衛(wèi)星定位技術(shù)下的鐵路交通管理系統(tǒng)

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關(guān)鍵詞：鐵路交通；管理系統(tǒng)；衛(wèi)星定位；歐洲

現(xiàn)代化和創(chuàng)新的浪潮正在席卷鐵路部門，盡管目前發(fā)生了危機(jī)，但是向更可持續(xù)的運(yùn)輸模式轉(zhuǎn)變的需求，仍然是至關(guān)重要的。歐盟委員會決定將2021年作為歐盟的“鐵路年”，可以看出已將鐵路視為到2050年實(shí)現(xiàn)“凈零排放”碳中和運(yùn)輸目標(biāo)的支柱。歐洲鐵路交通管理系統(tǒng)（ERTMS）仍然是通過降低成本、提高鐵路服務(wù)安全性來實(shí)現(xiàn)這些宏觀目標(biāo)計劃的基石。然而，近年來該系統(tǒng)的部署進(jìn)展緩慢，面臨加快實(shí)施速度的壓力。其中一個促進(jìn)因素是尋找降低歐洲鐵路交通管理系統(tǒng)成本的方法。關(guān)于使用衛(wèi)星定位方法替代昂貴的固定基礎(chǔ)設(shè)施，特別是在區(qū)域線路上，已經(jīng)有很多討論。這是正在調(diào)研的扭轉(zhuǎn)局勢的方法之一。總體思路是將ERTMS與兩個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)———GPS和Galileo提供的定位工具相融合。但事實(shí)證明，現(xiàn)在還很難實(shí)現(xiàn)這種融合，部分原因是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）服務(wù)供應(yīng)方不受鐵路部門的控制。一體化需要在GNSS和鐵路部門之間搭建一座“橋梁”。幾年來，一直在進(jìn)行確定共同理念和語言、商定功能需求和分配雙方安保責(zé)任的工作。ERSAT－GalileoGameChanger創(chuàng)新項目是這一過程的最新進(jìn)展，其核心目標(biāo)是提高ERTMS整體經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性，特別是通過將ERTMS與GNSS以及多運(yùn)營商公共電信服務(wù)相結(jié)合，鼓勵在地方和區(qū)域鐵路上引入ERTMS。

1虛擬應(yīng)答器

為了將GNSS與ERTMS相結(jié)合，鐵路部門研究了一種基于虛擬應(yīng)答器概念的方法，該概念目前正在接近成熟。這可降低成本，因?yàn)樘摂M應(yīng)答器與基礎(chǔ)設(shè)施本身間無需任何物理干預(yù)。虛擬應(yīng)答器通過地理參考位置取代了傳統(tǒng)的軌道安裝的應(yīng)答器，這樣任何列車都可以計算自己的位置來檢測虛擬應(yīng)答器，并應(yīng)用與物理應(yīng)答器相同的規(guī)則。因此，虛擬應(yīng)答器可以按照現(xiàn)有ERTMS規(guī)范操作，同時減少安裝到基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量。除了ERSAT－GGC之外，正在開展一些其他研究項目，以檢驗(yàn)虛擬應(yīng)答器的潛力，包括Shift2Rail在列車定位方面的工作和歐洲航天局支持的其他幾個項目。

2GNSS復(fù)雜性

依靠GNSS信號進(jìn)行安全定位的困難主要是由于其質(zhì)量不一致造成的，這很大程度上取決于列車和軌道周圍特定的局部環(huán)境。軌道周圍的局部無線電頻率障礙會在衛(wèi)星信號到達(dá)GNSS天線前對其阻礙、反射或干擾。由于位置是根據(jù)信號傳播時間來估計的，這些現(xiàn)象不僅降低了位置數(shù)據(jù)的可用性，而且還會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而影響所提供信息的總體可信度。并非所有的鐵路應(yīng)用都需要非常精確的定位或全套可用服務(wù)。降級的但明確定義的不準(zhǔn)確，也可以滿足一些需求。然而，與有限的不準(zhǔn)確相關(guān)的完整性，起著關(guān)鍵的安全作用，信號工程師將需要開發(fā)可預(yù)測的性能模型，以便他們能夠安全地制作出鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的精確尺寸。這就需要將GNSS與信號邏輯“智能融合”，以便在不損害重要列車控制功能的情況下管理降級的衛(wèi)星數(shù)據(jù)性能。

