岳朝鵬 李 克 陸德彪

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070;3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081;4.北京交通大學(xué)，北京 100044)

1 京沈高鐵試驗(yàn)的必要性

中國的北斗系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS)從2011年12月開始提供區(qū)域性的導(dǎo)航定位服務(wù)，至2017年底已陸續(xù)發(fā)射25顆衛(wèi)星，BDS現(xiàn)在已經(jīng)可以在中國以及亞太地區(qū)提供定位、授時(shí)以及信息傳輸服務(wù)。

在列車的運(yùn)行過程中，列車控制功能的實(shí)現(xiàn)依賴于對(duì)列車位置速度等信息的準(zhǔn)確獲取。目前我國的高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)普遍采用地面應(yīng)答器輔助車輪傳感器實(shí)現(xiàn)列車位置信息狀態(tài)的獲取，利用軌道電路實(shí)現(xiàn)列車占用檢查，這種方式系統(tǒng)成本大，且固定閉塞分區(qū)的設(shè)置方式也制約著列車行車密度和效率。采用衛(wèi)星導(dǎo)航手段獲取列車定位信息不僅可以減少軌旁設(shè)備，有效降低建設(shè)和運(yùn)行成本，同時(shí)還能夠提高定位精度，實(shí)現(xiàn)高更新率的實(shí)時(shí)連續(xù)定位。鑒于衛(wèi)星定位技術(shù)在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的良好應(yīng)用前景，國外許多先進(jìn)列車控制系統(tǒng)對(duì)衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)展開大量的研究和試點(diǎn)應(yīng)用，例如，美國聯(lián)邦鐵路局支持開發(fā)的GPS列車定位系統(tǒng)(GPS Locomotive Location System，GLLS)， 精確列車控制(Precise Train Control，PTC)，歐盟低運(yùn)量線路的低成本高效信號(hào)系統(tǒng) (Low Cost Satellite-based Fail-safe Train Protection and Control，LOCOPROL) 項(xiàng)目以及通用電氣公司 (GE) 交通運(yùn)輸集團(tuán)推出的增強(qiáng)型列車控制系統(tǒng)(Incremental Train Control System，ITCS)等。國內(nèi)第一條基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車控制系統(tǒng)是青藏線ITCS系統(tǒng)，但采用的是GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前，中國自主可控的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在公路、航運(yùn)、海事等部門得到廣泛應(yīng)用，但在鐵路列控系統(tǒng)的應(yīng)用，尚屬空白。由于我國鐵路跨度范圍廣，列車行駛的沿線會(huì)經(jīng)過頻繁、密集的衛(wèi)星可視信號(hào)受限地區(qū)，如隧道、鐵路路塹、雨棚、有遮擋的車站等，在這些地區(qū)會(huì)出現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)衰減、失鎖、多次反射而使定位精度下降，使衛(wèi)星定位技術(shù)對(duì)于列車定位仍然具有一定的局限性。因此，隨著新時(shí)期鐵路、城市軌道等綜合鐵路應(yīng)用的迅速發(fā)展，解決受限環(huán)境下的列車連續(xù)定位問題是實(shí)現(xiàn)基于BDS的列車運(yùn)行控制的重要前提。

京沈高速鐵路試驗(yàn)環(huán)境可提供350 km/h高速條件下的多種試驗(yàn)條件，滿足衛(wèi)星定位性能完好、性能衰減和信號(hào)完全失效的各種試驗(yàn)環(huán)境需求，在這種試驗(yàn)環(huán)境下開展列車控制系統(tǒng)的列車無縫定位功能測(cè)試，可為開展基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的高速鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究提供真實(shí)有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 京沈綜合試驗(yàn)段概況

京沈客運(yùn)專線為雙線客運(yùn)專線，正線速度目標(biāo)值350 km/h，正線線間距5.0 m，最小曲線半徑7 000 m，最大坡度20‰，到發(fā)線有效長(zhǎng)度650 m。牽引供電系統(tǒng)采用AT供電方式，正線接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性鏈形懸掛。采用GSM-R無線通信系統(tǒng)，正線采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案。信號(hào)采用CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，行車指揮方式為綜合調(diào)度集中（CTC）。

