（交通信息工程及控制专业论文）基于GNSS的虚拟应答器研究.pdf

北哀銮亟太堂亟堂僮i 金塞生塞摘要 中文摘要 摘要：应答器是中国列车控制系统c r c s 中的主要定位设备。为了提高定位 精度，轨道沿线需要铺设大量的应答器，从而增加系统成本和后期维护量。如何 在保证列车定位精度需要的同时减少实际设置应当器的数量对c t c s 的广泛实旌 具有重要现实意义。 随着全球导航定位系统g n s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 的发展， 国内外纷纷开展基于( 跗s s 技术来实现虚拟应答器( 巾l a lb a l i s e ，简称) 的 研究，即采用g n s s 接收机和相关软件实现查询应答器所有功能，用于模拟一个 真正放置在轨道上的应答器。论文在分析虚拟应答器的功能需求、系统结构的基 础上，对虚拟应答器各子系统构成、各运行状态之间的切换及其软件实现进行了 设计；重点对虚拟应答器关键部分一一铁路地图匹配算法和应答器捕获时机进行 了研究，在分析的定位误差与定位输出频率、列车速度关系的基础上，设计了 最优点捕获算法，当卫星导航定位系统正常工作时，列车运行到轨道上一个参 考点( 虚拟应答器点) ，通过实时的地图匹配技术实现参考点的最佳捕获，生成与 实际应答器格式一致的信息，并向应答器传输模块( r m ) 发送，从而使虚拟应 答器与常规应答器具有相同的接口功能，便于列车控制系统的采用。 论文采用s u a lch 1 6 o 编程工具和m a p x 地图控件实现查询应答器功能。软 件经采用青藏线g p s 数据测试，能准确捕获前方虚拟应答器信息实现虚拟应答器 功能。 关键词：虚拟应答器；全球导航定位系统；列车定位；地图匹配 j k 塞銮通太堂壅堂僮硷奎缱塑基丛冱 a b s t r a c t a b s t r a c t b a l i 辩i st h em a i np o s i 硒n i n gd e 、，i c ei nc h i 皿t r a i l lc o n h | o ls y s t e m b m m a 蛹v d yd 单】o y e db a l j s c sa 1 0 n gt i l e 的c kt oa c h i c v e1 1 i g l l 盯c d s i w j l la d ds y s t e m c 0 删眦c t i 明锄dm a i 芏1 t e i l a l l c cc o s t i th 船舱a l i s t i cs i g i l i f i c 锄c ci f 蛐p o s i 廿o i l i l l g 删s i o n 觚dt h er e d u c e dn 咖曲e ro f a c t l l a l l yd e p l o ) 僦b a l i s 韶c 锄b eb o t hg i 【跏t e c d w i m 吐峙d e v e l o p i i l e n to fg 1 0 b a ln 撕g a l i s a t c l l i t es y s t 锄( g n s s ) ，s o m e c o 蹦髂b 哂nt o n d u c t 咖a ib a i i s c i = v b ) 礴铭f c hb 韶e do i lg n s s ，1 km a i na i m i st o 悯1 i z eb a l i a l l 丘m c t i o 衄b y 瑚i n gg n s sr a 谢v 既矾dr c l a t e ds o r w a r e av bc 锄 p e f f b r n ij l i s tl i k e 褫a c n 】a lb a l i s c 劬c k s i d e 0 咀t l 尬b a s i so f 锄a l y z i n gv b f l l l l 砸o n a l r e q u i 瑚l a l t 锄ds y s t e ma f c t l i t c c t l l 】r e v b 吼l b s y s t e l i la r c t l i t e c t l l r e 锄dr e q l l i r 锄e n t 狮d s t a t u s 眦l s 陆缸l d8 0 f t w a r ei sd 髓i 印。d 蛳di m p l 锄翎t 耐t h er 豁e a “hi sa n p h 嬲i z e d o n 仃a i nm a pm a 毒c h i n ga l g o r i m m 赳l dv bc a p 咖d n gt i m e a f t 盱缸l a l y z 岫gt h er e l a t i o n s 锄o n gv bp o s i t i o n 翎bp o s m 伽q u t 丘踟u 朋c y 如d 蹦ns p e e d ，v bo p d 删o n c a 删n ga 1 9 0 f i t l l mi sp i d p o s e d a s s 啪et i a tg n s sr e c e i v 盯i sw o 幽i l gc