北斗鐵路列車衛(wèi)星定位與輔助預警系統(tǒng)

余顏麗 虞 凱

（中國中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 概述

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，與美國GPS、俄羅斯格洛納斯、歐盟伽利略系統(tǒng)并稱全球4大衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務[1]。與GPS、格洛納斯和伽利略系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)的優(yōu)勢在于短信服務和導航結(jié)合，增加了通信功能；自主系統(tǒng)，高強度加密設計，安全、可靠和穩(wěn)定，適合關鍵部門應用[2]。目前北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于交通運輸、通信、電力、金融、氣象、海洋和水文監(jiān)測等各個方面。

在我國鐵路領域，凡與衛(wèi)星導航相關的技術(shù)產(chǎn)品，一般都采用GPS。隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設和應用，以及我國既有線列車提速和客運專線建設步伐加快，北斗導航衛(wèi)星將在鐵路行業(yè)開展大面積應用，例如列車、地質(zhì)災害的監(jiān)控和工程測量等[3]。

實時、精確地確定列車在線路中的位置是保證安全、發(fā)揮效率、提供最佳服務的前提。在軌道交通行車安全和指揮系統(tǒng)中，列車定位是一項關鍵性的技術(shù)。準確、及時地獲取列車位置信息，是列車安全、有效運行的保障。針對此，本文引入北斗衛(wèi)星導航技術(shù)，提出北斗鐵路列車衛(wèi)星定位與輔助預警系統(tǒng)，防止列車追尾事故的發(fā)生。該系統(tǒng)是一種相對獨立于信號系統(tǒng)的列車追蹤接近預警系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)π旭傊辛熊囘M行準確定位，并根據(jù)鐵路運行列車的運行位置進行相鄰列車間距預警計算。當相鄰列車間的距離達到預警條件時，提示司機和調(diào)度人員注意行車安全，同時，當運用成熟時，可提供與列車調(diào)度體系中其他運行系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)接口。

2 系統(tǒng)需求

本系統(tǒng)的實現(xiàn)，首先需要確定合適的列車追蹤預警距離，既要保證在列車間距超過認可的安全范圍時及時提醒司機，又要避免頻繁提醒對司機正常行車的干擾；其次需要按不同線路、不同線別（上行、下行）對運行列車進行位置識別，根據(jù)線路間距等技術(shù)指標綜合考慮系統(tǒng)中對列車定位精度的要求。

2.1 列車追蹤預警距離

列車預警距離應包含3部分：列車緊急制動距離、司機做出判斷時列車運行距離和預警信息傳輸時列車運行距離。

按照我國鐵路相關規(guī)定的要求[4，5，6]，列車的緊急制動距離如表1所示。

表1 列車緊急制動距離限值表

從表1可以知道，列車在不同制動初速度時的緊急制動距離限值是不同的，系統(tǒng)中可以考慮按列車運行速度的不同設置預警距離。

同時，為了降低接近預警提示對司機的干擾，系統(tǒng)中設置的預警距離應該大于列車緊急制動距離限值，但也不能設置過大而影響預警效果?？紤]系統(tǒng)對司機預警后給司機30 s的思考和處理時間，然后司機才可能采取相應的處理措施，因此,這段時間內(nèi)列車的運行距離如表2所示。

表2 30 s內(nèi)不同運行速度的列車運行距離表

預警信息傳輸時延與所選用的通信網(wǎng)絡有關。按最大傳輸時延10 s考慮，則在這段時間內(nèi)列車的運行距離如表3所示。

表3 10 s內(nèi)不同運行速度的列車運行距離表

由此，可計算得到針對不同運營速度的線路，列車追蹤預警距離如表4所示。

表4 不同運營速度線路的列車追蹤預警距離表

2.2 列車運行位置定位精度

列車運行位置的定位可按軌道方向分為縱向和橫向?？v向上，系統(tǒng)對列車位置的定位精度應保證能識別在同一軌道上運行的前后兩列車,能達到100 m就足夠了；橫向上，系統(tǒng)對列車位置的定位精度應保證能識別在上行軌道和下行軌道上運行的兩列車，需根據(jù)高速鐵路上、下行線路線間最小間距而確定。

