鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)構(gòu)建及基準(zhǔn)站選址研究

秦 健，潘佩芬，陶 承

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，高速鐵路具有運(yùn)行速度快，行車密度大等諸多特點(diǎn)。在鐵路的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)鐵路線路勘測(cè)，路基、橋梁、隧道、鋼軌等基礎(chǔ)設(shè)施變形監(jiān)測(cè)，列車位置、速度精確性，人員、鐵路資產(chǎn)以及運(yùn)營(yíng)安全檢測(cè)，旅客服務(wù)等定位精度提出了更高的要求，基于位置的服務(wù)已成為鐵路安全運(yùn)營(yíng)、效能提升的重要內(nèi)容和支撐性基礎(chǔ)因素。

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)重要組成部分，是將衛(wèi)星定位、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字通信等技術(shù)多方位結(jié)合，采用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)參考站系統(tǒng)（CORS，Continuous Operational Reference System）[1]，為相關(guān)應(yīng)用提供高精度的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的空間位置服務(wù)，以滿足基礎(chǔ)測(cè)繪、交通運(yùn)輸管理、環(huán)保監(jiān)測(cè)、滑坡監(jiān)測(cè)、建筑物沉降變形監(jiān)測(cè)、移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)測(cè)應(yīng)用等領(lǐng)域的需要[2]。

鐵路北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)，為各專業(yè)提供統(tǒng)一的高精度位置服務(wù)，以滿足高速鐵路對(duì)高精度定位應(yīng)用需求。目前，鐵路行業(yè)專用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)仍處于起步階段，探討高速鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)基準(zhǔn)站建設(shè)具有重要意義。

（1）替代GPS。

（2）測(cè)量精度高。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)、分米級(jí)甚至事后處理達(dá)到毫米級(jí)精度[3]。

（3）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。在鐵路建設(shè)施工、線路勘測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害及基礎(chǔ)設(shè)施（路基、橋梁、隧道、鋼軌等）監(jiān)測(cè)、列車信號(hào)控制、人員車輛安全預(yù)警定位等領(lǐng)域應(yīng)用前景極其廣泛。

（4）提升鐵路信息化、智能化水平。為今后大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，為新一代智慧鐵路的運(yùn)輸服務(wù)提供有力的技術(shù)支持，保障鐵路高可靠性、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）提升鐵路管理能力和服務(wù)水平。提高位置服務(wù)的精度，進(jìn)一步促使運(yùn)輸管理的精細(xì)化和時(shí)效化以及服務(wù)的高品質(zhì)，提升鐵路客貨運(yùn)輸服務(wù)的管理水平。

1　北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在鐵路高精度應(yīng)用的研究

1.1　鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)組成框架

鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)播發(fā)子系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)5個(gè)部分組成[4]，各基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心間通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接，形成專用網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，利用特定的數(shù)據(jù)處理軟件算法，對(duì)基準(zhǔn)站網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得出精確的差分修正數(shù)據(jù)，用戶接收到差分?jǐn)?shù)據(jù)后得到更高精度的位置數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1　鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)各單元定義與功能，如表1所示。

表1　鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)各單元定義與功能

1.2　鐵路高精度應(yīng)用領(lǐng)域分析

目前，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已在鐵路行業(yè)有了初步的應(yīng)用，涉及的領(lǐng)域和規(guī)模不大。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷的完善以及高速鐵路發(fā)展，對(duì)基于北斗的高精度位置服務(wù)的需求也越來(lái)越高。

（1）鐵路工程測(cè)量、地質(zhì)勘查。在高速鐵路基礎(chǔ)建設(shè)期間可極大地提高工程測(cè)量（主要是坐標(biāo)）的精度，在全線始終使用相同的轉(zhuǎn)換參數(shù)，保持全線精度統(tǒng)一，與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，可大幅度節(jié)約人力、物力、財(cái)力。

（2）鐵路線路路基連續(xù)壓實(shí)施工。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度定位接收機(jī)實(shí)現(xiàn)路基連續(xù)壓實(shí)檢測(cè)技術(shù)，可隨壓路機(jī)碾壓作業(yè)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)壓路機(jī)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可及時(shí)全面地掌握路基的壓實(shí)程度、壓實(shí)均勻性及壓實(shí)穩(wěn)定性等信息。

（3）鐵路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)[5]。利用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)可達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)的高精度形變監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)目標(biāo)通過(guò)北斗高精度接收機(jī)監(jiān)測(cè)到的位置高程等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行建模分析，得出對(duì)所監(jiān)測(cè)的形變數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)設(shè)施的監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)。

