衛星定位技術下的鐵路交通管理系統

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關鍵詞：鐵路交通；管理系統；衛星定位；歐洲

現代化和創新的浪潮正在席卷鐵路部門，盡管目前發生了危機，但是向更可持續的運輸模式轉變的需求，仍然是至關重要的。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年實現“凈零排放”碳中和運輸目標的支柱。歐洲鐵路交通管理系統（ERTMS）仍然是通過降低成本、提高鐵路服務安全性來實現這些宏觀目標計劃的基石。然而，近年來該系統的部署進展緩慢，面臨加快實施速度的壓力。其中一個促進因素是尋找降低歐洲鐵路交通管理系統成本的方法。關于使用衛星定位方法替代昂貴的固定基礎設施，特別是在區域線路上，已經有很多討論。這是正在調研的扭轉局勢的方法之一。總體思路是將ERTMS與兩個全球導航衛星系統———GPS和Galileo提供的定位工具相融合。但事實證明，現在還很難實現這種融合，部分原因是全球導航衛星系統（GNSS）服務供應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，一直在進行確定共同理念和語言、商定功能需求和分配雙方安保責任的工作。ERSAT－GalileoGameChanger創新項目是這一過程的最新進展，其核心目標是提高ERTMS整體經濟可持續性，特別是通過將ERTMS與GNSS以及多運營商公共電信服務相結合，鼓勵在地方和區域鐵路上引入ERTMS。

1虛擬應答器

為了將GNSS與ERTMS相結合，鐵路部門研究了一種基于虛擬應答器概念的方法，該概念目前正在接近成熟。這可降低成本，因為虛擬應答器與基礎設施本身間無需任何物理干預。虛擬應答器通過地理參考位置取代了傳統的軌道安裝的應答器，這樣任何列車都可以計算自己的位置來檢測虛擬應答器，并應用與物理應答器相同的規則。因此，虛擬應答器可以按照現有ERTMS規范操作，同時減少安裝到基礎設施的數量。除了ERSAT－GGC之外，正在開展一些其他研究項目，以檢驗虛擬應答器的潛力，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復雜性

依靠GNSS信號進行安全定位的困難主要是由于其質量不一致造成的，這很大程度上取決于列車和軌道周圍特定的局部環境。軌道周圍的局部無線電頻率障礙會在衛星信號到達GNSS天線前對其阻礙、反射或干擾。由于位置是根據信號傳播時間來估計的，這些現象不僅降低了位置數據的可用性，而且還會影響結果的準確性，從而影響所提供信息的總體可信度。并非所有的鐵路應用都需要非常精確的定位或全套可用服務。降級的但明確定義的不準確，也可以滿足一些需求。然而，與有限的不準確相關的完整性，起著關鍵的安全作用，信號工程師將需要開發可預測的性能模型，以便他們能夠安全地制作出鐵路基礎設施的精確尺寸。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星數據性能。

3從STARS到ERSAT

ERSAT－GGC的一個重要前身是歐盟的先進鐵路信號用衛星技術（STARS）項目，該項目由Horizon2020研究項目提供資金，于2018年11月結束。STARS小組在意大利、瑞士和捷克共和國進行了幾次衛星定位的實踐測試。這些測試證實存在多徑、非視距GNSS信號和各種形式的干擾，反映了在其他運輸方式中部署衛星定位的經驗。ERSAT－GGC重點關注沿著軌道本身的定位以及這些效果的識別，比STARS更進一步。該項目源于意大利基礎設施管理機構RFI的工作。RFI在該領域的研究始于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，設法從現有基礎設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機構GSA提供資金，并由RFL負責協調。該項目于2019年11月結束，由歐洲的14個合作伙伴執行，匯集了鐵路基礎設施管理者、列車運營商、檢驗機構、GNSS研究中心、ERTMS制造商和各種信號測試實驗室。目標是鞏固增強的ERTMS的功能架構，包括虛擬應答器概念，使其能夠納入GNSS定位和公共無線電TLC技術。這項研究預計將為RFI在倫巴第Novara—Rho線路首次實際部署的認證鋪平道路。項目團隊的核心任務包括危險分析、開發驗證增強的結構的測試套件，以及開發一個將軌道區域劃分為適合于定位虛擬應答器的進程。這將取決于關鍵局部現象的狀態，如非視距信號、多徑效應和射頻干擾。在此之后，由一個非反對的實益擁有人（NoBo）進行最終的獨立評估，為認證奠定基礎。

