Využití satelitního navigačního systému Galileo na železnici

Využití satelitního navigačního systému Galileo na železnici

V článku je popsáno využití satelitní navigace pro řízení vlaků. Jsou rozebrány otázky přesnosti, inerciální navigace, integrity satelitní navigace, dostupnosti SIS na tratích v rádiovém stínu a bezpečnostní aspekty satelitní navigace. Autoři probírají současný přístup Evropské komise a Mezinárodní železniční unie k satelitní navigaci v dopravě a uvádějí výsledky experimentálních zkoušek, které proběhly na tratích ČD.

1. Nové trendy v železniční zabezpečovací technice

Železniční automatizační a zabezpečovací systémy byly během celé své historie vždy založeny na množství zařízení a prvků umístěných v kolejišti nebo podél tratí. Jde o zabezpečovací systémy mechanické, elektromechanické, kolejové obvody autobloku nebo nedávno vyvinutý evropský vlakový zabezpečovací systém ERTMS/ETCS (European Railway Traffic Management System/European Train Control System), který pro lokalizaci vlaku a další funkce využívá bodové prvky v kolejišti zvané balízy. Všechny tyto systémy však mají v důsledku vazby na trať společného jmenovatele, kterým je vysoká pořizovací cena a velké náklady na provoz a údržbu. Proto jedním ze současných celosvětových trendů v oblasti železničního výzkumu a vývoje je snaha prvky a zařízení umístěné v kolejišti pokud možno eliminovat. Tento trend je založen na myšlence, že poloha a rychlost vlaku, od kterých se odvíjí řízení, budou stanoveny na základě satelitního určení polohy (obr. 1).

Evropská komise (EC), Evropská kosmická agentura (ESA), Mezinárodní železniční unie (UIC) a další organizace tento koncept významně podporují [1]. Důvod je prostý. Evropské projekty týkající se druhé fáze evropského satelitního navigačního systému GNSS (Global Navigation Satellite System), nazývaného též Galileo, jsou v běhu a je mimořádně velký zájem o to, použít tento propracovaný systém pro aplikace kritické z hlediska bezpečnosti, a to všeobecně v pozemní dopravě, včetně dopravy železniční. Systém Galileo má být uveden do provozu v letech 2006 až 2008. Do té doby by měly být vyvinuty nové železniční aplikace týkající se bezpečnosti založené na tomto novém systému.

2. Použitelnost satelitní navigační techniky pro řízení vlaků

Využití satelitní navigace pro řízení vlaků má i mnoho oponentů. Jejich názory vycházejí zejména z těchto argumentů:

• GPS není dostatečně přesný,
• GPS je nepoužitelný v tunelech,
• GPS je pro řízení vlaků nespolehlivý,
• signál GPS není na mnoha tratích dostupný,
• systémy GPS a GLONASS mohou být v případě krize nebo válečného konfliktu kdykoliv vyřazeny z provozu.

V následujících odstavcích budou tyto argumenty objasněny na základě experimentálních výsledků a dále na základě rozhodnutí a prohlášení vydaných EC, ESA a dalšími významnými evropskými organizacemi.

2.1 Přesnost
Parametry satelitních navigačních technologií byly během posledního desetiletí výrazně zdokonaleny. Horizontální přesnost současných jednofrekvenčních (L1) přijímačů GPS v diferenčním kódovém režimu je lepší než 1 m (95 %) a centimetrové přesnosti lze dosáhnout při fázovém měření v módu RTK (Real-Time Kinematic). Při vzdálenosti os dvou sousedních kolejí 4 až 5 m je tato přesnost dostatečná pro rozlišení, na které ze dvou sousedních kolejí se vlak nachází [2]. Přesnost systému Galileo v módu SAS (Safety of Life Services) [1], který je rovněž určen pro železniční dopravu, by měla s lokálními komponentami dosáhnout hodnoty lepší než 1 m.

