歐洲列控系統(tǒng)中GNSS應(yīng)用研究與發(fā)展綜述

帥瑋祎，董緒榮，叢蕾，張碧秀，王韋舒，范祥祥

歐洲列控系統(tǒng)中GNSS應(yīng)用研究與發(fā)展綜述

帥瑋祎1，董緒榮1，叢蕾2，張碧秀3，王韋舒4，范祥祥1

(1. 航天工程大學(xué)，北京 101416；2. 63629部隊(duì)，北京 100162；3. 93897部隊(duì)，陜西 西安 710003；4. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

針對(duì)GNSS在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，介紹GNSS的列車定位原理；基于GNSS在歐洲列控系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，對(duì)其應(yīng)用研究現(xiàn)狀、定位性能分析方法和需求指標(biāo)、現(xiàn)有定位方法以及性能評(píng)估進(jìn)行綜述分析，并對(duì)其應(yīng)用研究前景與挑戰(zhàn)進(jìn)行展望。

GNSS；列控系統(tǒng)；定位；需求；性能評(píng)估

位置信息是鐵路智能系統(tǒng)中的關(guān)鍵信息之一，及時(shí)準(zhǔn)確的列車位置的獲取，有助于保證列車安全有效的運(yùn)行[1]。列車位置信息可以用于車隊(duì)調(diào)度、人員位置確定及危險(xiǎn)貨物跟蹤等不同的應(yīng)用中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車控制與調(diào)度的全面智能化，不同的應(yīng)用服務(wù)需要不同性能級(jí)別的位置信息，其中一個(gè)主要應(yīng)用就是列車控制系統(tǒng)。歐洲鐵路中，早期采用的是基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)(Track circuit Based Train Control, TBTC)，列車位置主要通過(guò)軌旁設(shè)備(軌道電路、計(jì)軸、信標(biāo)等)輔助確定，存在傳輸環(huán)境惡劣、傳輸速率低、信息量小和成本過(guò)高等缺點(diǎn)，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代列車運(yùn)行的需要。當(dāng)前各國(guó)都在逐步發(fā)展基于無(wú)線通信的列控系統(tǒng)(Communication Based Train Control, CBTC)，其利用無(wú)線信道進(jìn)行車—地雙向數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車連續(xù)的跟蹤、監(jiān)控以及閉環(huán)控制，具有安全性好、運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)。歐洲鐵路控制系統(tǒng)(European Train Control System, ETCS)，是歐洲各信號(hào)廠商在歐盟支持下，為解決歐洲鐵路網(wǎng)中不同線路上不同系統(tǒng)的兼容互操作問(wèn)題開發(fā)的。ETCS包含5個(gè)應(yīng)用等級(jí)(ETCS- 0，ETCS-1，ETCS-2，ETCS-3和ETCS-NTC)，用以滿足不同鐵路線路上的運(yùn)輸需求，保證列車安全[2]。傳統(tǒng)的ETCS采用的是軌道應(yīng)答器檢測(cè)列車存在，并結(jié)合里程計(jì)進(jìn)行列車定位的技術(shù)，但這種定位方法需要大量地面設(shè)備，成本過(guò)高。因此，基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)的列車定位方法被逐步引入列控系統(tǒng)中，不僅可以克服系統(tǒng)對(duì)地面設(shè)備的依賴性，降低了運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)可以提供全天候的高精度服務(wù)，并更加容易實(shí)現(xiàn)不同列控系統(tǒng)之間的互操作[3]。本文首先對(duì)基于GNSS的列車定位原理進(jìn)行概述；然后通過(guò)介紹歐洲列控系統(tǒng)中GNSS的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，對(duì)列控系統(tǒng)中引入GNSS需要解決的3個(gè)問(wèn)題：定位性能分析與需求指標(biāo)的確立、定位方案的選取以及定位性能的評(píng)估方法進(jìn)行綜述；最后結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)狀，歸納總結(jié)GNSS在列控系統(tǒng)中未來(lái)應(yīng)用研究前景與挑戰(zhàn)。

