基于北斗衛星列控定位技術的京沈高鐵試驗方案

岳朝鵬 李 克 陸德彪

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070;3.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081;4.北京交通大學，北京 100044)

1 京沈高鐵試驗的必要性

中國的北斗系統(Beidou Navigation Satellite System，BDS)從2011年12月開始提供區域性的導航定位服務，至2017年底已陸續發射25顆衛星，BDS現在已經可以在中國以及亞太地區提供定位、授時以及信息傳輸服務。

在列車的運行過程中，列車控制功能的實現依賴于對列車位置速度等信息的準確獲取。目前我國的高速鐵路列車運行控制系統普遍采用地面應答器輔助車輪傳感器實現列車位置信息狀態的獲取，利用軌道電路實現列車占用檢查，這種方式系統成本大，且固定閉塞分區的設置方式也制約著列車行車密度和效率。采用衛星導航手段獲取列車定位信息不僅可以減少軌旁設備，有效降低建設和運行成本，同時還能夠提高定位精度，實現高更新率的實時連續定位。鑒于衛星定位技術在列車運行控制系統中的良好應用前景，國外許多先進列車控制系統對衛星定位技術已經展開大量的研究和試點應用，例如，美國聯邦鐵路局支持開發的GPS列車定位系統(GPS Locomotive Location System，GLLS)， 精確列車控制(Precise Train Control，PTC)，歐盟低運量線路的低成本高效信號系統 (Low Cost Satellite-based Fail-safe Train Protection and Control，LOCOPROL) 項目以及通用電氣公司 (GE) 交通運輸集團推出的增強型列車控制系統(Incremental Train Control System，ITCS)等。國內第一條基于衛星導航的列車控制系統是青藏線ITCS系統，但采用的是GPS衛星導航系統。目前，中國自主可控的北斗衛星導航系統已經在公路、航運、海事等部門得到廣泛應用，但在鐵路列控系統的應用，尚屬空白。由于我國鐵路跨度范圍廣，列車行駛的沿線會經過頻繁、密集的衛星可視信號受限地區，如隧道、鐵路路塹、雨棚、有遮擋的車站等，在這些地區會出現衛星信號衰減、失鎖、多次反射而使定位精度下降，使衛星定位技術對于列車定位仍然具有一定的局限性。因此，隨著新時期鐵路、城市軌道等綜合鐵路應用的迅速發展，解決受限環境下的列車連續定位問題是實現基于BDS的列車運行控制的重要前提。

京沈高速鐵路試驗環境可提供350 km/h高速條件下的多種試驗條件，滿足衛星定位性能完好、性能衰減和信號完全失效的各種試驗環境需求，在這種試驗環境下開展列車控制系統的列車無縫定位功能測試，可為開展基于北斗衛星定位技術的高速鐵路列車運行控制系統的研究提供真實有效的數據基礎。

2 京沈綜合試驗段概況

京沈客運專線為雙線客運專線，正線速度目標值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‰，到發線有效長度650 m。牽引供電系統采用AT供電方式，正線接觸網采用全補償彈性鏈形懸掛。采用GSM-R無線通信系統，正線采用單網交織冗余覆蓋方案。信號采用CTCS-3級列車運行控制系統，行車指揮方式為綜合調度集中（CTC）。

根據京沈試驗大綱要求，選取京沈客專遼寧段沈陽至朝陽北段開展高速綜合試驗，該試驗段于2018年3月具備聯調聯試條件。京沈客專綜合試驗段線路長度254.175 km，經由沈陽西、新民北、黑山北、阜新、烏蘭木圖、北票、朝陽7個車站。該試驗段最小曲線半徑8 000 m，最大曲線半徑為12 000 m，最大坡度為20‰，隧道15座，累計長度約22.729 km，占試驗段長度的8.94%，其中最長隧道為三棱山隧道，隧道長度8.88 km。

3 京沈試驗目的

通過京沈客運專線試驗段現場實車測試，對基于北斗導航的列車定位單元進行現場測試和性能評估，同時進行基于北斗/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的數據采集和試驗分析，對比京沈線固有應答器數據，驗證基于衛星定位的多傳感器組合定位系統進行高速鐵路實時位置獲取的實時精度。對基于北斗導航的列車控制系統的虛擬應答器觸發和報文生成技術等進行測試，并結合CTCS-3系統的定位和應答器數據，驗證采用北斗衛星導航系統在替代軌道電路、實體應答器等方面的可行性。同時，測試北斗衛星在高鐵環境下的性能；分析多傳感器組合定位的可行模式；驗證北斗衛星在下一代列控系統中的關鍵技術；為基于衛星的列控系統設計、產品研發、關鍵技術、工程化等方面提供試驗驗證。