2.2 Inerciální navigace
V případě dočasného výpadku satelitního navigačního signálu SIS (Signal-in-Space) je absolutní určení polohy nahrazeno relativním na základě fúze dat z palubních inerciálních senzorů, jako jsou odometr (snímač ujeté dráhy), gyroskop, akcelerometr atd. Data z jednotlivých senzorů jsou sloučena za použití Kalmanovy filtrace. Relativní poloha vlaku se tímto způsobem určuje od poslední ověřené absolutní polohy poskytnuté přijímačem GNSS. Na rozdíl od ostatních druhů dopravy je trajektorie pohybu vlaku předem známa s centimetrovou přesností. Jak bude ukázáno dále, použití této referenční trajektorie významně zvýší přesnost výpočtu polohy vlaku na trati i při absenci SIS.

2.3 Integrita satelitní navigace
Ani integrace kombinovaných přijímačů GPS a GLONASS s inerciálním systémem (INS) nesplňuje přísná kritéria bezpečnosti na železnici. Hlavní překážkou je, že jak GPS, tak i GLONASS jako samostatné navigační systémy neposkytují informaci o tom, zda může být satelitní navigace v daném okamžiku využita pro aplikace kritické z hlediska bezpečnosti – tedy i pro řízení vlaků. Tuto informaci a další údaje však v současné době poskytuje systém zvaný ESTB (EGNOS System Test Bed), který byl uveden do provozu počátkem roku 2000. ESTB prostřednictvím geostacionární družice AOR-E a internetu přenáší k uživatelům dvě základní zprávy:

• diferenční korekce WAD (Wide Area Differential) pro určení polohy v diferenčním módu v širší oblasti,
• informace GIC (Ground Integrity Channel) o integritě GPS.

V budoucnu budou signály WAD a GIC dále šířeny geostacionárními družicemi IOR a Artemis. Úplná konstelace systému EGNOS by měla být zprovozněna v roce 2004. Později bude EGNOS integrován do systému Galileo, kde má být ve službě SAS s lokálními komponentami garantována hodnota rizika integrity 2 · 10–9/150 s s dobou výstrahy 1 s. To se zdá být dostatečné i pro použití v železniční zabezpečovací technice.

2.4 Dostupnost SIS na tratích v rádiovém stínu
Ve stanicích, kde je kolejiště širší a obloha otevřenější, je možné přijmout signál od šesti a více satelitů. Dostupnost satelitního signálu na dvoukolejných tratích koridorů je přibližně stejná jako ve stanicích na vedlejších tratích. Na jednokolejné trati procházející rovinatou zalesněnou oblastí přijímač GPS obvykle přijímá SIS od tří až pěti satelitů. Někdy je chyba diferenčně korigované polohy v důsledku omezené viditelnosti satelitů GPS a odrazů signálu degradována z jednoho metru až na několik desítek metrů. Při dosažitelnosti méně než čtyř satelitů není možné polohu určit. Významné zvýšení dostupnosti SIS se očekává po implementaci systému Galileo, který na orbity přidá dalších třicet satelitů. Na základě současných zkušeností lze odhadnout, že kombinovaný přijímač pro systémy GPS a Galileo bude schopen i na vedlejších tratích v lesnatých a hornatých oblastech přijmout signál od nejméně šesti satelitů. Ve stanicích bude schopen přijmout alespoň dvanáct satelitů. To je dostatečné pro určení polohy vlaku, včetně detekce během směrování na výhybkách. Použití vícefrekvenčních přijímačů GNSS dále zvýší přesnost a stabilitu určení polohy. Přesto však mohou zůstat některé traťové úseky nepokryty SIS. V tomto případě budou použity pozemní pseudolity, tj. rádiové majáky, které vysílají na stejných kmitočtech (L1) signál nahrazující SIS.

2.5 Bezpečnostní aspekty satelitní navigace
GPS a GLONASS podléhají správě vojenských orgánů USA a Ruské federace a v dohledné době se na této skutečnosti nebude nic měnit (závěry z NavSat, Nice, 2001). To znamená, že v této oblasti národní bezpečnostní zájmy obou velmocí převládají nad mezinárodními zájmy. Do budoucna však není vyloučeno zmírnění těchto omezení na základě mezinárodních dohod. Naproti tomu systém Galileo bude pod multinárodní kontrolou. Signál Galilea bude interoperabilní s GPS, GLONASS a dalšími rádiovými navigačními a komunikačními systémy. Předpokládá se, že přijímače Galileo budou masově používány v letecké, lodní, železniční a automobilové dopravě. Za správu bezpečnostních požadavků budou výhradně odpovídat evropské instituce a členské státy Evropského společenství.