o r r c c t l y 锄da t r a i i l lm o v c st oar c f 白e r l c ep o i mo nt h e 仃a c k ( v bp o i i l t ) ，v bs y s t 跗l 啪p e r f _ o m r e a l 一石m em a pm a t c h i n g 柚dc a p t l l l e 叩t i l l l i z e d p o i n tt og 锄利ec e 砌i l lm 韶s a g e w i t h 也es a m e f o l l l l a t 硒aa c t u a lb a l i s e 锄ds e r l d t o 吐l e b t m s o t h a t v b i 瑚l cs 姗e i m 刊f a c c 如n c t i o n 鸽ar c g u l 盯a c t i l a lb a l i t k 如n c t i o no fv bi sr e a l i z e db yu s i i i g s u a lc + + 6 oa n da c t i v ec o n 缸d lc a l l e d m a p x s o 脚a r ef i l l l c t i o nh 勰b e 髓v a i i d a t e db y 蔚b e tm i l w a yd a t a a p p l o i m c dv b s c a n b es u c c e s s 削l yc a p t u r e d 觚d l a t c d 缸l c t i o ni sr c a l i z e d k e y w o r d s ：r t i l a lb a l i s e ；g n s s ；仃a i nl o c a l i o n m a pm a t c h 访g 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：彦彤年肛月j 1 日 移肜 似 勿舻磁“ 2 0 0 6 年1 2 月 致谢 本论文的工作是在我的导师蔡伯根教授的悉心指导下完成的，蔡伯根教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 蔡老师对我的关心和指导。 蔡伯根教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向蔡伯根老师表示衷心的谢意。 师兄王剑博士在我学习和写论文的过程中给予了许多有益的建议和热心的帮 助，在此表示衷心的感谢 在实验室工作及撰写论文期间，与程军、张辉、安毅、张蜂等同学一起讨论， 他们同样给予了我热情帮助，在此向他们表达我的感谢之情。 最后，感谢我的父母，是他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业，特别要感谢我的爱人闰石，是他耐心帮助我完成论文程序的调试以及对我的 宽容与理解才使我顺利完成论文，给我的学生生涯画上一个完美的句号。 作者：张雅静 2 0 0 6 1 2 1 2 韭塞銮盈太堂毯堂僮盈塞绪论 1 1 问题的提出 l 绪论 查询应答器是重要的信号基础设施，在国外的铁路、地铁、以及城市轻轨交通 中得到广泛应用，近年来欧共体正在试验并推广使用基于无线闭塞的新型信号系 统，其中原有信号系统中的应答器得以保留、并发挥了十分重要的作用，仅法国 国内的列车控制系统中使用了数万余套的地面应答器【l 】。在中国，地面与机车的信 息传递主要依靠连续式轨道电路。目前，占主导地位的无绝缘轨道电路有法国 u m 7 l 、国产w g 一2 l a 和z p w 一2 0 0 0 a 等，它们均能获得连续的信息，但是信息 量严重不足，低频信息种类仅为1 8 种，对于坡道、弯道、道岔、桥梁等限速点不能 给出限速信息，不能满足高速运行的需要。而应答器系统的一帧报文长度为 1 0 2 3 b i t ( 短报文3 4 l b i t ) ，其有效数据长度为8 3 0 b i t ( 短报文2 l o b i t ) ，信息量大大增加， 既可与现有的各种轨道电路相配合，提升其功能，也可与基于通信的列车控制系统 ( c b t c ) 配合，提供股道、定位、线路参数等信息，对于我国铁路的提速、高 速铁路和地铁具有重要意义。随着提速线路的不断增加及高速铁路的出现，用于 a r p 的地面信息将显得不够用，点式应答器作为高速率、大信息量的实时数据传输 设备将在点连式御m ( a u t 岫a t i ct r a i n p f o t e c t i o n ) 系统中发挥日益重要的作用。目 前国外绝大多数铁路发达国家在1 2 蚴以上线路上的a 1 r p 系统均在不同程度上采 用了点式应答器的方案，以解决连续信息不足的问题【2 1 。中国根据铁路信号设备制 式的具体情况和铁路发展的实际需要，借鉴欧洲铁路发展的经验，制定了中国列 车控制系统c r c s 的技术规范。