基于衛星定位的列車完整性檢查列尾設備性能測試方法

陸德彪, 孫 浩, 張 丹,3, 段國濤, 董皓琦

(1. 北京交通大學電子信息工程學院, 北京 100044;2. 智慧高鐵系統前沿科學中心, 北京 100044;3. 北京交通大學北京市軌道交通電磁兼容與衛星導航工程技術研究中心, 北京 100044)

0 引言

隨著鐵路的快速發展,運輸系統對于鐵路網絡的通過能力、運輸效率、設備管理和維護等方面提出了新的需求。以CTCS-3和CTCS-2級(Chinese train control system,CTCS)為代表的列控系統結構復雜,設備間信息交互繁瑣,軌旁設備較多[1]。列控系統技術的演進致力于縮短列車運行間隔、減少軌旁設備,進而由車載設備完成列車定位和列車完整性檢查功能。中國和歐盟分別在已有的列控系統架構上提出了新型列控系統(next generation train control,NGTC)[2]。NGTC主要研究并實現基于無線通信的移動閉塞或相對閉塞技術、融合衛星導航的多源列車定位技術以及基于車載自主的列車完整性檢查技術等[3-4]。

列車完整性檢查是指列車在行車過程中對列車整體連接的完整性進行檢查,以確保列車在行車過程中的安全性和穩定性[5]。NGTC中基于車載自主的列車完整性檢查技術指不依賴于軌旁設備如軌道電路等,采用機車至最后一節車廂的硬連接方式(風壓或列車總線)以及自主列車首尾測速定位的方式實現完整性檢查功能[6]。歐洲X2Rail-2計劃下SCOTT項目中提出了基于無線方式實現列車完整性檢查的方法,包括了基于衛星導航的方法[7]。隨著北斗衛星定位系統的精度的提高,應用北斗實現列車完整性檢查可保障列車完整性檢查的實時性和安全性[8-9]。

在基于衛星定位的列車完整性檢查中,列尾設備在實際應用前需要在實驗室條件下進行對應工作環境場景下的衛星定位功能及性能測試。在列尾觀測環境仿真方面,國內外的實驗室大多采用3D建模、環境圖像建模以及激光雷達點云建模等技術構建模型,從而模擬衛星信號傳播路徑并實現衛星定位接收機信號接收環境的仿真[10]。基于典型鐵路運行場景(如森林、隧道等環境)進行實驗室模擬分析,比較模擬位置和實際位置,計算誤差值并將其與精度閾值進行比較分析,從而評估定位性能[11]。安毅等人針對GPS天線安裝在車鉤處,GPS衛星信號被車廂遮擋定位下降的問題提出了一種基于GPS和虛擬衛星組合定位完成列車完整性檢查的方法[12]。楊安利用Apriori 關聯分析算法對列尾設備觀測衛星的特征參數進行關聯分析,建立列尾設備衛星定位受限環境場景模型[13]。因此,通過大量數據進行關聯性分析建立天空圖模型,在實驗室仿真過程中需要基于觀測衛星、天空圖模型對衛星進行可見性操作,實時仿真過程較為困難。構建定位設備天線的方向性圖,可以實現任意仿真軌跡上衛星可見性仿真,在此基礎上進行符合列尾設備技術條件的衛星可見性仿真,形成測試案例,可有效服務于列尾設備在不同運行線路的通用性功能和性能測試。

本文針對列尾的衛星定位接收天線方向性進行仿真設計,在實驗室環境下建立列尾觀測受限場景并開展基于測試序列的規范仿真和測試。通過定位精度評估方法,評估列尾設備在受限場景下的定位精度,旨在構建基于衛星定位的列尾設備通用性功能、性能仿真測試和評估方法,為開展新型列控系統實驗室仿真測試提供設備級仿真條件。

