基于GNSS的歐洲鐵路信號研究與發展調查
2019-03-25 07:34:40陳德偉
中國科技縱橫 2019年4期
摘 要：目前，衛星定位已經在鐵路運輸系統中非安全相關的領域得到了應用。從經營成本考慮，全世界范圍都在對衛星定位系統的新用途，特別是在鐵路信號系統中的應用進行研究和測試。由于鐵路信號系統對安全性的要求極高，加之受設計規范的嚴格限制以及現有體系的發展慣性，信號領域基于全球衛星導航系統的研究應用進展相對緩慢。本文重點介紹歐洲鐵路基于全球衛星導航系統（GNSS）的相關研究應用、標準、性能要求和解決方案情況;同時還介紹了衛星定位系統在航空領域的相關應用，分析了這些應用在陸路運輸環境下的可借鑒之處和受限因素。
關鍵詞：鐵路GNSS;歐洲;鐵路信號
中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0058-05
1 鐵路GNSS的發展背景
眾所周知，現代智能交通控制系統的正常運作強烈依賴定位信息。在鐵路智能系統中列車定位是一項關鍵數據。列車定位信息不僅用于調度員信息、乘客信息、危險貨物追蹤，也用于車門開啟時機選擇等精確定位或維護。根據相關需求，被定位目標可以是機車、貨車，甚至是上道工作人員，以免其發生事故。
在歐洲，列車定位依靠軌旁設備輔助完成。軌道電路就是一種簡單的典型電氣設備，它不定位特定的列車，而是間接地反映軌道區段的占用情況;在軌旁傳感器的幫助下，也能夠完成車輛定位，實現列車防護功能。由于在歐洲鐵路網中存在不同類型的軌旁傳感器，為了尋找一種可互操作的通用解決方案，隨之開發了歐洲列車控制系統（ETCS），用于信號、控制和列車防護。ETCS分為4個等級，以便從實際系統無縫過渡到使用最少軌旁設備的輕型系統。在ETCS中，軌道上安裝1個或1組應答器，用以檢測列車何時經過，從而判斷軌道區段是否占用。列車經過應答器時初始化里程表，通過列車經過應答器后的走行距離來確定列車位置。
對于信息服務或設施定位和監測等非安全相關的應用，全球衛星導航系統（GNSS）技術提供了低成本和有效的解決方案，它將有效的用戶定位信息通過傳統的通信設備傳送到中心服務器，而不需要確保其完整性、安全性或穩定性。如澳大利亞鐵路軌道公司（ARTC）使用增強型GNSS，為維護、跟蹤測量或定位信號設施提供了滿意的定位服務。
2 GNSS原理
基于衛星的定位方法依賴于測量傳播時間。目前著名的GNSS是美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯GLONASS定位系統、歐洲的GALILEO定位系統以及中國的“北斗”定位系統，所有這些系統都由非對地靜止衛星組成，其基本原理大體相同。每個衛星廣播連續編碼信號，且每個衛星的代碼互不相同，接收器通過識別衛星代碼來區分編碼信號。GNSS芯片組同時接收、處理到達相應天線的所有信號，并測算每一個信號的到達時間（TOA），將時間乘以信號速度（即GNSS的光速）就得到對應衛星發射器到接收器的距離，稱為偽距。每接收到1個衛星信號，即可以得到1個以該衛星為球心、對應偽距為半徑的球，3個這樣的球相交可以計算得到一個接收器位置。接收n個（至少4個）衛星的信號，接收器就可以根據n個觀測值求解n個等式組成的方程組，其中未知數是x，y，z，δt，（x，y，z）是接收器天線位置，δt是鐘差，即用戶時鐘和衛星時鐘的偏差。通常使用最小二乘法估計器或卡爾曼濾波器來處理數據，以優化系統分辨率。GNSS的定位性能與測量精度、接收天線周圍的衛星分布密切相關。事實上，發送器和接收器之間的信號路徑越直，衛星接收器測距就越精確。
3 基于GNSS的鐵路信號應用方案
3.1 歐洲應用介紹
