北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在列車定位中的應(yīng)用研究與發(fā)展

蔡煊，陶漢卿，侯宇婷，廖繼軒，肖金梅，宋曉波

(1.成都工業(yè)學院 汽車與交通學院，四川 成都 611730；2.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院 電子技術(shù)學院，廣西 柳州 545616；3.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

列車定位是列車運行控制系統(tǒng)(簡稱“列控系統(tǒng)”)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著當前鐵路運輸朝著高速、自動化及智能化方向發(fā)展，在下一代列控系統(tǒng)(Next Generation Train Control System,NGTCS)中，列車定位功能從自動定位到自主定位的技術(shù)轉(zhuǎn)變成為切實需求，基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)的列車定位方法被普遍認為是NGTCS定位技術(shù)的主要發(fā)展方向[1-3]。將GNSS技術(shù)逐步引入列車定位應(yīng)用領(lǐng)域，能夠在保證定位精度前提下大幅減少地面輔助定位設(shè)備，充分發(fā)揮衛(wèi)星導(dǎo)航低成本與高自主性的技術(shù)優(yōu)勢[4]。美國[5-7]、俄羅斯[8]和歐盟[9-12]等主要衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)先國家和地區(qū)自20世紀90年代即開始從國家層面持續(xù)資助和推動一系列基于GNSS的列車位置服務(wù)相關(guān)應(yīng)用研究項目，并已成功將一些研究成果應(yīng)用于實際線路中?？v觀當前各GNSS技術(shù)領(lǐng)先國家在鐵路衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用方面的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，未來GNSS技術(shù)逐步拓展并深入到列車位置服務(wù)相關(guān)應(yīng)用中是必然趨勢。為解決GPS等他國掌控的GNSS系統(tǒng)用于鐵路位置服務(wù)的安全性和自主性等問題，近年來我國已逐步開啟北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite Sys‐tem,BDS)應(yīng)用于鐵路運輸?shù)南嚓P(guān)研究工作[13-14]。隨著2020年我國自主開發(fā)和建設(shè)的BDS系統(tǒng)全面組網(wǎng)建成并正式提供全球無源定位導(dǎo)航授時(Positioning,Navigation and Tim ing,PNT)服務(wù)[15]，在軍工國防、信息通信和交通運輸?shù)汝P(guān)系國家戰(zhàn)略安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，采用自主衛(wèi)星導(dǎo)航資源替代國外相關(guān)系統(tǒng)已具備基礎(chǔ)條件。本文分析基于BDS系統(tǒng)的鐵路位置服務(wù)應(yīng)用需求以及列車北斗定位原理，從多傳感器組合定位、多模衛(wèi)星定位、北斗差分定位和定位系統(tǒng)安全完好性監(jiān)測等方面綜述BDS系統(tǒng)在我國列車定位中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，并展望其未來發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn)。

1 北斗鐵路應(yīng)用需求

鑒于GNSS導(dǎo)航定位高精度、全天候、全天時及誤差不累積等諸多優(yōu)良特性，其在鐵路運輸領(lǐng)域中的應(yīng)用前景非常廣泛，GPS技術(shù)的前期鐵路應(yīng)用經(jīng)驗和技術(shù)吸收轉(zhuǎn)化為自主化衛(wèi)星導(dǎo)航鐵路應(yīng)用提供了相對成熟的條件。BDS系統(tǒng)鐵路應(yīng)用總體上可分為非安全相關(guān)應(yīng)用和安全相關(guān)應(yīng)用兩大類[16-17]，具體應(yīng)用分類歸納總結(jié)如圖1所示。BDS系統(tǒng)在鐵路位置服務(wù)相關(guān)應(yīng)用能充分發(fā)揮自主衛(wèi)星導(dǎo)航資源的優(yōu)勢，并催生和優(yōu)化更多基于位置服務(wù)的鐵路應(yīng)用。

圖1 北斗系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域中的應(yīng)用Fig.1 Application of BDS in railway

