中國高鐵列控定位技術(shù)及對北斗衛(wèi)星定位應(yīng)用需求

岳朝鵬 崔俊鋒

(1．北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 高速鐵路基于定位的應(yīng)用服務(wù)簡介

中國的北斗系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS)從2011 年12 月開始提供區(qū)域性的導(dǎo)航定位服務(wù)，至2017 年底已陸續(xù)發(fā)射25 顆衛(wèi)星，BDS 現(xiàn)在已經(jīng)可以在中國以及亞太地區(qū)提供高精度、高可靠定位、授時服務(wù)。為更好對接鐵路系統(tǒng)與北斗的應(yīng)用需求，梳理了現(xiàn)有鐵路應(yīng)用中與位置、授時相關(guān)的主要服務(wù)，可大致分為以下幾類。

1) 信號控制類：用于保證列車安全、高效運(yùn)行的核心控制系統(tǒng)，主要包括列車自動防護(hù)系統(tǒng)和列車自動駕駛系統(tǒng)等，基于列車位置實現(xiàn)對列車的超速防護(hù)安全控制和自動駕駛功能。

2) 運(yùn)營管理類：用于跟蹤列車運(yùn)行軌跡、運(yùn)行時刻的調(diào)度管理系統(tǒng)，主要包括運(yùn)輸調(diào)度指揮系統(tǒng)、調(diào)度集中控制系統(tǒng)、無線列調(diào)系統(tǒng)等，基于列車位置、時刻表等信息，實現(xiàn)對列車的運(yùn)營調(diào)度指揮功能。

3) 監(jiān)督預(yù)防類：用于監(jiān)督防護(hù)施工人員、運(yùn)行列車的信息輔助預(yù)警系統(tǒng)，主要包括施工人員防護(hù)系統(tǒng)、列車追蹤預(yù)警系統(tǒng)等，基于施工人員位置、列車位置等，實現(xiàn)人員防護(hù)、列車接近預(yù)警等功能。

4) 基礎(chǔ)設(shè)施管理類：基于形變位置對橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施形態(tài)、位移、災(zāi)害等狀態(tài)實施監(jiān)測管理。

5) 旅客服務(wù)類：基于列車位置實現(xiàn)報站、廣播、旅客指引等信息服務(wù)。

6) 授時管理類：通常在設(shè)備維護(hù)領(lǐng)域中，通過授時系統(tǒng)實現(xiàn)車載和地面設(shè)備的時間同步，以便故障維護(hù)的日志分析。

除上述應(yīng)用外，鐵路中可能還有一些其他基于位置的應(yīng)用服務(wù)，本文不做過多討論。以下將重點分析信號控制領(lǐng)域核心部分——列控運(yùn)行控制系統(tǒng)的列車定位技術(shù)需求。

2 中國高鐵列控系統(tǒng)既有列車定位技術(shù)

目前，中國高鐵在300 ～350 km/h 以上的鐵路均采用CTCS-3 級列控系統(tǒng)。列控系統(tǒng)的主要作用是完成列車的間隔控制和速度控制,即通過跟蹤列車位置、速度以及目標(biāo)點位置、限速進(jìn)行的速度距離防護(hù)，如圖1 所示。

圖1 基于列車位置的速度控制和間隔控制示意Fig.1 Schematic diagram of speed control and interval control on the basis of train position

由此可見，列車定位技術(shù)是列控系統(tǒng)的一項關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。既有高鐵列控系統(tǒng)的列車定位技術(shù)的實現(xiàn)原理，需要由地面設(shè)備和車載設(shè)備共同完成。其中，地面設(shè)備是由軌道電路和應(yīng)答器構(gòu)成，車載設(shè)備是由車載測速測距設(shè)備和應(yīng)答器讀取器設(shè)備構(gòu)成。各設(shè)備的工作原理如下。

