卫星导航在铁路列控系统中的应用评价研究

贾云光

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

近年来，铁路快速发展，世界各国兴起了新一轮铁路建设高潮，信号系统作为确保铁路安全的重要产品迎来了新的机遇和挑战，以卫星定位技术为代表的新一代列控技术逐步显现。

1.1 列控系统既有定位系统

当前为铁路列控系统提供测速测距服务的是一套组合的多维的测速测距系统，包含了速度传感器、测速雷达、加速度传感器、应答器、轨道电路、计轴器等[1-2]，通过以上几种的组合为列控车载系统提供高安全测速测距功能，保障了列车的安全。

目前，列控系统应用中，任何一种单一的传感器都无法满足当前列控系统中安全测速测距的实现，因此造成铁路列控系统测速测距成本代价高昂。

为此，基于卫星定位的车载定位测速测距技术在欧洲、美国、俄罗斯等地区与国家已经进行了大量的研究、试验，并已经成功投入商业运用，形成了一系列经验，但对于列控测速测距的安全应用缺乏一套完整的评价体系。

1.2 卫星定位系统在列控系统中的角色定位

卫星定位技术主要是提供地面交通运输、海洋渔业等地面设备定位的装备[3]，对于铁路列控系统，其中一项核心的功能便是获得安全、精确的列车位置，为列车提供安全的控制基础，如图1 所示。

图1 卫星定位导航系统与列控定位系统的关系Fig.1 Relationship between satellite positioning navigation system and train control positioning system

既有列车定位技术能够为列控系统提供安全可靠的定位技术，并满足SIL4 的要求。北斗卫星定位系统引入列控系统无疑能给列车定位带来新的选择，并具备一系列优点。但也存在一系列限制因素，这些因素制约了卫星定位技术在列控系统的应用。目前针对卫星是否适合列控系统，一直没有明确应用评价体系来评估某条线路的列控系统是否适用卫星定位系统。

就铁路列控系统而言，有一系列的标准和指标来衡量其能否进行安全应用。但在北斗卫星定位领域、也有一系列的指标来衡量其自身的性能。但是这两者之间是否存在差异，指标是否能够匹配铁路列控系统需要进行探讨。

本文通过结合卫星定位的特点、列控系统定位的要求以及用户要求等，分析卫星定位系统在列控系统中的适用性以及如何进行评价。

1.3 铁路测速测距装备与卫星定位差异概述

任何测速测距子系统都不能100%保障列车定位的安全性和可靠性，列控测速测距子系统也是如此。为保证列控安全，列控测速测距要求获得SIL4[4]的安全性，SIL4 级实际上表示定位性能不满足的概率在10-9～10-8之间。基于概率基础上的统计，卫星定位来评估其定位的精度，因此卫星定位可以用于列控车载设备的SIL 等级计算。但是两者由于原理的不同带来不同的应用条件，只有充分评估相关的应用条件，才能充分确定卫星定位在列控系统中的应用,如表1 所示。

表1 卫星定位与列控其他测速定位的对比Tab.1 Comparisons between satellite positioning and other speed measurement of train control

从表1 对比可以看出，速度传感器、雷达、应答器3 种定位设备均存在无法解决的影响定位精度和误差的问题。但均通过一定方法获得了最大安全阈值，保证定位的安全。但这种定位阈值也是依赖于外部条件的，例如，雷达也依赖轨道条件、天气因素等。

卫星定位系统应用于列车定位也存在上述问题，但卫星定位的最大问题在于铁路环境的复杂性，其中最主要的是在长大隧道情况下，无法收到卫星信号，即无法提供定位服务，这与其他3 种测速测距装置存在最大的不同。

2 卫星定位的特点及用户指标的提出

2.1 线路环境适用性指标

卫星定位系统一般由3 部分组成：空间部分、地面部分和用户部分。空间部分指天空运行的卫星；地面部分主要用于对天空运行的卫星进行监控和信息注入；用户部分主要是指为用户提供定位信息的接收机等设备。空间部分以及地面部分一般由国家投入建设与运营，并向公众开发信息，用户部分主要面向各种不同的用户[5]。

因此，卫星定位系统对于一般用户来说，空间部分、地面部分是不需要用户投入成本的，用户只需要关注接收机或者建设差分基站的成本，这就为卫星定位在列控系统的应用方面提供了成本的优势。

