摘 要：目前，衛(wèi)星定位已經(jīng)在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中非安全相關(guān)的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從經(jīng)營成本考慮，全世界范圍都在對衛(wèi)星定位系統(tǒng)的新用途，特別是在鐵路信號系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究和測試。由于鐵路信號系統(tǒng)對安全性的要求極高，加之受設(shè)計(jì)規(guī)范的嚴(yán)格限制以及現(xiàn)有體系的發(fā)展慣性，信號領(lǐng)域基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究應(yīng)用進(jìn)展相對緩慢。本文重點(diǎn)介紹歐洲鐵路基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的相關(guān)研究應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)、性能要求和解決方案情況;同時(shí)還介紹了衛(wèi)星定位系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用，分析了這些應(yīng)用在陸路運(yùn)輸環(huán)境下的可借鑒之處和受限因素。

關(guān)鍵詞：鐵路GNSS;歐洲;鐵路信號

中圖分類號：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0058-05

1 鐵路GNSS的發(fā)展背景

眾所周知，現(xiàn)代智能交通控制系統(tǒng)的正常運(yùn)作強(qiáng)烈依賴定位信息。在鐵路智能系統(tǒng)中列車定位是一項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。列車定位信息不僅用于調(diào)度員信息、乘客信息、危險(xiǎn)貨物追蹤，也用于車門開啟時(shí)機(jī)選擇等精確定位或維護(hù)。根據(jù)相關(guān)需求，被定位目標(biāo)可以是機(jī)車、貨車，甚至是上道工作人員，以免其發(fā)生事故。

在歐洲，列車定位依靠軌旁設(shè)備輔助完成。軌道電路就是一種簡單的典型電氣設(shè)備，它不定位特定的列車，而是間接地反映軌道區(qū)段的占用情況;在軌旁傳感器的幫助下，也能夠完成車輛定位，實(shí)現(xiàn)列車防護(hù)功能。由于在歐洲鐵路網(wǎng)中存在不同類型的軌旁傳感器，為了尋找一種可互操作的通用解決方案，隨之開發(fā)了歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS），用于信號、控制和列車防護(hù)。ETCS分為4個(gè)等級，以便從實(shí)際系統(tǒng)無縫過渡到使用最少軌旁設(shè)備的輕型系統(tǒng)。在ETCS中，軌道上安裝1個(gè)或1組應(yīng)答器，用以檢測列車何時(shí)經(jīng)過，從而判斷軌道區(qū)段是否占用。列車經(jīng)過應(yīng)答器時(shí)初始化里程表，通過列車經(jīng)過應(yīng)答器后的走行距離來確定列車位置。

對于信息服務(wù)或設(shè)施定位和監(jiān)測等非安全相關(guān)的應(yīng)用，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)提供了低成本和有效的解決方案，它將有效的用戶定位信息通過傳統(tǒng)的通信設(shè)備傳送到中心服務(wù)器，而不需要確保其完整性、安全性或穩(wěn)定性。如澳大利亞鐵路軌道公司（ARTC）使用增強(qiáng)型GNSS，為維護(hù)、跟蹤測量或定位信號設(shè)施提供了滿意的定位服務(wù)。

2 GNSS原理

基于衛(wèi)星的定位方法依賴于測量傳播時(shí)間。目前著名的GNSS是美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯GLONASS定位系統(tǒng)、歐洲的GALILEO定位系統(tǒng)以及中國的“北斗”定位系統(tǒng)，所有這些系統(tǒng)都由非對地靜止衛(wèi)星組成，其基本原理大體相同。每個(gè)衛(wèi)星廣播連續(xù)編碼信號，且每個(gè)衛(wèi)星的代碼互不相同，接收器通過識別衛(wèi)星代碼來區(qū)分編碼信號。GNSS芯片組同時(shí)接收、處理到達(dá)相應(yīng)天線的所有信號，并測算每一個(gè)信號的到達(dá)時(shí)間（TOA），將時(shí)間乘以信號速度（即GNSS的光速）就得到對應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射器到接收器的距離，稱為偽距。每接收到1個(gè)衛(wèi)星信號，即可以得到1個(gè)以該衛(wèi)星為球心、對應(yīng)偽距為半徑的球，3個(gè)這樣的球相交可以計(jì)算得到一個(gè)接收器位置。接收n個(gè)（至少4個(gè)）衛(wèi)星的信號，接收器就可以根據(jù)n個(gè)觀測值求解n個(gè)等式組成的方程組，其中未知數(shù)是x，y，z，δt，（x，y，z）是接收器天線位置，δt是鐘差，即用戶時(shí)鐘和衛(wèi)星時(shí)鐘的偏差。通常使用最小二乘法估計(jì)器或卡爾曼濾波器來處理數(shù)據(jù)，以優(yōu)化系統(tǒng)分辨率。GNSS的定位性能與測量精度、接收天線周圍的衛(wèi)星分布密切相關(guān)。事實(shí)上，發(fā)送器和接收器之間的信號路徑越直，衛(wèi)星接收器測距就越精確。

