Možnost lokalizace vlaků založená na systémech GNSS/Galileo pro důležité bezpečnostní aplikace Xiaogang Gu1 Nové přístupy k signalizaci vylučují dříve používané metody pro lokalizaci vlaků. Lokalizační vlakový systém založený na bázi GNSS/Galileo je jediným systémem, který nepoužívá žádná zařízení podél trati a je navíc považován za podstatně levnější, než jsou již existující metody. 1. Úvod Nové přístupy k signalizaci, zejména vzhledem k novým technologiím, které jsou nyní dostupné, vylučují dříve používané metody pro lokalizaci vlaků. V současnosti je lokalizace vlaků určena hlavně zařízeními podél trati. Nicméně se vzrůstajícím množstvím aplikací ERTMS a s více informacemi přímo z vlaku se funkce lokalizace vlaků také změní na systémy založené na vozidlech. Vlakový lokalizační systém založený na globálním navigačním satelitním systému (GNSS) a evropském GNSS systému (Galileo) je jediným systémem, který nepoužívá žádná zařízení podél trati a je navíc považován za podstatně levnější, než jsou již existující metody. Co se týká interoperability a ekonomické efektivnosti, systém založený na bázi GNSS/Galileo by byl ideální pro lokalizaci vlaků na všech tratích po celé síti, zejména na tratích s nízkou hustotou provozu, kde provozní příjmy neumožňují umístění drahých signalizačních zařízení. Bombardier Transportation se zúčastnil několika železničních GNSS projektů ES/ESA (např. SAGA, INTEGRAIL). Tento článek shrnuje výsledky těchto projektů tak, aby ukázal provoz a výkonnost systému založeného na GNSS a aby se věnoval požadavkům a možnostem týkajícím se vlakových lokalizačních systémů založených na systémech GNSS/Galileo pro bezpečnostní aplikace. 2. Přínosy lokalizace vlaků založené na GNSS Základní principy bezpečnosti každé železnice se opírají o informace o poloze vlaku ať v té či oné formě. Lokalizace každého vlaku je používána jako primární vstupní údaj pro určení bezpečné cesty a provozních uzlů a pro vydávání cestovních pokynů strojvedoucímu. Přenos lokalizačních funkcí na vozidle dodává systému další funkčnost. Směr jízdy je nyní požadován k tomu, aby nahradil sekvenční operace traťových úseků. Identita vlaku je nyní požadována pro udržení progresivní pozice každého vozidla v systému a informace o rychlosti mohou být vyžadovány pro to, aby bylo možno předcházet střetům v železničních uzlech. V současnosti je lokalizace vlaků založena na prostředcích traťových obvodů a čítačích náprav. Tato zařízení zjišťují, zda je určený traťový úsek volný k použití. Železniční správní úřady v různých zemích vytvořily vlastní signalizační systémy, ale vlakové lokalizační systémy jsou všechny založeny na stejných základních principech. Provoz vlaků mezi různými zeměmi není jednoduchý proces vzhledem k různým typům provozní signalizace, metodám přenosu cestovních pokynů či jazykovým bariérám. 1
Dr. Xiaogang Gu – projektový manažer železničních projektů ES/ESA GNSS v Bombardier Transportation. Adresa: Einsteinstr. 59, 89077 Ulm, Německo. E-mail:
[email protected] 1
Posun směrem k liberalizaci ve světě dopravy znamená, že železnice budou v budoucnu intenzivněji soutěžit s ostatními druhy dopravy. Zavedení ERTMS/ETCS, s interoperabilitou jako jedním z hlavních cílů, požaduje interoperabilní lokalizační systém vlaků. Skupina uživatelů ERTMS (ERTMS Users Group) předpokládá, že lokalizační vlakový systém založený na bázi GNSS může vytvořit přitažlivý doplněk či dokonce náhradu některých existujících technologií. Lokalizační vlakový systém založený na bázi GNSS nepotřebuje žádná traťová zařízení, a proto by mohl znamenat cenově velmi efektivní řešení. Během uplynulých 20 let se cena technologie podstatně snížila, zatímco technologie se vylepšila. Cena přijímače GNSS I je dnes nižší než 100 EUR. Od lokalizačního systému vlaků založeného na bázi GNSS lze očekávat, že bude podstatně levnější než ostatní lokalizační systémy. Naléhavá potřeba spolehlivých služeb GNSS, započatých systémem EGNOS (Evropský geostacionární navigační systém pokrytí) a později následovaný systémem Galileo, umožní jejich využití v bezpečnostních aplikacích. Tyto přínosy lze zaznamenat už i v jiných oblastech, jako je třeba letectví. 