由于卫星定位是靠地面接收机捕获卫星发射的信号产生定位的，这为卫星定位的使用带来限制条件，卫星定位系统天空发射的频率主要 1.2 ～2.5 GHz 之间，该频率的信号容易形成反射、对遮挡较为敏感，在遮挡区域，用户设备基本失去定位功能，对于用户来讲主要影响定位的限制性因素有如下几方面[6]。

1）天气因素:电离层延时；对流层延时。

2）地形因素:隧道因素、多山、森林。

鉴于此，对于铁路列控系统在应用卫星定位系统来说，就产生了第一个指标，将之概括为：线路环境适应性评价指标，该指标用于评估线路是否适合应用卫星定位系统。

线路环境适应指标之所以重要是因为它决定卫星定位系统在铁路列控系统应用前提条件，例如，在全是隧道的铁路条件下，卫星定位系统就失去应用的价值。在应用该指标时，定义如下两个参数作为评估具体值。

其中， Tshaded为列车通过时遮挡的时间， Lshaded为线路最大遮挡物的长度， sshaded为列车通过遮挡物时列车所运行的速度。

Rshaded为线路的遮挡百分比， Lm为线路遮挡总长度， L 为线路总长度。

单体物理遮挡率的阈值根据线路闭塞方式、系统参数来确定，线路遮挡率通过线路测试确定，阈值一般不能超过40%，需要根据用户要求的性能确定。

2.2 线路定位精度指标

从用户的角度来将，除了线路环境适应性指标外，更希望关心定位的准确性，希望在使用卫星定位系统后，其定位准确性能够满足用户的需求。从定位准确性的角度来说，脱离用户的实际需求是没有意义的，因此本指标是在用户的需求的背景下提出的，如果用户在实际应用中对定位准确性要求特别高，那么定位对环境的要求就会急剧提高，对定位的安全性、可靠性要求也急剧提高。

因此，使用线路定位精度指标来表述线路定位精度指标，与评估卫星定位的指标相似，本指标应有使用根据线路的运营间隔、疏密等合理提出对定位精度的要求，从而确立对卫星定位系统的应用评价，对于不符合线路定位需求的卫星定位设备，则不宜采用。

线路定位精度指标从用户实际应用来说，主要有两个方面的指标：定位准确性和定位一致性。

定位准确性，是用户要求设备定位与实际测量的线路的偏差限于一定的限制值，其可以用公式（3）表示。

根据当前铁路建设两条并行铁轨之间的最小间距要求，一般不应该超过4 m，因此，有Δε＜4。

其 中， D2(LonS, Lats, Alts) 为 真 实 点 坐 标， D1(Lon1, Lat1, Alt1)为测量点坐标。

定位一致性，是用户要求定位设备自定位点连续定位所的点与测量的偏差的一致性。数学上，方差用于衡量随机变量或一组数据的离散程度，因此可以用方差指标来评估一致性。一致性越好，说明测量点一定时间内落入Δε 为圆的范围内的测量点数越高，也说明其可靠性和安全越好。因此精度一致性也用圆概率，标准方差来衡量。比如，精度为1.5 m 的接收机，其精度1.5 m 一般是指的是1 σ标准差标准条件下的概率。

3 铁路RAMS评价与卫星定位指标性应用评价形成

铁路列控系统应遵循“故障―安全”理念，采用RAMS 评估体系[7]，列控车载系统需要符合如下要求[8]：

1） 车载设备的设计、 实现过程应符合EN50126、EN50128、EN50129 以 及TB/T2615-94 的相关要求；

2） 车载设备平均无故障时间（MTBF）应大于或者等于105；

3） 车载设备的安全完整性等级应达到SIL4 级的要求。

卫星定位系统，围绕精度指标，提出连续性、可用性、可维护性、完好性四大指标，这四项指标与铁路RAMS 存在不一致，因此需要分析铁路RAMS 与卫星定位指标性的差异。

3.1 RAMS与卫星定位指标的差异分析

北斗卫星导航系统引入列控系统中，将为列控系统提供定位服务，因此必须满足列控系统对于定位子系统的安全与性能要求，并满足故障导向安全原则。为实现以上目的，需要对比两者之前的差异。

3.1.1 安全完整性与完好性

既有列控系统的测速测距子系统，通过置信区间的概念实现对源自诸如速度传感器、雷达、应答器等设备引入的误差进行安全评估，置信区间是一个范围值，但该范围的安全等级要求应满足SIL4 级，即测速测距结果超出该置信区间范围导致不安全的概率在10-8～10-9之间，由此可见，既有测速测距系统的安全性评估指标本质上也是一种概率事件。