1 基于GNSS的列車定位原理

圖1為典型的基于GNSS的列控系統(tǒng)定位原理示意圖。該系統(tǒng)采用了GNSS/INS多傳感器組合導(dǎo)航方式，衛(wèi)星接收機(jī)接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)信息，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中陀螺儀提供列車姿態(tài)變化信息，加速度計(jì)提供列車速度變化信息，而車輪傳感器提供列車前向速度信息，這些信息經(jīng)過(guò)多源融合處理，推算得到列車的估計(jì)位置。

該系統(tǒng)以GNSS定位單元為主，同時(shí)采用多傳感器和衛(wèi)星定位進(jìn)行互補(bǔ)的方案，一方面GNSS作為外部量測(cè)值輸入，在組合導(dǎo)航中不斷修正INS，以控制其誤差隨時(shí)間的積累；另一方面，短時(shí)間內(nèi)高精度的INS定位結(jié)果，可以很好地解決GNSS動(dòng)態(tài)環(huán)境中的信號(hào)失鎖和周跳問(wèn)題。不僅如此，INS還可以輔助GNSS接收機(jī)增強(qiáng)其抗干擾能力，提高捕獲和跟蹤衛(wèi)星信號(hào)的能力，增強(qiáng)靈敏度和可靠性。解決了衛(wèi)星信號(hào)下降或失效時(shí)輸出定位結(jié)果誤差較大的情況，提高了列車定位的精確性、實(shí)時(shí)性、可靠性和抗干擾性，從而保障列車能安全快速地運(yùn)行。

圖1 GNSS的列控系統(tǒng)定位原理圖

2 應(yīng)用研究現(xiàn)狀

自2000年起，歐盟就開始了GNSS在列控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，主要集中在ETCS的最高級(jí)別和區(qū)域性線路，即ETCS L3和ETCS Regional上。研究主要通過(guò)持續(xù)資助一些科研項(xiàng)目來(lái)推動(dòng)應(yīng)用。首批主要項(xiàng)目有APOLO[4]，GADEROS[5]和LOCOP- ROL[6]，截止到最近的GaLoROI[7]和3inSat[8]，已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十個(gè)項(xiàng)目。所有這些項(xiàng)目，雖然還沒有生產(chǎn)出商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的產(chǎn)品，但也在不斷推動(dòng)GNSS在鐵路領(lǐng)域的技術(shù)滲透。其中最具代表性的就是出現(xiàn)了“虛擬應(yīng)答器”的概念，其基本原理是采用虛擬的點(diǎn)代替真實(shí)的物理應(yīng)答器，將其坐標(biāo)記錄在嵌入式地理數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)將基于GNSS的列車位置與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較來(lái)檢測(cè)火車在通過(guò)所識(shí)別的點(diǎn)時(shí)的位置，從而起到代替?zhèn)鹘y(tǒng)應(yīng)答器的目的。自RUNE[9]，3InSat和ERSAT等項(xiàng)目啟動(dòng)以來(lái)，虛擬應(yīng)答器已經(jīng)在許多項(xiàng)目中得到了廣泛的研究。而下一代列車控制系統(tǒng)計(jì)劃(Next Generation Train Control, NGTC)，項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)，其中一項(xiàng)主要研究?jī)?nèi)容就是面向線路布置及環(huán)境較為開闊的低密度線路，研究標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星定位功能應(yīng)用，替代傳統(tǒng)物理應(yīng)答器[10]。

3 定位性能分析與需求

3.1 列控系統(tǒng)中GNSS定位性能分析方法

當(dāng)前公認(rèn)用于評(píng)價(jià)GNSS性能的指標(biāo)參數(shù)是國(guó)際民用航空組織規(guī)定的精度、完好性、連續(xù)性和可用性四項(xiàng)基本性能指標(biāo)。而鐵路領(lǐng)域通常采用可靠性，可用性，可維護(hù)性和安全性(Reliable, Availability, Maintainability, Safety, RAMS)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能，二者之間并沒有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同時(shí)，鐵路的運(yùn)營(yíng)規(guī)則以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施策略與航空用戶是截然不同的，因此不能將航空領(lǐng)域的GNSS性能需求直接照搬到鐵路上來(lái)。