1 列車完整性檢查

1.1 新型列控系統對列車完整性檢查的要求

根據ERTMS/ETCS系統需求規范的Subset-026和中國《CTCS技術規范總則》的要求,通過無線閉塞中心(radio block center, RBC)和車載驗證系統共同完成列車定位和列車完整性檢查。目前的列尾設備可以通過檢測風管漏風情況來判斷列車的完整性,當列車分離時,風管斷開漏風,泄漏量超過規定閾值時,列尾設備會向監測系統發出告警信息,提示駕駛員注意列車運行狀態。并且,當前列尾屬于車務系統,納入列車運行控制系統需考慮列車完整性檢查的可信性,因此按照新型列控系統的設計,列車完整性檢查功能應該符合以下條件:

1)列車完整性檢查列尾設備能夠向車載主機實時傳輸列車完整性的狀態情況。

2)車載設備能夠根據列尾信息向無線閉塞中心發送準確的列車位置信息。

3)列車位置信息中列車完整性信息應該經過安全校驗,定位精度優于5 m(95%)。

因此,引入基于衛星定位和風壓雙套冗余的列車完整性檢查列尾設備可以保障列車運行過程中,基于GSM-R網絡傳輸列尾測速定位信息和風壓信息至車載主機,滿足完整性檢查功能的3個條件。

1.2 基于衛星定位的列車完整性檢查

新型列控系統的列車完整性檢查列尾設備(以下簡稱“列尾設備,end-of-train device,EOT”)引入了基于衛星的車載無源定位方式。如圖 1所示,列尾設備采用硬件安全比較架構,包含風壓檢測、測速定位、無線通信和控制主機。

圖1 安全型列尾設備構成示意圖Fig.1 EOT safety structure composition

風壓檢測模塊通過比較雙路風壓一致性校驗列車完整,測速定位通過雙路測速定位模塊檢查測速定位誤差是否滿足閾值范圍要求,然后將列尾設備的風壓和測速定位信息傳輸至車載ATP主機,最后由車載主機實現列車完整性安全校驗。

因此在列首ATP車載設備主機、列尾設備均增加基于衛星導航的測速定位模塊,車載ATP設備主機接入的衛星導航天線位于機車頂部;列尾的天線內置于列尾設備,因貨車車廂安裝條件限制,列尾只能安裝在最后一節車廂后側車鉤位置,車廂對列尾天線造成遮擋,因此列尾的衛星觀測環境為典型的“半邊天”環境場景。如圖 2所示,列尾設備觀測到的衛星信號數量比被測車載ATP設備(簡稱“列首設備,head-of-train device,HOT”)少近一半,因此列尾觀測到的衛星幾何精度因子(horizon-tal dilution of precision,HDOP)增大,導致定位誤差隨之增大。

圖2 列尾設備和列首設備衛星觀測狀態示意圖Fig.2 Satellite observation illustration for EOT and HOT

基于上述列尾設備衛星觀測受限的情況,再加上實際列車運行過程中經過車站、山體及城市等多種環境場景,導致衛星定位信號觀測場景不可控,因此在列尾設備投入鐵路現場使用之前,需要在實驗室條件下進行列尾觀測衛星場景的仿真,對基于衛星的列尾定位性能進行測試,驗證其場景適應性和定位精度,從而確保列尾設備在實際列車運行中能夠準確地獲取位置和速度信息,為ATP車載設備提供必要的信息以保障列車的運行安全。

2 基于衛星定位的列尾設備環境特征構造

2.1 列尾設備衛星信號接收環境

列尾設備一般安裝在最后一節貨車車廂的尾部,列尾設備與列車車鉤相連接用于固定設備,同時連接尾部風壓管,如圖 3所示。因列尾設備安裝位置為車廂后側,車體對列尾設備天線造成遮擋,導致列尾觀測衛星數量下降,可能導致定位觀測幾何布局下降,帶來較大定位誤差。因此,需要對列尾觀測衛星環境場景進行實驗室仿真環境下仿真和性能測試。列車運行過程中因軌道走向導致列車運行的航向角動態發生變化,導致列尾設備觀測的衛星數量隨著列車運行、遮擋的方位變化帶來變化,并且隨著列車運行經過不同的環境場景,觀測的衛星數量、幾何分布均動態變化,如圖 4所示。因此,構造列尾觀測場景需要建立列尾受車體遮擋的天空圖特征,并在此基礎上基于衛星導航星歷、電子軌道地圖進行觀測衛星的實時生成。列尾觀測的天空圖依據觀測天空可見性和遮擋特性采用天空遮擋特性(feature of sky occlusion, FSO)進行參數化特征描述[14]。