3. Vývoj a výzkum na Českých drahách

Na ČD se problematikou využití satelitní navigace pro lokalizaci vlaků od roku 1995 zabývá specializované pracoviště Laboratoř inteligentních systémů (LIS) v Pardubicích. Motivací pro zahájení této činnosti bylo řešit neutěšený stav na regionálních tratích, kde je zabezpečovací technika zastaralá nebo zcela chybí. Využití satelitní navigace a moderních telekomunikací naznačovalo možnost budovat moderní zabezpečovací a automatizační systémy s minimální vazbou na prvky a zařízení umístěné v kolejišti a podél tratí. Tím mělo dojít k výraznému snížení nákladů na provoz tratí a ke zvýšení bezpečnosti. Tento původní záměr zůstává v plné platnosti i v současné době. Podstatný rozdíl je však v tom, že dnes již je tento záměr podporován evropskými institucemi a průmyslem a cílem je využít satelitní navigaci nejen na vedlejších tratích, ale i na koridorových a vysokorychlostních tratích v rámci systému ERTMS/ETCS.

3.1 Projekt APOLO
První zkoušky v oblasti sledování vlaků byly na ČD zahájeny v roce 1996, kdy byla na základě diferenční metody GPS určena poloha drezíny s přesností přibližně 1 m a uskutečněn rádiový přenos údajů o poloze vlaku a dalších informací do laboratoře LIS.

Další práce byly zaměřeny na lokalizaci vlaku na principu GPS a INS při využití systému ESTB [3]. Tyto experimenty se uskutečnily v rámci projektu Evropské komise s názvem APOLO (Advanced Position Locator) v letech 1999 až 2001. Konsorcium řešitelů projektu APOLO zahrnovalo tyto společnosti: Thales Navigation (Francie), ERRI (Nizozemí), SAB WABCO (Itálie), TIFSA/RENFE (Španělsko), Railtrack (Velká Británie) a ČD. Výstupem projektu v praxi byl vlakový lokátor na principu GNSS-1 (GPS+ESTB) a INS. Tento vlakový lokátor byl nainstalován na dvou lokomotivách Českých drah a úspěšně vyzkoušen na tratích v okolí Pardubic a Hradce Králové (obr. 2). Kosmický segment pro tyto zkoušky připravili pracovníci francouzského kosmického národního centra CNES v Toulouse. ČD byly spolu s RENFE prvními železničními společnostmi v Evropě, kde byl ESTB úspěšně zkoušen.

Předmětem zkoušek bylo zejména ověřit přesnost vlakového lokátoru v těchto režimech [4]:

• standardní GPS,
• diferenční mód s korekcemi EGNOS šířenými z geostacionární družice AOR-E,
• diferenční mód s lokálními korekcemi šířenými digitální rádiovou sítí 150 MHz/19,2 kb/s z referenční stanice GPS/GLONASS v Pardubicích.

Z podrobné analýzy naměřených údajů je zřejmé, že přesnost (v 95 % doby) ve standardním módu GPS je 3 až 4 m, v diferenčním módu s korekcemi ESTB WAD je 1,0 až 1,5 m a v diferenčním módu s lokálními diferenčními korekcemi RTCM-104 obvykle lepší než 1 m. Krátké výpadky SIS v důsledku průjezdu vozidel pod mosty nebo způsobené objekty umístěnými podél tratě neměly na přesnost lokátoru v podstatě žádný vliv.

Na jaře roku 2001 byly na traťovém úseku Potštejn – Litice nad Orlicí uskutečněny testy lokátoru APOLO i při dlouhodobých výpadcích signálu GNSS-1. V tomto místě prochází jednokolejná trať s mnoha traťovými oblouky zalesněným úsekem, hlubokým zářezem v terénu a tunelem. Zkoušky ukázaly, že po projetí úseku přibližně 3 km dosáhla chyba určení polohy lokomotivy v diferenčním módu téměř 80 m [5]. Tato chyba byla nepřijatelná pro využití vlakového polohové lokátoru v železniční zabezpečovací technice. Proto byl další vývoj a výzkum v LIS orientován zejména na určení polohy vlaku a detekci směrování vlaku na výhybkách při absenci SIS.