3. Provoz a výkonnost GNSS K tomu, abychom mohli vysvětlit možnosti vlakového lokalizačního systém založeného na bázi GNSS/Galileo pro bezpečnostní aplikace, je důležité vědět, co může GNSS/Galileo poskytovat. 3.1 Současnost a budoucnost služeb GNSS GNSS zabezpečuje polohovací služby používáním navigačních satelitů. Pokud jsou k dispozici vhodné satelitní signály, pak lze určit polohu, rychlost a čas (PVT) přijímače. K určení třírozměrné PVT informace jsou zapotřebí minimálně 4 satelitní signály. Současné satelitní navigační systémy – Globální poziční systém (GPS – americký systém) a Globální navigační satelitní systém (GLONASS – ruský systém) – mohou být využívány pro civilní účely, ale jsou pod vojenskou kontrolou. Kvůli nedostatku zaručených služeb a omezené provozní integritě musely být pro bezpečnostní aplikace vylepšeny systémem EGNOS (v současnosti dostupným) nebo Galileo (v provozu po r. 2008). Podle evropské satelitní navigační strategie se satelitní navigace stává primárním prostředkem navigace pro většinu civilních aplikací. Satelitní navigace, polohování a časování bude integrální částí transevropské sítě. Evropa se rozhodla vytvořit schopnosti vlastního GNSS ve dvou krocích: -
EGNOS je prvním krokem v satelitní navigaci a bude zprovozněn letos. Evropa buduje EGNOS jako doplněk ke GPS a GLONASS k zabezpečení civilních služeb.
-
Galileo je druhým krokem. EGNOS zajistí Evropě rychlé přínosy, ale nezajistí Evropě dostatečnou úroveň kontroly nad GNSS. Galileo bude vedle volných služeb shodných s civilními službami GPS nabízet také nové vlastnosti pro zlepšené a garantované služby.
EGNOS zajistí 3 typy služeb: - Zdrojovou oblast shodnou s GPS - Širokou oblast rozličných možností korekce pro zlepšení přesnosti GPS a GLONASS - Úplné varovné informace o systémovém selhání modelů GPS a GLONASS.
2
Služby satelitů Galileo samotných spočívají v 5 referenčních službách: - Otevřená služba Galilea (OS) - Bezpečnost života (SoL) - Komerční služby (CS) - Veřejné regulované služby (PRS) - Podpora vyhledávacích a záchranných služeb (SAR). Cílovými trhy pro služby SoL jsou uživatelé s bezpečnostními riziky včetně železnic. Galileo SoL obsahuje kompletní schopnosti integrity, schopnosti ověření správnosti a garantování služeb. Schopnosti ověření správnosti (např. digitálním podpisem) umožní uživatelům ověřit si, zda obdržený signál je skutečně signál Galilea. Tato vlastnost systému je pro uživatele transparentní a nediskriminační a nezavádí do provozu žádná omezení. 3.2 Provoz systémů EGNOS a Galileo EGNOS ve svém plném provozu pokryje všechny státy EU. Jeho signál bude možno přijímat v Evropě a ve většině oblastí Asie, ale některé služby, jako např. ionosférické korekční parametry, nebudou mimo Evropu podporovány. Provoz EGNOS je ukázán v tabulce 1. Horizontální přesnost z tabulky 1 může být interpretována jako požadavek pocházející z oblasti letecké dopravy. Ve skutečnosti musí být dosažitelná horizontální přesnost lepší než vertikální přesnost díky lepší horizontální geometrii struktury satelitů, takže dosažitelná horizontální přesnost musí být lepší než 4 m. Horizontální přesnost
16 m
Vertikální přesnost
od 7,7 m do 4,0 m
Riziko dodržení integrity
2*10-7 za každých 150 s
Čas do poplachu
6s
Horizontální poplašný limit (HAL) 40 m Vertikální poplašný limit (VAL)
od 20 m do 10 m
Riziko dodržení kontinuity