3 基于GNSS的鐵路信號應(yīng)用方案

3.1 歐洲應(yīng)用介紹

從歷史上看，由于歐洲每個(gè)國家都制定了自己的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備和運(yùn)營規(guī)則，所以造成電氣化、機(jī)車車輛、維護(hù)和開發(fā)規(guī)則，以及信號系統(tǒng)都存在差異。目前，歐洲正在部署歐洲鐵路交通管理系統(tǒng)（ERTMS），以協(xié)調(diào)規(guī)則和法規(guī)。ETCS是專用于ERTMS的列車控制系統(tǒng)，其主要部件是鐵路專用數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）和歐洲應(yīng)答器（Eurobalise）。ETCS升級是從0級到3級逐級執(zhí)行，其首要目標(biāo)是讓當(dāng)前的外部系統(tǒng)和新的應(yīng)答器共存，并逐步從軌旁設(shè)備控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苘囕d控制（第3級）。

在當(dāng)前的鐵路系統(tǒng)中，安全的基礎(chǔ)是將軌道劃分為由軌旁信號機(jī)防護(hù)的閉塞分區(qū)，控制列車進(jìn)入或不進(jìn)入。在ERTMS中依靠軌道電路或應(yīng)答器防護(hù)分區(qū)入口，行車許可則取決于前方分區(qū)是否有車占用。車載測距子系統(tǒng)將根據(jù)列車相對于最后接收到的應(yīng)答器位置信息進(jìn)行定位計(jì)算。在ETCS的1級和2級控制系統(tǒng)中，基于里程表和信標(biāo)閱讀器提供的信息獲取列車定位。雖然裝設(shè)現(xiàn)場傳感器利于人員操作，但是按照ETCS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，成本高昂，由此減緩了在全球范圍內(nèi)的部署進(jìn)程。此外，為了將交通運(yùn)輸從公路吸引到鐵路，必須進(jìn)一步降低成本來改造區(qū)域線路和傳統(tǒng)線路。業(yè)界已經(jīng)考慮在ETCS的最高級別（ETCS L3）或其區(qū)域線路的低等級系統(tǒng)（ETCS Regional）中引入GNSS。在ETCS L3級中，運(yùn)輸部門不需要地面信號，列車應(yīng)該能夠自我定位，所有信息將通過無線網(wǎng)絡(luò)在ETCS車載系統(tǒng)和軌旁無線閉塞中心（RBC）之間進(jìn)行交換，除了將列車位置和完整性信息數(shù)據(jù)傳送至RBC外，還可以通過移動閉塞來提高列車通過率。因此，GNSS被認(rèn)為是新型嵌入式列車定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

GNSS低成本信號解決方案，特別是在最高級ETCS L3和區(qū)域ERTMS中的應(yīng)用，從2000年初就已提上議事日程。歐盟委員會通過持續(xù)的框架計(jì)劃資助了若干項(xiàng)目研究，以探索和促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航定位的應(yīng)用。從最開始的APOLO、GADEROS和LOCOPROL項(xiàng)目，到最近的GaLoROI或3InSat項(xiàng)目，可以說在過去10年有數(shù)十個(gè)此類項(xiàng)目存在。所有這些項(xiàng)目即使是沒有實(shí)現(xiàn)運(yùn)營的商業(yè)化產(chǎn)品，也都有助于將GNSS引入鐵路建設(shè)。特別是“虛擬應(yīng)答器”概念的出現(xiàn)，就是將虛擬點(diǎn)記錄在嵌入式地理數(shù)據(jù)庫中，這些點(diǎn)可以是真實(shí)的（移除）物理應(yīng)答器坐標(biāo)。虛擬應(yīng)答器的目的是通過比較基于GNSS的列車定位與數(shù)據(jù)庫，來檢測列車經(jīng)過所識別點(diǎn)時(shí)的位置。從RUNE開始到最近的3InSat和ERSAT等工程，虛擬應(yīng)答器已經(jīng)在許多項(xiàng)目中進(jìn)行了研究。

目前在歐洲有一條采用輕量化GNSS解決方案長100km的單線鐵路，由奧地利應(yīng)用科技大學(xué)開發(fā)，Stern&Haffer公司運(yùn)營。該線路上由車載單元將列車定位信息傳送給列車上的控制器，由控制器負(fù)責(zé)列車的行車許可。2012年4月，歐盟委員會、歐洲鐵路局和歐洲鐵路協(xié)會一同簽署了關(guān)于加強(qiáng)ERTMS管理合作的諒解備忘錄，其中特別提到GNSS可以在鐵路行業(yè)中發(fā)揮重要作用。與此同時(shí)，還啟動了一些新的舉措，例如NGTC項(xiàng)目（下一代列車控制），旨在研究開發(fā)新的可與CBTC（基于通信的列車控制）系統(tǒng)互相共存的ERTMS/ETCS，其中衛(wèi)星定位是NGTC項(xiàng)目的重點(diǎn)之一。此外，歐洲Shift2Rail計(jì)劃在其第2個(gè)關(guān)于信號的創(chuàng)新計(jì)劃（IP2）中，特別關(guān)注先進(jìn)交通管理和控制系統(tǒng)的故障-安全列車定位。