3.2 Detekce směrování vlaku na výhybkách
Pravděpodobně nejobtížnější úlohou spojenou s lokalizací vlaku je změna směru pohybu vlaku na výhybkách v rádiovém stínu (tj. pod mostem, v tunelu atd.), nebo ještě hůře, jestliže musí být směrování vlaku detekováno ihned poté, co vlak projel traťový úsek v rádiovém stínu délky několika kilometrů. Proto byla vyvinuta nová metoda [6], která pracuje s již existující přesnou mapou osy koleje a s údaji z gyroskopu a odometru (obr. 3). Metoda používá tzv. dvojité diference směru, které jsou v podstatě rozdílem mezi změnou směru naměřenou gyroskopem a změnou směru vypočítanou z mapy osy koleje. Experimentálně bylo dokázáno, že na měření směru pohybu kolejového vozidla lze nahlížet jako na ergodický stochastický proces, kde jedna realizace náhodného procesu podává dostatečnou informaci o charakteru celého náhodného procesu. Pravděpodobnost detekce směrování kolejového vozidla na jednu nebo druhou kolej výhybky je potom počítána pomocí Bayesova teorému [6]¹⁾. Výhodou tohoto přístupu je, že kompenzuje vliv driftu gyroskopu.

Příklad výpočtu pravděpodobnosti detekce směrování vlaku na výhybce na principu gyroodometrie v závislosti na ujeté dráze je uveden na obr. 4. Parametrem výpočtu je záměrně zavedená chyba odometru (0; 2,5 a 5 m). Požadovaná hodnota pravděpodobnosti výskytu vlaku na jedné z kolejí je 0,99999. Této hodnoty pravděpodobnosti bylo dosaženo pro zmíněné chyby odometru při ujetí vzdálenosti 11,7; 13,9 a 17,4 m směrem od jazyku výhybky k srdcovce. Jak z grafu vyplývá, vzdálenost mezi jazykem výhybky (tj. počátkem změny směru) a srdcovkou je 21,8 m. To znamená, že pohyb vlaku po dané koleji výhybky byl s požadovanou pravděpodobností rozlišen ještě před dosažením srdcovky, kde osová vzdálenost kolejí je jen 1,43 m.

4. Pohled do budoucna

V současné době je již zřejmé, že satelitní systém Galileo bude hrát významnou úlohu v moderních železničních zabezpečovacích systémech v příštích desetiletích. Svědčí o tom nejen četná prohlášení významných evropských politiků, úředníků EC, ale i studie odborníků ESA, UIC a železničního průmyslu (viz též současné evropské železniční projekty Saga, Integrail, Garderos, Rune, Galileo atd.). Očekává se, že satelitní navigace bude implementována do evropského vlakového zabezpečovacího systému ETCS na koridorových tratích v podobě tzv. virtuálních balíz i do levnějších zabezpečovacích systémů pro vedlejší nebo izolované tratě. Výsledky dosažené v rámci současných mezinárodních a národních projektů lze považovat pouze za úvodní či demonstrační projekty potvrzující uskutečnitelnost záměru. Musí být ještě vyřešeno mnoho technických problémů, aby byl vyvinut velmi robustní systém, který je schopen určit polohu vlaku s požadovanou přesností, dostupností a dalšími parametry tak, jak to vyžadují náročné požadavky na železniční zabezpečovací techniku.

Poděkování:
Výsledky týkající se detekce směrování na výhybkách vznikly v rámci projektu GA ČR č. 102/02/0641.

Ing. Aleš Filip, CSc., Ing. Václav Maixner, Jan Taufer, Ing. Hynek Mocek, Ing. Lubor Bažant, Ph.D.,
České dráhy, s. o., DDC SŽT, Laboratoř inteligentních systémů v Pardubicích
(filip@pds.pce.cdrail.cz)

¹⁾ Pozn. red.: U ergodického procesu lze hustotu pravděpodobnosti vypočítanou ze souboru jeho realizací v jednom časovém okamžiku nahradit hustotou pravděpodobnosti určenou z jedné zvolené realizace za dostatečně dlouhý časový interval. O Bayesově teorému blíže viz [Nagy a kol.: O bayesovském učení. Automa 7/2002, s. 56-61].