中国高铁列控定位技术及对北斗卫星定位应用需求

岳朝鹏 崔俊锋

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 高速铁路基于定位的应用服务简介

中国的北斗系统(Beidou Navigation Satellite System，BDS)从2011 年12 月开始提供区域性的导航定位服务，至2017 年底已陆续发射25 颗卫星，BDS 现在已经可以在中国以及亚太地区提供高精度、高可靠定位、授时服务。为更好对接铁路系统与北斗的应用需求，梳理了现有铁路应用中与位置、授时相关的主要服务，可大致分为以下几类。

1) 信号控制类：用于保证列车安全、高效运行的核心控制系统，主要包括列车自动防护系统和列车自动驾驶系统等，基于列车位置实现对列车的超速防护安全控制和自动驾驶功能。

2) 运营管理类：用于跟踪列车运行轨迹、运行时刻的调度管理系统，主要包括运输调度指挥系统、调度集中控制系统、无线列调系统等，基于列车位置、时刻表等信息，实现对列车的运营调度指挥功能。

3) 监督预防类：用于监督防护施工人员、运行列车的信息辅助预警系统，主要包括施工人员防护系统、列车追踪预警系统等，基于施工人员位置、列车位置等，实现人员防护、列车接近预警等功能。

4) 基础设施管理类：基于形变位置对桥梁、隧道等基础设施形态、位移、灾害等状态实施监测管理。

5) 旅客服务类：基于列车位置实现报站、广播、旅客指引等信息服务。

6) 授时管理类：通常在设备维护领域中，通过授时系统实现车载和地面设备的时间同步，以便故障维护的日志分析。

除上述应用外，铁路中可能还有一些其他基于位置的应用服务，本文不做过多讨论。以下将重点分析信号控制领域核心部分——列控运行控制系统的列车定位技术需求。

2 中国高铁列控系统既有列车定位技术

目前，中国高铁在300 ～350 km/h 以上的铁路均采用CTCS-3 级列控系统。列控系统的主要作用是完成列车的间隔控制和速度控制,即通过跟踪列车位置、速度以及目标点位置、限速进行的速度距离防护，如图1 所示。

图1 基于列车位置的速度控制和间隔控制示意Fig.1 Schematic diagram of speed control and interval control on the basis of train position

由此可见，列车定位技术是列控系统的一项关键基础技术。既有高铁列控系统的列车定位技术的实现原理，需要由地面设备和车载设备共同完成。其中，地面设备是由轨道电路和应答器构成，车载设备是由车载测速测距设备和应答器读取器设备构成。各设备的工作原理如下。

1) 轨道电路：是由一段铁路线路的钢轨为导体构成的电路，用于自动、连续检测这段线路是否被机车车辆占用，如图2 所示。当某一轨道区段无车时，轨道电路送电端的电流会沿着钢轨到达受电端，使得表示该区段空闲继电器励磁吸起；若有车进入该区段时，由于车轮轮对电阻小，直接分路钢轨上传输的电流，使得受电端的继电器失电而落下。故轨道电路可用于提供连续的列车占用检查，即使列车编组分离，也能检查出来，但感知范围为区域性的。

图2 轨道电路工作原理Fig.2 Working principle of track circuit

2) 地面应答器和车载应答器读取器：地面应答器是一种能向列车发送线路数据报文信息的点式设备。当列车经过应答器时，列车上的应答器读取器通过瞬间电磁感应激活地面应答器以获取相应报文数据，同时车载标记该点位置，进行列车位置的复位校准。

3) 车载测速测距设备：包括车轮测速传感器和多普勒雷达，用于实时测量列车运行速度和走行距离。车载通过对多源传感器的组合定位算法，实现列车位置的精确判定。即列车基于最近一次定位参考应答器（LRBG）的相对走行距离，并考虑安全误差给出车头位置的置信区间，如图3 所示，这样就可精确感知列车在轨道区段上的具体位置。

图3 基于应答器的列车精确定位原理Fig.3 The principle of train precise positioning on the basis of balise

虽然上述方法可以很好识别列车定位，但也存在一些不足。如，需要全线铺设一段段的轨道电路、或因列控数据变动而需修改沿线的应答器报文数据等，导致地面设备维护工作量非常大；同时，车载设备冗余设置的传感器设备较多，导致车载设备成本较高等。为此，近年来，基于增强安全、提高效率和降低成本的考虑，美国、欧盟、日本先后启动下一代列控系统的研究。同期，伴随着卫星定位技术的成熟发展，国外各主流列控供应商也纷纷开展采用卫星定位技术的列控系统或项目。

