陆德彪, 孙 浩, 张 丹,3, 段国涛, 董皓琦

(1. 北京交通大学电子信息工程学院, 北京 100044;2. 智慧高铁系统前沿科学中心, 北京 100044;3. 北京交通大学北京市轨道交通电磁兼容与卫星导航工程技术研究中心, 北京 100044)

0 引言

随着铁路的快速发展,运输系统对于铁路网络的通过能力、运输效率、设备管理和维护等方面提出了新的需求。以CTCS-3和CTCS-2级(Chinese train control system,CTCS)为代表的列控系统结构复杂,设备间信息交互繁琐,轨旁设备较多[1]。列控系统技术的演进致力于缩短列车运行间隔、减少轨旁设备,进而由车载设备完成列车定位和列车完整性检查功能。中国和欧盟分别在已有的列控系统架构上提出了新型列控系统(next generation train control,NGTC)[2]。NGTC主要研究并实现基于无线通信的移动闭塞或相对闭塞技术、融合卫星导航的多源列车定位技术以及基于车载自主的列车完整性检查技术等[3-4]。

列车完整性检查是指列车在行车过程中对列车整体连接的完整性进行检查,以确保列车在行车过程中的安全性和稳定性[5]。NGTC中基于车载自主的列车完整性检查技术指不依赖于轨旁设备如轨道电路等,采用机车至最后一节车厢的硬连接方式(风压或列车总线)以及自主列车首尾测速定位的方式实现完整性检查功能[6]。欧洲X2Rail-2计划下SCOTT项目中提出了基于无线方式实现列车完整性检查的方法,包括了基于卫星导航的方法[7]。随着北斗卫星定位系统的精度的提高,应用北斗实现列车完整性检查可保障列车完整性检查的实时性和安全性[8-9]。

在基于卫星定位的列车完整性检查中,列尾设备在实际应用前需要在实验室条件下进行对应工作环境场景下的卫星定位功能及性能测试。在列尾观测环境仿真方面,国内外的实验室大多采用3D建模、环境图像建模以及激光雷达点云建模等技术构建模型,从而模拟卫星信号传播路径并实现卫星定位接收机信号接收环境的仿真[10]。基于典型铁路运行场景(如森林、隧道等环境)进行实验室模拟分析,比较模拟位置和实际位置,计算误差值并将其与精度阈值进行比较分析,从而评估定位性能[11]。安毅等人针对GPS天线安装在车钩处,GPS卫星信号被车厢遮挡定位下降的问题提出了一种基于GPS和虚拟卫星组合定位完成列车完整性检查的方法[12]。杨安利用Apriori 关联分析算法对列尾设备观测卫星的特征参数进行关联分析,建立列尾设备卫星定位受限环境场景模型[13]。因此,通过大量数据进行关联性分析建立天空图模型,在实验室仿真过程中需要基于观测卫星、天空图模型对卫星进行可见性操作,实时仿真过程较为困难。构建定位设备天线的方向性图,可以实现任意仿真轨迹上卫星可见性仿真,在此基础上进行符合列尾设备技术条件的卫星可见性仿真,形成测试案例,可有效服务于列尾设备在不同运行线路的通用性功能和性能测试。

本文针对列尾的卫星定位接收天线方向性进行仿真设计,在实验室环境下建立列尾观测受限场景并开展基于测试序列的规范仿真和测试。通过定位精度评估方法,评估列尾设备在受限场景下的定位精度,旨在构建基于卫星定位的列尾设备通用性功能、性能仿真测试和评估方法,为开展新型列控系统实验室仿真测试提供设备级仿真条件。

1 列车完整性检查

1.1 新型列控系统对列车完整性检查的要求

根据ERTMS/ETCS系统需求规范的Subset-026和中国《CTCS技术规范总则》的要求,通过无线闭塞中心(radio block center, RBC)和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查。目前的列尾设备可以通过检测风管漏风情况来判断列车的完整性,当列车分离时,风管断开漏风,泄漏量超过规定阈值时,列尾设备会向监测系统发出告警信息,提示驾驶员注意列车运行状态。并且,当前列尾属于车务系统,纳入列车运行控制系统需考虑列车完整性检查的可信性,因此按照新型列控系统的设计,列车完整性检查功能应该符合以下条件:

1)列车完整性检查列尾设备能够向车载主机实时传输列车完整性的状态情况。

2)车载设备能够根据列尾信息向无线闭塞中心发送准确的列车位置信息。

3)列车位置信息中列车完整性信息应该经过安全校验,定位精度优于5 m(95%)。

因此,引入基于卫星定位和风压双套冗余的列车完整性检查列尾设备可以保障列车运行过程中,基于GSM-R网络传输列尾测速定位信息和风压信息至车载主机,满足完整性检查功能的3个条件。

