現代鐵路列車跟蹤與定位技術的研究

張 源 ， 張洪宇

（1.中國鐵道科學研究院 通 信信號研究所，北京 1 00081；2.中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 1 00081）

現代鐵路運輸的根本目的就是在確保運輸安全的前提下，快速、準時地將旅客或貨物運送到目的地。因此對列車運行位置、速度和狀態信息的實時監控不僅是列車控制系統所需要的，而且是運輸組織、旅客服務、安全監控及其它運輸組織所必須的關鍵基礎信息。目前，列車跟蹤與定位在系統結構、系統組成、技術標準和技術條件等方面尚未形成完整的體系。根據中國現代鐵路的特點，結合信號系統體系結構、列車運行控制系統技術方案、通信系統組成方式以及現代鐵路信息系統對列車跟蹤與定位信息的需求，提出面向系統的解決方案是非常必要的。

1 列車跟蹤與定位技術在現代鐵路運輸中的作用

在現代鐵路運輸系統中，列車跟蹤與定位是一項十分重要且關鍵的技術，在運輸調度指揮、列車運行控制和運輸管理中發揮著重要作用。它除了保證提供正確的列車位置信息外，隨著鐵路運輸朝著高速、便捷、舒適的方向發展，對列車定位技術的精密度也提出了更高的要求。列車跟蹤與定位系統所產生的實時位置與速度信息主要應用在以下幾個方面，見圖1。

圖1 列車跟蹤與定位系統在現代鐵路中的作用示意圖

2 列車定位技術綜合分析

鐵路列車跟蹤與定位技術歸納起來有3種基本方式：（1）車載定位：車載設備完成列車定位和完整性檢查，通過無線通信將車次與位置等信息傳送到相應的系統。（2）地面定位：由地面設備完成列車定位和完整性檢查，通過無線通信將車次與位置等信息傳送到車載設備，并通過有線通信傳送到相應的系統。（3）車載地面結合定位：由車載和地面設備共同完成列車定位和完整性檢查，通過無線通信交換相應的信息。

3 現代鐵路列車跟蹤與定位推薦方案

通過對現代鐵路列車跟蹤與定位系統的分析及國際上最新列車定位技術的研究，提出本系統技術方案，并在京承線、京山線開展了試驗，取得了大量的試驗數據。

3.1 基于全球定位系統和鐵路無線通信網絡的列車跟蹤與定位系統

3.1.1 系統結構

系統由GPS接收天線、GPS接收機、列車定位處理單元、線路數據存儲器、車載數據閱讀/發送器、地面數據閱讀發送器、司機數據卡、信息共享平臺組成。系統基本結構如圖2。

圖2 基于GPS的現代鐵路列車定位系統框圖

在我國，平行軌道的最小中心距離為3.8 m，一般情況為4.5 m～5.0 m。目前GPS系統提供的單機優于5 m的定位精度不能滿足列車跟蹤定位的需求，為此，我們通常采用差分GPS（DGPS）技術。

3.1.2 多基準站定位列車跟蹤與定位系統試驗

多基準站列車跟蹤與定位系統，由基準站分系統、移動站、無線通信、數據中心組成?；鶞收痉窒到y由若干個工作于RTK基準站模式的接收機和GPS天線與相應的數據接口模塊組成。移動站分系統由工作于RTK移動站模式的接收機和GPS天線組成。系統能夠實時完成監控列車的精密定位及定向，提供監控列車間的相對或絕對位置、速度等信息，并能為其它設備提供標準的時間同步信號。

基準站分系統由沿線路分布的GPS接收機及相應的GPS天線構成，如圖3?；鶞收綠PS天線架設于位置已知的空曠高處，接收來自GPS衛星的信號?；鶞收綠PS接收機利用來自天線的衛星信號和已知的位置計算出相應的原始數據與改正數據并將這些數據送到數據接口模塊進入無線通信系統。