從歷史上看，由于歐洲每個國家都制定了自己的鐵路基礎設施、設備和運營規則，所以造成電氣化、機車車輛、維護和開發規則，以及信號系統都存在差異。目前，歐洲正在部署歐洲鐵路交通管理系統（ERTMS），以協調規則和法規。ETCS是專用于ERTMS的列車控制系統，其主要部件是鐵路專用數字移動通信系統（GSM-R）和歐洲應答器（Eurobalise）。ETCS升級是從0級到3級逐級執行，其首要目標是讓當前的外部系統和新的應答器共存，并逐步從軌旁設備控制轉變為智能車載控制（第3級）。
在當前的鐵路系統中，安全的基礎是將軌道劃分為由軌旁信號機防護的閉塞分區，控制列車進入或不進入。在ERTMS中依靠軌道電路或應答器防護分區入口，行車許可則取決于前方分區是否有車占用。車載測距子系統將根據列車相對于最后接收到的應答器位置信息進行定位計算。在ETCS的1級和2級控制系統中，基于里程表和信標閱讀器提供的信息獲取列車定位。雖然裝設現場傳感器利于人員操作，但是按照ETCS標準進行建設，成本高昂，由此減緩了在全球范圍內的部署進程。此外，為了將交通運輸從公路吸引到鐵路，必須進一步降低成本來改造區域線路和傳統線路。業界已經考慮在ETCS的最高級別（ETCS L3）或其區域線路的低等級系統（ETCS Regional）中引入GNSS。在ETCS L3級中，運輸部門不需要地面信號，列車應該能夠自我定位，所有信息將通過無線網絡在ETCS車載系統和軌旁無線閉塞中心（RBC）之間進行交換，除了將列車位置和完整性信息數據傳送至RBC外，還可以通過移動閉塞來提高列車通過率。因此，GNSS被認為是新型嵌入式列車定位系統的基礎。
GNSS低成本信號解決方案，特別是在最高級ETCS L3和區域ERTMS中的應用，從2000年初就已提上議事日程。歐盟委員會通過持續的框架計劃資助了若干項目研究，以探索和促進衛星導航定位的應用。從最開始的APOLO、GADEROS和LOCOPROL項目，到最近的GaLoROI或3InSat項目，可以說在過去10年有數十個此類項目存在。所有這些項目即使是沒有實現運營的商業化產品，也都有助于將GNSS引入鐵路建設。特別是“虛擬應答器”概念的出現，就是將虛擬點記錄在嵌入式地理數據庫中，這些點可以是真實的（移除）物理應答器坐標。虛擬應答器的目的是通過比較基于GNSS的列車定位與數據庫，來檢測列車經過所識別點時的位置。從RUNE開始到最近的3InSat和ERSAT等工程，虛擬應答器已經在許多項目中進行了研究。
目前在歐洲有一條采用輕量化GNSS解決方案長100km的單線鐵路，由奧地利應用科技大學開發，Stern&Haffer公司運營。該線路上由車載單元將列車定位信息傳送給列車上的控制器，由控制器負責列車的行車許可。2012年4月，歐盟委員會、歐洲鐵路局和歐洲鐵路協會一同簽署了關于加強ERTMS管理合作的諒解備忘錄，其中特別提到GNSS可以在鐵路行業中發揮重要作用。與此同時，還啟動了一些新的舉措，例如NGTC項目（下一代列車控制），旨在研究開發新的可與CBTC（基于通信的列車控制）系統互相共存的ERTMS/ETCS，其中衛星定位是NGTC項目的重點之一。此外，歐洲Shift2Rail計劃在其第2個關于信號的創新計劃（IP2）中，特別關注先進交通管理和控制系統的故障-安全列車定位。
3.2 其他應用介紹
2008年，美國國會頒布了“鐵路安全改進法案”，以改善鐵路安全。其中最重要的變化是在2015年之前，將主動列車控制（PTC）技術安裝在美國大部分鐵路線上。而基于GPS的列車定位是PTC結合無線數據鏈路的基本功能。GPS旨在降低全國鐵路上部署應答器的巨大成本（2012年無線通信聯合委員會已通過），把軌道信標或差分GPS站點信號與輪對傳感器相結合，可以提高方案的可靠性。即使截止日期已經推遲到2018年，聯邦鐵路管理局仍把“將全國差分全球定位系統（NDGPS）部署為適用于列車控制的全國統一連續定位系統”作為目標。另外，由明尼蘇達州交通部開發的一款低成本主動式平交道口防護（HRI-2000）系統也用到GPS。
