Localisation par satellite pour les véhicules ferroviaires

Bemard JEAN

LOCALISATION PARSATELLITE POURLESVE-HICULES FERROVIAIRES

Les techniques de localisation par satellite, longtemps r~serv~es au domaine militaire, trouvent maintenant de nombreux d~bouch~s clans les applications civiles. Tousles secteurs du transport, a~rien, maritime, terrestre, envisagent d'appliquer ces techniques clans le domaine de la gestion de flotte, du suivi et de la commande de leurs mobiles. La Direction de la Recherche et de la Technologie de la SNCF a d~velopp~ une competence sur ce th~me afin d'en ~tudier les potentialit~s dans le domaine ferroviaire.

II L'enieu Eenjeu de ce th~me est l'am~lioration des fonctions de gestion de flotte, de gestion de circulations et d'information des clients, et ce, ~ des cofits d'investissement faibles, avec des techniques performantes et ~prouv~es.

Le principal atout de la localisation par satellite est sa couverture g~ographique internationale. Les compagnies ferroviaires disposeraient avec cette technique d'un moyen de localiser tout v~hicule ou train ~quip~, qu'il soit gar~ ou en circulation, ind~pendamment des diverses infrastructures nationales. I1 s'agirait l~ d'un r~el saut de performance par rapport aux moyens actuels de localisation. Un syst~me de gestion de flotte bas~ sur cette technique permettrait une meilleure r~activit~ en situation perturb~e. De plus, s'agissant d'une technique non propri~taire sur un march~ qui est appel~ ~ se d~velopper fortement, on peut esp~rer ~ terme parvenir ~ des cofits d'investissements raisonnables. Mais cette technique pr~sente cependant une faiblesse. I1 est n~cessaire que l'antenne plac~e sur le ~. mobile soit en vue directe des satellites. Les tunnels, les tranch~es ou

Revue g~n~rale des chemins de fer - 0035-3183/99/06/© Elsevier, Paris

Responsable de I'unite de recherche ~{Syst~mes de detection et d'aide a la maintenance ~,.

PhilippeBRUNEL DiplOme de I'lnstitut National Polytechnique de Grenoble. Charge de Recherche a la direction de la Recherche et de la Technologie de la SNCF depuis 1991. Specialiste dans les domaines des capteurs sans contact, de I'acquisition et du traitement d'images numeriques et de la Iooalisation par satellites.

les b~timents en site urbain cr~ent donc des probl~mes d'indisponibilit~ pour la fonction de localisation. Par ailleurs, la non maitrise du segment spatial de la localisation par satellite est un inconvenient ~ prendre en compte dans l'analyse de risque des applications potentielles. Pour faire avancer la r~flexion sur ces questions, la Direction de la Recherche et de la Technologie m~ne en parall~le plusieurs actions : une veille technologique, un recensement des applications possibles et des experimentations sur site ferroviaire.

II La veille technologique I~volution permanente de ces techniques de localisation par satellite n~cessite la raise en place d'une veille technologique. Le syst~me le

plus connu est ~videmment le syst~me am~ricain GPS, qui permet h u n v~hicule de se localiser, sans abonnement, et pour un cofit d'~quipement tr~s faible. Parmi les autres syst~mes existants, on peut citer GLONASS (6quivalent russe du GPS), EUTELTRACS, ARGOS, et plus r6cemment le prototype europ~en EGNOS. )~ c6t~ du segment spatial, le segment des r~cepteurs terrestres fait lui aussi des progr~s continus grace notamment l'am61ioration des mdthodes de traitement du signal. La position du v~hicule devant le plus souvent ~tre connue par un centre de gestion au sol, il est 6galement indispensable d'~tudier les moyens de tdldcommunications qui doivent ~tre associ~s pour transmettre les donndes entre le vdhicule et le sol. L~ aussi, l'~volution est rapide, aussi bien darts le domaine des r~seaux satellitaires, avec les constellations IRIDIUM, GLOBALSTAR, ICO, INMARSAT..., que terrestres, avec les r~seaux cellulaires dont le GSM est l'exemple le plus notoire. A terme, les opdrateurs mixeront l'utilisation de ces deux types de rdseaux, pour optimiser la couverture et ceci de fa~on transparente pour l'utilisateur. Darts ce sec-

teur des t~l~communications, l'utilisation de la future radio numdrique ferroviaire GSM-R fait ~galement partie des options possibles pour les applications candidates. Parmi les constellations futures,

