La tecnología satelital en el ferrocarril

Resumen

La aplicación de las tecnologías satelitales al ferrocarril abre un horizonte de posibilidades nuevas y muy atractivas que van desde la localización de los trenes hasta el desarrollo de sistema de seguridad de bajo coste para líneas de tráfico débil. Hace tiempo que el sector está trabajando en el desarrollo de balizas virtuales, en mejorar la precisión de la localización evitando las zonas oscuras y en toda una gama de análisis, simulaciones y herramientas para aplicaciones ferroviarias. Numerosos proyectos muestran los esfuerzos europeos para superar las limitaciones de los sistemas actuales con tecnologías de última generación basadas en GNSS. Los avances en las investigaciones y las pruebas de campo realizadas con material rodante en entorno real han probado la idoneidad del sistema europeo Galileo frente al norteamericano GPS y el ruso GLONASS. Sin embargo, las aplicaciones comerciales están todavía lejos, y es necesario seguir avanzando en el desarrollo y la experimentación de nuevas funcionalidades y sobre todo en la resolución de los inconvenientes técnicos, algunos de los cuales están relacionados con la configuración de la infraestructura y su entorno geográfico. En este artículo se exponen los trabajos en tecnologías satelitales para el ferrocarril llevados a cabo por el Cedex, Ineco y Adif con los proyectos ERSAT GGC, GATE4RAIL y RAILGAP, precedidos por una introducción por parte del Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana (MITMA).

1. INTRODUCCIÓN: LA TECNOLOGÍA SATELITAL EN EL TRANSPORTE

Las prioridades generales de una política de transportes comprenden áreas diversas. Por un lado, la digitalización es la vía por la cual se llega a la necesaria evolución tecnológica del transporte para responder a las necesidades y expectativas de los usuarios y de las administraciones públicas. En este primer grupo hay que tener en cuenta, además, la aplicación de medidas efectivas de sostenibilidad medioambiental para reducir progresivamente la huella de carbono del transporte. Una y otra, finalmente, deben asociarse a seguir mejorando los ya de por sí altos niveles de seguridad del sistema de transporte.

La aplicación de las tecnologías relacionadas con los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS, por sus siglas en inglés) se han revelado de gran utilidad para desarrollar estas prioridades y llevarlas a un estadio que permita implementar acciones concretas que redunden en una eficacia y una eficiencia mayores del sistema de transporte. Así, se abren las vías para optimizar las infraestructuras de transporte con la definición y la aplicación de estrategias de información y de gestión basadas en GNSS. En segundo lugar, estas tecnologías favorecen el desarrollo de la multimodalidad multiplicando las opciones de integración de las redes de transporte. Por último, la seguridad en el transporte de viajeros y mercancías tiene un campo de progresión evidente con la aplicación de sistemas basados en GNSS o apoyados por este.

El origen de los sistemas GNSS en Europa se encuentra en la incapacidad de los sistemas satelitales de entonces para dar una respuesta satisfactoria a las necesidades de evolución tecnológica que viene impuesta por el aumento de la demanda, entre otros factores. La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) ha puesto de manifiesto las limitaciones de las radioayudas ante el aumento del tráfico aéreo. Esta diversidad tiene inconvenientes técnicos y económicos. Sin embargo, plantearse soluciones basadas en GNSS a partir de los sistemas GPS americano, GLONASS ruso o Beidou chino no es posible, ya que no cumplen con los requisitos exigidos de precisión, integridad, continuidad y disponibilidad. En el plano económico, se producen perturbaciones que impiden generar las economías de escala que se obtendrían con un único sistema. La solución parece saltar a la vista: utilizar en una primera fase un solo sistema basado en EGNOS (sistema de aumentación sobre territorio europeo), desarrollado por la Unión Europea y, en una fase posterior, usar Galileo, es decir, un sistema plenamente soberano europeo. Esto no quiere decir, en ningún caso, que las aplicaciones críticas de transporte no vayan a seguir descansando sobre 2 o 3 capas de seguridad, independientes entre sí, para garantizar los altos estándares de seguridad que se exigen en caso de fallo.

El cuadro siguiente muestra las limitaciones del sistema GPS en el ámbito de los transportes.

Tabla 1. Limitaciones del GPS en los transportes

Lo que hace a Galileo diferente de otros sistemas en su aplicación al transporte es que, a diferencia del GPS o el GLONASS que solo disponen de servicio abierto y servicio militar, es el único programa GNSS que ha sido diseñado específicamente para dar respuesta a diferentes grupos de usuarios, teniendo muy en cuenta a los del transporte, ofreciendo distintos servicios (abierto, alta precisión, autenticado, gubernamental, emergencias, Search and Rescue, etc.). Además, permite una implicación y participación directa de terceros países tras un proceso de negociación, lo que facilita su aceptación en cualquier parte del mundo.

Por otro lado, en su arquitectura de gestión se ha tenido en cuenta un aspecto fundamental de cara a las autoridades encargadas de certificar, acreditar y autorizar usos críticos en los que la vida humana está en riesgo, como sucede con el transporte: existe compromiso jurídico de calidad de servicio y existen responsabilidades en caso de accidente causado por un fallo del sistema. Esta es una diferencia fundamental con los demás sistemas de posicionamiento militares existentes.

En el plano técnico, dispone de ventajas específicas, tales como sus mayores prestaciones, mejor posicionamiento en interiores ( indoors ), mejor posicionamiento en zonas cercanas al Ecuador que presentan una actividad ionosférica muy fuerte y mejor posicionamiento en zonas de altas latitudes que están llamadas a desempeñar un papel cada vez más importante como consecuencia del derretimiento de los casquetes polares. Además, en cuanto a aplicaciones en áreas metropolitanas, ha demostrado un mejor comportamiento en cañones urbanos.

