北斗卫星导航系统在列车定位中的应用研究与发展

2022-09-23蔡煊陶汉卿侯宇婷廖继轩肖金梅宋晓波

铁道科学与工程学报 2022年8期

蔡煊，陶汉卿，侯宇婷，廖继轩，肖金梅，宋晓波

(1.成都工业学院汽车与交通学院，四川成都 611730；2.柳州铁道职业技术学院电子技术学院，广西柳州 545616；3.大连交通大学机械工程学院，辽宁大连 116028)

列车定位是列车运行控制系统(简称“列控系统”)的核心关键技术之一。随着当前铁路运输朝着高速、自动化及智能化方向发展，在下一代列控系统(Next Generation Train Control System,NGTCS)中，列车定位功能从自动定位到自主定位的技术转变成为切实需求，基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的列车定位方法被普遍认为是NGTCS定位技术的主要发展方向[1-3]。将GNSS技术逐步引入列车定位应用领域，能够在保证定位精度前提下大幅减少地面辅助定位设备，充分发挥卫星导航低成本与高自主性的技术优势[4]。美国[5-7]、俄罗斯[8]和欧盟[9-12]等主要卫星导航技术领先国家和地区自20世纪90年代即开始从国家层面持续资助和推动一系列基于GNSS的列车位置服务相关应用研究项目，并已成功将一些研究成果应用于实际线路中。纵观当前各GNSS技术领先国家在铁路卫星导航应用方面的研究和发展现状，未来GNSS技术逐步拓展并深入到列车位置服务相关应用中是必然趋势。为解决GPS等他国掌控的GNSS系统用于铁路位置服务的安全性和自主性等问题，近年来我国已逐步开启北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite Sys‐tem,BDS)应用于铁路运输的相关研究工作[13-14]。随着2020年我国自主开发和建设的BDS系统全面组网建成并正式提供全球无源定位导航授时(Positioning,Navigation and Tim ing,PNT)服务[15]，在军工国防、信息通信和交通运输等关系国家战略安全的关键领域，采用自主卫星导航资源替代国外相关系统已具备基础条件。本文分析基于BDS系统的铁路位置服务应用需求以及列车北斗定位原理，从多传感器组合定位、多模卫星定位、北斗差分定位和定位系统安全完好性监测等方面综述BDS系统在我国列车定位中的应用研究现状，并展望其未来发展趋势和挑战。

1 北斗铁路应用需求

鉴于GNSS导航定位高精度、全天候、全天时及误差不累积等诸多优良特性，其在铁路运输领域中的应用前景非常广泛，GPS技术的前期铁路应用经验和技术吸收转化为自主化卫星导航铁路应用提供了相对成熟的条件。BDS系统铁路应用总体上可分为非安全相关应用和安全相关应用两大类[16-17]，具体应用分类归纳总结如图1所示。BDS系统在铁路位置服务相关应用能充分发挥自主卫星导航资源的优势，并催生和优化更多基于位置服务的铁路应用。

图1 北斗系统在铁路领域中的应用Fig.1 Application of BDS in railway

2 列车北斗定位原理

由图1可见，列车定位安全应用是BDS系统在铁路领域最为核心和重要的应用之一，该应用对定位的精度、连续性、可用性和安全完整性等各个方面均有严苛要求。北斗导航模式下，由于列车复杂运行环境中存在的信号遮挡、多径效应、电磁干扰和通信延迟等因素，无法完全满足列车定位的上述要求，为保障列车定位功能单元对复杂多变的运行环境及信号接收条件的适应性，利用不同类型和原理的传感器辅助北斗系统进行组合定位是必然选择。基于北斗导航的列车组合定位系统结构如图2所示。可根据列车实际需求对轮速传感器(里程计)、多普勒雷达、应答器等传统列车定位设备进行取舍，并融入惯性导航设备(陀螺仪+加速度计)辅助北斗卫星定位，从而确保持续检测和输出列车位置、速度、运行方向和姿态变化等定位信息。

图2 基于北斗的列车定位系统Fig.2 Train positioning system based on BDS

3 列车北斗定位研究现状

引入GNSS导航技术进行列车定位，能够有效补充现有定位方式，甚至完全替代传统定位手段，基于GNSS的列车定位正在发展成为更低成本以及更可靠的列控系统列车定位解决方案[18-20]。BDS系统在我国铁路列车定位中的应用和研究还处于探索起步阶段。

3.1 多传感器组合定位

如前所述，由于GNSS系统在应对列车运行复杂环境方面的局限性，实际应用中基于GNSS的列车定位系统一般需根据实际情况配置其他类型的辅助定位传感器，从而确保在平原、山区、隧道及城市等不同环境条件下均能满足列车定位的精确性、连续性、可用性等指标要求。所有能够补偿GNSS定位性能降低、功能失效的传感器资源均可纳入组合定位系统。在考虑多源传感器信息的差异性、相容性和互补性的基础上，构建合理的GNSS列车组合定位方案之后，如何有效综合利用多传感器测量信息并获取高性能的列车定位结果是另外一个关键问题，信息融合技术提供了解决办法。一种典型的基于GNSS的列车组合定位原理如图3[21]所示。

