何 進(jìn)

(中鐵通信信號勘測設(shè)計(jì)（北京）有限公司，北京 100036)

簡談列車衛(wèi)星定位系統(tǒng)在國鐵中的應(yīng)用

何 進(jìn)

(中鐵通信信號勘測設(shè)計(jì)（北京）有限公司，北京 100036)

介紹列車定位的發(fā)展趨勢和列車衛(wèi)星定位系統(tǒng)的原理、構(gòu)成和特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的必要性。

列車定位；軌道電路；衛(wèi)星定位系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，不僅要求乘座列車時更加舒適、盡量少受噪聲和電磁干擾輻射的影響，而且還希望對后期運(yùn)營維護(hù)更加合理、便捷。由于軌道電路設(shè)有大量的軌旁信號設(shè)備，各種現(xiàn)場維護(hù)問題和矛盾非常突出，為達(dá)到提高效率、保障安全、節(jié)約能源、改善環(huán)境、減員增效等目的，發(fā)展綠色鐵路是必然的。

1 列車定位的發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)主要用軌道電路來對列車進(jìn)行定位。軌道電路是以一段鐵路線路的鋼軌為導(dǎo)體構(gòu)成的電路，軌道空閑時執(zhí)行繼電器吸起，有車占用時因車輪分路執(zhí)行繼電器電壓低而落下。從我國首次建成的軌道電路——1924年大連—金州間、沈陽—蘇家屯間自動閉塞采用的交流50 Hz二元三位式相敏軌道電路到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于各鐵路局的25 Hz相敏軌道電路和ZPW-2000系列軌道電路，其技術(shù)在國內(nèi)有了長足的發(fā)展。在鐵路快速發(fā)展的過程中，各種形式和技術(shù)規(guī)格的軌道電路層出不窮，按照我國鐵路的運(yùn)營情況進(jìn)行研發(fā)，較適合我國鐵路高密度、運(yùn)量大、客貨共存的狀況和我國鐵路的運(yùn)營管理模式。

隨著我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，列車衛(wèi)星定位系統(tǒng)的普遍應(yīng)用是必然趨勢。綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電力電子控制技術(shù)等多種新技術(shù)，研究設(shè)計(jì)一套基于列車衛(wèi)星定位并且具有智能化和控制監(jiān)督監(jiān)測一體化的列車控制系統(tǒng)，為鐵路運(yùn)輸高速安全的總目標(biāo)提供重要的基礎(chǔ)技術(shù)裝備。

2 實(shí)現(xiàn)列車衛(wèi)星定位的必要性

2.1 軌道電路的優(yōu)缺點(diǎn)

經(jīng)過多年的運(yùn)行改進(jìn)和優(yōu)化，軌道電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國的鐵路,工作穩(wěn)定可靠、維修簡單、故障率低、可靠性和抗外界沖擊等性能比較好,能發(fā)現(xiàn)鋼軌發(fā)生的斷裂,為保證行車安全起了很大的作用,其優(yōu)點(diǎn)是公認(rèn)的。但是，車輪分路的條件是鋼軌表面導(dǎo)電良好,目前有相當(dāng)一部分軌道電路由于列車分路電阻、鋼軌面生銹和粉塵污染等因素造成分路不良，采用“3V”化、高壓脈沖、計(jì)軸等措施整治后,其設(shè)備復(fù)雜、維修工作量增大、基層站段維護(hù)難度大。如果鋼軌表面嚴(yán)重銹蝕,甚至趨于絕緣狀態(tài)，依然要求正常分路，不是軌道電路能夠解決的范疇。另外，在電氣化區(qū)段，軌道電路還受到牽引回流的干擾,高鐵車站曾出現(xiàn)過絕緣燒損。在無砟道床中,為了消除阻抗的影響, 基礎(chǔ)鋼筋需經(jīng)絕緣處理，還需為信號設(shè)備預(yù)留安裝位置、管線過軌位置，使混泥土施工增加了難度，施工工序更加復(fù)雜化。

2.2 列車衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有重大的意義

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)在鐵路運(yùn)營安全和運(yùn)輸效率中起著決定性的作用,基于衛(wèi)星定位的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)軌旁設(shè)備數(shù)量較少，有利于降低建設(shè)和運(yùn)營成本，提高運(yùn)營管理水平。可以自動排除由于人為違章操作、設(shè)備原因等引起的各種危及行車安全的因素，為進(jìn)一步提高安全性提供了高技術(shù)裝備。采用地面軌道電路，設(shè)計(jì)使用年限過期后就進(jìn)入大修期或者換成另一套較先進(jìn)的設(shè)備，這不僅浪費(fèi)資源，還在更新?lián)Q代的過程中給運(yùn)營帶來了很大的安全隱患。采用衛(wèi)星定位系統(tǒng)來取代絕大多數(shù)地面軌道電路，不僅促進(jìn)鐵路科技進(jìn)步，還是鐵路信息化的又一次飛躍。