Los sistemas GNSS tienen un peso económico muy importante. Los sectores que generan el 11,3 % aproximadamente de nuestro PIB dependen de GNSS directamente. Y esta cifra aumentaría considerablemente si añadiésemos la dependencia indirecta de infraestructuras críticas. En 2019 generó movimientos de mercado en el campo de las aplicaciones por valor de 235.000.000 €/año, de los cuales cerca del 60 % corresponden al transporte y una gran parte del 40 % restante a movilidad.

Sus aplicaciones en el transporte alcanzan a la aviación, el transporte por carretera, la navegación y el salvamento marítimo y, por supuesto, al ferrocarril. Con respecto a este último, es especialmente adecuado para optimizar la logística, mejorar la gestión del parque motor y remolcado, y en servicios de información al viajero. Y se ha revelado de gran utilidad para elevar notablemente el nivel de seguridad con un coste muy bajo en líneas modernas y antiguas. En términos generales, las aplicaciones ferroviarias basadas en GNSS se pueden dividir en dos grupos. Por un lado, están aquellas que mejoran el servicio y aumentan la seguridad, como por ejemplo las balizas virtuales de ERTMS, a las que podemos considerar como críticas. Por otro lado, hay aplicaciones no críticas, como la geolocalización de elementos para mantenimiento, trazabilidad de vagones, información al viajero, etc.

El uso de GNSS supone para el sector ferroviario retos transversales y otros de índole técnica. Las aplicaciones relacionadas con la protección, la ciberseguridad, la normativa legislativa y reglamentaria, la estandarización o la agilidad en los procesos de implementación, corresponden al primer grupo. Con el segundo están relacionadas aquellas otras tales como el tratamiento de las interferencias, el efecto multipath, la integridad de la señal de satélite, la resolución de las zonas oscuras para la comunicación, como los túneles y las montañas, las líneas de alta complejidad, con bifurcaciones y cruces, o la precisión en el reconocimiento de líneas paralelas y estaciones.

El futuro de la aplicación de los sistemas GNSS en el ferrocarril tiene hitos reconocibles a corto, medio y largo plazo. Los más próximos son los avances en la localización del tren con la mayor precisión posible, lo cual permitirá aumentar la capacidad de las vías. Otro hito es el desarrollo de la baliza virtual basada en la transmisión continua de datos PVT que redundará en un ahorro de costes. Por último, la detección de movimientos del material rodante mientras el equipo ETCS de a bordo está desconectado, lo que se conoce como Cold Movement Detection (CMD). A medio plazo se sitúa el desarrollo del ERTMS nivel 3, cuya característica definitoria es el cantonamiento móvil y que tendrá el efecto de gestionar la capacidad de las líneas en términos mucho más elevados que los actuales. A largo plazo se sitúa el objetivo del tren autónomo, aunque ya hay algunas iniciativas en este campo. Así, el Río Tinto Driverless Cargo Line, cuenta con 1.700 kilómetros de vías y 220 locomotoras monitorizadas, y registra un tráfico de datos de 12 Gb/día con una lógica de detección de trenes automática basada en ERTMS/ETCS nivel 2. Con esta arquitectura, Río Tinto ha desarrollado modelos predictivos para detectar posibles fallos en operaciones próximas y recomienda acciones de mantenimiento cuya aprobación final está en manos del personal técnico, como es lógico.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ERSAT GGC

2.1. Conceptos fundamentales

El posicionamiento mediante satélite funciona triangulando las señales recibidas de varios satélites. Estos sistemas, a partir de una determinada infraestructura (estaciones en tierra, satélites GEO en caso de SBAS [i.e. EGNOS], etc.) son capaces de calcular una serie de correcciones y transmitirlas al usuario para así, junto con las observaciones GNSS tradicionales, obtener una solución de posicionamiento con mayor precisión, a la vez que le otorgan un extra de robustez en la confiabilidad (integridad, disponibilidad, continuidad) de la solución.

Una comparación entre el sistema europeo Galileo, el norteamericano GPS y el ruso GLONASS arroja datos interesantes. Galileo funciona con 30 satélites en tres planos orbitales, a una altitud aproximada de 23.000 kilómetros, una inclinación orbital de 56 grados y un margen de error en la localización inferior a 4 metros. El GPS tiene 24 satélites (32 nominales) en 6 planos orbitales, a una atura de unos 20.000 kilómetros y 55 grados de inclinación orbital. Su margen de error es de entre 5 y 10 metros. GLONASS funciona con el mismo número de satélites que el GPS (29 nominales), a una altura de unos 19.000 kilómetros y 65 grados de inclinación orbital. Es el que ofrece una localización meso precisa, con un margen de error de entre 10 y 15 metros. Así pues, la alternativa para Europa parece ser Galileo, especialmente porque es el sistema que ofrece mayor precisión en el posicionamiento.

La participación de las empresas del Grupo Fomento en los proyectos relacionados con las aplicaciones ferroviarias de Galileo y en concreto en los programas de I+D de la GSA (European Global Navigation Satellite Systems Agency), viene impulsada desde el MITMA. La idea inicial es superar las limitaciones de las tecnologías ERTMS nivel 1 y 2, dada la necesidad de consolidar las inversiones en las líneas de AV. La Unión Europea promueve la sustitución de los sistemas nacionales por un estándar de ERTMS low cost para las líneas con menor densidad de tráfico. Hay ya iniciativas europeas, como la que lideran Hitachi (Ansaldo) y RFI con una línea piloto en Cerdeña y otra planteada entre Novara y Rho (Italia).

