基于衛星導航的鐵路列車控制系統自主定位技術研究進展

劉 江, 蔡伯根, 王 劍, 陸德彪, 姜 維

(1. 北京交通大學電子信息工程學院, 北京 100044;2. 北京交通大學智慧高鐵系統前沿科學中心, 北京 100044;3. 北京市軌道交通電磁兼容與衛星導航工程技術研究中心, 北京 100044)

0 引言

作為國民經濟的大動脈、國家層面的重要基礎設施和大眾化的交通運輸工具,鐵路運輸在經濟社會發展中具有至關重要的地位和作用。安全,是鐵路運輸系統一切活動行為的首要前提。列車作為承載鐵路客貨運輸任務的核心主體,與其運行過程直接相關的列車控制系統(簡稱“列控系統”)承擔進路方向、追蹤間隔、運行速度等控制與防護任務,是確保行車安全、提高運輸效率的核心技術裝備,是鐵路運輸系統的“大腦和神經系統”。在安全防護功能中,列車位置、速度、軌道占用等運行狀態的感知決策是一項極為基礎且關鍵的功能需求。當前的普速、高速鐵路以及城市軌道交通均依賴軌旁設施(如沿線布設的應答器、軌道電路等裝置)與車載自主定位方式相結合來實現列車運行狀態感知,面臨著功能自主性不足、靈活性受限、建設維護成本高昂等突出問題。為此,引入新型智能化技術途徑,在降低軌旁設施依賴條件下,由車載設備自主實施測速定位,通過虛擬應答器等方式確保其應用實施的適配度與可行性,作為國內外軌道交通運營管理機構從更高層次的“全生命周期”成本效益優化角度出發的必要選擇,運用既有系統的安全性設計思想及安全評估認證機制使其滿足相關安全需求,已成為列車控制技術的關鍵發展導向。

近年來,隨著全球科技創新和軌道交通系統智能化的快速發展,以大數據、云計算、人工智能、北斗衛星導航等為代表的新興技術不斷迭代更新,為智能鐵路體系的構建與發展提供了重要機遇[1-2]。衛星導航系統作為國家層面的重大戰略基礎設施,在國民經濟的各個方面均已發揮了關鍵作用,GPS、GLONASS、Galileo以及我國北斗衛星導航系統的發展完善,及全天候、全天時、高覆蓋的特性,使其能為鐵路運輸系統的智能化提供重要支撐。德國、意大利、法國、美國、英國、日本等多個國家均已開展了衛星導航在智能鐵路業務方向的深度融合研究,以衛星定位驅動及多源車載信息融合實施列車自主定位,實現以“車載自主化”為目標的新型列車控制系統,經過20余年的發展,已逐步進入技術規范探索[3]、系統裝備研制[4]、現場工程示范[5]等實質階段。

我國鐵路列車控制技術在中國列車控制系統(Chinese train control system, CTCS)體系框架下不斷完善,已開始進一步開展高等級CTCS-4級列控系統的研發探索。在CTCS-4級系統模式下,列車定位不再依賴軌旁設備實現測速測距誤差校正。由車載定位裝置自主決策列車位置與占用狀態,已成為國內外列控技術領域的共識[6]。自2020年以來,我國自主建設的北斗三號全球衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system, BDS)開通全球服務,為列車定位模式展現技術、資源層面的高度自主化提供了重要支持。新型列控系統將不斷推進技術規范、裝備研制及現場運用,以“故障-安全”這一核心特性基礎上的更高自主化、更加智能化、更廣適配化為目標,對衛星定位的高效融合運用注入了新的發展內涵。

鑒于此,對近年來基于衛星導航的列車控制系統自主定位技術方面的研究進展進行綜述,對未來深化發展面臨的挑戰和發展方向進行了展望。本文的主要框架如下:第一部分介紹了基于衛星導航的列車控制系統架構,分析了列車自主定位的基本結構和技術思路;第二部分介紹了列控系統自主定位需求,對比了不同國家、不同交通控制模式對自主定位的量化需求體系;第三部分綜述了列車自主定位的關鍵技術,分別從融合、增強、約束、評估等四個方面對國內外研究的主要進展進行了總結;第四部分結合新時期新型列控系統的發展及運用趨勢對列車自主定位技術發展方向進行了展望。

1 基于衛星導航的列車控制系統架構

列車運行控制系統是根據列車在鐵路線路上運行的客觀條件和實際情況,對列車沿軌道運行速度及制動方式等狀態進行監督、控制和調整的技術裝備,是保障行車安全的核心。自20世紀90年代美國“主動列車間隔控制(positive train separation,PTS)”計劃開創了衛星導航系統在鐵路列車定位的應用以來,美、歐、日等在基于車載自主定位的列車運行控制系統領域取得了進展。美國GE公司的增強型列車控制系統(incremental train control system,ITCS)已成功在我國青藏鐵路、澳大利亞等得到使用,實施的“北美聯合精確列車控制(North American joint positive train control,NAJPTC)”計劃以及“全國范圍差分GPS系統(nationwide differential global positioning system,NDGPS)”的構建,為進一步提升衛星定位在列車運行控制領域的應用能力提供了重要基礎。歐盟伴隨其Galileo衛星導航系統建設發展,高度重視列車控制這一應用方向,啟動了“區域歐洲鐵路管理系統(European rail traffic management system regional,ERTMS regional)”“低成本歐洲列車控制系統(European train control system-low cost,ETCS-LC)”等計劃[7],研發兼容于ERTMS/ETCS且適合于低密度低速線路列控系統改造升級的低成本系統方案,并為ETCS-3級系統研發打下了基礎,先后支持了多項研發計劃,對衛星定位列控應用的方法、技術與標準進行探索[8]。2013年,歐盟在原有ETCS列控體系上提出“下一代列車控制(next generation train control, NGTC)”研究計劃,重點研究基于衛星導航系統的列車自主定位等關鍵技術,進一步提升鐵路運輸能力及自動化水平,降低設備安裝、維護成本,提高可靠性[9];啟動“構建未來鐵路系統聯合行動(Shift2Rail)”計劃(2021年拓展為Europe’s Rail計劃[10]),設立了“先進的運輸管理和控制系統”方向,通過引入衛星定位、新型通信、虛擬連掛等先進技術,形成高度集成化的通信與控制體系結構,進一步提高鐵路運輸效率、增強系統可靠性、降低系統運營成本[11]。日本于2008年提出下一代軌道交通方案,設計了先進列車管理和通信系統(advanced train administration and communication system,ATACS)、下一代鐵路運營系統(next-generation railway operation system,NGROS),提出新型列控系統結構,通過使用GPS實現列車定位、減少地面設備,達到降低運營成本、提高線路運行效率的目的[12]。我國鐵路自21世紀初開始建立中國列車控制系統體系[13],如圖1所示,共劃分為5個等級,其中,CTCS-0、CTCS-1級主要面向時速120 km和160 km既有線,CTCS-2和CTCS-3級列控系統直接面向時速250 km和350 km高速線路,在確保列車運行安全方面已有成熟運用。總體來看,各應用等級系統基本結構可劃分為車載設備、軌旁設備、中心設備三個部分,對于CTCS-4級列車控制系統,發揮衛星定位的優勢,將其與車載設備所含輔助定位傳感器、軌道地圖數據庫所提供的多信息源進行融合,從而具備“車載自主化”能力,向車載列車超速防護(auto-matic train protection,ATP)主機提供基礎信息,能夠在列車運行狀態感知層面有效簡化軌旁設備,僅由列控車載設備通過多源信息融合實施測速定位與狀態估計。