1.2 基于卫星定位的列车完整性检查

新型列控系统的列车完整性检查列尾设备(以下简称“列尾设备,end-of-train device,EOT”)引入了基于卫星的车载无源定位方式。如图 1所示,列尾设备采用硬件安全比较架构,包含风压检测、测速定位、无线通信和控制主机。

图1 安全型列尾设备构成示意图Fig.1 EOT safety structure composition

风压检测模块通过比较双路风压一致性校验列车完整,测速定位通过双路测速定位模块检查测速定位误差是否满足阈值范围要求,然后将列尾设备的风压和测速定位信息传输至车载ATP主机,最后由车载主机实现列车完整性安全校验。

因此在列首ATP车载设备主机、列尾设备均增加基于卫星导航的测速定位模块,车载ATP设备主机接入的卫星导航天线位于机车顶部;列尾的天线内置于列尾设备,因货车车厢安装条件限制,列尾只能安装在最后一节车厢后侧车钩位置,车厢对列尾天线造成遮挡,因此列尾的卫星观测环境为典型的“半边天”环境场景。如图 2所示,列尾设备观测到的卫星信号数量比被测车载ATP设备(简称“列首设备,head-of-train device,HOT”)少近一半,因此列尾观测到的卫星几何精度因子(horizon-tal dilution of precision,HDOP)增大,导致定位误差随之增大。

图2 列尾设备和列首设备卫星观测状态示意图Fig.2 Satellite observation illustration for EOT and HOT

基于上述列尾设备卫星观测受限的情况,再加上实际列车运行过程中经过车站、山体及城市等多种环境场景,导致卫星定位信号观测场景不可控,因此在列尾设备投入铁路现场使用之前,需要在实验室条件下进行列尾观测卫星场景的仿真,对基于卫星的列尾定位性能进行测试,验证其场景适应性和定位精度,从而确保列尾设备在实际列车运行中能够准确地获取位置和速度信息,为ATP车载设备提供必要的信息以保障列车的运行安全。

2 基于卫星定位的列尾设备环境特征构造

2.1 列尾设备卫星信号接收环境

列尾设备一般安装在最后一节货车车厢的尾部,列尾设备与列车车钩相连接用于固定设备,同时连接尾部风压管,如图 3所示。因列尾设备安装位置为车厢后侧,车体对列尾设备天线造成遮挡,导致列尾观测卫星数量下降,可能导致定位观测几何布局下降,带来较大定位误差。因此,需要对列尾观测卫星环境场景进行实验室仿真环境下仿真和性能测试。列车运行过程中因轨道走向导致列车运行的航向角动态发生变化,导致列尾设备观测的卫星数量随着列车运行、遮挡的方位变化带来变化,并且随着列车运行经过不同的环境场景,观测的卫星数量、几何分布均动态变化,如图 4所示。因此,构造列尾观测场景需要建立列尾受车体遮挡的天空图特征,并在此基础上基于卫星导航星历、电子轨道地图进行观测卫星的实时生成。列尾观测的天空图依据观测天空可见性和遮挡特性采用天空遮挡特性(feature of sky occlusion, FSO)进行参数化特征描述[14]。

图4 不同运行方向下列尾天线观测天空图Fig.4 EOT antenna skyplot under different operation directions

2.2 列尾天线方向性设计

为了分析车厢的遮挡对列尾设备接收卫星导航信号实现列车完整性检查功能的具体性能,使用ANSYS公司的HFSS(high frequency structure simulator)软件进行列尾天线的天空方向图仿真。HFSS软件采用有限元 (FEM) 方法求解电磁场问题,进行电磁场的三维建模仿真。在HFSS天线仿真中,通过在天线的某一方向设置与地面垂直的理想导体边界,模拟尾部车厢对天线接收信号的遮挡情况,保证大地和所设置的车厢平面二者之间没有因为边界条件不同产生互相之间的影响。如图 5所示,列尾设备天线为右旋圆极化矩形天线,按照列尾设备安全性的要求,设备内部共有2根天线。

通过图 5的天线尺寸结构、天线手册提供参数,确定仿真所需的天线参数如表 1列尾天线特性参数所示。

图5 列尾设备天线尺寸示意图Fig.5 EOT antenna ¶meters

表1 列尾天线特性参数

通过上述右旋圆极化矩形微带天线的结构尺寸,在HFSS软件中构建天线仿真模型,按照有车体遮挡和无车体遮挡两种场景进行仿真,仿真场景如图 6所示。

基于相应仿真场景,在HFSS仿真软件中卫星导航信号的频点进行仿真分析,形成对应的天线方向性特征,列尾天线观测的天空图导致方向性图为非全向性,因遮挡导致了畸变。由此基于模拟仿真的列尾天线方向图构建列尾观测环境并生成天线接收信号增益矩阵。

