基于北斗卫星导航系统的全球铁路信号系统设想

摘要：近年来，我国经济和社会快速发展，这对铁路运输系统提出了全新要求，在此情境之下，以往传统的列车控制系统已经无法全面满足实际需求，因此基于北斗卫星导航系统的新型铁路信号系统应运而生。通过该系统对列车定位和运动状态感知，新型列车控制系统的自主性和灵活性得到极大提高，能够有效解决现阶段铁路运输所面临的多种难题。本文阐述了新型铁路信号系统中应用北斗的关键性技术，详细介绍了在实际铁路运营条件下，使用该技术的新型列车控制系统的现场演示结果，以说明通过使用北斗卫星导航系统以及相关解决方案实现的列车自主状态感知性能特征，揭示了此类关键技术在下一代列车控制系统和其他基于北斗系统的铁路设施中的巨大潜力。

关键词：北斗卫星；铁路信号；列车控制；潜力

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.031

中图分类号：TN 967.1；U 284 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2025）01-00-03

Design of Global Railway Signal System Based on Beidou Satellite Navigation System

LI Long1， XIONG Changhua2

（1.Guangzhou Engineering Construction Command Headquarters of China Railway Guangzhou Group， Guangzhou 510700， China;

2. Guangzhou Branch of China Railway Shanghai Engineering Bureau， Guangzhou 510700， China）

Abstract： In recent years， China's economy and society have developed rapidly， which has put forward new requirements for the railway transportation system. In this context， traditional train control systems can no longer fully meet practical needs. Therefore， a new railway signal system based on the Beidou satellite navigation system has emerged. Through the Beidou system's train positioning and motion state perception， the autonomy and flexibility of the new train control system have been greatly improved， which can effectively solve various problems faced by railway transportation at present. The article studies the key technologies of applying Beidou in the new railway signal system， and details the on-site demonstration results of the new train control system using this technology under actual railway operation conditions， to illustrate the performance characteristics of train autonomous state perception that can be achieved through the use of Beidou navigation satellite system and related solutions. It deeply reveals the huge potential of such key technologies in the next generation train control system and other railway implementations based on Beidou system.

Keywords： Beidou satellite; railway signal; train control; potential

1 北斗卫星导航系统概述

1.1 北斗系统的功能和特点

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）的空间段采用了三种轨道卫星组成的混合星座。因此，相比其他卫星导航系统，北斗系统在高轨卫星数量上更多，这使得它具有更强的抗遮挡能力，特别是在低纬度地区，其性能优势更为明显。

北斗系统的用户终端具有双向信息通信功能，能够一次性发送1 000个汉字的短信息，且具有精确授时功能，通过30颗卫星组成的完整信息系统，能够为全球用户提供免费高效的导航定位服务。其水平精度为9 m，垂直定位精度为10 m，测速精度优于0.2 m/s，可为用户提供优于20 ns的时间同步[1]。

通过多频信号的组合使用等方式，北斗系统能够更好地克服信号传播中的误差和干扰，提供更准确的定位和导航服务。并且北斗系统创新性地融合了导航与通信能力，具备实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信等五大功能。

1.2 北斗系统在全球范围内的应用和发展现状

截至2021年，北斗系统已经在200多个国家和地区得到了应用，涵盖交通运输、精准农业、渔业、测绘、灾害监测和应急救援等领域。在交通运输领域的应用包括车辆导航与定位、智能交通管理、船舶定位与监控以及航空航天导航等。现如今，许多国家的车辆和船舶都配备了北斗导航设备，以实现准确的定位和导航服务，提高交通运输的安全性和效率。

2 铁路信号系统的需求与挑战

2.1 当前铁路信号系统存在的问题

（1）安全性和可靠性：传统系统中使用的电气和机械元件容易受到环境因素和设备老化的影响，可能导致信号故障和误报，对列车运行安全构成威胁。

（2）有限的灵活性：传统信号系统限制了铁路运营商对列车运行的实时优化和调整能力，无法根据需求进行灵活的列车调度和路线规划。

2.2 铁路信号系统面临的挑战和需求

铁路信号系统的发展关系着我国交通运输质量的整体提升，是促进经济社会全面发展，进一步构建社会主义现代化强国的关键所在，然而就目前来看，铁路信号系统仍然面临诸多挑战和需求[2]。

