基于電子地圖和衛星定位的列控技術研究

李瑩瑩，張 浩

（1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070）

1 概述

衛星定位技術是下一代列控系統的關鍵技術之一，衛星定位技術的應用可以減少用于輔助列車定位的地面應答器等軌旁設備的部署數量，節省系統建設和維護成本。基于衛星導航系統的列車定位，需在列車上部署衛星天線及衛星接收設備，用于衛星信號的接收，從而實時獲取列車所在位置的衛星定位數據。基于現場勘測線路關鍵點的衛星定位數據和列控系統運行所需的信號相關線路數據，編制線路的電子地圖，在線路拓撲結構的基礎上，采用傳統的應答器、道岔的數據描述語言，將衛星定位數據與列控數據描述成有機的整體。結合線路的電子地圖信息，將衛星定位的經緯度和高程三維坐標數據轉換為一維軌道位置信息（軌道映射），進而獲取列車所在軌道線路上的位置，即將三維坐標轉化為列控系統傳統的一維坐標。然而，由于衛星定位精確度和算法復雜度的限制，在算法設計上，應在保持定位精確度的基礎上采用更加簡便快捷的計算方案，以滿足列車安全高效運行對列車定位的性能指標要求。在復線和站內復雜的線路上，還需要結合其他定位手段輔助完成復雜場景下的列車安全定位功能，以提高列車安全定位的環境適應性。

因此，本文主要針對衛星定位在列車安全定位和線路數據獲取方面的特性進行分析，提出高效便捷的列車安全定位算法，并結合實體應答器定位技術，解決衛星定位技術在列控系統中運用遇到的難點，以滿足復雜場景下的運用需求。

2 電子地圖

電子地圖主要由軌道地理信息數據和固定應用數據組成，其中軌道地理信息數據主要記錄軌道信息及軌道上衛星參考點的位置信息；固定應用數據主要包含線路起始管轄邊界、結束管轄邊界、應答器、道岔位置屬性及連接關系等信息。如圖1所示。

圖1 電子地圖示意Fig.1 Schematic diagram of electronic map

軌道作為電子地圖數據的基礎，在拓撲結構描述上，承載線路上信號相關設備關鍵點的位置和信號屬性相關信息，衛星定位參考點主要用于衛星定位軌道映射的使用，確認衛星定位數據匹配的軌道位置信息；管轄邊界主要確定電子地圖中車站之間的連接關系，道岔和應答器主要用于確認列車所在唯一軌道，并為列車提供線路數據信息。

3 基于電子地圖的衛星定位技術

針對衛星定位算法的優化處理，可以從以下兩方面進行：一是濾除定位質量不高的衛星數據，以減少基于電子地圖的衛星定位失敗或者定位質量較差的衛星定位計算，降低處理器運算的消耗，提高衛星定位有效性；二是降低單次衛星定位數據與電子地圖匹配運算的復雜度，先通過預篩選算法識別預匹配的電子地圖中的軌道位置及相關衛星參考點，減少單純盲目的遍歷性運算的消耗，縮小預匹配范圍后，再通過精確計算的方式，完成基于電子地圖和衛星定位的列車安全定位，采用粗、精兩級運算方案提高定位算法的效率。

3.1 衛星定位數據簡介

衛星定位數據傳輸采用NEMA-0183標準協議，該協議采用ASCII文本字符傳遞衛星定位信息，數據以“$”開頭，以回車符及換行符結束。一包完整的衛星定位數據主要包含**ZDA、**GSV、**GGA、**RMC、**GST、**GSA以 及**VTG等數據幀。其中，**根據不同的衛星導航系統分別進行相應配置，GPS導航系統為GP，北斗導航系統為BD。衛星定位數據幀根據定位需要可進行選配，其主要功能如表1所示。