3.2 其他應(yīng)用介紹

2008年，美國國會頒布了“鐵路安全改進(jìn)法案”，以改善鐵路安全。其中最重要的變化是在2015年之前，將主動列車控制（PTC）技術(shù)安裝在美國大部分鐵路線上。而基于GPS的列車定位是PTC結(jié)合無線數(shù)據(jù)鏈路的基本功能。GPS旨在降低全國鐵路上部署應(yīng)答器的巨大成本（2012年無線通信聯(lián)合委員會已通過），把軌道信標(biāo)或差分GPS站點(diǎn)信號與輪對傳感器相結(jié)合，可以提高方案的可靠性。即使截止日期已經(jīng)推遲到2018年，聯(lián)邦鐵路管理局仍把“將全國差分全球定位系統(tǒng)（NDGPS）部署為適用于列車控制的全國統(tǒng)一連續(xù)定位系統(tǒng)”作為目標(biāo)。另外，由明尼蘇達(dá)州交通部開發(fā)的一款低成本主動式平交道口防護(hù)（HRI-2000）系統(tǒng)也用到GPS。

在澳大利亞，一家基礎(chǔ)設(shè)施管理公司ARTC正在投資開發(fā)基于GNSS和慣性監(jiān)測系統(tǒng)的自動列車管理系統(tǒng)（ATMS）。該系統(tǒng)可以識別列車前后2m范圍的狀況，然后將該信息傳送到列車控制中心。ATMS的目標(biāo)是以駕駛室內(nèi)的車載設(shè)備顯示取代軌旁信號，具有高可靠性和安全完整性。此方案目前在試驗(yàn)評估，研發(fā)團(tuán)隊(duì)宣布到2020年將在ARTC公司的線路上推出ATMS。

為實(shí)現(xiàn)包括GLONASS/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用在內(nèi)的列車控制、信號、自動化和運(yùn)輸安全系統(tǒng)的現(xiàn)代化，專為俄羅斯開發(fā)的ITARUS-ATC（ITAlian-RUSsian-自動列車控制）系統(tǒng)，已于2015年在索契試驗(yàn)線上道試驗(yàn)。

中國現(xiàn)代化鐵路的安全控制基于中國列車控制系統(tǒng)（CTCS），這是一種基于無線通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC），它雖然與ERTMS不同，但具有類似的特征。CTCS-3級（最高級）可以通過GPS或應(yīng)答器提供的移動閉塞和車輛定位信息來保證系統(tǒng)運(yùn)行。另外，基于GNSS的其他信號解決方案，包括ERTMS L3級別的列車完整性檢測系統(tǒng)、節(jié)能駕駛管理系統(tǒng)、列車防碰撞系統(tǒng)等，都有了一些應(yīng)用嘗試，本文不一一列舉。多線并行識別因需要非常準(zhǔn)確的橫向精度和非?？煽康男畔鬏?，亦不在本文討論的范圍內(nèi)。

4 必要的定位性能

航空公司根據(jù)國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)，確定了所需的定位性能（RNP）。操作分為航行、接近、著陸和飛離，并且通常被航空從業(yè)者接受。出于組織和技術(shù)原因，鐵路與航空在RNP方面并不相同。

4.1 如何確定鐵路領(lǐng)域所需的GNSS性能

在GNSS領(lǐng)域內(nèi)，系統(tǒng)性能由可用性、連續(xù)性、準(zhǔn)確性以及完整性4個(gè)指標(biāo)決定，主要由航空業(yè)推動并由國際民航組織規(guī)定，與鐵路標(biāo)準(zhǔn)要求沒有直接對應(yīng)關(guān)系，只是在可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性（RAMS）方面有一定近似性。如“完整性”，對于民航用戶意味著所提供位置置信度的量化值;而對于鐵路用戶，“安全完整性”是指貫穿安全系統(tǒng)生命周期的一系列性能要求，“完整性”的單獨(dú)使用是指“列車的完整性”，也就是說列車沒有丟失任何車廂。

GNSS在鐵路上的應(yīng)用，對其定位性能提出了新的挑戰(zhàn)。以往應(yīng)答器被安裝在軌道上的確定位置，其定位數(shù)據(jù)絕對可靠，而使用GNSS這種嵌入式無線系統(tǒng)，則會產(chǎn)生使用物理應(yīng)答器時(shí)不會遇到的系統(tǒng)準(zhǔn)確性或可用性的問題。此外，鐵路運(yùn)營規(guī)范、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)也沒有如航空用戶那樣，以操作為依據(jù)進(jìn)行編制。

