基于衛星導航的列車組合定位技術研究進展

沙聰雪

摘 要：為探討如何提高列車測速定位的精度與可靠性，本文對近年來軌道交通領域基于衛星導航的列車組合定位技術的研究進展進行了說明。本文首先闡述了列車組合定位技術的基本原理和常規系統構造，然后將各國在列車組合定位技術方面的發展歷程及研究成果進行了比對分析，并著重對我國的研究現狀進行了分析探討，以期為促進我國軌道交通事業的發展提供一定參考。

關鍵詞：衛星導航；列車；組合定位；軌道交通

中圖分類號：U284 文獻標志碼：A

0 引言

在當今的城市交通系統、區域綜合交通系統和國家綜合交通運輸體系中，軌道交通系統都發揮著重要的骨干作用。由于軌道交通系統具有運量大、占地少、單位運量能耗小、污染小和安全等諸多優點，目前世界各國均將軌道交通的建設作為其綜合交通系統建設中的重點。

列車測速定位技術是列車運行自動控制系統的關鍵技術之一，目前常用的列車定位方式有：基于軌道電路的列車定位、基于查詢/應答器的列車定位以及基于衛星系統的列車定位等。其中基于軌道電路的列車定位方法其定位精度較低；基于應答器的列車定位方法成本高、維護不易；基于衛星系統的列車定位當列車進入隧道、山區、森林等地時信號易被遮擋而無法定位，并且在并行線路上易發生認錯股道的現象。因此，如何進一步提高列車測速定位的精度和可靠度，成為國內外軌道交通領域的重點研究課題，也是擺在我國鐵路發展面前的一項重要任務。

基于衛星導航的列車組合定位技術利用各個定位方式的優勢進行互補，根據不同的環境和條件選擇適當的組合方案和信息融合算法，可大大提高列車定位的精度和可靠度。本文分析了近年來基于衛星導航的列車組合定位技術的研究現狀和發展趨勢，旨在為研究列車定位技術提供一定的理論參考和方式借鑒。

1 基于衛星導航的列車組合定位技術研究

基于衛星導航的列車組合定位技術將GPS接收機、里程計等車載定位設備提供的多個定位信息數據基于Kalman濾波等方式進行融合，以獲取列車位置、速度等運行狀態參量，可有效提高對列車跟蹤或狀態估計的精度。

1.1 定位方式

基于衛星導航的列車組合定位技術的定位方式主要包括：（1）GPS/北斗/GSM/CDMA的無線組合定位；（2）GPS和車載多傳感器的組合定位；（3）GPS和軌旁設備（應答器/軌道電路/感應線圈）的組合定位。

GPS/北斗/GSM/CDMA的無線組合定位是利用多種無線定位手段組合，提高定位精度。如武漢中國光谷信息產業股份有限公司研發的車載GPS+CDMA復合定位終端，其以GIS平臺為基礎，以GPS、GPSOne、CDMA定位方法為核心，使得移動終端獲取與當前位置相關的信息。系統同時從GPS衛星和CDMA 1X網絡收集測量數據，然后通過組合這些數據生成精確的三維定位。

GPS和車載多傳感器的組合定位是最常用的組合定位方式，其中車載多傳感器一般選用加速度計、陀螺儀、速度計等。如美國Sandor Wayne Shapery研發的一種列車在線定位系統，系統采用慣性器件作為基本定位傳感器，GPS用于對慣性定位誤差進行離散校正，并對慣性器件定位結果的誤差及不確定性進行約束。

GPS和軌旁設備組合定位是在GPS信號未覆蓋區域設置軌旁設備輔助定位，以實現GPS覆蓋區和非覆蓋區的無縫連續定位。如日本信號公司研發的一種車載系統，相關專利JP特開2009—298309A，其利用GPS進行定位，并通過讀取地面應答器信息輔助列車定位。

1.2 系統構成

基于衛星導航的列車組合定位系統一般包括4部分：（1）輸入層；（2）故障檢測與隔離層；（3）數據融合層；（4）輸出層。輸入層采用GPS接收機、慣性測量單元等組成數據通道，完成數據采集輸入并實現測量冗余。故障檢測與隔離層對各個定位通道的傳感器數據進行故障檢測，一旦檢測到故障后，立即采用相應隔離策略進行故障隔離，保證組合定位的有效性和可靠性。數據融合層根據系統需求采用一定的數據融合算法對不同數據通道的定位信息進行融合計算，給出最準確的定位輸出信息。輸出層則利用數字軌道地圖進行比較，給出地圖匹配后的最后定位輸出信息。

2 基于衛星導航的列車組合定位技術的應用

在20世紀90年代中期國內外專家對80年代開發的ATCS系統列控功能的不足進行了補充完善，采用無線網絡和衛星定位技術確定列車相對于軌旁設備的位置，降低了建設成本和維護費用，自此國內外專家學者開始對低成本的GPS列車組合定位技術進行深入研究，以提高GPS定位的準確性。2003年5月起，國內外學者研究將粗大誤差檢測、平滑等方法用于GPS數據處理，并成功應用于WCRM（West Coast Route Modernization Program）項目，經過十幾年的發展，GPS列車組合定位技術邁入了新的階段。