（4）鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)[6]。利用高精度衛(wèi)星接收終端以及雨量計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、固定式側(cè)斜儀、量水堰計(jì)、裂縫計(jì)、土壤含水率傳感器、土壓力計(jì)、激光測(cè)距傳感器等設(shè)備將變形信息和誘發(fā)因素信息通過(guò)無(wú)線、有線網(wǎng)絡(luò)或BD的短報(bào)文上傳至數(shù)據(jù)中心，對(duì)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集分析，綜合判斷災(zāi)害發(fā)展變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害災(zāi)情分析預(yù)報(bào)。

（5）列車運(yùn)行調(diào)度。利用北斗衛(wèi)星地基增強(qiáng)系統(tǒng)，車載衛(wèi)星高精度接收機(jī)接收播發(fā)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，解算出高精度的經(jīng)緯度坐標(biāo)和運(yùn)行速度、方向等，通過(guò)鐵路有線無(wú)線專網(wǎng)（GSM-R、LTE-R）傳送至數(shù)據(jù)中心[6]，實(shí)現(xiàn)列車調(diào)度管理、精確位置跟蹤管理、列車防追尾、列車軌跡追蹤。

（6）鐵路綜合應(yīng)急指揮調(diào)度。利用北斗定位終端的短報(bào)文功能實(shí)現(xiàn)鐵路應(yīng)急通信的現(xiàn)場(chǎng)信息回傳、救援指揮命令下達(dá)和現(xiàn)場(chǎng)救援人員信息互傳功能，通過(guò)北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳送應(yīng)急信息及位置數(shù)據(jù)，以滿足應(yīng)急救援的通信定位需求。

（7）鐵路貨物運(yùn)輸及物流跟蹤。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路車輛實(shí)時(shí)追蹤，站到門運(yùn)輸車輛追蹤，特種貨物運(yùn)輸監(jiān)控，海鐵聯(lián)運(yùn)貨物追蹤，鐵路危險(xiǎn)貨物追蹤等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重要運(yùn)輸物資/車輛物流各環(huán)節(jié)信息自動(dòng)采集、合理調(diào)配資源以及運(yùn)營(yíng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警和質(zhì)量監(jiān)督。

（8）鐵路沿線巡檢及施工人員安全預(yù)警。利用北斗高精度定位技術(shù)線路巡檢及施工作業(yè)人員的位置跟蹤、路徑規(guī)劃和安全預(yù)警，以避免人身傷亡事故發(fā)生。

2　北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)基準(zhǔn)站選址

2.1　選址原則

在《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》中規(guī)定GPS CORS基準(zhǔn)站對(duì)框架控制網(wǎng)CP0布設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，基準(zhǔn)站布設(shè)按三角網(wǎng)布設(shè)方式，距離應(yīng)設(shè)為50 km左右，其中，每個(gè)三角形最好為等邊或等腰三角形[9]。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，地面基準(zhǔn)站的架設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也可參考此規(guī)范，其覆蓋范圍約為30～50 km。地面基準(zhǔn)站點(diǎn)選址是系統(tǒng)建設(shè)前期非常關(guān)鍵的步驟，如果建設(shè)站點(diǎn)不符合建設(shè)指標(biāo)，會(huì)造成基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)信號(hào)差（表現(xiàn)為移動(dòng)站固定率低、精度不足等情況），如果是多基站將會(huì)影響整個(gè)地基增強(qiáng)網(wǎng)的精度和固定率。所以建設(shè)地基增強(qiáng)基準(zhǔn)站，一定要先進(jìn)行合理選址。

（1）站址應(yīng)避開易產(chǎn)生振動(dòng)的地帶，如要避開采礦區(qū)等易產(chǎn)生震動(dòng)的地帶。

（2）觀測(cè)墩基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，一定要避免地質(zhì)不穩(wěn)定區(qū)域，可選在堅(jiān)固穩(wěn)定的建筑物上。比如不要建在火山口、滑坡、泥石流、地陷頻發(fā)的地方。

（3）站點(diǎn)周圍視野開闊，視場(chǎng)10°以上無(wú)大面積障礙物遮擋，遮擋角累積不應(yīng)超過(guò)30°[7]。

（4）站點(diǎn)應(yīng)距離如高層樓房、高架橋、高大樹木、大片水體、海灘等容易產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的地物大于200 m以上[8]，因?yàn)樾盘?hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中，遇到這些之后，容易產(chǎn)生反射，導(dǎo)致信號(hào)延遲，產(chǎn)生誤差。如果實(shí)在無(wú)法避免，一定要距離200 m以上?？紤]到地基增強(qiáng)系統(tǒng)的長(zhǎng)期性，還要注意正在或?qū)⒁ㄔ斓母邩呛涂赡荛L(zhǎng)大的樹木等，遠(yuǎn)離這些潛在的“威脅”。