8*10-5 za každých 150 s
Místní dostupnost
99 %
Tabulka 1: Provoz systému EGNOS V tabulce 2 jsou uvedeny údaje definované pro službu Galilea Bezpečnost života (SoL). Tato služba bude poskytovat tu samou přesnost, dosažitelnost přesnosti a rychlost služeb, jaká je definovaná pro Otevřenou službu. Zajištění integrity informací na globální úrovni je hlavním rozdílem mezi touto službou a Otevřenou službou. Úroveň A je aplikovatelná na železniční bezpečnostní aplikace tak, jak je uvedeno v tabulce 2. Signály SoL mají oddělené frekvence, aby se zlepšila odolnost vůči interferencím a aby byly umožněné korekce chyb způsobovaných ionosférickými vlivy.
3
Služba Bezpečnost života (SoL) Nosič
Dvě nebo tři frekvence
Výpočet integrity
Ano
Ionosférická korekce
Založeno na duálně frekvenčním měření
Typ přijímače
Přesnost (95 %)
H: 4 m V: 8 m Úroveň A
Úroveň B
Hlavní oblasti Země
Globální
Limit poplachu
H: 40 m; V: 20 m
H: 556 m
Čas do poplachu (TTA)
6s
10 s
Riziko dodržení integrity
3,5 * 10-7/150 s
10-7/h
8*10-6/ 15 s
10-4/h - 10-8/h
Pokrytí Integrita
Riziko dodržení kontinuity Dosažitelnost integrity
99,5 %
Dosažitelnost přesnosti
99,8 %
Tabulka 2: Provozní výkony služby Bezpečnost života Služby satelitů Galileo samotných mohou být na lokální bázi zlepšeny kombinací místních složek (např. D-GNSS a GSM-R). Uživatelské terminály mohou využívat místní rozdílné korekční signály (např. z GSM-R) ke zlepšení výkonu (např. přesnost < 1 m a čas do poplachu (TTA) od 1 s). Z provozu signálů Galileo vyplývají pro služby Galileo určité chyby. Chování satelitních služeb Galilea je vyjadřováno na uživatelské úrovni. Výkony jsou udávány v přibližných podmínkách bez záměrného rušení, bez výjimečných zásahů, bez neobyčejných ionosférických či troposférických aktivit, s maskovacím úhlem 10o a v nízkém vícecestném prostředí. Je jasné, že všechny aplikace, jejichž přerušení by mělo významné dopady na bezpečnost života (SoL) nebo na ekonomiku, budou mít záruku. Klíčovou otázkou ale je, co kým bude garantováno a za jakých podmínek. Byl zahájen certifikační proces týkající se Galileo Signal-In-Space (signálu v prostoru) a uživatelských terminálů. Provozní společnost Galileo (GOC) se zaváže k tomu, že zajistí kvalitu signálu v prostoru na úrovni uvedené služby pro koncové uživatele stanovené jmenovitými podmínkami. V případě, že signál v prostoru (SIS) nedosáhne stanovené přesnosti, GOC zabezpečí včasné varování uživatelů. Uživatelé železnic ale zřídka mají v typických železničních oblastech stanovené podmínky. Kvalitu SIS lze zaručit, ale závazek GNSS kvality lokalizace na úrovni koncového uživatele pravděpodobně nebude možno splnit. Zajištění integrity SoL by mělo být založeno na konceptu pozemního kanálu integrity (Ground Integrity Channel) a systém zmenší chyby díky šíření signálu směrem k příjemcům. Závazek výkonnosti uvedený v tabulce 2 není možno splnit na úrovni uživatelských terminálů v aplikacích železniční bezpečnosti. Je možný pouze závazek kvality hybridního
4
GNSS lokalizačního systému při použití dodatečných senzorů. Závazek služby vyžaduje současné zapojení GOC, výrobce zařízení a železničního operátora. Záruka služeb bude hlavní odlišností mezi Galileem a GPS. Způsob garantování služby stále vyžaduje technická a politická jednání. 4. Požadavky aplikací Různé bezpečnostní aplikace mohou mít různé požadavky týkající se přesnosti, dostupnosti a integrity. Tyto požadavky mohou být provozovány systémem GNSS/Galileo, například pro aplikace řízení vlaků: -
požadavek přesnosti pro lokalizaci vlaků je +/- 5 m + 5 % s (nebo +/- 5 m + 2 % s jako cílový požadavek), kde s je vzdálenost ujetá od poslední kalibrace odometru
-
nedosažitelnost odometru by měla být menší než 10-7
-
požadovaná integrita lokalizace vlaku je 6*10-11/h.
