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2013 IEEE智能车辆研讨会（四）

六月23-26日，2013，黄金海岸，澳大利亚

基于北斗导航卫星系统（BDS）的列车碰撞预警定位分析

刘江, 蔡百根, 王健

摘要—在对列车碰撞预警系统(TCEWS)进行探索和发展的基础上，高速列车运行在铁路信号系统上的安全保障覆盖已成为现实。随着北斗导航卫星系统(BDS)的迅速发展，精确和有效的卫星导航促使铁路运输发生了一场革命。全球导航卫星系统(GNSS)被公认为是基于位置的铁路应用系统中最自主、最灵活、最经济的选择。然而，在列车碰撞预警系统试验中，基于BDS定位的现场经验表明，在实际应用中应考虑几个问题。根据实验要求，本文分析了基于BDS的列车碰撞预警系统方案的几个要点.。并与BDS和GPS支持的列车碰撞系统的现场试验结果进行了比较和讨论，证明了BDS在这种新型安全系统中的巨大潜力。

1. 导言

近年来，我国铁路运输经历了一个快速发展和创新的时期。应用新技术的研究与开发活动是智能铁路运输系统(ITS-R)的一个重要发展方向[1]。现代铁路信号系统(如基于通信的列车控制系统，CBTC)是高安全完整性水平而设计的，其中大多数安全风险因素都已被考虑在内。 确保安全、高效、可靠的列车运行控制功能。我国已经有了标准的CTCS(中国列车控制系统)方案[2]。尽管如此，系统故障和不确定性引起的故障仍然存在，可能导致列车碰撞事故和重伤。因此，具体的碰撞警告措施，如铁路避碰系统、铁路避碰系统和防撞系统为现有的铁路信号系统特别是高速铁路线路提供安全覆盖具有重要意义。

*本研究得到中国博士后科学基金资助项(2011M5002192012T50037)、铁道部技术研究与发展项目(2012X010-F)的资助。 ，美国高等教育博士专业研究基金(20120009110029)。

刘江是北京交通大学电子与信息工程学院的教授(电邮：jiangl@m.bjtu.edu.cn)。

蔡百根是北京交通大学电子与信息工程学院的教授(电邮：bgcai@bjtu.edu.cn)。

王健是北京交通大学电子与信息工程学院的教授(电邮：wangj@bjtu.edu.cn)。

2011中国铁路提出了铁路列车碰撞预警系统（TCEWS）的概念，为现有的列车和地面结构提供了更多的设备。动态列车状态信息，尤其是列车位置信息，是支持安全相关服务的重要基础要素。考虑到独立性要求，这是就是TCEWS最重要因素的之一。 目前铁路信号系统(如Balise和轨道电路)所采用的列车定位方法不能用来构造TCEWS体系结构。卫星导航由于其良好的定位性能、成本效率和覆盖能力，为TCEWS提供了另一种有效的选择。当前全球导航卫星系统 (GNSS)，包括GPS和GLONASS，在与安全有关的铁路应用方面具有巨大潜力[6]。此外，这几年北斗导航卫星系统(BDS)正在中国迅速发展[7]。这就促进了在TCEWS中独立使用BDS的巨大潜力和可行性，具有更强的兼容性。

全球北斗系统的空间星座由五颗地球静止轨道（GEO）卫星、二十七颗中等地球轨道（MEO）卫星和三颗倾斜地球同步(IGSO)卫星组成[8]。到2012年，轨道上已经有5颗GEO卫星、4颗MEO卫星和5颗IGSO卫星，BDS已经正式宣布能够为大部分亚太地区提供本地服务。尽管BDS系统和相应的接收技术仍有改进的空间，但它被认为在许多应用领域得到了重要应用，包括公路运输、渔业、救灾等。由于其具有良好的定位能力和短消息通信技术，所以BDS在协助各种铁路应用方面有巨大潜力[9]，特别是列车碰撞预警。随着地方期刊系统的建成，铁路运输领域对此的研究越来越受到人们的重视。基于BDS的TCEWS在实际现场环境中的应用经验，并与GPS进行了比较，说明了基于BDS的列车碰撞预警系统的可行性和可行性。

本文的其余部分如下。在第二节介绍了铁路应用商业发展战略的一些重要方面之后，第三节和第四节分析了更显著的性能要求和问题。接下来，BDS的原理和架构为基础介绍了列车碰撞预警。第六部分总结了BDS的现场测试结果，第七章总结全文。