圖1 中國列車控制系統體系及新型車載自主定位接口模式Fig.1 CTCS framework and interface mode of novel train-borne autonomous positioning

本文給出基于衛星導航的新型列控系統列車自主測速定位的一種基本結構方案,如圖2所示,其中,在預留應答器信息接收單元(balise transmis-sion module,BTM)提取應答器信息的基礎上,ATP設備通過四類部件/單元實現列車位置與運行狀態的估計決策:

1)輪軸測速測距單元:由安裝于輪軸的速度傳感器采集車輪在一定周期內的轉數,換算估計列車的走行距離,并估算列車在一個周期內沿軌道方向的縱向運行速度;

2)衛星定位接收單元:接收來自衛星導航天線的信號并實施信號處理與三維位置解算,若軌旁系統配置差分定位增強系統,則單元在解算中會包含對經由無線通信單元發送的差分校正信息的利用,以提升定位精度及完好性水平;

3)電子地圖單元:存儲并更新列車運行區段的定位專用軌道數據庫信息,用于對衛星定位接收單元所得坐標位置向沿軌道一維縱向相對距離量的轉換;

4)輔助定位傳感器:采用非衛導定位傳感器(如多普勒測速雷達、慣性測量單元、超寬帶定位單元等)對隧道、封閉或帶頂棚站場、高路塹等環境中因衛星信號遮擋導致定位可用性缺失、性能劣化等情況進行補償,實現多源融合解算。

圖2 新型列控系統基于衛星導航的列車自主定位基本架構Fig.2 Fundamental framework of GNSS-based autonomous train positioning in the novel train control system

車載ATP設備獲取各類傳感器及電子地圖數據庫信息后,為確保衛星定位解算所得位置信息用于生成列車控制指令,如運行授權(moving authori-ty,MA),能夠具備與既有列控系統兼容的接口形式,降低引入衛星定位造成的系統架構調整對符合系統規范與通過安全評估可能帶來的差異化影響,國內外均運用了虛擬應答器(virtual balise,VB)的接口機制[14]。衛星定位結果用于實現應答器功能的虛擬化,在利用定位估計解與擬布設應答器位置實現對準與捕獲的情況下,調取數據庫存儲的應答器報文發送至ATP主控單元,可實現與在線路上真實安裝應答器設備并在列車通過時激勵報文一致的效果。隨著虛擬應答器布局[15-16]、定位解算[17-18]、虛擬應答器捕獲[19-22]、捕獲質量評估[23]等相關關鍵技術的不斷完善,基于虛擬應答器的衛星定位接口兼容模式,已成為國內外眾多基于衛星定位的新型列控系統的普遍選擇。

從上述結構可以看出,新型列控系統通過在傳統輪軸測速測距方式基礎上,引入衛星定位及其支撐性信息源(如電子地圖、輔助定位傳感器等),能夠實現對軌旁應答器的替代,由車載設備自身的信息條件主動自主實施定位校正,從而降低對軌旁設施條件的依賴,為進一步簡化列控系統結構、動態分配調整系統功能提供支持。新型列控系統的定位感知模式可用于高速、普速及廣大中西部稀疏路網鐵路線路,其所需的車載/軌旁/中心設備條件配置及與既有設施水平的有效適配過渡是制約其運用的主要因素,此外,等級間切換與兼容化也是實施運用面臨的主要問題。衛星定位的核心使能性作用是歐盟ETCS-3級、我國CTCS-4級、美國PTC等新型列控系統架構的共同選擇,也是進一步促進列控系統“故障-安全”原則基礎上開展需求、關鍵技術等方面研究的主要驅動點,支撐國內外研究人員在此方向開展了大量研究工作。

2 列控系統自主定位性能需求體系

衛星導航系統的性能指標自GPS實現完整操作能力以來,周期性更新標準定位服務、精確定位服務以及增強服務的性能標準。導航系統標準定位服務(standard positioning service, SPS)將空間信號(signal in space, SIS)服務的覆蓋范圍、定位精度、信號完好性、信號連續性以及信號的可用性列為 GPS SIS 性能評估指標[24],這是進行衛星定位鐵路應用的基礎。歐洲Galileo系統在設計之初公布了系統的高水平性能定義(high level definition, HLD)文件,分析了用戶、運營及服務操作方的需求,提出Galileo應用的性能要求下的量化指標,其中,列車運行控制從屬的安全相關服務的需求在 GPS SPS 標準的基礎上將完好性評估描述為3個子參數:報警門限、報警時間以及完好性風險[25]。我國發布的《北斗衛星導航系統公開服務性能規范》進行了多次更新[26],對空間信號覆蓋范圍、精度、連續性、可用性規范以及定位導航與授時服務精度、服務可用性等指標進行了定義,尚無特定針對安全相關應用的性能指標要求。

近年來,伴隨鐵路系統關鍵應用中GNSS的不斷深化,考慮到列車運行控制等與安全緊密相關系統的安全需求與衛星定位面臨的系統級、信號級、用戶端風險,歐美多國在引入衛星定位構建新一代基于列車自主定位的新型列控系統過程中,均結合衛星導航系統相關性能體系,設計了面向鐵路特定應用的性能需求量化方案。