圖4 不同運行方向下列尾天線觀測天空圖Fig.4 EOT antenna skyplot under different operation directions

2.2 列尾天線方向性設計

為了分析車廂的遮擋對列尾設備接收衛星導航信號實現列車完整性檢查功能的具體性能,使用ANSYS公司的HFSS(high frequency structure simulator)軟件進行列尾天線的天空方向圖仿真。HFSS軟件采用有限元 (FEM) 方法求解電磁場問題,進行電磁場的三維建模仿真。在HFSS天線仿真中,通過在天線的某一方向設置與地面垂直的理想導體邊界,模擬尾部車廂對天線接收信號的遮擋情況,保證大地和所設置的車廂平面二者之間沒有因為邊界條件不同產生互相之間的影響。如圖 5所示,列尾設備天線為右旋圓極化矩形天線,按照列尾設備安全性的要求,設備內部共有2根天線。

通過圖 5的天線尺寸結構、天線手冊提供參數,確定仿真所需的天線參數如表 1列尾天線特性參數所示。

圖5 列尾設備天線尺寸示意圖Fig.5 EOT antenna ¶meters

表1 列尾天線特性參數

通過上述右旋圓極化矩形微帶天線的結構尺寸,在HFSS軟件中構建天線仿真模型,按照有車體遮擋和無車體遮擋兩種場景進行仿真,仿真場景如圖 6所示。

基于相應仿真場景,在HFSS仿真軟件中衛星導航信號的頻點進行仿真分析,形成對應的天線方向性特征,列尾天線觀測的天空圖導致方向性圖為非全向性,因遮擋導致了畸變。由此基于模擬仿真的列尾天線方向圖構建列尾觀測環境并生成天線接收信號增益矩陣。

(a) HFSS仿真天線模型

3 列尾設備觀測環境場景仿真方法

3.1 面向場景仿真的列尾觀測環境構建

根據圖6的HFSS列尾設備天線的仿真結果,以天線方向性參數為輸入,作為模擬參數輸入至GNSS模擬器中,模擬列車運行中的列尾設備觀測的天空圖(skyplot)。基于實際衛星天線接收信號場景,天線和衛星之間的相對位置可以通過俯仰角θ∈[0°,180°]和方位角φ∈[0°,360°]來表示,天線本體坐標系及天線方向圖定義如圖7所示。

圖7 天線本體坐標系及天線方向圖定義Fig.7 Antenna coordinate system definition and antenna pattern

為了準確描述天線接收衛星導航信號的增益,將俯仰角和方位角通過1°的間隔進行分割,形成天線方向增益矩陣A,用式(1)表示。

(1)

其中,m=180;n=360,0

由于衛星軌道與天線本體距離可認為無窮遠,在同一方位角下,天線的俯仰角方向信號增益相同。利用HFSS 軟件仿真生成的天線方向圖,取每個平面方位角的信號增益值,生成式(1)天線方向增益矩陣的參數,構造滿足GNSS衛星導航模擬器格式要求的用戶天線方向圖參數格式文件(按比例因子100進行Am×n放大),生成的用戶天線及方向性圖參數(局部)如圖8所示。

圖8 基于列尾天線方向性生成的增益參數Fig.8 Gain parameters triggered by EOT antenna pattern

3.2 基于衛星導航模擬器的列尾觀測場景生成

基于衛星信號模擬器的列車定位精度測試平臺由仿真數據生成系統、GNS8460信號模擬發生器、模擬器控制系統、被測車載ATP設備(簡稱“列首設備”)、列尾設備及定位精度后處理系統組成,測試平臺的連接方式如圖9所示。

