基于电子地图和卫星定位的列控技术研究

李莹莹，张 浩

（1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；
2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

卫星定位技术是下一代列控系统的关键技术之一，卫星定位技术的应用可以减少用于辅助列车定位的地面应答器等轨旁设备的部署数量，节省系统建设和维护成本。基于卫星导航系统的列车定位，需在列车上部署卫星天线及卫星接收设备，用于卫星信号的接收，从而实时获取列车所在位置的卫星定位数据。基于现场勘测线路关键点的卫星定位数据和列控系统运行所需的信号相关线路数据，编制线路的电子地图，在线路拓扑结构的基础上，采用传统的应答器、道岔的数据描述语言，将卫星定位数据与列控数据描述成有机的整体。结合线路的电子地图信息，将卫星定位的经纬度和高程三维坐标数据转换为一维轨道位置信息（轨道映射），进而获取列车所在轨道线路上的位置，即将三维坐标转化为列控系统传统的一维坐标。然而，由于卫星定位精确度和算法复杂度的限制，在算法设计上，应在保持定位精确度的基础上采用更加简便快捷的计算方案，以满足列车安全高效运行对列车定位的性能指标要求。在复线和站内复杂的线路上，还需要结合其他定位手段辅助完成复杂场景下的列车安全定位功能，以提高列车安全定位的环境适应性。

因此，本文主要针对卫星定位在列车安全定位和线路数据获取方面的特性进行分析，提出高效便捷的列车安全定位算法，并结合实体应答器定位技术，解决卫星定位技术在列控系统中运用遇到的难点，以满足复杂场景下的运用需求。

电子地图主要由轨道地理信息数据和固定应用数据组成，其中轨道地理信息数据主要记录轨道信息及轨道上卫星参考点的位置信息；
固定应用数据主要包含线路起始管辖边界、结束管辖边界、应答器、道岔位置属性及连接关系等信息。如图1所示。

图1 电子地图示意Fig.1 Schematic diagram of electronic map

轨道作为电子地图数据的基础，在拓扑结构描述上，承载线路上信号相关设备关键点的位置和信号属性相关信息，卫星定位参考点主要用于卫星定位轨道映射的使用，确认卫星定位数据匹配的轨道位置信息；
管辖边界主要确定电子地图中车站之间的连接关系，道岔和应答器主要用于确认列车所在唯一轨道，并为列车提供线路数据信息。

针对卫星定位算法的优化处理，可以从以下两方面进行：一是滤除定位质量不高的卫星数据，以减少基于电子地图的卫星定位失败或者定位质量较差的卫星定位计算，降低处理器运算的消耗，提高卫星定位有效性；
二是降低单次卫星定位数据与电子地图匹配运算的复杂度，先通过预筛选算法识别预匹配的电子地图中的轨道位置及相关卫星参考点，减少单纯盲目的遍历性运算的消耗，缩小预匹配范围后，再通过精确计算的方式，完成基于电子地图和卫星定位的列车安全定位，采用粗、精两级运算方案提高定位算法的效率。

3.1 卫星定位数据简介

卫星定位数据传输采用NEMA-0183标准协议，该协议采用ASCII文本字符传递卫星定位信息，数据以“$”开头，以回车符及换行符结束。一包完整的卫星定位数据主要包含**ZDA、**GSV、**GGA、**RMC、**GST、**GSA以 及**VTG等数据帧。其中，**根据不同的卫星导航系统分别进行相应配置，GPS导航系统为GP，北斗导航系统为BD。卫星定位数据帧根据定位需要可进行选配，其主要功能如表1所示。

表1 卫星定位数据帧主要功能Tab.1 Main functions of satellite positioning data frame

3.2 卫星定位数据有效性处理

对卫星定位数据有效性处理主要包含以下几个方面，如图2所示。

图2 卫星定位数据处理流程Fig.2 Satellite positioning data processing flow

1）组包处理：采用**ZDA、**GGA、**GST和**VTG数据帧作为一次卫星定位所包含的全部数据帧。以**ZDA数据帧作为起始数据帧，以**GST数据帧作为结束数据帧，针对起始和结束数据帧的UTC时间进行差值校验，确保各数据帧在时间上保持一致性。

2）定位质量处理：根据各个数据帧所包含的卫星定位数据信息，进行卫星定位质量判定，滤除定位质量较差的卫星定位数据。

3）多卫星数据横向比较：多路卫星定位数据进行横向比较，包括经纬度、高程、速度等卫星定位数据信息，采用滤波比较的方式，滤除差异较大的卫星定位数据。

4）卫星速度信息比较：将卫星定位数据中的速度信息与列车测速测距模块计算出的速度信息进行比较，滤除速度偏差较大的卫星定位数据。

经过以上4步，可以有效的滤除掉卫星定位质量较差的卫星定位数据，增加卫星定位数据的可靠性，从而提高卫星定位效率。

3.3 卫星定位算法优化处理

基于电子地图轨道地理信息数据，利用卫星定位数据进行轨道映射过程中最主要的是将列车卫星定位点和其最近的两个卫星参考点的经纬度数据信息转化为轨道线路上的距离信息，通过垂线匹配算法，计算得出列车所在轨道的具体位置信息。

利用经纬度数据计算距离公式：主要包含经纬度转高斯坐标算法、Vincenty公式、Haversine公式、余弦的球型定律，以及等矩形近似值（勾股定理）等方式，其算法主要优缺点如表2所示。

表2 经纬度计算距离公式的优缺点Tab.2 Advantages and disadvantages of longitude and latitude calculation distance formula