早在2000年,歐盟GNSS秘書處即已組織歐盟委員會相關部門、鐵路運營單位、鐵路/公共交通組織機構、客貨運公司、運輸服務商、GNSS設備商等,按照鐵路干線/車站、中密度線路、低密度線路3類場景,構建鐵路專用裝備應用中Galileo定位服務的性能需求體系[27]。2019年,歐洲GNSS管理局(European GNSS Agency,GSA)發布了GNSS鐵路用戶需求報告[28],進一步針對與列車運行相關的6項安全應用進行了量化需求總結,如表1所示,為其他國家構建規范化的量化需求體系提供了重要參考。

表1 歐盟GNSS鐵路安全相關應用量化性能需求[28]

隨著歐盟在深化Galileo在歐洲鐵路管理系統/歐洲列車控制系統(European rail traffic management system/European train control system,ERTMS/ETCS)中的應用,結合列控系統對安全完整性等級(safety integrity level, SIL)要求,歐盟在地平線2020框架下支持了Helmet計劃,旨在將列車運行控制中GNSS的應用模式復用至道路交通自動駕駛等多模領域,從而使道路車輛、列車等交通載體更為經濟化,共用定位基礎設施、安全評估認證機制[29]。表2給出了該計劃對列車、自動駕駛汽車運用GNSS實施安全控制在不同場景、等級條件下的量化需求對比,體現了鐵路安全控制領域衛星定位應用的示范延伸效應,為進一步明確衛星定位性能指標、擴展GNSS在交通載運工具控制系統應用提供了有效參考。

表2 衛星導航系統鐵路/道路用戶需求對比[30]

美國在世界范圍內最早構建GNSS系統并將GPS引入列車控制等關鍵應用,多年以來持續強化基于衛星導航的PTC體系,由美國國防部、交通部、國土安全部聯合多年發布《聯邦無線電導航計劃》[31],在定位導航與授時(positioning, navigation and timing,PNT)用戶需求部分,對包括主動列車控制在內的6類典型鐵路應用引入GPS及NDGPS系統所需性能指標,如表3所示。近年來,隨著美國聯邦政府要求下對PTC計劃安全規劃(safety plan)進程的逐步落實及PTC安全技術需求的適配,PTC體系中衛星定位的性能需求體系也逐步完善。

表3 美國PTC系統衛星導航應用量化性能需求[31]

衛星定位使能的鐵路應用近年來在廣度方面得到不斷擴展,然而,目前尚未形成體系化的針對衛星定位的專用標準規范。列車控制系統作為一類特征顯著的安全相關應用,引入衛星定位賦予了系統結構與內涵的新特征,但其在鐵路安全服務體系下需要遵守EN 50126[32]標準對電子設備鐵路應用可靠性、可用性、可維護性和安全性(reliability, availability, maintainability and safety,RAMS)技術條件的要求[33]。基于上述兩個不同領域的性能評價體系,研究人員利用統一建模語言(unified modeling language,UML)結構化表述方法對衛星導航在交通安全應用場景下的性能指標進行了對比分析[34]。在常規GNSS自身性能指標體系與鐵路RAMS體系之間的映射關聯方面,研究人員已開展了多項研究,如:利用三角分割方法將衛星導航系統性能分解為可靠性與非可靠性,構建了衛星導航系統和功能安全標準中連續性、可靠性、安全性三個性能指標間關系的形式化描述方法[35];對衛星定位觀測量質量分級(包括正常、退化、故障),建立以精度為基礎的RAMS指標量化評估[36-37];結合危害分析與Petri網建模[38]、可信性/安全性分解[39]等手段開展RAMS基于仿真的評估分析。在整體指標體系層面,已逐步構建了列車定位性能指標體系映射關系模型,如圖3所示,從可靠性與安全性的關系及故障檢測診斷狀態空間入手,形成了基于衛星導航的列車定位性能指標體系關系描述[40],為設計、研發、測試、評估提供了指導依據。

圖3 基于衛星導航的列車定位性能指標體系映射關系模型[41]Fig.3 Performance index system mapping relationship model for GNSS-based train positioning

隨著基于衛星導航系統的列車控制技術逐步朝向裝備應用層次發展,針對列車自主定位及整體新型列控系統級的標準規范體系將進一步完善,相應的需求體系、指標框架、評估策略將為相應方法、技術的研究與應用提供更為明確的規范化約束。

3 基于衛星導航的列車自主定位研究進展

列車運行于固定軌道,以列車相對參考點(一般用最鄰近相關應答器組(last relevant balise group,LRBG)為參考點)的走行距離作為位置描述,具有典型的一維特征,考慮到列車控制的安全需求,列車位置的估計還需充分考慮測量、解算中的不確定性。為此,針對基于衛星導航的列車自主定位,如圖4所示,主要從4個方面描述定位的核心內容。

(1)融合:為解決導航衛星信號受限可能導致的性能劣化與功能失效,引入非衛導信息源對自主定位性能進行補償與優化,提升對不利、惡劣衛星導航觀測條件的適應。

(2)增強:為確保定位性能滿足上下行股道區分、列車追蹤間隔估計等需求,在衛星定位自身的增強方面,引入系統化手段(如軌旁GNSS增強設施)、處理層機制(如自主完好性監測邏輯),實現對衛星定位性能的保障。

(3)約束:為充分挖掘列車位置描述受軌道物理“約束”這一特性的作用,在充分運用衛星定位及輔助定位信息實施定位決策過程中,引入軌道空間信息提供的先驗知識條件,在實現一維沿軌道位置描述轉換基礎上進一步優化定位性能。

(4)評估:為了滿足自主定位應用支撐列車控制達到“故障-安全”原則要求,建立特定測試評估體系與環境,對各類場景條件下列車自主定位的性能及可信水平進行檢驗。

為此,本文以此4個要點為索引,以國內外列車控制系統的建設發展及應用為背景,對列車自主定位的主要研究進展情況進行梳理與總結。

3.1 多源感知融合無縫定位

在龐大復雜的鐵路網中,衛星定位將面臨多樣的運行環境及工作條件,導航衛星空間信號的可用性限制(如車站、隧道等環境中有嚴重的信號遮蔽)會對定位性能形成極大制約,如何實現受限觀測條件下定位的無縫化優化是一項關鍵瓶頸。為了確保列車定位在不同場景下實現定位接入的無縫銜接,采用合理途徑實施多源定位信息融合是這一領域長久以來始終關注的主題。常規可用于實施多源定位融合的候選列車定位方式包括慣性導航、多普勒測速、輪軸測速定位、蜂窩無線通信等[42]。近年來,集成渦流、視覺、激光雷達、超寬帶、光纖光柵等多種新型方案的涌現,為列車自主定位提供了更為廣闊的融合空間。