（1）强化安全性和可靠性：采用先进的技术和可靠性更高的元件，确保信号系统的稳定运行，减少信号故障和误报的风险。

（2）提升灵活性和可调度性：采用智能化的信号逻辑和调度算法，使信号系统能够根据交通流量、列车优先级和实时需求进行动态调整，提高铁路运输的效率和灵活性。

（3）支持位置服务和数据共享：信号系统应支持数据共享和实时通信，与其他铁路管理系统相互连接，实现更高效的列车调度、运营监控和故障排查。

3 北斗系统在铁路信号中应用的潜力

3.1 列车定位与运动状态感知

通过北斗系统提供的数据，铁路运营管理人员可以了解列车的实时运行情况，及时调整列车的运行计划和速度，以确保列车的安全和运行效率。此外，北斗系统还可以提供列车行驶轨迹记录，为事故调查和运行分析提供重要依据。

列车的定位与运动感知功能在很大程度上决定了列车的安全运行管理水平。当卫星导航系统因外界因素产生故障或者信号受到干扰时，列车的定位与运动感知功能将受到极大影响，进而导致定位导航出现误差，如果列车在运行过程中没有及时监测出此类状况，将会存在极大的安全隐患，特别是在节假日高密、高速的线路上。

通过建立北斗卫星导航系统的实时监控网络，能够确保列车行驶过程中定位导航系统的可靠性与准确性。地图匹配残差将通过预先设定的阈值进行检验，当残差超过阈值时，将不采用地图匹配结果生成列车位置输出到列控内核，并触发警报表示地图匹配操作失败。残差阈值是控制残差检验质量的决定性因素，它是考虑到GNSS的精度水平而确定的[3]。

3.2 列车调度与运行管理

通过北斗系统提供的准确位置信息，铁路运营管理人员可以实时监控列车运行情况，包括列车的位置、速度、运行状态等。这使得列车调度可以更加精确和灵活，针对实际情况做出及时的调整和优化。同时，借助北斗系统的定位和通信能力，可以实现列车间的精确时刻同步和协同运行，从而避免列车之间冲突和碰撞，提高列车运行的安全性和效率。

3.3 列车完整性监测与故障诊断

针对基于全球卫星导航系统的列车定位和列车完整性监测，相关机构和人员必须关注状态估计的不确定性，以便利用完整性监测结果确保列车运行的安全性和效率。

在动车组列车控制方案中，轨道区段的占用率由列车的实际长度决定，因此有必要在原始位置的基础上增加一个合理的裕量，以形成一个安全的占用率范围[4]。考虑到这一点，裕量应足够大，以满足最大监测需求，但是值得注意的是，过大的裕量会导致不合理的轨道占用识别，从而极大地影响运行效率。为了实现安全和效率特性之间的预期平衡，必须在安全和合理的基础上采用有约束的安全裕量，以减少列车追踪间隔，提高系统运行效率。

而当列车出现故障时，北斗系统可以及时发送故障信息和位置数据，提供给维修人员进行远程诊断和指导，加快故障排除和维修的速度。

4 设想的全球铁路信号系统架构

4.1 基于北斗系统的列车定位与通信网络

北斗卫星接收器接收来自北斗卫星的导航信号，并计算出列车的精确位置信息。列车的位置信息通过通信设备发送到列车调度中心和其他相关部门，实现实时的位置监测和信息共享。北斗信号系统主要由车-车通信、防护和运营无线监控三个子系统组成，其中的车-车通信子系统利用北斗短报文功能使相邻两列列车之间建立保证安全距离的通信，相互通报在线路上的绝对位置，进而获得移动授权。

利用北斗系统提供的通信能力，可以实现列车之间、列车与调度中心之间的高效通信。列车可以通过北斗系统进行语音通话、短信交流以及数据传输，实现列车之间的互联互通。同时，列车与调度中心之间也可以通过北斗系统进行实时的通信和信息传递，包括列车位置、速度、行驶状态等信息的交换。

4.2 北斗系统与列车调度系统的集成

为了实现高效的列车调度和运营管理，将北斗系统与列车调度系统进行集成无疑是最高效的措施。在此基础上，调度中心可以实时监控列车的位置、速度、行进方向等信息，并根据实际情况进行列车调度和路径规划。同时，列车调度系统可以利用北斗系统提供的时间同步功能，实现列车之间的时间同步。

