[分享]基于北斗卫星列控定位技术的京沈高铁试验方案|技术交流

发表于2019-03-13     872人浏览     1人跟帖     总热度:260  



基于北斗卫星列控定位技术的京沈高铁试验方案|技术交流_1


主要介绍基于北斗卫星列控定位技术的京沈试验方案,包括京沈试验的必要性、试验段概况、试验目的、试验内容、试验环境架构及测试方法等内容,并给出现阶段京沈试验的初步总结情况。
岳朝鹏1,2  李  克3  陆德彪4
(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司,北京 100070;
2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心,北京 100070;3.中国铁道科学研究院集团有限公司,北京 100081;
4.北京交通大学,北京 100044

1 京沈高铁试验的必要性
中国的北斗系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)从2011年12月开始提供区域性的导航定位服务,至2017年底已陆续发射25颗卫星,BDS现在已经可以在中国以及亚太地区提供定位、授时以及信息传输服务。
在列车的运行过程中,列车控制功能的实现依赖于对列车位置速度等信息的准确获取。目前我国的高速铁路列车运行控制系统普遍采用地面应答器辅助车轮传感器实现列车位置信息状态的获取,利用轨道电路实现列车占用检查,这种方式系统成本大,且固定闭塞分区的设置方式也制约着列车行车密度和效率。采用卫星导航手段获取列车定位信息不仅可以减少轨旁设备,有效降低建设和运行成本,同时还能够提高定位精度,实现高更新率的实时连续定位。鉴于卫星定位技术在列车运行控制系统中的良好应用前景,国外许多先进列车控制系统对卫星定位技术已经展开大量的研究和试点应用,例如,美国联邦铁路局支持开发的GPS列车定位系统(GPS Locomotive Location System,GLLS), 精确列车控制(Precise Train Control,PTC),欧盟低运量线路的低成本高效信号系统 (Low Cost Satellite-based Fail-safe Train Protection and Control,LOCOPROL) 项目以及通用电气公司 (GE) 交通运输集团推出的增强型列车控制系统(Incremental Train Control System,ITCS)等。国内第一条基于卫星导航的列车控制系统是青藏线ITCS系统,但采用的是GPS卫星导航系统。目前,中国自主可控的北斗卫星导航系统已经在公路、航运、海事等部门得到广泛应用,但在铁路列控系统的应用,尚属空白。由于我国铁路跨度范围广,列车行驶的沿线会经过频繁、密集的卫星可视信号受限地区,如隧道、铁路路堑、雨棚、有遮挡的车站等,在这些地区会出现卫星信号衰减、失锁、多次反射而使定位精度下降,使卫星定位技术对于列车定位仍然具有一定的局限性。因此,随着新时期铁路、城市轨道等综合铁路应用的迅速发展,解决受限环境下的列车连续定位问题是实现基于BDS的列车运行控制的重要前提。
京沈高速铁路试验环境可提供350 km/h高速条件下的多种试验条件,满足卫星定位性能完好、性能衰减和信号完全失效的各种试验环境需求,在这种试验环境下开展列车控制系统的列车无缝定位功能测试,可为开展基于北斗卫星定位技术的高速铁路列车运行控制系统的研究提供真实有效的数据基础。
2 京沈综合试验段概况
京沈客运专线为双线客运专线,正线速度目标值350 km/h,正线线间距5.0 m,最小曲线半径7 000 m,最大坡度20‰,到发线有效长度650 m。牵引供电系统采用AT供电方式,正线接触网采用全补偿弹性链形悬挂。采用GSM-R无线通信系统,正线采用单网交织冗余覆盖方案。信号采用CTCS-3级列车运行控制系统,行车指挥方式为综合调度集中(CTC)。
根据京沈试验大纲要求,选取京沈客专辽宁段沈阳至朝阳北段开展高速综合试验,该试验段于2018年3月具备联调联试条件。京沈客专综合试验段线路长度254.175 km,经由沈阳西、新民北、黑山北、阜新、乌兰木图、北票、朝阳7个车站。该试验段最小曲线半径8 000 m,最大曲线半径为12 000 m,最大坡度为20‰,隧道15座,累计长度约22.729 km,占试验段长度的8.94%,其中最长隧道为三棱山隧道,隧道长度8.88 km。
3 京沈试验目的
通过京沈客运专线试验段现场实车测试,对基于北斗导航的列车定位单元进行现场测试和性能评估,同时进行基于北斗/惯性传感单元/速度的传感器等多传感器信息融合定位系统的数据采集和试验分析,对比京沈线固有应答器数据,验证基于卫星定位的多传感器组合定位系统进行高速铁路实时位置获取的实时精度。对基于北斗导航的列车控制系统的虚拟应答器触发和报文生成技术等进行测试,并结合CTCS-3系统的定位和应答器数据,验证采用北斗卫星导航系统在替代轨道电路、实体应答器等方面的可行性。同时,测试北斗卫星在高铁环境下的性能;分析多传感器组合定位的可行模式;验证北斗卫星在下一代列控系统中的关键技术;为基于卫星的列控系统设计、产品研发、关键技术、工程化等方面提供试验验证。
4 京沈试验内容
根据京沈试验大纲第3.2.2.4节要求,本次试验的主要内容包括。
1) 基于北斗卫星导航的列车控制系统技术试验
a.列车组合定位技术
列车组合定位单元性能评估;
列车组合定位故障导向安全评估(虚假卫星报文注入测试)。
b.虚拟应答器触发及报文生成技术
虚拟应答器触发性能评估;
虚拟应答器报文生成评估。
2) 基于卫星导航的列车无缝定位系统试验
a.基于北斗/惯性导航的列车定位单元现场测试实验;
b.多模卫星定位系统(北斗/GPS/GLONASS等)的定位性能评估;
c.惯性测量单元的性能测试;
d.组合导航算法验证。
3) 基于多传感器信息融合的列车完整性检查现场测试
a.测试基于多传感器信息融合的动车组两端定位性能验证;
b.测试动车组两端多传感器定位信息获取时效及可靠性测试。 
5 京沈试验方案
5.1 试验环境架构
本次基于北斗卫星列控定位技术的现场试验总体方案架构如图1所示。
基于北斗卫星列控定位技术的京沈高铁试验方案|技术交流_2
地面设备仅在沈阳西至阜新段由通号、铁科、交大共同组建地面差分站子系统,其中差分站接口服务器由铁科院提供。阜新至朝阳段设有独立的北斗全域信号增强系统,且涵盖一处隧道,后期也可复用试验。
车载设备在列车两端分别设置1套列车组合定位单元LPU子系统与车载监测PC机,其中车载卫星天线与通信天线合一。本次试验将配属在两列试验动车上。
5.2 试验测试方法
因本次试验性质属于单车搭载试验,不能实施列车控制功能,故可对所有试验结果采取事后分析验证方式的策略,以较低成本投入完成技术验证要求。为此,在线试验过程主要是搜集试验数据,重点确保按计划搜集到所需的记录数据,故涉及到以下3个阶段。
1) 试验前准备阶段
a.试验前,完成本试验所需设备的安装与调试,包括车载天线和地面差分站的安装与调试;各家可复用车载卫星天线和通信天线。
b.试验前,完成对线路数据的采集以便制作线路地理数据库,数据采集范围为沈阳西站、新民北站、黑山北站、阜新4个车站及部分站间区间,并重点测量包括信号机、道岔、应答器和绝缘节等关键点坐标。
2) 试验测试阶段
a.每日上车试验前,应提前一天根据列车运行计划路径及日志分析情况,选取确定当日试验所采用的测试工作模式。主要包括多模卫星无差分、单北斗无差分、多模卫星有差分、单北斗有差分、多模惯导无差分、多模惯导有差分、单北斗惯导无差分、单北斗惯导有差分等不同组合的测试工作模式。
b.每日上车试验期间,测试人员必须跟踪记录列车实际运行路径、列车启动和停止的时刻、进出隧道的时刻及LPU工作状态等。
3) 试验数据分析阶段
a.每日需对试验数据完成初步筛选,确认LPU单元记录的数据质量是否满足预期要求。如沿线途中因4G公网质量较差,将导致预置的有差分类工作模式变为无效等。
b.再根据预期的测试项目点,衡量评估当前测试数据效果,并不断改善优化定位算法,达到最佳定位精度。
6 京沈试验阶段总结
目前,基于北斗卫星列控定位技术的京沈试验已进入在线试验阶段。现已完成在无差分基站联通的试验条件下,测试高速动车环境捕捉卫星颗数和沿线公网4G通信质量,并基于不同卫星组合模式及在惯导装置辅助下ATO运行条件时动车组运行轨迹的跟踪描述。经分析,北斗卫星导航系统已完全覆盖京沈试验段,可稳定接收到8颗北斗卫星信号,单北斗定位精度小于10 m。后续将继续按计划开展京沈现场试验,完成基于列控定位技术的应用功能效果分析。