Los resultados del proyecto ERSAT GGC son múltiples. Entre otras cosas, se ha desarrollado un procedimiento y un conjunto de herramientas de laboratorio que se pueden aplicar en cualquier línea para su caracterización en el despliegue de balizas virtuales. Además, se han hecho campañas de medida en tres países obteniendo muchos datos interesantes. Estas herramientas tienen unas características definidas en tres áreas:

• Conjunto de técnicas de análisis de la señal de satélite registrada por los receptores:

• Detección de Multi-path
• Detección de Non Line Of Sight (bloqueo)
• Detección de interferencias de RF
• Observación de la relación señal/ruido
• Observación del control de ganancia automática
• Análisis de la calidad de la señal

• Técnicas de análisis de métodos complementarios:

• Detección de interferencias de RF con analizador
• Visibilidad de cielo abierto con cámara ojo de pez
• Monitorización de los satélites estado de GPS mediante EGNOS

• Técnicas de análisis de métodos de simulación con modelos 3D del terreno (GNSS4Rail):

• Digitalización de trazados
• Cálculo de visibilidad de satélites
• Cálculo de la HDOP de los satélites
• Obtención de NLOS ( non-line-of-sight )
• Utilización de Simulaciones pasadas y futuras (prognosis)

Hasta el momento, resultados similares a los obtenidos en el proyecto ERSAT GGC solo han sido implementados por Hitachi/Ansaldo, aunque hay otros enfoques, por ejemplo, en una línea de mercancías de Australia, fuera de Europa.

En cuanto a su aplicabilidad, se puede utilizar en cualquier línea, permite eliminar las balizas físicas de relocalización y diseñar aplicaciones de ERTMS de bajo coste, con una mejora notable de la odometría. Existen restricciones, sin embargo, que vienen dadas por el alcance del sistema, que no cubre el 100 % de los casos y necesita sistemas de respaldo para la localización, y por el coste de desplegar GSM-R allí donde no lo haya, lo cual podría ser inasumible. Aun así, ERSAT es una opción de futuro para las comunicaciones ferroviarias porque marca el límite de obsolescencia del Tren Terra y del propio GSM-R, que será sustituido por el FMRCS, basado en 5G. Quedan por afrontar los retos que se plantean en el posicionamiento del tren, tales como cubrir todos los casos de uso posibles, integrarse con ERTMS nivel 3, resolver las limitaciones de los circuitos de vía y las mejoras deseables en la odometría.

Figura 1. Posicionamiento mediante satélite (izda) y sistema de aumentación de la señal (dcha).

Figura 2. Errores en la localización en puentes metálicos.

2.2. Balizas virtuales para los trenes europeos

Un consorcio integrado por 14 empresas de cinco países de la UE ha desarrollado ERSAT GGC, un ambicioso proyecto financiado por la Agencia Europea de Navegación por Satélite (GSA, por sus siglas en inglés) que permitirá implantar la tecnología de satélite en el sistema europeo de gestión del tráfico ferroviario (ERTMS) a través de balizas virtuales. En diciembre de 2017 comenzaba este proyecto europeo dentro del programa H2020 con una duración de 24 meses. Los 14 miembros del consorcio son: RFI (coordinador del proyecto), Hitachi STS (antes Ansaldo, coordinador técnico), RINA, Trenitalia, Radiolabs, Italcertified y Bureau Veritas por Italia; ADIF, CEDEX e INECO por España; IFSTTAR y SNCF por Francia; DLR por Alemania y UNIFE por Bélgica.

El objetivo final era contribuir a la estandarización del proceso de certificación para la adopción de sistemas de navegación mediante satélites (GNSS) en el estándar de los sistemas de gestión del tráfico ferroviario ERTMS ( European Rail Traffic Management System ). El alcance del proyecto fue muy ambicioso y permitió trabajar en la consolidación de una arquitectura funcional ERTMS mejorada que incluyese GNSS, estudios de seguridad, la definición de un procedimiento para la clasificación de líneas ferroviarias en relación con la baliza virtual, el desarrollo de un set de herramientas para ayudar en esa clasificación, campañas de medidas en tres países (Francia, España e Italia), análisis de los datos en los laboratorios, una evaluación de la arquitectura, un procedimiento y herramientas por NoBOs ( Notified Bodies ) independientes y, por último, la difusión de los resultados y actividades del proyecto en diferentes foros nacionales e internacionales.

El concepto de baliza virtual se lleva desarrollando desde hace varios años en proyectos previos lanzados por la GSA, ESA y Shift2Rail, y consiste en dar información de posicionamiento del tren por medio de las señales GNSS, en lugar de las balizas físicas que requiere el ERTMS. Para ello, el equipo embarcado constará de un nuevo módulo llamado Virtual Balise Reader (VBR), que procesará las señales GNSS y comparará las coordenadas GNSS con la lista de coordenadas a bordo, reportando a la eurocabina la baliza virtual correspondiente cuando se alcancen las coordenadas almacenadas para ella. De este modo, se podrá reducir el número de balizas físicas instaladas en las vías, con el consiguiente ahorro en tareas de instalación y mantenimiento, evitación de robos, etc., por parte de los administradores de infraestructuras, (Adif en el caso español). En ese sentido, es necesario contar con una recepción adecuada de la señal GNSS en los puntos donde se instalarían las balizas físicas, por lo que se requiere caracterizar las líneas ferroviarias en función de la «calidad» de la señal GNSS recibida en cada tramo. El procedimiento identificó los tramos y puntos donde es viable desplegar una baliza virtual de manera que las prestaciones de la señal GNSS en términos de disponibilidad y precisión fuesen las requeridas. La participación de las empresas españolas en ERSAT GGC se ha distribuido de manera que CEDEX ha colaborado en la campaña de medidas, integrando las herramientas en su laboratorio y analizando los resultados de las distintas campañas, con lo que ha contribuido de manera notable en la demostración al cliente. Por su parte, Adif ha comprado los equipos necesarios para la campaña y ha proporcionado una línea y un tren laboratorio donde realizar las medidas que luego se analizarían.