4.3 北斗系统在列车完整性监测和故障诊断

中的应用

在列车上安装传感器设备，可以实时监测列车的振动、温度、压力等参数，并将这些数据与列车位置信息相结合。北斗系统可以提供专用信道，传输这些数据到列车调度中心和维修部门，实现对列车完整性的监测和评估。当出现异常情况时，列车调度中心和维修部门可以在第一时间内做出反应并，以确保列车的安全运行。

北斗系统的应用可以加快故障诊断的速度，减少故障对列车运行的影响。当列车出现故障，通过对列车信息的分析和处理，可以及时确定故障原因，并派遣维修人员进行修复，从源头上消除了安全隐患。

5 全球铁路信号系统设想的影响与挑战

5.1 对铁路运输安全和效率的影响

全球铁路信号系统设想对铁路运输的效率将带来积极影响。通过北斗系统实现的精确定位和时间同步功能，可以提高列车调度的准确性和灵活性，优化列车的运行路径和时间表。全球铁路信号系统可以支持列车之间的实时通信，促进信息共享和协调，进一步提高运输的效率和可靠性。

5.2 政策和法规的制定与推动

实现全球铁路信号系统需要相应政策和法规支持。涉及国际、国内相关部门的合作与协调，需要面对跨国界、跨地区的法律和规范差异，以确保铁路运输的安全性和可靠性。政策和法规应明确全球铁路信号系统的安全标准和要求，包括列车定位、通信网络、故障诊断等方面。同时，应建立健全的监管机制和安全评估体系，确保系统的有效运行和持续改进。

与此同时，全球铁路信号系统涉及多国之间的合作与协调，需要制定一致的技术标准和通信协议，以确保不同铁路系统之间的互操作性和兼容性。国际组织和标准化机构需发挥重要作用，推动相关标准的制定和推广，促进全球铁路信号系统的统一发展。

5.3 技术标准与互操作性的问题

全球铁路信号系统的实现面临着技术标准和互操作性的挑战。由于不同国家和地区的铁路系统存在差异，各自采用不同的信号系统和通信技术，因此为了实现全球铁路信号系统的互操作性，各国需共同制定一致的技术标准，包括信号传输协议、数据格式、接口规范等方面。

5.4 资金和资源的支持与投入

全球铁路信号系统的实现需要巨额投资，包括卫星导航设备、通信网络建设、设备改造升级等方面的费用。这需要各国政府、铁路运营商等共同承担，寻找资金来源，并制定合理的资金使用计划。同时，还需要考虑长期运营和维护的资金保障，确保系统的可持续发展。

实现全球铁路信号系统需要具备相关技术和管理能力的人才支持，这包括卫星导航技术、通信网络技术、信号系统维护等方面的专业人员。因此，需要加强人才培养和引进，提供相关的培训和教育机会，确保有足够的人力资源支持系统的实施和运行。

6 结束语

随着北斗系统的发展，未来将有更多基于北斗系统的应用在智能铁路系统中得到推广。整合北斗系统和铁路信号系统，可以实现全球范围内的铁路运输安全性、效率和可持续发展。各国政府需要加强合作，制定统一的政策框架和标准，以推动全球铁路信号系统的发展。此设想的实现需要大量的投资，包括卫星导航设备的采购、通信网络的建设、设备的改造和升级等方面的费用。同时，人力资源的培养和引进也是至关重要的，需要加强人才培训和引进，确保有足够的技术和管理人员支持系统的实施和运行。

参考文献

[1] 张艺爽，祗旭，刘逸飞，等．基于北斗的物联网中间件平台开发（Ⅰ）——基于北斗导航的架构探索与研究[J]．电子世界，2019（16）：54-56．

[2] 程华．北斗卫星导航系统在铁路同步网中的应用研究[J]．铁道通信信号，2019（7）：31-34．

[3] 李志文．基于全球导航卫星系统（GNSS）的列车运行状态监控系统研究[J]．铁路通信信号工程技术，2017，14（6）：53-55．

[4] 彭皓．基于北斗卫星和移动通信技术的高速铁路列车运行控制技术[J]．高科技与产业化，2023，29（3）：53-59．

作者简介：李 珑（1973—），男，汉族，湖南邵阳人，高级工程师，硕士研究生，研究方向铁路通信工程。

熊昌华（1978—），男，汉族，辽宁沈阳人，高级工程师，本科，研究方向通信工程。