Tyto požadavky, zejména dostupnost a integrita, jsou velmi vysoké, příliš vysoké pro službu Galilea SoL. Pro aplikace sledování vlaků jsou požadavky na dostupnost a integritu nižší díky překrývající se architektuře s existujícím systémem. Ale také pro aplikace sledování vlaků stále zůstává otázka, zda mohou být jejich požadavky splněny samotným provozem systému GNSS/Galileo. Bere se v úvahu, že výkonnost systému GNSS/Galileo může být zvýšena místními rozšířeními služby Galileo SoL tak, aby splnila požadavky aplikace. Ale toto zvýšení je především limitováno úrovní SIS. Zlepšení na úrovni vyhledávání mohou být podstatně nižší, než se očekávalo, poněvadž GNSS vyhledávání je závislé nejenom na GNSS SIS, ale také na přírodních vlivech (např. zastínění), které není snadné zmírnit. Ke splnění těchto požadavků je vhodné užití hybridního řešení spolu s GNSS a jinými senzory. GNSS vyhledávání se používá pouze pro kalibraci podpůrných senzorů a tyto kalibrované podpůrné senzory mohou vyhovět požadovanému výkonu při vyhledávání vlaků. V tomto případě jsou výkonnostní požadavky aplikovatelné na celý hybridní lokalizační systém a ne jenom na vyhledávací služby GNSS/Galileo. 4.1 Hybridní GNSS systém Hybridní vyhledávací systém s GNSS a podpůrnými senzory je dokonalejší než pouhý GNSS systém, protože: -
lokalizační dostupnost a kontinuita může být zlepšena hybridní lokalizací s podpůrnými senzory, a to v případě, že GNSS vyhledávání není dostatečně přesné nebo není po krátký čas dostupné (např. v tunelech);
-
integrita vyhledávání může být zlepšena křížovou kontrolou senzorů.
Nejtypičtějším podpůrným senzorem je odometr. V hybridním systému s GNSS a odometry poskytuje GNSS vyhledávání souřadnice pro inicializaci a kalibraci pro měření rychlosti/vzdálenosti. Poněvadž odometr změří pouze změny vzdálenosti a může mít posuvné problémy během akceleračních a brzdných fází, doplňkové senzory, jako jsou měřiče úhlové vzdálenosti nebo akcelerometry, zajistí dodatečné prostředky pro měření pohybu vlaku. Kombinace s ostatními senzory, jako jsou Dopplerův radar nebo optické měřiče vzdálenosti, je také možná, ale obyčejně dražší.
5
Databáze trasy není senzor; je to ale klíčová součást hybridního lokalizačního systému, poněvadž: - databáze trasy poskytuje základ pro transformaci údajů z GNSS na traťové údaje - databází trasy může být určena přesnost polohování GNSS stejně tak jako integrita. Vysoké požadavky na integritu při řízení vlakového provozu mohou být splněny jen použitím hybridního polohovacího GNSS systému. Nesprávné funkce budou odhaleny senzorickou křížovou kontrolou a porovnáváním s databází trasy.
