卫星导航在铁路列车控制领域的应用及发展*

· 文 |北京交通大学电子信息工程学院 刘江 蔡伯根 王剑

卫星导航在铁路列车控制领域的应用及发展*

· 文 |北京交通大学电子信息工程学院 刘江 蔡伯根 王剑

卫星导航系统及相关技术在世界范围内的迅速发展，对多种交通运输系统方式的革新与发展均起到了十分显著的作用。铁路运输系统作为我国国民经济的大动脉，具有运量大、占地多、单位运量耗能低等诸多特点，与常规的道路交通运输方式相比具有显著差异。近年来，我国高速铁路已经进入快速发展时期，广大中西部铁路路网覆盖也已成为未来时期的重要方向，在铁路运输系统的建设、运营、管理等众多过程中，铁路专用移动体、特定目标的位置信息，是众多铁路功能领域的支撑性基础因素。基于位置的铁路服务（Location-based Service for Railway，LBS-R）已成为铁路系统功能运转、效能提升的重要内容。

随着卫星导航系统的发展，我国铁路运输系统自21世纪初开始逐步引入卫星导航，其在铁路系统中的应用先后经历了三个发展阶段：初始阶段，借鉴其它领域GPS技术的应用经验，开始采用GPS实施列车等关键目标体的定位、系统授时等方面的技术尝试和应用探索；技术积累阶段，美国、欧盟先后结合GPS、GALILEO系统的建设发展逐步开始从技术与应用层面大力推动卫星定位在铁路列车运行控制等安全领域的发展，为国内开展相关研究和技术应用提供了重要的外部环境，北斗导航试验系统的建设以及2006年开通运营的青藏铁路格（格尔木）拉（拉萨）段率先在国内采用GPS定位实施列车运行控制，为卫星导航实质性应用于铁路运输服务提供了重要的发展契机，在卫星导航系统应用于列车定位以及铁路领域的测量测绘、调度指挥、基础设施监测等众多方面实现了技术积累；应用融合阶段，随着2012年起北斗二代导航系统正式提供亚太区域服务，卫星导航产业迎来了新的发展时期，其在铁路运输系统中的应用效益日趋显著，铁路系统的自主化、信息化、智慧化发展为卫星导航系统的应用提供了新的机遇，特别是在列车定位技术及其所支持的众多铁路生命安全应用方面，同时也对卫星导航及其增强系统提出了更多要求。

本文将重点从铁路列车定位技术的特点及发展情况出发，分析列车运行控制系统（下文中简称列控系统）这一核心应用中列车定位的具体需求，对卫星导航增强系统在铁路定位领域的应用趋势、潜在模式、推进方向进行总结，并对未来发展进行了展望和建议。

一、列车定位技术及其特点分析

列车作为铁路客货运输活动的主要载体，其运行状态的感知是实施铁路运营、管理、调度、控制等相关功能的核心基础。相比于道路车辆等其他陆用载体，列车的运行过程及相应的定位功能具有其特殊性，主要集中在以下三个方面：①运行空间受限性；②位置的一维属性；③运行过程计划性；

基于上述特征，列车控制系统领域长期以来普遍采用的列车定位与测速技术，如轨道电路、脉冲速度传感器、应答器、多普勒雷达等，均在其一维受限条件下针对性提出，且与铁路系统车、地协同的运行过程紧密联系。近年来，卫星导航系统因其显著的性能及成本效益，逐步被引入铁路系统用于列车定位测速，所能带来的最大优势在于应用卫星定位在尽可能减少系统建设、维护成本的基础上确保一定的性能效益。然而，对于列车控制等安全应用而言，卫星定位因其面临的一些制约因素，如信号遮挡、多径效应、信号干扰等，如何进一步从系统服务能力方面提升卫星定位的应用性能，是使其满足特定需求并发挥其“成本-效能”优势的决定性问题。伴随着卫星导航增强系统在世界范围内建设及应用的热潮，利用增强系统提供的服务进一步确保其在铁路系统的应用能力逐步成为可能，为未来形成更大范围、更多方向、更深层次的基于卫星导航的铁路专用定位应用创造了良好条件。

二、列车控制领域卫星定位技术发展动态

随着卫星导航系统在铁路应用系统中的性能、成本、市场、战略等多个层面所显现的巨大潜力及价值，开发并应用基于卫星导航的列车运行控制系统已成为世界范围内铁路系统及技术领域的重要共识，并已成为卫星导航系统在铁路系统安全应用领域的引领性发展方向。对世界范围内主要的代表性应用发展情况总结如下。