對于基于GNSS虛擬應(yīng)答器代替物理應(yīng)答器的項(xiàng)目，為了使虛擬應(yīng)答器像物理應(yīng)答器一樣工作，虛擬應(yīng)答器被預(yù)先錄入地圖數(shù)據(jù)庫，由車載系統(tǒng)測得列車到達(dá)每個(gè)虛擬應(yīng)答器的時(shí)間。一個(gè)典型的由軌道電路防護(hù)的閉塞區(qū)間。區(qū)間軌道電路將檢查A和B之間是否存在列車，在向虛擬應(yīng)答器移動之前，系統(tǒng)應(yīng)保證前方列車通過（完全）虛擬應(yīng)答器，首先確保向后方列車提供行車許可之前，A和B之間的軌道為空閑;然后，要求確定列車與虛擬應(yīng)答器之間位置的精確度，特別是列車尾部的位置。在RUNE項(xiàng)目中，遠(yuǎn)期目標(biāo)甚至是允許通過移動閉塞進(jìn)行操作。表1中總結(jié)的性能目標(biāo)已由歐盟定義，以便提供50m的防護(hù)距離，并在防護(hù)距離不足時(shí)，及時(shí)發(fā)出警報(bào)，以確保定位的完整性。

定義規(guī)范的工作必須在準(zhǔn)確性和安全性2方面一同進(jìn)行。在鐵路領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)定義了不同的安全完整性等級（SIL1至SIL4），明確了對安全相關(guān)功能（通過電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)）的要求，確保在使用這些功能時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)已降至最低，并且是可以接受的。

由于相關(guān)功能既可以基于軟件，也可以基于硬件，因此這些安全要求并沒有特定針對硬件設(shè)備或軟件系統(tǒng)。根據(jù)功能失效時(shí)可能出現(xiàn)的事故嚴(yán)重程度和危險(xiǎn)發(fā)生的概率來評估風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)越高，安全要求越高，SIL級別也越高。SIL相關(guān)特性一方面通過描述系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)中的嚴(yán)格性定性參數(shù)來定義（以避免錯(cuò)誤，尤其是軟件設(shè)計(jì)期間出現(xiàn)的系統(tǒng)錯(cuò)誤）;另一方面，當(dāng)故障可以量化時(shí)，則通過故障容許率（THR）的量級來定義。

例如，有關(guān)SIL4的定量安全目標(biāo)在CCS TSI（與互聯(lián)互通控制指令和信號子系統(tǒng)相關(guān)的互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范）中有定義，并用下列指標(biāo)定義了危險(xiǎn)目標(biāo)：對于ERTMS/ETCS建議的危險(xiǎn)“超速和/或距離限制”，車載和軌旁ERTMS/ETCS的隨機(jī)故障容許率（THR）為10-9/h。這一安全目標(biāo)可以納入到定位功能中，但它不能視為GNSS解決方案的目標(biāo)，因?yàn)镚NSS解決方案只是ETCS車載系統(tǒng)定位功能的一部分。

航空和鐵路需求定義之間的差異，使鐵路用戶難以根據(jù)GNSS領(lǐng)域內(nèi)可理解的經(jīng)典定位性能，或MOPS（最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)），來確定他們的需求。

4.2 量化鐵路領(lǐng)域所需的的GNSS性能

部分性能的建議值已經(jīng)在表1中列出，其他一些建議值需根據(jù)特定應(yīng)用，對準(zhǔn)確性和完整性的不同要求（定位的完整性，而不是安全完整性）進(jìn)行分類。這里面的大多數(shù)項(xiàng)目側(cè)重于對特定功能的需求進(jìn)行量化：GIRASOLE定義了接收器特性，而GRAIL定義了增強(qiáng)型測距的規(guī)范。然而，這些數(shù)據(jù)并未得到官方認(rèn)可，也從未被當(dāng)作完整的體系被業(yè)界接受。此外，因?yàn)殍F路是陸路運(yùn)輸模式，GNSS信號接收明顯不同于航空，例如在隧道中就接收不到信號。在惡劣的環(huán)境中，也會受到多徑效應(yīng)和潛在干擾（有意或無意）的影響。

5 解決方案分析

即使GNSS性能不一定量化，但項(xiàng)目中采用的大多數(shù)解決方案都旨在確保最大可用性、準(zhǔn)確性或者完整性。這里使用“或”是因?yàn)轫?xiàng)目中定義的目標(biāo)不同。例如LOCOPROL強(qiáng)調(diào)了在低運(yùn)量線路上完整性的需求目標(biāo)，而不是準(zhǔn)確性。

5.1 如何確?？捎眯院蜏?zhǔn)確性

眾所周知，單獨(dú)的GNSS無法在受限制的環(huán)境中達(dá)到高可用性和高精度，也沒有鐵路所期望的高安全完整性。事實(shí)上，當(dāng)列車接近建筑物、樹木、路塹甚至隧道等易遮擋信號的物體時(shí)，會造成衛(wèi)星信號的多路徑傳輸甚至阻塞。為了應(yīng)對這些不利因素，一系列解決方案已經(jīng)提出并發(fā)展起來。