GNSS (Global Navigation Satellite System) m~rite une attention particuli~re. I1 s'agit d'un syst~me civil de localisation par satellite que l'Union Europ~enne cherche ~ d~velopper. I~Europe disposerait ainsi de son propre syst6me civil de localisation par satellite, ind6pendant du GPS qui est un syst~me mill "taire am~ricain. Le programme est en phase de specification mais son avenir reste aujourd'hui incertain, car les investissements sont lourds et la concurrence du service gratuit offert par le GPS n'incite pas les futurs utilisateurs h envisager de payer une redevance pour GNSS. Quoiqu'il en soit, le domaine ferroviaire dolt ~tre prdsent dans cette phase de specification pour exprimer ses besoins en tant que futur utilisateur potentiel. Enfin, la veille s'exerce sur l'utilisation des satellites dans les modes de transport concurrents, notamment routier, off les syst~mes d'aide h la navigation ou de gestion de flotte

assist~s par satellite vont faire un bond clans les dix prochaines ann~es.

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Les applications possibles

Une ~tude g~n~rale sur les possibilit~s d'utilisation ferroviaire de la localisation par satellite a ~t~ r~alis~e lots du projet DEUFRAKO - annexe P (1997-98) dans le cadre de la coop~ration entre les rdseaux fran~ais et allemand. Plusieurs applications ont ~t~ recens~es, le besoin ou non de s~curit~ dtant d'entrSe un facteur discriminant.

Applications de s~curit~ • contrSle-commande automatis~ des circulations ; • assistance ou contr61e du conducteur ; • localisation pour la pendulation ; • alarme sur les sites de travaux en voie ; • mesure des d~fauts de g~om~trie de la voie ; • manutention automatis~e sur charttiers de transbordement.

Applications non s~curitaires • gestion de flotte (voyageur ou fret) ; • suivi de ponctualit~ ; • information du client fret ; • information du client voyageur ; • maintenance de la voie ; • maintenance du materiel roulant ; • p~age de l'occupation des infrastructures.

Fig. 1. - L o c a l i s a t i o n p a r s a t e l l i t e p o u r l e s v ~ h i c u l e s f e r r o v i a i r e s .

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La s~curitd est l'exigence la plus difflcile ~ satisfaire. De fait, aucun syst~me satellitaire actuel ne permet d'assurer par lui-m~me le niveau d'int6grit~ requis pour la gestion de l'espacement des trains, sur les lignes &grande vitesse ou ~ tmflc normal. A titre d'exemple, le syst~me EGNOS pr~voit bien de

fournir une information d'int~grit~, mais ne peut la ddlivrer qu'apr~s un d~lai de 6 secondes ce qui ne rdpond pas aux exigences ferroviaires.

de train (choix du syst~me d'alimentation, de signalisation...) ou lors des transitions entre diff~rents ~quipements d'infrastructure peuvent ~galemerit b~n~ficier de cette technique.

Les tableaux suivants pr~sentent 4 cas typiques d'applications et une s~lection de syst~mes de localisation et de t~l~communication adapt~s aux applications ferroviaires.