(a) HFSS仿真天线模型

3 列尾设备观测环境场景仿真方法

3.1 面向场景仿真的列尾观测环境构建

根据图6的HFSS列尾设备天线的仿真结果,以天线方向性参数为输入,作为模拟参数输入至GNSS模拟器中,模拟列车运行中的列尾设备观测的天空图(skyplot)。基于实际卫星天线接收信号场景,天线和卫星之间的相对位置可以通过俯仰角θ∈[0°,180°]和方位角φ∈[0°,360°]来表示,天线本体坐标系及天线方向图定义如图7所示。

图7 天线本体坐标系及天线方向图定义Fig.7 Antenna coordinate system definition and antenna pattern

为了准确描述天线接收卫星导航信号的增益,将俯仰角和方位角通过1°的间隔进行分割,形成天线方向增益矩阵A,用式(1)表示。

(1)

其中,m=180;n=360,0

由于卫星轨道与天线本体距离可认为无穷远,在同一方位角下,天线的俯仰角方向信号增益相同。利用HFSS 软件仿真生成的天线方向图,取每个平面方位角的信号增益值,生成式(1)天线方向增益矩阵的参数,构造满足GNSS卫星导航模拟器格式要求的用户天线方向图参数格式文件(按比例因子100进行Am×n放大),生成的用户天线及方向性图参数(局部)如图8所示。

图8 基于列尾天线方向性生成的增益参数Fig.8 Gain parameters triggered by EOT antenna pattern

3.2 基于卫星导航模拟器的列尾观测场景生成

基于卫星信号模拟器的列车定位精度测试平台由仿真数据生成系统、GNS8460信号模拟发生器、模拟器控制系统、被测车载ATP设备(简称“列首设备”)、列尾设备及定位精度后处理系统组成,测试平台的连接方式如图9所示。

图9 基于卫星信号模拟器的列车定位精度测试平台Fig.9 GNSS-based EOT/HOT localization accuracy test platform

通过GNSS模拟器操作系统向卫星导航模拟器注入列车运行轨迹参数,包括基于电子轨道地图对应的线路信息生成的列车运行三维位置、速度和天线方向性参数,卫星的系统时间、星历信息,从卫星和列车运行两个方面形成的仿真参数输入至仿真平台。列首定位设备和列尾设备通过不同方式接收模拟生成的卫星导航信号,并计算对应位置信息和观测参数,通过定位精度后处理系统与仿真输入的列首和列尾设备位置信息比较,进行不同观测卫星场景下的精度分析。总体的仿真测试流程结构如图 10所示。

图10 基于GNS8460模拟器定位性能仿真测试流程图Fig.10 Simulation &test flowchart of localization performance based on GNS8460 GNSS simulator

4 列尾定位性能测试方法

4.1 仿真数据及测试流程

为验证生成的天线方向图的正确性和仿真测试平台构造场景的性能,采用真实列车在浏阳站至大茅站(K1596+650-K1561+300)共计35.35 km的浩吉铁路货运线路上采集的数据,生成列首和列尾设备运行轨迹数据。根据列首和列尾设备的实际工作场景和天线方向性,列首设置无遮挡场景,列尾设置为第2部分通过HFSS生成的天线方向性参数,卫星导航模拟器列车行驶最高速度为80km/h。卫星导航模拟器的配置包括:信号频点为北斗B1I和B2I频点、GPS的L1和L5,仿真轨迹为120 s 的静态(用于初始定位)、浏阳站停车3 min、浏阳站-大茅站区间行驶27 min,仿真轨迹数据的基本信息如表2所示。

表2 仿真轨迹场景信息统计表

为验证列首和列尾设备分别在开阔场景、受车体遮挡场景下,接收设备在BDS模式、GPS模式和BDS/GPS双模3种工作模式下单点定位的性能,列首和列尾设备均采用Ublox M8N接收机,接收卫星导航模拟器输出的列首、列尾卫星导航信号。Ublox M8N接收机配置为单点定位方式,接收机配置部分参数如表 3所示。

表3 Ublox M8N接收机参数设置

在本次实验中,我们模拟列首和列尾两个定位设备,在两种列车运动状态下,对3种卫星定位模式下进行了共计6次实验评估定位性能,如表 4所示。

4.2 仿真定位精度评估

通过仿真平台获得的6个测试序列的结果,进行静态/动态场景、BDS/GPS不同定位模式下的定位性能评估。定位误差采用均值μ、标准差σ以及圆概率误差95%(R95)3个参数进行评估[15]。