3 列車衛(wèi)星定位系統(tǒng)的構(gòu)成和定位原理

常規(guī)的衛(wèi)星定位并不是故障安全的，雖然在一般情況下GPS定位精度可以達(dá)到2～5 m、在6西格瑪概率條件下可達(dá)到19.8 m，但是也存在無法保證精度的情況，它獨(dú)自無法滿足信號系統(tǒng)所要求的安全性，可運(yùn)用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)輔以車載測速傳感器的列車組合定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)列車的定位。

3.1 列車衛(wèi)星組合定位系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)有通信設(shè)備和信號設(shè)備2大部分。其中信號設(shè)備包括3個部分，分別為中心設(shè)備、軌旁設(shè)備和車載設(shè)備。中心設(shè)備有調(diào)度集中CTC和維護(hù)終端MMT，中心設(shè)備主要作用是下達(dá)調(diào)度指令、接收并處理運(yùn)行狀態(tài)信息和維護(hù)信息；軌旁設(shè)備有聯(lián)鎖、無線閉塞中心RBC、GPS差分站及CTC車站自律機(jī)RTU，軌旁設(shè)備接收CTC的調(diào)度命令，同時反饋信號表示，還將通過無線通信系統(tǒng)，把管轄區(qū)域內(nèi)信號設(shè)備的狀態(tài)發(fā)送給車載系統(tǒng)，同時通過無線通信系統(tǒng)獲取列車占用信息；車載設(shè)備包括車載計(jì)算機(jī)和列尾設(shè)備，車載計(jì)算機(jī)將根據(jù)軌旁RBC轉(zhuǎn)發(fā)的信息，確認(rèn)前方各種信號設(shè)備的狀態(tài)和顯示，并提示指導(dǎo)司機(jī)行車、完成超速防護(hù)的功能。

該系統(tǒng)是采用衛(wèi)星定位，運(yùn)用實(shí)時連續(xù)雙向車—地?zé)o線通信技術(shù)，以機(jī)車信號為主體信號來控制列車運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)提高效率、保障安全、節(jié)約能源和改善環(huán)境等目的。

3.2 列車定位原理

軌道占用檢查由車載設(shè)備完成。車載定位系統(tǒng)先通過衛(wèi)星確定列車位置，然后再根據(jù)車載線路數(shù)據(jù)庫中的線路電子地圖來確定該列車在線路上的位置。

4 組合衛(wèi)星定位系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1 系統(tǒng)的可靠性、安全性

列車組合定位系統(tǒng)針對GPS和測速傳感器輸入，采用卡爾曼濾波器（Kalman)算法，兩套GPS接收器分別接受定位信息，數(shù)據(jù)處理過程中相互比較，取較嚴(yán)格的值進(jìn)行下一步計(jì)算。根據(jù)濾波器算法，濾波器的輸出將再次作為輸入，為下一次定位計(jì)算提供參照，以增加定位精度，保證定位輸出的安全性，該定位算法能提供高達(dá)3～5 m的定位精度，且具有精度高度一致性。采用定位周期為0.5 s。保證對定位誤差判斷在100%的概率下得到控制。

1）失去定位信息的處理

系統(tǒng)采用了故障-安全和多樣性的設(shè)計(jì)思路。定位系統(tǒng)必須安全可靠，即：當(dāng)條件不完善時，它也應(yīng)當(dāng)正常工作。當(dāng)GPS定位正常時，位置信息主要從GPS數(shù)據(jù)中得到；當(dāng)沒有GPS數(shù)據(jù)時，位置信息主要從速度傳感器的速度中得到。速度傳感器的位置推算是基于由GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化的初始數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)“失去GPS差分信息輸入”、“失去GPS定位輸入”或“失去速度傳感器輸入”信息時即為故障。在故障發(fā)生時，定位系統(tǒng)將采用無故障時的輸入數(shù)據(jù)繼續(xù)列車的定位計(jì)算，同時其定位不確定性增加。這使得系統(tǒng)增大安全保護(hù)距離來確保列車的安全。如故障恢復(fù)，所有定位系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)將恢復(fù)正常，安全保護(hù)距離回到正常大小，在20 m左右(0速度時)。列車運(yùn)行在隧道中時，16 km沒有GPS信號輸入，或在任何其他GPS不工作的情況下，定位系統(tǒng)根據(jù)速度傳感器及數(shù)學(xué)模型算法等輔助手段對列車進(jìn)行定位。

如果故障發(fā)生后長時間得不到恢復(fù)，定位的不確定性就不斷累積增加到線路現(xiàn)場的環(huán)境條件及用戶的需求安全距離時，系統(tǒng)將按列車失去位置處理，并采取相應(yīng)安全保護(hù)措施。

2）列車定位精度的實(shí)現(xiàn)

運(yùn)用GPS差分技術(shù)來實(shí)現(xiàn)列車控制所需的定位精度。差分導(dǎo)航定位是在相距幾十km或數(shù)百km的兩個測試點(diǎn)上各安裝一臺導(dǎo)航接收機(jī)，其中一點(diǎn)為位置已知點(diǎn)(RBC差分站)，另一點(diǎn)為位置未知點(diǎn)(運(yùn)行列車)，利用已知點(diǎn)的導(dǎo)航解和已知位置之差作為修正值，修改未知點(diǎn)的導(dǎo)航解。差分定位中的兩臺接收機(jī)是同時觀測的，且觀測的衛(wèi)星是相同的。這樣的差分解可以消除導(dǎo)航解的常量誤差。

