卫星定位技术下的铁路交通管理系统

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关键词：铁路交通；管理系统；卫星定位；欧洲

现代化和创新的浪潮正在席卷铁路部门，尽管目前发生了危机，但是向更可持续的运输模式转变的需求，仍然是至关重要的。欧盟委员会决定将2021年作为欧盟的“铁路年”，可以看出已将铁路视为到2050年实现“净零排放”碳中和运输目标的支柱。欧洲铁路交通管理系统（ERTMS）仍然是通过降低成本、提高铁路服务安全性来实现这些宏观目标计划的基石。然而，近年来该系统的部署进展缓慢，面临加快实施速度的压力。其中一个促进因素是寻找降低欧洲铁路交通管理系统成本的方法。关于使用卫星定位方法替代昂贵的固定基础设施，特别是在区域线路上，已经有很多讨论。这是正在调研的扭转局势的方法之一。总体思路是将ERTMS与两个全球导航卫星系统———GPS和Galileo提供的定位工具相融合。但事实证明，现在还很难实现这种融合，部分原因是全球导航卫星系统（GNSS）服务供应方不受铁路部门的控制。一体化需要在GNSS和铁路部门之间搭建一座“桥梁”。几年来，一直在进行确定共同理念和语言、商定功能需求和分配双方安保责任的工作。ERSAT－GalileoGameChanger创新项目是这一过程的最新进展，其核心目标是提高ERTMS整体经济可持续性，特别是通过将ERTMS与GNSS以及多运营商公共电信服务相结合，鼓励在地方和区域铁路上引入ERTMS。

1虚拟应答器

为了将GNSS与ERTMS相结合，铁路部门研究了一种基于虚拟应答器概念的方法，该概念目前正在接近成熟。这可降低成本，因为虚拟应答器与基础设施本身间无需任何物理干预。虚拟应答器通过地理参考位置取代了传统的轨道安装的应答器，这样任何列车都可以计算自己的位置来检测虚拟应答器，并应用与物理应答器相同的规则。因此，虚拟应答器可以按照现有ERTMS规范操作，同时减少安装到基础设施的数量。除了ERSAT－GGC之外，正在开展一些其他研究项目，以检验虚拟应答器的潜力，包括Shift2Rail在列车定位方面的工作和欧洲航天局支持的其他几个项目。

2GNSS复杂性

依靠GNSS信号进行安全定位的困难主要是由于其质量不一致造成的，这很大程度上取决于列车和轨道周围特定的局部环境。轨道周围的局部无线电频率障碍会在卫星信号到达GNSS天线前对其阻碍、反射或干扰。由于位置是根据信号传播时间来估计的，这些现象不仅降低了位置数据的可用性，而且还会影响结果的准确性，从而影响所提供信息的总体可信度。并非所有的铁路应用都需要非常精确的定位或全套可用服务。降级的但明确定义的不准确，也可以满足一些需求。然而，与有限的不准确相关的完整性，起着关键的安全作用，信号工程师将需要开发可预测的性能模型，以便他们能够安全地制作出铁路基础设施的精确尺寸。这就需要将GNSS与信号逻辑“智能融合”，以便在不损害重要列车控制功能的情况下管理降级的卫星数据性能。

3从STARS到ERSAT

ERSAT－GGC的一个重要前身是欧盟的先进铁路信号用卫星技术（STARS）项目，该项目由Horizon2020研究项目提供资金，于2018年11月结束。STARS小组在意大利、瑞士和捷克共和国进行了几次卫星定位的实践测试。这些测试证实存在多径、非视距GNSS信号和各种形式的干扰，反映了在其他运输方式中部署卫星定位的经验。ERSAT－GGC重点关注沿着轨道本身的定位以及这些效果的识别，比STARS更进一步。该项目源于意大利基础设施管理机构RFI的工作。RFI在该领域的研究始于2012年欧洲航天局（ESA）的3InSat项目。在取得令人鼓舞的初步结果后，RFI随后在2015年推出了ERSAT（ERtms＋SATellite）项目，目的是在降低成本的同时，设法从现有基础设施中释放更多的能力。与STARS一样，ERSAT－GGC是一个Horizon2020项目，由欧洲GNSS机构GSA提供资金，并由RFL负责协调。该项目于2019年11月结束，由欧洲的14个合作伙伴执行，汇集了铁路基础设施管理者、列车运营商、检验机构、GNSS研究中心、ERTMS制造商和各种信号测试实验室。目标是巩固增强的ERTMS的功能架构，包括虚拟应答器概念，使其能够纳入GNSS定位和公共无线电TLC技术。这项研究预计将为RFI在伦巴第Novara—Rho线路首次实际部署的认证铺平道路。项目团队的核心任务包括危险分析、开发验证增强的结构的测试套件，以及开发一个将轨道区域划分为适合于定位虚拟应答器的进程。这将取决于关键局部现象的状态，如非视距信号、多径效应和射频干扰。在此之后，由一个非反对的实益拥有人（NoBo）进行最终的独立评估，为认证奠定基础。