要驗(yàn)證列控系統(tǒng)中基于GNSS的定位單元性能是否滿足應(yīng)用需求，就必須實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間性能參數(shù)的有效映射。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的為Flip等[11]提出的關(guān)系模型，如圖2所示。文章中給出了在伽利略系統(tǒng)定位性能參數(shù)和RAMS之間的關(guān)系模型，并給出了各參數(shù)定義及計(jì)算方法。此外，F(xiàn)ilip等[12?13]研究了2類指標(biāo)之間的關(guān)系，將不同領(lǐng)域的定位性能標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來(lái)，研究了適用于GNSS的RAMS評(píng)價(jià)方法。Mocek等[14]在RAMS性能需求的基礎(chǔ)上，提出了基于GNSS的列控系統(tǒng)需要達(dá)到的最低量化需求。

圖2 GNSS和列控系統(tǒng)定位性能指標(biāo)關(guān)系圖

3.2 定位性能需求量化指標(biāo)

從圖2可以看出，基于GNSS的列控系統(tǒng)定位性能需求，與傳統(tǒng)性能需求是有著較大區(qū)別的。舉例來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的應(yīng)答器在軌道上的位置是精確已知的，而采用GNSS定位時(shí)，則需要考慮位置信息的精度問(wèn)題，而對(duì)于不同情景下，對(duì)精度的需求是不同的。在如圖3所示，當(dāng)列車位于軌道交叉點(diǎn)上時(shí)，等待入軌的列車位置必須是精確可靠的，且精度指標(biāo)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于行駛過(guò)程中的定位精度，才能保證不會(huì)與另一軌道上的列車相撞。

而對(duì)于圖4采用虛擬應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞時(shí)，在向等待列車提供移動(dòng)權(quán)限之前，必須確保和之間的軌道是空閑的，這就意味著在捕獲下個(gè)虛擬應(yīng)答器之前，必須要確定前方列車已經(jīng)通過(guò)了該應(yīng)答器[15]，這就要求列車相對(duì)于虛擬應(yīng)答器的距離必須要滿足相應(yīng)的精度需求，尤其是列車尾部的定位精度需求。

圖3 鐵路軌道交叉點(diǎn)示意圖

圖4 基于虛擬應(yīng)答器的移動(dòng)閉塞

當(dāng)前列車運(yùn)行控制系統(tǒng)領(lǐng)域的列車定位性能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尚在研討中，當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的需求標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 不同密度鐵路線路下GNSS定位性能需求

此外，很多項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中也對(duì)量化指標(biāo)進(jìn)行了研究[7?9, 16]，部分文獻(xiàn)以表1中指標(biāo)為基礎(chǔ)，給出了較為全面的綜合指標(biāo)，還有部分給出了按不同應(yīng)用進(jìn)行分類量化的精度和完好性需求指標(biāo)。

雖然當(dāng)前列車運(yùn)行控制系統(tǒng)領(lǐng)域的列車定位性能暫未形成規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，但是基于GNSS以及各國(guó)正在積極發(fā)展的各類增強(qiáng)系統(tǒng)中都希望更多的行業(yè)用戶參與特定應(yīng)用中性能標(biāo)準(zhǔn)的制定。隨著衛(wèi)星定位鐵路應(yīng)用研究的不斷深入，鐵路列車定位功能性能要求下的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能指標(biāo)及量化水平要求也逐漸走向標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

