北斗铁路列车卫星定位与辅助预警系统

统等。ＧＰＲＳ是在ＧＳＭ基础上发展起来的移动高速 分组数据业务。ＧＳＭ—Ｒ系统的ＧＰＲＳ网下行信道 平均吞吐量大约为３～５ ｋＢｙｔｅ／ｓ，上行信道平均
数据库服务器
应用服务器通信服务器ＧＩＳ服务器
么二二二∑么二二二∑
车站１ 车站２
图３列车安全行驶辅助预警子系统结构图
数据库服务器：接收从通信服务器传送来的列 车运行实时信息和提供用户的各种共享信息，经整 合处理并存在数据库中，并为各级应用服务提供相 应的信息服务。 通信服务器：负责数据信息的整合和数据流的 动态管理。其内容包括车一地信息转发、地一车信 息转发、地一地信息转发。 应用服务器：完成对输入系统各项数据的综合 处理，包括列车安全行驶的状态监控信息的获取、 安全辅助预警计算、信息查询与统计等。 ＧＩｓ服务器：存储铁路网络的地理信息数据， 处理其他服务器发送的查询请求，进行空间地理数
ＴＩｅｃｈｎ０１０ｑｊＣａＩ ｌｎｎｏｖａｔｉＯｎ
技术创新
吞吐量大约为２～３ ｋＢｙｔｅ／ｓ。目前ＧＰＲＳ网络主 要承载的调度命令信息无线传送、列车无线车次号 校核信息传送和ＤＭＳ信息传送等业务的容量约占 系统容量的三分之一左右。 本系统的列车定位信息和预警信息数据量少， 一般在几十Ｂｙｔｅ／ｓ左右；差分信息大概为２００～
表２
３０
表５铁路线间距要求
按线间最小距离４
０００
ｍｍ考虑，列车追踪接
近预警系统可按列车定位精度优于２ ｍ考虑。
ｓ内不同运行速度的列车运行距离表
３系统构成
北斗铁路列车卫星定位与辅助预警系统由预警 中心、ＧＳＭ—Ｒ通信网络、定位及预警系统车载终 端（简称车载终端）、差分基准站等构成。系统结构
示意如图１所示。
出列车当前的运行线路、运行线别等。 ４．３车地无线数据通信方案 车地无线通信用于运行中的列车与预警中心之 间的通信，实现列车定位信息、预警信息、差分定
监控仪，并安装上压电速率陀螺，与定位终端一起 形成卫星定位＋ＤＲ组合定位导航方案。方案示意
Ｎｏ．２余颜丽，虞凯：北斗铁路列车卫星定位与辅助预警系统
万方数据
３００
位信息的无线传输。适合车地无线数据通信的主要
方式如下。 １）卫星通信
目前，北斗卫星导航系统具备短报文通信的能 力。然而，对于山区、隧道等区域，卫星信号无法 实现覆盖，则存在通信盲区，通信不可靠。
２）公众移动通信网
Ｂｙｔｅ／ｓ。因此，ＧＳＭ—Ｒ系统的ＧＰＲＳ网络完
公众移动通信网提供短消息和通用分组无线业
ｔｔｌｅ埘Ｖｅｒ
ａｎｄ ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ
ｐｅｒｓｏ皿ｅｌ
ｔｏ ｐａｙ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｔｌｌｅ
ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ
ｓａｆ．ｅ劬ｉｎ
ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｖｏｉｄ ａｎｙ舰ｉｎ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｃｃｉｄｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢｅｉＤｏｕ ｎａＶｉｇａｔｉｏｎ
ｓａｔｅｌｌｉｔｅ；ｒａｉｌｗａｙ；ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ｗ锄ｉＩｌｇ；ｃｏｍｍｕＩｌｉｃａｔｉｏｎ
图２北斗卫星定位＋ＤＲ组合定位方案原理图
４．２卫星差分定位技术方案 对列车运行位置的精确定位是列车安全行驶辅 助预警系统的关键点。北斗卫星导航系统的定位精
度在１０ ｍ左右，尚不能满足列车精确定位的要求，
需要采取差分等误差补偿处理技术。
差分定位是根据两台以上接收机的观测数据来
确定观测点之间相对位置的方法隅Ｊ。为了实现差分 定位，需在铁路沿线设置地面卫星差分基准站，要 达到高精度定位，大概每５０ ｋｍ需要设置１个差分 站。同时，为了传输地面卫星差分基准站接收的卫 星差分定位信息，还需要在地面卫星差分基准站与 预警中心建立传输通道。采取卫星差分定位技术后，
北斗铁路列车卫星定位与辅助预警系统由列车卫 预警信息传输时延与所选用的通信网络有关。 按最大传输时延１０ ｓ考虑，则在这段时间内列车的 运行距离如表３所示。
表３
１ｏ
星定位子系统和列车安全行驶辅助预警子系统构成。 列车卫星定位子系统实现对列车运行位置的精 确定位，主要由车载终端、差分基准站、ＧＳＭ—Ｒ通 信网络构成。车载终端和差分基准站实时接收北斗 定位卫星的信号，计算位置信息，并通过ＧＳＭ—Ｒ 网络位置信息（包括经度、纬度等）实时传送至 列车安全行驶辅助预警子系统的数据处理中心。 列车安全行驶辅助预警子系统主要由预警中心、 ＧＳＭ—Ｒ通信网络构成。预警中心接收来自于列车
