卫星定位技术在铁路下一代列控系统中的应用     DATE: 2017-05-24 11:05

1 概述

基于增强安全、提高效率和降低成本的考虑,美国、欧盟、日本和中国国内先后启动了下一代列控系统的研究,已经研究或开始部署的系统有:欧洲下一代列车控制系统(NGTC)、美国主动列车控制系统(PTC)和日本先进列车管理和通信系统(ATACS)。其中,欧洲列车控制系统(ETCS)和主动列车控制系统(PTC)都计划采用卫星定位技术。在高密度的列控系统上,ETCS使用卫星定位作为增强型的里程计,PTC则完全依靠其定位。在低密度列控系统上,特别是郊区,成本要求系统可用性相对要高的线路,卫星定位技术已是列控系统的主要支撑。伴随着卫星定位技术的发展,国外各主流列控供应商也纷纷开展了采用卫星定位技术的列控系统或项目。

2 国外研究和应用情况

通过收集、整理,国外各主流列控供应商都在对卫星定位技术在列控系统上的使用有所研究,但程度不一。其中,已经有应用业绩的系统有美国通用电气公司的ITCS系统,正在推广的系统有法国阿尔斯通的ATLAS400系统,处于研究阶段的项目有德国西门子公司参与的railGATE项目和意大利安萨尔多公司参与的3INSAT项目。

2.1 美国通用电气公司

美国通用电气公司开发并应用了增量列车控制系统(Incremental Train Control System,简称ITCS)系统,这是一套故障安全型的PTC系统,符合美国联邦铁路局(FRA)关于PTC系统的强制要求。ITCS于1995年开发,最初设计时速180 km(110英里),1998年在底特律和芝加哥之间的密歇根走廊线试运行,2000年投入商业运营,2006年,该系统在青藏铁路开通运营。该系统使用卫星定位技术,通过虚拟应答 器方式,实现列车定位,闭塞方式基于虚拟轨道区段划分。其系统框架如图1所示。

 
美国通用列控系统

2.2 法国阿尔斯通公司

法国阿尔斯通公司现已被美国通用电气公司收购,专注于轨道交通领域,目前主推的系统为ATLAS系统,这是基于欧洲铁路运输管理系统(ERTMS)的全套解决方案,其中适用于低密度运量的解决方案ATLAS400在原有的ATLAS200系统上进行开发,取消了轨道电路、计轴和信号机,列车定位采用卫星定位技术,以降低对应答器的依赖,从而可降低12%~16%的建设成本和30%的维护成本。采用移动闭塞方式,车地通信方式可以采用GSM-R或TETRA。

2.3 德国西门子公司

德国西门子公司参与德国亚琛工业大学发起的railGATE项目,该项目于2014年开展,在欧洲的伽利略卫星导航系统具备完全能力之前对其测试,未来可承担测试和认证服务。测试地点位于西门子在Wegberg-Wildenrath (PCW)(亚琛北部50 km附近)的测试和验证中心,该中心有28 km左右的线路,含米轨和标准轨,可测试各种车型,现场安装有一个控制中心,无线通信网络以及8根50 m左右的高杆,每个高杆上安装有伪卫星,用来模拟卫星信号,实现独立和反复测试。现场布置如图2所示,测试环境构成如图3所示。
西门子列控系统
2.4 意大利安萨尔多公司

安萨尔多公司主要参与欧洲航天局(ESA)的列车集成卫星系统(3INSAT)项目,该项目主要是开发和验证基于卫星定位技术,符合安全完整度等级4(SIL4)要求和ERTMS标准的列车定位子系统,车地通信使用卫星通信、2G/3G公网通信等多种通信手段。验证环境位于意大利撒丁岛一个有50 km线路的测试集体。项目整体基于安萨尔多公司的ERTMS系统,参考框架如图4所示。
列控系统

目前,3个主要子系统——列车定位子系统(LDS)、地面通信子系统(Vodafone M2M)和卫星通信子系统(Inmarsat宽带全球区域网)的部署验收测试已经完成(SDA)。2014年,完成了在撒丁岛卡利亚里奥尔比亚线上的车地通信系统(包括地面和卫星)测试,这两种通信方式均采用IP化的EURO RADIO协议,性能分析显示符合低密度线路要求。卫星定位地面增强设备和车载设备均已安装,车载子系统以影子模式(工作,但不参与控制)参与载客运营,后续将考虑包括Satcom+2G/3G+TETRA+MAR在内的整体集成。