（1）美国

美国是世界上最早将卫星导航引入铁路列车控制领域的国家。近年来，美国联邦铁路管理局、美国海岸警卫队和联邦公路管理局共同经营并维护了专用的地面增强系统——NDGPS（Nationwide Differential Global Positioning System），可提供用于铁路列车定位及控制系统的完全无偿开放的增强服务，支持五个等级的NDGPS应用，并计划通过采用国际标准建造的方式构建全球范围的无缝增强服务，如图1所示。

图1 美国NDGPS全球无缝增强服务

（2）欧盟

欧盟自上世纪90年代开始发展Galileo卫星导航系统，将铁路安全运输作为Galileo应用服务的一个重要方向，特别是在铁路列车运行控制方面，为了提高运营效率、互操作性并保证安全，拓展ERTMS（European Rail Traffic Management System，欧洲铁路运输管理系统）规范使其满足日益增长的铁路发展需求，有效降低欧洲列车控制系统（European Train Control System，ETCS）运营成本，先后提出了ETCS-LC（Low Cost）、NGTC（Next Generation Train Control）计划，旨在利用卫星导航替代、优化既有的位置决策系统（Location Determination System，LDS），实施高自主性、低成本化的列车定位及占用检查，提升系统灵活性及适用性。

（3）中国

青藏铁路是修建在世界屋脊上海拔最高、线路最长的高原铁路，大部分处于动土区和无人区，全长1956km，海拔4000m以上地段长度约965km，自然环境恶劣，列控系统的选择除了要满足列车安全快速通过的需求，还需要实现无维修、少维护的管理需要，为此，引进了ITCS列控系统，率先在国内实际运营线路上运用基于GPS卫星定位的列车控制模式，极大减少了地面轨旁设备的运用及维护量。为了确保采用GPS定位的精度及其他应用要求，沿线建设局域差分增强系统提供性能增强服务，随车站设置GPS差分站，通过铁路专用GSM-R无线网络向列车车载设备传输差分信息，车载接收机计算列车精确位置并结合线路数据库确定运行方向及所占用虚拟闭塞分区，并向地面发送位置报告。

随着我国北斗卫星导航系统的建设发展以及我国自主化列车控制技术的实施进程，将GPS、北斗导航系统及其增强系统应用于列车控制领域并实现关键技术及核心资源的自主化成为了重要的发展议题，铁道部（2013年后为中国铁路总公司）自2012年起设立了“北斗卫星导航系统在铁路应用研究”项目，主持开展北斗铁路应用的顶层规划设计，并先后启动了多项卫星导航在列车控制与安全领域的研究开发计划。科技部于2014年设立了“基于卫星导航的列车运行控制技术合作研究”计划，在国内率先启动了与德国在卫星导航列控应用领域的技术合作。此外，国内多个铁路通信信号设备厂商均开始将北斗导航纳入为未来技术创新应用的发展方向，同时为我国北斗导航系统发展星基、地基增强系统在铁路领域的应用提供技术储备。

三、列控系统卫星导航性能需求总结

针对卫星导航系统应用于列车定位存在的相应特点，结合列车控制系统的安全苛求特征，如何针对性地确定列控应用对卫星导航的性能需求，是开展相关研究并推进实践应用的重要基础，国外研究人员结合列车控制的特定场景对卫星导航在用户终端层次的性能需求进行了较系统的总结，主要包括六个方面：①精确性；②完好性；③连续性；④可用性；⑤可维护性；⑥覆盖度。

基于上述框架，欧洲研究人员在21世纪初按不同线路等级对用于列控系统的卫星定位性能需求量化指标进行了分析与总结，如表1所示。此外，2014年发布的美国联邦无线电导航计划也对铁路用户的性能需求进行了总结，涵盖了列车运行控制、轨道缺陷定位、测绘、桥梁监测等多个应用方面，其中，用于列车运行控制的需求如表2 所示。

表1 列控系统列车卫星定位性能需求指标（欧盟，2000年）

表2 列控系统列车卫星定位性能需求指标（美国，2014年）

上述性能需求及指标体系均从卫星导航自身出发构建，而在列控系统领域，欧洲标准EN50126定义的RAMS指标体系是对铁路安全专用装备的基本要求，从由卫星导航性能需求驱动的上述列车定位性能指标向实际场景的应用特性进行转化，需要在不同的指标体系之间挖掘其对应和转换关系。对于如何向RAMS指标体系进行映射方面，欧洲研究人员较早开始了相应的方法探索，如图2所示，以安全性、可信性为核心描述了基于卫星导航的列车定位及控制性能框架。