圖4 基于衛星導航的列車自主定位技術內涵分解Fig.4 Technology connotation description of GNSS-based autonomous train positioning

在多傳感器組合結構下,濾波估計是利用多源信息進行準確狀態判定的重要途徑[43]。近年來,針對Kalman濾波框架下各類方法因非線性、非高斯等問題導致的性能受限問題,基于新型貝葉斯估計的組合定位已形成眾多成果。Malleswaran M.等[44]提出了IMM-UKF-TFS(interacting multiple model-unscented Kalman filter-two filter smoother)模型,利用平行濾波器對GNSS與慣性導航的組合系統進行實時估計,使融合定位信息更加平滑;Minetto A.等[45]提出基于次優粒子濾波(suboptimal particle filter,S-PF)的組合定位融合算法,相對傳統EKF方法實現了顯著的定位性能優化;Heirich O.等[46]利用粒子濾波與貝葉斯估計相結合提高列車定位精度,通過粒子濾波減少線性化過程中的誤差,提高定位精度、穩定性和魯棒性。在傳統貝葉斯估計框架之外,因子圖優化(factor graph optimization,FGO)作為一種新型融合估計架構,在狀態估計的魯棒性水平以及處理觀測量非高斯特征方面表現出更優性能[47],已有研究開始將FGO引入多源列車融合定位實現對基于GNSS的列車定位受限環境補償[48]、多源融合性能優化[49]。此外,隨著人工智能技術在導航定位領域的不斷滲透,以群體智能優化、神經網絡深度訓練、機器學習等前沿技術為支撐的非線性非高斯濾波估計算法也已用于衛星定位與輔助傳感器的融合[50-52],對濾波性能在實際定位中存在的不確定性、非線性、隨機性進行補償和優化[53],為列車定位提供了更多選擇。

除采用非衛導信息對GNSS定位實施優化,偽衛星(pseudolite, PL)技術為無縫列車定位提供了另一路線。偽衛星發射與GNSS導航信號相同或相近的信號,提供定位、導航與授時服務,作為解決衛星信號受到遮擋無法定位問題的有效途徑之一,已經成為了近年導航定位領域的熱點[54]。面向列車定位,歐盟RailGATE測試場[55](railway Galileo test environment)構建了世界上唯一面向GPS/Galileo鐵路應用的偽衛星研發測試環境,安裝有8臺偽衛星信號發生器、2個監控站、1個數據處理中心,信號覆蓋整個環形測試區域,支持200 km/h的動態測試。結合RailGATE在增強衛星星座方面的基礎,在列車自主定位方案中引入偽衛星,構建包含空間導航衛星、軌旁差分基站、地面偽衛星在內的“空地一體化增強衛星星座網絡”(如圖5所示),能為導航衛星定位服務形成無縫化延伸,強化GNSS技術應用于列車控制等安全相關系統的能力條件。

圖5 導航衛星/差分基站/偽衛星空地一體化增強衛星星座網絡架構Fig.5 Integrated architecture of the augmented satellite constellation network based on GNSS satellites, DGNSS reference stations and pseudolites

偽衛星時間同步、多徑/遠近效應抑制、高精度高可靠解算、設備低成本化等問題尚有待解決,其與多定位源實施組合所能達到的效果已得到充分驗證[56]。在引入偽衛星實施列車定位無縫化增強方面,近期研究集中在鐵路場景適用性分析、偽衛星布局方案、定位風險辨識等方面,代表性成果包括:偽衛星、北斗導航聯合無縫定位觀測模型[57];基于群智能優化的鐵路站場偽衛星選址布局策略與車站站場空間特性關聯方案[58-59];以完好性為依托,設計導航衛星、偽衛星聯合用于無縫定位的完好性監測方法,對偽衛星引入無縫定位實施風險評估[60];基于無縫定位的虛擬應答器列控系統接口方法[61]。隨著偽衛星技術的不斷完善、專用布局/解算/融合/測試/評估等方法的不斷豐富,在鐵路特定區域實施偽衛星部署增強,構建面向鐵路線網的GNSS/PL綜合空間星座條件,將會形成更為顯著的列車自主定位無縫化保障效應。

3.2 列車衛星定位主動增強

在一定時期和技術條件下,由于尚不具備類似星基增強等完全擺脫軌旁依賴的增強技術手段,鐵路衛星定位應用普遍引入差分定位技術,以有限的相關設施(如差分基站、處理中心等)建設維護成本實現對車載定位性能的優化。新型列控系統將提供差分衛星定位的相關設施納入總體框架,由專用差分基站、承載于列控軌旁/中心設備的增強服務等,使系統具備對衛星定位的主動增強能力。近年來,世界多國在建設發展基于衛星導航的新型列車控制系統進程中,均將衛星定位的主動增強作為自主定位能力優化的重要途徑[62]。表4總結了國內外基于衛星導航的列控系統定位增強技術實施情況。

歐洲較早開展了面向ETCS-3級模式的列車自主定位技術研發,形成符合SIL-4要求和ERTMS標準的列車定位系統架構,包含車載定位、軌旁增強、無線傳輸3個子系統。圖6給出了典型的包含專用軌旁GNSS增強網絡的列車自主定位架構[63]。核心是軌旁增強網絡,運用專用衛星定位差分基站,復用列控系統中心設備(如圖6所示無線閉塞中心(radio block center,RBC)),提供GNSS增強認證,已在意大利撒丁島50km試驗線進行驗證[64]。我國自2018年以來啟動了基于北斗的新型列車控制系統研制計劃,設計了GNSS參考站、差分服務控制中心、列控資源管理單元三級架構的軌旁增強網絡方案,采用通過互聯網進行RTCM網絡傳輸的協議(networked transport of RTCM via internet protocol,NTRIP)與鐵路信號安全協議-1(railway signal safety protocol-1,RSSP-1)確保增強系統信息安全,并采用蜂窩通信、衛星通信聯合確保差分增強數據播發質量,2021年于青藏鐵路公司管內哈木線100 km實際線路進行了試驗驗證[65]。

圖6 專用軌旁GNSS增強網絡列車自主定位架構[63]Fig.6 Architecture of autonomous train positioning based on the dedicated track-side GNSS augmentation network

融合差分增強信息的列車定位還需要進一步輔以特定處理邏輯,從與列控系統安全需求緊密相關的“完好性”入手,對定位觀測質量劣化及系統故障進行及時、準確的檢測、診斷與排除。完好性導向的增強處理邏輯存在于衛星導航通道、多源融合通道兩個過程,所采用的監測處理手段也各具有針對性。