2 列車北斗定位原理

由圖1可見，列車定位安全應(yīng)用是BDS系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域最為核心和重要的應(yīng)用之一，該應(yīng)用對定位的精度、連續(xù)性、可用性和安全完整性等各個方面均有嚴苛要求。北斗導(dǎo)航模式下，由于列車復(fù)雜運行環(huán)境中存在的信號遮擋、多徑效應(yīng)、電磁干擾和通信延遲等因素，無法完全滿足列車定位的上述要求，為保障列車定位功能單元對復(fù)雜多變的運行環(huán)境及信號接收條件的適應(yīng)性，利用不同類型和原理的傳感器輔助北斗系統(tǒng)進行組合定位是必然選擇。基于北斗導(dǎo)航的列車組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示?？筛鶕?jù)列車實際需求對輪速傳感器(里程計)、多普勒雷達、應(yīng)答器等傳統(tǒng)列車定位設(shè)備進行取舍，并融入慣性導(dǎo)航設(shè)備(陀螺儀+加速度計)輔助北斗衛(wèi)星定位，從而確保持續(xù)檢測和輸出列車位置、速度、運行方向和姿態(tài)變化等定位信息。

圖2 基于北斗的列車定位系統(tǒng)Fig.2 Train positioning system based on BDS

3 列車北斗定位研究現(xiàn)狀

引入GNSS導(dǎo)航技術(shù)進行列車定位，能夠有效補充現(xiàn)有定位方式，甚至完全替代傳統(tǒng)定位手段，基于GNSS的列車定位正在發(fā)展成為更低成本以及更可靠的列控系統(tǒng)列車定位解決方案[18-20]。BDS系統(tǒng)在我國鐵路列車定位中的應(yīng)用和研究還處于探索起步階段。

3.1 多傳感器組合定位

如前所述，由于GNSS系統(tǒng)在應(yīng)對列車運行復(fù)雜環(huán)境方面的局限性，實際應(yīng)用中基于GNSS的列車定位系統(tǒng)一般需根據(jù)實際情況配置其他類型的輔助定位傳感器，從而確保在平原、山區(qū)、隧道及城市等不同環(huán)境條件下均能滿足列車定位的精確性、連續(xù)性、可用性等指標要求。所有能夠補償GNSS定位性能降低、功能失效的傳感器資源均可納入組合定位系統(tǒng)。在考慮多源傳感器信息的差異性、相容性和互補性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建合理的GNSS列車組合定位方案之后，如何有效綜合利用多傳感器測量信息并獲取高性能的列車定位結(jié)果是另外一個關(guān)鍵問題，信息融合技術(shù)提供了解決辦法。一種典型的基于GNSS的列車組合定位原理如圖3[21]所示。

圖3 基于GNSS的列車組合定位原理Fig.3 Principle of combined train positioning based on GNSS

上官偉等[22]針對西部低密度鐵路的實際應(yīng)用需求，設(shè)計了一種基于BDS/INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))組合并輔以軌道電子地圖的列車定位方案，通過青藏鐵路現(xiàn)場測試驗證了該系統(tǒng)的有效性。陶漢卿[23]采用北斗接收機、輪速傳感器、速率陀螺儀以及軌道電子地圖構(gòu)建了一種低成本的城市軌道交通列車車載組合定位方案。張樹[24]分析了在青藏鐵路利用北斗系統(tǒng)替換GPS系統(tǒng)的技術(shù)可行性，構(gòu)建了BDS/ODO(里程計)組合定位系統(tǒng)，并采用在青藏線搭建的實驗平臺驗證了其定位性能。在基于BDS的列車組合定位信息融合處理方面，為解決傳統(tǒng)Kalman濾波算法缺乏非線性、非高斯處理能力的缺陷，EKF、UKF、粒子濾波、H∞魯棒濾波及其改進算法被引入和嘗試[25-27]。未來隨著傳感感知技術(shù)的進一步發(fā)展，必將有更多的新型輔助方案應(yīng)用到北斗列車組合定位中，融合估計理論的發(fā)展也將促進基于北斗的列車定位安全應(yīng)用拓展出更多的創(chuàng)新研究方向。