4局部“危险事件”检测

ERSAT－GGC财团开发了一套测试系统，能够检测不同的所谓“危险事件”，如干扰、多径、非视距和屏蔽。这依赖于异构参数，以使检测更有力度。例如，可以使用GNSS参数来检测多径和非视距，如载波－噪声比（表示接收信号功率）或残差（表示卫星到接收机距离测量估计误差）。使用GNSS接收机信号处理参数（如自动增益控制）或功率频谱密度分析（使用频谱分析仪）来检测干扰。研究小组计划在列车通过测试区时记录列车上的所有“危险事件”，并根据单个运行进行分类。然后重复这一过程，以便更完整地呈现GNSS的性能。重复是很重要的，因为“危险事件”的性质可能随着卫星本身进入轨道而改变。危害检测过程的主要组成部分有：（1）基于COTS设备的测量硬件，用于获取可观测信号数据；（2）针对各种GNSS风险的不同检测技术；（3）一个处理检测结果的决策逻辑，为线路每个区段生成一个“区域分类”。该财团开发了一套软件工具包（图1）用于分析结果，然后由独立实验室进行评估，以验证其是否符合相关的功能和非功能要求。

5在西班牙和意大利的试验

在商定了方法后，项目小组随后进入了现场试验阶段，该阶段于2019年4月和5月在撒丁岛的Cagliari—SanGavino线和西班牙的Almorchón—Alhondiguilla线进行。试验运行的目的是收集数据，以及验证根据列车天线的GNSS信号质量对轨道区域进行分类的方法的能力。车顶天线与列车内部的商用GNSS接收器连接（图2）。频谱分析仪辅助了意大利的测试设备，而在西班牙，车顶上放置了一台鱼眼照相机。撒丁岛试验线是一条长50km的复线，穿过的地区大部分是乡村，可以达到150km／h的最高速度。西班牙的试验使用了Almorchon至Alhondiguilla间的96km线路，是一条二级单线，最高速度仅为70km／h。在这两条线路上每天要进行几次运行试验，以呈现GNSS信号接收的空间和时间。经过西班牙10天、意大利一周的试验后，项目小组利用软件工具包获取了足够的数据进行后期处理。这一进程深入了解了沿线的局部危险。通过每次运行试验分析，项目小组可以识别“危险事件”，然后将每条线路的区段进行分类：绿色为没有检测到影响的区段；红色为受到一些影响的区段；黄色为不确定。随着更多的试运行记录，分析倾向于减少黄色区域的数量，并提高显示为绿色或红色区域的确定性。线路区段颜色编码过程见图3。此外，合作伙伴开始更加相信GNSS分析工具包可以应用于多个地点和铁路运营条件。

6明显进展

2019年11月，ERSAT－GGC在普拉哈的GSA总部，举行了最后一次会议，总结了这个项目的主要成就。该项目已经证明，增强的ERTMS功能架构可以将虚拟应答器作为引进GNSS定位的一种节约成本的影响小的选择。定义了相关的功能和非功能测试的规范，验证了在增强的架构中增加ERTMS功能性的可能。通过定性和定量的危害分析，证实了增强的ERTMS功能架构的安全性。对铁路环境中影响GNSS功能的局部危害进行了调查，并商定了适合虚拟应答器使用的轨道区域分类方法。颜色编码分类方法减少了GNSS缺陷导致虚拟应答器位置错误不受控制的风险。这使得将GNSS定位纳入ERTMS演变的理由更加充分。增强的ERTMS功能架构、相关危害分析和轨道分类工具包均由验证机构进行了评估。这为其在RFI管理的线路区段上运营服务中的使用铺平了道路。独立评估人员确认了该方法和所用工具原理的有效性。它们可以在ERSAT－GGC项目内外使用，具有高度的灵活性和可配置性。已经完成一个演示模型，演示虚拟应答器如何在撒丁岛的卡利亚里—圣加维诺线路上放置。目前已在法国的二级线路上完成进一步的试验，以便为分类工具提供更多数据。一般来说，随着输入数据量的增加，可以确定更多的绿色区域。

7意大利领先

由于认识到泛欧更换老旧的列车控制设备的必要性，RFI公司向意大利基础设施和交通运输部提交了ERTMS全国实施计划，包括承诺在全国网络部署ERTMS。但是，基础设施经营商也承认成本因素的影响，并承诺在适当的情况下尝试更低成本的技术。在此基础上，RFI公司同意主办一个试点项目，以测试、验证和认证卫星设施在ERTMS架构中的使用。为了鼓励进一步使用卫星定位系统，GSA已邀请各方参与定制工具开发的投标，以支持卫星定位在铁路中的应用，例如车载专用接收器。同时，可期待更进一步的发展前景。欧洲航天局正在推动将欧洲地球同步导航覆盖服务（EGNOS）引入GNSS，并制定长期计划，包括研究如何将带EGNOS功能的ERTMS在欧洲发展到演示前阶段。

作者：白春玲 王其伟