4 京沈試驗內容

根據京沈試驗大綱第3.2.2.4節要求，本次試驗的主要內容包括。

1) 基于北斗衛星導航的列車控制系統技術試驗

(2) 在機座壁與壓圈、壓圈與壓圈之間進行支撐，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位置又采用槽鋼，與機座底腳固定，這些槽鋼將機座連接成為一個整體，提高了整體剛性，有效減小了電動機的振動。

a.列車組合定位技術

列車組合定位單元性能評估;

列車組合定位故障導向安全評估（虛假衛星報文注入測試）。

b.虛擬應答器觸發及報文生成技術

虛擬應答器觸發性能評估；

虛擬應答器報文生成評估。

2) 基于衛星導航的列車無縫定位系統試驗

a.基于北斗/慣性導航的列車定位單元現場測試實驗；

b.多模衛星定位系統（北斗/GPS/GLONASS等）的定位性能評估；

c.慣性測量單元的性能測試；

d.組合導航算法驗證。

3) 基于多傳感器信息融合的列車完整性檢查現場測試

a.測試基于多傳感器信息融合的動車組兩端定位性能驗證；

b.測試動車組兩端多傳感器定位信息獲取時效及可靠性測試。

5 京沈試驗方案

5.1 試驗環境架構

本次基于北斗衛星列控定位技術的現場試驗總體方案架構如圖1所示。

圖1 京沈試驗系統結構Fig.1 System Structure of Beijing-Shenyang Test

地面設備僅在沈陽西至阜新段由通號、鐵科、交大共同組建地面差分站子系統，其中差分站接口服務器由鐵科院提供。阜新至朝陽段設有獨立的北斗全域信號增強系統，且涵蓋一處隧道，后期也可復用試驗。

車載設備在列車兩端分別設置1套列車組合定位單元LPU子系統與車載監測PC機，其中車載衛星天線與通信天線合一。本次試驗將配屬在兩列試驗動車上。

5.2 試驗測試方法

因本次試驗性質屬于單車搭載試驗，不能實施列車控制功能，故可對所有試驗結果采取事后分析驗證方式的策略，以較低成本投入完成技術驗證要求。為此，在線試驗過程主要是搜集試驗數據，重點確保按計劃搜集到所需的記錄數據，故涉及到以下3個階段。

1) 試驗前準備階段

a.試驗前，完成本試驗所需設備的安裝與調試，包括車載天線和地面差分站的安裝與調試；各家可復用車載衛星天線和通信天線。

b.試驗前，完成對線路數據的采集以便制作線路地理數據庫，數據采集范圍為沈陽西站、新民北站、黑山北站、阜新4個車站及部分站間區間，并重點測量包括信號機、道岔、應答器和絕緣節等關鍵點坐標。

2) 試驗測試階段

a.每日上車試驗前，應提前一天根據列車運行計劃路徑及日志分析情況，選取確定當日試驗所采用的測試工作模式。主要包括多模衛星無差分、單北斗無差分、多模衛星有差分、單北斗有差分、多模慣導無差分、多模慣導有差分、單北斗慣導無差分、單北斗慣導有差分等不同組合的測試工作模式。

b.每日上車試驗期間，測試人員必須跟蹤記錄列車實際運行路徑、列車啟動和停止的時刻、進出隧道的時刻及LPU工作狀態等。

3) 試驗數據分析階段

a.每日需對試驗數據完成初步篩選，確認LPU單元記錄的數據質量是否滿足預期要求。如沿線途中因4G公網質量較差，將導致預置的有差分類工作模式變為無效等。

b.再根據預期的測試項目點，衡量評估當前測試數據效果，并不斷改善優化定位算法，達到最佳定位精度。

6 京沈試驗階段總結

目前，基于北斗衛星列控定位技術的京沈試驗已進入在線試驗階段。現已完成在無差分基站聯通的試驗條件下，測試高速動車環境捕捉衛星顆數和沿線公網4G通信質量，并基于不同衛星組合模式及在慣導裝置輔助下ATO運行條件時動車組運行軌跡的跟蹤描述。經分析，北斗衛星導航系統已完全覆蓋京沈試驗段，可穩定接收到8顆北斗衛星信號，單北斗定位精度小于10 m。后續將繼續按計劃開展京沈現場試驗，完成基于列控定位技術的應用功能效果分析。