图2 基于卫星导航的列车定位性能框架

四、卫星导航增强系统列控应用发展思路

从目前在国内外开展的研究、试验工作结果来看，脱离卫星导航增强系统实施列车卫星定位在精度方面尚无法满足列控系统的特定要求，除精度以外，定位系统的完好性及其它与安全相关的指标也无法得以保障，结合青藏铁路及国外其它基于卫星导航的列车控制系统实例经验来看，对铁路列车控制及其它相关领域应用卫星导航增强系统及其服务的主要模式预期如下：

（1）基于局域差分的方案

沿铁路线路布设局域卫星定位差分基准站，作为列控系统地面（轨旁）设备的一部分，接入列控系统专用的车-地传输通道实现差分站的远程管理并向车载接收终端提供增强服务，如图3所示。我国青藏铁路目前即采用此方案，参考接收机的差分信息通过地面VBC（Virtual Block Controller）及GSM-R网络发送至车载接收机，提供3～5m的定位精度。总体来看，该方案需要铁路应用系统为卫星增强服务耗费一定的建设、维护成本，且所提供的服务能力与投入直接相关。

图3 局域差分增强方案示意

图4 基于地基增强的方案示意

（2）基于地基增强的方案

采用CORS（Continuous Operational Reference System）差分等方式为列车定位提供增强服务，拟建设的国家/行业数据综合处理系统，能够为铁路专用用户提供整合、优化的数据处理、播发与服务接入，有效提升卫星定位性能，如图4所示。列控系统目前所采用的GSM-R网络以及未来的LTE-R网络能为地基增强系统提供铁路专用的服务接入通道。然而，该方案的实施需要解决监测站、数据综合处理系统等设施的专用化问题，确保为列车控制这一应用提供稳定有效的支持。

（3）基于星基增强的方案

采用卫星导航的星基增强系统，如规划中的北斗星基增强系统BDSBAS，其系统设计、试验与建设，在民航用户的一类精密进近服务基础上，可进一步纳入铁路领域安全应用需求，拓展行业覆盖力，直接随卫星信号的播发、接收提供增强服务，如图5所示。该方案对于既有的铁路列控系统所需的改动最小，且无需专用传输通道、测站及数据处理系统的支持，仅需更换特定终端即可实现，但需要完备的星基增强系统随卫星导航系统同步提供服务。

通过以上分析以及对目前铁路领域卫星导航及其增强系统应用现状的总结，对列控领域未来的拓展应用方向进行展望如下：

（1）卫星定位终端及技术

开发可用于铁路生命安全服务的专用型卫星导航终端，突破多星座兼容、多源传感器集成、轨道电子地图构建与融合、自主完好性监测与增强等关键技术，将虚拟应答器等相关的兼容化手段有效融入既有的列控系统技术体系并开展针对性的安全认证及评估，将有效应用既有导航卫星资源，产生显著的铁路行业效益。

（2）地基/星基增强的构建

铁路等行业需求驱动下北斗地基/星基增强系统计划的实施，将充分体现北斗系统的兼容开放特征，为在世界范围内铁路领域形成深度融合与合作提供条件，进一步凝聚行业应用对北斗导航系统的价值。在此过程中，专用增强网络及其服务与未来铁路专用系统装备的协同是关键，如何借鉴航空等领域将铁路列控系统等应用的需求从用户终端级向卫星导航系统SIS层面的转化，是国内外在此方向均十分关注也必须解决的核心难题。

（3）专用标准与测试评估

为了验证卫星导航系统用于列车控制等安全应用领域的实际能力，使其满足铁路领域特定的安全需求，如何将现有的卫星导航系统标准体系向铁路行业进行辐射，并构建面向导航系统级、用户终端级、应用系统级等多个层次的专用测试平台及评估体系，是规范并协同铁路专用卫星导航产业发展的必经之路。面向铁路应用的卫星导航系统指标体系与专用测试评估技术是我国当前面临的一项十分紧迫的需求，后续潜力显著，对铁路领域卫星导航相关技术及成果的自主化、国际化作用巨大。业特定应用的标准规范及测试评估体系，从而为新一代智慧化铁路运输服务提供关键支持。

图5 基于星基增强的方案示意

五、结论

我国铁路运输系统及列车运行控制这一关键领域正在面临十三五阶段新的发展机遇，卫星导航系统在列车控制领域的应用已进入世界范围内的协同与融合发展时期，卫星导航增强系统所能提供的性能增强及辅助能力是未来列控系统发展的必然需求，具有十分显著的发展应用潜力。我国应在整合融汇多个应用领域应用需求的基础上，加快开展面向专用领域的卫星导航增强系统建设，完善面向行

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＊本文研究来源于国家自然科学基金项目“面向列车运行安全控制的列车卫星定位自主完好性监测关键问题研究（61403021）”。