在澳大利亞，一家基礎設施管理公司ARTC正在投資開發基于GNSS和慣性監測系統的自動列車管理系統（ATMS）。該系統可以識別列車前后2m范圍的狀況，然后將該信息傳送到列車控制中心。ATMS的目標是以駕駛室內的車載設備顯示取代軌旁信號，具有高可靠性和安全完整性。此方案目前在試驗評估，研發團隊宣布到2020年將在ARTC公司的線路上推出ATMS。
為實現包括GLONASS/GPS衛星導航技術應用在內的列車控制、信號、自動化和運輸安全系統的現代化，專為俄羅斯開發的ITARUS-ATC（ITAlian-RUSsian-自動列車控制）系統，已于2015年在索契試驗線上道試驗。
中國現代化鐵路的安全控制基于中國列車控制系統（CTCS），這是一種基于無線通信的列車自動控制系統（CBTC），它雖然與ERTMS不同，但具有類似的特征。CTCS-3級（最高級）可以通過GPS或應答器提供的移動閉塞和車輛定位信息來保證系統運行。另外，基于GNSS的其他信號解決方案，包括ERTMS L3級別的列車完整性檢測系統、節能駕駛管理系統、列車防碰撞系統等，都有了一些應用嘗試，本文不一一列舉。多線并行識別因需要非常準確的橫向精度和非常可靠的信息傳輸，亦不在本文討論的范圍內。
4 必要的定位性能
航空公司根據國際民航組織標準，確定了所需的定位性能（RNP）。操作分為航行、接近、著陸和飛離，并且通常被航空從業者接受。出于組織和技術原因，鐵路與航空在RNP方面并不相同。
4.1 如何確定鐵路領域所需的GNSS性能
在GNSS領域內，系統性能由可用性、連續性、準確性以及完整性4個指標決定，主要由航空業推動并由國際民航組織規定，與鐵路標準要求沒有直接對應關系，只是在可靠性、可用性、可維護性和安全性（RAMS）方面有一定近似性。如“完整性”，對于民航用戶意味著所提供位置置信度的量化值;而對于鐵路用戶，“安全完整性”是指貫穿安全系統生命周期的一系列性能要求，“完整性”的單獨使用是指“列車的完整性”，也就是說列車沒有丟失任何車廂。
GNSS在鐵路上的應用，對其定位性能提出了新的挑戰。以往應答器被安裝在軌道上的確定位置，其定位數據絕對可靠，而使用GNSS這種嵌入式無線系統，則會產生使用物理應答器時不會遇到的系統準確性或可用性的問題。此外，鐵路運營規范、法規和標準也沒有如航空用戶那樣，以操作為依據進行編制。
對于基于GNSS虛擬應答器代替物理應答器的項目，為了使虛擬應答器像物理應答器一樣工作，虛擬應答器被預先錄入地圖數據庫，由車載系統測得列車到達每個虛擬應答器的時間。一個典型的由軌道電路防護的閉塞區間。區間軌道電路將檢查A和B之間是否存在列車，在向虛擬應答器移動之前，系統應保證前方列車通過（完全）虛擬應答器，首先確保向后方列車提供行車許可之前，A和B之間的軌道為空閑;然后，要求確定列車與虛擬應答器之間位置的精確度，特別是列車尾部的位置。在RUNE項目中，遠期目標甚至是允許通過移動閉塞進行操作。表1中總結的性能目標已由歐盟定義，以便提供50m的防護距離，并在防護距離不足時，及時發出警報，以確保定位的完整性。
定義規范的工作必須在準確性和安全性2方面一同進行。在鐵路領域，標準定義了不同的安全完整性等級（SIL1至SIL4），明確了對安全相關功能（通過電氣/電子/可編程電子系統實現）的要求，確保在使用這些功能時，風險已降至最低，并且是可以接受的。