雖然《創(chuàng)新讓衛(wèi)星控制觸手可得》一文中提出了一種思路，保留了經(jīng)典的基于里程計(jì)的解決方案，同時(shí)使用GNSS定位來校準(zhǔn)里程計(jì)的滑移誤差，但是大多數(shù)文獻(xiàn)的解決方案依賴于（如經(jīng)典的道路或機(jī)器人解決方案）融合不同來源的信息，原則是結(jié)合多種特性的傳感器，以便綜合各個(gè)傳感技術(shù)的優(yōu)勢，來計(jì)算出更準(zhǔn)確的位置、速度和時(shí)間（PVT）。像GADEROS或APOLO這樣的項(xiàng)目，提出了多傳感器解決方案，使系統(tǒng)既受益于GPS的絕對定位解決方案，同時(shí)又可以在常規(guī)測量幫助下進(jìn)行連續(xù)和高頻定位。里程計(jì)是常見的傳感器，也有應(yīng)用渦流傳感器的例子。

融合技術(shù)有時(shí)會補(bǔ)充數(shù)字地圖，如汽車應(yīng)用中做的那樣。有研究者提出了一種新的用于列車位置確定的雙差分算法，可以明確進(jìn)行軌道約束。但其應(yīng)用基于默認(rèn)了地圖的可用性、準(zhǔn)確性、可靠性和一致性。軌道數(shù)據(jù)庫不與地圖進(jìn)行匹配，不同于經(jīng)典PVT，列車定位必須通過拓?fù)渥鴺?biāo)顯示在軌道網(wǎng)絡(luò)上。該坐標(biāo)由軌道ID、軌道長度和列車方向3個(gè)要素組成。EATS解決方案將GNSS與無線通信技術(shù)（WCT）而非常規(guī)傳感器定位集成在一起;WCT依賴于GSM-R和UMTS移動通信系統(tǒng)，特別提高了可用性。

5.2 如何確保安全

在航空領(lǐng)域，定位的安全性與完整性監(jiān)控相關(guān)。完整性監(jiān)控確保用戶在安全條件下，使用GNSS解決方案作為優(yōu)先導(dǎo)航系統(tǒng)。這種監(jiān)控可以通過RAIM（接收器自主完整性監(jiān)控）、SBAS（基于衛(wèi)星的擴(kuò)大系統(tǒng)）或GBAS（基于地面的擴(kuò)大系統(tǒng)）3種不同的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，每種系統(tǒng)都有自己的監(jiān)控策略，主要區(qū)別在于SBAS和GBAS會對接收器可用的數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播，從而實(shí)時(shí)計(jì)算其完整性（帶有保護(hù)）;而在RAIM中接收器必須獨(dú)立完成完整性驗(yàn)證。RAIM算法包含在接收器中，能對衛(wèi)星測量進(jìn)行一致性檢查，以檢測故障（在偽范圍內(nèi)觀察到的重要偏差）。該檢查需要同時(shí)接收5顆衛(wèi)星信號，而FDE（故障檢測和排除）是RAIM的擴(kuò)展，最少需要6顆衛(wèi)星信號。當(dāng)FDE在檢測到故障，排除了故障衛(wèi)星信號之后，可使系統(tǒng)繼續(xù)確保完整性。在鐵路相關(guān)文獻(xiàn)中，安全策略技術(shù)分為3類。

（1）依賴于冗余。冗余（通常帶有表決器）允許系統(tǒng)檢測非相關(guān)量。GaLoROI將GNSS與渦流傳感器混合，并使用架構(gòu)冗余（具有獨(dú)立信道）。與GRAIL2一樣，2個(gè)通道與表決器相關(guān)聯(lián)（在安全控制器中），以檢查通道之間的一致性。LOCOPROL不依賴于傳感器或獨(dú)立通道的冗余，而是利用獨(dú)立的信號冗余，采用原始算法，一方面利用了軌道的一維特性，另一方面利用成對的GPS衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)信號同步和冗余。實(shí)際上，這些算法基于TDOA（到達(dá)時(shí)間差）技術(shù)，而不是通常采用的TOA來計(jì)算定位區(qū)間。TDOA技術(shù)用于成對的GPS衛(wèi)星信號，可以計(jì)算與軌道數(shù)據(jù)庫的雙曲面交點(diǎn)，每對衛(wèi)星及其雙曲面交點(diǎn)在軌道上提供一個(gè)位置區(qū)間，通過合并6個(gè)計(jì)算區(qū)間來確保最終定位置信區(qū)間具有高置信度，最終定位置信區(qū)間。

（2）基于RAIM或者FDE算法。自從鐵路引入GNSS以來，已經(jīng)提出了許多故障檢測算法。如在《多傳感器鐵路車載導(dǎo)航系統(tǒng)中的故障檢測與隔離》一文中，提出了基于chi-square測試和殘差監(jiān)測的故障檢測隔離算法，該算法用于新型列車自動控制（ATC）和列車自動保護(hù)（ATP）中的多傳感器車載導(dǎo)航系統(tǒng)。學(xué)者們已經(jīng)討論了一些RAIM FDE算法作為LOCOPROL解決方案的補(bǔ)充。LOCOPROL系統(tǒng)提供與列車在區(qū)間內(nèi)的概率相關(guān)的置信區(qū)間，F(xiàn)DE的目標(biāo)是確保區(qū)間的合理和可用長度。最近，有研究實(shí)施了針對完整性的故障檢測和診斷（FDD）方案，其架構(gòu)。其中CKF是一種求容積方式的卡爾曼濾波器，是卡爾曼濾波器的變體;IMU是測量物體三軸姿態(tài)角和加速度的裝置。