按照我國鐵路相關規(guī)定的要求[4，5，6]，高速鐵路區(qū)間正線、站內(nèi)正線的線間最小距離如表5所示。

表5 鐵路線間距要求

按線間最小距離4 000 mm考慮，列車追蹤接近預警系統(tǒng)可按列車定位精度優(yōu)于2 m考慮。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

北斗鐵路列車衛(wèi)星定位與輔助預警系統(tǒng)由預警中心、GSM-R通信網(wǎng)絡、定位及預警系統(tǒng)車載終端（簡稱車載終端）、差分基準站等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

北斗鐵路列車衛(wèi)星定位與輔助預警系統(tǒng)由列車衛(wèi)星定位子系統(tǒng)和列車安全行駛輔助預警子系統(tǒng)構(gòu)成。

列車衛(wèi)星定位子系統(tǒng)實現(xiàn)對列車運行位置的精確定位，主要由車載終端、差分基準站、GSM-R通信網(wǎng)絡構(gòu)成。車載終端和差分基準站實時接收北斗定位衛(wèi)星的信號，計算位置信息，并通過GSM-R網(wǎng)絡位置信息（包括經(jīng)度、緯度等）實時傳送至列車安全行駛輔助預警子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心。

列車安全行駛輔助預警子系統(tǒng)主要由預警中心、GSM-R通信網(wǎng)絡構(gòu)成。預警中心接收來自于列車衛(wèi)星定位子系統(tǒng)的定位信息，計算列車間的距離，對列車間距實時監(jiān)控。當列車間距達到預警距離時，則通過車地無線網(wǎng)絡發(fā)送預警信息給司機，為司機提供輔助預警，防止列車追尾事故的發(fā)生。

4 列車衛(wèi)星定位子系統(tǒng)

4.1 定位技術(shù)方案

列車在運行過程中，由于線路、地形及其他情況的變化較大，不同的地方需要采用不同的定位方式。在鐵路區(qū)間北斗衛(wèi)星信號接收狀況良好的情況下，采用北斗衛(wèi)星定位。當在隧道、山區(qū)、森林和城市建筑群等處，北斗衛(wèi)星信號會減弱或消失，這時需要采用其他輔助定位方式。

可供選擇的輔助定位方式如下。

1）車輪速度傳感器定位

利用列車車輪速度傳感器脈沖信號，計算列車實時運行速度。在北斗衛(wèi)星信號失效時，根據(jù)列車速度推算列車運行位置。由于列車在運行過程中輪軌磨損，空轉(zhuǎn)、打滑，利用車輪速度傳感器計算列車運行速度存在較大的誤差。

2）采用航位推算（DR）進行定位

采用DR方法進行定位，在進入隧道后利用陀螺儀判斷列車運行方向，通過讀取列車在進入隧道時的即時速度，配合加速度傳感器獲得精確的位置信息。DR是典型的獨立定位技術(shù)[7]。其原理就是陸地車輛定位可以認為是行駛在二維平面內(nèi)，在已知起點的情況下，測出車輛行駛的方向和距離，求出X、Y方向上的位移量，從而推算出行駛列車的位置。

綜合考慮，本系統(tǒng)采用“北斗衛(wèi)星+DR組合定位”的方案。結(jié)合目前我國鐵路列車己有的行車監(jiān)控儀，并安裝上壓電速率陀螺，與定位終端一起形成衛(wèi)星定位+DR組合定位導航方案。方案示意如圖2所示。

4.2 衛(wèi)星差分定位技術(shù)方案

對列車運行位置的精確定位是列車安全行駛輔助預警系統(tǒng)的關鍵點。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度在10 m左右，尚不能滿足列車精確定位的要求，需要采取差分等誤差補償處理技術(shù)。

