基于北斗导航的列车定位技术研究

高渐强

(通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070)

1 概述

目前，卫星导航技术广泛应用于国内交通领域，但主要依靠国外卫星导航定位，没有掌握主动权。国内自主研制的北斗卫星导航系统是以面向全球用户提供服务为目标的系统，2020 年将完成北斗全球系统全面建设，北斗应用也将加快推进。将北斗卫星导航系统应用于列车定位，打破对GPS的依赖，提高列车定位系统的精度、可靠性和安全性势在必行。国内对卫星导航运用于列车定位技术的研究晚于其他国家，对于多传感器信息融合的算法、电子地图匹配算法和无线定位的基本算法进行了初步研究，基于北斗卫星导航的列车定位技术研究方兴未艾。

2 全球卫星导航系统性能比较

全球卫星导航系统能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，主要包括国内的北斗卫星导航系统、俄罗斯的GLONASS 导航系统、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo Satellite Navigation System）和美国的GPS 导航系统等。四大全球卫星导航系统各有千秋，如表1 所示。国内北斗卫星导航系统具有双向通信能力，分别在L频段和S 频段传输信息，组网模式采用混合星座，有别于其他全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统组网卫星数目不断的增多，将进一步扩大服务区域，进一步提高导航定位精度。随着北斗卫星导航系统的逐步完善，基于北斗卫星导航的列车定位技术研究也迎来了前所未有的发展契机。

3 列车定位技术的分类

3.1 基于多传感器信息融合的列车定位技术

单一的定位系统不能满足列车定位系统的要求，多种定位系统相互融合，取长补短，优势互补，融合后得到的列车定位信息才能满足列车运行控制系统的需求。列车在深山、森林、城市高层建筑或隧道中高速运行时，卫星的定位信息很容易受到干扰且会丢失，列车不能持续地得到定位信息。为保证在卫星定位信息失效或丢失的情况下持续提供给列车实际的位置信息，采用多传感器信息融合的技术能够有效解决此问题。北斗卫星导航系统和其他定位系统相互融合，可以克服不同定位系统自身的缺点，通过改进的融合结构和算法，来提高系统的鲁棒性和可靠性。刘影进行了基于北斗卫星导航系统和捷联惯性导航系统组合列车定位系统的研究，提出了一种优化的联邦卡尔曼滤波器可以提高列车定位系统的定位精度、稳定性和容错能力[1]，仲腾在自适应卡尔曼滤波算法基础上进行了改进，提升了列车定位子系统的定位性能，提高了定位精度[2],张翔在北斗导航系统和惯性导航系统组合的列车定位模型基础上，提出一种基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filtering，UKF )和粒子滤波算法(PF)的改进算法，通过仿真验证其定位精度优于其他算法[3]。

表1 四大导航系统主要参数对比Tab. 1 Comparison of main parameters of the four navigation systems

传统的信息融合算法有卡尔曼滤波法(Kalman Filtering，KF)、贝叶斯估计法和H∞滤波法等。很多学者对信息融算法进行了优化，如扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filtering，EKF)，EKF将KF 理论成功应用于非线性滤波领域，大大扩展了其应用范围；UKF 与EKF 相比，UKF 不需要对非线性系统进行线性化，计算量不大，在非线性领域，UKF 比EKF 的精度和鲁棒性更高；粒子滤波算法(PF)是一种采用带权值的随机采样粒子集合来接近后验概率分布的滤波方法，在处理非线性问题时，PF 算法有着举足轻重的地位。综上所述，减小传感器的系统误差，提高融合算法的精度和稳定性，降低定位系统的成本，是多传感器信息融合列车定位技术的研究重点。

3.2 基于电子地图匹配算法的列车定位技术

电子地图储存有轨道线路特性，通过电子地图可以得到列车的精确位置，线路控制中心利用电子地图可视化界面可以实时监控列车，电子地图存储有列车位置信息，可以用来校正北斗卫星导航定位信息的偏差，进而提升列车定位精度。基于北斗导航的列车定位技术应有精确的轨道电子地图进行辅助。

近年来，很多学者对地图匹配算法进行改进，提出自己的见解，并得到了更优结果。王禹苏提出一种改进的复合匹配算法，并成功应用在基于北斗导航列车定位的地图匹配系统中[4]。裴家兴提出一种地图匹配算法，其精度和效率都达到了预定目标[5]。卢宇环提出了基于北斗/INS/图像融合的下一代列车定位系统，实验验证其提高了列车定位精度[6]。缩短匹配时间，减小数据冗余，降低误差积累是电子地图匹配方法优化的要点。

3.3 基于无线传感器网络的辅助列车定位技术

基于无线传感器网络的无线定位方式由于成本低、部署维护简单、无中心、自由组织、多跳路由和动态拓扑的特点，在列车的跟踪定位等领域体现出了巨大的潜力，并不断被人们挖掘创新。以往轨道电路和应答器的定位方式，成本较高，而且地面与车载只能单方向传输信息。随着5G 通信时代的到来，以无线传感器网络作为辅助的列车定位技术将得到突飞猛进的发展。它可以实现地面与车载双向通信，提供精确可靠的定位信息，能够纠正北斗导航定位过程中产生的误差。比如GSM-R 技术和射频识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)等。

张树提出一种基于北斗卫星导航和GSM-R 技术的列车定位系统，并通过在青藏线的实验，证明了此系统的定位精度满足实际需求[7]。侯丽虹针对北斗卫星导航盲区列车定位失效的情况，提出一种基于GSM-R 的模糊神经网络列车定位方法，保证了列车定位信息的有效性和连续性[8]。史永乐提出了一种基于北斗卫星导航的铁路货物追踪系统，大幅度提升了货物追踪的精度[9]。无线定位的基本算法和抗干扰措施是日后着重研究的方向。

4 结束语

将北斗导航系统应用于列车定位技术中意义重大，不再依赖国外技术，提高列车定位系统的安全性、可靠性和精度。基于北斗导航的列车定位技术还需要在以下两个方面进一步研究。

1）提升北斗卫星导航信息精度，北斗卫星导航系统的逐步完善必定促进列车定位技术的发展。

2）着力发展基于多传感器信息融合技术。将北斗导航定位技术与其他定位技术相互融合，优势互补，得到更优的定位信息，能实现高精度和高可靠性的列车定位信息。多传感器信息融合技术的不断发展，充分利用现有硬件和融合估计算法，使北斗卫星导航系统与其他定位系统相组合，有助于解决卫星的定位信息容易受到干扰或丢失定位信息的问题。

北斗卫星导航系统由国内自主研制，拥有自主知识产权，具备双向通信能力，采用混合星座组网模式，有着自己特色的全球卫星导航。基于北斗导航的列车定位技术是当前列车运行控制系统发展所需，是新一代将着力发展的列车定位技术。多传感器信息融合算法的精度和稳定性，电子地图匹配方法的效率，无线传感器网络的抗干扰措施等是日后研究的重点。