在《基于GNSS的列車綜合定位系統(tǒng)的完整性保證》一文中，研究學(xué)者提出了一種用于多感知定位系統(tǒng)（加速度計(jì)、陀螺儀、里程計(jì)、GNSS）的自主完整性監(jiān)測和保證（AIMA）方案。故障檢測和排除過程由多數(shù)據(jù)融合、地圖匹配和位置報(bào)告3層組成。在《鐵路GNSS定位中增強(qiáng)完整性的解決方案》一文中，發(fā)布了一種通過比較實(shí)際GNSS海拔和3D行車路線圖中既定海拔，來定位誤差的檢測方法。基于模擬方法證明，可以通過對“高度矩陣”中矢量進(jìn)行均值（T-檢驗(yàn)）和方差（F-檢驗(yàn)），來檢出GNSS中的水平面誤差。在《利用三維軌道地圖進(jìn)行基于衛(wèi)星的列車定位》一文中，介紹了一種僅處理GNSS衛(wèi)星信號的方案，對接收到的衛(wèi)星信號執(zhí)行一系列檢查，以檢測潛在損壞的信號或位置。其具體手段包括：丟棄弱信號、利用車廂上的2處天線來比較偽距、通過載波信號多普勒頻率驗(yàn)證偽距等。另外一篇《山區(qū)鐵路線上的衛(wèi)星信號可接收性：衛(wèi)星定位能用于安全應(yīng)用嗎？》文章，介紹使用視覺技術(shù)區(qū)分NLOS衛(wèi)星信號，具體方法是將相機(jī)放在列車頂部，以提供天線周邊的環(huán)境圖像。早期是基于經(jīng)典鏡頭，最近已經(jīng)可以依靠魚眼鏡頭提供天線360°環(huán)境的圖像，然后再應(yīng)用圖像處理技術(shù)，對天空和非天空區(qū)域進(jìn)行分類，進(jìn)而對LOS或NLOS衛(wèi)星進(jìn)行分類。

與按固定路線行駛的公交車類似，列車通常是按照預(yù)定的路線行駛，所以可以考慮在車載數(shù)據(jù)庫中，預(yù)置相應(yīng)位置的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，其要點(diǎn)是事先確認(rèn)GNSS衛(wèi)星的可用性。最近已有研究表明，預(yù)先確定接收衛(wèi)星可用性狀態(tài)，可以增加GNSS獨(dú)立定位方案的定位準(zhǔn)確性，列車在線運(yùn)行時(shí)的RAIM不可用性，可以通過離線狀態(tài)下的RAIM可用性預(yù)測來補(bǔ)償。

（3）以EGNOS為基礎(chǔ)。EGNOS是歐洲SBAS系統(tǒng)，能夠提供測距和校正數(shù)據(jù)以提高準(zhǔn)確度，同時(shí)也提供完整性數(shù)據(jù)，即用戶在應(yīng)用校正值后還可以估計(jì)殘差。這些殘差包括用戶差分距離誤差（UDRE）和網(wǎng)格電離層垂直誤差（GIVE），通常叫'sigmas'。這2個(gè)參數(shù)可用于確定累積誤差，即用于計(jì)算保護(hù)層級（PL）的水平和垂直位置誤差的大致范圍。由于EGNOS服務(wù)是開放和免費(fèi)的，適用于大多數(shù)項(xiàng)目。民用航空的EGNOS精確進(jìn)近（PA）和非精確進(jìn)近（NPA）導(dǎo)航模式，主要是根據(jù)特定的航空要求設(shè)計(jì)，但在沿鐵路線的可用性并不是最佳的。據(jù)《意大利高速擺式列車上的EGNOS試驗(yàn)》報(bào)道，基于LOCOPRO方案，對意大利超過3000km的鐵路線進(jìn)行測試，實(shí)測總體可用率為66%。

對于地面?zhèn)鬏?，可在EGNOS消息的幫助下進(jìn)行計(jì)算的HPL（水平PL）是主要關(guān)注點(diǎn)。HPL界定了水平位置誤差（HPE）的置信水平，而這一置信水平是從完整性風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)中推導(dǎo)出來的。在已定義的警報(bào)時(shí)機(jī)（TTA）中，EGNOS依賴于水平警戒限（HAL由：用戶定義），HAL可用于完整性監(jiān)控，并幫助定位系統(tǒng)判定其輸出是否可用。除了在測試或評估條件下可以使用可靠的參比來測量外，真正的HPE（水平位置誤差）通常無從知曉，HPL就是準(zhǔn)確度的指標(biāo)，并與應(yīng)用要求所定義的HAL進(jìn)行比較。