4 基于GNSS的列控系統(tǒng)定位方法

目前歐盟大多數(shù)項(xiàng)目中定位方法研究目標(biāo)都是以保證最高精度、可用性或完好性的，不同項(xiàng)目中，制定的目標(biāo)也不同。本節(jié)主要介紹以精度和可用性及以安全性為基礎(chǔ)的定位方法。

4.1 基于精度和可用性的定位方法

火車不同于飛機(jī)，其行駛過(guò)程中會(huì)接近很多遮擋信號(hào)的障礙物，如高層建筑、樹木以及隧道等。而GNSS在此類特殊環(huán)境下性能很差甚至無(wú)法定位，顯然不能達(dá)到需求的可用性和高精度，更不用說(shuō)高度的安全完整性了。當(dāng)下主流的解決方案以GNSS與多傳感器融合為主，圖5為一種典型的GNSS+多傳感器融合定位方案。

如圖5所示，在衛(wèi)星定位有效的情況下，GNSS可以提供有效準(zhǔn)確的列車位置，同時(shí)用來(lái)修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差，并根據(jù)高精度數(shù)字軌道地圖信息，修正衛(wèi)星/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算位置在軌道垂直方向上的誤差，最終將得到可靠的融合定位結(jié)果。而在衛(wèi)星信號(hào)失鎖或遭到遮擋時(shí)，由于無(wú)法獲取衛(wèi)星的觀測(cè)信息，系統(tǒng)對(duì)車輪傳感器/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行組合定位，利用慣性器件、車輪傳感器等輔助設(shè)備進(jìn)一步構(gòu)建衛(wèi)星增強(qiáng)多傳感器系統(tǒng)，用以提供一定精度的連續(xù)定位信息，同時(shí)結(jié)合高精度數(shù)字軌道地圖信息，修正車輪傳感器/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航系統(tǒng)所計(jì)算的列車位置在軌道垂直方向上的誤差，保證列車定位信息在衛(wèi)星定位失效時(shí)的連續(xù)性。

當(dāng)前研究的熱點(diǎn)在于如何科學(xué)合理的選擇傳感器的組合，結(jié)合有效的信息融合算法，充分實(shí)現(xiàn)其與GNSS之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲取高精度、高可靠性的定位結(jié)果。Acharya等[17?19]對(duì)不同深度的組合定位方式(松耦合、緊耦合和深耦合)進(jìn)行了闡述和分析。此外，GNSS+多傳感器融合可以與地圖匹配技術(shù)相輔相成[20-21]。Neri等[22]介紹了一種基于軌道約束的新型雙差分定位算法，該方法可以同時(shí)保證位置信息的精度、可用性、可靠性以及和地圖的一致性。

圖5 GNSS+多傳感器組合定位原理圖

4.2 基于安全性的定位方法

安全性指的是系統(tǒng)不發(fā)生可能引起損害風(fēng)險(xiǎn)的能力。由圖2可以看出，安全性主要與完好性有關(guān)，因此現(xiàn)有列控系統(tǒng)中基于安全性的定位方案大多都是以提高GNSS完好性為主，相關(guān)技術(shù)大致可以分為兩大類。

4.2.1 完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)

這類技術(shù)的研究主要集中在接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)算法(Receiver Autonomous Integrity Monitor- ing, RAIM)算法上，算法可以給用戶提供完好性監(jiān)測(cè)和快速報(bào)警的響應(yīng)能力。主要包括2部分研究?jī)?nèi)容：一是對(duì)影響定位精度的故障進(jìn)行有效檢測(cè)和排除；二是判定當(dāng)前歷元定位系統(tǒng)的完好性風(fēng)險(xiǎn)是否超限。上述情況有任何一類發(fā)生，則向用戶告警。