3.2 多模衛(wèi)星定位

當前全球衛(wèi)星導(dǎo)航資源已進入美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲GALILEO和中國BDS 4大GNSS系統(tǒng)以及日本等國家和地區(qū)的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)競爭、并存的格局，不同系統(tǒng)之間的兼容互補為鐵路領(lǐng)域位置服務(wù)衛(wèi)星應(yīng)用提供了多樣選擇。采用其他衛(wèi)星導(dǎo)航資源補充和增強北斗系統(tǒng)是優(yōu)化和提升北斗列車定位安全應(yīng)用的重要技術(shù)途徑。多模衛(wèi)星列車定位需采用同一臺列車接收機，分別接收以及并行處理北斗系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星信號，從而綜合利用不同種類的衛(wèi)星導(dǎo)航資源解算列車運動狀態(tài)參數(shù)，其中涉及不同衛(wèi)星信號的時鐘同步、坐標轉(zhuǎn)換/統(tǒng)一、濾波融合解算等關(guān)鍵問題。蔡伯根等[16,28]設(shè)計了一種BDS/GPS雙模列車定位方案，給出了BDS/GPS雙模衛(wèi)星接收機的硬件結(jié)構(gòu)。胡榮[29]針對新型列控系統(tǒng)上道試驗需求，設(shè)計了用于列車定位的BDS/GPS雙模信號模擬發(fā)送系統(tǒng)并在實驗室仿真環(huán)境下進行了功能驗證。姚鶴立[30]設(shè)計了基于FPGA的多模列車衛(wèi)星接收機硬件架構(gòu)并對核心模塊進行了功能仿真。此外，針對基于北斗的多模衛(wèi)星列車定位坐標/時鐘系統(tǒng)統(tǒng)一[31]、選星方案及算法[32]等相關(guān)研究已經(jīng)展開?？梢灶A(yù)見，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之間的技術(shù)滲透融合以及鐵路專用多模衛(wèi)星接收機相關(guān)技術(shù)瓶頸的突破，必將進一步促進和深化多模衛(wèi)星定位技術(shù)在鐵路列車定位中的應(yīng)用和發(fā)展。

3.3 北斗差分定位

衛(wèi)星差分定位是除多模衛(wèi)星定位外另一種輔助提高GNSS系統(tǒng)定位精度的有效途徑。衛(wèi)星差分定位技術(shù)主要有偽距差分和載波相位差分2種方式，其定位精度均可滿足列控系統(tǒng)列車定位應(yīng)用需求。鐵路衛(wèi)星差分基站一般設(shè)置在鐵路沿線各車站，通過接收當前空域的衛(wèi)星導(dǎo)航電文生成差分改正數(shù)據(jù)，無線閉塞中心(Radio Block Center，RBC)根據(jù)列車當前位置，通過鐵路專用移動通信網(wǎng)絡(luò)將差分數(shù)據(jù)發(fā)送給列車接收機進行定位修正。列車北斗差分定位原理如圖4所示。為進一步保障鐵路北斗差分定位的安全性、可靠性和可用性，可采用相鄰基站信號交叉冗余覆蓋、無線通信加密和地面服務(wù)器/車載終端雙機熱備等安全措施。

圖4 列車北斗差分定位原理Fig.4 Principle of Beidou differentialpositioning for train

王業(yè)流等[33]提出了一種適用于我國鐵路列控系統(tǒng)的列車北斗差分定位方案，并針對系統(tǒng)技術(shù)難點給出了相應(yīng)優(yōu)化和解決措施。張曉鈞等[34]為了評估動車組列車高速運行條件下的北斗實時差分定位精度，在CRH3C型高速動車組上搭建了試驗系統(tǒng)，并通過實測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)性能進行了驗證分析。岳朝鵬等[35]介紹了基于北斗的京沈高速鐵路列車定位試驗方案，涵蓋北斗差分定位、多模衛(wèi)星定位和多傳感器組合定位(北斗+慣導(dǎo))等多個方面，旨在為基于衛(wèi)星導(dǎo)航的我國下一代列控系統(tǒng)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究提供試驗驗證。劉江等[36]從建設(shè)/維護成本、技術(shù)可行性和服務(wù)能力等方面對局域差分增強、地基增強以及星基增強3種類型的鐵路北斗差分增強方案進行了探討?？傮w而言，目前北斗差分定位技術(shù)在我國鐵路列控系統(tǒng)列車定位應(yīng)用領(lǐng)域尚處于理論研究和試驗論證階段，鮮有實際工程應(yīng)用案例，隨著我國高速鐵路下一代列控系統(tǒng)的開發(fā)、試驗、定型和推廣應(yīng)用，作為列控系統(tǒng)自主定位關(guān)鍵技術(shù)的北斗導(dǎo)航及其差分定位技術(shù)必將在其中發(fā)揮重要作用。