3 应用情况分析

北美,特别是美国与欧洲设计理念不一致——在欧洲,强制移动授权依靠的是低危险侧输出设备;而在美国,安全运输的责任更多定位在调度和司机上。这两种设计理念导致了在卫星定位技术、列车完整性、列尾装置以及道岔位置结合定位应用上的差别的。

但是,不论是ITCS系统,还是ATLAS400系统,卫星定位单元都已经作为列车定位技术的核心,但是现有的卫星定位应用到列控系统,特别是下一代列控系统时,都面临以下3个问题:

1)取消计轴、轨道电路等轨旁设备后,一旦系统或者单列车的车地通信中断,如何让系统重新恢复运营,或者在故障车与非故障车的混合模式下运营的问题;

2)在卫星能见度低的区域(如隧道)、多径反射严重区域(如城市高楼区)以及电磁干扰严重区域,卫星信号接收不良时的定位问题;

3)高精度定位区域,如道岔区段、站台精确停车时,由于卫星定位技术的固有定位误差,如何进行精确位置修正的问题。

4 建议的解决方案

针对上述问题的潜在解决方案,目前欧洲和北美各大厂商都已经或者正在寻求相关专利保护,比如西门子获取了基于卫星定位技术获得列车完整性的专利、三菱电气获取了GPS、测速电机加电子地图组合定位及相关算法专利、庞巴迪获取的电涡流传感器。结合国内北斗卫星定位系统的特点,建议从以下几个方面加以克服,形成具有中国自有标准的卫星定位技术。

1)车地通信故障恢复和混合运营问题

目前,城市轨道交通CBTC的思路是采用计轴系统进行后备。在下一代列控系统上,既有线路,可以参照CBTC的方式,使用轨道电路系统作为后备;而新线路上,如果不考虑CTCS-3降级后备,可以参考3INSAT项目的方案,采用GSM-R为主,辅助公网通信、卫星通信为备用的混合通信网络。特别是北斗卫星导航系统支持短报文通信技术,不需要额外引入卫星通信系统,完全可以作为后备车地通信手段,实现故障情况下车地通信应急恢复,无缝支持混合运营模式。而且未来中国的数据采集卫星(DCSS)技术验证系统全面铺开后,通信能力将不再局限于短报文,带宽和速率将获得进一步增强。

2)卫星信号接收不良问题

针对该问题,主要有以下3种方式进行补偿:一是采用多星座系统,同时接收北斗一代、北斗二代、GPS和GLONASS系统;二是参考railGATE项目的伪卫星部署思路,部署自有的伪卫星星座进行补偿;三是在有漏缆覆盖的区域,采用基于漏缆的监测定位技术。这三种技术各有利弊,第一种成本最优,但是容易被采用诱导降级模式予以攻击;第二种适应范围广,但是无法克服电磁干扰问题;第三种成本较高,不适应新建线路非隧道区域的部署。后续需要进行量化的对比分析后,综合考虑。

3)高精度定位区域卫星定位修正问题

针对该问题,欧洲在电涡流传感技术上开展了大量研究工作。站内精确停车方面,城市轨道交通的CBTC系统采用测试电机、雷达结合应答器连续校准技术。道岔区段上,北美采用结合道岔位置表示进行组合判断。这部分都可以作为国内下一代列控系统的参考方向。从既有技术、成本和维护角度比较,既有CTCS-3线路上采用CBTC系统类似技术进行高精度定位相对较优,新建线路上,如没有CTCS-3降级后备,需要进一步量化对比分析。

总之,随着卫星定位技术的进一步发展及沉淀,卫星定位的精度和可靠性会越来越高,与下一代列控系统对于定位要求的差距会不断缩小。通过探讨卫星定位技术在铁路下一代列控系统中的应用,特别是针对性地分析卫星定位技术应用面临的3个主要问题,充分发挥中国自主卫星导航系统的特点,利用北斗的短报文通信功能构建车地应急通信网络,利用北斗二代与北斗一代两套系统构成自主双星座定位等,将有助于打破国外的专利保护壁垒,建立并形成具有中国特色的下一代列控系统卫星定位技术标准。

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