在衛星定位處理層次,常基于用戶端自主完好性監測框架,針對列車自主定位冗余結構實施定制化設計:Neri A.等[66]結合新型列控系統軌旁增強網絡架構,設計了面向局域增強/全局增強雙層結構的列車衛星定位增強算法,基于不同衛星間單差檢測空間信號故障、不同類型差分基準站間殘差檢測參考站故障,結合實際增強網絡核心的軌旁區域服務器(track area local server,TALS)設備現場測試進行了檢驗[67];Marais J.等[68]分析了將接收機自主完好性監測策略應用于列車定位系統的可行性,并指出列車定位系統可由接收機自主完好性監測、衛星增強系統及地基增強系統3種不同途徑實現優化與增強;Kazim S.等[69]針對鐵路沿線環境觀測特征復雜性與列車定位完好性監測所用誤差模型之間的偏差導致的性能風險,提出衛星定位誤差模型的分級分類策略,通過差異化誤差模型的運用提升水平保護級(horizontal protection level,HPL)等完好性監測量估計水平的優化,開展了基于天空圖衛星可視特征建模的鐵路沿線觀測場景分類[70];在基本的完好性監測機制下,考慮應對多GNSS系統聯合及復雜故障模式等條件,已有研究形成面向GPS/Galileo多模定位的故障檢測方法[71]、引入基帶信號輔助的故障檢測方法[72],這些成果為列車自主定位中衛星定位自身的增強提供了定制化方案。

在多源融合處理層次,挖掘輔助感知信息增強完好性監測性能的潛力,已有多項研究引入圖像視覺[73]、輪軸測速定位[74]、慣性導航[75]、多普勒測速雷達[76]、軌道空間信息[77]等,形成列車自主定位系統級完好性監測優化方案。同步考慮衛星定位與輔助傳感器的總體故障模式,故障檢測與排除進一步擴大了覆蓋范圍。Filip A.等[78]采用“二乘二取二”結構設計了衛星導航/多普勒雷達/慣性組合列車定位單元,建立可靠性框圖對冗余系統的安全性進行評估分析,提出定位單元自主完好性監測(locator autonomous integrity monitoring, LAIM)[79]方法,將濾波殘差拓展至列車安全緩沖來確保列車定位系統的完好性水平。考慮輪軸測速定位的空滑故障,已有研究利用GNSS對非衛導傳感器故障實施主動檢測,如:基于數據驅動的GNSS/輪軸測速定位故障檢測診斷[80]、基于多通道定位傳感器交互的故障檢測機制[81]。此外,將估計方差、特征斜率等多參量集成,能夠獲得更完備的完好性保障能力[82],并可進一步采用均值膨脹、非高斯膨脹策略對非高斯統計特性進行主動適應[83]。近年來,隨著鐵路運營環境日益復雜,已有研究開始關注鐵路衛星定位干擾防護,在鐵路專用抗干擾方案與韌性列車定位模式方面形成了初步結果[84],為后續面向多層域安全感知實現針對性的防護優化提供了思路。

3.3 定位專用軌道地圖數據庫

列車運行于固定軌道上,將軌道基礎空間信息用于列車位置的決策、列車定位坐標體系的轉換、定位性能的優化,是一種將“空間約束”在定位估計中發揮優勢作用的必要途徑。列車定位專用軌道地圖數據庫(trackmap database)一般由索引信息、軌道地理信息數據和固定應用數據構成,其中:軌道地理信息數據描述軌道關鍵點(point-of-interest, POI)的三維空間坐標及一維軌道里程,在實際運行中,由車載定位所得三維位置解與多個相關POI點構成的軌道片之間的投影匹配計算,得到列車沿軌道一維里程量,進而可換算為距參考點的相對走行距離,從而為ATP控車處理邏輯所識別及運用;固定應用數據描述了區間、站內的數據邊界、道岔、應答器等對象的相關信息,用于上述相對走行距離量換算過程中軌道身份及POI、參考點的確認。自21世紀初GPS早期被引入列車定位過程中,測量、制作、檢驗列車衛星定位專用空間數據信息即已成為一種必要手段。國內外機構、廠商均設計構建了列車定位專用軌道地圖數據庫及相應規范約定,在大規模測量數據約簡處理[85-86]、高效數據庫架構[87]、數據庫性能評估檢驗[88]、地圖數據庫自動生成工具鏈[89]等方面形成了體系化成果。Fikejz J.等[90]設計了鐵路線網的微觀/中觀/宏觀多層體系概念,提出了分層地圖模型的構建方法。Baldoni S.等[91]設計了列車自主定位專用的數字軌道地圖,提出了地圖先驗信息輔助實現列車定位感知增強的可行方法。為對軌道空間數據格式規范化、標準化,德國、瑞士聯合開發了基于可擴展標記語言(extensi-ble markup language,XML)的軌道交通專用軌道標記語言RailML,實現通用化數據交換[92]。近年來,OpenRailwayMap[93]等開源地圖數據協作計劃的出現,為軌道地圖數據庫相關資源及技術的規范化、多元化發展創造了條件。

在將軌道“物理約束”轉化至定位優化層面,根據圖7所示架構案例[94],涉及兩個層次的處理:軌道占用檢測通道、沿軌道位置決策通道,逐步實現軌道信息輔助下的定位估計。

軌道占用檢測通道解決列車所在軌道的身份識別問題,在列車所在鄰域內存在多條并行股道、道岔等情況下實現解模糊,確定以何股道計算一維位置,相應的特征提取、狀態匹配、識別決策等方面已有多項研究成果。Winter H.等[95]基于軌道幾何約束的遞歸多級濾波方法,利用交互多模型(interacting multiple model, IMM)和擴展卡爾曼濾波融入軌道幾何約束,確保軌道占用識別性能;Neri A.等[96]設計了衛星定位解算的雙差載波相位觀測量組合策略,融合軌道約束先驗知識加速占用軌道識別;王迪等[97]建立列車GNSS雙差定姿數學模型,提出基于粒子濾波的風險敏感濾波算法獲得高精度列車航向信息,采用支持向量機進行航向角分類及軌道信息匹配。此外,隱馬爾科夫模型(hidden Markov model,HMM)[98]、多傳感器融合預測[99]、LTS -Hausdorff(location technology solution-Hausdorff)距離[100]、3D軌道模型增強射線追蹤(ray tracing)[101]等思想的應用為軌道占用識別及定位優化提供了可行方案。在綜合輔助傳感器資源的占用識別策略方面:Crespillo O.等[102]提出地圖輔助GNSS/慣性緊組合的軌道占用識別方法,采用動態貝葉斯網絡(dynamic Bayesian network, DBN)表示系統狀態在因果和時間上的關系,實現高軌道占用識別率;Heirich O.等[103]提出基于Rao-Blackwellized粒子濾波的GNSS/慣性融合算法,實現在平行股道場景、道岔區域場景下軌道占用識別的高正確率;Zwemer M.等[104]提出基于視覺傳感器的軌道占用識別方法,使用基于圖理論的軌道重構算法和軌道先驗幾何知識完成軌道占用判別;Siebler B.等[105]使用安裝在列車上的磁力計測量值與地圖磁場值進行比較,采用假設檢驗識別列車占用軌道;Hensel S.等[106]采用渦流傳感器結合HMM占用識別方案,為輔助衛星定位提供了新的適于軌道交通場景的傳感器選項與發展方向。