Por último, Ineco ha tenido un papel clave al participar en casi todos los paquetes de trabajo, aportando su conocimiento en las áreas de GNSS y ERTMS, dada su experiencia en proyectos previos como GRAIL, GRAIL 2, NGTC y STARS. En particular, su contribución ha incidido en la consolidación de la arquitectura funcional ERTMS, la definición del procedimiento de clasificación de líneas, el desarrollo de varias herramientas del toolset, la participación en la campaña de medidas españolas, el análisis de los datos de las campañas italiana y española, y finalmente, la demostración con el cliente y las actividades de difusión.

2.3. Baliza virtual

El principal concepto desarrollado para las operaciones ferroviarias basadas en el GNSS es el de baliza virtual. Actualmente el posicionamiento y la gestión del tráfico ferroviario se basan en cantones y balizas a lo largo de la vía. La baliza virtual mantiene el concepto actual de operaciones e interoperabilidad con los sistemas de control de trenes de trenes basados en balizas heredadas.

Es una cuestión clave para garantizar el rendimiento requerido de los sistemas GNSS en términos de disponibilidad y precisión, analizar las localizaciones posibles de las balizas virtuales a lo largo de la infraestructura. Hay que identificar los factores que contribuyen a la degradación del rendimiento de un sistema de navegación por satélite y los tramos de vía afectados. Aquí juegan un papel relevante dos tipos de factores. Por un lado, los factores globales, como son el estado de los satélites y los errores debidos a la ionosfera, troposfera, errores en los relojes, efectos relativistas de la constelación. Por otro lado, los factores de índole local: interferencias de radio, multitrayectoria, pérdidas de visibilidad con los satélites (NLOS), ciberataques, etc.

l uso de GNSS para operaciones ferroviarias depende en gran medida de la configuración del entorno. Hay escenarios urbanos, semiurbanos o rurales en los que las condiciones degradadas son altamente probables a lo largo de la infraestructura, incluso cuando esta presenta menos complejidad. De ahí la necesidad de clasificar e identificar los factores que contribuyen al funcionamiento en condiciones degradadas según la probabilidad de ocurrencia y las medidas de mitigación posibles. Así, se ha identificado como factores principales:

• Las posiciones relativas de los satélites utilizadas para calcular la ubicación por un receptor GNSS, que se miden mediante la Dilución Geométrica de Precisión (GDOP).
• Las obstrucciones de terreno u obstáculos (edificios, túneles, árboles, etc.), que limitan el número de satélites visibles por los receptores (NSV).

Figura 3. Esquema de funcionamiento de la baliza virtual (Fuente: proyecto STARS, documentos 5.1 y 5.3).

Figura 4. Parámetros y esquema básico de la herramienta GNSS4RAIL.

De aquí se desprende que los principales factores que contribuyen a la degradación del rendimiento están relacionados con: a) el entorno terrestre (principalmente), b) la posición relativa de los satélites con respecto a la infraestructura, y c), el tiempo de operación. El proyecto no tenía por objeto corregir ni mitigar un sistema de aumentación con mensajes de GNSS, o actuar sobre los algoritmos de los receptores (frecuencia dual, modelo ionosférico, RAIM, etc.), sino calcular la visibilidad de los satélites a lo largo de un trazado con una herramienta de simulación adecuada. Las figuras 4 y 5 muestran la arquitectura y el funcionamiento básico de la herramienta GNSS4RAIL, desarrollada por Ineco.

Figura 5. Funciones de la herramienta GNSS4RAIL.

Figura 6. Casos de uso de la herramienta GNSS4RAIL.

GNSS4RAIL hace un estudio espaciotemporal con las salidas siguientes:

• Estudio de un punto kilométrico de la infraestructura + tiempo instantáneo (tiempo instantáneo para un solo punto)
• Punto kilométrico + estudio temporal (análisis temporal para un solo punto)
• Infraestructura + Estudio temporal (análisis temporal y espacial a lo largo de la infraestructura)
• Estudio de la infraestructura (análisis espacial para una operación de base temporal)

Esta información sirve de entrada para la fase de planificación, en la que se diseña un plan de despliegue de las balizas virtuales a lo largo de la infraestructura. De aquí se pasa a la fase operativa, que comprende una previsión del rendimiento de las balizas virtuales y una previsión de su viabilidad para la explotación ferroviaria. La figura 6 muestra algunos casos de uso de la herramienta.

Las pruebas del sistema se han llevado a cabo con un tren laboratorio de Adif modelo Talgo BT. Las figuras de 7 a 11 muestran el tipo de tren, el ciclo de comunicaciones de la baliza virtual en sustitución de las balizas físicas de ERTMS, el emplazamiento de los dispositivos en el tren, una imagen real de las pruebas en línea y los miembros del equipo de pruebas de Ineco.