1. 铁路应用的BDS定位、

在基于BDS的铁路应用中，来自BDS接收器的信息被用来定位运行中的列车，甚至在高速水平达350公里/小时。利用BDS作为主要的位置信息资源，可以带来许多好处，以减轻对性能和系统成本的要求。首先，BDS系统能够为局部定位服务提供足够的导航卫星。由于它与GPS和其他GNSS系统的兼容性，因此可以通过更充分的空间信号可用性来保证列车定位的性能。其次，由于BDS的自主能力，需要最少的位置相关的轨道侧设备。列车上的位置确定单位将被允许减轻对 在Balise空间的约束。车载设备采用高频BDS输出来校准轮速传感器的误差，仅在车载计算机上的软件即可实现。这样，核心策略的调整将更加灵活有效，系统建设和维护工作的成本将大大降低。此外，作为关键 TCEWS原理，可以实现对现有列车控制系统设备的独立性。

由于基于列车碰撞预警应用BDS的灵活性，不同定位的解决方案可以由车载子系统采用。根据电子航迹图的结构和定位辅助模式，在系统设计和运行中，可提供两种典型的解决方案。

• 直接定位：在这种情况下，车载计算机通过融合BDS位置信息，直接校准速度传感器的测向结果。

（AM）对每个传感器融合结果进行生成，在航迹坐标系中生成一维位置确定。

• 兼容定位：采用传统的基于Balise的列车定位方案，采用一种兼容的方法，用“虚拟Balise(VB)”机制代替Balise。当使用地图定义的VB采集到列车时，就会触发测定仪校准，以减少累积误差。

三、基于BDS的列车性能要求

碰撞警告定位

无论在TCEWS的设计中采用哪种定位解决方案，明确的性能需求定义对于该应用都是非常必要和有意义的。对于基于BDS的列车定位逻辑和设备的设计和优化，尽管可能存在许多约束条件，包括设备性能、安装条件或环境因素，在实现列车碰撞预警和在列车运行中提供覆盖安全服务上，应考虑一些问题。

精度：为了校准车轮滑移/滑动和车轮直径误差所产生的轮速传感器累积误差，BDS定位应达到较高的精度水平，以提高整个定位单元的可接受精度。准确性是影响正确性的一个重要的基本因素。倾注精度满意导致列车在运行中安全状况的漏检，这可能使TCEWS失去其功能。

完整性：由于BDS与安全相关的应用决定了司机避免碰撞的操作，因此保持完整性监控能力对于故障检测和防止漏检具有重要意义。在位置确定单元和数据处理逻辑中对任何性能异常或故障/故障事件进行检测。完整性监测应与传感器融合和地图辅助过程相结合，并具有正确和快速的反应能力。

连续性和可用性：TCEWS中基于BDS的位置确定需要很高的概率，在规定的条件下使用时，该单元以满足特定精度和完整性要求的方式确定列车位置。它是影响整个系统碰撞预警功能可用性的决定性因素。

由于TCEWS对应的列车运行安全，尤其是在铁路信号系统中某些紧急情况时故障或存在故障时，BDS用来取代传统的列车定位措施，考虑RAMS(可靠性、可用性、可维护性和安全性)性能是非常重要的。必须明确基于BDS的系统方案与其他方案之间的区别。针对BDS项目的现状，必须将系统结构、性能水平和覆盖特性转化为系统阶段的唯一标志。因此，可以对BDS耦合在列车碰撞预警应用中的影响进行相应的评价。

四、基于BDS的列车定位问题

虽然列车定位中可能存在列车与地面通信的延迟等问题，但基于BDS的列车定位的主要缺点是BDS本身的性能，其准确度水平特别重要。首先，基于BDS的列车定位精度受到信号空间可用性的影响。作为全球导航卫星系统普遍存在的定位问题， 在没有卫星视线或信号微弱的地方，卫星信号的可用性是在某些具有挑战性的列车运行条件下)的一个显著问题，如隧道、森林、山脉等。由于BDS卫星还没有完成全球覆盖，所以我们应该高度关注BDS设备的使用。其次，基于BDS的列车定位精度是建立在正确识别轨道占用率的基础上的.许多高速铁路都有双线，而车站区域有几条平行轨道。为了实现对列车安全的有效感知，要求基于轨道占用确定的正确性来确定列车的位置精度，这也给BDS带来了困难。

图1 站区卫星信号利用率的影响

图1给出了一个火车站的实例，说明站台区域内天篷的影响，降低了卫星信号的可用性和定位精度。图2给出了在铁路线路段和站轨道中占用的轨道的正确和错误的标识，其中，在喉部区域的开关中说明了不正确的航迹识别的例子。左图解释了地图匹配原理在航迹识别中的应用。