圖3 多基準站定位系統

移動站GPS接收機天線接收GPS衛星信號送至GPS接收機，GPS接收機利用來自GPS天線的信號及來自無線通信系統的基準站數據完成RTK解算。實時提供機車的位置、速度與時間信息。由于基準站GPS接收機有多臺同時工作，所以，移動站GPS接收機必須自動識別來自不同的基準站接收機的數據。

列車跟蹤與定位系統的核心是車載部分的列車定位處理單元。該單元接收從連續信息處理（車載GPS接收機）、點式信息處理（應答器車載單元）、測速測距信息處理（測速測距模塊）、參數輸入裝置（線路數據存儲器）傳來的信息，實時計算列車運行的位置、速度等相關數據。位置、速度、時間的計算以車載GPS接收機輸出的DGPS信息（RTK解算值）為主要依據，當列車途經隧道或GPS信號遮擋區段時輔以點式應答器和測速測距信息，比照線路數據存儲器內置的實際線路的相關信息，包括線路的坡度、換相點、隧道、橋梁和公里標、區間軌道號、站內股道號，以及圖定區間運行時間、目標速度、目標距離和車站?？繒r間等進行多重冗余校核運算，將計算的結果-列車的實際運行時刻（精確時間）、位置（相對位置）和速度，以及與圖定運行時間和速度的誤差，經由車載數據閱讀/發送器傳輸給地面系統。

3.2 試驗數據統計分析

基于上述設計原則，我們構建了相應的試驗系統，并在京山線及京承線試驗，取得了大量實測數據，為對方案的認可及進一步改進系統性能提供了依據。試驗中，我們采取了不同方式的定位技術，得到相應的數據，并對試驗數據進行分析和比較，得到適合現代鐵路具體應用的方案。表1為京山線的數據分析統計表。

表1 京山線數據分析統計表

3.3 性能比較

目前，德國鐵路采用列車線性定位技術實現列車跟蹤與定位，LZB控制中心是根據列車位置計算制動距離的，尤其是在高速條件下，位置與速度測量的精度決定了列車運行的安全程度，定位精度可達到10m。JR東日本正在開發的新一代列車控制系統ATACS（Advanced Train Administration and Communications System），試驗結果表明其定位精度的誤差最大為0.26%，平均誤差為0.18%。美國PTS系統是基于中央控制模式的移動閉塞系統，其車載計算機必須連續不斷計算列車制動距離，同時可以在只有2顆衛星的條件下達到1.68 m定位精度。國內一項列車定位與速度檢測技術源于由列車運行記錄器發展起來的列車運行監控裝置，列車運行監控裝置的工作原理是利用機車信號信息、里程計信息和存儲的線路數據相結合，通過一定的軟件處理，實現列車在一個區間或一個軌道電路區段內的連續定位。由于系統不具備車對地的信息傳輸通道，因此，無法直接用于

現代鐵路的列車運行控制系統和列車跟蹤與定位系統。此外，在秦沈客運專線工程中開展了“GPS安全報警系統”，監控臺的計算機通過相鄰2列車位置的計算找到它們間的距離，按設計的要求2列車相距3 km發出預警信號；2列車相距2 km發出緊急報警信號。參照該實驗系統的實測數據，限差都在1m以內，如果進一步改進通信信道質量，定位精度還有進一步提升的空間。

4 結束語

根據具體試驗數據和統計結果，結合具體試驗條件以及試驗當時通信線路以及周邊環境等限制條件的影響，我們可以得到以下結論：在衛星信號較好并且進一步提升鐵路無線通信信道性能的條件下，能夠保證差分鏈路的連續有效性，GPS的定位可以正常達到L1_FLOAT狀態，再配合專門的軟件處理，鐵路機車采用該種方式進行監控是完全可行的，該方案對于中國鐵路列車跟蹤監控水平的發展具有一定參考意義。

[1] 張 勤. 全球定位系統（GPS）測量原理與應用[DB/OL].Http://dcxy.chd.edu.cn/jpkc/gpsyl/up/GPS6.pdf.