一種高可靠性精確定位系統在鐵路站場的應用

邢金龍

（河南思維軌道交通技術研究院有限公司，河南 鄭州 450000）

1 引言

根據中國鐵路發展規劃，建立智能化、網絡化的鐵路調度通信系統，逐步建成新一代調度集中控制系統，是推進技術裝備和通信信號技術現代化的必由之路。作為鐵路行業的重要節點，鐵路站場在調車、列檢作業過程中，作業現場點多面廣，安全管控難度增加。要實現有效、準確地獲取人員、設備的位置信息，及時發現異常狀況，并實施自動化監管設施聯合動作，提高應急響應速度和事件的處置速度，要求必須能夠高可靠、高精度實時對現場的工作人員、設備進行準確定位。針對鐵路安全管理業務應用要求，研究適用于列車站場的定位系統，是當前建設智能鐵路的重要子課題。

為了在鐵路站場得到可靠的高定位精度，本文采用差分GNSS技術：將一臺GNSS接收機安置在固定位置進行觀測，把該接收機當做基準站，根據已知精確坐標，計算出基準站到衛星的距離誤差參數，即差分改正數。由基準站通過數據傳輸通道，將這一數據發送給其他移動接收機。接收到差分改正數據的移動接收機在進行衛星觀測的同時，對其定位結果進行改正，這樣可大大提高定位精度。

鑒于此，需要一個可靠的數據傳輸通道將基準站得出的差分改正數據傳輸到移動接收機，考慮到鐵路站場的環境，應當采用無線局域網絡。而當前市場上常見的無線數據傳輸網絡像藍牙、無線保真（Wi-Fi, Wireless Fidelity）、超寬帶（UWB, Ultra WideBand）、紫蜂（ZigBee）等在組網和覆蓋范圍上都不能滿足要求，本文將采用LoRa無線數據傳輸技術。

圖1 高可靠性精確定位系統架構

2 系統設計

本文提供的高可靠性精確定位系統由移動終端、基準站、網關、服務器4個部分組成。移動終端包含GNSS移動信號接收機和LoRa無線數據傳輸模塊兩部分。移動終端與網關通過LoRa無線數據傳輸模塊進行無線數據傳輸。網關和基準站、網關和服務器通過通用總線接口連接。移動終端的LoRa無線數據傳輸模塊和網關之間組成星型網絡，作為GNSS差分改正數據在移動終端和基準站之間傳輸的通道。高可靠性精確定位系統架構如圖1所示：

3 GNSS定位模塊

（1）GNSS差分定位系統

GNSS差分定位系統如圖2所示，包括衛星、移動終端及基準站等。

圖2 GNSS差分定位系統圖

（2）GNSS差分數學模型

設測得的基準站R至第j顆GNSS衛星的偽距為：

根據基準站的已知坐標和GNSS衛星星歷，可以精確算得真實距離：

式(2)中(Xr, Yr, Zr)是基準站R的三維己知坐標，(Xj,Yj, Zj)是第j顆衛星在發射信號時刻的三維坐標。而偽距是基準站接收機測得的，則偽距改正值為：

在基準接收機進行偽距測量的同時，流動站接收機K也對第j顆衛星進行了偽距測量，流動站接收機所測得的偽距為：

將基準站所測得的偽距改正值帶入(4)式，即(3)、(4)兩式相加得：

當流動站接收機和基準接收機相距不遠時，可以認為：

式(6)中共有4個未知數，它們分別是流動站K的三維坐標(Xk, Yk, Zk)和GNSS接收機鐘差引起的改正項Δσr。如果基準站和流動站某歷元共有4顆以上衛星，就可根據(6)式建立誤差方程式：

然后按最小二乘法求解流動站該歷元的三維坐標：

由于系統對用戶接收機的數據刷新頻率低于用戶接收機實際的數據刷新頻率，故采取了算術平均值法來提高靜態定位的精度。

算術平均值原理：若對某個量X進行n次等精度重復測量（各次測量標準差相同），得到n個測量數據(x1, x2, …, xn)，則被測量X的最佳估計量應為全部測量數據的平均值：