根据车载电子地图轨道卫星参考点布置规则，综合算法精确度和算法复杂度，采用单一算法很难满足列控系统对于卫星定位的性能指标的要求。因此，为提高列车卫星定位算法性能，本文设计了一种结合等矩形近似值、Haversine公式和经纬度转高斯坐标算法的列车卫星定位算法。

将卫星定位算法分为3步进行，如图3所示。

图3 卫星定位算法优化处理流程Fig.3 Satellite positioning algorithm optimization processing flow

1）根据卫星定位点和电子地图轨道信息进行预匹配最近卫星参考点。

2）根据卫星定位点和最近卫星参考点及其相邻卫星参考点进行三角形判定，确定卫星定位点所在的相邻卫星参考点。

3）根据卫星定位点和上一步确认的两个相邻卫星参考点进行垂线匹配运算，从而完成卫星定位。

在进行预匹配最近卫星参考点的过程中，采用定积分的等矩形近似法，在进行三角形判定过程中，采用Haversine公式算法，在最终垂线匹配运算过程中，采用经纬度转高斯坐标算法。通过上述3步，在保证卫星定位精确度的基础上，减少了卫星定位算法中复杂运算的运行次数，降低卫星定位算法对车载设备的性能要求，提升了卫星定位算法的运算效率和定位效果。

由于卫星定位精确度条件的限制，在站间单线情况下，列车能够通过列车卫星定位数据，利用相应的卫星定位算法，完成基于电子地图的卫星定位。针对站间复线和站内复杂线路的情况，采用卫星定位数据、电子地图、实体应答器、道岔位置状态等多源信息融合的定位技术，实现列车所在线路及列车运行方向的高可靠性判定，以满足列车安全定位的要求，提高列车运行效率及复杂运行环境的适应性。

4.1 电子地图动态更新

为满足长交路列车在不同线路上的跨线运行需求，同时解决电子地图人工拷贝上车可能引入的风险，降低线路电子地图人工管理的难度，电子地图采用动态更新上车的方式进行存储和使用。

电子地图以车站为单位进行划分，存储在其所属的地面中心设备中。车载设备上电启动时与地面中心设备建立连接，获取电子地图索引文件，根据列车所在位置，请求并获取列车当前所在线路相关范围的电子地图轨道地理信息文件和固定应用数据文件，并转化处理生成电子地图轨道地理和固定应用数据。

随着列车的运行，在列车驶入下一个车站后，更新列车当前所在车站的车站信息，清除非该车站及非该车站相邻车站的电子地图轨道地理和固定应用数据，同时请求并获取该车站及该车站相邻车站的电子地图轨道地理信息文件和固定应用数据文件，解析生成电子地图轨道地理和固定应用数据，完成电子地图的动态更新。

4.2 实体应答器定位处理

列车经过实体应答器时，存在车载设备已存储或尚未存储该实体应答器所在车站的电子地图数据两种情况。因此，在进行基于电子地图的实体应答器定位时，应对实体应答器进行正确性和有效性两方面的判定，确保其正确有效后，方可利用其在电子地图轨道中位置及方向信息，完成所在列车轨道位置和轨道方向的判定，如图4所示。

图4 实体应答器定位处理流程Fig.4 Physical balise positioning processing flow

正确性判定：根据实体应答器获取其编号、个数和属性等信息并与电子地图中该编号的应答器个数和属性等信息进行校验，滤除错误的实体应答器。

有效性判定：若列车经过实体应答器时，车载设备存有该实体应答器所在车站的电子地图，实体应答器有效；
若列车经过实体应答器时，车载设备尚未存有该实体应答器所在车站的电子地图，请求并获取车站的电子地图，并记录列车距该实体应答器的行驶距离，待电子地图动态更新完成后，通过列车距该实体应答器的行驶距离与该实体应答器距相邻道岔或管辖边界的轨道距离进行有效性判定。其有效性判定如下。

1）如图5所示，若列车经过的实体应答器为单实体应答器，则按照轨道双方向计算该单实体应答器距相邻道岔或管辖边界的轨道距离。若轨道距离均大于列车距该单实体应答器的行驶距离，则判定列车未驶出该单实体应答器所在轨道，单实体应答器有效，利用该单实体应答器完成列车所在轨道位置判定。否则，该单实体应答器无效。

图5 单实体应答器有效性判定示意Fig.5 Schematic diagram of validity determination of single physical balise

2）如图6所示，若列车经过的实体应答器为两个及以上应答器组成的实体应答器组，按照实体应答器组方向计算该实体应答器组距相邻道岔或者管辖边界的轨道距离。若轨道距离大于列车距该实体应答器组的行驶距离，则判定列车未行驶出该实体应答器组所在轨道，实体应答器组有效，利用该实体应答器组完成列车所在轨道位置和轨道方向判定。否则，该实体应答器组无效。

图6 实体应答器组有效性判定示意Fig.6 Schematic diagram of validity determination of physical balise group

结合基于电子地图的实体应答器定位技术，可以辅助卫星定位在站间复线或者站内复杂线路的情况下完成列车所在轨道位置和轨道方向的判定，极大提高了列车基于电子地图卫星定位的适用范围，提高列车运行效率。

本文主要分析研究复杂场景下结合车载电子地图和卫星定位数据的列车定位算法，并针对列车定位的准确性及运算效率等问题提出优化方案，使其满足列控系统及车载设备的性能要求、指标要求；
提出采用实体应答器融合定位的技术，解决卫星定位技术在复杂线路上场景中应用的不足，提高系统的环境适应性。