基于北斗導航的列車定位技術研究

高漸強

(通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070)

1 概述

目前，衛星導航技術廣泛應用于國內交通領域，但主要依靠國外衛星導航定位，沒有掌握主動權。國內自主研制的北斗衛星導航系統是以面向全球用戶提供服務為目標的系統，2020 年將完成北斗全球系統全面建設，北斗應用也將加快推進。將北斗衛星導航系統應用于列車定位，打破對GPS的依賴，提高列車定位系統的精度、可靠性和安全性勢在必行。國內對衛星導航運用于列車定位技術的研究晚于其他國家，對于多傳感器信息融合的算法、電子地圖匹配算法和無線定位的基本算法進行了初步研究，基于北斗衛星導航的列車定位技術研究方興未艾。

2 全球衛星導航系統性能比較

全球衛星導航系統能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統，主要包括國內的北斗衛星導航系統、俄羅斯的GLONASS 導航系統、歐盟的伽利略衛星導航系統（Galileo Satellite Navigation System）和美國的GPS 導航系統等。四大全球衛星導航系統各有千秋，如表1 所示。國內北斗衛星導航系統具有雙向通信能力，分別在L頻段和S 頻段傳輸信息，組網模式采用混合星座，有別于其他全球衛星導航系統。北斗衛星導航系統組網衛星數目不斷的增多，將進一步擴大服務區域，進一步提高導航定位精度。隨著北斗衛星導航系統的逐步完善，基于北斗衛星導航的列車定位技術研究也迎來了前所未有的發展契機。

3 列車定位技術的分類

3.1 基于多傳感器信息融合的列車定位技術

單一的定位系統不能滿足列車定位系統的要求，多種定位系統相互融合，取長補短，優勢互補，融合后得到的列車定位信息才能滿足列車運行控制系統的需求。列車在深山、森林、城市高層建筑或隧道中高速運行時，衛星的定位信息很容易受到干擾且會丟失，列車不能持續地得到定位信息。為保證在衛星定位信息失效或丟失的情況下持續提供給列車實際的位置信息，采用多傳感器信息融合的技術能夠有效解決此問題。北斗衛星導航系統和其他定位系統相互融合，可以克服不同定位系統自身的缺點，通過改進的融合結構和算法，來提高系統的魯棒性和可靠性。劉影進行了基于北斗衛星導航系統和捷聯慣性導航系統組合列車定位系統的研究，提出了一種優化的聯邦卡爾曼濾波器可以提高列車定位系統的定位精度、穩定性和容錯能力[1]，仲騰在自適應卡爾曼濾波算法基礎上進行了改進，提升了列車定位子系統的定位性能，提高了定位精度[2],張翔在北斗導航系統和慣性導航系統組合的列車定位模型基礎上，提出一種基于無跡卡爾曼濾波(Unscented Kalman Filtering，UKF )和粒子濾波算法(PF)的改進算法，通過仿真驗證其定位精度優于其他算法[3]。

表1 四大導航系統主要參數對比Tab. 1 Comparison of main parameters of the four navigation systems

傳統的信息融合算法有卡爾曼濾波法(Kalman Filtering，KF)、貝葉斯估計法和H∞濾波法等。很多學者對信息融算法進行了優化，如擴展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filtering，EKF)，EKF將KF 理論成功應用于非線性濾波領域，大大擴展了其應用范圍；UKF 與EKF 相比，UKF 不需要對非線性系統進行線性化，計算量不大，在非線性領域，UKF 比EKF 的精度和魯棒性更高；粒子濾波算法(PF)是一種采用帶權值的隨機采樣粒子集合來接近后驗概率分布的濾波方法，在處理非線性問題時，PF 算法有著舉足輕重的地位。綜上所述，減小傳感器的系統誤差，提高融合算法的精度和穩定性，降低定位系統的成本，是多傳感器信息融合列車定位技術的研究重點。

3.2 基于電子地圖匹配算法的列車定位技術

電子地圖儲存有軌道線路特性，通過電子地圖可以得到列車的精確位置，線路控制中心利用電子地圖可視化界面可以實時監控列車，電子地圖存儲有列車位置信息，可以用來校正北斗衛星導航定位信息的偏差，進而提升列車定位精度。基于北斗導航的列車定位技術應有精確的軌道電子地圖進行輔助。

近年來，很多學者對地圖匹配算法進行改進，提出自己的見解，并得到了更優結果。王禹蘇提出一種改進的復合匹配算法，并成功應用在基于北斗導航列車定位的地圖匹配系統中[4]。裴家興提出一種地圖匹配算法，其精度和效率都達到了預定目標[5]。盧宇環提出了基于北斗/INS/圖像融合的下一代列車定位系統，實驗驗證其提高了列車定位精度[6]。縮短匹配時間，減小數據冗余，降低誤差積累是電子地圖匹配方法優化的要點。

3.3 基于無線傳感器網絡的輔助列車定位技術

基于無線傳感器網絡的無線定位方式由于成本低、部署維護簡單、無中心、自由組織、多跳路由和動態拓撲的特點，在列車的跟蹤定位等領域體現出了巨大的潛力，并不斷被人們挖掘創新。以往軌道電路和應答器的定位方式，成本較高，而且地面與車載只能單方向傳輸信息。隨著5G 通信時代的到來，以無線傳感器網絡作為輔助的列車定位技術將得到突飛猛進的發展。它可以實現地面與車載雙向通信，提供精確可靠的定位信息，能夠糾正北斗導航定位過程中產生的誤差。比如GSM-R 技術和射頻識別技術(Radio Frequency Identification，RFID)等。

張樹提出一種基于北斗衛星導航和GSM-R 技術的列車定位系統，并通過在青藏線的實驗，證明了此系統的定位精度滿足實際需求[7]。侯麗虹針對北斗衛星導航盲區列車定位失效的情況，提出一種基于GSM-R 的模糊神經網絡列車定位方法，保證了列車定位信息的有效性和連續性[8]。史永樂提出了一種基于北斗衛星導航的鐵路貨物追蹤系統，大幅度提升了貨物追蹤的精度[9]。無線定位的基本算法和抗干擾措施是日后著重研究的方向。

4 結束語

將北斗導航系統應用于列車定位技術中意義重大，不再依賴國外技術，提高列車定位系統的安全性、可靠性和精度。基于北斗導航的列車定位技術還需要在以下兩個方面進一步研究。

1）提升北斗衛星導航信息精度，北斗衛星導航系統的逐步完善必定促進列車定位技術的發展。

2）著力發展基于多傳感器信息融合技術。將北斗導航定位技術與其他定位技術相互融合，優勢互補，得到更優的定位信息，能實現高精度和高可靠性的列車定位信息。多傳感器信息融合技術的不斷發展，充分利用現有硬件和融合估計算法，使北斗衛星導航系統與其他定位系統相組合，有助于解決衛星的定位信息容易受到干擾或丟失定位信息的問題。

北斗衛星導航系統由國內自主研制，擁有自主知識產權，具備雙向通信能力，采用混合星座組網模式，有著自己特色的全球衛星導航。基于北斗導航的列車定位技術是當前列車運行控制系統發展所需，是新一代將著力發展的列車定位技術。多傳感器信息融合算法的精度和穩定性，電子地圖匹配方法的效率，無線傳感器網絡的抗干擾措施等是日后研究的重點。