在c t c s 2 级应用中已经采用应答器作为主要的定位 设备，但是为了提高定位精度，就需要铺设大量应答器，在欧洲有些铁路线，甚 至每隔3 5 米藏设置一个应答器，比如在一条2 5 0 0 虹长的铁路上铺设欧洲应答器 ( e o b a l i s e ) 将会花费一千万欧元。为此虚拟应答器( v j r h l a lb a l i 简称v b ) 的 概念应运而生。虚拟应答器的出现可以替代部分应答器在轨道上的铺设，节约了 大量设备成本和维护费用并且采用g n s s 技术后可以充分利用地理信息，采用高精 度的数字地图，进行地图匹配后，就可以得出列车在地图上的精确位置。 g n s s ( g 1 0 b a ln a 、，i g a t i o ns a t e l l i l c ss y s 蛔n ) 全球卫星导航定位系统是美国g p s ( a o b a lp o s i t i o ns ) ，s t e l l l ) 与俄罗斯g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i 伽s a l d l i t es y s t 锄) 以及即将建成的伽利略( g a l i l e o ) 卫星定位系统的统称。在最初制定e 1 陀s 时，g n s s 还鲜为人知，其性能和技术也远远未达到实用程度，所以e t c s 当时没有考虑 g n s s 。直到近年来，g p s 去除s a 人为干扰，e c n o s ( g p s 广域差分增强系统) 开始 韭塞銮适去堂亟堂焦! 金奎 绪j 金 运行，特别是伽利略系统的加入，欧洲铁路才开始考虑将q q s s 引入列车控制系统。 伽利略系统能够与美国g p s 、俄罗斯g l o n a s s 系统实现多系统的相互利用，任 何用户都可以用一个接收机采集各系统的数据，并将各系统数据组合起来实现定 位导航。随着( 烈s s 和g i s 技术的发展，越来越多的g n s s 服务可以对列车定位产生 重要影响。采用基于g n s s 的虚拟应答器技术可以减少轨旁设备，降低运营成本和 维护费用。 1 2 国外研究现状 欧洲铁路运输管理系统欧洲列车控制系统( e r l m s e t c s ) 是欧盟为解决欧洲 铁路互通运营而提出的一系列法规性文件。提出e t c s 的目的在于消除由于各国设 施不同所引起的系统差别，在欧洲铁路网内实现互用性并确保列车运行的安全性 和高效性，降低运营成本，增强竞争优势。为了更好的推进e t c s 的发展，国际铁 路联盟( u i c ) 提出了( e t c s l o wc o s t ) 项目，这个项目旨在推进e 1 s 的研究，使 得e 1 s 不仅能够适用于欧洲各国之间的高速铁路，同时也能够适用于通常的铁路 网络以及低密度线路。e t c s l c 简化了列车控制系统性能需求，从而节省了升级 费用【3 胴。国外相关机构提出了开发基于g n s s e g n o s 的自动化的和自主的铁路 道口控制系统，简称e c o r a i l 。e c o r a i l 包括车载设备和地面设备。车载设备除 了g p s 和e g n o s 接收机以外，还有里程计、电子地图、数据融合计算机、通信模 块等。车载设备和地面设备通过无线通信交换信息。e c o r a i l 通过数据融合得出 列车当前的位置，激活地面的道口防护设备。e c o r a i l 有初步的电子地图设计内 容，虽然没有提出虚拟应答器的概念，但是实际上采用的是虚拟应答器技术【6 1 。 在欧洲高速铁路飞速发展的条件下，在欧洲铁路运输管理系统( e r l m s ) 和欧 洲列车控制系统f e t c s ) 的框架下，利用卫星技术实现列车定位，并广泛用于常规 和低密度铁路的一个项目进行了虚拟应答器的试验，证明了虚拟应答器的可行性 【一。这个项目是伽利略铁路运行系统示范项目g a d e r o s ( 全称为g a l i l d 锄。船t r a t o rf o rr a i l w a yo p e m t i o ns y s t 锄) ，它是由欧盟能源与运输总干事领导的 欧盟重点支持的一个先锋计划。g a d e r o s 的实施证明了将全球导航卫星系统 ( g n s s ) 应用于安全至关重要的铁路运行的可用性以及与e t c s 系统的互操作性。 它同样是e t c s l d wc o s t 的一个典型项目。如图1 1 所示，为g a d e r o s 系统中 虚拟应答器组成图。 2 j e 立交亟太堂亟堂僮论文绪j 金 1 3 国内研究现状 图l1g a d e r o s 系统中虚拟应答器组成图 目前我国在列车控制系统中采用卫星定位的系统仅限于刚开通的青藏铁路 r r c s 系统，系统应用电子地图通过设置虚拟信号机为列车控制系统服务。系统采 用g p s + 里程计进行定位，实时获得列车当前位置信息。作者所在实验室有幸承担 了青藏线g p s 数据处理与验证工作，对g p s 数据处理、铁路电子地图制作、铁路 地图匹配算法有一定的研究并在这方面发表了数篇文章【s 9 】。 正是基于以上背景本文详细介绍了基于g n s s 的利用地图数据库和地图匹配 算法的虚拟应答器技术，并分析了虚拟应答器的基本功能、系统组成、工作原理、 子系统模块构成，并编制软件初步实现了虚拟应答器功能。 