| 标题 | 基于卫星导航的列车组合定位技术研究进展 |
| 范文 | 沙聪雪 摘 要：为探讨如何提高列车测速定位的精度与可靠性，本文对近年来轨道交通领域基于卫星导航的列车组合定位技术的研究进展进行了说明。本文首先阐述了列车组合定位技术的基本原理和常规系统构造，然后将各国在列车组合定位技术方面的发展历程及研究成果进行了比对分析，并着重对我国的研究现状进行了分析探讨，以期为促进我国轨道交通事业的发展提供一定参考。 关键词：卫星导航；列车；组合定位；轨道交通 中图分类号：U284 文献标志码：A 0 引言 在当今的城市交通系统、区域综合交通系统和国家综合交通运输体系中，轨道交通系统都发挥着重要的骨干作用。由于轨道交通系统具有运量大、占地少、单位运量能耗小、污染小和安全等诸多优点，目前世界各国均将轨道交通的建设作为其综合交通系统建设中的重点。 列车测速定位技术是列车运行自动控制系统的关键技术之一，目前常用的列车定位方式有：基于轨道电路的列车定位、基于查詢/应答器的列车定位以及基于卫星系统的列车定位等。其中基于轨道电路的列车定位方法其定位精度较低；基于应答器的列车定位方法成本高、维护不易；基于卫星系统的列车定位当列车进入隧道、山区、森林等地时信号易被遮挡而无法定位，并且在并行线路上易发生认错股道的现象。因此，如何进一步提高列车测速定位的精度和可靠度，成为国内外轨道交通领域的重点研究课题，也是摆在我国铁路发展面前的一项重要任务。 基于卫星导航的列车组合定位技术利用各个定位方式的优势进行互补，根据不同的环境和条件选择适当的组合方案和信息融合算法，可大大提高列车定位的精度和可靠度。本文分析了近年来基于卫星导航的列车组合定位技术的研究现状和发展趋势，旨在为研究列车定位技术提供一定的理论参考和方式借鉴。 1 基于卫星导航的列车组合定位技术研究 基于卫星导航的列车组合定位技术将GPS接收机、里程计等车载定位设备提供的多个定位信息数据基于Kalman滤波等方式进行融合，以获取列车位置、速度等运行状态参量，可有效提高对列车跟踪或状态估计的精度。 1.1 定位方式 基于卫星导航的列车组合定位技术的定位方式主要包括：（1）GPS/北斗/GSM/CDMA的无线组合定位；（2）GPS和车载多传感器的组合定位；（3）GPS和轨旁设备（应答器/轨道电路/感应线圈）的组合定位。 GPS/北斗/GSM/CDMA的无线组合定位是利用多种无线定位手段组合，提高定位精度。如武汉中国光谷信息产业股份有限公司研发的车载GPS+CDMA复合定位终端，其以GIS平台为基础，以GPS、GPSOne、CDMA定位方法为核心，使得移动终端获取与当前位置相关的信息。系统同时从GPS卫星和CDMA 1X网络收集测量数据，然后通过组合这些数据生成精确的三维定位。 GPS和车载多传感器的组合定位是最常用的组合定位方式，其中车载多传感器一般选用加速度计、陀螺仪、速度计等。如美国Sandor Wayne Shapery研发的一种列车在线定位系统，系统采用惯性器件作为基本定位传感器，GPS用于对惯性定位误差进行离散校正，并对惯性器件定位结果的误差及不确定性进行约束。 GPS和轨旁设备组合定位是在GPS信号未覆盖区域设置轨旁设备辅助定位，以实现GPS覆盖区和非覆盖区的无缝连续定位。如日本信号公司研发的一种车载系统，相关专利JP特开2009—298309A，其利用GPS进行定位，并通过读取地面应答器信息辅助列车定位。 1.2 系统构成 基于卫星导航的列车组合定位系统一般包括4部分：（1）输入层；（2）故障检测与隔离层；（3）数据融合层；（4）输出层。输入层采用GPS接收机、惯性测量单元等组成数据通道，完成数据采集输入并实现测量冗余。故障检测与隔离层对各个定位通道的传感器数据进行故障检测，一旦检测到故障后，立即采用相应隔离策略进行故障隔离，保证组合定位的有效性和可靠性。数据融合层根据系统需求采用一定的数据融合算法对不同数据通道的定位信息进行融合计算，给出最准确的定位输出信息。输出层则利用数字轨道地图进行比较，给出地图匹配后的最后定位输出信息。 2 基于卫星导航的列车组合定位技术的应用 在20世纪90年代中期国内外专家对80年代开发的ATCS系统列控功能的不足进行了补充完善，采用无线网络和卫星定位技术确定列车相对于轨旁设备的位置，降低了建设成本和维护费用，自此国内外专家学者开始对低成本的GPS列车组合定位技术进行深入研究，以提高GPS定位的准确性。2003年5月起，国内外学者研究将粗大误差检测、平滑等方法用于GPS数据处理，并成功应用于WCRM（West Coast Route Modernization Program）项目，经过十几年的发展，GPS列车组合定位技术迈入了新的阶段。 2.1 各国研究状况简析 基于卫星导航的列车组合定位技术主要集中在日本、中国、美国等国家，日本居于首位，这主要和日本的国情有关，日本土地资源匮乏，人口密度较大，而轨道交通具备运送量大、快速、低能耗和污染小等优点，可以缓解日本城市交通压力和解决能源、污染等问题。因此，日本对轨道交通的建设和完善较为重视。 日本从1993年便开始了卫星导航的列车组合定位技术的相关研究，但是因为该阶段日本的国内经济不够景气研究成果较少。