab.2 Comparisons between satellite positioning and equipments provided by balise positioning system

因此，有如下公式：

x 表示k km 所安裝地面設(shè)備總的設(shè)備投入，y表示k km 安裝車載設(shè)備的總的投入，Eco 表示該定位系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

5 總結(jié)

綜合以上論述，將衛(wèi)星導(dǎo)航在鐵路列控系統(tǒng)中的應(yīng)用評(píng)價(jià)指標(biāo)總結(jié)為4 個(gè)方面：線路環(huán)境使用性指標(biāo)、線路定位精度指標(biāo)、技術(shù)性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)應(yīng)用評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星定位應(yīng)用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 satellite positioning application evaluation index system

通過上述4 大指標(biāo)的對(duì)衛(wèi)星定位技術(shù)在鐵路線路的應(yīng)用評(píng)估，基本可以確定衛(wèi)星定位系統(tǒng)在某線路列控系統(tǒng)的應(yīng)用可行性。

本文通過衛(wèi)星定位在列控系統(tǒng)的應(yīng)用評(píng)價(jià)指標(biāo)的初步探討僅停留在分析層面，未來將結(jié)合具體的項(xiàng)目需求進(jìn)行驗(yàn)證和試用。同時(shí)，列控系統(tǒng)對(duì)安全的要求較為苛刻，因此衛(wèi)星定位技術(shù)在高鐵列控系統(tǒng)的中的應(yīng)用還需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行論證。