2.1 各國研究狀況簡析

基于衛星導航的列車組合定位技術主要集中在日本、中國、美國等國家，日本居于首位，這主要和日本的國情有關，日本土地資源匱乏，人口密度較大，而軌道交通具備運送量大、快速、低能耗和污染小等優點，可以緩解日本城市交通壓力和解決能源、污染等問題。因此，日本對軌道交通的建設和完善較為重視。

日本從1993年便開始了衛星導航的列車組合定位技術的相關研究，但是因為該階段日本的國內經濟不夠景氣研究成果較少。自2002年以來，日本掙脫了長期蕭條步入復蘇階段，在列車組合定位技術方面的研究也逐漸起步，其中三菱電機公司、大同信號公司、日立電子公司、日本信號公司等成果顯著，成了日本軌道交通技術領域的重要企業，它們申請的專利主要涉及基于GPS的多傳感器數據融合定位等。

GPS技術起源于美國，因此，在GPS列車組合定位這一領域美國的申請量自然是名列前茅。不過美國交通較依賴于小型車輛，對軌道交通的需求較之日本、中國并沒有那么強烈，美國在技術發展初期相關專利申請較多，技術發展一段時間后專利申請較少。美國GEN通用公司掌握這一領域的重要技術和專利，其開發了基于GPS定位和鐵路綜合數字移動通信系統GSM-R的增強型列車控制系統ITCS，實現了列車運行控制。

我國土地廣闊，人口密度大，軌道交通建設是我國經濟建設的重要領域。下面對我國在基于衛星導航的列車組合定位技術方面的研究現狀進行簡析。

2.2 我國的研究現狀

國內對衛星導航定位技術研究起步相對較晚，我國早期建設的鐵路甚至沒有衛星定位所需的數字地圖。國務院2004年1月通過了《中長期鐵路網規劃》，確定了我國鐵路的發展目標，2004年以后相關專利申請量開始有了逐步提升，在國家基金項目的扶持下，我國完善了軌道數字地圖，將衛星導航組合定位技術結合到我國的CTCS系列通信列車上，并在組合定位的算法融合、數據處理等方面提出了很多創新性的技術方案。

在國內各研究機構中北京交通大學在列車組合定位技術方面成果顯著，北京交通大學依托鐵道部科技開發計劃等國家基金項目，人才、技術和資金等各方面資源都很充足，其中北京交通大學的王劍、蔡伯根等帶領的學術團隊，在GPS組合定位系統設計、組合定位深耦合定位算法研究方面都提出了很多創新性的思路。除此以外，西安交通大學、蘭州交通大學以及南京理工大學等以各自的強勢學科為依托，以系統硬件布置和算法設計為切入口，整合控制技術和數據處理等技術，也獲得了相應技術分支的研究成果。株洲南車等國內企業則更注重將理論與技術應用到實際的產品中，取得了良好的經濟和社會效益。

2.3 基于衛星導航的列車組合定位技術發展路線

基于衛星導航的列車組合定位技術最初采用速度計與GPS進行切換方式的簡單組合，例如1996年的日本專利JP特開平8-86853A、1999年的美國專利US6377215B1。或者是為了彌補GPS信號易被遮擋等缺陷，在GPS信號非覆蓋區域設置應答器等軌旁設備，如2000年日本專利JP特開2000-229571A。而后逐漸發展到多傳感器與GPS的信息融合式組合定位，例如2004年美國專利US2004/0140405A1、2005年美國專利US2005/0065726A1。為了更精確地定位出列車所在的軌道區段，以降低軌道電路等軌旁設備的建設成本，專家們對定位數據與數字軌道地圖的匹配作了進一步研究，例如2009年專利CN101357644A、專利CN101357643A，2010年日本專利JP特開2010-234979A，2012年美國專利US8688297B2。隨著北斗等衛星導航系統的逐漸完善，專家學者們對比分析各個衛星系統定位的差異性，提出了GPS/北斗/GSM/CDMA無線組合定位方式，例如2005年國內專利CN1632611A、2015年國內專利CN104933845A、2017年國內專利CN107662624A。

結語

在經歷了從20世紀90年代起從無到有、從萌芽到飛速發展的階段之后，基于衛星導航的列車組合定位技術逐漸成熟，而且在發展早期，一些跨國企業諸如通用、西門子等走在了技術前列，它們的不少相關專利申請為該領域奠定了最初的技術基礎，且技術創新水平較高。與此同時，國內的應用技術研究近幾年正如火如荼地進行著，相關專利申請數量也在近些年呈現出較快的增長態勢。

基于衛星系統的列車組合定位能夠有效提高運輸效率、降低運營和維護成本，為我國大量存在的低密度線路提供有效的系統方案。經過十余年的努力，我國在軌道交通技術方面已經做出了巨大的努力并取得了一定成績，雖然與國外相比還存在著一定的差距，但是只要在學習國外先進技術的基礎上不斷堅持創新技術的開發，中國在未來的鐵路交通技術領域必將占據重要地位。

參考文獻

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