1) 軌道電路：是由一段鐵路線路的鋼軌為導(dǎo)體構(gòu)成的電路，用于自動、連續(xù)檢測這段線路是否被機(jī)車車輛占用，如圖2 所示。當(dāng)某一軌道區(qū)段無車時，軌道電路送電端的電流會沿著鋼軌到達(dá)受電端，使得表示該區(qū)段空閑繼電器勵磁吸起；若有車進(jìn)入該區(qū)段時，由于車輪輪對電阻小，直接分路鋼軌上傳輸?shù)碾娏鳎沟檬茈姸说睦^電器失電而落下。故軌道電路可用于提供連續(xù)的列車占用檢查，即使列車編組分離，也能檢查出來，但感知范圍為區(qū)域性的。

圖2 軌道電路工作原理Fig.2 Working principle of track circuit

2) 地面應(yīng)答器和車載應(yīng)答器讀取器：地面應(yīng)答器是一種能向列車發(fā)送線路數(shù)據(jù)報文信息的點式設(shè)備。當(dāng)列車經(jīng)過應(yīng)答器時，列車上的應(yīng)答器讀取器通過瞬間電磁感應(yīng)激活地面應(yīng)答器以獲取相應(yīng)報文數(shù)據(jù)，同時車載標(biāo)記該點位置，進(jìn)行列車位置的復(fù)位校準(zhǔn)。

3) 車載測速測距設(shè)備：包括車輪測速傳感器和多普勒雷達(dá)，用于實時測量列車運(yùn)行速度和走行距離。車載通過對多源傳感器的組合定位算法，實現(xiàn)列車位置的精確判定。即列車基于最近一次定位參考應(yīng)答器（LRBG）的相對走行距離，并考慮安全誤差給出車頭位置的置信區(qū)間，如圖3 所示，這樣就可精確感知列車在軌道區(qū)段上的具體位置。

圖3 基于應(yīng)答器的列車精確定位原理Fig.3 The principle of train precise positioning on the basis of balise

雖然上述方法可以很好識別列車定位，但也存在一些不足。如，需要全線鋪設(shè)一段段的軌道電路、或因列控數(shù)據(jù)變動而需修改沿線的應(yīng)答器報文數(shù)據(jù)等，導(dǎo)致地面設(shè)備維護(hù)工作量非常大；同時，車載設(shè)備冗余設(shè)置的傳感器設(shè)備較多，導(dǎo)致車載設(shè)備成本較高等。為此，近年來，基于增強(qiáng)安全、提高效率和降低成本的考慮，美國、歐盟、日本先后啟動下一代列控系統(tǒng)的研究。同期，伴隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的成熟發(fā)展，國外各主流列控供應(yīng)商也紛紛開展采用衛(wèi)星定位技術(shù)的列控系統(tǒng)或項目。

3 列控對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用需求

通過對照上述既有列控的定位技術(shù)原理，可推導(dǎo)分析下一代列控系統(tǒng)基于北斗衛(wèi)星定位的應(yīng)用需求。

1) 從列控系統(tǒng)功能應(yīng)用角度上看，基于北斗衛(wèi)星定位可以連續(xù)且精準(zhǔn)獲取列車位置信息，應(yīng)至少實現(xiàn)以下兩項功能應(yīng)用。

a.改變既有列控基于固定閉塞的追蹤間隔方式，而采用基于移動閉塞的追蹤間隔方式，使得追蹤列車間隔大大縮小，從而提高運(yùn)輸效率，如圖4所示。

圖4 不同的追蹤間隔方式Fig.4 Schematic diagram of different tracing interval modes

b.通過對同一列車的車頭、車尾定位，實現(xiàn)列車完整性檢查，以防止列車解體后造成后續(xù)追蹤列車闖入的風(fēng)險，如圖5 所示。

2) 從保障列控實現(xiàn)安全可靠的衛(wèi)星定位服務(wù)上看，應(yīng)建立對衛(wèi)星定位服務(wù)質(zhì)量的評價模型，并給出相應(yīng)的需求措施。以下給出評價模型的4 項重要指標(biāo)。