圖7 基于軌道地圖數據庫空間信息輔助的列車自主定位解算架構[94]Fig.7 Navigation calculation architecture of autonomous train positioning assisted by the spatial information from trackmap database

沿軌道位置決策通道在識別軌道占用后決策一維列車位置,將離線的軌道地圖數據庫構建結果運用至列車實時在線定位估計中。其中,將軌道地圖數據庫用于離線構建受地圖誤差影響的衛星定位觀測模型[107]、復雜線路環境多徑誤差模型[108]、軌道特征多軌跡增量優化模型[109]等,將有助于為實時定位解算性能優化提供進一步支持。在將軌道地圖數據庫用于實時定位計算與決策中,一方面,所提供的“約束”特征信息能夠用于輔助GNSS實施更優的實時定位解算,代表性成果如:基于軌道信息約束的實時定位解算[110]、地圖輔助衛星定位方差矩陣估計[111]、緊耦合列車相對定位解算[88]、衛星定位/軌道地圖協同定位解算[112]、融入地圖約束信息的粒子濾波估計[102]、基于軌道地圖構建狀態依賴觀測噪聲的濾波估計[113]等;另一方面,將軌道地圖數據庫提供的先驗信息融入常規的GNSS/輔助定位傳感器融合框架,能夠進一步實現連續、精確、可信的實時定位決策,其中,地圖匹配(map matching,MM)[114]作為基本的軌道地圖數據庫松耦合模式,已形成軌道線路拓撲分析、相似度、概率描述等多種計算方案[115-116];將軌道空間信息統一納入傳感器融合過程,能夠形成緊耦合層次的輔助定位方案。慣性導航作為多領域普遍應用的自主式定位方式,將其用于實時列車定位估計,構成“GNSS/INS/軌道地圖”融合架構,已受到廣泛關注,代表性成果包括:Heirich O.等[117]構建了基于貝葉斯估計的定位框架,將GNSS、慣性導航、軌道地圖納入統一濾波框架,實現可靠定位估計;Wenz A.等[118]構建了軌道地圖輔助GNSS多普勒、慣性測量、輪軸速度多觀測量融合架構,采用滾動時域估計(moving horizon estimator,MHE)實現精確位置、速度決策;Cao Z.等[119]以軌道空間數據為參照,設計了GNSS/慣性導航組合架構實現對衛星觀測質量反饋評估,用于干擾抑制防護。近年來,在慣性導航之外,將GNSS、軌道地圖數據庫與其他定位傳感器組合實現實時定位決策,也已開始受到關注,如:Cao Z.等[120]挖掘列車既有輪軸測速定位的便利信息條件,提出基于“GNSS/INS/輪軸測速/軌道地圖”的組合定位架構,引入干擾檢測邏輯強化對電磁干擾環境的適應能力;Neri A.等[121]深化視覺、激光雷達等感知類傳感器強化傳統衛星定位/慣性導航組合架構,從線路空間信息延深至軌旁參考設施,為將衛星定位與環境探測功能交織與優化提供了新的思路方向;Wang Y.等[122-123]提出引入激光雷達實現列車同時定位與建圖思想,并開發了RailLoMer-V列車精確定位框架,通過GNSS、INS、視覺、激光雷達、軌道地圖多源信息的深度融合,實現自主定位對列車在鐵路線路上高重復度往復運行特性的有效適應。

3.4 自主定位性能測試評估

列車定位性能對列車控制決策有效性和安全性形成關鍵影響,為此,面向列車控制應用的自主定位性能評估方法及與之配套的測試評估技術與平臺一直是本領域熱點研究方向。與既有列控系統相比,基于衛星定位的新型列控系統具有更優的建設/維護成本效益,車載設備的自主性能夠更為靈活配置移動閉塞控制等新型模式,優化系統運行效率。新型列控具備既有列控系統的各項功能,主要差異在于引入衛星定位條件下,實現“列車定位功能”、“列車完整性檢查功能”所需的技術途徑和設備條件有所差異,此外,可延深實現移動閉塞控制功能及與既有列控模式間的等級切換功能。同為行使列車運行安全防護的安全苛求裝備,對于既有列控系統與新型列控系統,測試均為確保系統安全性和可靠性水平的必須手段。考慮在鐵路現場開展實際測試的可行性問題、較高成本以及特定危險場景覆蓋難題,實施仿真測試已經成為一種必然途徑。典型的面向鐵路應用的專用定位測試平臺包括意大利的RFI測試臺、西班牙的CEDEX ETCS/ERTMS實驗室等。西班牙的INECO公司開發了專用仿真工具,分析GPS和Galileo星座在鐵路沿線和可配置時間框架內的衛星可視性,建立軌道環境三維模型,為鐵路規劃、運營階段GNSS質量預評估提供完備且低成本化的解決方案。歐盟2019年發布了Shift2Rail新時期發展規劃(Shift2Rail multi annual action plan),明確了在新一代智能化鐵路中開展零現場測試(zero-on-site test)的發展路線,在專用測試評估方法方面已取得一定進展:Goya J.等[124]提出先進列車定位模擬器(advanced train location simu-lator, ATLAS),適用于不同的定位技術、數據融合邏輯以及不同鐵路線路環境,為各類列車定位系統測試評估提供了專用工具;Otegui J.等[125]在鐵路現場開展列車定位測試,評估GNSS和10自由度的IMU在鐵路隧道區域、開闊區域等環境的局限性,為仿真測試環境建模提供數據基礎,并進一步提出用于測試列車定位算法的仿真框架,根據列車模型(列車牽引制動控制模型和列車動力學模型)、傳感器誤差模型、軌道電子地圖等生成合成信號,評估不同傳感器、列車配置、軌道、定位算法等在開發過程的不同階段時的靈活性[126];Quinones V.等[15]結合ETCS新型架構,建立了面向衛星定位與虛擬應答器功能的專用仿真工具,用于虛擬應答器功能級仿真測試評估;Kazim S.等[67]針對列車定位在不同場景下性能特征的動態差異性問題,提出典型運行場景下定位精度特征的精細化建模方法,用于構建面向列控系統專用定位仿真測試工具鏈的模型設計與優化。近期,歐盟設置Gate4Rail計劃支持建立列車定位基礎設施的地理分布式測試平臺架構[127],如圖8所示,整合列車控制、衛星導航、測試評估專業機構(意大利RadioLabs、BVI、RFI,法國IFSTTAR、GUIDE,西班牙CEDEX、INECO,比利時UNIFE、M3S)各類資源,實現更為廣泛兼容且高覆蓋度的列車自主定位零現場仿真測試,重現各類鐵路環境下GNSS的傳播特性,評估受全局/局部影響顯著的“故障-安全”列車定位性能,并對嵌入基于衛星定位的新型列控系統實施集成測試驗證[128]。