参考文献
[1]郭晓伟.卫星定位技术在铁路下一代列控系统中的应用[J].铁路通信信号工程技术,2017,14(2):42-45.
Guo Xiaowei.Application of Satellite Positioning Technology in Next Generation of Train Control Systems[J].Railway Signalling & Communication Engineering,2017,14(2):42-45.
[2]中国卫星导航系统管理办公室.BD 110001-2015 北斗卫星导航术语[S].北京:中国卫星导航系统管理办公室,2016.
[3]中国卫星导航系统管理办公室.BD 410001-2015 北斗/全球卫星导航系统(GNSS)接收机数据自主交换格式[S].北京:中国卫星导航系统管理办公室,2016.
[4]中国卫星导航系统管理办公室.BD 410002-2015 北斗/全球卫星导航系统(GNSS)接收机差分数据格式(一)[S].北京:中国卫星导航系统管理办公室,2016.
[5]中国卫星导航系统管理办公室.BD 410002-2015 北斗/全球卫星导航系统(GNSS)接收机差分数据格式(二)[S].北京:中国卫星导航系统管理办公室,2016.
[6]中国卫星导航系统管理办公室.BD 410002-2015 北斗/全球卫星导航系统(GNSS)接收机导航定位数据输出格式[S].北京:中国卫星导航系统管理办公室,2016.
[7]中国卫星导航系统管理办公室.BD 420002-2015 北斗/全球卫星导航系统(GNSS)测量型OEM板性能要求及测试方法[S].北京:中国卫星导航系统管理办公室,2016.
[8]中国卫星导航系统管理办公室.BD 420009-2015 北斗/全球卫星导航系统(GNSS)测量型接收机通用规范[S].北京:中国卫星导航系统管理办公室,2016
[9]中国卫星导航系统管理办公室.BD 420012-2015 北斗/全球卫星导航系统(GNSS)定位设备通用规范[S].北京:中国卫星导航系统管理办公室,2016.
 来源:中国通号《铁路通信信号工程技术》杂志 

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