5. Testy INTEGRAIL validace provozu GNSS I Projekt INTEGRAIL byl železniční projekt GNSS financovaný ESA. Firma Bombardier Transportation byla zodpovědná za softwarové vybavení GNSS I – na GPS a EGNOS založeném mobilním zařízení - a za prostorové validační testy. Cílem prostorových testů bylo stanovit výkonnost systému mobilní jednotky INTEGRAIL v rámci požadovaných výkonnostních hodnot jako je přesnost, integrita a dostupnost ve skutečném železničním provozním prostředí. Výkonnostní validace EGNOS a vhodná kombinace senzorů byly dvěma hlavními cíli těchto testů. 5.1 Konfigurace modulu založeného na GNSS Rozhraní bude velmi odlišné podle návrhu aplikace či implementace. Nicméně ať jde o jakýkoliv návrh, musí použít modul založený na bázi GNSS s multi-senzory. Konfigurace senzorů v návrzích musí být stejná. Na obrázku 1 je uveden příklad konfigurace senzorů tak, jak byla použita v projektu INTEGRAIL. Konfigurace senzorů projektu INTEGRAIL je pouze základní. Může být změněna vývojem senzorů (např. Galileo namísto GNSS I) nebo novými senzory.
Detekce chyb/zpracování chyb
Odometr Měřič úhlové míry
Zpracování údajů ze senzorů
Výsledky
Akcelerometr Určení tratě
Modul GNSS PPS/hodiny
Databáze trasy
Obr. 1: Konfigurace projektu INTEGRAIL
6
Lokalizační data
5.2 Testovací místa a testovací vozidla Ověřovací testy probíhaly u rakouské logistické společnosti LogServ od února do listopadu 2003. LogServ je zodpovědný za železniční dopravu firmy voestalpine Stahl GmbH v Linci a provozuje dieselovou lokomotivu s odometrem dostupnou pro mobilní jednotku na bázi GNSS. Na testovací ploše se nacházely budovy oceláren a venkovská trať na Steyrling (cca 70 km). Oblast poblíž Steyrlingu je hornatá a na cestě jsou 4 tunely. Testovací údaje byly zaznamenávány po dobu přibližně 5 790 hodin provozu a poté byly vyhodnocovány. 5.3 Verifikace součástí senzorů 5.3.1 GNSS Obrázek 2 a obrázek 3 ukazují dva příklady vyhledávacích výsledků GNSS I (s EGNOS) změřených 9. dubna 2003 v oblasti budov oceláren. Digitální mapa připravená společností LogServ pro budovy oceláren byla aktualizována při průzkumu nosičem DGNSS a byla použita jako východisko pro validaci výkonu. Údaje po aktualizaci dosahovaly přesnosti cca 10 cm.
multipath influence – vícecestné vlivy
Obr. 2: Výsledek vyhledávání GNSS I (příklad I)
lack of a track in the route data base – nedostatek tratí v databázi cesty
Obr. 3: Výsledek vyhledávání GNSS I (příklad II)
7
Chyby při vyhledávání pomocí GNSS se běžně pohybují v rozmezí 3 m bez závažných vlivů z více stran. Lze vypočítat tratě obsazené vlakem. Dokonce i tratě, které byly v databázi trasy opomenuty, mohou být jasně identifikovány. Ale přesnost zřejmě není dostatečná pro určení tratě s velmi vysokou mírou důvěry. Vícecestné vlivy jsou závažné zejména v případě, že lokomotiva stojí na místě obklopeném budovami. Vícecestné vyhledávací chyby mohou dosáhnout až stovek metrů v případě, že budovy mají kovový povrch a satelitní geometrie vyhledávání je slabá. Vícecestné a zastiňovací vlivy jsou dvěma hlavními riziky vyhledávání systémem GNSS. Pravděpodobnost tohoto druhu rizika je mnohem vyšší, než riziko selhání systému GNSS SIS. 5.3.2 Senzor měření vzdálenosti Odometr použitý firmou LogServ je velmi přesný (chyba měření je nižší než 1 %). To může být ale zhoršeno problémy způsobenými posunem. Pro měření vzdálenosti lze použít též akcelerometr. Vzdálenost změřená akcelerometrem s podporou GNSS je srovnatelná s měřeními pomocí odometru u LogServ. Tabulka 3 udává několik příkladů tohoto porovnání. Nepřesnost akcelerometru s podporou GNSS závisí nejen na ujeté vzdálenosti, ale také na jejím trvání. Vzdálenost změřená akcelerometrem s podporou GNSS se může také odchýlit v případě, že zde není pohyb vlaků. Datum testování