根據(jù)京沈試驗(yàn)大綱要求，選取京沈客專遼寧段沈陽至朝陽北段開展高速綜合試驗(yàn)，該試驗(yàn)段于2018年3月具備聯(lián)調(diào)聯(lián)試條件。京沈客專綜合試驗(yàn)段線路長(zhǎng)度254.175 km，經(jīng)由沈陽西、新民北、黑山北、阜新、烏蘭木圖、北票、朝陽7個(gè)車站。該試驗(yàn)段最小曲線半徑8 000 m，最大曲線半徑為12 000 m，最大坡度為20‰，隧道15座，累計(jì)長(zhǎng)度約22.729 km，占試驗(yàn)段長(zhǎng)度的8.94%，其中最長(zhǎng)隧道為三棱山隧道，隧道長(zhǎng)度8.88 km。

3 京沈試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

通過京沈客運(yùn)專線試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試，對(duì)基于北斗導(dǎo)航的列車定位單元進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和性能評(píng)估，同時(shí)進(jìn)行基于北斗/慣性傳感單元/速度的傳感器等多傳感器信息融合定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)分析，對(duì)比京沈線固有應(yīng)答器數(shù)據(jù)，驗(yàn)證基于衛(wèi)星定位的多傳感器組合定位系統(tǒng)進(jìn)行高速鐵路實(shí)時(shí)位置獲取的實(shí)時(shí)精度。對(duì)基于北斗導(dǎo)航的列車控制系統(tǒng)的虛擬應(yīng)答器觸發(fā)和報(bào)文生成技術(shù)等進(jìn)行測(cè)試，并結(jié)合CTCS-3系統(tǒng)的定位和應(yīng)答器數(shù)據(jù)，驗(yàn)證采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在替代軌道電路、實(shí)體應(yīng)答器等方面的可行性。同時(shí)，測(cè)試北斗衛(wèi)星在高鐵環(huán)境下的性能；分析多傳感器組合定位的可行模式；驗(yàn)證北斗衛(wèi)星在下一代列控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)；為基于衛(wèi)星的列控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品研發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)、工程化等方面提供試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 京沈試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)京沈試驗(yàn)大綱第3.2.2.4節(jié)要求，本次試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括。

1) 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的列車控制系統(tǒng)技術(shù)試驗(yàn)

(2) 在機(jī)座壁與壓圈、壓圈與壓圈之間進(jìn)行支撐，采用100 mm×48 mm×5.3 mm槽鋼Q235-A焊接固定，并在壓圈與壓圈的支撐槽鋼下適當(dāng)位置又采用槽鋼，與機(jī)座底腳固定，這些槽鋼將機(jī)座連接成為一個(gè)整體，提高了整體剛性，有效減小了電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。

a.列車組合定位技術(shù)

列車組合定位單元性能評(píng)估;

列車組合定位故障導(dǎo)向安全評(píng)估（虛假衛(wèi)星報(bào)文注入測(cè)試）。

b.虛擬應(yīng)答器觸發(fā)及報(bào)文生成技術(shù)

虛擬應(yīng)答器觸發(fā)性能評(píng)估；

虛擬應(yīng)答器報(bào)文生成評(píng)估。

2) 基于衛(wèi)星導(dǎo)航的列車無縫定位系統(tǒng)試驗(yàn)

a.基于北斗/慣性導(dǎo)航的列車定位單元現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)；

b.多模衛(wèi)星定位系統(tǒng)（北斗/GPS/GLONASS等）的定位性能評(píng)估；

c.慣性測(cè)量單元的性能測(cè)試；

d.組合導(dǎo)航算法驗(yàn)證。

3) 基于多傳感器信息融合的列車完整性檢查現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

a.測(cè)試基于多傳感器信息融合的動(dòng)車組兩端定位性能驗(yàn)證；

b.測(cè)試動(dòng)車組兩端多傳感器定位信息獲取時(shí)效及可靠性測(cè)試。

5 京沈試驗(yàn)方案

5.1 試驗(yàn)環(huán)境架構(gòu)

本次基于北斗衛(wèi)星列控定位技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總體方案架構(gòu)如圖1所示。

圖1 京沈試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System Structure of Beijing-Shenyang Test

