歐洲列控系統中GNSS應用研究與發展綜述

帥瑋祎，董緒榮，叢蕾，張碧秀，王韋舒，范祥祥

歐洲列控系統中GNSS應用研究與發展綜述

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，北京 101416；2. 63629部隊，北京 100162；3. 93897部隊，陜西 西安 710003；4. 北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044)

針對GNSS在列控系統中的應用優勢，介紹GNSS的列車定位原理；基于GNSS在歐洲列控系統中的應用情況，對其應用研究現狀、定位性能分析方法和需求指標、現有定位方法以及性能評估進行綜述分析，并對其應用研究前景與挑戰進行展望。

GNSS；列控系統；定位；需求；性能評估

位置信息是鐵路智能系統中的關鍵信息之一，及時準確的列車位置的獲取，有助于保證列車安全有效的運行[1]。列車位置信息可以用于車隊調度、人員位置確定及危險貨物跟蹤等不同的應用中，進而實現列車控制與調度的全面智能化，不同的應用服務需要不同性能級別的位置信息，其中一個主要應用就是列車控制系統。歐洲鐵路中，早期采用的是基于軌道電路的列車控制系統(Track circuit Based Train Control, TBTC)，列車位置主要通過軌旁設備(軌道電路、計軸、信標等)輔助確定，存在傳輸環境惡劣、傳輸速率低、信息量小和成本過高等缺點，已經不能滿足現代列車運行的需要。當前各國都在逐步發展基于無線通信的列控系統(Communication Based Train Control, CBTC)，其利用無線信道進行車—地雙向數據傳輸，實現對列車連續的跟蹤、監控以及閉環控制，具有安全性好、運輸效率高等優點。歐洲鐵路控制系統(European Train Control System, ETCS)，是歐洲各信號廠商在歐盟支持下，為解決歐洲鐵路網中不同線路上不同系統的兼容互操作問題開發的。ETCS包含5個應用等級(ETCS- 0，ETCS-1，ETCS-2，ETCS-3和ETCS-NTC)，用以滿足不同鐵路線路上的運輸需求，保證列車安全[2]。傳統的ETCS采用的是軌道應答器檢測列車存在，并結合里程計進行列車定位的技術，但這種定位方法需要大量地面設備，成本過高。因此，基于全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)的列車定位方法被逐步引入列控系統中，不僅可以克服系統對地面設備的依賴性，降低了運營成本，同時可以提供全天候的高精度服務，并更加容易實現不同列控系統之間的互操作[3]。本文首先對基于GNSS的列車定位原理進行概述；然后通過介紹歐洲列控系統中GNSS的應用研究現狀，對列控系統中引入GNSS需要解決的3個問題：定位性能分析與需求指標的確立、定位方案的選取以及定位性能的評估方法進行綜述；最后結合應用現狀，歸納總結GNSS在列控系統中未來應用研究前景與挑戰。

1 基于GNSS的列車定位原理

圖1為典型的基于GNSS的列控系統定位原理示意圖。該系統采用了GNSS/INS多傳感器組合導航方式，衛星接收機接收衛星定位數據信息，慣性導航系統中陀螺儀提供列車姿態變化信息，加速度計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，這些信息經過多源融合處理，推算得到列車的估計位置。

該系統以GNSS定位單元為主，同時采用多傳感器和衛星定位進行互補的方案，一方面GNSS作為外部量測值輸入，在組合導航中不斷修正INS，以控制其誤差隨時間的積累；另一方面，短時間內高精度的INS定位結果，可以很好地解決GNSS動態環境中的信號失鎖和周跳問題。不僅如此，INS還可以輔助GNSS接收機增強其抗干擾能力，提高捕獲和跟蹤衛星信號的能力，增強靈敏度和可靠性。解決了衛星信號下降或失效時輸出定位結果誤差較大的情況，提高了列車定位的精確性、實時性、可靠性和抗干擾性，從而保障列車能安全快速地運行。

圖1 GNSS的列控系統定位原理圖

2 應用研究現狀

自2000年起，歐盟就開始了GNSS在列控系統中的應用研究，主要集中在ETCS的最高級別和區域性線路，即ETCS L3和ETCS Regional上。研究主要通過持續資助一些科研項目來推動應用。首批主要項目有APOLO[4]，GADEROS[5]和LOCOP- ROL[6]，截止到最近的GaLoROI[7]和3inSat[8]，已經進行了數十個項目。所有這些項目，雖然還沒有生產出商業化運營的產品，但也在不斷推動GNSS在鐵路領域的技術滲透。其中最具代表性的就是出現了“虛擬應答器”的概念，其基本原理是采用虛擬的點代替真實的物理應答器，將其坐標記錄在嵌入式地理數據庫中，通過將基于GNSS的列車位置與數據庫進行比較來檢測火車在通過所識別的點時的位置，從而起到代替傳統應答器的目的。自RUNE[9]，3InSat和ERSAT等項目啟動以來，虛擬應答器已經在許多項目中得到了廣泛的研究。而下一代列車控制系統計劃(Next Generation Train Control, NGTC)，項目已經啟動，其中一項主要研究內容就是面向線路布置及環境較為開闊的低密度線路，研究標準的衛星定位功能應用，替代傳統物理應答器[10]。