1 4 论文结构 本论文共分五章，下面分别陈述各章主要内容。 第一章是绪论部分。对本论文的选题背景以及国内外研究现状进行了简单介 绍，并概要叙述本文结构框架。 第二章介绍了系统涉及的主要技术。包括全球导航卫星系统( a o b a ln a 、，i 譬撕 s a t e l l i t cs y s t 鼬g n s s ) 技术、查询应答器技术、地理信息系统技术、铁路地图数 据库及地图匹配( m 印m a t c h j i l g ) 技术。 3 j b 京变亟太堂亟堂焦论塞缝j 金 第三章介绍虚拟应答器的基本原理。对虚拟应答器概念和基本功能进行详细 介绍；对虚拟应答器操作功能、故障失效模式和司机应用界面一一进行了讨论。 之后，本章就虚拟应答器实际中应用的三个等级进行了简述。 第四章详细描述了系统设计与实现。对虚拟应答器系统各状态之间的切换、 系统误差、最优捕获等细节问题进行了研究。对系统各子模块的设计与实现进行 了分析。最后对程序中数据结构的设计进行了简要介绍并给出了系统运行界面。 第五章是结论及改进意见。主要包括采用青藏线数据进行系统验证后得到的 结论。包括电子地图和地图匹配算法的有效性、虚拟应答器捕获算法的有效性和 最终系统成功实现虚拟应答器功能，达到了研究的预期目的。最后提出了系统在 算法设计和安全方面的需要改进的地方。 4 2 关键技术综述 本章介绍了系统所涉及的一些主要技术，包括查询应答器技术，全球导航卫 星系统( g l o b a ln a v i 留石o ns a t e l l i t e ss ”t 啪g n s s ) 技术，地理信息系统 ( g c o g r a p 崎c a lh l f o l m a t i 帆s y s t e m - g i s ) 技术，铁路地图数据库及地图匹配( m a p m a t c 缸n g - m m ) 技术。 2 1 查询应答器技术1 0 ，1 1 ，1 2 1 应答器是采用数字技术实现数据的发送、传输、接收、处理并将处理的信息 传给可靠输出的点式信息传输设备。被广泛用于军事、航海，卫星通信等领域。 2 0 世纪7 0 年代中期应答器应用到铁路列车控制系统后，发展很快，尤其在欧洲有 众多类型的应答器应运而生。1 9 9 6 年欧洲铁路联盟为统一欧洲铁路应答器的制式， 在制定e t c s 列车控制系统技术规范的同时，也制定了欧洲铁路应答器的相关技 术标准，从结构原理、规格尺寸、类型样式、使用功能及使用范围等作了要求和 说明，使欧洲不同类型的应答器统一为更加完善的欧洲应答器e u r o b a l i s e ( 以下 简称欧洲应答器1 。 欧洲应答器即可以应用于干线铁路也可以应用于地铁等城市轨道交通线路 上；既可以应用到非高速铁路也可以应用到高速铁路上；既适应于点式及点连式 列车控制系统也适应于连续式列车控制系统。具体地说，欧洲应答器有以下两种 功能和优点： 馥可向运行列车传输应答器定位坐标和车站进路信息( 股道类型、股道长度、 道岔类型、速度要求等) ； 连可向运行列车传输应答器定位坐标和区间线路信息( 线路长度、线路坡度、 曲线参数、桥梁、隧道、速度要求) ； 雄信息容量大； 稿信息传输快，数码速率达5 6 5 k b i 以： 舔循环冗余校验，可靠性高： 稿壳体结构能适应室外环境。 2 1 1 系统结构及接口 系统由地面应答器b a l i 、车载应答器天线a n t e i l i l au l l i t 、车载应答器信息接 收模块b 1 m 、轨旁电子单元l e u 四部分组成，如图2 1 所示。 5 j e 京交通太堂亟堂焦j 幺塞 羞鲑拉苤绽述 信号机或联锁设备 图2 1 欧洲应答器接口示意图 1 地面应答器 地面应答器通常设置在信号机旁或一段需要减速的缓行区始终端，当列车驶 入应答器的捕获区域时，查询器首先以一定的频率通过电磁感应的方法将能量传 递给应答器，应答器被激活，应答器内部电路在接收到能量后开始工作，将所储 存的数据以某种调制方式通过电磁感应发送到车上。应答器发送的信息被车载设 备解码处理后，可以用来得到列车的精确位置。查询应答器可以用作连续式列车 速度自动控制系统的列车精确定位设备，这时应答器内部储存的数据是固定的； 亦可以用作点式列车速度控制系统的列车检测、定位辅助设备，通过轨旁电子( “ s i d ee l e c 扛d l l i ce q u i p m e n t ) 单元相联接，发送可变的信息给列车。目前应答器定位 方式所允许的列车最大运行速度已经达到5 0 0 h l l l 。 2 车载应答器天线 车载应答器天线设置在机车的底部，是一个全双工的收发天线，既要向地面 发送激活地面应答器的功率载波，还要接收地面应答器发送包含数据报文的f s k 信号。 3 信息接收模块b 1 m 车载应答器天线将接收到的地面应答器f s k 信号，传送到b 1 m ，由其对信息 进行处理，完成解调、译码等工作，最后把信息通过相应的接口，在约定的接口 协议下传送到相关设备，如a t p 设备、显示设备或无线设备等。 