表1 衛星定位數據幀主要功能Tab.1 Main functions of satellite positioning data frame

3.2 衛星定位數據有效性處理

對衛星定位數據有效性處理主要包含以下幾個方面，如圖2所示。

圖2 衛星定位數據處理流程Fig.2 Satellite positioning data processing flow

1）組包處理：采用**ZDA、**GGA、**GST和**VTG數據幀作為一次衛星定位所包含的全部數據幀。以**ZDA數據幀作為起始數據幀，以**GST數據幀作為結束數據幀，針對起始和結束數據幀的UTC時間進行差值校驗，確保各數據幀在時間上保持一致性。

2）定位質量處理：根據各個數據幀所包含的衛星定位數據信息，進行衛星定位質量判定，濾除定位質量較差的衛星定位數據。

3）多衛星數據橫向比較：多路衛星定位數據進行橫向比較，包括經緯度、高程、速度等衛星定位數據信息，采用濾波比較的方式，濾除差異較大的衛星定位數據。

4）衛星速度信息比較：將衛星定位數據中的速度信息與列車測速測距模塊計算出的速度信息進行比較，濾除速度偏差較大的衛星定位數據。

經過以上4步，可以有效的濾除掉衛星定位質量較差的衛星定位數據，增加衛星定位數據的可靠性，從而提高衛星定位效率。

3.3 衛星定位算法優化處理

基于電子地圖軌道地理信息數據，利用衛星定位數據進行軌道映射過程中最主要的是將列車衛星定位點和其最近的兩個衛星參考點的經緯度數據信息轉化為軌道線路上的距離信息，通過垂線匹配算法，計算得出列車所在軌道的具體位置信息。

利用經緯度數據計算距離公式：主要包含經緯度轉高斯坐標算法、Vincenty公式、Haversine公式、余弦的球型定律，以及等矩形近似值（勾股定理）等方式，其算法主要優缺點如表2所示。

表2 經緯度計算距離公式的優缺點Tab.2 Advantages and disadvantages of longitude and latitude calculation distance formula

根據車載電子地圖軌道衛星參考點布置規則，綜合算法精確度和算法復雜度，采用單一算法很難滿足列控系統對于衛星定位的性能指標的要求。因此，為提高列車衛星定位算法性能，本文設計了一種結合等矩形近似值、Haversine公式和經緯度轉高斯坐標算法的列車衛星定位算法。

將衛星定位算法分為3步進行，如圖3所示。

圖3 衛星定位算法優化處理流程Fig.3 Satellite positioning algorithm optimization processing flow

1）根據衛星定位點和電子地圖軌道信息進行預匹配最近衛星參考點。

2）根據衛星定位點和最近衛星參考點及其相鄰衛星參考點進行三角形判定，確定衛星定位點所在的相鄰衛星參考點。

3）根據衛星定位點和上一步確認的兩個相鄰衛星參考點進行垂線匹配運算，從而完成衛星定位。

在進行預匹配最近衛星參考點的過程中，采用定積分的等矩形近似法，在進行三角形判定過程中，采用Haversine公式算法，在最終垂線匹配運算過程中，采用經緯度轉高斯坐標算法。通過上述3步，在保證衛星定位精確度的基礎上，減少了衛星定位算法中復雜運算的運行次數，降低衛星定位算法對車載設備的性能要求，提升了衛星定位算法的運算效率和定位效果。

4 基于電子地圖的實體應答器定位技術

由于衛星定位精確度條件的限制，在站間單線情況下，列車能夠通過列車衛星定位數據，利用相應的衛星定位算法，完成基于電子地圖的衛星定位。針對站間復線和站內復雜線路的情況，采用衛星定位數據、電子地圖、實體應答器、道岔位置狀態等多源信息融合的定位技術，實現列車所在線路及列車運行方向的高可靠性判定，以滿足列車安全定位的要求，提高列車運行效率及復雜運行環境的適應性。