3從STARS到ERSAT

ERSAT－GGC的一個重要前身是歐盟的先進(jìn)鐵路信號用衛(wèi)星技術(shù)（STARS）項目，該項目由Horizon2020研究項目提供資金，于2018年11月結(jié)束。STARS小組在意大利、瑞士和捷克共和國進(jìn)行了幾次衛(wèi)星定位的實(shí)踐測試。這些測試證實(shí)存在多徑、非視距GNSS信號和各種形式的干擾，反映了在其他運(yùn)輸方式中部署衛(wèi)星定位的經(jīng)驗(yàn)。ERSAT－GGC重點(diǎn)關(guān)注沿著軌道本身的定位以及這些效果的識別，比STARS更進(jìn)一步。該項目源于意大利基礎(chǔ)設(shè)施管理機(jī)構(gòu)RFI的工作。RFI在該領(lǐng)域的研究始于2012年歐洲航天局（ESA）的3InSat項目。在取得令人鼓舞的初步結(jié)果后，RFI隨后在2015年推出了ERSAT（ERtms＋SATellite）項目，目的是在降低成本的同時，設(shè)法從現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中釋放更多的能力。與STARS一樣，ERSAT－GGC是一個Horizon2020項目，由歐洲GNSS機(jī)構(gòu)GSA提供資金，并由RFL負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)。該項目于2019年11月結(jié)束，由歐洲的14個合作伙伴執(zhí)行，匯集了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理者、列車運(yùn)營商、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、GNSS研究中心、ERTMS制造商和各種信號測試實(shí)驗(yàn)室。目標(biāo)是鞏固增強(qiáng)的ERTMS的功能架構(gòu)，包括虛擬應(yīng)答器概念，使其能夠納入GNSS定位和公共無線電TLC技術(shù)。這項研究預(yù)計將為RFI在倫巴第Novara—Rho線路首次實(shí)際部署的認(rèn)證鋪平道路。項目團(tuán)隊的核心任務(wù)包括危險分析、開發(fā)驗(yàn)證增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)的測試套件，以及開發(fā)一個將軌道區(qū)域劃分為適合于定位虛擬應(yīng)答器的進(jìn)程。這將取決于關(guān)鍵局部現(xiàn)象的狀態(tài)，如非視距信號、多徑效應(yīng)和射頻干擾。在此之后，由一個非反對的實(shí)益擁有人（NoBo）進(jìn)行最終的獨(dú)立評估，為認(rèn)證奠定基礎(chǔ)。

4局部“危險事件”檢測

ERSAT－GGC財團(tuán)開發(fā)了一套測試系統(tǒng)，能夠檢測不同的所謂“危險事件”，如干擾、多徑、非視距和屏蔽。這依賴于異構(gòu)參數(shù)，以使檢測更有力度。例如，可以使用GNSS參數(shù)來檢測多徑和非視距，如載波－噪聲比（表示接收信號功率）或殘差（表示衛(wèi)星到接收機(jī)距離測量估計誤差）。使用GNSS接收機(jī)信號處理參數(shù)（如自動增益控制）或功率頻譜密度分析（使用頻譜分析儀）來檢測干擾。研究小組計劃在列車通過測試區(qū)時記錄列車上的所有“危險事件”，并根據(jù)單個運(yùn)行進(jìn)行分類。然后重復(fù)這一過程，以便更完整地呈現(xiàn)GNSS的性能。重復(fù)是很重要的，因?yàn)椤拔ｋU事件”的性質(zhì)可能隨著衛(wèi)星本身進(jìn)入軌道而改變。危害檢測過程的主要組成部分有：（1）基于COTS設(shè)備的測量硬件，用于獲取可觀測信號數(shù)據(jù)；（2）針對各種GNSS風(fēng)險的不同檢測技術(shù)；（3）一個處理檢測結(jié)果的決策邏輯，為線路每個區(qū)段生成一個“區(qū)域分類”。該財團(tuán)開發(fā)了一套軟件工具包（圖1）用于分析結(jié)果，然后由獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評估，以驗(yàn)證其是否符合相關(guān)的功能和非功能要求。

5在西班牙和意大利的試驗(yàn)