Směr
4. listopadu 2003 4. listopadu 2003 5. listopadu 2003
Linec-Steyrling Steyrling-Linec Linec-Steyrling
5. listopadu 2003 6. listopadu 2003 6. listopadu 2003
Steyrling-Linec Linec-Steyrling Steyrling-Linec
Rozdíl vzdálenosti na vzdálenosti větší než 60 km mezi odometrem a GNSS podporovaným akcelerometrem 123 m 163 m 62 m (na trase delší než 50 km kvůli restartu během cesty) 592 m 202 m 934 m
Tabulka 3: Porovnání vzdáleností akcelerometrem u firmy LogServ
mezi
odometrem
a
GNSS
Délka trvání 63 min. 86 min. 60 min. 124 min. 102 min. 164 min.
podporovaným
5.3.3 Senzor úhlové míry Senzor úhlové míry má rozsah měření 30 o/s, což je pro železniční aplikace dostatečné. Úhlové míry měřené v LogServ byly bod 10 o/s. Senzor úhlové míry užívaný v INTEGRAIL je založen na FOG (Fibre Optic Gyro – gyroskopický kompas s optickými vlákny). Změřené šumy byly v rozpětí 0,01 o - 0,02 o/s. Změřená odchylka byla v rozpětí 0,004…0,02 o/s a mohla se změnit v krátkém časovém úseku na 0,005 o/s. Odchylka závisí na teplotě. Na základě vypozorovaných chyb senzorů můžeme předpokládat: -
úhlová chyba může být až 1 o/min, pokud senzor úhlové míry není kalibrovaný
-
úhlová chyba se může měnit až o 0,3 o/min, pokud senzor úhlové míry není pravidelně kalibrovaný.
Úhlová chyba činící 1 o může znamenat křížovou směrovou chybu až 1,75 m na 100 m. Proto musí být senzor úhlové míry pravidelně kalibrovaný, aby byly koleje správně detekovány. 8
5.4 Výsledky testů Tabulka 4 uvádí statisticky vyhodnocené výsledky týkající se přesnosti pro hybridní polohování GNSS. Výsledky získané s EGNOS jsou lepší, nemluvě o střední hodnotě. To může být způsobeno rozdílnou velikostí a intervalem databází.
Vzorky Průměr (m) Standardní odchylka (m) Střední hodnota (m)
s EGNOS bez EGNOS 149 393 66 816 2,578 3,531 4,677 7,694 0,878 0,807
Tabulka 4: Přesnost INTEGRAIL MU virtuální referenční mapy V době mezi 3. a 6. listopadem 2003 bylo provedeno referenční měření za použití dvoufrekvenčního nosiče DGPS a paralelně s INTEGRAIL MU. Toto měření mělo přesnost přibližně 13 cm; proto může být považováno za přesné. Tabulka 5 uvádí statisticky vyhodnocené výsledky týkající se přesnosti pro poziční rozdíl mezi hybridním polohováním GNSS a referenčním polohováním během tohoto období. Signál EGNOS nebyl během těchto tří dní dostupný. Vzorky Průměr (m) Standardní odchylka (m) Střední hodnota (m)
dPos 59 330 3,635 5,422 0,791
Tabulka 5: Přesnost INTEGRAIL MU reference (nosič DGPS) Výsledky ukazují dobrou výkonnost a podporu vybraných kombinací senzorů a aplikovaných hybridních algoritmů. Vyhodnocení dostupnosti je vypočítáno jako poměr dostupných souborů dat k určenému časovému úseku. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 6. Dostupnost Duben - listopad 2003 86 % Začátek listopadu 2003 99 %
Tabulka 6: Dostupnost INTEGRAIL MU Hlavním důvodem tak nízké úrovně dostupnosti je to, že v databázi trasy nejsou dostupné všechny tratě. Databáze trasy by měla být aktualizovaná částečně měřeními při průzkumu nosičem DGPS. Při těchto průzkumných měřeních byla řízením pokryta pouze malá část trasové sítě. Poněvadž databáze trasy by měla být aktualizována během testů začátkem listopadu 2003, dostupnost v tomto období dosáhla 99 %. Integrita nemohla být v testech zcela správně vyhodnocena kvůli nedostatku referencí. Mělo by toho být dosaženo analýzou a simulačními testy. 6. Několik provozních úkolů pro použití GNSS Tato část se zabývá provozními možnostmi zjednodušení provozních požadavků na GNSS, stejně tak jako umožněním zavedení GNSS do železničních bezpečnostních aplikací.