（5）距離信號(hào)干擾源大于300 m，如強(qiáng)磁場(chǎng)、大功率無(wú)線發(fā)射臺(tái)、基站、電視臺(tái)、微波站、變電所等。

（6）充分利用既有設(shè)施。站址附近是否有機(jī)房、220 V交流電源或– 48 V直流電源、避雷帶、避雷針、地網(wǎng)等設(shè)施，要詳細(xì)備注機(jī)房位置、布線便捷性、電源可靠性便利性、避雷針高度、防護(hù)范圍、地網(wǎng)情況、接地裝置是否銹蝕等因素，充分利用既有設(shè)備設(shè)施。

（7）機(jī)房的專線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置情況，以及滅火、空調(diào)等運(yùn)行環(huán)境設(shè)施要齊全，為網(wǎng)絡(luò)安全和設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2　選址工作步驟

根據(jù)上述原則，基準(zhǔn)站選址工作分為以下幾個(gè)步驟。

（1）基準(zhǔn)站站點(diǎn)分布規(guī)劃。主要是以30～50 km的基準(zhǔn)站間距在地圖上初步標(biāo)識(shí)出站點(diǎn)的分布位置，特殊情況可在一定距離范圍進(jìn)行調(diào)整。

（2）現(xiàn)場(chǎng)踏勘選址?，F(xiàn)場(chǎng)踏勘選址是在基準(zhǔn)站點(diǎn)位布設(shè)圖上規(guī)劃好之后，實(shí)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查。通過(guò)觀察初選站點(diǎn)周圍的開闊程度、遮擋狀況以及可能的存在的干擾源情況，同時(shí)還需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拍照和攝像作為資料存檔；了解現(xiàn)場(chǎng)的電源、網(wǎng)絡(luò)及安全防護(hù)等情況，最后確定出1～2個(gè)備選基準(zhǔn)站址[8]。在實(shí)際選址時(shí)，由于高速鐵路對(duì)線路平直度、路基沉降等因素要求高，多采用高架橋方式，因此在高鐵沿線基準(zhǔn)站站址的選擇上應(yīng)避免高架橋?qū)πl(wèi)星遮擋和高壓電、震動(dòng)的影響。

（3）靜態(tài)測(cè)試。基準(zhǔn)站需要在實(shí)地連續(xù)24 h采集北斗衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，以得出所選站點(diǎn)的觀測(cè)狀況，為下一步的數(shù)據(jù)處理分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)?；鶞?zhǔn)站要求全年365天，24 h不間斷運(yùn)行，且各方面如北斗衛(wèi)星運(yùn)行、電離層影響等均具有一定的周期性，基本周期為1天[8]。

（4）數(shù)據(jù)處理與分析。對(duì)衛(wèi)星接收機(jī)獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，關(guān)系到所確定的預(yù)設(shè)點(diǎn)位是否適合建站。通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件來(lái)分析數(shù)據(jù)質(zhì)量，以確定所選地點(diǎn)是否適合建站。根據(jù)國(guó)家規(guī)范要求基準(zhǔn)站是采樣間隔1 s，高度截止角13°，MP1≤0.5，MP2≤0.5，數(shù)據(jù)利用率＞85%，跳變比＞400，但是為了保證效果好點(diǎn)，數(shù)據(jù)利用率要大于90%。

（5）資料記錄。為了便于后期施工人員快速找到站點(diǎn)位置，需要記錄站點(diǎn)的詳細(xì)地址、站點(diǎn)的大概經(jīng)緯度坐標(biāo)、站點(diǎn)后期建設(shè)所需饋線的長(zhǎng)度以及施工安排等基本情況。同時(shí)，分別從近景、遠(yuǎn)景、東、南、西、北方向拍攝6張環(huán)境照片，拍攝高度盡量與天線高度一致，現(xiàn)場(chǎng)如有其他情況也可進(jìn)行拍照存儲(chǔ)，作為資料備今后查詢。

3　結(jié)束語(yǔ)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已正式對(duì)外提供服務(wù)，而在鐵路的應(yīng)用規(guī)模和方式還處于較為低級(jí)的水平，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟以及高速鐵路的建設(shè)規(guī)模加大，對(duì)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)需求也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)烈和迫切，在鐵路行業(yè)建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，制定基準(zhǔn)站的規(guī)劃選址原則的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將極大地提升北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度定位技術(shù)在鐵路應(yīng)用的深度和廣度，對(duì)推動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航高精度定位技術(shù)在鐵路的應(yīng)用具有重要意義。

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