早在1998年，Mirabadi等[23]就提出了基于卡方檢驗(yàn)和殘差檢驗(yàn)的故障檢測(cè)和隔離方法，并將其應(yīng)用到列車多傳感器定位系統(tǒng)中；Nikiforov等[24]將一種RAIM故障檢測(cè)識(shí)別算法引入到上述LOCOPROL的定位方案中，其中LOCOPROL定位系統(tǒng)負(fù)責(zé)確定滿足定位需求的列車位置區(qū)間，故障檢測(cè)識(shí)別算法用以區(qū)間長(zhǎng)度的合理性及可用性；LIU等[25]針對(duì)多傳感器定位系統(tǒng)提出了自主完好性監(jiān)測(cè)(Autonomous Integrity Monitoring and Assur- ance, AIMA)方案。此外，還有一些研究利用先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)、多普勒信息、圖像處理等技術(shù)來(lái)輔助完好性監(jiān)測(cè)[26]。

4.2.2 星基增強(qiáng)技術(shù)

這類技術(shù)主要以EGNOS為基礎(chǔ)。EGNOS是歐洲的SBAS系統(tǒng)，由大量分布廣泛的監(jiān)測(cè)站(位置已知)對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由地球同步衛(wèi)星(GEO)向用戶播發(fā)改正數(shù)信息(星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲)和完好性信息(用戶差分距離誤差、格網(wǎng)電離層垂直誤差)，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進(jìn)和完好性性能的提高。常規(guī)方法是利用EGNOS播發(fā)的完好性信息來(lái)計(jì)算用戶水平保護(hù)水平(Horizo- ntal Protection Level, HPL)，HPL是通過(guò)滿足一定置信空間的完好性風(fēng)險(xiǎn)而計(jì)算出的水平方向定位誤差的限值，其應(yīng)用原理如圖6所示。

圖6 星基增強(qiáng)完好性監(jiān)測(cè)原理示意圖

實(shí)際應(yīng)用中，真正的HPE(水平位置誤差)是未知的，因此通常采用HPL作為完好性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。如圖6所示，當(dāng)HPE

現(xiàn)有的利用EGNOS完好性信息計(jì)算HPL的模型算法多是針對(duì)航空領(lǐng)域應(yīng)用的，STARS項(xiàng)目中已經(jīng)驗(yàn)證了此類模型算法并不能直接用在鐵路領(lǐng)域。文獻(xiàn)[27]研究了一種可以應(yīng)用與高速公路的HPL計(jì)算方法，計(jì)算出的HPL<8 m，但在城市環(huán)境下，測(cè)試時(shí)間內(nèi)只有15%的時(shí)間基于EGNOS的定位系統(tǒng)滿足完好性需求，主要原因就是因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)接收環(huán)境較差，存在過(guò)多干擾和遮擋。針對(duì)此類情況，3inSat項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種本地完好性監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)(Aug- mentation and Integrity Monitoring Network, AIMN)，旨在利用航空領(lǐng)域的GNSS、SBAS和ARAIM相結(jié)合，開發(fā)適用于鐵路的高完好性覆蓋的導(dǎo)航系統(tǒng)，Neri等[28]的研究表明，該網(wǎng)絡(luò)可用性非常高，并且可以大大降低HPL的值，實(shí)現(xiàn)完好性監(jiān)測(cè)和定位精度的提高。

5 性能評(píng)估

確定了定位方案后，下一步就是評(píng)估定位系統(tǒng)的性能是否滿足相關(guān)應(yīng)用需求。涉及到的主要有2個(gè)問(wèn)題：一是評(píng)估環(huán)境的選?。欢窃u(píng)估方法的 確定。

5.1 評(píng)估環(huán)境的選取

經(jīng)典評(píng)估環(huán)境分為2種：實(shí)驗(yàn)室仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室仿真方法具有重復(fù)性，可以控制所有測(cè)試條件，且成本較低。Shift2rail項(xiàng)目就是專門研究一種在實(shí)驗(yàn)室中使用仿真工具和演示程序開發(fā)的非現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法。此外，CEIT公司已經(jīng)研制出一種高級(jí)列車定位模擬器(Advanced Train Location Simulator, ATLAS)，并且已經(jīng)應(yīng)用于EATS項(xiàng) 目中[29]。