9
6.1 Detekce kolejí Detekce kolejí byla primárně testována v oblasti budov oceláren ověřováním výsledků INTEGRAIL vůči aktuální databázi trasy. Tato oblast má velmi komplexní kolejovo/bodové uspořádání. Lokomotiva se střetává s mnoha body stejně jako s paralelními kolejemi ve vzdálenosti pouze několika metrů od vjezdu do komplexu stanice. V tomto případě je velmi složité určit správnou kolej jak polohováním GNSS, tak hybridním polohováním GNSS, poněvadž to vyžaduje velmi vysokou přesnost měření vzdálenosti i úhlu. Také současná polohovací přesnost GNSS I na 2 – 3 m je příliš nízká, aby mohla určit kolej s požadovanou jistotou. Analýza uvedená výše neznamená, že lokalizace vlaků založená na bázi GNSS I nemůže být použita pro aplikace řízení vlaků. To znamená, že vyřešit tento velmi složitý problém je nejen technický, ale též provozní úkol. Lokalizace vlaků založená na bázi GNSS I může být z pohledu přesnosti použita pro řízení vlaků na jednokolejných tratích. Na jednokolejných tratích s pouze několika paralelními kolejemi uvnitř stanic může hybridní polohování GNSS I s úhlovým senzorem splnit požadavky detekování. Směr jízdy lokomotivy je nepochybně jistý, takže úhlový senzor může být správně inicializován. Několik krátkých změn úhlů v místech bodů v blízkosti stanice může být spolehlivě zjištěno úhlovým senzorem. Je také možné použít bodový (switch) status pro pomoc při vyhledání koleje. Pokud vlak přijíždí ze známé koleje a bodový (switch) status je také znám, lze určit trasu pokračující z tohoto bodu dále. Bodový status je obvykle znám podél koleje, ale ne ve vlaku. Může být nahlášen do vlaku a přenesen na GNSS jednotku lokalizace vlaků. Systém založený na GNSS je zodpovědný za podélnou lokalizaci kolejí a jeho požadovaná přesnost je 5 m + 2 % z ujeté vzdálenosti. Toto provozní uspořádání zjednoduší požadavky na provoz lokalizace vlaků založené na GNSS. 6.2 Scénář počáteční fáze lokalizace vlaků založené na GNSS Většina pomocných senzorů měří pouze relativní pozice: ujetou vzdálenost nebo odbočovací úhly. Tyto senzory mohou pomoci pouze při směrové lokalizaci, a to pokud jsou správně inicializovány a kalibrovány. Pomocné senzory ale nepomáhají při počáteční fázi. Pokud se na trati nalézá pouze jedna kolej, pak s inicializací není problém. Požadavkem počáteční fáze je detekce koleje mezi paralelními kolejemi. V tom případě, pokud není polohování GNSS schopno splnit požadavky integrity lokalizace vlaků, nelze určit počáteční polohu vlaku. Tento scénář by měl spíš pojednávat o provozu vlaků, než klást vysoké požadavky na systém GNSS. 6.3 Možnosti polohování založené na systému Galileo při řízení vlaků Z pohledu provozu může pouze Galileo zajistit garantování služeb. Proto ještě před zavedením Galilea bude pravděpodobně použita lokalizace vlaků založená na GNSS jako přechodný a ne primární systém řízení vlaků. Galileo umožní to, aby se lokalizace vlaků založená na GNSS stala primárním prostředkem řízení vlaků. Některé pokrokové technologie (např. TCAR) se spolu s Galileem stanou v brzké době realitou. Polohování s TCAR (Triple Carrier Ambiguity Resolution) by mohlo dosáhnout