圖9 基于衛星信號模擬器的列車定位精度測試平臺Fig.9 GNSS-based EOT/HOT localization accuracy test platform

通過GNSS模擬器操作系統向衛星導航模擬器注入列車運行軌跡參數,包括基于電子軌道地圖對應的線路信息生成的列車運行三維位置、速度和天線方向性參數,衛星的系統時間、星歷信息,從衛星和列車運行兩個方面形成的仿真參數輸入至仿真平臺。列首定位設備和列尾設備通過不同方式接收模擬生成的衛星導航信號,并計算對應位置信息和觀測參數,通過定位精度后處理系統與仿真輸入的列首和列尾設備位置信息比較,進行不同觀測衛星場景下的精度分析。總體的仿真測試流程結構如圖 10所示。

圖10 基于GNS8460模擬器定位性能仿真測試流程圖Fig.10 Simulation &test flowchart of localization performance based on GNS8460 GNSS simulator

4 列尾定位性能測試方法

4.1 仿真數據及測試流程

為驗證生成的天線方向圖的正確性和仿真測試平臺構造場景的性能,采用真實列車在瀏陽站至大茅站(K1596+650-K1561+300)共計35.35 km的浩吉鐵路貨運線路上采集的數據,生成列首和列尾設備運行軌跡數據。根據列首和列尾設備的實際工作場景和天線方向性,列首設置無遮擋場景,列尾設置為第2部分通過HFSS生成的天線方向性參數,衛星導航模擬器列車行駛最高速度為80km/h。衛星導航模擬器的配置包括:信號頻點為北斗B1I和B2I頻點、GPS的L1和L5,仿真軌跡為120 s 的靜態(用于初始定位)、瀏陽站停車3 min、瀏陽站-大茅站區間行駛27 min,仿真軌跡數據的基本信息如表2所示。

表2 仿真軌跡場景信息統計表

為驗證列首和列尾設備分別在開闊場景、受車體遮擋場景下,接收設備在BDS模式、GPS模式和BDS/GPS雙模3種工作模式下單點定位的性能,列首和列尾設備均采用Ublox M8N接收機,接收衛星導航模擬器輸出的列首、列尾衛星導航信號。Ublox M8N接收機配置為單點定位方式,接收機配置部分參數如表 3所示。

表3 Ublox M8N接收機參數設置

在本次實驗中,我們模擬列首和列尾兩個定位設備,在兩種列車運動狀態下,對3種衛星定位模式下進行了共計6次實驗評估定位性能,如表 4所示。

4.2 仿真定位精度評估

通過仿真平臺獲得的6個測試序列的結果,進行靜態/動態場景、BDS/GPS不同定位模式下的定位性能評估。定位誤差采用均值μ、標準差σ以及圓概率誤差95%(R95)3個參數進行評估[15]。

針對6個測試序列動態運行過程的測量結果,對觀測的可見衛星數量(SV)、水平精度因子(HDOP)進行了比較,如圖 11所示。

(a) BDS模式下列首設備衛星觀測狀態

(b) BDS模式下列尾設備衛星觀測狀態

(c) GPS模式下列首設備衛星觀測狀態

(d) GPS模式下列尾設備衛星觀測狀態

(e) BDS和GPS雙模下列首衛星觀測狀態

(f) BDS和GPS雙模下列尾衛星觀測狀態圖11 列車行駛狀態下列首和列尾定位可見衛星數和水平精度因子(HDOP)Fig.11 Satellite visible numbers (SV) &HDOP for EOT/HOT under train dynamic operation