即采用外部數據的處理方法來提高火車站場中靜態物品的定位精度。GNSS接收機在定位時，每秒鐘輸出一次定位數據，因此在連續觀測測量時，可以獲取多個GNSS數據，數據后處理正是基于多個觀測數據，采用數學方法進行處理，從而提高GNSS的定位精度。

研究中的GNSS移動接收機和基準站使用U-blox公司的NEO-M8P-2定位芯片，該芯片采用的是實時動態（RTK, Real Time Kinematic）載波相位差分技術，具有高精度（最高可以達到25 mm CEP）以及高靈敏度（熱定位情況下可達到-157 dBm）的特點。芯片支持RTCM3.2協議標準，以該標準作為基準站接收到衛星數據后產生的差分改正數傳輸給用戶接收機的通信數據格式。芯片供電采用VCC 3.3 V，由電池或者USB 5 V電壓經過LDO后提供，支持UART、USB、SPI等多種總線接口輸出。定位芯片原理框圖如圖3所示。

該定位芯片支持GPS、北斗以及全球導航衛星系統（GlONASS, Global Navigation Satellite System）中的任意兩模，程序可配置。雙模系統的定位算法采取最小二乘法，兼容了GPS、BD和GLONASS，在選星算法和解算上，優于單模定位方法，可提高定位精度和可靠性。

4 LoRa數據傳輸網絡

GNSS差分定位系統中的無線數據傳輸網絡采用LoRa技術，LoRa是低功耗廣域物聯網（LPWAN, Low Power Wide Area Net）中發展較快，相對比較成熟的技術。LoRa使用線性調頻擴頻調制技術，所以既有像頻移鍵控（FSK, Frequency-Shift Keying）調制一樣的低功耗特性，通信距離也沒有減少太多，因此具備低功耗和長距離的優勢。同時，在此基礎上組成的無線通信網絡之間，信號安全得到加強，而且由于使用了擴頻技術，不同的擴頻終端即使使用相同的通信頻段，也不會相互干擾。因此LoRa網關可以并行接收多個終端節點的數據，大大增加了通道容量，適用于有大量終端節點的網絡。

LoRa的主要運行頻段為非授權頻段，包括433 MHz、470 MHz、868 MHz、915 MHz等免費頻段。LoRa網絡架構采用星型拓撲的結構，架構中的LoRa網關是一個透明的中繼，負責連接前端終端設備和后端服務器。網關與服務器之間可以通過通用標準接口連接（包括網絡協議（IP, Internet Protocol）、RS485等）。終端設備采用單跳方式與網關進行雙向通信。GNSS基準站接收機得到偽距數據，通過公式(3)，可計算得出差分改正數，該差分改正數通過串口通信傳遞給LoRa網關，而LoRa網關向其他的移動終端廣播發送差分改正數。

GNSS移動站的LoRa模塊收到差分改正數以后，把數據通過串口通信傳遞給GNSS移動接收機，GNSS通過第3章節的差分算法公式，計算得出移動接收機的定位坐標。LoRa組網示意圖如圖4所示。

針對鐵路站場環境，采用LoRa無線數據傳輸技術可以在移動終端無法獲取衛星定位數據時，對系統進行糾正，即當移動終端中的GNSS模塊未收到衛星定位數據時，可通過LoRa無線傳輸網絡，向終端服務器提示定位失敗，提高了定位系統的可靠性。

圖3 定位芯片原理框圖

圖4 LoRa組網示意圖

5 結束語

提出了一種適用于鐵路站場，基于LoRa無線通信協議的GNSS差分定位系統設計方案。該方案將GNSS差分定位系統和LoRa無線組網相結合，通過LoRa無線數據傳輸網絡，實現對GNSS差分數據的可靠傳輸，LoRa為GNSS差分定位技術在鐵路站場復雜環境下的應用提供了數據傳輸通道。同時，針對鐵路站場的實際應用場景，對GNSS數據進行數學處理，對無法接收GNSS衛星數據的情況作了特殊應對，從而提高定位的可靠性，進而提高了物品的管理效率和應急事件的響應速度。

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