La recherche dans ce domaine de la s~curit~, sur lequel travaille ~galement beaucoup l'aviation, doit doric encore se poursuivre. A plus court terme, il serait toutefois possible d'envisager la r~alisation de syst~mes de s~curit~ pour des lignes ~ faible traflc, pour lesquelles les exigences du point de vue de la precision et des temps de r~ponse sont plus faibles. Les applications non s#curitaires peuvent, en revanche, d~s ~ pr~sen/, tirer b~n~fice de ces techniques. Les applications telles que l'information des clients fret sur la position de leur marchandise (avec date de livraison actualis~e), ou la gestion de flotte, permettant au transporteur de localiser rapidement ses v~hicules ind~pendamment des voies sur lesquelles fls se trouvent, permettent une meilleure r~activit~ en cas de situation perturb~e et rgoondent ~tun besoin fort de notre clientele.

Les disparitions de signal qui peuvent survenir le long de la voie pendant quelques centaines de m~tres (valeur typique pour une localisation r~alis~e par GPS) ne sont en g~n~ml pas critiques pour ce genre d'application. La connaissance de la derni~re position m~moris~e peut souvent ~tre sufflsante. Lorsque toutefois cela s'av~re n~cessaire, la continuit~ de la localisation peut ~tre am~lior~e en utilisant des capteurs compl~mentaires (odom~tre, acc~l~mm~tre) ou bien encore, par fusion avec les donn~es d'une cartographie num~rique des voies. D'autres applications, dont l'eujeu pour l'entreprise est un peu moins important, sont aussi envisag~es. Pour la maintenance de la vole, la localisation par satellite permettrait de d~terminer la position exacte des d~fauts de voie lors du passage des v~hicules d'inspection, ou d'activer certaines operations de maintenance sur des zones d~termin~es (par exemple le graissage de rails darts certaines courbes). Eaide et le contrSle du conducteur lots de l'initialisation 23

II

Les exp6rimentations

Les experimentations dans ce domaine sont indispensables, aussi bien pour v~rifler la faisabilit~ technique en environnement fcrroviaire, que pour affmer le cahier des charges fonctionnel d'une application qui modifie les habitudes des exploitants. Un bref panorama des experimentations menses/t la SNCF est pr~sent~ ci-apr~s.

Lea ea'p&imentations sur vOhicule d'essai menses par la Direction de la Recherche et de la Technologie ont permis d'~tudier la precision de localisation et ta disponibilit~ du signal dans l'environnement ferroviaire. Du point de rue de la precision, la performance standard constat& du GPS est de l'ordre de la centaine de m~tres, mais les techniques de correction diff6rentielle permettent d'atteindre 2 m de precision (/~ 95 % de niveau de confiance). Eindisponibilit~ due aux problames de masqnage est propre /~ chaque ligne ferroviaire mais aussi aux constellations de satellites utilis~es. Par ailleurs, la disponibilit~ d'un syst~me de localisation par satellites non g~ostationnaires (cas du GPS) ne peut pas ~tre mesur~e une fois pour toutes in situ par un train d'essai. Cette disponibilit~ varie dans le temps suivant la configuration spatiale des satellites. La Direction de la Recherche et de la Technologie d6veloppe un outil de simulation qui permettra d'6tudier finement la disponibilit6 sur une ligne ferroviaire, les masquages de terrain ~tant caract6ris~s lors du passage d'un train d'essai, et le mouvement des satellites ~tant mod~lis~ dans l'outil. Une premiere ~tude de faisabilit~ a 6t6 r~alis~e en utilisant des cameras plac6es sur le toit d'un vdhicule. En effectuant ensuite un traitement automatis~ des images, il est possible de d6terminer la valeur de l'angle de masquage pour une direction donn~e.

Le projet europ~en MAGNET du 4 e PCRD, a pour objectif le d~velop-

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pement de r~cepteurs multimodaux (tous les modes de transport ~tant associ~s au projet). La SNCF y repr~sentait un utilisateur terrestre final. Apr~s avoir sp~cit]~ les besoins et les contraintes des utilisateurs ferroviaires, la Direction de la Recherche ct

de la Technologie a r~alis~ en 1998 les tests de validation sur site du r~cepteur embarqu~ ferroviaire.