相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室仿真，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)更具有說(shuō)服力。當(dāng)前歐洲大多數(shù)試驗(yàn)項(xiàng)目都是基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的。LOCOPROL項(xiàng)目在比利時(shí)的鄉(xiāng)村線路、法國(guó)南部的山區(qū)線和意大利的高速線上開展了定位方案試驗(yàn)；SATLOC項(xiàng)目在羅馬尼亞的一條低密度鐵路上進(jìn)行了定位性能測(cè)試[30]；ERSAT EAV項(xiàng)目在撒丁島一條長(zhǎng)達(dá)50 km的鐵路上驗(yàn)證了多星座接收機(jī)的定位性能，同時(shí)在GNSS不可用區(qū)域驗(yàn)證了局域增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的定位性能[31-32]。

此外，SATLOC項(xiàng)目中提出了一種實(shí)驗(yàn)室仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，提出在GNSS信號(hào)不可用時(shí)，可以采用GNSS信號(hào)模擬器作為替代方案，保證GNSS定位的連續(xù)可用性。

5.2 評(píng)估方法的確定

列控系統(tǒng)定位單元評(píng)估方法的選取，很大程度上取決于定位單元架構(gòu)的復(fù)雜性，歐洲現(xiàn)有的基于GNSS的位置確定系統(tǒng)(Location Determination System，LDS)大體有3部分構(gòu)成：

1) 硬件部分(GNSS、里程表、慣導(dǎo)系統(tǒng)等)，主要負(fù)責(zé)給出位置信息；

2) 改正信息，通常由數(shù)字地圖數(shù)據(jù)庫(kù)或衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)提供；

3) 軟件算法，主要用于異構(gòu)信息融合以及故障檢測(cè)。

對(duì)于由獨(dú)立GNSS接收機(jī)構(gòu)成的LDS的RAMS評(píng)估方法，除了3.1節(jié)中提到的經(jīng)典方法以外，歐洲很多專家學(xué)者對(duì)GNSS定位單元的RAMS性能評(píng)估方法進(jìn)行了拓展研究：Beugin等[33]在Flip A提出的關(guān)系模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步詮釋了鐵路應(yīng)用中GNSS各項(xiàng)性能指標(biāo)的定義，并通過(guò)仿真方法評(píng)估了列車定位中的GNSS性能，分析了其在不同環(huán)境的可用性和可靠性；LU等[34]比較分析了RAMS和GNSS性能，利用Petri網(wǎng)建立了GNSS定位性能狀態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上給出了一種列車定位中GNSS的RAMS評(píng)估方法，并使用鐵路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)GNSS定位單元的RAMS性能進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明：僅基于GNSS的定位性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到鐵路安全應(yīng)用領(lǐng)域的性能需求。

Nguyen等[35]研究了一種基于GNSS+ECS定位方案的RAMS評(píng)估方法，評(píng)估方法中不僅考慮了定位性能，還考慮了硬件故障率以及故障模式之間的依賴性，最后利用Petri網(wǎng)模型，對(duì)該LDS進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明這種GNSS+ECS結(jié)構(gòu)不能滿足可用性要求，特別是在森林環(huán)境中，必須使用冗余傳感器來(lái)進(jìn)行性能改進(jìn)。

6 未來(lái)應(yīng)用研究前景與挑戰(zhàn)

歐盟關(guān)于鐵路領(lǐng)域GNSS的應(yīng)用研究已經(jīng)持續(xù)了十余年，期間研發(fā)出很多相關(guān)的技術(shù)方案，不斷提升GNSS在未來(lái)鐵路應(yīng)用上的應(yīng)用潛力，同時(shí)鐵路各級(jí)部門對(duì)GNSS技術(shù)的興趣也在不斷增加，但要將其真正投入到鐵路列車運(yùn)營(yíng)中去，仍有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步深入論證和研究。