4.1 電子地圖動態更新

為滿足長交路列車在不同線路上的跨線運行需求，同時解決電子地圖人工拷貝上車可能引入的風險，降低線路電子地圖人工管理的難度，電子地圖采用動態更新上車的方式進行存儲和使用。

電子地圖以車站為單位進行劃分，存儲在其所屬的地面中心設備中。車載設備上電啟動時與地面中心設備建立連接，獲取電子地圖索引文件，根據列車所在位置，請求并獲取列車當前所在線路相關范圍的電子地圖軌道地理信息文件和固定應用數據文件，并轉化處理生成電子地圖軌道地理和固定應用數據。

隨著列車的運行，在列車駛入下一個車站后，更新列車當前所在車站的車站信息，清除非該車站及非該車站相鄰車站的電子地圖軌道地理和固定應用數據，同時請求并獲取該車站及該車站相鄰車站的電子地圖軌道地理信息文件和固定應用數據文件，解析生成電子地圖軌道地理和固定應用數據，完成電子地圖的動態更新。

4.2 實體應答器定位處理

列車經過實體應答器時，存在車載設備已存儲或尚未存儲該實體應答器所在車站的電子地圖數據兩種情況。因此，在進行基于電子地圖的實體應答器定位時，應對實體應答器進行正確性和有效性兩方面的判定，確保其正確有效后，方可利用其在電子地圖軌道中位置及方向信息，完成所在列車軌道位置和軌道方向的判定，如圖4所示。

圖4 實體應答器定位處理流程Fig.4 Physical balise positioning processing flow

正確性判定：根據實體應答器獲取其編號、個數和屬性等信息并與電子地圖中該編號的應答器個數和屬性等信息進行校驗，濾除錯誤的實體應答器。

有效性判定：若列車經過實體應答器時，車載設備存有該實體應答器所在車站的電子地圖，實體應答器有效；若列車經過實體應答器時，車載設備尚未存有該實體應答器所在車站的電子地圖，請求并獲取車站的電子地圖，并記錄列車距該實體應答器的行駛距離，待電子地圖動態更新完成后，通過列車距該實體應答器的行駛距離與該實體應答器距相鄰道岔或管轄邊界的軌道距離進行有效性判定。其有效性判定如下。

1）如圖5所示，若列車經過的實體應答器為單實體應答器，則按照軌道雙方向計算該單實體應答器距相鄰道岔或管轄邊界的軌道距離。若軌道距離均大于列車距該單實體應答器的行駛距離，則判定列車未駛出該單實體應答器所在軌道，單實體應答器有效，利用該單實體應答器完成列車所在軌道位置判定。否則，該單實體應答器無效。

圖5 單實體應答器有效性判定示意Fig.5 Schematic diagram of validity determination of single physical balise

2）如圖6所示，若列車經過的實體應答器為兩個及以上應答器組成的實體應答器組，按照實體應答器組方向計算該實體應答器組距相鄰道岔或者管轄邊界的軌道距離。若軌道距離大于列車距該實體應答器組的行駛距離，則判定列車未行駛出該實體應答器組所在軌道，實體應答器組有效，利用該實體應答器組完成列車所在軌道位置和軌道方向判定。否則，該實體應答器組無效。

圖6 實體應答器組有效性判定示意Fig.6 Schematic diagram of validity determination of physical balise group

結合基于電子地圖的實體應答器定位技術，可以輔助衛星定位在站間復線或者站內復雜線路的情況下完成列車所在軌道位置和軌道方向的判定，極大提高了列車基于電子地圖衛星定位的適用范圍，提高列車運行效率。

5 總結

本文主要分析研究復雜場景下結合車載電子地圖和衛星定位數據的列車定位算法，并針對列車定位的準確性及運算效率等問題提出優化方案，使其滿足列控系統及車載設備的性能要求、指標要求；提出采用實體應答器融合定位的技術，解決衛星定位技術在復雜線路上場景中應用的不足，提高系統的環境適應性。