Figura 7. Tren laboratorio de Adif modelo Talgo BT.

Figura 8. Ciclo de comunicaciones con la baliza virtual.

Figura 9. Esquema del emplazamiento de los dispositivos en el tren de pruebas (modelo Talgo BT).

Figura 10. Pruebas en línea con tren laboratorio de Adif (modelo Talgo BT).

Figura 11. Equipo de pruebas de Ineco.

2.4. Campaña de medidas en España

Para la campaña de pruebas en España, Adif seleccionó una línea dotada con un sistema de Bloqueo Telefónico (BT) y con baja densidad de circulaciones: la línea nº 528 de la Red Convencional de Almorchón (Badajoz) a Mirabueno (Córdoba). Es una línea clasificada en el tipo E, con una longitud total de 130,1 kilómetros y sin electrificar. Los recorridos de prueba se hicieron en el tramo Almorchón La Alhondiguilla, que tiene una longitud de 94 kilómetros y una velocidad máxima de 60 km/h. La coordinación de ADIF, INECO, CEDEX, IFSTTAR y DLR, fue clave para el éxito de la campaña española.

Se realizó un ensayo estático de calibración de 12 horas y 20 recorridos durante 10 días de campaña en diferentes horarios para cubrir las distintas posiciones de los satélites tanto de la constelación GPS como de Galileo. Con todos los datos tomados (señales GNSS, imágenes y odometría), se pasó a una fase de análisis, donde el set de herramientas desarrolladas también en el proyecto permitiría clasificar la línea con relación a las principales amenazas locales de la señal GNSS en líneas ferroviarias: interferencias, multipath , NLOS y prestaciones degradadas. Todas las medidas se hicieron en un tren Talgo laboratorio (BT-02), que se equipó con:

• Antena GNSS: AntCom G8-PN
• Receptor GNSS: Javad Delta3
• Receptor GNSS: Septentrio AsteRx2e
• Splitter
• Portátiles
• UPS
• Cámara de vídeo
• Sistema ojo de pez

Figura 12. Análisis de datos en el tren de pruebas.

Figura 13. Sistema de IFSTTAR (socio francés), para análisis de imágenes cenitales.

Figura 14. Zonas de cobertura durante el proceso de transmisión (Fuente: proyecto ERSAT GGC).

2.5. Desarrollo de herramientas (simulador de prestaciones degradadas)

Ineco ha contribuido en el desarrollo de las diferentes herramientas con las que clasificar las zonas de las líneas de tren en verdes, amarillas o rojas, para la colocación de la baliza virtual. En concreto, se han desarrollado dos herramientas para integrarlas en el proyecto:

1. SBAS_Health_Monitoring_Tool (SHMT): asigna a cada satélite GPS un estado health status mediante el análisis del mensaje recibido de EGNOS (sistema de aumentación GNSS europeo).
2. GNSS4Rail: herramienta de simulación que permite gestionar un modelo 3D muy preciso del entorno de la línea ferroviaria (tanto en entornos rurales como en urbanos) basado en un modelo digital de superficie y la capacidad de lanzar simulaciones puntuales o temporales a lo largo de toda la línea (o parte de ella), con diferentes constelaciones GNSS (GPS, Galileo) y para cualquier marco temporal.

Figura 15. Lista checking del SHMT.

Figura 16. Satélites obstruidos por el terreno en la línea española.

Figura 17. Satélites obstruidos por edificios en la línea italiana.

La capacidad de prognosis es una clara ventaja frente a otras aplicaciones que solo analizan datos reales estáticos pasados. La herramienta de clasificación de la línea se ha estructurado en seis bloques:

1. Toma de datos: se basa en un registro de datos en campo mediante la utilización de equipos de recepción de señal GNSS instalados en la BT y definidos dentro del marco del proyecto.
2. Técnicas de detección de señal GNSS: desarrollo de una herramienta donde se aúna la aplicación de diversos métodos, las técnicas de detección de amenazas GNSS locales y los rendimientos en condiciones degradadas, aplicados al entorno ferroviario (y configurados para cada tipo de receptor).
3. Evaluación global de los recorridos: mapeo de los resultados en el dominio de la vía (trayectoria) que permita la evaluación conjunta de todos los recorridos realizados en diferentes condiciones espacio-tiempo de satélites.
4. Lógica de decisión: a los resultados del análisis anterior se les aplica una lógica de decisión con el objetivo de generar los resultados finales de la clasificación de la vía.
5. Clasificación global: los resultados finales de la de la herramienta se registran en una base de datos accesible por los socios. Esta información reúne los datos considerados para la clasificación de la línea en función de su calidad de señal GNSS acorde a las técnicas de detección implementadas evaluadas globalmente en todos y cada uno de los recorridos.
6. Codificación de colores de la línea: en un último paso y una vez analizadas todas las condiciones dinámicas con respecto a la posición de los satélites, se clasifica la línea mediante un código de colores (verde, rojo y amarillo) en función de la calidad de la señal GNSS recibida.

Dentro de los requisitos de los receptores cabe destacar que, para la aplicación de los métodos y técnicas de detección, éstos han de ser: multi-constelación, multifrecuencia (compatibles con EGNOS) y sistemas de registro internos para la detección de interferencias. En la campaña de pruebas española se utilizó el receptor JAVAD Delta-3.