TENOR, projet de la Direction Fret, a ~t~ la premiere experimentation d'importance dans ce domaine de la

localisation par satellite. Une quarantaine de locomotives d6di6es au trafic des trains entiers a 6t~ 6quip6e d'un r6cepteur GPS et d'un syst~me de transmission de donn6es par satellite INMARSAT. Cette application permet de fiabfliser le suivi en temps r6el de ce trafic strat~gique de l'entreprise. Le suivi individuel de wagons est une experimentation r6cente men6e en liaison avec EDIFRET, filiale de la SNCF eharg6e de r6percuter aux

clients les informations sur le transport de leur fret. Un premier d6fi, technique, se situe dans le d6veloppement d'un dispositif de localisation et de transmission peu consommateur d'6nergie dont l'autonomie devrait d6passer les 2 arts. Le deuxi~me d6fi est 6conomique, les cof~ts d'6quipement et de communication devant ~tre tr~s has, r~gle g6n6rale pour tout 6quipement de wagon. Les techniques retenues sont celles du GPS pour la localisation et du GSM-SMS (service

de messages courts) pour la transmission. Le d6veloppement europ~en du GSM permet d'envisager cette exp6rimentation au niveau international. Eunit~ de localisation embarqu6e dispose 6galement d'une interface pour des capteurs qui mesureront des grandeurs caract6ristiques de l'~tat du chargement du wagon. LOTUS est une exp~nentation qui d~bute et qui portera sur 24 TGV R~seau tricourant reliant BruxeUes

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plusieurs r4gions de la France. C'est un projet de la Direction Grandes Lignes dans lequel la Direction de la Recherche et de la Technologie intervient en tant que maitre d'oeuvre g4n4ral en liaison avec la Direction du Mat~rid et de la Traction et la D414gation au Syst~me d'Informations Voyageurs. Le premier objectif de ce projet est de pouvoir, grace ~t un moyen coupl4 de localisation et de t414communications, d'une part, localiser les rames ~t la demande et connaitre leur 4tat fonctionnel, d'autre part, 4tre alert~ spontan4ment de l'apparition de cermines anomalies, afin de prendre les mesures n4cessaires du point de vue de la maintenance et de l'engagement futur de la raz~ concern4e. Le deuxiCme objectif est de faire un suivi en temps r4el des trains et de surveiller leur ponctualit4. Tout retard sup4rieur a un seuil f'lX4 devra 4tre d4tect4 automatiquement et signal4 l'exploitant qui prendra les mesures n4cessaires, notamment en cas de correspondance avec un autre train.

I

Une cartographie num6rique ferroviaire

Les coordonn4es fournies par un syst~me de localisation par satellite sont des coordonn4es g4ographiques qui ne sont pas celles du r4f4rentiel ferroviaire classique exprim4 en points kilom4triques et en num4ros de lignes. I1 est donc n4cessaire de cr4er des cartes g4ographiques ferroviaires et d'4tablir les correspondances entre les coordonn4es g4ographiques et les coordonn4es traditionnelles. Diff4rentes cartes existent ~t l'4tat exp4rimental ~ la SNCF, le d4partement t~tudes et Recherche de la Voie s'4tant montr4 un pr4curseur sur ce sujet d~s 1994. Mais aujourd'hui, un besoin de normalisation apparalt clairement. La d4finition d'une m4thodologie pour concevoir et d4velopper une carte num4rique ferroviaire serait donc une thche ~ entreprendre rapidement. I1 serait de plus int4ressant

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de parvenir a un standard europ4en assurant l'interop4rabilit4. C'est un axe de travail qui est inscrit dans la coop4ration DEUFRAKO, dans le prolongement de l'annexe P prdc4demment cit4e.