由于相關功能既可以基于軟件，也可以基于硬件，因此這些安全要求并沒有特定針對硬件設備或軟件系統。根據功能失效時可能出現的事故嚴重程度和危險發生的概率來評估風險，風險越高，安全要求越高，SIL級別也越高。SIL相關特性一方面通過描述系統設計和開發中的嚴格性定性參數來定義（以避免錯誤，尤其是軟件設計期間出現的系統錯誤）;另一方面，當故障可以量化時，則通過故障容許率（THR）的量級來定義。
例如，有關SIL4的定量安全目標在CCS TSI（與互聯互通控制指令和信號子系統相關的互聯互通技術規范）中有定義，并用下列指標定義了危險目標：對于ERTMS/ETCS建議的危險“超速和/或距離限制”，車載和軌旁ERTMS/ETCS的隨機故障容許率（THR）為10-9/h。這一安全目標可以納入到定位功能中，但它不能視為GNSS解決方案的目標，因為GNSS解決方案只是ETCS車載系統定位功能的一部分。
航空和鐵路需求定義之間的差異，使鐵路用戶難以根據GNSS領域內可理解的經典定位性能，或MOPS（最低運行性能標準），來確定他們的需求。
4.2 量化鐵路領域所需的的GNSS性能
部分性能的建議值已經在表1中列出，其他一些建議值需根據特定應用，對準確性和完整性的不同要求（定位的完整性，而不是安全完整性）進行分類。這里面的大多數項目側重于對特定功能的需求進行量化：GIRASOLE定義了接收器特性，而GRAIL定義了增強型測距的規范。然而，這些數據并未得到官方認可，也從未被當作完整的體系被業界接受。此外，因為鐵路是陸路運輸模式，GNSS信號接收明顯不同于航空，例如在隧道中就接收不到信號。在惡劣的環境中，也會受到多徑效應和潛在干擾（有意或無意）的影響。
5 解決方案分析
即使GNSS性能不一定量化，但項目中采用的大多數解決方案都旨在確保最大可用性、準確性或者完整性。這里使用“或”是因為項目中定義的目標不同。例如LOCOPROL強調了在低運量線路上完整性的需求目標，而不是準確性。
5.1 如何確保可用性和準確性
眾所周知，單獨的GNSS無法在受限制的環境中達到高可用性和高精度，也沒有鐵路所期望的高安全完整性。事實上，當列車接近建筑物、樹木、路塹甚至隧道等易遮擋信號的物體時，會造成衛星信號的多路徑傳輸甚至阻塞。為了應對這些不利因素，一系列解決方案已經提出并發展起來。
雖然《創新讓衛星控制觸手可得》一文中提出了一種思路，保留了經典的基于里程計的解決方案，同時使用GNSS定位來校準里程計的滑移誤差，但是大多數文獻的解決方案依賴于（如經典的道路或機器人解決方案）融合不同來源的信息，原則是結合多種特性的傳感器，以便綜合各個傳感技術的優勢，來計算出更準確的位置、速度和時間（PVT）。像GADEROS或APOLO這樣的項目，提出了多傳感器解決方案，使系統既受益于GPS的絕對定位解決方案，同時又可以在常規測量幫助下進行連續和高頻定位。里程計是常見的傳感器，也有應用渦流傳感器的例子。
融合技術有時會補充數字地圖，如汽車應用中做的那樣。有研究者提出了一種新的用于列車位置確定的雙差分算法，可以明確進行軌道約束。但其應用基于默認了地圖的可用性、準確性、可靠性和一致性。軌道數據庫不與地圖進行匹配，不同于經典PVT，列車定位必須通過拓撲坐標顯示在軌道網絡上。該坐標由軌道ID、軌道長度和列車方向3個要素組成。EATS解決方案將GNSS與無線通信技術（WCT）而非常規傳感器定位集成在一起;WCT依賴于GSM-R和UMTS移動通信系統，特別提高了可用性。
5.2 如何確保安全