10
přesnosti na 20 cm nebo nižší, takže by polohování Galileo TCAR mohlo lehce vyřešit technické těžkosti. Galileo možná změní některé provozní a technické představy. 7. Závěry Podle analýzy SAGA D23 v konečném znění (Final Draft of Galileo Standards for Rail: Subsystem Requirements Specification for GNSS based Train Location) a podle testů INTEGRAIL (INTEGRAIL INTEG-BTSIG-RP-E-231, Application Demonstration Report a INTEGRAIL INTEG-BTSIG-RP-E-232, Application Test Results and Assessment Report), bude GNSS I používající EGNOS prvním krokem pro zavedení GNSS do aplikací železniční bezpečnosti v Evropě. Přesnost polohování GNSS I s pomocí EGNOS bude uspokojivá pro bezpečnostní aplikace na tratích s nízkou hustotou provozu. Pokud některá výše popsaná provozní uspořádání mohou být železnicemi akceptována, může se poté využívání systému GNSS I rozšířit i na ostatní tratě. Dostupnost lokalizace vlaků může být zvýšena pomocnými senzory. Dostupnost služby EGNOS, která může být snížena přírodními podmínkami (hornaté oblasti a severní Evropa), lze rozšířit pozemní komunikací. Vysoké požadavky na integritu lokalizace vlaků také nebudou překážkou. Hlavní riziko integrity lokalizační přesnosti nepochází z GNSS SIS. Hlavními dvěma riziky polohování GNSS jsou vícenásobné cesty a zastínění. Vysoké požadavky na integritu systému řízení vlaků budou zajištěny hybridním GNSS polohováním. Funkční poruchy budou zjištěny křížovou kontrolou senzorů a porovnáním s databází trasy. Ze stejného důvodu nebude u EGNOS problém s časem do poplachu (TTA) do 6 s také při použití GNSS I v bezpečnostních aplikacích (v kritických oblastech je TTA do 1 s). Jediným velkým problémem může být nedostatek záruk služby GNSS I, který se stále opírá o GPS. Nedostatek záruk služeb omezuje aplikování GNSS na přechodný systém. To se může změnit po zavedení Galilea. Další hnací silou pro užití GNSS při vyhledávání vlaků bude zlepšená interoperabilita. Nastane dlouhá přechodová fáze, uvnitř které budou koexistovat různé tratě s různými systémy. Železnice se střetávají v problému interoperability s ekonomickými a technickými překážkami. Polohovací systém založený na bázi GNSS nepotřebuje žádnou infrastrukturu podél tratí a proto může poskytnout lepší interoperabilitu bez investic do nové vlakové lokalizační infrastruktury pro vlaky jedoucí na různých tratích nezávisle na tom, jaké systémy podél tratí existují. Překonání ekonomických a technických překážek bude v této přechodné fázi jednodušší při využití systému založeného na GNSS. Samozřejmě jsou ještě další problémy interoperability, které je nutno řešit, jako je třeba komunikace s řídícími centry a mezibloková rozhraní. Lokalizační vlakový systém založený na bázi GNSS bude lepší než ostatní systémy díky své nízké ceně a lepší interoperabilitě.
Název v originálu: Feasibility of GNSS/Galileo-based train location for safety relevant applications Zdroj: Signal+Draht (97) 1+2/2005, s. 29-33 Překlad a korektura: ODIS
11
