简谈列车卫星定位系统在国铁中的应用

何 进

(中铁通信信号勘测设计（北京）有限公司，北京 100036)

简谈列车卫星定位系统在国铁中的应用

何 进

(中铁通信信号勘测设计（北京）有限公司，北京 100036)

介绍列车定位的发展趋势和列车卫星定位系统的原理、构成和特点及实现卫星定位系统的必要性。

列车定位；轨道电路；卫星定位系统

随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，不仅要求乘座列车时更加舒适、尽量少受噪声和电磁干扰辐射的影响，而且还希望对后期运营维护更加合理、便捷。由于轨道电路设有大量的轨旁信号设备，各种现场维护问题和矛盾非常突出，为达到提高效率、保障安全、节约能源、改善环境、减员增效等目的，发展绿色铁路是必然的。

1 列车定位的发展趋势

目前国内主要用轨道电路来对列车进行定位。轨道电路是以一段铁路线路的钢轨为导体构成的电路，轨道空闲时执行继电器吸起，有车占用时因车轮分路执行继电器电压低而落下。从我国首次建成的轨道电路——1924年大连—金州间、沈阳—苏家屯间自动闭塞采用的交流50 Hz二元三位式相敏轨道电路到现在广泛应用于各铁路局的25 Hz相敏轨道电路和ZPW-2000系列轨道电路，其技术在国内有了长足的发展。在铁路快速发展的过程中，各种形式和技术规格的轨道电路层出不穷，按照我国铁路的运营情况进行研发，较适合我国铁路高密度、运量大、客货共存的状况和我国铁路的运营管理模式。

随着我国北斗导航系统技术的发展和应用，列车卫星定位系统的普遍应用是必然趋势。综合运用计算机软硬件技术、网络通信技术、电力电子控制技术等多种新技术，研究设计一套基于列车卫星定位并且具有智能化和控制监督监测一体化的列车控制系统，为铁路运输高速安全的总目标提供重要的基础技术装备。

2 实现列车卫星定位的必要性

2.1 轨道电路的优缺点

经过多年的运行改进和优化，轨道电路已经广泛应用于我国的铁路,工作稳定可靠、维修简单、故障率低、可靠性和抗外界冲击等性能比较好,能发现钢轨发生的断裂,为保证行车安全起了很大的作用,其优点是公认的。但是，车轮分路的条件是钢轨表面导电良好,目前有相当一部分轨道电路由于列车分路电阻、钢轨面生锈和粉尘污染等因素造成分路不良，采用“3V”化、高压脉冲、计轴等措施整治后,其设备复杂、维修工作量增大、基层站段维护难度大。如果钢轨表面严重锈蚀,甚至趋于绝缘状态，依然要求正常分路，不是轨道电路能够解决的范畴。另外，在电气化区段，轨道电路还受到牵引回流的干扰,高铁车站曾出现过绝缘烧损。在无砟道床中,为了消除阻抗的影响, 基础钢筋需经绝缘处理，还需为信号设备预留安装位置、管线过轨位置，使混泥土施工增加了难度，施工工序更加复杂化。

2.2 列车卫星定位系统具有重大的意义

列车运行控制系统在铁路运营安全和运输效率中起着决定性的作用,基于卫星定位的列车运行控制系统轨旁设备数量较少，有利于降低建设和运营成本，提高运营管理水平。可以自动排除由于人为违章操作、设备原因等引起的各种危及行车安全的因素，为进一步提高安全性提供了高技术装备。采用地面轨道电路，设计使用年限过期后就进入大修期或者换成另一套较先进的设备，这不仅浪费资源，还在更新换代的过程中给运营带来了很大的安全隐患。采用卫星定位系统来取代绝大多数地面轨道电路，不仅促进铁路科技进步，还是铁路信息化的又一次飞跃。

3 列车卫星定位系统的构成和定位原理

常规的卫星定位并不是故障安全的，虽然在一般情况下GPS定位精度可以达到2～5 m、在6西格玛概率条件下可达到19.8 m，但是也存在无法保证精度的情况，它独自无法满足信号系统所要求的安全性，可运用GPS卫星定位系统辅以车载测速传感器的列车组合定位系统来实现列车的定位。

3.1 列车卫星组合定位系统构成

系统有通信设备和信号设备2大部分。其中信号设备包括3个部分，分别为中心设备、轨旁设备和车载设备。中心设备有调度集中CTC和维护终端MMT，中心设备主要作用是下达调度指令、接收并处理运行状态信息和维护信息；轨旁设备有联锁、无线闭塞中心RBC、GPS差分站及CTC车站自律机RTU，轨旁设备接收CTC的调度命令，同时反馈信号表示，还将通过无线通信系统，把管辖区域内信号设备的状态发送给车载系统，同时通过无线通信系统获取列车占用信息；车载设备包括车载计算机和列尾设备，车载计算机将根据轨旁RBC转发的信息，确认前方各种信号设备的状态和显示，并提示指导司机行车、完成超速防护的功能。

该系统是采用卫星定位，运用实时连续双向车—地无线通信技术，以机车信号为主体信号来控制列车运行。实现提高效率、保障安全、节约能源和改善环境等目的。

3.2 列车定位原理

轨道占用检查由车载设备完成。车载定位系统先通过卫星确定列车位置，然后再根据车载线路数据库中的线路电子地图来确定该列车在线路上的位置。

4 组合卫星定位系统的特点

4.1 系统的可靠性、安全性

列车组合定位系统针对GPS和测速传感器输入，采用卡尔曼滤波器（Kalman)算法，两套GPS接收器分别接受定位信息，数据处理过程中相互比较，取较严格的值进行下一步计算。根据滤波器算法，滤波器的输出将再次作为输入，为下一次定位计算提供参照，以增加定位精度，保证定位输出的安全性，该定位算法能提供高达3～5 m的定位精度，且具有精度高度一致性。采用定位周期为0.5 s。保证对定位误差判断在100%的概率下得到控制。