3.4 安全完好性監(jiān)測

列車定位子系統(tǒng)作為鐵路列控系統(tǒng)的核心組成部分，必須滿足列控系統(tǒng)高度安全完整性的嚴苛要求。在基于北斗的列車組合定位模式下，復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、異構(gòu)多源傳感器信息等因素都會導(dǎo)致系統(tǒng)故障、失效等異常風險概率增大，因此必須充分考慮和提高系統(tǒng)對于異常風險的容錯和預(yù)警能力，從而保障系統(tǒng)安全完好性。

基于北斗的列車組合定位系統(tǒng)完好性監(jiān)測主要包括系統(tǒng)級監(jiān)測和用戶級監(jiān)測2個層面。在系統(tǒng)級監(jiān)測層面，蔡伯根等[16,28,37]分析了基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位系統(tǒng)完好性監(jiān)測的必要性，給出了列車組合定位系統(tǒng)自主完好性監(jiān)測(Locator Au‐tonomous Integrity Monitoring，LAIM)原理框圖，如圖5所示。韓鑫[38]針對下一代列控系統(tǒng)列車定位安全應(yīng)用需求，研究了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)/數(shù)字軌道地圖輔助衛(wèi)星導(dǎo)航的列車組合定位系統(tǒng)的完好性監(jiān)測算法，并驗證了該算法在鐵路實際應(yīng)用場景下的可用性性能。在用戶級監(jiān)測層面，近年來一些學者陸續(xù)開展了專門針對北斗列車接收機自主完好性監(jiān)測(Receiver Autonomous Integrity Monitor‐ing，RAIM)的相關(guān)研究[39-43]，提出基于最小二乘殘差、最大偏差準則和加權(quán)奇偶矢量等一定計算準則的自主完好性監(jiān)測算法，通過RAIM實時預(yù)測和檢測列車接收機故障以及導(dǎo)航衛(wèi)星故障，有效降低了故障漏檢、漏報的風險，從而提高北斗列車定位的安全性和可靠性。

圖5 列車組合定位系統(tǒng)完好性監(jiān)測原理Fig.5 Principle of integritymonitoring of train combined positioning system

隨著自主北斗導(dǎo)航資源的完善及其在鐵路列控領(lǐng)域的深入應(yīng)用，亟需研究建立規(guī)范、完備的，并且適于我國鐵路實際應(yīng)用需求的北斗列車定位完好性監(jiān)測手段以及相應(yīng)的故障隔離和消除方法。

4 發(fā)展趨勢及挑戰(zhàn)

當前我國鐵路的建設(shè)規(guī)模及發(fā)展規(guī)劃為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用提供了良好的機遇和內(nèi)部空間，而世界各衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)先國家持續(xù)推進并穩(wěn)步實施的鐵路衛(wèi)星應(yīng)用研究及成果轉(zhuǎn)化也帶來了激烈的市場競爭和嚴峻的外部挑戰(zhàn)，將來在基于北斗的列車定位領(lǐng)域還有許多需進一步深入的研究工作，本文作者認為主要集中在以下4個方面。

4.1 定位性能指標關(guān)聯(lián)統(tǒng)一

將GNSS系統(tǒng)應(yīng)用于列控系統(tǒng)列車定位中，必須滿足鐵路列車控制相關(guān)性能指標要求。鐵路領(lǐng)域信號控制安全專用設(shè)備一般遵循歐洲標準EN50126中定義的可靠性、可用性、可維護性及安 全 性(Reliable，Availability，Maintainability，Safety，RAMS)指標體系，而當前評價GNSS系統(tǒng)性能通常采用國際民航組織定義的精度、連續(xù)性、完好性及可用性等性能指標體系，二者之間有相似性但無直接對應(yīng)關(guān)系。要使得基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車定位單元滿足實際列控安全應(yīng)用標準，必須建立不同性能指標體系之間的轉(zhuǎn)換和映射關(guān)系。歐洲學者較早開始了相關(guān)研究工作，F(xiàn)ILIP等[44]給出了鐵路RAMS和GALILEO系統(tǒng)定位性能指標的關(guān)系模型，如圖6所示。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)ILIP等[45-46]還研究了不同指標體系之間的內(nèi)在聯(lián)系，給出了適用于GALILEO系統(tǒng)的鐵路RAMS標準評價方法，從而為鐵路列控衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)和測試等全生命周期過程提供性能參考依據(jù)。隨著北斗系統(tǒng)在我國鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用需求快速增加，亟需開展相關(guān)研究工作。如何針對性的開發(fā)和制定北斗系統(tǒng)鐵路安全相關(guān)應(yīng)用性能參考標準，是實現(xiàn)自主衛(wèi)星導(dǎo)航資源在特定行業(yè)安全應(yīng)用的必備條件，同時也可為北斗系統(tǒng)在我國其它行業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考價值。