II Perspectives Les perspectives offertes par la localisation par satellite, mais aussi par les nouveaux moyens de communication de donn4es, sont importantes pour la SNCF. Ces techniques peuvent lui offrir une opportunit4 pour am4liorer son service et sa comp4titivit4, face d'autres modes de transport qui y ont 4galement recours. Les exp4rimentations men4es actuellement dans le domaine du suivi de mobiles pour la gestion de flotte montrent la volont4 de la SNCF d'etre pr4sente sur ce secteur et de tirer tout le parti de ces nouveaux outils.

REVUE GENERALE DES CHEMINS DE FER

[ ] Melle 0 Mme [] M. Nom . . . . . . . Pr¢nom ............. Fonction ....................................... :,., ........ ~-.: ~So¢i~t~ ................................................. Adresse

SUMI RI S/SUMMARIES/ZUSAMMENFASSUNGEN L6sungen zur Herabsetzung des Rollgerfiuschs durch den aero@namtschen L/inn verschlechtert, was fibrigens Gegenstand einer eingehenden Arbeit auf den folgenden drei Gebieten war: Identifizierung der wichtigsten Lfirmquellen sowie ihrer Erzeugungsmechanismen, - Bewertung der M6glichkeiten zur Verringerung dieser Quellen an Modellen in verkleinertem Magstab; es wurden Ans/itze erarbeitet, - Allgemeinere Modellierung des Str6mungsverhaltens, womit aul3erdem die Vorhersage und Verringerung des aerodynamischen Lfirms erm6glicht wird. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen erm6glichen die Konstruktion von globalen Modellen fiir die Emission des Eisenbahnl~irms ; des Weiteren k6nnen Normen fiir die Messung erstellt werden, die besser dem europ/iischen Rahmen angepasst sind und anhand derer die Gesamtauswertung der besten M6glichkeiten auf dem Netz zum Schutz der Anlieger mit unterschiedlichen Szenarios ins Auge gefasst werden kann, die je nach angstrebtem Schallpegel und den Kosten fiir die Realisierung variieren. m

B. JEAN

Ph. BRUNEL Locallsafion par satellite pour les v4hicules ferroviaires Apr~s avoir pr4sent~ renjeu et les atouts de la localisation par satellite pour la SNCF, cet article expose les principales activit4s de la Direction de la Recherche et de la Technologic darts ce domaine. Dans un premier temps sont pr~sent4es les actions de veille technologique men&s dans le domaine de la localisation par satellite mais aussi des t414communications associ&s. Puts sont d4crites les applications possibles de la localisation par satellite ~t la SNCF ainsi que les exp&imentations en cours : &ude pr4cise de la disponibilit~ de la localisation par satellite en environnement ferroviaire, projet ettmlCC,zn MAGNET, projet TENOR de la Direction Fret, projet de suivi

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individuel de wagons en liaison avec EDIFRET et le projet LOTUS men4 avec la Direction Grandes Lignes sur le suM de TGV. La probl4matique de la cartographic num4rique ferroviaire est 4galement abord4e. Enfin, plusieurs cas typiques d'applications et une s41ection de syst~mes de localisation et de t414communications adapt4s am,~ applications ferroviaires sont expos4s sous forme de tableaux. Satellite tracking for rail vehicles This a~icle explains the potential and advantages of satellite tracking for SNCF and then describes the main work of the Research and Technolog3 ~ Department in this field. The authors firstly report on the technology watch on satellite tracking as well as on associated telecommunications technoh W and then describe possible satellite tracking applications on SNCF and tri'0Js under way : a thorough study of satellite tracking system ~xailabilit)' in the railwav environment, the European MAGNET project, the Freight Department TENOR project, the individuoJ wagon tracing project in conjunction with EDIFRET and the LOTUS project carfled out with the Mainline Traffic Department on TGV tracking. The subject of railway digital cartography is also addressed. Lastly, several typical applications and a selection of tracking and telecommunications systems adapted to railway applications are described in table form. Ortung der EisenbalmFahrzenge mittels Satemt Nachdem die Risiken und die Triimpfe fiir die Ortung mittels Satellit bei dcr SNCF dargestellt wurden, behandelt dieser Artikel die wichtigsten Aktivit/iten der Direktion fflr Forschung und Technologic auf diesem Gebiet. Zunfichst werden die T/itigkeiten in bezug anf die Sicherheitsfahrschaltung, die auf dem Gebiet der Ortung mittds Satellit aber anch bci dem damit zusammenh~genden Telekommunikations-