图3 基于GNSS的列车组合定位原理Fig.3 Principle of combined train positioning based on GNSS

上官伟等[22]针对西部低密度铁路的实际应用需求，设计了一种基于BDS/INS(惯性导航系统)组合并辅以轨道电子地图的列车定位方案，通过青藏铁路现场测试验证了该系统的有效性。陶汉卿[23]采用北斗接收机、轮速传感器、速率陀螺仪以及轨道电子地图构建了一种低成本的城市轨道交通列车车载组合定位方案。张树[24]分析了在青藏铁路利用北斗系统替换GPS系统的技术可行性，构建了BDS/ODO(里程计)组合定位系统，并采用在青藏线搭建的实验平台验证了其定位性能。在基于BDS的列车组合定位信息融合处理方面，为解决传统Kalman滤波算法缺乏非线性、非高斯处理能力的缺陷，EKF、UKF、粒子滤波、H∞鲁棒滤波及其改进算法被引入和尝试[25-27]。未来随着传感感知技术的进一步发展，必将有更多的新型辅助方案应用到北斗列车组合定位中，融合估计理论的发展也将促进基于北斗的列车定位安全应用拓展出更多的创新研究方向。

3.2 多模卫星定位

当前全球卫星导航资源已进入美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO和中国BDS 4大GNSS系统以及日本等国家和地区的区域卫星导航系统竞争、并存的格局，不同系统之间的兼容互补为铁路领域位置服务卫星应用提供了多样选择。采用其他卫星导航资源补充和增强北斗系统是优化和提升北斗列车定位安全应用的重要技术途径。多模卫星列车定位需采用同一台列车接收机，分别接收以及并行处理北斗系统和其他系统的导航卫星信号，从而综合利用不同种类的卫星导航资源解算列车运动状态参数，其中涉及不同卫星信号的时钟同步、坐标转换/统一、滤波融合解算等关键问题。蔡伯根等[16,28]设计了一种BDS/GPS双模列车定位方案，给出了BDS/GPS双模卫星接收机的硬件结构。胡荣[29]针对新型列控系统上道试验需求，设计了用于列车定位的BDS/GPS双模信号模拟发送系统并在实验室仿真环境下进行了功能验证。姚鹤立[30]设计了基于FPGA的多模列车卫星接收机硬件架构并对核心模块进行了功能仿真。此外，针对基于北斗的多模卫星列车定位坐标/时钟系统统一[31]、选星方案及算法[32]等相关研究已经展开。可以预见，各卫星导航系统之间的技术渗透融合以及铁路专用多模卫星接收机相关技术瓶颈的突破，必将进一步促进和深化多模卫星定位技术在铁路列车定位中的应用和发展。

3.3 北斗差分定位

卫星差分定位是除多模卫星定位外另一种辅助提高GNSS系统定位精度的有效途径。卫星差分定位技术主要有伪距差分和载波相位差分2种方式，其定位精度均可满足列控系统列车定位应用需求。铁路卫星差分基站一般设置在铁路沿线各车站，通过接收当前空域的卫星导航电文生成差分改正数据，无线闭塞中心(Radio Block Center，RBC)根据列车当前位置，通过铁路专用移动通信网络将差分数据发送给列车接收机进行定位修正。列车北斗差分定位原理如图4所示。为进一步保障铁路北斗差分定位的安全性、可靠性和可用性，可采用相邻基站信号交叉冗余覆盖、无线通信加密和地面服务器/车载终端双机热备等安全措施。

图4 列车北斗差分定位原理Fig.4 Principle of Beidou differentialpositioning for train

王业流等[33]提出了一种适用于我国铁路列控系统的列车北斗差分定位方案，并针对系统技术难点给出了相应优化和解决措施。张晓钧等[34]为了评估动车组列车高速运行条件下的北斗实时差分定位精度，在CRH3C型高速动车组上搭建了试验系统，并通过实测数据对系统性能进行了验证分析。岳朝鹏等[35]介绍了基于北斗的京沈高速铁路列车定位试验方案，涵盖北斗差分定位、多模卫星定位和多传感器组合定位(北斗+惯导)等多个方面，旨在为基于卫星导航的我国下一代列控系统相关关键技术研究提供试验验证。刘江等[36]从建设/维护成本、技术可行性和服务能力等方面对局域差分增强、地基增强以及星基增强3种类型的铁路北斗差分增强方案进行了探讨。总体而言，目前北斗差分定位技术在我国铁路列控系统列车定位应用领域尚处于理论研究和试验论证阶段，鲜有实际工程应用案例，随着我国高速铁路下一代列控系统的开发、试验、定型和推广应用，作为列控系统自主定位关键技术的北斗导航及其差分定位技术必将在其中发挥重要作用。

3.4 安全完好性监测

列车定位子系统作为铁路列控系统的核心组成部分，必须满足列控系统高度安全完整性的严苛要求。在基于北斗的列车组合定位模式下，复杂系统结构、异构多源传感器信息等因素都会导致系统故障、失效等异常风险概率增大，因此必须充分考虑和提高系统对于异常风险的容错和预警能力，从而保障系统安全完好性。