En relación con el resto de técnicas de detección de amenazas, se encuentran:

• Analizador de espectro: detección de interferencias tanto dentro como fuera de las bandas GNSS.
• Evaluación del Control Automático de Ganancia: mecanismos de evaluación alta sensibilidad.
• Detección de multitrayectoria: mediante el uso de técnicas de detección a nivel de portadora, relación señal/ruido y distorsión de las medidas de pseudorrango.
• Detección de la línea de visibilidad directa de satélites (máscara de visibilidad) basados en cámara tipo ojo de pez instalada en el techo del tren.
• Métodos de simulación SW de GNSS basado en el estudio de la visibilidad de satélites y su geometría considerando los modelos 3D del terreno en amplios escenarios de tiempo.
• Datos de estados de los satélites (SBAS) para determinar la validez de los datos de navegación de cada satélite.

Por último, cabe destacar el trabajo realizado en la fusión de todos los datos recogidos durante la campaña de pruebas, que ha permitido una evaluación global mediante el análisis de las amenazas de GNSS en distintos instantes de tiempo (localización de satélites como fenómenos locales) a lo largo de las líneas ferroviarias.

Figura 18. Resultado de la simulación en tramo con monte elevado.

2.6. Ventajas del simulador

La herramienta GNSS4Rail presenta varias ventajas en la fase de despliegue con respecto a otros sistemas. En primer lugar, proporciona un soporte para el análisis de viabilidad y planificación del despliegue de balizas virtuales en la línea. Permite la identificación preliminar de tramos viables para el despliegue. Hace posible un análisis, tanto a lo largo de la línea ferroviaria (dominio espacial) como para un intervalo de tiempo (dominio temporal). Por último, su empleo permite reducir el número de campañas de adquisición de datos con tren auscultador, sobre todo, gracias al análisis temporal.

En la fase de operación, actúa de soporte como predictor de prestaciones de las balizas virtuales desplegadas. Además, proporciona información pretáctica a la gestión de operaciones ferroviarias basadas en GNSS. Los posibles usos de la herramienta no solo se limitan a la aplicación concreta de la baliza virtual, sino que puede ser utilizada para conocer de antemano cuál será la cobertura de la señal GNSS en cualquier punto de una línea y en cualquier momento, y esos resultados se pueden utilizar para otras aplicaciones como la planificación de operaciones, el control de flotas, la información al viajero, ticketing, mantenimiento, etc.

2.7. Tecnología GNSS en ERTMS

El ERTMS será el único estándar de señalización futuro no solo en Europa, sino en todo el mundo, con un máximo nivel de seguridad (SIL4) y multisuministrador.

La reducción de sus costes es el principal reto en el despliegue de este sistema, por lo que la integración de la tecnología GNSS en ERTMS ofrece a su vez ventajas tales como la reducción de los costes del sistema de señalización y los gastos de mantenimiento (reducción del equipo en vía). Por otro lado, la migración de las líneas convencionales a ERTMS con GNSS se convierte en una opción atractiva con mejores prestaciones que vienen dadas por una mejora de la odometría que a su vez redunda en un incremento de la disponibilidad y la fiabilidad del sistema. El resultado final es un aumento de la capacidad de la línea con el nivel 3 de ERTMS.

El uso del posicionamiento por satélite con ERTMS permitirá un despliegue más económico en líneas regionales, contribuyendo a su expansión a la red ferroviaria europea. Por último, hay que destacar que se están llevando a cabo importantes sinergias y colaboraciones con otros proyectos de Shift2Rail (por ejemplo, TD [IP2-TD2.4]) para implantar la tecnología de satélite en el ERTMS), que revelan el potencial de las tecnologías de posicionamiento por satélite en la próxima generación del ERTMS, y en diferentes proyectos de la GSA, EC y ESA. El éxito de este proyecto es fruto del esfuerzo de un equipo de distintas áreas de Ineco y de la colaboración y entendimiento con otras empresas del MITMA (CEDEX y ADIF). Más información en http://www.ersat-ggc.eu

Figura 19. Equipo técnico de la campaña de medidas en la estación de Almorchón (Badajoz).

Figura 20. Demostración con GSA en la línea de Cerdeña.

3. ALGUNOS DETALLES SOBRE EL PROYECTO GATE4RAIL

GATE4RAIL es un proyecto perteneciente al Programa de Innovación Ferroviaria de la Comisión Europea Shift2Rail de 2018, enfocado al ámbito de la señalización ferroviaria y el uso de tecnología GNSS. El proyecto buscaba avanzar en la virtualización de las pruebas del sistema ERTMS basado en posicionamiento mediante satélites (GNSS), federándolas entre diferentes laboratorios europeos de ERTMS y GNSS, hasta cubrir la cadena completa e integrando todos los resultados. El consorcio que lo ha desarrollado estaba integrado por Radiolabs (líder, Italia), Rete Ferroviaria Italiana (RFI), Ifsttar (Francia), M3Systems (Bélgica), Unife (Bélgica), Cedex e Ineco (España), Bureau Veritas Italia (BVI) y Guide (Francia). La labor de Ineco se ha centrado en la especificación de la arquitectura de sistema y la definición de los escenarios y las pruebas; además, también se ha trabajado en el desarrollo e integración de una nueva funcionalidad de GNSS4RAIL (herramienta de desarrollo propio para la simulación de visibilidad de satélites en entornos ferroviarios), dentro del módulo 2 de la arquitectura global para la simulación de la cadena completa.

Figura 21. Objetivos del proyecto Gate4Rail.

