簡談列車衛星定位系統在國鐵中的應用

何 進

(中鐵通信信號勘測設計（北京）有限公司，北京 100036)

簡談列車衛星定位系統在國鐵中的應用

何 進

(中鐵通信信號勘測設計（北京）有限公司，北京 100036)

介紹列車定位的發展趨勢和列車衛星定位系統的原理、構成和特點及實現衛星定位系統的必要性。

列車定位；軌道電路；衛星定位系統

隨著科學技術的發展和人民生活水平的提高，不僅要求乘座列車時更加舒適、盡量少受噪聲和電磁干擾輻射的影響，而且還希望對后期運營維護更加合理、便捷。由于軌道電路設有大量的軌旁信號設備，各種現場維護問題和矛盾非常突出，為達到提高效率、保障安全、節約能源、改善環境、減員增效等目的，發展綠色鐵路是必然的。

1 列車定位的發展趨勢

目前國內主要用軌道電路來對列車進行定位。軌道電路是以一段鐵路線路的鋼軌為導體構成的電路，軌道空閑時執行繼電器吸起，有車占用時因車輪分路執行繼電器電壓低而落下。從我國首次建成的軌道電路——1924年大連—金州間、沈陽—蘇家屯間自動閉塞采用的交流50 Hz二元三位式相敏軌道電路到現在廣泛應用于各鐵路局的25 Hz相敏軌道電路和ZPW-2000系列軌道電路，其技術在國內有了長足的發展。在鐵路快速發展的過程中，各種形式和技術規格的軌道電路層出不窮，按照我國鐵路的運營情況進行研發，較適合我國鐵路高密度、運量大、客貨共存的狀況和我國鐵路的運營管理模式。

隨著我國北斗導航系統技術的發展和應用，列車衛星定位系統的普遍應用是必然趨勢。綜合運用計算機軟硬件技術、網絡通信技術、電力電子控制技術等多種新技術，研究設計一套基于列車衛星定位并且具有智能化和控制監督監測一體化的列車控制系統，為鐵路運輸高速安全的總目標提供重要的基礎技術裝備。

2 實現列車衛星定位的必要性

2.1 軌道電路的優缺點

經過多年的運行改進和優化，軌道電路已經廣泛應用于我國的鐵路,工作穩定可靠、維修簡單、故障率低、可靠性和抗外界沖擊等性能比較好,能發現鋼軌發生的斷裂,為保證行車安全起了很大的作用,其優點是公認的。但是，車輪分路的條件是鋼軌表面導電良好,目前有相當一部分軌道電路由于列車分路電阻、鋼軌面生銹和粉塵污染等因素造成分路不良，采用“3V”化、高壓脈沖、計軸等措施整治后,其設備復雜、維修工作量增大、基層站段維護難度大。如果鋼軌表面嚴重銹蝕,甚至趨于絕緣狀態，依然要求正常分路，不是軌道電路能夠解決的范疇。另外，在電氣化區段，軌道電路還受到牽引回流的干擾,高鐵車站曾出現過絕緣燒損。在無砟道床中,為了消除阻抗的影響, 基礎鋼筋需經絕緣處理，還需為信號設備預留安裝位置、管線過軌位置，使混泥土施工增加了難度，施工工序更加復雜化。

2.2 列車衛星定位系統具有重大的意義

列車運行控制系統在鐵路運營安全和運輸效率中起著決定性的作用,基于衛星定位的列車運行控制系統軌旁設備數量較少，有利于降低建設和運營成本，提高運營管理水平。可以自動排除由于人為違章操作、設備原因等引起的各種危及行車安全的因素，為進一步提高安全性提供了高技術裝備。采用地面軌道電路，設計使用年限過期后就進入大修期或者換成另一套較先進的設備，這不僅浪費資源，還在更新換代的過程中給運營帶來了很大的安全隱患。采用衛星定位系統來取代絕大多數地面軌道電路，不僅促進鐵路科技進步，還是鐵路信息化的又一次飛躍。

3 列車衛星定位系統的構成和定位原理

常規的衛星定位并不是故障安全的，雖然在一般情況下GPS定位精度可以達到2～5 m、在6西格瑪概率條件下可達到19.8 m，但是也存在無法保證精度的情況，它獨自無法滿足信號系統所要求的安全性，可運用GPS衛星定位系統輔以車載測速傳感器的列車組合定位系統來實現列車的定位。

3.1 列車衛星組合定位系統構成

系統有通信設備和信號設備2大部分。其中信號設備包括3個部分，分別為中心設備、軌旁設備和車載設備。中心設備有調度集中CTC和維護終端MMT，中心設備主要作用是下達調度指令、接收并處理運行狀態信息和維護信息；軌旁設備有聯鎖、無線閉塞中心RBC、GPS差分站及CTC車站自律機RTU，軌旁設備接收CTC的調度命令，同時反饋信號表示，還將通過無線通信系統，把管轄區域內信號設備的狀態發送給車載系統，同時通過無線通信系統獲取列車占用信息；車載設備包括車載計算機和列尾設備，車載計算機將根據軌旁RBC轉發的信息，確認前方各種信號設備的狀態和顯示，并提示指導司機行車、完成超速防護的功能。

該系統是采用衛星定位，運用實時連續雙向車—地無線通信技術，以機車信號為主體信號來控制列車運行。實現提高效率、保障安全、節約能源和改善環境等目的。

3.2 列車定位原理

軌道占用檢查由車載設備完成。車載定位系統先通過衛星確定列車位置，然后再根據車載線路數據庫中的線路電子地圖來確定該列車在線路上的位置。

4 組合衛星定位系統的特點

4.1 系統的可靠性、安全性

列車組合定位系統針對GPS和測速傳感器輸入，采用卡爾曼濾波器（Kalman)算法，兩套GPS接收器分別接受定位信息，數據處理過程中相互比較，取較嚴格的值進行下一步計算。根據濾波器算法，濾波器的輸出將再次作為輸入，為下一次定位計算提供參照，以增加定位精度，保證定位輸出的安全性，該定位算法能提供高達3～5 m的定位精度，且具有精度高度一致性。采用定位周期為0.5 s。保證對定位誤差判斷在100%的概率下得到控制。

