衛星導航在鐵路列控系統中的應用評價研究

賈云光

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

近年來，鐵路快速發展，世界各國興起了新一輪鐵路建設高潮，信號系統作為確保鐵路安全的重要產品迎來了新的機遇和挑戰，以衛星定位技術為代表的新一代列控技術逐步顯現。

1.1 列控系統既有定位系統

當前為鐵路列控系統提供測速測距服務的是一套組合的多維的測速測距系統，包含了速度傳感器、測速雷達、加速度傳感器、應答器、軌道電路、計軸器等[1-2]，通過以上幾種的組合為列控車載系統提供高安全測速測距功能，保障了列車的安全。

目前，列控系統應用中，任何一種單一的傳感器都無法滿足當前列控系統中安全測速測距的實現，因此造成鐵路列控系統測速測距成本代價高昂。

為此，基于衛星定位的車載定位測速測距技術在歐洲、美國、俄羅斯等地區與國家已經進行了大量的研究、試驗，并已經成功投入商業運用，形成了一系列經驗，但對于列控測速測距的安全應用缺乏一套完整的評價體系。

1.2 衛星定位系統在列控系統中的角色定位

衛星定位技術主要是提供地面交通運輸、海洋漁業等地面設備定位的裝備[3]，對于鐵路列控系統，其中一項核心的功能便是獲得安全、精確的列車位置，為列車提供安全的控制基礎，如圖1 所示。

圖1 衛星定位導航系統與列控定位系統的關系Fig.1 Relationship between satellite positioning navigation system and train control positioning system

既有列車定位技術能夠為列控系統提供安全可靠的定位技術，并滿足SIL4 的要求。北斗衛星定位系統引入列控系統無疑能給列車定位帶來新的選擇，并具備一系列優點。但也存在一系列限制因素，這些因素制約了衛星定位技術在列控系統的應用。目前針對衛星是否適合列控系統，一直沒有明確應用評價體系來評估某條線路的列控系統是否適用衛星定位系統。

就鐵路列控系統而言，有一系列的標準和指標來衡量其能否進行安全應用。但在北斗衛星定位領域、也有一系列的指標來衡量其自身的性能。但是這兩者之間是否存在差異，指標是否能夠匹配鐵路列控系統需要進行探討。

本文通過結合衛星定位的特點、列控系統定位的要求以及用戶要求等，分析衛星定位系統在列控系統中的適用性以及如何進行評價。

1.3 鐵路測速測距裝備與衛星定位差異概述

任何測速測距子系統都不能100%保障列車定位的安全性和可靠性，列控測速測距子系統也是如此。為保證列控安全，列控測速測距要求獲得SIL4[4]的安全性，SIL4 級實際上表示定位性能不滿足的概率在10-9～10-8之間。基于概率基礎上的統計，衛星定位來評估其定位的精度，因此衛星定位可以用于列控車載設備的SIL 等級計算。但是兩者由于原理的不同帶來不同的應用條件，只有充分評估相關的應用條件，才能充分確定衛星定位在列控系統中的應用,如表1 所示。

表1 衛星定位與列控其他測速定位的對比Tab.1 Comparisons between satellite positioning and other speed measurement of train control

從表1 對比可以看出，速度傳感器、雷達、應答器3 種定位設備均存在無法解決的影響定位精度和誤差的問題。但均通過一定方法獲得了最大安全閾值，保證定位的安全。但這種定位閾值也是依賴于外部條件的，例如，雷達也依賴軌道條件、天氣因素等。

衛星定位系統應用于列車定位也存在上述問題，但衛星定位的最大問題在于鐵路環境的復雜性，其中最主要的是在長大隧道情況下，無法收到衛星信號，即無法提供定位服務，這與其他3 種測速測距裝置存在最大的不同。

2 衛星定位的特點及用戶指標的提出

2.1 線路環境適用性指標

衛星定位系統一般由3 部分組成：空間部分、地面部分和用戶部分。空間部分指天空運行的衛星；地面部分主要用于對天空運行的衛星進行監控和信息注入；用戶部分主要是指為用戶提供定位信息的接收機等設備。空間部分以及地面部分一般由國家投入建設與運營，并向公眾開發信息，用戶部分主要面向各種不同的用戶[5]。

因此，衛星定位系統對于一般用戶來說，空間部分、地面部分是不需要用戶投入成本的，用戶只需要關注接收機或者建設差分基站的成本，這就為衛星定位在列控系統的應用方面提供了成本的優勢。

由于衛星定位是靠地面接收機捕獲衛星發射的信號產生定位的，這為衛星定位的使用帶來限制條件，衛星定位系統天空發射的頻率主要 1.2 ～2.5 GHz 之間，該頻率的信號容易形成反射、對遮擋較為敏感，在遮擋區域，用戶設備基本失去定位功能，對于用戶來講主要影響定位的限制性因素有如下幾方面[6]。