地面設(shè)備僅在沈陽西至阜新段由通號(hào)、鐵科、交大共同組建地面差分站子系統(tǒng)，其中差分站接口服務(wù)器由鐵科院提供。阜新至朝陽段設(shè)有獨(dú)立的北斗全域信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)，且涵蓋一處隧道，后期也可復(fù)用試驗(yàn)。

車載設(shè)備在列車兩端分別設(shè)置1套列車組合定位單元LPU子系統(tǒng)與車載監(jiān)測(cè)PC機(jī)，其中車載衛(wèi)星天線與通信天線合一。本次試驗(yàn)將配屬在兩列試驗(yàn)動(dòng)車上。

5.2 試驗(yàn)測(cè)試方法

因本次試驗(yàn)性質(zhì)屬于單車搭載試驗(yàn)，不能實(shí)施列車控制功能，故可對(duì)所有試驗(yàn)結(jié)果采取事后分析驗(yàn)證方式的策略，以較低成本投入完成技術(shù)驗(yàn)證要求。為此，在線試驗(yàn)過程主要是搜集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)確保按計(jì)劃搜集到所需的記錄數(shù)據(jù)，故涉及到以下3個(gè)階段。

1) 試驗(yàn)前準(zhǔn)備階段

a.試驗(yàn)前，完成本試驗(yàn)所需設(shè)備的安裝與調(diào)試，包括車載天線和地面差分站的安裝與調(diào)試；各家可復(fù)用車載衛(wèi)星天線和通信天線。

b.試驗(yàn)前，完成對(duì)線路數(shù)據(jù)的采集以便制作線路地理數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)采集范圍為沈陽西站、新民北站、黑山北站、阜新4個(gè)車站及部分站間區(qū)間，并重點(diǎn)測(cè)量包括信號(hào)機(jī)、道岔、應(yīng)答器和絕緣節(jié)等關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)。

2) 試驗(yàn)測(cè)試階段

a.每日上車試驗(yàn)前，應(yīng)提前一天根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃路徑及日志分析情況，選取確定當(dāng)日試驗(yàn)所采用的測(cè)試工作模式。主要包括多模衛(wèi)星無差分、單北斗無差分、多模衛(wèi)星有差分、單北斗有差分、多模慣導(dǎo)無差分、多模慣導(dǎo)有差分、單北斗慣導(dǎo)無差分、單北斗慣導(dǎo)有差分等不同組合的測(cè)試工作模式。

b.每日上車試驗(yàn)期間，測(cè)試人員必須跟蹤記錄列車實(shí)際運(yùn)行路徑、列車啟動(dòng)和停止的時(shí)刻、進(jìn)出隧道的時(shí)刻及LPU工作狀態(tài)等。

3) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析階段

a.每日需對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)完成初步篩選，確認(rèn)LPU單元記錄的數(shù)據(jù)質(zhì)量是否滿足預(yù)期要求。如沿線途中因4G公網(wǎng)質(zhì)量較差，將導(dǎo)致預(yù)置的有差分類工作模式變?yōu)闊o效等。

b.再根據(jù)預(yù)期的測(cè)試項(xiàng)目點(diǎn)，衡量評(píng)估當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)效果，并不斷改善優(yōu)化定位算法，達(dá)到最佳定位精度。

6 京沈試驗(yàn)階段總結(jié)

目前，基于北斗衛(wèi)星列控定位技術(shù)的京沈試驗(yàn)已進(jìn)入在線試驗(yàn)階段?，F(xiàn)已完成在無差分基站聯(lián)通的試驗(yàn)條件下，測(cè)試高速動(dòng)車環(huán)境捕捉衛(wèi)星顆數(shù)和沿線公網(wǎng)4G通信質(zhì)量，并基于不同衛(wèi)星組合模式及在慣導(dǎo)裝置輔助下ATO運(yùn)行條件時(shí)動(dòng)車組運(yùn)行軌跡的跟蹤描述。經(jīng)分析，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已完全覆蓋京沈試驗(yàn)段，可穩(wěn)定接收到8顆北斗衛(wèi)星信號(hào)，單北斗定位精度小于10 m。后續(xù)將繼續(xù)按計(jì)劃開展京沈現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，完成基于列控定位技術(shù)的應(yīng)用功能效果分析。