6.1 成本和收益的論證

歐洲各國(guó)有很多鐵路運(yùn)營(yíng)商都在研究如何利用GNSS改進(jìn)列控系統(tǒng)定位性能，從節(jié)省成本的角度提升鐵路運(yùn)營(yíng)效益。但目前實(shí)際投入運(yùn)營(yíng)的定位方案非常少，因?yàn)槎鄶?shù)用戶對(duì)于GNSS的應(yīng)用性能還存有疑慮，對(duì)其是否能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益還不確定。但隨著后續(xù)ERTMS互操作性技術(shù)規(guī)范(Technical Specifications for Interoperability，TSI)的發(fā)布，以及GNSS技術(shù)的不斷發(fā)展，成本及效益的論證工作也將逐步推進(jìn)，效益的明朗化必然會(huì)增強(qiáng)用戶對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的信心，加快應(yīng)用步伐。

6.2 GNSS新技術(shù)的引入

當(dāng)前GPS和GLONASS正在持續(xù)開展現(xiàn)代化，我國(guó)的BDS-3系統(tǒng)也將于2018年底為“一帶一路”沿線各國(guó)提供服務(wù)，各國(guó)的SBAS也在不斷發(fā)展之中，隨之不斷發(fā)展的多星座組合定位技術(shù)、星基/地基增強(qiáng)技術(shù)已然成為研究的熱點(diǎn)以及提高GNSS定位性能的新舉措。因此，如何根據(jù)具體應(yīng)用需求在列控系統(tǒng)中引入合適的GNSS相關(guān)新技術(shù)，并建立合理有效的應(yīng)用模型，是未來(lái)GNSS在列控系統(tǒng)中應(yīng)用面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

6.3 性能指標(biāo)映射關(guān)系的建立

為了驗(yàn)證GNSS用于列控系統(tǒng)的實(shí)際能力，必須給出科學(xué)合理的評(píng)估方法，用以量化GNSS性能。當(dāng)前對(duì)于GNSS定位單元RAMS性能評(píng)估方法的研究較為分散，還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一完整的評(píng)估體系。下一步研究的重點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)列控系統(tǒng)性能需求指標(biāo)RAMS與GNSS服務(wù)性能指標(biāo)完整映射，研究一種系統(tǒng)的、適用性強(qiáng)的評(píng)估方法，在實(shí)現(xiàn)GNSS定位單元RAMS性能評(píng)估的同時(shí)，將RAMS需求量化為對(duì)GNSS相關(guān)性能需求，為GNSS定位單元的性能改進(jìn)提供依據(jù)。

6.4 性能需求指標(biāo)的制定

建立起RAMS和GNSS性能指標(biāo)之間的映射關(guān)系模型后，則需要制定科學(xué)合理的性能需求指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用性能的定量評(píng)估。不僅可以為導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商提供可視化的鐵路需求，促使其根據(jù)量化的性能差距，不斷提升自身性能；同時(shí)也可以為各類GNSS增強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提供一定的性能指標(biāo)依據(jù)，拓展其在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用深度。

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A review of application research and development of GNSS in European train control system

SHUAI Weiyi1, DONG Xurong1, CONG Lei2, ZHANG Bixiu3, WANG Weishu4, FAN Xiangxiang1

(1. Space Engineering University, Beijing 101416, China; 2. Troops 63629, Beijing 100162, China; 3. Troops 93897, Xi’an 710003, China; 4. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Starting with the application advantages of GNSS in the train control system, principle of GNSS-based train positioning is introduced. Based on the application of GNSS in European train control system, its application research status, positioning performance analysis method and requirements index, existing positioning method and performance evaluation were reviewed and analyzed. Finally, prospects and challenges of its application were presented correspondingly.

GNSS; train control system;positioning; requirements; performance assessment

U284

A

1672 ? 7029(2019)07? 1781 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.024

2018?10?10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2018YFB1201500)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61703034)；北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(4184096)

帥瑋祎(1991?)，女，河北承德人，博士研究生，從事GNSS在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用研究；E?mail：18803348431@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)