1）天氣因素:電離層延時；對流層延時。

2）地形因素:隧道因素、多山、森林。

鑒于此，對于鐵路列控系統在應用衛星定位系統來說，就產生了第一個指標，將之概括為：線路環境適應性評價指標，該指標用于評估線路是否適合應用衛星定位系統。

線路環境適應指標之所以重要是因為它決定衛星定位系統在鐵路列控系統應用前提條件，例如，在全是隧道的鐵路條件下，衛星定位系統就失去應用的價值。在應用該指標時，定義如下兩個參數作為評估具體值。

其中， Tshaded為列車通過時遮擋的時間， Lshaded為線路最大遮擋物的長度， sshaded為列車通過遮擋物時列車所運行的速度。

Rshaded為線路的遮擋百分比， Lm為線路遮擋總長度， L 為線路總長度。

單體物理遮擋率的閾值根據線路閉塞方式、系統參數來確定，線路遮擋率通過線路測試確定，閾值一般不能超過40%，需要根據用戶要求的性能確定。

2.2 線路定位精度指標

從用戶的角度來將，除了線路環境適應性指標外，更希望關心定位的準確性，希望在使用衛星定位系統后，其定位準確性能夠滿足用戶的需求。從定位準確性的角度來說，脫離用戶的實際需求是沒有意義的，因此本指標是在用戶的需求的背景下提出的，如果用戶在實際應用中對定位準確性要求特別高，那么定位對環境的要求就會急劇提高，對定位的安全性、可靠性要求也急劇提高。

因此，使用線路定位精度指標來表述線路定位精度指標，與評估衛星定位的指標相似，本指標應有使用根據線路的運營間隔、疏密等合理提出對定位精度的要求，從而確立對衛星定位系統的應用評價，對于不符合線路定位需求的衛星定位設備，則不宜采用。

線路定位精度指標從用戶實際應用來說，主要有兩個方面的指標：定位準確性和定位一致性。

定位準確性，是用戶要求設備定位與實際測量的線路的偏差限于一定的限制值，其可以用公式（3）表示。

根據當前鐵路建設兩條并行鐵軌之間的最小間距要求，一般不應該超過4 m，因此，有Δε＜4。

其 中， D2(LonS, Lats, Alts) 為 真 實 點 坐 標， D1(Lon1, Lat1, Alt1)為測量點坐標。

定位一致性，是用戶要求定位設備自定位點連續定位所的點與測量的偏差的一致性。數學上，方差用于衡量隨機變量或一組數據的離散程度，因此可以用方差指標來評估一致性。一致性越好，說明測量點一定時間內落入Δε 為圓的范圍內的測量點數越高，也說明其可靠性和安全越好。因此精度一致性也用圓概率，標準方差來衡量。比如，精度為1.5 m 的接收機，其精度1.5 m 一般是指的是1 σ標準差標準條件下的概率。

3 鐵路RAMS評價與衛星定位指標性應用評價形成

鐵路列控系統應遵循“故障―安全”理念，采用RAMS 評估體系[7]，列控車載系統需要符合如下要求[8]：

1） 車載設備的設計、 實現過程應符合EN50126、EN50128、EN50129 以 及TB/T2615-94 的相關要求；

2） 車載設備平均無故障時間（MTBF）應大于或者等于105；

3） 車載設備的安全完整性等級應達到SIL4 級的要求。

衛星定位系統，圍繞精度指標，提出連續性、可用性、可維護性、完好性四大指標，這四項指標與鐵路RAMS 存在不一致，因此需要分析鐵路RAMS 與衛星定位指標性的差異。

3.1 RAMS與衛星定位指標的差異分析

北斗衛星導航系統引入列控系統中，將為列控系統提供定位服務，因此必須滿足列控系統對于定位子系統的安全與性能要求，并滿足故障導向安全原則。為實現以上目的，需要對比兩者之前的差異。

3.1.1 安全完整性與完好性

既有列控系統的測速測距子系統，通過置信區間的概念實現對源自諸如速度傳感器、雷達、應答器等設備引入的誤差進行安全評估，置信區間是一個范圍值，但該范圍的安全等級要求應滿足SIL4 級，即測速測距結果超出該置信區間范圍導致不安全的概率在10-8～10-9之間，由此可見，既有測速測距系統的安全性評估指標本質上也是一種概率事件。

在衛星定位導航系統中，精度是通過對定位點統計得出的，通過引入圓概率或者均方根值對精度進行評估。RMS 是1 σ 標準差，概率為67%，顯然1 σ 無法滿足應用要求，因此需要擴大概率范圍，假設為6 σ，計算如下。