En la conferencia final del proyecto, se realizaron las presentaciones de los diferentes paquetes de trabajo y de las diferentes herramientas aportadas por los socios (incluida GNSS4RAIL 2.0). Además, hubo una demostración en tiempo real de cómo funciona la plataforma de laboratorios distribuida.

La participación de Ineco se ha centrado en la herramienta GNSS4RAIL, dentro del módulo 2:

• Desarrollo de la metodología de desarrollo de GNSS para ferrocarril,

• Tarea 3.3, errores, eventos defectuosos y modelización de vulnerabilidades para componentes de posicionamiento a prueba de fallos: UGE/GUIDE de los datos medioambientales utilizando la información compartida por M3S/ CEDEX.

• Creación de una infraestructura de verificación geodistribuida:

• Tarea 4.1, requisitos para una infraestructura geodistribuida de simulación y verificación: definición de requisitos operativos.
• Tarea 4.2, diseño de la infraestructura geodistribuida de simulación y verificación: definición de interfaces.
• Tarea 4.3, desarrollo y pruebas de la infraestructura geodistribuida de simulación y verificación: máscara de visibilidad de satélite y obstáculos en diferentes escenarios mediante la herramienta GNSS4RAIL actualizada.
• Tarea 5.1, definición conceptual y metodológica para la actualización automática del entorno de pruebas: explicación de la evolución del ERTMS, flujo de automatización de las pruebas.

• Definición del concepto y la metodología para la integración continua, la repetición de pruebas automatizadas y la evolución del sistema:

• Tarea 6.2, metodología y pruebas para la evaluación automática de los resultados de las pruebas: coordinación de trabajos, TOC, metodología de repetición automática de pruebas.
• Tarea 6.3, diseño y metodología para vincular las pruebas a la homologación de seguridad: investigación con BVI, diseño de pruebas de interfaces en fases futuras.

Figura 22. Distribución de los módulos del proyecto Gate4Rail.

Figura 23. Estructura del laboratorio del proyecto Gate4Rail.

Figura 24. Paquetes de trabajo del proyecto Gate4Rail.

Figura 25. Socios del proyecto Gate4Rail.

4. ALGUNOS DETALLES SOBRE EL PROYECTO RAILGAP

Ineco, Adif y Cedex forman parte del consorcio internacional de 12 empresas al que se ha adjudicado el proyecto RAILGAP (RAILway Ground truth and digital mAP), liderado por el gestor de infraestructuras italiano Rete Ferroviaria Italiana (RFI). Enmarcado en la llamada del Programa Horizon 2020 de la European GNSS Agency (GSA), RAILGAP se centra en el desarrollo de soluciones innovadoras de alta precisión para la obtención de los datos básicos del terreno y el tren y mapas digitales de las líneas ferroviarias, que constituyen elementos esenciales para el posicionamiento de los trenes con una fiabilidad y eficiencia sin precedentes en las operaciones ferroviarias. RAILGAP aborda estos retos con un método que utilizará trenes para captar cantidades masivas de datos; con ello se pretende mejorar la exactitud del mapeo en zonas complejas (zonas urbanas, con abundante vegetación, trincheras, etc.), extendiendo la cobertura GNSS en el ferrocarril.

El proyecto, que ha comenzado al inicio de 2021, contribuirá a la mejora en la sostenibilidad del sistema ERTMS y los sistemas de mando y control para la modernización de las líneas regionales y locales, con el consiguiente beneficio para los usuarios. Asimismo, permitirá también reducir el consumo de energía de estos sistemas, incrementando su eficiencia económica y medioambiental.

Ineco participará en todos los paquetes de trabajo del proyecto y liderará el cálculo del ground truth basado en una solución de hibridación de sensores, en el paquete 6. También contribuye a la identificación y caracterización de los sensores ópticos necesarios para el proyecto, sobre todo en lo que tiene que ver con las cámaras y los sensores LIDAR, y sin olvidar los temas de GNSS y ERTMS, donde Ineco tiene una larga experiencia.

Las actividades del paquete de trabajo 7, que tienen por objetivo implementar el mapa digital, también se apoyarán en la experiencia de Ineco en la identificación de imágenes y el uso de la inteligencia artificial, tal y como ya ha hecho para otros proyectos para Adif.

Las ilustraciones siguientes muestran los objetivos del proyecto RAILGAP y los tipos de equipos que se instalarán en el vehículo de pruebas.

Figura 26. Campo de visión de una cámara.

Figura 27. Combinación de cámara y lidar.

Figura 28. Objetivos del proyecto RAILGAP.

Figura 29. Tipos de dispositivos que se instalarán en el vehículo de pruebas.

4.1. Adif movilizará un vehículo ferroviario

Por su parte, Adif participa en los ocho paquetes de trabajo de que dispone el proyecto, apoyando el desarrollo de las distintas especificaciones técnicas del sistema y procedimientos que se van a desarrollar. Adicionalmente movilizará un vehículo sobre el que se instalarán los distintos equipos desarrollados y que será empleado para realizar las pruebas de comportamiento correspondientes. Un planteamiento similar se siguió en el proyecto ERSAT-GGC, en el que un tren laboratorio de Adif, equipado con un dos receptores GNSS, sirvió para caracterizar la cobertura de dicho sistema en la línea de pruebas.

Como gestor de la infraestructura ferroviaria nacional comprometido con la inclusión de nuevos desarrollos y tecnologías, Adif ha desarrollado desde su creación, en 2005, 109 proyectos de I+D+i de los cuales un 17 % (19 proyectos) han sido proyectos consorciales de ámbito europeo desarrollados al amparo de los distintos programas de I+D+i de la Comisión Europea. Actualmente cuenta con una cartera de 31 proyectos de I+D+i en desarrollo.