圖5 基于衛(wèi)星定位的列車完整性檢查Fig.5 Train integrity inspection on the basis of satellite positioning

a.定位服務(wù)范圍：指具體線路區(qū)域上的衛(wèi)星定位可覆蓋比例、衛(wèi)星定位缺失時可容忍的最長間隔距離、衛(wèi)星定位缺失時可容忍的最大時間等，從而便于評估不可覆蓋區(qū)域的追蹤效率能否匹配具體運(yùn)營線路的繁忙程度。以西成高鐵為例，其中超過10 km的特長隧道就有7 座,形成長達(dá)134 km 的超級隧道群，解決隧道、高鐵站內(nèi)衛(wèi)星覆蓋問題是列控應(yīng)用的需求之一。故對于繁忙線路上的隧道、高鐵站內(nèi)，應(yīng)實現(xiàn)北斗信號（如采用偽衛(wèi)星技術(shù)）100%覆蓋，以減少在此區(qū)域因信號遮擋而需地面增設(shè)應(yīng)答器、車載保留應(yīng)答器讀取器帶來的投資及維護(hù)成本。

b.定位精度：指衛(wèi)星定位服務(wù)提供的位置、速度及時間的測量精度，以及對基于概率性的瞬時誤差的可接受度等。以《鐵路技術(shù)管理規(guī)程(普速鐵路部分)》TG/01-2014 第15 條要求“鐵路區(qū)間雙線的線間最小距離為4 000 mm”為例，當(dāng)線路上存在此情形時，衛(wèi)星定位精度應(yīng)小于4 m，以便滿足區(qū)分線路的要求。若線路上運(yùn)行的是自動駕駛列車，則站內(nèi)局部地點的衛(wèi)星定位精度還應(yīng)達(dá)到亞米級，以便站臺精準(zhǔn)停車等。為滿足此項需求，通常要求地面設(shè)置差分站來保證定位精度。但是，建一個覆蓋50 km范圍的差分站與所鋪設(shè)的應(yīng)答器成本總價近似，使用衛(wèi)星替代地面應(yīng)答器，卻不能有效降低系統(tǒng)建設(shè)投資成本和維護(hù)成本。故期望北斗系統(tǒng)可為列控提供星基差分方式，或可復(fù)用的公共地基增強(qiáng)系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有差分信息及控車信息的中轉(zhuǎn)通信功能以減少列控系統(tǒng)全生命周期成本。

c.定位安全性：指對衛(wèi)星定位輸出信息的安全風(fēng)險評估，包括可容忍的風(fēng)險門限值、可容忍的風(fēng)險檢測時長等。鐵路行業(yè)通常采用安全完整等級（Safety Integration Level，SIL）來定義功能安全性，即執(zhí)行應(yīng)用功能的危險失效概率，可分為SIL0 ～4 級。列控定位功能是核心安全功能，安全性應(yīng)為最高的SIL4 級，即危險失效概率小于10-9次/小時。而既有衛(wèi)星定位完好性是基于正態(tài)分布概率評估的，即便6δ 下，定位失效的概率最小為2×10-6。故提高列控定位的安全性，是下一代列控研究的關(guān)鍵技術(shù)。另外，衛(wèi)星信號接收處于開放空間，易受到其他信號的干擾和欺騙，故期望北斗系統(tǒng)可為列控提供加密和授權(quán)的用戶頻段和通信方式，使得信息安全得以保證，進(jìn)而保證整個列控系統(tǒng)的控制安全。

d. 定位實時性：指定位信息的輸出頻率、可適應(yīng)的列車移動速度等；目前，基于輪軌式列車可支持的最高允許速度不會超過450 km/h（相當(dāng)于125 m/s），故建議衛(wèi)星定位設(shè)備的定位信息輸出頻率應(yīng)至少為10 Hz。

4 展望

早在2006 年，由美國通用電氣公司開發(fā)的基于GPS 定位的增量列控系統(tǒng)已在青藏鐵路開通運(yùn)營，其他國外廠商也都有研究基于衛(wèi)星定位的列控系統(tǒng)。但時至今日，隨著國內(nèi)自主研制、自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展和組網(wǎng)，以及基于LTE 的4G通信的成熟應(yīng)用和超寬帶5G 通信的快速發(fā)展，也將加快發(fā)展基于北斗衛(wèi)星定位的下一代列控系統(tǒng)研究。為此，本文給出了既面向鐵路行業(yè)，也面向北斗衛(wèi)星設(shè)備制造行業(yè)的應(yīng)用需求方向，以促進(jìn)行業(yè)間快速相互融合發(fā)展。