6 4 轨旁电子单元l e u 轨旁电子单元是地面应答器与信号机之间的电子接口设备，是一种数据采集 与处理单元，其任务是将诸如进站股道信号和信号灯位等信息转换成报文，传送 给可变报文应答器进行发送。 5 接口 欧洲标准中定义了系统中各个设备的接口，例如，地面应答器和应答器天线 之间的接口定义为“a ”，而可变报文应答器和轨旁电子单元之间的接口定义为 。并在各个接口下还定义了子接口 2 1 2 应答器报文定义及应用 1 变量定义 蕊变量将用于对单一数据值进行编码，每一个变量只有一种含义； 露变量可以有特殊值，它们与变量的基本含义有关； 舔特殊值总是变量中的最大值( 例如1 l l l l = ”未知”) ； 雄备用的变量数值应在正常值和特殊值之间的可变数据范围内； 旗变量的名称是唯一的，同含义的变量具有相同的名称； 磕1 位布尔变量总是使用“o ，作为“假”，“l ”作为“真”； 娃所有变量都有下列之一的前缀： 表2 1 应答器变量定义 d 距离 g 坡道 l 长度 m其它 n 编号 n c 等级编号 n i d 识别号 q限定 v 速度 2 数据包定义 数据包是许多变量在一个单元中的组合，具有固定的数据结构。数据包结构 包括一个包头：1 个唯一的包编号，信息包的位长度，方向信息，可选的距离标尺 和包含系列定义的变量的信息区。1 个数据包结构如下： 7 表2 2 应答器数据包定义 编号 n ) - p a c k e t 信息包的标识码 方向 q l d 瓜 指出信息对哪个运行方向是有效的 长度 lp a c k e t 信息包所包含的数据位数 标尺 q s c a l e 距离长度的分辨率 信息 系列变量 所有当前未定义的包标识符都是为将来预留的，所有未来的包定义须遵守上 面的定义结构。 3 报文结构( 信息帧) 表2 3 应答器报文结构 序号名称 变量字节 备注 位 l 帧标志q - u p d o w n l 信息传送的方向 ( o = 车对地，l = 地对车1 m j e r s i o n 7 语言代码版本编号 ( 0 0 0o 0 0 1 = v 1 o ) q i m e d n l 信息传输媒介 ( o = 应答器、l = 环线) np i g3本应答器在应答器组中的位 置 ( o o o = 1 1 l l = 8 ) nt o i t a l3 应答器组中所包含的应答器 数量 ( o o o = 1 1 1 1 = 8 ) md u p2 本应答器信息与前后应答器 信息的关系 ( 0 1 = 相同，l o ：不同) m m c o u n t 8 报文计数器( o 2 5 4 ) ( 2 5 5 = 报文适应同一组的所 有应答器) n i dc1 0 地区编号( 高7 位= 大区编号， 低3 位= 分区编号) n i db g1 4应答器( 组) 编号( 高6 位= 车 8 j e 瘟变通太堂亟茔位j 金奎羞键擅苤综述 站编号，低8 位= 应答器编号) q - l i n k l应答器( 组) 的链接关系 ( o = 不链接，l = 链接) 2用户信息包 7 7 2 3 信息结束 8= 1 h 11 1 1 1 ，表示信息帧结束 4 用户信息包 每一个应答器中的用户信息包是根据实际应用的需要由下列1 个或几个不同 的信息模块组合而成。这些信息模块包括：应答器链接、线路坡度、线路速度、 等级转换、c t c s 数据、特殊区段、调车危险、轨道区段、临时限速、区间反向运 行、大号码道岔。 5 用户报文设计举例 ：! ! ! = 二= 3 士! ：i：#出卫! ：p 旦仁= 甲7 下表是轨道区段应答器( 1 ) 的报文具体构成： 表2 4 轨道区段应答器( 1 ) 报文 序号变量名字节位说明 l n i d _ ) ( u s e r 9 信息包标识码( oo 0 0 00 0 0 l b ) q _ _ d i r 2验证方向( 0 1 b = 正向) lp a c k e t1 3信息包位数( 1 4 2 ) q - s c a l e 2 长度分辨率( 0 1 b ：1 m ) 2 ds i g n a l 1 5 到前方第一架信号机或信号点的距离 ( o ) 3 n i d s i g n a l 4 信号机或信号点类型( 0 0 0 0 b = 没有信 号机) n i d f r e q u e n c y 5 轨道电路载频 ( o o 0 0 1 b = 1 7 0 0 ) l - s e c t i o n 1 5 轨道电路长度( l 1 a ) 4nn e r 5 包含轨道电路数 ( 3 ) n i d _ s i g n a l ( 1 ) 4信号机或信号点类型( 0 0 l l b = 通过信 号机) n i d _ _ f r e q u e n c y ( 1 ) 5 轨道电路载频 ( 0 0 0 l l b = 2 3 0 0 ) l _ s e c t i o n ( 1 ) 1 5 轨道电路长度 ( l 1 - b ) 9 j 塞交翌太堂亟堂焦监室差整蕴丕堡述 n i d - - i g n a “2 ) 4信号机或信号点类型( 0 0 l l 庐通过信 号机) n i d f r e q u e n c y ( 2 ) 5 轨道电路载频( o o 0 0 1 b = 1 7 