在商定了方法后，項目小組隨后進(jìn)入了現(xiàn)場試驗(yàn)階段，該階段于2019年4月和5月在撒丁島的Cagliari—SanGavino線和西班牙的Almorchón—Alhondiguilla線進(jìn)行。試驗(yàn)運(yùn)行的目的是收集數(shù)據(jù)，以及驗(yàn)證根據(jù)列車天線的GNSS信號質(zhì)量對軌道區(qū)域進(jìn)行分類的方法的能力。車頂天線與列車內(nèi)部的商用GNSS接收器連接（圖2）。頻譜分析儀輔助了意大利的測試設(shè)備，而在西班牙，車頂上放置了一臺魚眼照相機(jī)。撒丁島試驗(yàn)線是一條長50km的復(fù)線，穿過的地區(qū)大部分是鄉(xiāng)村，可以達(dá)到150km／h的最高速度。西班牙的試驗(yàn)使用了Almorchon至Alhondiguilla間的96km線路，是一條二級單線，最高速度僅為70km／h。在這兩條線路上每天要進(jìn)行幾次運(yùn)行試驗(yàn)，以呈現(xiàn)GNSS信號接收的空間和時間。經(jīng)過西班牙10天、意大利一周的試驗(yàn)后，項目小組利用軟件工具包獲取了足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理。這一進(jìn)程深入了解了沿線的局部危險。通過每次運(yùn)行試驗(yàn)分析，項目小組可以識別“危險事件”，然后將每條線路的區(qū)段進(jìn)行分類：綠色為沒有檢測到影響的區(qū)段；紅色為受到一些影響的區(qū)段；黃色為不確定。隨著更多的試運(yùn)行記錄，分析傾向于減少黃色區(qū)域的數(shù)量，并提高顯示為綠色或紅色區(qū)域的確定性。線路區(qū)段顏色編碼過程見圖3。此外，合作伙伴開始更加相信GNSS分析工具包可以應(yīng)用于多個地點(diǎn)和鐵路運(yùn)營條件。

6明顯進(jìn)展

2019年11月，ERSAT－GGC在普拉哈的GSA總部，舉行了最后一次會議，總結(jié)了這個項目的主要成就。該項目已經(jīng)證明，增強(qiáng)的ERTMS功能架構(gòu)可以將虛擬應(yīng)答器作為引進(jìn)GNSS定位的一種節(jié)約成本的影響小的選擇。定義了相關(guān)的功能和非功能測試的規(guī)范，驗(yàn)證了在增強(qiáng)的架構(gòu)中增加ERTMS功能性的可能。通過定性和定量的危害分析，證實(shí)了增強(qiáng)的ERTMS功能架構(gòu)的安全性。對鐵路環(huán)境中影響GNSS功能的局部危害進(jìn)行了調(diào)查，并商定了適合虛擬應(yīng)答器使用的軌道區(qū)域分類方法。顏色編碼分類方法減少了GNSS缺陷導(dǎo)致虛擬應(yīng)答器位置錯誤不受控制的風(fēng)險。這使得將GNSS定位納入ERTMS演變的理由更加充分。增強(qiáng)的ERTMS功能架構(gòu)、相關(guān)危害分析和軌道分類工具包均由驗(yàn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行了評估。這為其在RFI管理的線路區(qū)段上運(yùn)營服務(wù)中的使用鋪平了道路。獨(dú)立評估人員確認(rèn)了該方法和所用工具原理的有效性。它們可以在ERSAT－GGC項目內(nèi)外使用，具有高度的靈活性和可配置性。已經(jīng)完成一個演示模型，演示虛擬應(yīng)答器如何在撒丁島的卡利亞里—圣加維諾線路上放置。目前已在法國的二級線路上完成進(jìn)一步的試驗(yàn)，以便為分類工具提供更多數(shù)據(jù)。一般來說，隨著輸入數(shù)據(jù)量的增加，可以確定更多的綠色區(qū)域。

7意大利領(lǐng)先

由于認(rèn)識到泛歐更換老舊的列車控制設(shè)備的必要性，RFI公司向意大利基礎(chǔ)設(shè)施和交通運(yùn)輸部提交了ERTMS全國實(shí)施計劃，包括承諾在全國網(wǎng)絡(luò)部署ERTMS。但是，基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)營商也承認(rèn)成本因素的影響，并承諾在適當(dāng)?shù)那闆r下嘗試更低成本的技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，RFI公司同意主辦一個試點(diǎn)項目，以測試、驗(yàn)證和認(rèn)證衛(wèi)星設(shè)施在ERTMS架構(gòu)中的使用。為了鼓勵進(jìn)一步使用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，GSA已邀請各方參與定制工具開發(fā)的投標(biāo)，以支持衛(wèi)星定位在鐵路中的應(yīng)用，例如車載專用接收器。同時，可期待更進(jìn)一步的發(fā)展前景。歐洲航天局正在推動將歐洲地球同步導(dǎo)航覆蓋服務(wù)（EGNOS）引入GNSS，并制定長期計劃，包括研究如何將帶EGNOS功能的ERTMS在歐洲發(fā)展到演示前階段。

作者：白春玲 王其偉