北斗铁路列车卫星定位与辅助预警系统
余颜丽虞凯
（中国中铁二院工程集团有限责任公司，成都６１ ００５１） 摘要：引入北斗导航卫星技术，提出北斗铁路列车卫星定位与辅助预警系统，对列车进行准确定 位，并根据铁路运行列车的运行位置进行相邻列车间距预警计算。当相邻列车间的距离达到预警条 件时，提示司机和调度人员注意行车安全，防止列车追尾事故的发生。 关键词：北斗卫星；铁路；定位；预警；通信
定位精度优于ｌ ｍ，根据定位信息可以很容易识别
螺仪判断列车运行方向，通过读取列车在进人隧道 时的即时速度，配合加速度传感器获得精确的位置
信息。ＤＲ是典型的独立定位技术一１。其原理就是陆
地车辆定位可以认为是行驶在二维平面内，在已知起
点的情况下，测出车辆行驶的方向和距离，求出Ｘ、 Ｙ方向上的位移量，从而推算出行驶列车的位置。 综合考虑，本系统采用“北斗卫星＋ＤＲ组合 定位”的方案。结合目前我国铁路列车己有的行车
ＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３．４４４０．２０１４．０２．００７
１概述
北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、 独立运行的全球卫星导航系统，与美国ＧＰＳ、俄罗 斯格洛纳斯、欧盟伽利略系统并称全球４大卫星导 航系统，可在全球范围内全天候、全天时为各类用 户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务ｕ】。 与ＧＰＳ、格洛纳斯和伽利略系统相比，北斗系统的 优势在于短信服务和导航结合，增加了通信功能； 自主系统，高强度加密设计，安全、可靠和稳定， 适合关键部门应用口１。目前北斗卫星系统已经广泛 应用于交通运输、通信、电力、金融、气象、海洋 和水文监测等各个方面。 在我国铁路领域，凡与卫星导航相关的技术产 品，一般都采用ＧＰＳ。随着北斗卫星导航系统的建 设和应用，以及我国既有线列车提速和客运专线建设 步伐加快，北斗导航卫星将在铁路行业开展大面积 应用，例如列车、地质灾害的监控和工程测量等口】。 实时、精确地确定列车在线路中的位置是保证 安全、发挥效率、提供最佳服务的前提。在轨道交 通行车安全和指挥系统中，列车定位是一项关键性 的技术。准确、及时地获取列车位置信息，是列车
；北斗定位部分
Ｉ数据转卜—也塑剑；
—Ｆ＿Ｊ：Ｉ口电路ｒ］矗轾彼Ｉ；
１）车轮速度传感器定位 利用列车车轮速度传感器脉冲信号，计算列车 实时运行速度。在北斗卫星信号失效时，根据列车
速度推算列车运行位置。由于列车在运行过程中轮 轨磨损，空转、打滑，利用车轮速度传感器计算列 车运行速度存在较大的误差。 ２）采用航位推算（ＤＲ）进行定位 采用ＤＲ方法进行定位，在进入隧道后利用陀
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂ铺ｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅ ｉｎ仃ｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＢｅｉＤｏｕ ｎａＶｉｇａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ
ｔｅｃｌｌｎ０１０踢ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｍｓ ｆｂ刑ａｒｄ ａ
ｂｅ俩ｅｅｎ
ＢｅｉＤｏｕ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ仃ａｉｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅ
务（Ｇｅｎｅｒａｌ
Ｐａｃｋｅｔ Ｒａｄｉｏ
全有能力承担本系统的业务传输，可作为车地无线
传输平台的首选方案。
ｓｅｒｖｉｃｅ，ＧＰＲＳ）两种
通信方式。公众移动通信网同样存在信号覆盖不足 的问题，通信可靠性不能得到保障。 ３）铁路专用无线通信网 目前，所有铁路区段均设置有铁路专用移动通 信系统，如ＧＳＭ—Ｒ（ＧｓＭ
万方数据
紧急制动距离如表１所示。
表１ 列车紧急制动距离限值表 列车紧急制动距离限值／ｍ 序号制动初速度／（ｋｍ／ｈ）
向。纵向上，系统对列车位置的定位精度应保证能识 别在同一轨道上运行的前后两列车，能达到１００ ｍ就 足够了；横向上，系统对列车位置的定位精度应保证 能识别在上行轨道和下行轨道上运行的两列车，需 根据高速铁路上、下行线路线问最小间距而确定。 按照我国铁路相关规定的要求Ｈ’５’创，高速铁 路区间正线、站内正线的线间最小距离如表５所示。