P{－6＜X＜6}=2φ(6)－1=2×NORM.S.DIST (6,TRUE)－1=0.999 999 998。

不符合率=1－0.999 999 998=0.000 000 002= 2×10-9。

在7 σ 的情況下：

P{－7＜X＜7}=2φ(7)－1=2×NORM.S.DIST (7,TRUE)－1=0.999 999 999 997 440。

不符合率=1－0.999 999 999 997 440=0.000 000 000 002 560=2.56×10-12。

從概率這個概念來說，衛星定位的精度和列控置信區間具有相通性，因此，只要北斗精度概率滿足一定的概率要求，可以作為參與列控車載的置信區間計算和THR 指標分配的。

3.1.2 連續性與可靠性

當前國內高鐵列控系統要求的平均無故障時間MTBF 一般為大于或等于105h。這里的MTBF 是指的車設備連續工作不發生故障的概率，對于車載測速測距置信區間，其不超出置信區間連續工作時間： MTBF≥105h。

衛星導航系統的連續性是指衛星導航系統性能不滿足用戶使用性能的概率；因此，連續性評估的指標則為：那么不發生故障的概率為衛星導航系統的連續性指的是精度（準確性）和完好性同時滿足時的連續性。

綜上，北斗衛星定位連續性與車載設備的可靠性概念具有相同性，滿足連續性的北斗定位系統在達到車載可靠性等級的情況下可以用于列控車載設備。但由于北斗衛星定位的連續性涉及到空間、地面設備，對于安全用戶來說，不受控制的因素較多。因此，提高北斗衛星空間信號的連續性是列控車載設備使用需要考慮的問題。

3.1.3 可用性的比較

可用性是評價導航系統為運載體提供可用導航服務的時間百分比。與連續性的區別在于考慮了導航系統故障時狀態，即平均恢復時間：MTTR。

在鐵路RAMS 系統，也存在相應的指標來評估鐵路列控產品的可用性。

由于長大隧道等對衛星定位造成的可用性也屬于衛星定位可用的要素，但此處將該要素歸于線路環境適用性指標評價，其余關于衛星定位設備的可用性問題就與鐵路列控產品可用性問題取得一致，即用MTTR 來評估衛星定位設備在鐵路列控系統的可用性問題。

3.1.4 可維護性的比較

對于衛星定位系統，由于其空間部分由相關國家建設運行和維護，因此，這部分不存在維護性問題，與用戶相關的就是接收機部分的可維護性問題。

由于接收機可安裝于列車上，因此其可以用鐵路RAMS 指標進行評價和評估，其差異性也不存在問題。

綜上，鐵路RAMS 指標與衛星定位導航系統的指標存在內在聯系，并可以作為技術性指標評估衛星定位在列控系統中的應用，但在應用時，需要注意內在的聯系和轉換。

4 衛星定位應用經濟性評價

衛星定位系統應用于鐵路列控車載設備最終目的，是降低列控系統定位成本，在滿足定位要求的前提下降低設備維護成本。

評價衛星定位系統引入列控系統成本是否降低，最直接就是與現有的列控定位系統作比較。

現在有列控系統定位系統主要如下。

1） 速度傳感器

速度傳感器主要安裝車輛輪軸上實現對列車速度的測量。

2） 雷達

雷達主要安裝在列車底部實現對列車速度的測量。

3） 軌道電路

軌道電路主要實現對列車的占用檢查，主要由軌道電路的地面設備和車載接收裝置組成。

4） 應答器定位系統

應答器定位系統主要在鐵路沿線布置精確定位點，通過列車安裝接收設備，在列車經過地面定位點時實現對列車位置的測量。

由于衛星定位系統的引入主要用于取代軌道電路、應答器等定位裝置，因此經濟效益的評價主要是通過與以上系統的經濟效益對比。此處拿應答器設備舉例，如表2 所示。

表2 衛星定位與應答器定位系統給的設備對比Tab.2 Comparisons between satellite positioning and equipments provided by balise positioning system

因此，有如下公式：

x 表示k km 所安裝地面設備總的設備投入，y表示k km 安裝車載設備的總的投入，Eco 表示該定位系統經濟價值。

5 總結

綜合以上論述，將衛星導航在鐵路列控系統中的應用評價指標總結為4 個方面：線路環境使用性指標、線路定位精度指標、技術性指標、經濟應用評價指標，如圖2 所示。

圖2 衛星定位應用評價指標體系Fig.2 satellite positioning application evaluation index system

通過上述4 大指標的對衛星定位技術在鐵路線路的應用評估，基本可以確定衛星定位系統在某線路列控系統的應用可行性。

本文通過衛星定位在列控系統的應用評價指標的初步探討僅停留在分析層面，未來將結合具體的項目需求進行驗證和試用。同時，列控系統對安全的要求較為苛刻，因此衛星定位技術在高鐵列控系統的中的應用還需要大量的實驗數據進行論證。