0 0 ) l s e c t l 0 n 2 ) 1 5 轨道电路长度 ( l 2 ) n 1 s i g n a h 3 ) 4信号机或信号点类型( 0 0 0 l b ：进站信 号机) n i d - f r e q u e n c y ( 3 ) 5 轨道电路载频 ( 0 0 0 1 1 b - 2 3 0 0 ) 【l s e c t i o n ( 3 ) 1 5轨道电路长度( l 3 ) 2 1 3 应答器在我国的发展 无论从性能指标上还是从结构特点上，欧洲应答器都具有其先进性及独到之 处，受到中国铁路部门管理层及广大技术人员的青睐，由于欧洲应答器的先进性 及在欧洲的应用效果，中国在制定c t c s 列车控制系统规范时，借鉴了欧亳 f l 应答 器的有关技术参数及性能指标，编制了中国铁路应答器技术条件( 暂行) ，完善了 c t c s 列车控制系统技术规范的文件。由于应答器系统在欧洲是成熟的产品，应用 十分广泛，所以在国内研制时，可以采用其理论和系统结构开发出各个功能模块， 进行功能替代，但也存在如下难点和需要解决的问题： 菇由于地面应答器是无源的，依靠列车通过时下传的能量触发，当列车达到 一定速度时，通过地面应答器的时间很短，大约只有2 3 m s ，在这样短的时间内， 需要将下传的高频信号转换为能量，且将存储的报文经相位连续f s k 调制和功率放 大后输出，对其启动时问和能量消耗要求很高。 囊为了提高定位精度就必须大量设置地面应答器。这样就带来了高额的设备 成本和后期维护费用。为了减少投资，也可以采用应答器来校准其他定位设备产 生的累积误差，从而减少应答器的设置数量，比如在地面上安装应答器，机车上 安装查询器、配合里程计进行列车定位，但是这种方式仍然需要地面铺设大量的 应答器，带来高昂的建设和维护费用。 基于以上问题，本文将介绍种基于g n s s 的列车定位方法实现虚拟应答器 代替部分应答器进行定位。采用g n s s 技术，可以减少轨旁设备，降低设备成本 和维护费用，符合我国列车控制系统的发展要求。 2 2 全球导航卫星系统( g n s s ) 技术 g n s s ( g l o b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t e s y s 自咖) 是能够在全球范围内提供精确的、 i o 实时的导航信息的卫星导航系统，它包括一个或一个以上星座、g n s s 接收机以及 所需的系统完好性监测和增强系统。目前应用最广的是g p s 系统。 目前能够完全运行的g n s s 系统是美国的g p s 系统，于1 9 9 5 年达到完全运行 能力。近年来，受g p s 应用需求和其它卫星导航系统竞争的挑战，美国出台了一 系列g p s 现代化措施，包括取消s a ，消除s a 产生的大约2 4 2 m 的伪距误差；增 发两个新的民用码，一个调制在l 2 上( 1 2 2 7 6 m h z ) ，一个调制在新增的l 5 上( 1 1 7 6 4 5 姗z ) ；增加星座，保证2 4 加3 颗在轨卫星，并可能增加到3 0 颗卫星，以增加 系统可用性。俄罗斯的g l o n a s s 由于国内经济紧张，无资金注入来更换新的卫 星，且g l o n a s s 卫星寿命较短，目前在轨可操作卫星仅8 颗。欧盟委员会和欧 洲空间局共同发起并组织实施伽利略计划，旨在建立欧洲自主、独立的民用全球 卫星导航定位系统。该系统由三十颗导航卫星及相关地面设施组成，预计2 0 l o 年 部署完成，实现与g p s ，g l ( ) n a s s 兼容。我国的北斗系统也已投入使用。g n s s 将具有三到四个卫星系统相互兼容工作。g n s s 接收设备可依托于三个或四个卫星 定位系统，可供定位的卫星数为单个g p s 的三倍或四倍，能有效地提高其定位精 度及可靠性。 g n s s 技术在高速发展，越来越多的g n s s 服务可以对列车定位产生积极的推 动。采用g n s s 技术的列车定位系统的优势还在于可以充分利用地理信息，利用 高精度的数字地图，进行地图匹配后，可以得出列车在地图上的精确位置从而实 现精确定位。 2 3 地理信息系统( g i s ) 技术1 3 j 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m g i s ) 起源于2 0 世纪6 0 时 代。地理信息系统作为传统学科( 如地理学、地图学和测量学等) 与现代科学技 术( 如遥感技术、计算机科学等) 相结合的产物，正在逐步发展成为一门处理空 间数据的现代化综合性学科。 一个典型的g i s 系统应包括三个基本部分；计算机系统，空间地理数据库系 统，应用人员和组织机构。 g i s 的主要应用领域有：地理空间数据管理；综合分析评价与模拟预测；空间 查询和空间分析；地图制图；专题地图和区域信息系统；与遥感图像处理系统结 合的应用：面向具体应用的g i s 二次开发；属性数据的综合及融合应用。 地理空间的表达式地理数据组织、存储、运算和分析的基础。