3 列控对北斗导航系统应用需求

通过对照上述既有列控的定位技术原理，可推导分析下一代列控系统基于北斗卫星定位的应用需求。

1) 从列控系统功能应用角度上看，基于北斗卫星定位可以连续且精准获取列车位置信息，应至少实现以下两项功能应用。

a.改变既有列控基于固定闭塞的追踪间隔方式，而采用基于移动闭塞的追踪间隔方式，使得追踪列车间隔大大缩小，从而提高运输效率，如图4所示。

图4 不同的追踪间隔方式Fig.4 Schematic diagram of different tracing interval modes

b.通过对同一列车的车头、车尾定位，实现列车完整性检查，以防止列车解体后造成后续追踪列车闯入的风险，如图5 所示。

2) 从保障列控实现安全可靠的卫星定位服务上看，应建立对卫星定位服务质量的评价模型，并给出相应的需求措施。以下给出评价模型的4 项重要指标。

图5 基于卫星定位的列车完整性检查Fig.5 Train integrity inspection on the basis of satellite positioning

a.定位服务范围：指具体线路区域上的卫星定位可覆盖比例、卫星定位缺失时可容忍的最长间隔距离、卫星定位缺失时可容忍的最大时间等，从而便于评估不可覆盖区域的追踪效率能否匹配具体运营线路的繁忙程度。以西成高铁为例，其中超过10 km的特长隧道就有7 座,形成长达134 km 的超级隧道群，解决隧道、高铁站内卫星覆盖问题是列控应用的需求之一。故对于繁忙线路上的隧道、高铁站内，应实现北斗信号（如采用伪卫星技术）100%覆盖，以减少在此区域因信号遮挡而需地面增设应答器、车载保留应答器读取器带来的投资及维护成本。

b.定位精度：指卫星定位服务提供的位置、速度及时间的测量精度，以及对基于概率性的瞬时误差的可接受度等。以《铁路技术管理规程(普速铁路部分)》TG/01-2014 第15 条要求“铁路区间双线的线间最小距离为4 000 mm”为例，当线路上存在此情形时，卫星定位精度应小于4 m，以便满足区分线路的要求。若线路上运行的是自动驾驶列车，则站内局部地点的卫星定位精度还应达到亚米级，以便站台精准停车等。为满足此项需求，通常要求地面设置差分站来保证定位精度。但是，建一个覆盖50 km范围的差分站与所铺设的应答器成本总价近似，使用卫星替代地面应答器，却不能有效降低系统建设投资成本和维护成本。故期望北斗系统可为列控提供星基差分方式，或可复用的公共地基增强系统，卫星导航系统具有差分信息及控车信息的中转通信功能以减少列控系统全生命周期成本。

c.定位安全性：指对卫星定位输出信息的安全风险评估，包括可容忍的风险门限值、可容忍的风险检测时长等。铁路行业通常采用安全完整等级（Safety Integration Level，SIL）来定义功能安全性，即执行应用功能的危险失效概率，可分为SIL0 ～4 级。列控定位功能是核心安全功能，安全性应为最高的SIL4 级，即危险失效概率小于10-9次/小时。而既有卫星定位完好性是基于正态分布概率评估的，即便6δ 下，定位失效的概率最小为2×10-6。故提高列控定位的安全性，是下一代列控研究的关键技术。另外，卫星信号接收处于开放空间，易受到其他信号的干扰和欺骗，故期望北斗系统可为列控提供加密和授权的用户频段和通信方式，使得信息安全得以保证，进而保证整个列控系统的控制安全。

d. 定位实时性：指定位信息的输出频率、可适应的列车移动速度等；目前，基于轮轨式列车可支持的最高允许速度不会超过450 km/h（相当于125 m/s），故建议卫星定位设备的定位信息输出频率应至少为10 Hz。

4 展望

早在2006 年，由美国通用电气公司开发的基于GPS 定位的增量列控系统已在青藏铁路开通运营，其他国外厂商也都有研究基于卫星定位的列控系统。但时至今日，随着国内自主研制、自主建设的北斗卫星导航系统的快速发展和组网，以及基于LTE 的4G通信的成熟应用和超宽带5G 通信的快速发展，也将加快发展基于北斗卫星定位的下一代列控系统研究。为此，本文给出了既面向铁路行业，也面向北斗卫星设备制造行业的应用需求方向，以促进行业间快速相互融合发展。