運用專用平臺環境開展測試,還需進一步實施衛星導航用于列車控制的性能分析與安全評估,目前已在列車自主定位級、列控系統特征級兩個層次形成多項進展。

在列車自主定位級,Otegui J.等[129]針對不同的列車自主定位方案,從測試環境、傳感器類型、數據融合算法和現有研究成果4個方面建立了評估標準,判定不同定位方案的性能;Spinsante S.等[42]從不確定性出發,提出了特定列車組合定位方案的位置不確定性評估策略,通過組合不同來源的信息減小定位性能的不確定性;Stallo C.等[130]評估了列車運行環境中局部效應(多路徑、部分遮擋、全遮擋等)對基于GNSS實現列車定位的性能影響,使用真實測試數據和特殊場景仿真數據進行了可用性、精度和完好性等指標的評估驗證;Legrand C.等[131]將面向衛星定位的評估拓展到多源組合系統,提出列車多源融合定位性能評估方案;崔科等[132]考慮輪軸測速、多普勒雷達組合,提出利用濾波殘差檢測列車空轉/打滑,并運用故障樹進行危險性失效概率建模和分析,計算危險失效概率并評估完全完整性。

圖8 Gate4Rail計劃地理分布式列控系統自主定位虛擬測試架構[127]Fig.8 Geo-distributed virtual test architecture for autonomous positioning of train control system in the Gate4Rail project

在列控系統特征級,進一步關注定位決策應用于列車控制所致功能安全水平對應的評估方法:Neri A.等[133]分析了衛星導航用于列車定位的安全評估方法與平臺,對標準規范體系化發展進程進行了設計;Geffert A.等[134]建立了解釋GNSS域(測量質量)和交通域(可靠性)關系模型,采用基于完好性指標的GNSS測量質量模型揭示了六類列車定位性能空間,將GNSS定位狀態與虛擬應答器可信狀態建立聯系,實現測試評估向列控接口環節的延伸;Beugin J.等[135]提出了基于多種傳感器融合定位系統進行列車間隔控制的安全評估方法,分析了基于GNSS的ETCS-3級移動閉塞風險演變機理,使用估計置信度相關參數進行列車間隔控制安全評估;Himrane O.等[136-137]針對ETCS新型系統GNSS的運用,圍繞安全苛求特征開展系統形式化建模,并運用UPPAAL模型檢測工具與統計模型檢測(statistical model checking,SMC)引擎構建了工具鏈,開展了安全相關性能指標的定性與量化分析;Kazim S.等[138]提出基于衛星定位的組合定位系統的關鍵性能指標(key performance indicators,KPI),為列車自主定位面臨不同等級觀測條件以及采納主動防護措施情況下的性能水平評估提供了途徑;Nguyen K.等[139]基于模糊邏輯提出ETCS可用性需求下列車定位單元的不可用度限值,構建了列車自主定位單元與列控系統適配度評估方案;帥瑋祎等[140]設計了平行遞進模型下列車定位性能指標體系間的映射關系模型,提出基于GNSS的定位單元RAMS指標定量計算策略;莫志松等[141]提出列車定位安全性分析判斷規則,采用極端參數組合方案構建了60類典型場景,評估不同場景下的北斗定位性能,為明確北斗衛星定位在新型列控系統中的應用方案及應答器簡化配置原則提供了依據。

4 未來發展展望

4.1 前沿技術運用演進

隨著全球衛星導航系統的現代化進程以及各類應用需求的不斷延伸,衛星定位技術向著高精度、高可靠方向不斷發展,衛星導航高精度定位技術也歷經了多代更新與發展,形成包括實時差分動態定位(real-time kinematic,RTK)、精密單點定位(precise point positioning,PPP)、網絡RTK、PPP-RTK 等在內的新興技術。北斗三號系統衛星播發的PPP-B2b信號使得實時精密單點定位(real-time PPP,RTPPP)等高精度定位前沿技術的運用成為現實,從而突破傳統PPP技術在收斂時間等方面存在的限制。隨著北斗三號PPP-B2b使能的前沿技術不斷成熟,其在新型列車控制系統的運用將形成兩個層面的影響。一方面,未來將通過前沿技術的運用,有效提升在特定觀測環境下車載衛星定位的精度水平,進一步融入列車控制系統特定需求,在實時高精度基礎上延深可信性監測優化機制,向精細化、矢量化、載波相位層級以及終端/服務端協同方向發展,支撐衛星定位這一信息通路為列車自主定位決策的整體過程提供有力保障;另一方面,結合北斗三號PPP-B2b服務的特點,此類前沿技術的運用將進一步簡化對軌旁設施的需求,改變現行采用軌旁GNSS增強網絡尚需依賴一定鐵路沿線專用設施的局面,使列車定位技術方案更深刻地體現“車載自主化”特征,列車控制系統架構在列車定位層面將進一步向“軌旁最少化”方向演進,相應的接口配置、通道協議、決策機制等均將進一步迭代形成新的體系方案,為實現更高等級系統模式提供支持。