在航空領域，定位的安全性與完整性監控相關。完整性監控確保用戶在安全條件下，使用GNSS解決方案作為優先導航系統。這種監控可以通過RAIM（接收器自主完整性監控）、SBAS（基于衛星的擴大系統）或GBAS（基于地面的擴大系統）3種不同的系統實現，每種系統都有自己的監控策略，主要區別在于SBAS和GBAS會對接收器可用的數據進行廣播，從而實時計算其完整性（帶有保護）;而在RAIM中接收器必須獨立完成完整性驗證。RAIM算法包含在接收器中，能對衛星測量進行一致性檢查，以檢測故障（在偽范圍內觀察到的重要偏差）。該檢查需要同時接收5顆衛星信號，而FDE（故障檢測和排除）是RAIM的擴展，最少需要6顆衛星信號。當FDE在檢測到故障，排除了故障衛星信號之后，可使系統繼續確保完整性。在鐵路相關文獻中，安全策略技術分為3類。
（1）依賴于冗余。冗余（通常帶有表決器）允許系統檢測非相關量。GaLoROI將GNSS與渦流傳感器混合，并使用架構冗余（具有獨立信道）。與GRAIL2一樣，2個通道與表決器相關聯（在安全控制器中），以檢查通道之間的一致性。LOCOPROL不依賴于傳感器或獨立通道的冗余，而是利用獨立的信號冗余，采用原始算法，一方面利用了軌道的一維特性，另一方面利用成對的GPS衛星，實現信號同步和冗余。實際上，這些算法基于TDOA（到達時間差）技術，而不是通常采用的TOA來計算定位區間。TDOA技術用于成對的GPS衛星信號，可以計算與軌道數據庫的雙曲面交點，每對衛星及其雙曲面交點在軌道上提供一個位置區間，通過合并6個計算區間來確保最終定位置信區間具有高置信度，最終定位置信區間。
（2）基于RAIM或者FDE算法。自從鐵路引入GNSS以來，已經提出了許多故障檢測算法。如在《多傳感器鐵路車載導航系統中的故障檢測與隔離》一文中，提出了基于chi-square測試和殘差監測的故障檢測隔離算法，該算法用于新型列車自動控制（ATC）和列車自動保護（ATP）中的多傳感器車載導航系統。學者們已經討論了一些RAIM FDE算法作為LOCOPROL解決方案的補充。LOCOPROL系統提供與列車在區間內的概率相關的置信區間，FDE的目標是確保區間的合理和可用長度。最近，有研究實施了針對完整性的故障檢測和診斷（FDD）方案，其架構。其中CKF是一種求容積方式的卡爾曼濾波器，是卡爾曼濾波器的變體;IMU是測量物體三軸姿態角和加速度的裝置。
在《基于GNSS的列車綜合定位系統的完整性保證》一文中，研究學者提出了一種用于多感知定位系統（加速度計、陀螺儀、里程計、GNSS）的自主完整性監測和保證（AIMA）方案。故障檢測和排除過程由多數據融合、地圖匹配和位置報告3層組成。在《鐵路GNSS定位中增強完整性的解決方案》一文中，發布了一種通過比較實際GNSS海拔和3D行車路線圖中既定海拔，來定位誤差的檢測方法。基于模擬方法證明，可以通過對“高度矩陣”中矢量進行均值（T-檢驗）和方差（F-檢驗），來檢出GNSS中的水平面誤差。在《利用三維軌道地圖進行基于衛星的列車定位》一文中，介紹了一種僅處理GNSS衛星信號的方案，對接收到的衛星信號執行一系列檢查，以檢測潛在損壞的信號或位置。其具體手段包括：丟棄弱信號、利用車廂上的2處天線來比較偽距、通過載波信號多普勒頻率驗證偽距等。另外一篇《山區鐵路線上的衛星信號可接收性：衛星定位能用于安全應用嗎？》文章，介紹使用視覺技術區分NLOS衛星信號，具體方法是將相機放在列車頂部，以提供天線周邊的環境圖像。早期是基于經典鏡頭，最近已經可以依靠魚眼鏡頭提供天線360°環境的圖像，然后再應用圖像處理技術，對天空和非天空區域進行分類，進而對LOS或NLOS衛星進行分類。
與按固定路線行駛的公交車類似，列車通常是按照預定的路線行駛，所以可以考慮在車載數據庫中，預置相應位置的衛星導航數據，其要點是事先確認GNSS衛星的可用性。最近已有研究表明，預先確定接收衛星可用性狀態，可以增加GNSS獨立定位方案的定位準確性，列車在線運行時的RAIM不可用性，可以通過離線狀態下的RAIM可用性預測來補償。