3 定位性能分析與需求

3.1 列控系統中GNSS定位性能分析方法

當前公認用于評價GNSS性能的指標參數是國際民用航空組織規定的精度、完好性、連續性和可用性四項基本性能指標。而鐵路領域通常采用可靠性，可用性，可維護性和安全性(Reliable, Availability, Maintainability, Safety, RAMS)來進行評價系統性能，二者之間并沒有直接的對應關系。同時，鐵路的運營規則以及相關標準的實施策略與航空用戶是截然不同的，因此不能將航空領域的GNSS性能需求直接照搬到鐵路上來。

要驗證列控系統中基于GNSS的定位單元性能是否滿足應用需求，就必須實現系統間性能參數的有效映射。當前應用較為廣泛的為Flip等[11]提出的關系模型，如圖2所示。文章中給出了在伽利略系統定位性能參數和RAMS之間的關系模型，并給出了各參數定義及計算方法。此外，Filip等[12?13]研究了2類指標之間的關系，將不同領域的定位性能標準聯系起來，研究了適用于GNSS的RAMS評價方法。Mocek等[14]在RAMS性能需求的基礎上，提出了基于GNSS的列控系統需要達到的最低量化需求。

圖2 GNSS和列控系統定位性能指標關系圖

3.2 定位性能需求量化指標

從圖2可以看出，基于GNSS的列控系統定位性能需求，與傳統性能需求是有著較大區別的。舉例來說，傳統的應答器在軌道上的位置是精確已知的，而采用GNSS定位時，則需要考慮位置信息的精度問題，而對于不同情景下，對精度的需求是不同的。在如圖3所示，當列車位于軌道交叉點上時，等待入軌的列車位置必須是精確可靠的，且精度指標要遠遠高于行駛過程中的定位精度，才能保證不會與另一軌道上的列車相撞。

而對于圖4采用虛擬應答器實現移動閉塞時，在向等待列車提供移動權限之前，必須確保和之間的軌道是空閑的，這就意味著在捕獲下個虛擬應答器之前，必須要確定前方列車已經通過了該應答器[15]，這就要求列車相對于虛擬應答器的距離必須要滿足相應的精度需求，尤其是列車尾部的定位精度需求。

圖3 鐵路軌道交叉點示意圖

圖4 基于虛擬應答器的移動閉塞

當前列車運行控制系統領域的列車定位性能統一標準尚在研討中，當前應用較為廣泛的需求標準如表1所示。

表1 不同密度鐵路線路下GNSS定位性能需求

此外，很多項目實施過程中也對量化指標進行了研究[7?9, 16]，部分文獻以表1中指標為基礎，給出了較為全面的綜合指標，還有部分給出了按不同應用進行分類量化的精度和完好性需求指標。

雖然當前列車運行控制系統領域的列車定位性能暫未形成規范的標準，但是基于GNSS以及各國正在積極發展的各類增強系統中都希望更多的行業用戶參與特定應用中性能標準的制定。隨著衛星定位鐵路應用研究的不斷深入，鐵路列車定位功能性能要求下的衛星導航系統性能指標及量化水平要求也逐漸走向標準化、規范化。

4 基于GNSS的列控系統定位方法

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

4.1 基于精度和可用性的定位方法

火車不同于飛機，其行駛過程中會接近很多遮擋信號的障礙物，如高層建筑、樹木以及隧道等。而GNSS在此類特殊環境下性能很差甚至無法定位，顯然不能達到需求的可用性和高精度，更不用說高度的安全完整性了。當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，在衛星定位有效的情況下，GNSS可以提供有效準確的列車位置，同時用來修正慣性導航系統的誤差，并根據高精度數字軌道地圖信息，修正衛星/慣導組合導航系統計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果。而在衛星信號失鎖或遭到遮擋時，由于無法獲取衛星的觀測信息，系統對車輪傳感器/慣性導航系統進行組合定位，利用慣性器件、車輪傳感器等輔助設備進一步構建衛星增強多傳感器系統，用以提供一定精度的連續定位信息，同時結合高精度數字軌道地圖信息，修正車輪傳感器/慣導組合導航系統所計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星定位失效時的連續性。