4.2 關鍵場景融合優化

鐵路廣域成網特征及線/橋/隧專用基礎設施條件使衛星導航觀測服務性能特征水平既存在規律性、又面臨復雜性,列車控制系統對自主定位性能的多方位需求,需要在堅持以衛星定位為基礎的情況下,通過深化對多源PNT技術的綜合運用,實現在衛星導航拒止條件下能夠主動、靈活獲取并融合多源信息,確保滿足定位能力需要,從而在鐵路沿線環境的非暴露空間、導航觀測受限、信號質量劣化等關鍵場景向列車控制邏輯提供“故障-安全”導向的信息支持,包括:軌道區域多模態空間基礎信息實時接入,滿足特定運行模式及列控接口形態下的精度與完好性需求,極端場景安全、可靠、實時測速定位決策,復雜觀測條件對定位性能影響的建模與預測,導航信號觀測質量異變、誤導時的及時預警。未來將進一步延深對多模定位觀測信息的接入,突破多源感知融合面臨的非建模誤差、非線性觀測特性逼近偏離、不確定分布特性時變偏差等問題可能導致的估計失準風險問題,實現適于復雜動態運行條件的列車定位深度可信融合估計。在融合估計算法基礎上進一步改善融合結構策略,構建不同定位感知源對關鍵場景的適配規則庫與預測模型,通過引入多感知源接入融合決策處理的無縫切換觸發機制,將有助于形成基于場景驅動的定位融合結構動態調整重構能力,達到列車自主定位對復雜時變運行條件的精準跟蹤與主動適配目標,在未來實現與更高自動化等級、更優自主化水平新型列車控制系統的兼容。

4.3 復雜環境安全防護

將衛星導航應用于列車控制系統,安全始終是重點關注的前提性因素,國內外相關研究與應用中目前的主要關注點仍主要集中于衛星定位的技術適應度匹配(如解決信號遮蔽、多徑及弱信號環境下的定位服務可用性問題)及其與列車控制安全苛求特征的關聯銜接,對定位安全性的考慮尚處于功能安全范疇,未進一步深入觸及衛星導航自身脆弱性導致的信息安全風險及有效防護層面。鑒于衛星定位需從開放空間獲取衛星信號進而實施信號捕獲及解算的本體機制,且鐵路運輸所面臨社會環境、空間電磁環境日益復雜,來自鐵路沿線及周邊設施的無意電磁干擾,如電氣化鐵路高壓接觸網的電磁場干擾、民用設施對衛星導航信號的同頻干擾等,以及不法分子的主動干擾壓制、蓄意欺騙攻擊等,均會對列車自主定位的安全性造成嚴重威脅,衛星導航干擾裝置的小型化、成本低廉化、應用隱蔽化,進一步加劇了信息安全層面的風險。為此,在多層域針對性構建干擾攻擊的主動檢測與彈性定位機制,注重實現干擾防護成本效益的均衡優化,已成為有效推進列控系統自主定位的安全加固、前瞻性布局新型列車控制系統安全保障體系的迫切需要。人工智能技術近年來得到快速發展,將數據驅動思想與物理機理相融合,將有望在復雜環境下列車自主定位的功能安全/信息安全雙重防護中發揮重要作用。

4.4 跨層協同全息感知

現有自主定位融合研究側重于在測速定位狀態域層次,集中于列車載體的運動特征及過程的自主感知,針對列車間追蹤邏輯判別與控制決策等傳統列車控制功能具有局域適用性。然而,未來新型的列車控制系統,為了進一步防護除追蹤前車之外的人、車、物的安全風險,將更加強調列車與環境間耦合關系的掌握。現有列車自主定位在感知的“全息化水平”方面尚有待提升,這一方面體現在感知量覆蓋范圍的片面性和聚焦性,從更深的層次來看,還體現在列車、軌道、環境3個層次之間感知能力的相對獨立性,未能有效在不同層次之間建立起緊密深入的耦合關聯關系。未來有望在列車自身運行狀態之外,進一步關聯演進“跨層全息感知”能力,通過更廣域的傳感、更智能的處理、更精準的決策,支撐列車控制系統能夠對“車-路-環”多層級特征以更優的精度、廣度、深度進行匯聚、識別與理解,實現多模態感知資源優勢的深度轉化,支撐列控系統“重構”和“再造”對物理世界中態勢與風險的全面認知,滿足主動、全面掌握列車內外部運行態勢的需求。

4.5 專用標準規范體系

當前,衛星導航鐵路安全應用領域尚無相應標準規范,美國、歐盟及我國均在列控系統自主定位的性能指標參數映射關系、性能評估、仿真測試場景建模、測試案例生成等開展了相關研究,然而,尚未從列控系統層面構建與之配套的規范體系,對衛星導航系統的引入及合理運用形成統一約定。伴隨新型列控系統進程的不斷推進,未來有望結合系統研發與應用,構建適于我國北斗列控系統應用的專用標準規范。在此基礎上,考慮到在鐵路現場開展試驗費用昂貴、安全風險高、消耗設備代價巨大、影響安全生產,且重復測試難以實現,將基于鐵路專用儀器裝置的零現場仿真測試與現場測試相結合,通過平行映射、虛實交融,構建基于完備測試場景的鐵路專用定位測試環境已成為必然趨勢。以標準規范體系為基礎,注重對新型列控系統的全生命周期支撐作用,面向概念驗證、系統設計、裝備研制、測試評估、運用維護等各個生命周期環節提供全方位的測試服務,將進一步強化北斗在鐵路安全領域的應用條件并推動鐵路專用北斗時空綜合服務體系的構建與發展,打造北斗導航系統在鐵路行業應用自主資源、自有技術、自造裝備三位一體效應。

5 結束語

在以全面感知、融合處理、主動學習、科學決策為特征的智能鐵路發展模式下,以北斗為代表的衛星導航系統在鐵路行業的應用發展,已成為新時代交通強國建設的一項重要內容。列車運行控制作為關乎行車安全與運營效率的關鍵鐵路裝備,引入衛星定位能夠形成列車控制系統車載自主化的顯著效益,已成為國內外一致的前沿路線和發展方向。近年來,基于衛星導航系統實施列車自主定位已逐步由策略思路走向應用實踐,各類多源輔助衛星定位的架構不斷涌現,更多衛星定位驅動的列車自主安全定位體系設計及應用探索已處于快速發展和不斷完善中,以衛星定位為基礎、綜合運用多種軟硬件資源、先進的信息處理方法,將是突破軌旁少維護、架構可伸縮、風險可防護的列車安全控制難題的關鍵手段。可以預見的是,基于衛星導航的自主定位及泛化感知將在新型智能鐵路系統領域實現更為廣泛和重要的應用,在鐵路專用北斗PNT體系發展及交通強國建設中發揮不可替代的關鍵作用。