图2 在线路区段和车站区域内跟踪占用的标识

很明显，BDS定位精度将受到列车运行环境的高度限制，因信号阻塞造成的误差超过60米的，不为铁路安全应用所接受。一般情况下，平行轨道之间的距离为5米，开关区的距离甚至更低。轨道占用率识别的正确性要求有可靠的位置精度水平，至少要比间隔的一半好。然而，在大多数时候，这是不容易实现的。表1显示了GPS和BDS系统及其标准性能的比较。

完整性是决定TCEWS中位置服务的另一个重要因素，它提供了对BDS位置输出的信任描述。常用卫星增强系统(SBAS)，如EGNOS或WAAS，是鼓励系统完整性评估的有效选择，但它们不是为BDS应用而设计的。对于当地健全的政策，RAIM（接收机自动完好监视）技术为完整性监测提供了有效的解决方案，并在一些研究工作中得到了广泛的应用[13，14]。因为SBAS和RAIM 目前还没有BDS接收机应用程序，应制定其他措施，以提供BDS及其整合形式的完整性。通过对定位精度和完整性的比较满意，使BDS定位在列车碰撞态势评估和避碰应用中的连续性和有效性的实现得以保证。

1. 基于地点的列车碰撞预警

在分析性能要求的基础上，设计了基于位置的卫星导航列车碰撞预警系统，以避免相邻追踪列车之间的碰撞。列车动态距离感知作为实现碰撞预警的核心功能，是实现碰撞预警的决定性因素。定位单元的位置提供了计算距离的直接参考。因此，在系统设计中，列车配备了精确的位置确定装置，通过无线方式向地面控制中心实时生成定位报告。 随着中心设备中的状态感知更新，碰撞警告信息被发送到以下列车并发送给司机。为了应付不同的突发情况，提高安全保障能力，列车间实际间隔由水平保护水平(HPE)计算出的安全距离来代替，它是通过位置信息处理估计的水平位置误差(HPE)的上限。图3所示基于位置信息的列车碰撞预警原理.

图3 基于位置的列车碰撞预警原理

通过比较，可以看出，BDS卫星数量不足以满足全球业务的要求，但已达到了与GPS相同的标准定位精度。然而，这两种全球导航卫星系统都不能满足上述航迹识别的精度要求。为了提高GPS在铁路安全方面的应用中的警服，如列车控制系统的应用。 在青藏铁路上成功地实现了差分GPS技术.。差分BDS技术尚未在实际的BDS接收机产品中实现，目前还处于发展探索阶段[10，11]。BDS与惯性导航的集成是补偿卫星信号不可用性的有效方法[12]，但精度要求不能满足要求。此外，对于BDS接收机和算法设计中的一些具体问题，如时钟偏置、信号传播延迟和多径效应，还没有进行建模。

作为TCEWS的基本设计，TCEWS由车载子系统和轨道侧子系统两部分组成.。由于定位的自主性，车载设备的设计与普通系统不同，位置确定和消息交换是实现安全警报功能的两个主要支持问题。TCEWS是独立于CTSC的车载设备。 空间与特定的天线，LDU（位置确定单元），钨铜（无线通信单元），OBC（车载电脑）和一个额外的DMI（人机界面）。机载子系统的结构如图4所示。

图4 TCEWS机载设备的结构

LDU从定位传感器收集冗余测量，包括GNSS接收机、陀螺仪和车轮速度传感器。为达到测试目的，BDS和GPS接收机都配备了原型开发，它们共享来自火车载屋顶天线的信号。该过程涉及的信息从轨道地图数据库辅助传感器，并产生位置报告消息。WCU支持车载设备与地面中心之间的通信，通过该通信机制将警报消息传递给DMI驱动程序。OBC中使用的位置确定逻辑是产生基本位置信息的核心。在LDU设计中，基于单模式的GNSS定位和集成模式的不同，将导致OBC中使用的特定逻辑。基于BDS的LDU配置与GPS接收机的配置对应着相同的OBC处理逻辑，用于现场试验的原型。

1. BDS实现的测试分析

2012年在武汉-宜昌铁路研制并连续测试了一个地面中心和4个车载设备TCEWS原型。这次试验由铁道部组织的试验，采用两列200公里/小时(高达250公里/小时的CRH-5高速列车，两端都装有TCEWS

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