自2002年以来，日本挣脱了长期萧条步入复苏阶段，在列车组合定位技术方面的研究也逐渐起步，其中三菱电机公司、大同信号公司、日立电子公司、日本信号公司等成果显著，成了日本轨道交通技术领域的重要企业，它们申请的专利主要涉及基于GPS的多传感器数据融合定位等。 GPS技术起源于美国，因此，在GPS列车组合定位这一领域美国的申请量自然是名列前茅。不过美国交通较依赖于小型车辆，对轨道交通的需求较之日本、中国并没有那么强烈，美国在技术发展初期相关专利申请较多，技术发展一段时间后专利申请较少。美国GEN通用公司掌握这一领域的重要技术和专利，其开发了基于GPS定位和铁路综合数字移动通信系统GSM-R的增强型列车控制系统ITCS，实现了列车运行控制。 我国土地广阔，人口密度大，轨道交通建设是我国经济建设的重要领域。下面对我国在基于卫星导航的列车组合定位技术方面的研究现状进行简析。 2.2 我国的研究现状 国内对卫星导航定位技术研究起步相对较晚，我国早期建设的铁路甚至没有卫星定位所需的数字地图。国务院2004年1月通过了《中长期铁路网规划》，确定了我国铁路的发展目标，2004年以后相关专利申请量开始有了逐步提升，在国家基金项目的扶持下，我国完善了轨道数字地图，将卫星导航组合定位技术结合到我国的CTCS系列通信列车上，并在组合定位的算法融合、数据处理等方面提出了很多创新性的技术方案。 在国内各研究机构中北京交通大学在列车组合定位技术方面成果显著，北京交通大学依托铁道部科技开发计划等国家基金项目，人才、技术和资金等各方面资源都很充足，其中北京交通大学的王剑、蔡伯根等带领的学术团队，在GPS组合定位系统设计、组合定位深耦合定位算法研究方面都提出了很多创新性的思路。除此以外，西安交通大学、兰州交通大学以及南京理工大学等以各自的强势学科为依托，以系统硬件布置和算法设计为切入口，整合控制技术和数据处理等技术，也获得了相应技术分支的研究成果。株洲南车等国内企业则更注重将理论与技术应用到实际的产品中，取得了良好的经济和社会效益。 2.3 基于卫星导航的列车组合定位技术发展路线 基于卫星导航的列车组合定位技术最初采用速度计与GPS进行切换方式的简单组合，例如1996年的日本专利JP特开平8-86853A、1999年的美国专利US6377215B1。或者是为了弥补GPS信号易被遮挡等缺陷，在GPS信号非覆盖区域设置应答器等轨旁设备，如2000年日本专利JP特开2000-229571A。而后逐渐发展到多传感器与GPS的信息融合式组合定位，例如2004年美国专利US2004/0140405A1、2005年美国专利US2005/0065726A1。为了更精确地定位出列车所在的轨道区段，以降低轨道电路等轨旁设备的建设成本，专家们对定位数据与数字轨道地图的匹配作了进一步研究，例如2009年专利CN101357644A、专利CN101357643A，2010年日本专利JP特开2010-234979A，2012年美国专利US8688297B2。随着北斗等衛星导航系统的逐渐完善，专家学者们对比分析各个卫星系统定位的差异性，提出了GPS/北斗/GSM/CDMA无线组合定位方式，例如2005年国内专利CN1632611A、2015年国内专利CN104933845A、2017年国内专利CN107662624A。 结语 在经历了从20世纪90年代起从无到有、从萌芽到飞速发展的阶段之后，基于卫星导航的列车组合定位技术逐渐成熟，而且在发展早期，一些跨国企业诸如通用、西门子等走在了技术前列，它们的不少相关专利申请为该领域奠定了最初的技术基础，且技术创新水平较高。与此同时，国内的应用技术研究近几年正如火如荼地进行着，相关专利申请数量也在近些年呈现出较快的增长态势。 基于卫星系统的列车组合定位能够有效提高运输效率、降低运营和维护成本，为我国大量存在的低密度线路提供有效的系统方案。经过十余年的努力，我国在轨道交通技术方面已经做出了巨大的努力并取得了一定成绩，虽然与国外相比还存在着一定的差距，但是只要在学习国外先进技术的基础上不断坚持创新技术的开发，中国在未来的铁路交通技术领域必将占据重要地位。 参考文献 [1]必群恩.上海轨道交通车辆运行和检修和质量管理[J].城市交通，2004，18（5）：15-18. [2]王剑.基于GNSS的列车定位方法研究[D].北京：北京交通大学，2007. [3]Urs Müller， Ra1ph Glaus， Gerard Peels，etal. Preeise Rail Track Surveying[J].GPS World， 2004. [4]Heggestead R E.ITCS WILL ALLOW DETROIT-CHICAGO SPEED-UP[J].Railway Gazette International，1996，152（9）：2. [5]石建强.基于GNSS与IMU的现代有轨电车组合定位方法研究[J].铁道科学与工程学报，2018，15（6）：1578-1585. |
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