基于北斗的列车组合定位系统完好性监测主要包括系统级监测和用户级监测2个层面。在系统级监测层面，蔡伯根等[16,28,37]分析了基于卫星导航的列车组合定位系统完好性监测的必要性，给出了列车组合定位系统自主完好性监测(Locator Au‐tonomous Integrity Monitoring，LAIM)原理框图，如图5所示。韩鑫[38]针对下一代列控系统列车定位安全应用需求，研究了惯性导航系统/数字轨道地图辅助卫星导航的列车组合定位系统的完好性监测算法，并验证了该算法在铁路实际应用场景下的可用性性能。在用户级监测层面，近年来一些学者陆续开展了专门针对北斗列车接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitor‐ing，RAIM)的相关研究[39-43]，提出基于最小二乘残差、最大偏差准则和加权奇偶矢量等一定计算准则的自主完好性监测算法，通过RAIM实时预测和检测列车接收机故障以及导航卫星故障，有效降低了故障漏检、漏报的风险，从而提高北斗列车定位的安全性和可靠性。

图5 列车组合定位系统完好性监测原理Fig.5 Principle of integritymonitoring of train combined positioning system

随着自主北斗导航资源的完善及其在铁路列控领域的深入应用，亟需研究建立规范、完备的，并且适于我国铁路实际应用需求的北斗列车定位完好性监测手段以及相应的故障隔离和消除方法。

4 发展趋势及挑战

当前我国铁路的建设规模及发展规划为北斗卫星导航系统在铁路领域的结合应用提供了良好的机遇和内部空间，而世界各卫星导航技术领先国家持续推进并稳步实施的铁路卫星应用研究及成果转化也带来了激烈的市场竞争和严峻的外部挑战，将来在基于北斗的列车定位领域还有许多需进一步深入的研究工作，本文作者认为主要集中在以下4个方面。

4.1 定位性能指标关联统一

将GNSS系统应用于列控系统列车定位中，必须满足铁路列车控制相关性能指标要求。铁路领域信号控制安全专用设备一般遵循欧洲标准EN50126中定义的可靠性、可用性、可维护性及安全性(Reliable，Availability，Maintainability，Safety，RAMS)指标体系，而当前评价GNSS系统性能通常采用国际民航组织定义的精度、连续性、完好性及可用性等性能指标体系，二者之间有相似性但无直接对应关系。要使得基于卫星导航的列车定位单元满足实际列控安全应用标准，必须建立不同性能指标体系之间的转换和映射关系。欧洲学者较早开始了相关研究工作，FILIP等[44]给出了铁路RAMS和GALILEO系统定位性能指标的关系模型，如图6所示。在此基础上，FILIP等[45-46]还研究了不同指标体系之间的内在联系，给出了适用于GALILEO系统的铁路RAMS标准评价方法，从而为铁路列控卫星应用产品的设计、开发和测试等全生命周期过程提供性能参考依据。随着北斗系统在我国铁路领域的应用需求快速增加，亟需开展相关研究工作。如何针对性的开发和制定北斗系统铁路安全相关应用性能参考标准，是实现自主卫星导航资源在特定行业安全应用的必备条件，同时也可为北斗系统在我国其它行业领域的推广应用提供参考价值。

图6 GALILEO系统和列控系统性能指标映射关系Fig.6 GALILEO system and train controlsystem performance indexmapping relationship

4.2 多传感器资源深度融合

目前，在基于卫星导航的多传感器组合列车定位的相关研究中，考虑到卫星接收机内部结构编排复杂性等因素，大多仍是采用松散结构的多源信息融合，仅利用异构传感器信息对卫星定位信息进行辅助修正和误差反馈校正，无法深度有效地挖掘多传感器系统的组合定位能力。因此，应该尝试参考和引入航空航天等领域日趋成熟的多传感器紧耦合技术，将多种传感器资源通过紧密耦合结构进行集成，使得多传感器自身测量处理过程和融合估计过程一体化，进一步提高北斗定位在强电磁干扰和信号屏蔽等极端条件下的定位能力以及组合定位系统的故障容错能力，使得基于北斗的低成本列车车载定位方案走向实际工程应用。

4.3 列控专用北斗终端及相关技术

针对铁路列控系统特定应用需求及安全属性，开发可用于铁路位置服务安全相关应用的专用型北斗接收机，解决多传感器信息集成、多模卫星兼容、差分增强及RAIM等关键技术，并有效结合数字轨道地图等前沿卫星辅助定位手段，使得北斗导航资源在铁路行业列控应用中产生显著的技术成本效益。

4.4 铁路专用测试平台及评估体系

为了试验、定型铁路列控北斗终端产品，确保其满足铁路特定安全应用需求。首先，需要构建针对性的实验室仿真测试平台以及实际线路测试环境，充分验证专用北斗定位终端用于列控领域的实际能力。其次，需要构建面向用户级及系统级多个层级的评估标准和体系，不仅可以量化评价北斗RAMS性能指标，而且可以反向指导铁路北斗产品供应商根据评估结果改进和提升产品相关性能。