1）失去定位信息的處理

系統采用了故障-安全和多樣性的設計思路。定位系統必須安全可靠，即：當條件不完善時，它也應當正常工作。當GPS定位正常時，位置信息主要從GPS數據中得到；當沒有GPS數據時，位置信息主要從速度傳感器的速度中得到。速度傳感器的位置推算是基于由GPS數據進行初始化的初始數據。如果系統“失去GPS差分信息輸入”、“失去GPS定位輸入”或“失去速度傳感器輸入”信息時即為故障。在故障發生時，定位系統將采用無故障時的輸入數據繼續列車的定位計算，同時其定位不確定性增加。這使得系統增大安全保護距離來確保列車的安全。如故障恢復，所有定位系統的輸入數據將恢復正常，安全保護距離回到正常大小，在20 m左右(0速度時)。列車運行在隧道中時，16 km沒有GPS信號輸入，或在任何其他GPS不工作的情況下，定位系統根據速度傳感器及數學模型算法等輔助手段對列車進行定位。

如果故障發生后長時間得不到恢復，定位的不確定性就不斷累積增加到線路現場的環境條件及用戶的需求安全距離時，系統將按列車失去位置處理，并采取相應安全保護措施。

2）列車定位精度的實現

運用GPS差分技術來實現列車控制所需的定位精度。差分導航定位是在相距幾十km或數百km的兩個測試點上各安裝一臺導航接收機，其中一點為位置已知點(RBC差分站)，另一點為位置未知點(運行列車)，利用已知點的導航解和已知位置之差作為修正值，修改未知點的導航解。差分定位中的兩臺接收機是同時觀測的，且觀測的衛星是相同的。這樣的差分解可以消除導航解的常量誤差。

3）車輪的直徑校準

車載計算機將對安裝速度傳感器的車輪直徑進行自動校準。在對車輪進行校準之前，使用缺省值。缺省值是建立在機車類型基礎上的，為了保證安全，使速度傳感器產生偏移從而顯示大于真實速度的速度。將對兩個速度傳感器的車輪直徑進行計算，兩個計算值的誤差應該在真實值±0.5%的范圍之內，例如，1 016 mm直徑的車輪允許5.08 mm的最大誤差。車輪自動校準使用了定位處理函數提供的刻度因子誤差，每一刻度因子誤差均代表一個速度傳感器速度的百分比誤差，并等于車輪直徑的百分比誤差。定位處理函數定時地把刻度因子誤差傳遞給車載計算機主函數，主函數隨后根據刻度因子誤差計算更新的車輪直徑。

4）列車完整性檢查

列尾裝置 (EOT) 通過數字無線網絡每分鐘均向機車裝置 (HOT) 發送信息。EOT向HOT發送的信息包括風管壓力、車尾運動狀態、列尾GPS定位、發電機以及電池狀態等。OBC從HOT設備處得到這些信息后開始進行列車完整性確認工作。

當機車無法接收到列尾數據時，機車認為列尾丟失。在重新收到列尾數據前，機車認為列尾停留在最后一次收到的列尾位置，所占用的分區將不會被出清。在重新收到列尾信息后，占用分區將會被自動出清。否則，通過人工確認列車的完整性，由調度員或值班員手動出清。

4.2 擴展靈活、適用范圍大、維護量小

由于系統沒有軌旁設備，僅在列車的頭部和尾部分別安裝車載計算機和列尾設備，且設備簡單，成本低，體積小。在線路運營能力改變時擴展非常靈活，可擴展性強，根據線路的變化更新線路數據庫即可，GPS車載設備安裝方便快捷，這些都在車輛段完成，不干擾運營，便于維修人員的檢修。大多數國鐵都建于地面，滿足GPS定位的基本要求，所以系統的適用范圍是相當廣泛的。

5 衛星組合定位系統工程應用

目前國鐵中僅有青藏鐵路運用衛星來對列車進行定位。選用該定位模式主要是沿線氣候條件惡劣，人煙稀少，生活和工作條件相當艱苦。因此要求信號設備盡量做到高可靠、無人值守，設備和器材要求采用先進成熟的技術。該系統結構相對簡單，維修量較少，具有適應超低溫和高海拔的工作能力，具備遠程診斷監測功能，具有較少的道旁設備和較低的能耗。自2007年開通以來，系統穩定、可靠、運營安全，滿足建設使用的需求。

6 結束語

隨著北斗衛星導航系統和全電子化計算機聯鎖系統運用，結合青藏鐵路衛星定位系統的經驗，運用一體化的設計理念，研究設計一套集自動閉塞、車站聯鎖和列車運行超速防護于一體的列車衛星定位信號系統是今后鐵路信號設備發展的趨勢，市場應用前景廣闊。同時，鐵路信號系統的智能化、網絡化，必將對現場人員的工作方式、現存的鐵路信號產生深遠的影響。

[1]陳建譯，陳習蓮，25 Hz相敏軌道電路技術與應用[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2]青藏線ITCS 技術規格書.

[3]蘭州大成科技股份有限公司.車站全電子計算機聯鎖系統設備介紹說明書，2010.

The paper introduces the developing trend of train positioning, the principle, composition and features of the train satellite positioning system, as well as the necessity of realizing the satellite positioning system.

train positioning; track circuit; satellite positioning system

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.006

2013-12-12）