（3）以EGNOS為基礎。EGNOS是歐洲SBAS系統，能夠提供測距和校正數據以提高準確度，同時也提供完整性數據，即用戶在應用校正值后還可以估計殘差。這些殘差包括用戶差分距離誤差（UDRE）和網格電離層垂直誤差（GIVE），通常叫'sigmas'。這2個參數可用于確定累積誤差，即用于計算保護層級（PL）的水平和垂直位置誤差的大致范圍。由于EGNOS服務是開放和免費的，適用于大多數項目。民用航空的EGNOS精確進近（PA）和非精確進近（NPA）導航模式，主要是根據特定的航空要求設計，但在沿鐵路線的可用性并不是最佳的。據《意大利高速擺式列車上的EGNOS試驗》報道，基于LOCOPRO方案，對意大利超過3000km的鐵路線進行測試，實測總體可用率為66%。
對于地面傳輸，可在EGNOS消息的幫助下進行計算的HPL（水平PL）是主要關注點。HPL界定了水平位置誤差（HPE）的置信水平，而這一置信水平是從完整性風險標準中推導出來的。在已定義的警報時機（TTA）中，EGNOS依賴于水平警戒限（HAL由：用戶定義），HAL可用于完整性監控，并幫助定位系統判定其輸出是否可用。除了在測試或評估條件下可以使用可靠的參比來測量外，真正的HPE（水平位置誤差）通常無從知曉，HPL就是準確度的指標，并與應用要求所定義的HAL進行比較。
應用EGNOS導航時，可能出現的情況，系統在HPL 如今只有航空領域為EGNOS服務的使用定義了特定的指標體系，以及相關的認證和個人授權程序;而且，航空領域的殘差由測距完整性監測站（RIMS）估算，這是一種不考慮局域誤差的地面站。但是，在陸地運輸應用中局域誤差是不可忽視的。正是因為EGNOS估算中未包含局域誤差，用EGNOS計算的HPL無法正確限定鐵路運行環境中遇到的實際定位誤差界，此判斷將在STARS H2020歐洲項目（2016-2018）中得到驗證。結合航空解決方案，有學者在靜態實驗中，證明EGNOS NPA標準可能適用于鐵路領域的安全相關應用，但這還需要更多的研究來證實。在《EGNOS在道路交通領域的應用性能》一文中提到，實測數據表明在道路交通領域，HPL能夠在高速公路上限定正確的誤差界（HPL<8m），但在城市環境中，接收器僅有15%的時間段是以安全運行模式工作的。 在可用性良好，且局域誤差被限制的情況下，可以部署本地完整性監控網絡（AIMN -Augmentation and Integrity Monitoring Network）。資料表明，AIMN比EGNOS可以獲得更好的準確性。在3inSat項目中，AIMN網絡包括測距和完整性監測參考站（RIMRS），用于完整性監測和改進衛星定位的準確性，每個參考站提供校正服務并檢測衛星故障。 研究表明，有效強化網絡的使用，可以大大減少保護級別。此項工作將在RHINOS H2020歐洲項目中得到開展，旨在開發出綜合了GNSS、SBAS和ARAIM（源于航空電子設備）的鐵路高完整性導航系統，供用戶使用。 6 挑戰性問題和未來研究需求 鐵路GNSS研究已有超過15年的歷史。這些年來，已經開發并證明了許多技術解決方案，提高了人們對這些系統在未來鐵路應用中的潛力和優勢的認識。一些實質上的進步已經被業界注意到，尚需面臨的主要問題如下。 6.1 證明成本效益 RFI（意大利）、DB（德國）、Network Rail（英國）或SNCF（法國）等歐洲運營商，似乎都在認真調查可能通過更換設備帶來的收益。針對意大利線路進行的成本效益分析，證實了鐵路對GNSS的迫切需求，如果考慮全面部署ERTMS所需的投資（超過10億歐元），鐵路尤其需要GNSS。《衛星定位用于列控系統的市場分析》一文中，使用系統動力學模型證明：在鐵路供應商引入產品36個月后，SATLOC解決方案有望獲得第一個市場應用。這表明鐵路運營商取得的收益將為未來的研究敞開大門，并將加快開發進度。