當前研究的熱點在于如何科學合理的選擇傳感器的組合，結合有效的信息融合算法，充分實現其與GNSS之間的優勢互補，獲取高精度、高可靠性的定位結果。Acharya等[17?19]對不同深度的組合定位方式(松耦合、緊耦合和深耦合)進行了闡述和分析。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

安全性指的是系統不發生可能引起損害風險的能力。由圖2可以看出，安全性主要與完好性有關，因此現有列控系統中基于安全性的定位方案大多都是以提高GNSS完好性為主，相關技術大致可以分為兩大類。

4.2.1 完好性監測技術

這類技術的研究主要集中在接收機自主完好性監測算法(Receiver Autonomous Integrity Monitor- ing, RAIM)算法上，算法可以給用戶提供完好性監測和快速報警的響應能力。主要包括2部分研究內容：一是對影響定位精度的故障進行有效檢測和排除；二是判定當前歷元定位系統的完好性風險是否超限。上述情況有任何一類發生，則向用戶告警。

早在1998年，Mirabadi等[23]就提出了基于卡方檢驗和殘差檢驗的故障檢測和隔離方法，并將其應用到列車多傳感器定位系統中；Nikiforov等[24]將一種RAIM故障檢測識別算法引入到上述LOCOPROL的定位方案中，其中LOCOPROL定位系統負責確定滿足定位需求的列車位置區間，故障檢測識別算法用以區間長度的合理性及可用性；LIU等[25]針對多傳感器定位系統提出了自主完好性監測(Autonomous Integrity Monitoring and Assur- ance, AIMA)方案。此外，還有一些研究利用先驗知識庫、多普勒信息、圖像處理等技術來輔助完好性監測[26]。

4.2.2 星基增強技術

這類技術主要以EGNOS為基礎。EGNOS是歐洲的SBAS系統，由大量分布廣泛的監測站(位置已知)對導航衛星進行監測，由地球同步衛星(GEO)向用戶播發改正數信息(星歷誤差、衛星鐘差、電離層延遲)和完好性信息(用戶差分距離誤差、格網電離層垂直誤差)，實現對衛星導航系統定位精度的改進和完好性性能的提高。常規方法是利用EGNOS播發的完好性信息來計算用戶水平保護水平(Horizo- ntal Protection Level, HPL)，HPL是通過滿足一定置信空間的完好性風險而計算出的水平方向定位誤差的限值，其應用原理如圖6所示。

圖6 星基增強完好性監測原理示意圖

實際應用中，真正的HPE(水平位置誤差)是未知的，因此通常采用HPL作為完好性的評價指標。如圖6所示，當HPE

現有的利用EGNOS完好性信息計算HPL的模型算法多是針對航空領域應用的，STARS項目中已經驗證了此類模型算法并不能直接用在鐵路領域。文獻[27]研究了一種可以應用與高速公路的HPL計算方法，計算出的HPL<8 m，但在城市環境下，測試時間內只有15%的時間基于EGNOS的定位系統滿足完好性需求，主要原因就是因為衛星信號接收環境較差，存在過多干擾和遮擋。針對此類情況，3inSat項目設計了一種本地完好性監測網絡(Aug- mentation and Integrity Monitoring Network, AIMN)，旨在利用航空領域的GNSS、SBAS和ARAIM相結合，開發適用于鐵路的高完好性覆蓋的導航系統，Neri等[28]的研究表明，該網絡可用性非常高，并且可以大大降低HPL的值，實現完好性監測和定位精度的提高。

5 性能評估

確定了定位方案后，下一步就是評估定位系統的性能是否滿足相關應用需求。涉及到的主要有2個問題：一是評估環境的選??；二是評估方法的 確定。

5.1 評估環境的選取

經典評估環境分為2種：實驗室仿真和現場試驗。實驗室仿真方法具有重復性，可以控制所有測試條件，且成本較低。Shift2rail項目就是專門研究一種在實驗室中使用仿真工具和演示程序開發的非現場測試方法。此外，CEIT公司已經研制出一種高級列車定位模擬器(Advanced Train Location Simulator, ATLAS)，并且已經應用于EATS項 目中[29]。