针对6个测试序列动态运行过程的测量结果,对观测的可见卫星数量(SV)、水平精度因子(HDOP)进行了比较,如图 11所示。

(a) BDS模式下列首设备卫星观测状态

(b) BDS模式下列尾设备卫星观测状态

(c) GPS模式下列首设备卫星观测状态

(d) GPS模式下列尾设备卫星观测状态

(e) BDS和GPS双模下列首卫星观测状态

(f) BDS和GPS双模下列尾卫星观测状态图11 列车行驶状态下列首和列尾定位可见卫星数和水平精度因子(HDOP)Fig.11 Satellite visible numbers (SV) &HDOP for EOT/HOT under train dynamic operation

列首设备观测环境未设置天线方向性增益参数,环境为无遮挡开阔场景,从列首和列尾设备的平均可见卫星数来看,不管是在列首3个测试序列、列尾3个测试序列中,列首设备可见卫星数量比列尾设备可见卫星数量多近1倍,符合车体遮挡带来的天空遮挡场景特征。类似地,HDOP值在列尾设备的3个测试序列中测试结果均大于1,亦符合因车体遮挡带来的卫星几何分布不良带来的HDOP增大现象。特别地,EOT-PS-03测试序列中列尾设备工作模式为BDS/GPS双模定位,其HDOP值均值为1.41,与EOT-PS-02相比,减小超过50%,从定位原理角度来看,EOT-PS-03定位精度比EOT-PS-02有较大提升,见表5。

表5 列首和列尾设备在不同定位模式下的SV和HDOP均值

同时对6个仿真序列中,区间运行部分的水平方向(北向/东向)定位误差进行了分析,如图12所示。在HOT-PS-01/HOT-PS-02场景下,列首设备的水平方向定位误差均值分别为2.97 m和1.19 m。而在EOT-PS-01/EOT-PS-02场景下,列尾设备的水平方向定位误差均值分别为13.69 m和5.52 m。由于车体遮挡的原因,列尾设备的水平方向定位误差均值分别增加了10.72 m和4.33 m,这符合上文提到的,由于可见卫星数目减少和卫星几何分布不良等因素,导致HDOP值增大所带来的水平方向误差增大的现象。在EOT-PS-03测试序列中,列尾设备的水平方向定位误差均值为2.42 m,相较于EOT-PS-01/EOT-PS-02测试序列,列尾设备的水平方向定位精度有了较大的提升。这证明了采用GPS/BDS双模定位方式可以有效地降低列尾“半边天”场景所带来的定位误差。

(a) 列首水平方向误差箱线图

(b) 列尾水平方向误差箱线图图12 列车行驶状态下的列首和列尾定位设备水平方向误差箱线图Fig.12 Horizontal error box line diagram for HOT/EOT in train dynamic operation

最后,我们依据上文所给出的定位精度评估指标,将水平方向误差沿北向和东向进行了分解,统计了6个仿真序列在停车和区间行驶状态下的定位误差参数,如表 6所示。从误差均值和标准差来看,无论是停车状态还是区间行驶状态,列尾的EOT-PS-03测试序列相较于EOT-PS-01/EOT-PS-02精度均为最优,分别为1.87 m和3.82 m (R95)。EOT-PS-03与HOT-PS-03相比,动态运行过程中列尾R95误差优于5 m,能够满足卫星定位列尾用于列车完整性检查的功能。

表6 列首和列尾设备在不同定位模式下的定位误差参数评价指标

5 结论

围绕铁路列车运行控制系统列车完整性检查功能中列尾设备的安全冗余输入的需求,本文研究了基于卫星定位的列尾设备性能测试方法。列尾设备在现场测试卫星信号观测动态变化,本文探索了基于卫星导航模拟器的列尾设备性能测试方法,并基于电磁场仿真软件HFSS进行了天线方向性参数的仿真,模拟列尾设备在列车运行过程中的观测环境场景。

1) 基于卫星导航模拟器的列尾设备性能测试方法,模拟列车运行过程中的观测环境场景,在不同卫星定位模式下,设计6个测试序列对列首和列尾设备进行了定位性能分析。

2) 在列车停车状态下,列首和列尾设备的R95误差均小于5 m。而在列车运行状态下,列首设备的R95误差均小于3 m,列尾设备在BDS/GPS双模式下的R95误差小于5 m。

3)在BDS模式和GPS模式下,列尾设备的水平距离误差均值分别为13.69 m和5.52 m,R95误差分别为13.48 m和9.12 m,通过BDS/GPS双模方式,能够使列尾设备的水平距离误差降低至2.42 m,R95误差降低至3.82 m,满足列车完整性检查对列尾设备定位精度优于5 m的要求。

本文提出的列尾设备性能测试方法可为新型列控系统列尾设备的定位提供测试环境和性能评价指标及数值参考,对于列车在更为复杂的列尾观测环境场景定位性能还可以进一步研究。