4.2. CEDEX integrará los sistemas de posicionamiento satelital

El organismo autónomo Cedex, a través de su Laboratorio de Interoperabilidad Ferroviaria, líder en el mundo en el ensayo de componentes y subsistemas del ERTMS (Sistema Europeo de Señalización Ferroviaria), participará en el proyecto con el objetivo de integrar los sistemas de posicionamiento satelital GNSS con el ERTMS, de forma que se puedan mejorar los sistemas odométricos de los trenes y aumentar de esta forma las prestaciones del ERTMS, a la vez que se reducen los costes de despliegue del mismo.

Este organismo ha participado ya de forma muy activa en los proyectos ERSAT y GATE4RAIL de utilización de Galileo en el entorno ferroviario y apuesta claramente por la integración en el ferrocarril de dicha tecnología.

Figura 30. Punto de situación de desarrollos tecnológicos y elementos GNSS para CMS.

5. APLICACIONES GNSS PARA CONTROL, MANDO Y SEÑALIZACIÓN: REFLEXIONES Y ESTRATEGIAS EN LA RED DE ADIF

Adif tiene un firme compromiso de colaboración con iniciativas de I+D+i en soluciones GNSS para CMS. Su experiencia se remonta a 2005, con el lanzamiento del proyecto GRAIL. Desde entonces ha evolucionado la visión sobre la aplicación de este tipo de tecnologías, que han pasado de un escenario diverso a las líneas de tráfico débil.

Esta visión se encuentra en el núcleo de la estrategia de implementación de desarrollos de ERTMS en líneas de tráfico débil. El primer criterio es la sostenibilidad, entendida como una máxima: obtener las mismas prestaciones, pero con una mejor mantenibilidad. La vía para llegar a este objetivo es la que abre la interoperabilidad con soluciones estándar consolidadas en la Especificación Técnica de Interoperabilidad del sistema Control, Mando y Señalización (CMS) y con un alto nivel de madurez tecnológica. Así se pueden obtener parámetros RAMS equivalentes por medio de una digitalización segura con el empleo de gemelos digitales, y con una reducción considerable del funcionamiento en modo desagregado por falta de disponibilidad. La comparación con los sistemas actuales no deja lugar a dudas.

A partir de aquí surgen las preguntas acerca de lo que se necesita para implementar esta estrategia. En primer lugar, una cartografía digital precisa, es decir, una representación escalable de la vía a nivel topológico y geográfico, con distintas capas, según las necesidades de visualización, por ejemplo, capa de datos geográficos de vía/estaciones, capa de datos de balizas y capa de posibles limitaciones de velocidad. El formato en el que se genere el mapa digital deberá cumplir con los requisitos necesarios para su uso en aplicaciones críticas de seguridad. Será necesario también diseñar los protocolos para utilizar el GNSS junto con los sistemas de aumentación u otros sistemas de odometría, para conseguir un posicionamiento del tren en condiciones de seguridad ( fail-safe train positioning ), por ejemplo, Subset 041 (error ODO OBU de 5 m+/-5 %). Además, habrá que conseguir una estimación del error asociado a las balizas virtuales fiable. En la explotación habrá que implementar medidas como la discriminación de vía y el establecimiento/priorización de rutas en los desvíos, sin dejar de lado la CMD (Cold Movement Detection). Por último, la seguridad del sistema requiere una protección adecuada, lo que supondrá un diseño específico de ciberseguridad ( spoofing ).

6. CONCLUSIONES

La aplicación de tecnologías satelitales al ferrocarril supone un avance tecnológico de gran alcance. En las líneas de tráfico débil puede permitir un aumento de la capacidad de la infraestructura que redundará en las opciones de negocio para los operadores de transporte. Por otro lado, estas tecnologías ofrecen a los administradores de infraestructuras una alternativa al equipamiento estándar del ERTMS más asequible y con los niveles de eficacia, seguridad y resiliencia necesarios para dar cobertura a la operación con las garantías exigibles a los sistemas de control de tráfico actuales. Existen inconvenientes, sin embargo, que es preciso superar, y no todos son de índole tecnológica. Los trazados de las líneas de tráfico débil responden, por lo general, a diseños antiguos que discurren integrados en la orografía del terreno, muchas veces. Túneles, pasos superiores y elementos naturales o integraciones urbanas extremas se convierten en zonas oscuras para la transmisión de la señal GNSS, lo que dificulta la instalación de las balizas virtuales. Los desarrollos en localización y precisión del posicionamiento pueden ayudar a resolver estos problemas, pero todavía queda camino por recorrer para llegar a una solución comercial robusta y exportable a cualquier tipo de infraestructura.

Los proyectos europeos en los que han participado Adif, Cedex e Ineco fijan el baremo de la tecnología española a una altura en la que se generan las tecnologías de vanguardia. Los hallazgos en análisis funcionales y de capacidad de los sistemas, el desarrollo de herramientas específicas, las pruebas en entorno real y todas las tareas llevadas a cabo en esos proyectos dejan en un lugar de vanguardia a la capacidad española y sus resultados la sitúan en los primeros puestos de la tecnología ferroviaria en todo el mundo.

7. REFERENCIAS

Proyecto ERSAT GGC: https://trimis.ec.europa.eu/project/ertms-satellite-galileo-game-changer#tab-outline

Proyecto GATE4RAIL: https://gate4rail.eu

Proyecto RAILGAP: https://railgap.eu