相對于實驗室仿真，現場試驗更具有說服力。當前歐洲大多數試驗項目都是基于現場試驗的。LOCOPROL項目在比利時的鄉村線路、法國南部的山區線和意大利的高速線上開展了定位方案試驗；SATLOC項目在羅馬尼亞的一條低密度鐵路上進行了定位性能測試[30]；ERSAT EAV項目在撒丁島一條長達50 km的鐵路上驗證了多星座接收機的定位性能，同時在GNSS不可用區域驗證了局域增強網絡的定位性能[31-32]。

此外，SATLOC項目中提出了一種實驗室仿真和現場試驗相結合的方法，提出在GNSS信號不可用時，可以采用GNSS信號模擬器作為替代方案，保證GNSS定位的連續可用性。

5.2 評估方法的確定

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

1) 硬件部分(GNSS、里程表、慣導系統等)，主要負責給出位置信息；

2) 改正信息，通常由數字地圖數據庫或衛星增強系統提供；

3) 軟件算法，主要用于異構信息融合以及故障檢測。

對于由獨立GNSS接收機構成的LDS的RAMS評估方法，除了3.1節中提到的經典方法以外，歐洲很多專家學者對GNSS定位單元的RAMS性能評估方法進行了拓展研究：Beugin等[33]在Flip A提出的關系模型基礎上，進一步詮釋了鐵路應用中GNSS各項性能指標的定義，并通過仿真方法評估了列車定位中的GNSS性能，分析了其在不同環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網建立了GNSS定位性能狀態模型，在此基礎上給出了一種列車定位中GNSS的RAMS評估方法，并使用鐵路實測數據對GNSS定位單元的RAMS性能進行了評估。結果表明：僅基于GNSS的定位性能還遠遠達不到鐵路安全應用領域的性能需求。

Nguyen等[35]研究了一種基于GNSS+ECS定位方案的RAMS評估方法，評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網模型，對該LDS進行了現場測試，測試結果表明這種GNSS+ECS結構不能滿足可用性要求，特別是在森林環境中，必須使用冗余傳感器來進行性能改進。

6 未來應用研究前景與挑戰

歐盟關于鐵路領域GNSS的應用研究已經持續了十余年，期間研發出很多相關的技術方案，不斷提升GNSS在未來鐵路應用上的應用潛力，同時鐵路各級部門對GNSS技術的興趣也在不斷增加，但要將其真正投入到鐵路列車運營中去，仍有很多問題需要進一步深入論證和研究。

6.1 成本和收益的論證

歐洲各國有很多鐵路運營商都在研究如何利用GNSS改進列控系統定位性能，從節省成本的角度提升鐵路運營效益。但目前實際投入運營的定位方案非常少，因為多數用戶對于GNSS的應用性能還存有疑慮，對其是否能帶來可觀的經濟效益還不確定。但隨著后續ERTMS互操作性技術規范(Technical Specifications for Interoperability，TSI)的發布，以及GNSS技術的不斷發展，成本及效益的論證工作也將逐步推進，效益的明朗化必然會增強用戶對相關產品的信心，加快應用步伐。

6.2 GNSS新技術的引入

當前GPS和GLONASS正在持續開展現代化，我國的BDS-3系統也將于2018年底為“一帶一路”沿線各國提供服務，各國的SBAS也在不斷發展之中，隨之不斷發展的多星座組合定位技術、星基/地基增強技術已然成為研究的熱點以及提高GNSS定位性能的新舉措。因此，如何根據具體應用需求在列控系統中引入合適的GNSS相關新技術，并建立合理有效的應用模型，是未來GNSS在列控系統中應用面臨的一項挑戰。

6.3 性能指標映射關系的建立

為了驗證GNSS用于列控系統的實際能力，必須給出科學合理的評估方法，用以量化GNSS性能。當前對于GNSS定位單元RAMS性能評估方法的研究較為分散，還沒有形成一個統一完整的評估體系。下一步研究的重點就是實現列控系統性能需求指標RAMS與GNSS服務性能指標完整映射，研究一種系統的、適用性強的評估方法，在實現GNSS定位單元RAMS性能評估的同時，將RAMS需求量化為對GNSS相關性能需求，為GNSS定位單元的性能改進提供依據。

6.4 性能需求指標的制定

建立起RAMS和GNSS性能指標之間的映射關系模型后，則需要制定科學合理的性能需求指標，實現其應用性能的定量評估。不僅可以為導航系統供應商提供可視化的鐵路需求，促使其根據量化的性能差距，不斷提升自身性能；同時也可以為各類GNSS增強系統的設計，提供一定的性能指標依據，拓展其在鐵路領域的應用深度。

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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

國家重點研發計劃資助項目(2018YFB1201500)；國家自然科學基金資助項目(61703034)；北京市自然科學基金資助項目(4184096)

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

(編輯 蔣學東)