地理空间的表 达方法可以概括为矢量、栅格、三角形不规则网( t r i a n g u l a t e di r r e g u l a rn e t w o r k t i n ) 和v o r o n o i 等几类，以此为基础可以构造地理空间各种不同的数据模型和 数据结构。然而对于交通道路网络来说，下面介绍的方法更适合建立简单有效的 数学模型和计算机模型。 节点和路段是道路网络中的两类基本几何元素。节点是路段与路段的交点或 路段终点，反映了道路的交叉路口或终点。节点通常用g i s 系统采用的坐标系中 的坐标对来表示。路段就是节点间的线段，用来表示一段道路。直线通常用两个 端节点来表示，而曲线以连续的拐点集合表示。 目前世界上常用的g i s 软件已达4 0 0 多种。国外较著名的有a r c i n f 0 ， g e n a m a p ，m g e ，m a p i n f o 等；国内较著名的有姒p g i s ，g e o s t a r 和c i t y s t a r 等。 本系统基于实际应用需要考虑，选用由美国m a p i n f o 公司推出的m a p i n f o 系 列软件，它实现了地图与数据的完美结合，以数据可视化的方式，提供一种崭新 的决策支持方法。以下就涉及的两个软件m a p i n f o 和m 印x 作简要介绍： 表2 5l i a p i n f o 和l l a p x 的对比 软件价格软件形协同工作方式运行效 支持脚本功能 式 塞 m a p i n f o高 g i s 后台运行低 m a p b a s i c强 平台 m a p x较低 a c t i v e x动态链接 高无稍弱 组件 虽然m a p x 功能没有m a p i n f o 那么强大，但是由于使用组件方式开发g i s 软件 逻辑合理，独立性强，便于维护，并且可以得到较高的运行效率。另外，相对而 言，妇p x 也更具有价格优势。正是基于上述考虑，系统选用m a p x 进行g i s 二次开 发。 2 4 铁路地图数据库1 4 】 高精度的数字地图是g n s s 定位的基础有了电子地图才可以进行地图匹配， 得出列车在地图上的精确位置。所以高精度的地图数据库的建立是必需的。目前， 欧洲一些国家以及美国已经在列车控制系统地图数据库方面进行了一些研究。 2 0 0 2 年，法国a l s t o m 公司提出了一种基于拓扑结构的轨道描述方法以及轨道地 图数据库的规范【l5 】；美国g e 公司也依据美国线路的情况提出了创建列车控制系统 地图数据库的方法，并实际运用在密歇根线路商业运营。但是，由于我国在g n s s 技术在铁路应用方面的研究起步相对较晚，目前在列车控制系统地图数据库方面 的研究很少。 本文采用一种高效实用的地图数据库设计方案实现虚拟应答器用于列车定 位。 1 2 j 立交煎太堂殛堂僮论毫差缝撞苤绽述 2 4 1 铁路地图数据库创建流程 电子地i 虱数据库的创建大致可以分为5 个步骤：g p s 测绘数据、数据处理、创 建数据库、编译生成二进制文件、数据验证，如图2 3 所示。 图2 3 ：地图数据库文件的创建流程 j e 哀銮道左堂硒堂焦监塞差键技苤绽述 2 4 2 铁路地图数据库结构 隈速点 ( s c d h m ) 图2 4 ：列车控制系统地图数据库结构图 l 区域( t e m t o r y ) 区域( t c 耐t o r y ) 是电子地图覆盖范围内的某一条轨道线路，由若干个分区 ( s c c l i o n ) 组成。其作用主要是对这条线路全线的情况作概括性的描述。当列车由 一条线路行驶到另外一条线路时，即列车由一个区域进入到另一区域时，需进行 电子地图的切换。 2 分区( s e c t i o n ) 这里的“分区( s e c t i o n ) ”与通常所说的铁路上的区间不同，与闭塞分区也不同。 分区将铁路上的每个车站以及站与站之阃的部分区间合并起来，分区与分区之间 的分割点一般是位于两个车站之间的区间的正中央。为了防止当列车离开一个分 区进入另一个分区并切换电子地图时出现无法匹配的情况，两个相邻的分区会有 一段重叠的区域，以保证安全。依据工程经验，通常选取重叠区域( o v e d 印) 的 长度为3 公里。，为了地图匹配的时候能够很快的初始定位，每个分区都定义各自的 1 4 北塞变通太堂亟堂也论塞差整技苤堡述 边界范围，实际中是一个闭合的凸四边形。这样定义的好处是可以先判定当前点 属于的分区，然后再判定在属于的片段，容易实现分级检索，提高检索效率。 3 轨道( 1 b c k ) 分区内部由一系列轨道( 妇c k ) 组成。轨道分为正线和侧线，分别有唯一的 编号和偏移量。 轨道描述的主要信息有：轨道的名称、编号；总长度以及起、始里程：起、 始点的经度、纬度、高程以及平面坐标；所包含的片段( s e g m e n t ) 总数等等。 4 片段( s e g m 蹦t ) 分区内部的轨道由一系列有顺序的片段组成。每个片段都有两个节点，分别 是头节点和尾节点。从列车定位系统地图数据库的应用考虑，依据上下行方向来 定义头节点和尾节点。头节点到尾节点方向为下行方向为了地图匹配运算的方 便，所有的曲线轨道全部用折线或圆弧来代替。