4局部“危險事件”檢測

ERSAT－GGC財團開發了一套測試系統，能夠檢測不同的所謂“危險事件”，如干擾、多徑、非視距和屏蔽。這依賴于異構參數，以使檢測更有力度。例如，可以使用GNSS參數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（表示衛星到接收機距離測量估計誤差）。使用GNSS接收機信號處理參數（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時記錄列車上的所有“危險事件”，并根據單個運行進行分類。然后重復這一過程，以便更完整地呈現GNSS的性能。重復是很重要的，因為“危險事件”的性質可能隨著衛星本身進入軌道而改變。危害檢測過程的主要組成部分有：（1）基于COTS設備的測量硬件，用于獲取可觀測信號數據；（2）針對各種GNSS風險的不同檢測技術；（3）一個處理檢測結果的決策邏輯，為線路每個區段生成一個“區域分類”。該財團開發了一套軟件工具包（圖1）用于分析結果，然后由獨立實驗室進行評估，以驗證其是否符合相關的功能和非功能要求。

5在西班牙和意大利的試驗

在商定了方法后，項目小組隨后進入了現場試驗階段，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線進行。試驗運行的目的是收集數據，以及驗證根據列車天線的GNSS信號質量對軌道區域進行分類的方法的能力。車頂天線與列車內部的商用GNSS接收器連接（圖2）。頻譜分析儀輔助了意大利的測試設備，而在西班牙，車頂上放置了一臺魚眼照相機。撒丁島試驗線是一條長50km的復線，穿過的地區大部分是鄉村，可以達到150km／h的最高速度。西班牙的試驗使用了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行幾次運行試驗，以呈現GNSS信號接收的空間和時間。經過西班牙10天、意大利一周的試驗后，項目小組利用軟件工具包獲取了足夠的數據進行后期處理。這一進程深入了解了沿線的局部危險。通過每次運行試驗分析，項目小組可以識別“危險事件”，然后將每條線路的區段進行分類：綠色為沒有檢測到影響的區段；紅色為受到一些影響的區段；黃色為不確定。隨著更多的試運行記錄，分析傾向于減少黃色區域的數量，并提高顯示為綠色或紅色區域的確定性。線路區段顏色編碼過程見圖3。此外，合作伙伴開始更加相信GNSS分析工具包可以應用于多個地點和鐵路運營條件。

6明顯進展

2019年11月，ERSAT－GGC在普拉哈的GSA總部，舉行了最后一次會議，總結了這個項目的主要成就。該項目已經證明，增強的ERTMS功能架構可以將虛擬應答器作為引進GNSS定位的一種節約成本的影響小的選擇。定義了相關的功能和非功能測試的規范，驗證了在增強的架構中增加ERTMS功能性的可能。通過定性和定量的危害分析，證實了增強的ERTMS功能架構的安全性。對鐵路環境中影響GNSS功能的局部危害進行了調查，并商定了適合虛擬應答器使用的軌道區域分類方法。顏色編碼分類方法減少了GNSS缺陷導致虛擬應答器位置錯誤不受控制的風險。這使得將GNSS定位納入ERTMS演變的理由更加充分。增強的ERTMS功能架構、相關危害分析和軌道分類工具包均由驗證機構進行了評估。這為其在RFI管理的線路區段上運營服務中的使用鋪平了道路。獨立評估人員確認了該方法和所用工具原理的有效性。它們可以在ERSAT－GGC項目內外使用，具有高度的靈活性和可配置性。已經完成一個演示模型，演示虛擬應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一步的試驗，以便為分類工具提供更多數據。一般來說，隨著輸入數據量的增加，可以確定更多的綠色區域。

7意大利領先

由于認識到泛歐更換老舊的列車控制設備的必要性，RFI公司向意大利基礎設施和交通運輸部提交了ERTMS全國實施計劃，包括承諾在全國網絡部署ERTMS。但是，基礎設施經營商也承認成本因素的影響，并承諾在適當的情況下嘗試更低成本的技術。在此基礎上，RFI公司同意主辦一個試點項目，以測試、驗證和認證衛星設施在ERTMS架構中的使用。為了鼓勵進一步使用衛星定位系統，GSA已邀請各方參與定制工具開發的投標，以支持衛星定位在鐵路中的應用，例如車載專用接收器。同時，可期待更進一步的發展前景。歐洲航天局正在推動將歐洲地球同步導航覆蓋服務（EGNOS）引入GNSS，并制定長期計劃，包括研究如何將帶EGNOS功能的ERTMS在歐洲發展到演示前階段。

作者：白春玲 王其偉