1）失去定位信息的处理

系统采用了故障-安全和多样性的设计思路。定位系统必须安全可靠，即：当条件不完善时，它也应当正常工作。当GPS定位正常时，位置信息主要从GPS数据中得到；当没有GPS数据时，位置信息主要从速度传感器的速度中得到。速度传感器的位置推算是基于由GPS数据进行初始化的初始数据。如果系统“失去GPS差分信息输入”、“失去GPS定位输入”或“失去速度传感器输入”信息时即为故障。在故障发生时，定位系统将采用无故障时的输入数据继续列车的定位计算，同时其定位不确定性增加。这使得系统增大安全保护距离来确保列车的安全。如故障恢复，所有定位系统的输入数据将恢复正常，安全保护距离回到正常大小，在20 m左右(0速度时)。列车运行在隧道中时，16 km没有GPS信号输入，或在任何其他GPS不工作的情况下，定位系统根据速度传感器及数学模型算法等辅助手段对列车进行定位。

如果故障发生后长时间得不到恢复，定位的不确定性就不断累积增加到线路现场的环境条件及用户的需求安全距离时，系统将按列车失去位置处理，并采取相应安全保护措施。

2）列车定位精度的实现

运用GPS差分技术来实现列车控制所需的定位精度。差分导航定位是在相距几十km或数百km的两个测试点上各安装一台导航接收机，其中一点为位置已知点(RBC差分站)，另一点为位置未知点(运行列车)，利用已知点的导航解和已知位置之差作为修正值，修改未知点的导航解。差分定位中的两台接收机是同时观测的，且观测的卫星是相同的。这样的差分解可以消除导航解的常量误差。

3）车轮的直径校准

车载计算机将对安装速度传感器的车轮直径进行自动校准。在对车轮进行校准之前，使用缺省值。缺省值是建立在机车类型基础上的，为了保证安全，使速度传感器产生偏移从而显示大于真实速度的速度。将对两个速度传感器的车轮直径进行计算，两个计算值的误差应该在真实值±0.5%的范围之内，例如，1 016 mm直径的车轮允许5.08 mm的最大误差。车轮自动校准使用了定位处理函数提供的刻度因子误差，每一刻度因子误差均代表一个速度传感器速度的百分比误差，并等于车轮直径的百分比误差。定位处理函数定时地把刻度因子误差传递给车载计算机主函数，主函数随后根据刻度因子误差计算更新的车轮直径。

4）列车完整性检查

列尾装置 (EOT) 通过数字无线网络每分钟均向机车装置 (HOT) 发送信息。EOT向HOT发送的信息包括风管压力、车尾运动状态、列尾GPS定位、发电机以及电池状态等。OBC从HOT设备处得到这些信息后开始进行列车完整性确认工作。

当机车无法接收到列尾数据时，机车认为列尾丢失。在重新收到列尾数据前，机车认为列尾停留在最后一次收到的列尾位置，所占用的分区将不会被出清。在重新收到列尾信息后，占用分区将会被自动出清。否则，通过人工确认列车的完整性，由调度员或值班员手动出清。

4.2 扩展灵活、适用范围大、维护量小

由于系统没有轨旁设备，仅在列车的头部和尾部分别安装车载计算机和列尾设备，且设备简单，成本低，体积小。在线路运营能力改变时扩展非常灵活，可扩展性强，根据线路的变化更新线路数据库即可，GPS车载设备安装方便快捷，这些都在车辆段完成，不干扰运营，便于维修人员的检修。大多数国铁都建于地面，满足GPS定位的基本要求，所以系统的适用范围是相当广泛的。

5 卫星组合定位系统工程应用

目前国铁中仅有青藏铁路运用卫星来对列车进行定位。选用该定位模式主要是沿线气候条件恶劣，人烟稀少，生活和工作条件相当艰苦。因此要求信号设备尽量做到高可靠、无人值守，设备和器材要求采用先进成熟的技术。该系统结构相对简单，维修量较少，具有适应超低温和高海拔的工作能力，具备远程诊断监测功能，具有较少的道旁设备和较低的能耗。自2007年开通以来，系统稳定、可靠、运营安全，满足建设使用的需求。

6 结束语

随着北斗卫星导航系统和全电子化计算机联锁系统运用，结合青藏铁路卫星定位系统的经验，运用一体化的设计理念，研究设计一套集自动闭塞、车站联锁和列车运行超速防护于一体的列车卫星定位信号系统是今后铁路信号设备发展的趋势，市场应用前景广阔。同时，铁路信号系统的智能化、网络化，必将对现场人员的工作方式、现存的铁路信号产生深远的影响。

[1]陈建译，陈习莲，25 Hz相敏轨道电路技术与应用[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[2]青藏线ITCS 技术规格书.

[3]兰州大成科技股份有限公司.车站全电子计算机联锁系统设备介绍说明书，2010.

The paper introduces the developing trend of train positioning, the principle, composition and features of the train satellite positioning system, as well as the necessity of realizing the satellite positioning system.

train positioning; track circuit; satellite positioning system

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.006

2013-12-12）