仍然存在的問題是如何運用研究結果去說服更多潛在用戶，到目前為止許多人仍然對從傳統ERTMS轉為使用GNSS持謹慎態度。 后續計劃由2個子計劃驅動：鐵路方面，著力發展ERTMS技術規范互操作性（TSIs）;而GNSS方面，主要是EGNOS系統的演進。 6.2 鐵路環境中的GNSS試驗 通過新GNSS系統（伽利略、北斗）的部署，近期的項目將基于多星系統解決方案。歐洲項目正期待從伽利略系統獲得收益，中國將研究基于GPS和北斗的聯合解決方案，日本鐵路將從2018年開始受益于QZSS。多星系統的優越性是顯而易見的，將提供更好的定位準確性、可用性和可靠性。 本文提到了一系列技術方案，其主要目的是處理列車車載GNSS遇到的掩蔽效應、信號多路徑傳輸、干擾等不利因素，仍有很多技術問題需要從經濟、習俗、文化等社會背景方面進行研究。盡管在運行列車上的GNSS接收，在過去一些項目上進行了試驗，也較大規模測試了信號接收和定位性能，但還是應當如STARS項目計劃的那樣，盡快對GNSS在真實環境中的性能作出試驗評估，而且實際的驗證項目具有幫助用戶熟悉這項新技術的重要作用。 評估中的GNSS性能越可接受，所提出的解決方案就越充分完善。無需增加不適當或不必要的傳感器，嵌入式列車定位的混合解決方案應能滿足應用要求。正如過去在航空領域中的應用，誤差建模將會界定這些環境中的誤差范圍，這種界定對于完整性概念至關重要。實際上，對不確定性的識別可以使系統免受不必要誤差的影響。 6.3 定義要求 目前，不同的項目中定位信息的指標要求還沒有統一。定義MOPS（最低使用性能標準）將使導航供應商明確鐵路應用的需求，并且提供了將現有的導航技術水平與鐵路相關需求差距量化的可能性。為了發展下一代EGNOS，并推動其在鐵路領域的應用，短期內要完成的任務之一就是確定鐵路應用的MOPS。這樣可以使相對更熟悉航空領域的GNSS從業者能更好地理解鐵路的需求。 6.4 證明安全 提出合適的評估方法，以使傳統的RAMS評估適應衛星信號的無線特性，并增加量化的GNSS信號完整性參數，目前這還是一個全新的課題。最近幾年已經提出了很多新的方案，但這些方案需要在實際的應用環境中進行驗證。此外，如果相關情況允許的話，擬開展的進一步工作將是獲得安全認證。 6.5 運營線路試驗 必須進行試驗以掌握技術，充分考察其在真實鐵路環境中的表現，而且還必須認識到需要在試驗線上驗證，以評估新技術對運行規范的影響，并提供保證安全的必要參數。 6.6 準備認證 最后一項重要事項是認證。對認證相關的工作已經進行了一些初步研究，比如GaLoROI中的一項工程就涉及這方面內容。認證是ERSAT項目中確定的最核心也是最緊迫的問題，它的解決需要NSA（國家安全局）的參與，在不久的將來歐洲鐵路局也需要參與進來。 7 結語 綜上所述，GNSS在鐵路信號系統中的研究應用已有了一定的成熟度，但要說服用戶開始部署基于GNSS的信號定位系統，實現在鐵路網中的廣泛應用，需要有取得認證資質的解決方案，為此仍需開展進一步研究，將上述主要問題予以徹底解決。值得注意的是，鐵路行業鏈上的利益相關方，包括信號制造商、基礎設施管理者或運營商都已經在認真考慮GNSS在鐵路信號安全相關領域的應用。 注：陳德偉，翻譯，原文出處： Juliette Marais， Julie Beugin， and Marion Berbineau. A Survey of GNSS-Based Research and Developments for the European Railway Signaling. IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS， VOL.18， NO.10， OCTOBER 2017.[1]
