2025 年 4 月 1 日

 

• 在歐盟計畫 RailGap 中，德國航空航天中心研究如何使用衛星導航來定位火車。
• 其中一個挑戰就是所謂的衛星訊號的多路徑傳播。
• 這意味著信號被建築物、鐵路基礎設施或自然環境反射。
• 重點：交通運輸、未來交通、軌道運輸研究、衛星導航

 

準確可靠地了解列車的位置是實現鐵路運輸數位化的基本先決條件，從而擴大現有網路的容量和性能。列車的精確定位對於歐洲列車控制系統（ETCS）和自動駕駛以及整個軌道交通的智慧管理也非常重要。這項主題也是歐盟計畫「RailGap」的重點研究主題，該計畫由歐洲研究機構和企業共同進行。對於 RailGap 項目，德國航空航天中心 (DLR) 分析如何使用衛星導航等來定位火車。

 

利用衛星號誌定位與導航：將航空知識應用於鐵路

位於奧伯普法芬霍芬的德國航空航天中心通訊與導航研究所的研究人員檢查了接收到的衛星訊號的品質。為了在軌道運輸中可靠、安全地使用衛星導航，必須了解衛星訊號的優良程度和誤差水準。德國航太中心可以藉鏡民航領域的多年經驗，民航領域長期以來一直使用衛星訊號進行定位和導航。 「然而，這些知識和方法無法從航空一一轉移到鐵路運輸，」代表德國航空航天中心監督該計畫的科學家安雅·格羅施 (Anja Grosch) 解釋道。原因在於完全不同的接收環境：“鐵路與我們的環境更加直接地融為一體。它們穿過森林，穿過城市。線路也在地下或隧道中運行。例如，樹木和建築物會幹擾衛星信號。在隧道中，有時幾分鐘都沒有衛星信號。”

 

衛星訊號的多路徑傳播是一項挑戰

例如，當衛星訊號到達地球時，它會被建築物反射。因此，接收器接收到的是實際訊號和反射訊號的混合或疊加。科學將這種現象稱為多路徑傳播。火車主要由金屬製成，而鐵路基礎設施也助長了多徑傳播。 「這對列車定位提出了挑戰。到目前為止，很難準確預測這種現象的影響程度。它可能只有幾厘米，也可能高達一百米，」Anja Grosch 解釋道。

此外，來自可用導航衛星的所有訊號都具有相同的多路徑傳播的情況很少。這就是為什麼 DLR 團隊也在 RailGap 專案中對此進行了更深入的研究：他們研究如何在電腦上擷取和建模多路徑傳播。利用這些模型，研究人員可以確定定位誤差可能有多大。這使得能夠確定衛星導航為鐵路運輸提供足夠精確的定位的地方以及需要額外定位方法的地方。

為了得出這些結果，團隊首先必須收集和檢查大量數據。為此，計畫參與者的幾列列車安裝了全球衛星導航系統的各種感測器和接收器，並在運作過程中記錄了數據。其中包括西班牙鐵路網路營運商 ADIF（鐵路基礎設施管理員）的維修列車以及義大利營運商 RFI（義大利鐵路網）的穿梭列車。

 

地下和隧道中沒有衛星訊號：慣性感測器可以提供幫助

如果軌道部分上的訊號很少或沒有訊號，您必須建立額外的選項：例如，在地下或隧道內運行的鐵路線上。 「在這裡，我們可以使用所謂的慣性感測器。它們可以彌補幾分鐘內衛星訊號的損失，」德國航空航天中心的科學家格羅施說。這些是測量加速度和旋轉速率的感測器系統。由此他們計算出相對位置和方向，即物體在空間中的運動。如今許多智慧型手機也安裝了慣性感測器。

對於 RailGap 項目，DLR 使用了市售的傳感器和接收器。 「我們以這樣一種方式將它們結合起來，使我們能夠為多感測器方法開發出一種全面的、多層次的安全概念。它能夠在所描述的挑戰下高度準確和穩健地確定列車的姿態、位置和速度，」Anja Grosch 總結道。該系統的原型也在火車上行駛，並證明了該方法在實踐中是有效的。從技術角度來說，這一步被稱為「概念驗證」。德國航太中心的研究人員相信，透過這種方法他們可以實現低於一公尺的水平精度。他們還可以可靠地計算出確定的火車位置的安全走廊——技術術語稱為置信區間。這些安全走廊直接衡量了這種方法的高品質。

 

軌道交通衛星導航：為「數位地圖」發展做出貢獻

RailGap 的研究也支持鐵路領域所謂「數位地圖」的發展。這是數位化鐵路運營中所有系統使用的基礎設施數據的目錄。為此，確定這些數據的品質及其必須滿足的標準非常重要。德國航太中心在衛星導航領域的研究為標準化機構的工作提供了支持，使其了解如何精確地確定位置資料以及允許的誤差範圍。

 

[照片]

(A) RailGap 專案的數據由配備感測器和接收器的維修列車收集

為了為 RailGap 計畫收集盡可能多的數據，相應的感測器和接收器被運送到西班牙鐵路網路營運商 ADIF 等公司的維修列車上。兩根紅色天線（最左邊和中間）接收衛星訊號。

(B) 了解 RailGap 專案的在地化系統

RailGap 專案採用了非常緊湊的系統。這裡展示的是 GPS 和伽利略衛星導航服務的接收器（淺綠色框）、電源、風扇和資料管理基礎設施。