差分定位是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間相對位置的方法[8]。為了實現(xiàn)差分定位，需在鐵路沿線設置地面衛(wèi)星差分基準站，要達到高精度定位，大概每50 km需要設置1個差分站。同時，為了傳輸?shù)孛嫘l(wèi)星差分基準站接收的衛(wèi)星差分定位信息，還需要在地面衛(wèi)星差分基準站與預警中心建立傳輸通道。采取衛(wèi)星差分定位技術(shù)后，定位精度優(yōu)于1 m，根據(jù)定位信息可以很容易識別出列車當前的運行線路、運行線別等。

4.3 車地無線數(shù)據(jù)通信方案

車地無線通信用于運行中的列車與預警中心之間的通信，實現(xiàn)列車定位信息、預警信息、差分定位信息的無線傳輸。適合車地無線數(shù)據(jù)通信的主要方式如下。

1）衛(wèi)星通信

目前，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具備短報文通信的能力。然而，對于山區(qū)、隧道等區(qū)域，衛(wèi)星信號無法實現(xiàn)覆蓋，則存在通信盲區(qū)，通信不可靠。

2）公眾移動通信網(wǎng)

公眾移動通信網(wǎng)提供短消息和通用分組無線業(yè)務（General Packet Radio Service，GPRS）兩種通信方式。公眾移動通信網(wǎng)同樣存在信號覆蓋不足的問題，通信可靠性不能得到保障。

3）鐵路專用無線通信網(wǎng)

目前，所有鐵路區(qū)段均設置有鐵路專用移動通信系統(tǒng)，如GSM-R（GSM for Railw ay）通信系統(tǒng)等。GPRS是在GSM基礎上發(fā)展起來的移動高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務。GSM-R系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)下行信道平均吞吐量大約為3～5 k By te/s，上行信道平均吞吐量大約為2～3 k By te/s。目前GPRS網(wǎng)絡主要承載的調(diào)度命令信息無線傳送、列車無線車次號校核信息傳送和DM S信息傳送等業(yè)務的容量約占系統(tǒng)容量的三分之一左右。

本系統(tǒng)的列車定位信息和預警信息數(shù)據(jù)量少，一般在幾十By te/s左右；差分信息大概為200～300 By te/s。因此，GSM-R系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)絡完全有能力承擔本系統(tǒng)的業(yè)務傳輸，可作為車地無線傳輸平臺的首選方案。

5 列車安全行駛輔助預警子系統(tǒng)

5.1 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖3所示，列車安全行駛輔助預警子系統(tǒng)主要由預警中心、通信網(wǎng)絡、車站預警接口3部分組成，預警中心配置有數(shù)據(jù)庫服務器、應用服務器、通信服務器、G IS服務器和顯示終端，并具有與列車調(diào)度體系中其他運行系統(tǒng)等的外部數(shù)據(jù)接口。

數(shù)據(jù)庫服務器：接收從通信服務器傳送來的列車運行實時信息和提供用戶的各種共享信息，經(jīng)整合處理并存在數(shù)據(jù)庫中，并為各級應用服務提供相應的信息服務。

通信服務器：負責數(shù)據(jù)信息的整合和數(shù)據(jù)流的動態(tài)管理。其內(nèi)容包括車-地信息轉(zhuǎn)發(fā)、地-車信息轉(zhuǎn)發(fā)、地-地信息轉(zhuǎn)發(fā)。

應用服務器：完成對輸入系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)的綜合處理，包括列車安全行駛的狀態(tài)監(jiān)控信息的獲取、安全輔助預警計算、信息查詢與統(tǒng)計等。