技术创新
图１
北斗铁路列车卫星定位与辅助预警系统结构示意图
式。在铁路区间北斗卫星信号接收状况良好的情况
下，采用北斗卫星定位。当在隧道、山区、森林和
如图２所示。
城市建筑群等处，北斗卫星信号会减弱或消失，这
时需要采用其他辅助定位方式。 可供选择的辅助定位方式如下。
ｌ际蒜懈 剥誊蓍蓍Ｈ翮ｌ
—ｉ
Ｌ………………．．Ｊ
从表ｌ可以知道，列车在不同制动初速度时的 紧急制动距离限值是不同的，系统中可以考虑按列 车运行速度的不同设置预警距离。 同时，为了降低接近预警提示对司机的干扰， 系统中设置的预警距离应该大于列车紧急制动距离 限值，但也不能设置过大而影响预警效果。考虑系 统对司机预警后给司机３０ ｓ的思考和处理时间，然 后司机才可能采取相应的处理措施，因此，这段时 间内列车的运行距离如表２所示。
ｆｏｒ
５列车安全行驶辅助预警子系统
５．１子系统结构 如图３所示，列车安全行驶辅助预警子系统主 要由预警中心、通信网络、车站预警接口３部分组 成，预警中心配置有数据库服务器、应用服务器、 通信服务器、ＧＩＳ服务器和显示终端，并具有与列 车调度体系中其他运行系统等的外部数据接口。
显示终端 预留外部接口
Ｒａｉｌｗａｙ）通信系
据分析等。 显示终端：负责以二维视图、三维视图等形式 展示列车运行状态，实现可视化管理。 ５．２子系统功能 列车安全行驶辅助预警子系统的总体功能主要 包括：基础信息管理、列车安全行驶监控、安全行 驶辅助预警、信息查询与统计分析、人机交互界面、 系统维护６个功能模块。各功能模块详细的功能结 构如图４所示。 基础信息管理：形成列车安全行驶监控与预警 基础信息数据库，对北斗信息、列车基础信息、机 车基础信息及其他基础信息等进行整合与管理。
ｓ内不同运行速度的列车运行距离表
序号列车运行速度／（ｋｍ／ｈ）列车紧急制动距离限值／ｍ
由此，可计算得到针对不同运营速度的线路， 列车追踪预警距离如表４所示。
表４不同运营速度线路的列车追踪预警距离表
卫星定位子系统的定位信息，计算列车间的距离， 对列车间距实时监控。当列车间距达到预警距离时， 则通过车地无线网络发送预警信息给司机，为司机 提供辅助预警，防止列车追尾事故的发生。
ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｌｌｇ觚ｄ ｗ锄ｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
ｆｏｒ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ仃ａｉｎ ｐｒｅｃｉｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａ１１ｄ ｄｉｓｔａｎｃｅ
ｗ锄ｉｎｇ ｄｉｓｔａＩｌｃｅ
ｂｅ铆ｅｅｎ ａｄｊａｃｅｎｔ们来自百度文库ｎｓ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ
ａｄｊａｃｅｎｔ佩ｎｓ ｍｅｅｔｓ
ｗ锄ｉｎｇ
ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｍｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｌｌ ｐｒｏｎｌｐｔ
４列车卫星定位子系统
４．１定位技术方案 ２．２列车运行位置定位精度 列车运行位置的定位可按轨道方向分为纵向和横 列车在运行过程中，由于线路、地形及其他情 况的变化较大，不同的地方需要采用不同的定位方
铁路通信信号工程技术（ＲＳＣＥ）２０１４年４月
万方数据
ＴｅｃｈｎＯｌｏｇｉｃａｌ｜ｎｎｏＶａｔｉＯｎ
铁路通信信号工程技术（ＲＳＣＥ）２０１４年４月，第１ｌ卷第２期
２系统需求
本系统的实现，首先需要确定合适的列车追踪 预警距离，既要保证在列车间距超过认可的安全范 围时及时提醒司机，又要避免频繁提醒对司机正常 行车的干扰；其次需要按不同线路、不同线别（上 行、下行）对运行列车进行位置识别，根据线路间距 等技术指标综合考虑系统中对列车定位精度的要求。 ２．１列车追踪预警距离 列车预警距离应包含３部分：列车紧急制动距 离、司机做出判断时列车运行距离和预警信息传输 时列车运行距离。 按照我国铁路相关规定的要求ｈ ５一，列车的
安全、有效运行的保障。针对此，本文引入北斗卫 星导航技术，提出北斗铁路列车卫星定位与辅助预 警系统，防止列车追尾事故的发生。该系统是一种 相对独立于信号系统的列车追踪接近预警系统，系 统能够对行驶中列车进行准确定位，并根据铁路运 行列车的运行位置进行相邻列车间距预警计算。当 相邻列车间的距离达到预警条件时，提示司机和调 度人员注意行车安全，同时，当运用成熟时，可提 供与列车调度体系中其他运行系统的通信数据接口。