衛星導航在鐵路列車控制領域的應用及發展*

· 文 |北京交通大學電子信息工程學院 劉江 蔡伯根 王劍

衛星導航在鐵路列車控制領域的應用及發展*

· 文 |北京交通大學電子信息工程學院 劉江 蔡伯根 王劍

衛星導航系統及相關技術在世界范圍內的迅速發展，對多種交通運輸系統方式的革新與發展均起到了十分顯著的作用。鐵路運輸系統作為我國國民經濟的大動脈，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，我國高速鐵路已經進入快速發展時期，廣大中西部鐵路路網覆蓋也已成為未來時期的重要方向，在鐵路運輸系統的建設、運營、管理等眾多過程中，鐵路專用移動體、特定目標的位置信息，是眾多鐵路功能領域的支撐性基礎因素。基于位置的鐵路服務（Location-based Service for Railway，LBS-R）已成為鐵路系統功能運轉、效能提升的重要內容。

隨著衛星導航系統的發展，我國鐵路運輸系統自21世紀初開始逐步引入衛星導航，其在鐵路系統中的應用先后經歷了三個發展階段：初始階段，借鑒其它領域GPS技術的應用經驗，開始采用GPS實施列車等關鍵目標體的定位、系統授時等方面的技術嘗試和應用探索；技術積累階段，美國、歐盟先后結合GPS、GALILEO系統的建設發展逐步開始從技術與應用層面大力推動衛星定位在鐵路列車運行控制等安全領域的發展，為國內開展相關研究和技術應用提供了重要的外部環境，北斗導航試驗系統的建設以及2006年開通運營的青藏鐵路格（格爾木）拉（拉薩）段率先在國內采用GPS定位實施列車運行控制，為衛星導航實質性應用于鐵路運輸服務提供了重要的發展契機，在衛星導航系統應用于列車定位以及鐵路領域的測量測繪、調度指揮、基礎設施監測等眾多方面實現了技術積累；應用融合階段，隨著2012年起北斗二代導航系統正式提供亞太區域服務，衛星導航產業迎來了新的發展時期，其在鐵路運輸系統中的應用效益日趨顯著，鐵路系統的自主化、信息化、智慧化發展為衛星導航系統的應用提供了新的機遇，特別是在列車定位技術及其所支持的眾多鐵路生命安全應用方面，同時也對衛星導航及其增強系統提出了更多要求。

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

一、列車定位技術及其特點分析

列車作為鐵路客貨運輸活動的主要載體，其運行狀態的感知是實施鐵路運營、管理、調度、控制等相關功能的核心基礎。相比于道路車輛等其他陸用載體，列車的運行過程及相應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，列車控制系統領域長期以來普遍采用的列車定位與測速技術，如軌道電路、脈沖速度傳感器、應答器、多普勒雷達等，均在其一維受限條件下針對性提出，且與鐵路系統車、地協同的運行過程緊密聯系。近年來，衛星導航系統因其顯著的性能及成本效益，逐步被引入鐵路系統用于列車定位測速，所能帶來的最大優勢在于應用衛星定位在盡可能減少系統建設、維護成本的基礎上確保一定的性能效益。然而，對于列車控制等安全應用而言，衛星定位因其面臨的一些制約因素，如信號遮擋、多徑效應、信號干擾等，如何進一步從系統服務能力方面提升衛星定位的應用性能，是使其滿足特定需求并發揮其“成本-效能”優勢的決定性問題。伴隨著衛星導航增強系統在世界范圍內建設及應用的熱潮，利用增強系統提供的服務進一步確保其在鐵路系統的應用能力逐步成為可能，為未來形成更大范圍、更多方向、更深層次的基于衛星導航的鐵路專用定位應用創造了良好條件。

二、列車控制領域衛星定位技術發展動態

隨著衛星導航系統在鐵路應用系統中的性能、成本、市場、戰略等多個層面所顯現的巨大潛力及價值，開發并應用基于衛星導航的列車運行控制系統已成為世界范圍內鐵路系統及技術領域的重要共識，并已成為衛星導航系統在鐵路系統安全應用領域的引領性發展方向。對世界范圍內主要的代表性應用發展情況總結如下。