圖6 GALILEO系統(tǒng)和列控系統(tǒng)性能指標映射關(guān)系Fig.6 GALILEO system and train controlsystem performance indexmapping relationship

4.2 多傳感器資源深度融合

目前，在基于衛(wèi)星導(dǎo)航的多傳感器組合列車定位的相關(guān)研究中，考慮到衛(wèi)星接收機內(nèi)部結(jié)構(gòu)編排復(fù)雜性等因素，大多仍是采用松散結(jié)構(gòu)的多源信息融合，僅利用異構(gòu)傳感器信息對衛(wèi)星定位信息進行輔助修正和誤差反饋校正，無法深度有效地挖掘多傳感器系統(tǒng)的組合定位能力。因此，應(yīng)該嘗試參考和引入航空航天等領(lǐng)域日趨成熟的多傳感器緊耦合技術(shù)，將多種傳感器資源通過緊密耦合結(jié)構(gòu)進行集成，使得多傳感器自身測量處理過程和融合估計過程一體化，進一步提高北斗定位在強電磁干擾和信號屏蔽等極端條件下的定位能力以及組合定位系統(tǒng)的故障容錯能力，使得基于北斗的低成本列車車載定位方案走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。

4.3 列控專用北斗終端及相關(guān)技術(shù)

針對鐵路列控系統(tǒng)特定應(yīng)用需求及安全屬性，開發(fā)可用于鐵路位置服務(wù)安全相關(guān)應(yīng)用的專用型北斗接收機，解決多傳感器信息集成、多模衛(wèi)星兼容、差分增強及RAIM等關(guān)鍵技術(shù)，并有效結(jié)合數(shù)字軌道地圖等前沿衛(wèi)星輔助定位手段，使得北斗導(dǎo)航資源在鐵路行業(yè)列控應(yīng)用中產(chǎn)生顯著的技術(shù)成本效益。

4.4 鐵路專用測試平臺及評估體系

為了試驗、定型鐵路列控北斗終端產(chǎn)品，確保其滿足鐵路特定安全應(yīng)用需求。首先，需要構(gòu)建針對性的實驗室仿真測試平臺以及實際線路測試環(huán)境，充分驗證專用北斗定位終端用于列控領(lǐng)域的實際能力。其次，需要構(gòu)建面向用戶級及系統(tǒng)級多個層級的評估標準和體系，不僅可以量化評價北斗RAMS性能指標，而且可以反向指導(dǎo)鐵路北斗產(chǎn)品供應(yīng)商根據(jù)評估結(jié)果改進和提升產(chǎn)品相關(guān)性能。

5 結(jié)論

1)對基于北斗的列車定位應(yīng)用研究現(xiàn)狀進行了全面總結(jié)，北斗導(dǎo)航技術(shù)作為我國當前的自主核心戰(zhàn)略資源，在鐵路位置服務(wù)中應(yīng)用需求廣泛，對我國列控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的更新迭代具有重要的推動作用。

2)北斗導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展以及我國鐵路的現(xiàn)代化和智能化進程共同促進了二者的融合，在雙重動力驅(qū)使下，北斗鐵路應(yīng)用必將得到快速發(fā)展，從而盡快形成鐵路自主化衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用能力和市場競爭力。

3)需要持續(xù)進行特定行業(yè)應(yīng)用研究和技術(shù)突破創(chuàng)新，確保我國北斗系統(tǒng)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)競爭中進入領(lǐng)先地位，同時在北斗鐵路應(yīng)用進程中進一步提升我國高鐵技術(shù)的全球競爭力。