應(yīng)用EGNOS導(dǎo)航時(shí)，可能出現(xiàn)的情況，系統(tǒng)在HPLHAL時(shí)不可用。如果估計(jì)是正確的，HPE應(yīng)始終小于HPL，前2種情況。第1種是完整性監(jiān)測過程正確工作的標(biāo)稱情況，可以放心地使用位置信息;第2種系統(tǒng)聲明不可用，不能保證定位信息的安全可靠，列車應(yīng)由另一個(gè)系統(tǒng)定位或停止運(yùn)行（安全程序），可能會出現(xiàn)一些操作限制但系統(tǒng)仍然是安全的;在第3種情況中，由于某些未檢出的故障，HPE有時(shí)會超過HPL，此時(shí)HPL小于警戒限（HAL>HPL），不會激活報(bào)警。如果真實(shí)誤差仍然低于警戒限（HPE

如今只有航空領(lǐng)域?yàn)镋GNOS服務(wù)的使用定義了特定的指標(biāo)體系，以及相關(guān)的認(rèn)證和個(gè)人授權(quán)程序;而且，航空領(lǐng)域的殘差由測距完整性監(jiān)測站（RIMS）估算，這是一種不考慮局域誤差的地面站。但是，在陸地運(yùn)輸應(yīng)用中局域誤差是不可忽視的。正是因?yàn)镋GNOS估算中未包含局域誤差，用EGNOS計(jì)算的HPL無法正確限定鐵路運(yùn)行環(huán)境中遇到的實(shí)際定位誤差界，此判斷將在STARS H2020歐洲項(xiàng)目（2016-2018）中得到驗(yàn)證。結(jié)合航空解決方案，有學(xué)者在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，證明EGNOS NPA標(biāo)準(zhǔn)可能適用于鐵路領(lǐng)域的安全相關(guān)應(yīng)用，但這還需要更多的研究來證實(shí)。在《EGNOS在道路交通領(lǐng)域的應(yīng)用性能》一文中提到，實(shí)測數(shù)據(jù)表明在道路交通領(lǐng)域，HPL能夠在高速公路上限定正確的誤差界（HPL<8m），但在城市環(huán)境中，接收器僅有15%的時(shí)間段是以安全運(yùn)行模式工作的。

在可用性良好，且局域誤差被限制的情況下，可以部署本地完整性監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（AIMN -Augmentation and Integrity Monitoring Network）。資料表明，AIMN比EGNOS可以獲得更好的準(zhǔn)確性。在3inSat項(xiàng)目中，AIMN網(wǎng)絡(luò)包括測距和完整性監(jiān)測參考站（RIMRS），用于完整性監(jiān)測和改進(jìn)衛(wèi)星定位的準(zhǔn)確性，每個(gè)參考站提供校正服務(wù)并檢測衛(wèi)星故障。

研究表明，有效強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)的使用，可以大大減少保護(hù)級別。此項(xiàng)工作將在RHINOS H2020歐洲項(xiàng)目中得到開展，旨在開發(fā)出綜合了GNSS、SBAS和ARAIM（源于航空電子設(shè)備）的鐵路高完整性導(dǎo)航系統(tǒng)，供用戶使用。

6 挑戰(zhàn)性問題和未來研究需求

鐵路GNSS研究已有超過15年的歷史。這些年來，已經(jīng)開發(fā)并證明了許多技術(shù)解決方案，提高了人們對這些系統(tǒng)在未來鐵路應(yīng)用中的潛力和優(yōu)勢的認(rèn)識。一些實(shí)質(zhì)上的進(jìn)步已經(jīng)被業(yè)界注意到，尚需面臨的主要問題如下。

6.1 證明成本效益

RFI（意大利）、DB（德國）、Network Rail（英國）或SNCF（法國）等歐洲運(yùn)營商，似乎都在認(rèn)真調(diào)查可能通過更換設(shè)備帶來的收益。針對意大利線路進(jìn)行的成本效益分析，證實(shí)了鐵路對GNSS的迫切需求，如果考慮全面部署ERTMS所需的投資（超過10億歐元），鐵路尤其需要GNSS。《衛(wèi)星定位用于列控系統(tǒng)的市場分析》一文中，使用系統(tǒng)動力學(xué)模型證明：在鐵路供應(yīng)商引入產(chǎn)品36個(gè)月后，SATLOC解決方案有望獲得第一個(gè)市場應(yīng)用。這表明鐵路運(yùn)營商取得的收益將為未來的研究敞開大門，并將加快開發(fā)進(jìn)度。仍然存在的問題是如何運(yùn)用研究結(jié)果去說服更多潛在用戶，到目前為止許多人仍然對從傳統(tǒng)ERTMS轉(zhuǎn)為使用GNSS持謹(jǐn)慎態(tài)度。

后續(xù)計(jì)劃由2個(gè)子計(jì)劃驅(qū)動：鐵路方面，著力發(fā)展ERTMS技術(shù)規(guī)范互操作性（TSIs）;而GNSS方面，主要是EGNOS系統(tǒng)的演進(jìn)。