（1）美國

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

圖1 美國NDGPS全球無縫增強服務

（2）歐盟

歐盟自上世紀90年代開始發展Galileo衛星導航系統，將鐵路安全運輸作為Galileo應用服務的一個重要方向，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）規范使其滿足日益增長的鐵路發展需求，有效降低歐洲列車控制系統（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，旨在利用衛星導航替代、優化既有的位置決策系統（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，大部分處于動土區和無人區，全長1956km，海拔4000m以上地段長度約965km，自然環境惡劣，列控系統的選擇除了要滿足列車安全快速通過的需求，還需要實現無維修、少維護的管理需要，為此，引進了ITCS列控系統，率先在國內實際運營線路上運用基于GPS衛星定位的列車控制模式，極大減少了地面軌旁設備的運用及維護量。為了確保采用GPS定位的精度及其他應用要求，沿線建設局域差分增強系統提供性能增強服務，隨車站設置GPS差分站，通過鐵路專用GSM-R無線網絡向列車車載設備傳輸差分信息，車載接收機計算列車精確位置并結合線路數據庫確定運行方向及所占用虛擬閉塞分區，并向地面發送位置報告。

隨著我國北斗衛星導航系統的建設發展以及我國自主化列車控制技術的實施進程，將GPS、北斗導航系統及其增強系統應用于列車控制領域并實現關鍵技術及核心資源的自主化成為了重要的發展議題，鐵道部（2013年后為中國鐵路總公司）自2012年起設立了“北斗衛星導航系統在鐵路應用研究”項目，主持開展北斗鐵路應用的頂層規劃設計，并先后啟動了多項衛星導航在列車控制與安全領域的研究開發計劃。科技部于2014年設立了“基于衛星導航的列車運行控制技術合作研究”計劃，在國內率先啟動了與德國在衛星導航列控應用領域的技術合作。此外，國內多個鐵路通信信號設備廠商均開始將北斗導航納入為未來技術創新應用的發展方向，同時為我國北斗導航系統發展星基、地基增強系統在鐵路領域的應用提供技術儲備。

三、列控系統衛星導航性能需求總結

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

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

表1 列控系統列車衛星定位性能需求指標（歐盟，2000年）

表2 列控系統列車衛星定位性能需求指標（美國，2014年）

上述性能需求及指標體系均從衛星導航自身出發構建，而在列控系統領域，歐洲標準EN50126定義的RAMS指標體系是對鐵路安全專用裝備的基本要求，從由衛星導航性能需求驅動的上述列車定位性能指標向實際場景的應用特性進行轉化，需要在不同的指標體系之間挖掘其對應和轉換關系。對于如何向RAMS指標體系進行映射方面，歐洲研究人員較早開始了相應的方法探索，如圖2所示，以安全性、可信性為核心描述了基于衛星導航的列車定位及控制性能框架。

圖2 基于衛星導航的列車定位性能框架

四、衛星導航增強系統列控應用發展思路

從目前在國內外開展的研究、試驗工作結果來看，脫離衛星導航增強系統實施列車衛星定位在精度方面尚無法滿足列控系統的特定要求，除精度以外，定位系統的完好性及其它與安全相關的指標也無法得以保障，結合青藏鐵路及國外其它基于衛星導航的列車控制系統實例經驗來看，對鐵路列車控制及其它相關領域應用衛星導航增強系統及其服務的主要模式預期如下：

（1）基于局域差分的方案

沿鐵路線路布設局域衛星定位差分基準站，作為列控系統地面（軌旁）設備的一部分，接入列控系統專用的車-地傳輸通道實現差分站的遠程管理并向車載接收終端提供增強服務，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網絡發送至車載接收機，提供3～5m的定位精度。總體來看，該方案需要鐵路應用系統為衛星增強服務耗費一定的建設、維護成本，且所提供的服務能力與投入直接相關。

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，擬建設的國家/行業數據綜合處理系統，能夠為鐵路專用用戶提供整合、優化的數據處理、播發與服務接入，有效提升衛星定位性能，如圖4所示。列控系統目前所采用的GSM-R網絡以及未來的LTE-R網絡能為地基增強系統提供鐵路專用的服務接入通道。然而，該方案的實施需要解決監測站、數據綜合處理系統等設施的專用化問題，確保為列車控制這一應用提供穩定有效的支持。