verkehr vorgenommen werden, pr;~isenttert. Danach werden die m6glichen Amvendungen der Ortung mittels Satellit bei der SNCF sowie die laufenden Versuche beschrieben : die genaue Studie fiber die Verfiigbarkeit der Ortnng mittels Satellit in der Eisenbahnumgebung, das europ/iisches Projekt MAGNET, das Projekt TENOR der Direktion Cargo, das Projekt der Einzelverfolgung von Wagen in Verbindung mit EDIFRET sowie das Projekt LOTUS, das mit der Direktion ffir Fernverkehr zur lJberwachung des TGV durchgeffihrt wird. Die Problematik der digitalen Kartographte bei der Eisenbahn wird ebent:alls angesprochen. Schliel~lich sind mehrere ~pische Ffille sowie eine ~lzahl yon Ortungs und Telekommunikationssystemen, die auf die Anwendungen bei der Eisenbahn abgestimmt sind, in der Form yon "Pabellen aufgefiihrt. I

M. GUIGON Une r & o l u t i o n p o u r le fret Le frein ~ c o m m a n d e 41ectronique et la t ~ l & o m m a n d e des locomotives p a r radio L'&olution de productivit~ des trains de fret passe par l'accroissement de la longucnr, de la charge et de la vitesse des trains. Deux projets de recherche se deroulent au sein de la SNCF : - Le frein/~ commande dectronique qui permet de faire circuler des trains tr6s longs (de plus de deux kilom~tres) en respectmlt les distances d'arr& actuelles et en ne errant pas d'efforts internes dans le train susceptibles de provoquer un d&aillement. En outre, ce syst~me am~liore la s&urit~ des circulations des trains par la connaissance en temps r~el de l'~tat de fonctionnement des syst~mes de freinage et facilite leur exploitation avec la r~alisation de l'essai de frein/t agent seul. - La t~l&ommande des locomotives par radio qui permet le jumelage de demx trains pour crier un train dont la longueur peut atteindre 1 500 m afin de r~duire

les cofits de conduite et de repousser les linfites de saturation des infrastructures. Les recherches portent principalement sur les conditions de circulation en s&urit~ et sur la liaison radio entre les locomotives qui tient compte de la circulation d'antres trains. A revolution for freight trains Electronically controlled brakes and radio remotecontrolled locomotives Productivity improvements for freight trains are targeting longer trains, heavier axle loads and higher train speeds. Two research projects are currently under way at SNCF : - one on an electronically controlled brake that makes it tx~ssible to operate ve~: long trains (more than 2 kilometres long) while observing current stopping distances and without creating any internal forces in trains that might trigger a derail= mont. Furthermore, this system improves train operating safety because it proxqdes real time information about brake system functioning and is easier to use since brake tests can be carried out by one person alone ; - remote-con~>l of locomotives by radio makes it possible to couple two trains to form a train that can be as long as 1 500 m in order to cut train driver costs and stretch the boundaries of infrastructure capaci~. Research is tbcu~d mainly on safe traffic conditions and on the inter-locomotive radio link which takes account of other train traffic on a line.

Eine Revolution fftr den Gfiterverkehr Die Bremse mit elektronischer Steuerung und die Funkfernsteuertmg der Lokomotiven Die Verbesserung der Produktivitiit bei den Gfiterzfigen beinhaltet eine Zunahme ihrer Lfinge, ihrer Radsatzlast sowie ihrer Geschwindigkeit. Innerhalb der SNCF laufen hierzu zavei Forschungsprojekte, n/imlich: - Die Bremse mit elektronischer Steuerung, mit der sehr lange