6.2 鐵路環(huán)境中的GNSS試驗(yàn)

通過新GNSS系統(tǒng)（伽利略、北斗）的部署，近期的項(xiàng)目將基于多星系統(tǒng)解決方案。歐洲項(xiàng)目正期待從伽利略系統(tǒng)獲得收益，中國將研究基于GPS和北斗的聯(lián)合解決方案，日本鐵路將從2018年開始受益于QZSS。多星系統(tǒng)的優(yōu)越性是顯而易見的，將提供更好的定位準(zhǔn)確性、可用性和可靠性。

本文提到了一系列技術(shù)方案，其主要目的是處理列車車載GNSS遇到的掩蔽效應(yīng)、信號多路徑傳輸、干擾等不利因素，仍有很多技術(shù)問題需要從經(jīng)濟(jì)、習(xí)俗、文化等社會背景方面進(jìn)行研究。盡管在運(yùn)行列車上的GNSS接收，在過去一些項(xiàng)目上進(jìn)行了試驗(yàn)，也較大規(guī)模測試了信號接收和定位性能，但還是應(yīng)當(dāng)如STARS項(xiàng)目計(jì)劃的那樣，盡快對GNSS在真實(shí)環(huán)境中的性能作出試驗(yàn)評估，而且實(shí)際的驗(yàn)證項(xiàng)目具有幫助用戶熟悉這項(xiàng)新技術(shù)的重要作用。

評估中的GNSS性能越可接受，所提出的解決方案就越充分完善。無需增加不適當(dāng)或不必要的傳感器，嵌入式列車定位的混合解決方案應(yīng)能滿足應(yīng)用要求。正如過去在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用，誤差建模將會界定這些環(huán)境中的誤差范圍，這種界定對于完整性概念至關(guān)重要。實(shí)際上，對不確定性的識別可以使系統(tǒng)免受不必要誤差的影響。

6.3 定義要求

目前，不同的項(xiàng)目中定位信息的指標(biāo)要求還沒有統(tǒng)一。定義MOPS（最低使用性能標(biāo)準(zhǔn)）將使導(dǎo)航供應(yīng)商明確鐵路應(yīng)用的需求，并且提供了將現(xiàn)有的導(dǎo)航技術(shù)水平與鐵路相關(guān)需求差距量化的可能性。為了發(fā)展下一代EGNOS，并推動其在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用，短期內(nèi)要完成的任務(wù)之一就是確定鐵路應(yīng)用的MOPS。這樣可以使相對更熟悉航空領(lǐng)域的GNSS從業(yè)者能更好地理解鐵路的需求。

6.4 證明安全

提出合適的評估方法，以使傳統(tǒng)的RAMS評估適應(yīng)衛(wèi)星信號的無線特性，并增加量化的GNSS信號完整性參數(shù)，目前這還是一個(gè)全新的課題。最近幾年已經(jīng)提出了很多新的方案，但這些方案需要在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。此外，如果相關(guān)情況允許的話，擬開展的進(jìn)一步工作將是獲得安全認(rèn)證。

6.5 運(yùn)營線路試驗(yàn)

必須進(jìn)行試驗(yàn)以掌握技術(shù)，充分考察其在真實(shí)鐵路環(huán)境中的表現(xiàn)，而且還必須認(rèn)識到需要在試驗(yàn)線上驗(yàn)證，以評估新技術(shù)對運(yùn)行規(guī)范的影響，并提供保證安全的必要參數(shù)。

6.6 準(zhǔn)備認(rèn)證

最后一項(xiàng)重要事項(xiàng)是認(rèn)證。對認(rèn)證相關(guān)的工作已經(jīng)進(jìn)行了一些初步研究，比如GaLoROI中的一項(xiàng)工程就涉及這方面內(nèi)容。認(rèn)證是ERSAT項(xiàng)目中確定的最核心也是最緊迫的問題，它的解決需要NSA（國家安全局）的參與，在不久的將來歐洲鐵路局也需要參與進(jìn)來。

7 結(jié)語

綜上所述，GNSS在鐵路信號系統(tǒng)中的研究應(yīng)用已有了一定的成熟度，但要說服用戶開始部署基于GNSS的信號定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在鐵路網(wǎng)中的廣泛應(yīng)用，需要有取得認(rèn)證資質(zhì)的解決方案，為此仍需開展進(jìn)一步研究，將上述主要問題予以徹底解決。值得注意的是，鐵路行業(yè)鏈上的利益相關(guān)方，包括信號制造商、基礎(chǔ)設(shè)施管理者或運(yùn)營商都已經(jīng)在認(rèn)真考慮GNSS在鐵路信號安全相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

注：陳德偉，翻譯，原文出處：

Juliette Marais， Julie Beugin， and Marion Berbineau. A Survey of GNSS-Based Research and Developments for the European Railway Signaling. IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS， VOL.18， NO.10， OCTOBER 2017.[1]