（3）基于星基增強的方案

采用衛星導航的星基增強系統，如規劃中的北斗星基增強系統BDSBAS，其系統設計、試驗與建設，在民航用戶的一類精密進近服務基礎上，可進一步納入鐵路領域安全應用需求，拓展行業覆蓋力，直接隨衛星信號的播發、接收提供增強服務，如圖5所示。該方案對于既有的鐵路列控系統所需的改動最小，且無需專用傳輸通道、測站及數據處理系統的支持，僅需更換特定終端即可實現，但需要完備的星基增強系統隨衛星導航系統同步提供服務。

通過以上分析以及對目前鐵路領域衛星導航及其增強系統應用現狀的總結，對列控領域未來的拓展應用方向進行展望如下：

（1）衛星定位終端及技術

開發可用于鐵路生命安全服務的專用型衛星導航終端，突破多星座兼容、多源傳感器集成、軌道電子地圖構建與融合、自主完好性監測與增強等關鍵技術，將虛擬應答器等相關的兼容化手段有效融入既有的列控系統技術體系并開展針對性的安全認證及評估，將有效應用既有導航衛星資源，產生顯著的鐵路行業效益。

（2）地基/星基增強的構建

鐵路等行業需求驅動下北斗地基/星基增強系統計劃的實施，將充分體現北斗系統的兼容開放特征，為在世界范圍內鐵路領域形成深度融合與合作提供條件，進一步凝聚行業應用對北斗導航系統的價值。在此過程中，專用增強網絡及其服務與未來鐵路專用系統裝備的協同是關鍵，如何借鑒航空等領域將鐵路列控系統等應用的需求從用戶終端級向衛星導航系統SIS層面的轉化，是國內外在此方向均十分關注也必須解決的核心難題。

（3）專用標準與測試評估

為了驗證衛星導航系統用于列車控制等安全應用領域的實際能力，使其滿足鐵路領域特定的安全需求，如何將現有的衛星導航系統標準體系向鐵路行業進行輻射，并構建面向導航系統級、用戶終端級、應用系統級等多個層次的專用測試平臺及評估體系，是規范并協同鐵路專用衛星導航產業發展的必經之路。面向鐵路應用的衛星導航系統指標體系與專用測試評估技術是我國當前面臨的一項十分緊迫的需求，后續潛力顯著，對鐵路領域衛星導航相關技術及成果的自主化、國際化作用巨大。業特定應用的標準規范及測試評估體系，從而為新一代智慧化鐵路運輸服務提供關鍵支持。

圖5 基于星基增強的方案示意

五、結論

我國鐵路運輸系統及列車運行控制這一關鍵領域正在面臨十三五階段新的發展機遇，衛星導航系統在列車控制領域的應用已進入世界范圍內的協同與融合發展時期，衛星導航增強系統所能提供的性能增強及輔助能力是未來列控系統發展的必然需求，具有十分顯著的發展應用潛力。我國應在整合融匯多個應用領域應用需求的基礎上，加快開展面向專用領域的衛星導航增強系統建設，完善面向行

［1］ Acharya A， Sadhu S， Ghoshal T. Train localization and parting detection using data fusion ［J］. Transportation Research Part C： Emerging Technologies， 19（1）， 2011， pp. 75-84.

［2］寧濱，唐濤，李開成，董海榮. 高速列車運行控制系統［M］.北京：科學出版社，2012.

［3］Gurnik P. Next Generation Train Control （NGTC）：More effective railways through the convergence of main-line and urban train control systems［J］. Transportation Research Procedia， 14， 2016，pp.1855-1864.

［4］Wiss J-M， Barbu G， Fr?sig P， Schr?der M. GNSS rail user forum - Requirements of rail applications［R］. European GNSS Rail Advisory Forum， 2000.

［5］United States Department of Defense and United States Department of Transportation. 2014 federal radionavigation plan： Dot-vntsc-ost-r-15-01，2014.

［6］Filip A， Beugin J， Marais J， Mocek H. Safety concept of railway signalling based on Galileo Safety-of-Life Service［J］. WlT Transactions on The Built Environment， 103， 2008， pp. 103-112.

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