列首設備觀測環境未設置天線方向性增益參數,環境為無遮擋開闊場景,從列首和列尾設備的平均可見衛星數來看,不管是在列首3個測試序列、列尾3個測試序列中,列首設備可見衛星數量比列尾設備可見衛星數量多近1倍,符合車體遮擋帶來的天空遮擋場景特征。類似地,HDOP值在列尾設備的3個測試序列中測試結果均大于1,亦符合因車體遮擋帶來的衛星幾何分布不良帶來的HDOP增大現象。特別地,EOT-PS-03測試序列中列尾設備工作模式為BDS/GPS雙模定位,其HDOP值均值為1.41,與EOT-PS-02相比,減小超過50%,從定位原理角度來看,EOT-PS-03定位精度比EOT-PS-02有較大提升,見表5。

表5 列首和列尾設備在不同定位模式下的SV和HDOP均值

同時對6個仿真序列中,區間運行部分的水平方向(北向/東向)定位誤差進行了分析,如圖12所示。在HOT-PS-01/HOT-PS-02場景下,列首設備的水平方向定位誤差均值分別為2.97 m和1.19 m。而在EOT-PS-01/EOT-PS-02場景下,列尾設備的水平方向定位誤差均值分別為13.69 m和5.52 m。由于車體遮擋的原因,列尾設備的水平方向定位誤差均值分別增加了10.72 m和4.33 m,這符合上文提到的,由于可見衛星數目減少和衛星幾何分布不良等因素,導致HDOP值增大所帶來的水平方向誤差增大的現象。在EOT-PS-03測試序列中,列尾設備的水平方向定位誤差均值為2.42 m,相較于EOT-PS-01/EOT-PS-02測試序列,列尾設備的水平方向定位精度有了較大的提升。這證明了采用GPS/BDS雙模定位方式可以有效地降低列尾“半邊天”場景所帶來的定位誤差。

(a) 列首水平方向誤差箱線圖

(b) 列尾水平方向誤差箱線圖圖12 列車行駛狀態下的列首和列尾定位設備水平方向誤差箱線圖Fig.12 Horizontal error box line diagram for HOT/EOT in train dynamic operation

最后,我們依據上文所給出的定位精度評估指標,將水平方向誤差沿北向和東向進行了分解,統計了6個仿真序列在停車和區間行駛狀態下的定位誤差參數,如表 6所示。從誤差均值和標準差來看,無論是停車狀態還是區間行駛狀態,列尾的EOT-PS-03測試序列相較于EOT-PS-01/EOT-PS-02精度均為最優,分別為1.87 m和3.82 m (R95)。EOT-PS-03與HOT-PS-03相比,動態運行過程中列尾R95誤差優于5 m,能夠滿足衛星定位列尾用于列車完整性檢查的功能。

表6 列首和列尾設備在不同定位模式下的定位誤差參數評價指標

5 結論

圍繞鐵路列車運行控制系統列車完整性檢查功能中列尾設備的安全冗余輸入的需求,本文研究了基于衛星定位的列尾設備性能測試方法。列尾設備在現場測試衛星信號觀測動態變化,本文探索了基于衛星導航模擬器的列尾設備性能測試方法,并基于電磁場仿真軟件HFSS進行了天線方向性參數的仿真,模擬列尾設備在列車運行過程中的觀測環境場景。

1) 基于衛星導航模擬器的列尾設備性能測試方法,模擬列車運行過程中的觀測環境場景,在不同衛星定位模式下,設計6個測試序列對列首和列尾設備進行了定位性能分析。

2) 在列車停車狀態下,列首和列尾設備的R95誤差均小于5 m。而在列車運行狀態下,列首設備的R95誤差均小于3 m,列尾設備在BDS/GPS雙模式下的R95誤差小于5 m。

3)在BDS模式和GPS模式下,列尾設備的水平距離誤差均值分別為13.69 m和5.52 m,R95誤差分別為13.48 m和9.12 m,通過BDS/GPS雙模方式,能夠使列尾設備的水平距離誤差降低至2.42 m,R95誤差降低至3.82 m,滿足列車完整性檢查對列尾設備定位精度優于5 m的要求。

本文提出的列尾設備性能測試方法可為新型列控系統列尾設備的定位提供測試環境和性能評價指標及數值參考,對于列車在更為復雜的列尾觀測環境場景定位性能還可以進一步研究。