在卫星定位导航系统中，精度是通过对定位点统计得出的，通过引入圆概率或者均方根值对精度进行评估。RMS 是1 σ 标准差，概率为67%，显然1 σ 无法满足应用要求，因此需要扩大概率范围，假设为6 σ，计算如下。

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 的情况下：

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。

从概率这个概念来说，卫星定位的精度和列控置信区间具有相通性，因此，只要北斗精度概率满足一定的概率要求，可以作为参与列控车载的置信区间计算和THR 指标分配的。

3.1.2 连续性与可靠性

当前国内高铁列控系统要求的平均无故障时间MTBF 一般为大于或等于105h。这里的MTBF 是指的车设备连续工作不发生故障的概率，对于车载测速测距置信区间，其不超出置信区间连续工作时间： MTBF≥105h。

卫星导航系统的连续性是指卫星导航系统性能不满足用户使用性能的概率；因此，连续性评估的指标则为：那么不发生故障的概率为卫星导航系统的连续性指的是精度（准确性）和完好性同时满足时的连续性。

综上，北斗卫星定位连续性与车载设备的可靠性概念具有相同性，满足连续性的北斗定位系统在达到车载可靠性等级的情况下可以用于列控车载设备。但由于北斗卫星定位的连续性涉及到空间、地面设备，对于安全用户来说，不受控制的因素较多。因此，提高北斗卫星空间信号的连续性是列控车载设备使用需要考虑的问题。

3.1.3 可用性的比较

可用性是评价导航系统为运载体提供可用导航服务的时间百分比。与连续性的区别在于考虑了导航系统故障时状态，即平均恢复时间：MTTR。

在铁路RAMS 系统，也存在相应的指标来评估铁路列控产品的可用性。

由于长大隧道等对卫星定位造成的可用性也属于卫星定位可用的要素，但此处将该要素归于线路环境适用性指标评价，其余关于卫星定位设备的可用性问题就与铁路列控产品可用性问题取得一致，即用MTTR 来评估卫星定位设备在铁路列控系统的可用性问题。

3.1.4 可维护性的比较

对于卫星定位系统，由于其空间部分由相关国家建设运行和维护，因此，这部分不存在维护性问题，与用户相关的就是接收机部分的可维护性问题。

由于接收机可安装于列车上，因此其可以用铁路RAMS 指标进行评价和评估，其差异性也不存在问题。

综上，铁路RAMS 指标与卫星定位导航系统的指标存在内在联系，并可以作为技术性指标评估卫星定位在列控系统中的应用，但在应用时，需要注意内在的联系和转换。

4 卫星定位应用经济性评价

卫星定位系统应用于铁路列控车载设备最终目的，是降低列控系统定位成本，在满足定位要求的前提下降低设备维护成本。

评价卫星定位系统引入列控系统成本是否降低，最直接就是与现有的列控定位系统作比较。

现在有列控系统定位系统主要如下。

1） 速度传感器

速度传感器主要安装车辆轮轴上实现对列车速度的测量。

2） 雷达

雷达主要安装在列车底部实现对列车速度的测量。

3） 轨道电路

轨道电路主要实现对列车的占用检查，主要由轨道电路的地面设备和车载接收装置组成。

4） 应答器定位系统

应答器定位系统主要在铁路沿线布置精确定位点，通过列车安装接收设备，在列车经过地面定位点时实现对列车位置的测量。

由于卫星定位系统的引入主要用于取代轨道电路、应答器等定位装置，因此经济效益的评价主要是通过与以上系统的经济效益对比。此处拿应答器设备举例，如表2 所示。

表2 卫星定位与应答器定位系统给的设备对比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 所安装地面设备总的设备投入，y表示k km 安装车载设备的总的投入，Eco 表示该定位系统经济价值。

5 总结

综合以上论述，将卫星导航在铁路列控系统中的应用评价指标总结为4 个方面：线路环境使用性指标、线路定位精度指标、技术性指标、经济应用评价指标，如图2 所示。

图2 卫星定位应用评价指标体系Fig.2 satellite positioning application evaluation index system

通过上述4 大指标的对卫星定位技术在铁路线路的应用评估，基本可以确定卫星定位系统在某线路列控系统的应用可行性。

本文通过卫星定位在列控系统的应用评价指标的初步探讨仅停留在分析层面，未来将结合具体的项目需求进行验证和试用。同时，列控系统对安全的要求较为苛刻，因此卫星定位技术在高铁列控系统的中的应用还需要大量的实验数据进行论证。