G IS服務器：存儲鐵路網(wǎng)絡的地理信息數(shù)據(jù)，處理其他服務器發(fā)送的查詢請求，進行空間地理數(shù)據(jù)分析等。

顯示終端：負責以二維視圖、三維視圖等形式展示列車運行狀態(tài)，實現(xiàn)可視化管理。

5.2 子系統(tǒng)功能

列車安全行駛輔助預警子系統(tǒng)的總體功能主要包括：基礎信息管理、列車安全行駛監(jiān)控、安全行駛輔助預警、信息查詢與統(tǒng)計分析、人機交互界面、系統(tǒng)維護6個功能模塊。各功能模塊詳細的功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

基礎信息管理：形成列車安全行駛監(jiān)控與預警基礎信息數(shù)據(jù)庫，對北斗信息、列車基礎信息、機車基礎信息及其他基礎信息等進行整合與管理。

列車安全行駛監(jiān)控：通過將列車車載終端設備獲得的位置數(shù)據(jù)、以及其他系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)信息接入列車安全行駛輔助預警系統(tǒng)中，并進行整合、集成、處理、管理等操作，實現(xiàn)列車安全行駛的實時監(jiān)控。

安全行駛輔助預警：主要功能為預警規(guī)則設置、安全預警計算及提示、預警信息管理。通過建立列車安全行駛預警指標體系和模型，劃分安全預警等級。預警中心根據(jù)列車運行位置信息對同一鐵路正線運行的列車按照上、下行線路分別進行列車追蹤預警計算，判斷同一線別上相鄰列車的距離。當發(fā)生越限、故障時，系統(tǒng)向司機發(fā)出安全預警提示。

信息查詢與統(tǒng)計分析：對歷史監(jiān)控與預警信息進行分析統(tǒng)計，用戶可以通過監(jiān)控信息查詢來獲得所監(jiān)控列車的在途行駛信息、運行狀態(tài)、輔助預警評估和其他詳細情況。

人機交互界面：在對北斗精確位置數(shù)據(jù)信息綜合處理的基礎上進行列車在途行駛運行狀態(tài)的可視化展示，并為上級領導或列車調(diào)度體系中其他應用服務系統(tǒng)提供直觀的視圖展示和決策支持。

系統(tǒng)維護：包括用戶管理、權(quán)限設置、數(shù)據(jù)維護3個功能，有效保障列車安全行駛輔助預警系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和可擴展性。

6 結(jié)束語

本文提出的鐵路列車定位及輔助預警系統(tǒng)獨立于現(xiàn)有信號系統(tǒng)，不參與控車，通過北斗衛(wèi)星實時接收列車的位置信息，當列車間距離達到預警條件時，系統(tǒng)向司機發(fā)出預警提示，防止列車追尾事故的發(fā)生。

系統(tǒng)應用取得豐富經(jīng)驗并驗證了其可靠性，其中的定位信息可應用于我國鐵路CTCS-4級列控系統(tǒng)，相關技術(shù)有助于搭建CTCS-4級列控系統(tǒng)雛形。同時，考慮在地理氣象條件惡劣，人煙稀少，生活條件艱苦的線路得到推廣應用，以減少軌旁設備的運營維護成本，提高系統(tǒng)可靠性。

[1]鄭楓.北斗公眾衛(wèi)星導航系統(tǒng)民用化研究[J].中國智能交通，2009（1）：86-87.

[2]李俊峰.“北斗”衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)之比較分析[J].北京測繪，2007（1）：51-53.

[3]于天澤.北斗衛(wèi)星導航定位技術(shù)在我國鐵路應用探討[J].中國鐵路，2013（4）：4-7.

[4]中華人民共和國鐵道部 鐵路技術(shù)管理規(guī)程[S].2007.

[5] TG/03-2009 鐵路客運專線技術(shù)管理辦法（試行）（200～250km/h 部分）[S].

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[7]李杰.車載GPS/航位推算(DR)/電子地圖組合導航系統(tǒng)[D].太原：華北工學院，2002.

[8]徐周.GPS差分定位技術(shù)及實現(xiàn)方法的研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2006.