每个片段( s e g m e n t ) 都有本身的 长度属性，其他信息有：片段的名称、编号；片段的所属轨道的名称或编号：起 始点的经度、纬度、高程以及平面坐标；总长度以及起始里程。 5 节点( n o d e ) 节点是片段的分割点。通常节点就是站场内部的关键点，比如说道岔、绝缘 节、信号灯等等。节点最重要的属性是它包含了片段的连接关系，反映了轨道的 拓扑结构。需要说明的是选取节点的位置，即分割片段的位置，除了使近似表示 满足误差的要求外，还要注意与铁路规则尽可能地相一致。比如，对应于绝缘节 的位置点必须作为一个节点处理，以便使片段在地图数据库的表示方法与在实际 工作中铁路站场表示方法能形成一定的映射关系。 6 铁路专用数据 铁路专用数据包括站场内部的各种设备和特定地点等等，比如边界点、信号 灯、警冲标、限速点、绝缘节、变坡点等等。其中的单个设备或特定地点称为“线 路对象，( p r o f n eo b j e c t ) 。每个对象都有自己的里程属性、距离属性。距离属性被 定义为它所对应的轨道上的位置距离片段头节点的距离。 7 地形、环境信息( e n v 的啪c n d 地形环境数据包括影响列车定位的地形环境的描述，比如隧道、路堑、山体 等等。这部分数据在定位系统的完整性检查中起着重要的作用。 综上所述，结构合理的高精度数字地图是列车地图匹配技术的基础，地图匹配 技术是实现基于g n s s 虚拟应答器用于列车定位的有力保证。 2 5 铁路地图匹配技术1 4 l 尽管d g p s 技术已经将定位误差控制在几米范围内，但测量的坐标点基本上不 1 5 j 立交盘点堂亟主堂篮论塞 差毽技苤绫述 能正好落在运行线路上，需要通过一定的算法进行修正，使其映射到线路最有可能 的点上，这就是地图匹配。该技术以模式识别理论为依据，基于“列车始终行驶在钢 轨上”与“电子地图数据是准确的”的前提，通过找到列车所在的轨道，计算出准确 的列车位置，达到校正定位过程产生的误差的目的。 在列车定位的地图匹配中，难点在于如何实时、准确的识别列车目前运行在 哪条轨道上。在单线铁路区间上，列车在正常运行情况下，不存在这个问题。在 双线铁路区问上，根据列车运行的规律( 列车在双线铁路上靠左行驶) ，增加列车 运行方向的判断后，也可以推断出列车所在的轨道。但是在铁路车站内，如果有 很多平行的轨道，特别是编组站，有超过1 0 条以上的轨道，目前的g n s s 的标准定 位精度无法满足实时识别列车所在轨道的要求，特别是列车在经过道岔的时候更 是如此。在已有的列车控制系统中，包括g e 公司的1 1 r c s 和a l s l o m 的a t l 嬲- 4 0 0 所 采用的定位方法判断列车所在轨道的办法都是检测道岔的状态【悯，根据道岔的定、 反位，结合当前的列车进路，最终判断列车当前所在的轨道。这种方法需要地面 控制中心预先从联锁系统获取进路信息、道岔状态信息，然后发送到车载设备， 这样才能够保证列车安全定位。 本论文讨论重点是在低密度区采用g n s s 实现虚拟应答器用于列车定位，地图 匹配区段基本是在单线或者双线区间里，所以采用的匹配算法是比较简单的情况。 2 5 1 列车地图匹配的内容 通常列车地图匹配包括以下主要内容：首先对列车定位信息进行坐标转换， 使之于地图数据库的坐标系一致；对列车位置信息预处理，剔除粗大误差，然后就 可以进入地图匹配算法流程。 地图匹配算法通过把列车轨迹与车载数字地图数据库提供的铁路地图数据相 比较，确定列车的最大可能位置。因为地图数据库包含线路的位置坐标，所以地图 匹配可用于重新修正列车的位置，减小定位误差。 2 5 2 列车地图匹配流程 列车地图匹配的基本流程图如图2 6 所示。 1 6 j 哀至遵太堂殛里僮j 垒交羞毽技苤缝述 图2 6 列车地图匹配总流程图 1 7 i 哀銮遵左堂鳕兰焦论塞虐型座釜盏基奎厦翌 3 虚拟应答器基本原理 在本章中，首先介绍了虚拟应答器的基本概念，并以此为基础介绍了虚拟应 答器的基本功能。之后，对虚拟应答器操作功能和失效模式进行了介绍。最后给 出了虚拟应答器在实际中应用的三个等级，并以此为据阐述了其实际应用价值。 3 1 虚拟应答器基本概念1 6 l 在欧 l 列车控制系统( e 代s ) 中，虚拟应答器的定义如下：虚拟应答器对于 e t c s 车载设备来说是一个外部设备，它模拟一个真正放置在轨道上的应答器，在 列车运行到轨道上一个参考点并且g p s 工作正常，虚拟应答器就向应答器传输模块 ( b t m ) 发送一个位置信息。这个信息与真正轨道上的应答器发送的信息完全一 样，其内部主要由三个模块组成：定位单元模块、安全判别模块、v b 模块。虚拟 应答器系统组成如图3 1 所示。 i， 叫霞垒姓l 鬻俐荆摸蟪l 暖嚼s 缓收飘卜叫套拳璺滤敌卜卜 i 定链荦元攘块 i| 豫罂就i 上工 v b 捕获 l v 8 数据库 i 概 _ 接 _ 卜 v b 瞎廖产曩 iu lv b 援块 图3 1 虚拟应答器系统组成围 虚拟应答器相对传统应答器而言它是个软件系统，主要依靠执行程序来完 成定位功能。 3 2 虚拟应答器基本功能1 7 ，埔j 3 2 1 虚拟应答器在轨道上的设置 虚拟应答器点的设置以相应列车控制系统互用性规范为原则。两个v b 之间最 大距离由列