3）車輪的直徑校準(zhǔn)

車載計(jì)算機(jī)將對安裝速度傳感器的車輪直徑進(jìn)行自動校準(zhǔn)。在對車輪進(jìn)行校準(zhǔn)之前，使用缺省值。缺省值是建立在機(jī)車類型基礎(chǔ)上的，為了保證安全，使速度傳感器產(chǎn)生偏移從而顯示大于真實(shí)速度的速度。將對兩個速度傳感器的車輪直徑進(jìn)行計(jì)算，兩個計(jì)算值的誤差應(yīng)該在真實(shí)值±0.5%的范圍之內(nèi)，例如，1 016 mm直徑的車輪允許5.08 mm的最大誤差。車輪自動校準(zhǔn)使用了定位處理函數(shù)提供的刻度因子誤差，每一刻度因子誤差均代表一個速度傳感器速度的百分比誤差，并等于車輪直徑的百分比誤差。定位處理函數(shù)定時地把刻度因子誤差傳遞給車載計(jì)算機(jī)主函數(shù)，主函數(shù)隨后根據(jù)刻度因子誤差計(jì)算更新的車輪直徑。

4）列車完整性檢查

列尾裝置 (EOT) 通過數(shù)字無線網(wǎng)絡(luò)每分鐘均向機(jī)車裝置 (HOT) 發(fā)送信息。EOT向HOT發(fā)送的信息包括風(fēng)管壓力、車尾運(yùn)動狀態(tài)、列尾GPS定位、發(fā)電機(jī)以及電池狀態(tài)等。OBC從HOT設(shè)備處得到這些信息后開始進(jìn)行列車完整性確認(rèn)工作。

當(dāng)機(jī)車無法接收到列尾數(shù)據(jù)時，機(jī)車認(rèn)為列尾丟失。在重新收到列尾數(shù)據(jù)前，機(jī)車認(rèn)為列尾停留在最后一次收到的列尾位置，所占用的分區(qū)將不會被出清。在重新收到列尾信息后，占用分區(qū)將會被自動出清。否則，通過人工確認(rèn)列車的完整性，由調(diào)度員或值班員手動出清。

4.2 擴(kuò)展靈活、適用范圍大、維護(hù)量小

由于系統(tǒng)沒有軌旁設(shè)備，僅在列車的頭部和尾部分別安裝車載計(jì)算機(jī)和列尾設(shè)備，且設(shè)備簡單，成本低，體積小。在線路運(yùn)營能力改變時擴(kuò)展非常靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)，根據(jù)線路的變化更新線路數(shù)據(jù)庫即可，GPS車載設(shè)備安裝方便快捷，這些都在車輛段完成，不干擾運(yùn)營，便于維修人員的檢修。大多數(shù)國鐵都建于地面，滿足GPS定位的基本要求，所以系統(tǒng)的適用范圍是相當(dāng)廣泛的。

5 衛(wèi)星組合定位系統(tǒng)工程應(yīng)用

目前國鐵中僅有青藏鐵路運(yùn)用衛(wèi)星來對列車進(jìn)行定位。選用該定位模式主要是沿線氣候條件惡劣，人煙稀少，生活和工作條件相當(dāng)艱苦。因此要求信號設(shè)備盡量做到高可靠、無人值守，設(shè)備和器材要求采用先進(jìn)成熟的技術(shù)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，維修量較少，具有適應(yīng)超低溫和高海拔的工作能力，具備遠(yuǎn)程診斷監(jiān)測功能，具有較少的道旁設(shè)備和較低的能耗。自2007年開通以來，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、運(yùn)營安全，滿足建設(shè)使用的需求。

6 結(jié)束語

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和全電子化計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)運(yùn)用，結(jié)合青藏鐵路衛(wèi)星定位系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用一體化的設(shè)計(jì)理念，研究設(shè)計(jì)一套集自動閉塞、車站聯(lián)鎖和列車運(yùn)行超速防護(hù)于一體的列車衛(wèi)星定位信號系統(tǒng)是今后鐵路信號設(shè)備發(fā)展的趨勢，市場應(yīng)用前景廣闊。同時，鐵路信號系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，必將對現(xiàn)場人員的工作方式、現(xiàn)存的鐵路信號產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

[1]陳建譯，陳習(xí)蓮，25 Hz相敏軌道電路技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[2]青藏線ITCS 技術(shù)規(guī)格書.

[3]蘭州大成科技股份有限公司.車站全電子計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備介紹說明書，2010.

The paper introduces the developing trend of train positioning, the principle, composition and features of the train satellite positioning system, as well as the necessity of realizing the satellite positioning system.

train positioning; track circuit; satellite positioning system

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.006

2013-12-12）