基于北斗衛(wèi)星的鐵路地基增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)用研究

鄧燁飛

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

鐵路具有運(yùn)行速度快，行車密度大、客運(yùn)量大等特點(diǎn)，是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施和國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈。隨著鐵路的快速發(fā)展，對(duì)定位精度也提出了更高要求。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。推進(jìn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路的應(yīng)用，充分發(fā)揮其在定位、通信、高精度測量等方面的技術(shù)優(yōu)勢，滿足鐵路需求，服務(wù)社會(huì)大眾，符合國家發(fā)展戰(zhàn)略和安全要求。

2 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)技術(shù)研究

在交通領(lǐng)域，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（G l o b a l Navigation Satellite System，GNSS）以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢發(fā)揮了重要作用。隨著北斗衛(wèi)星、G P S、G L O N A S S、伽利略等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷成熟及功能完善，定位精度不斷提高，其實(shí)時(shí)連續(xù)的定位導(dǎo)航服務(wù)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地提供定位、速度等信息，輔助實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸?shù)墓芾砼c調(diào)控，在保障安全的同時(shí)提高運(yùn)輸效率。

北斗、GPS、GALILEO 及GLONASS 4 大系統(tǒng)的參數(shù)和性能比較如表1 所示。

表1 北斗、GPS、GALILEO、GLONASS系統(tǒng)參數(shù)和性能比較Tab.1 Comparison of Beidou, GPS, GALILEO and GLONASS system parameters and performance

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施，具備高精度動(dòng)態(tài)時(shí)空基準(zhǔn)，同時(shí)具備導(dǎo)航定位與通信功能，大范圍數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控管理。空間段采用3 種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，在中國區(qū)域有著更高的可用性。

為避免多徑反射誤差，時(shí)鐘誤差、大氣層延遲和儀器延遲等導(dǎo)致的衛(wèi)星信號(hào)惡化，目前多采用GNSS 輔助CORS 應(yīng)用方式。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，也稱為連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(Continuous Operational Reference System，CORS)，是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度定位的主要技術(shù)之一。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，在一定范圍內(nèi)建立若干個(gè)連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)參考站，為北斗用戶提供更高精度的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)空間位置服務(wù)，最高精度可達(dá)毫米級(jí)。

地基增強(qiáng)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)處理中心、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)播發(fā)、用戶終端等組成。基準(zhǔn)站單向獲取北斗數(shù)據(jù)，并將原始觀測數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)處理中心；列車和人員等用戶終端的粗略位置回傳給數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析；數(shù)據(jù)經(jīng)過中心處理后，將差分報(bào)文通過公共/專用通信網(wǎng)絡(luò)播發(fā)給列車和人員使用；最后，用戶通過修正后的數(shù)據(jù)再得到精準(zhǔn)定位。其工作原理如圖1 所示。

圖1 CORS工作原理Fig.1 CORS working principle

3 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在鐵路的應(yīng)用可行性

鐵路由于其自身的時(shí)空特質(zhì)，具有以下特點(diǎn)。

1）安全可靠性要求

鐵路使用安全完整度等級(jí)（Safety Integration Lev el）來定義功能安全性，可分為SIL0 ～4 級(jí)，而定位功能作為核心安全功能，其等級(jí)為最高的SIL4 級(jí)。

2）不同應(yīng)用場景的定位精度需求

鐵路不同應(yīng)用場景的定位精度需求如表2 所示。

表2 鐵路不同應(yīng)用場景的定位精度需求Tab.2 Positioning accuracy requirements of different railway application scenarios

3）環(huán)境特殊性

鐵路線路是“一維性”，列車的位置使用公里標(biāo)確定；沿線有較多的隧道、雨棚等信號(hào)遮擋區(qū)域，需要解決衛(wèi)星信號(hào)遮擋的問題。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國重要的空間戰(zhàn)略設(shè)施及信息基礎(chǔ)，其自主可控、安全可靠、高精度的特點(diǎn)非常適合鐵路系統(tǒng)，滿足不同S I L 等級(jí)安全功能需求，同時(shí)，對(duì)于促進(jìn)鐵路技術(shù)進(jìn)步、增強(qiáng)鐵路運(yùn)輸?shù)膽?zhàn)略安全性，具有十分重要的意義。

通過北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)及其他定位手段的融合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線的全覆蓋，定位精度包括實(shí)時(shí)米級(jí)、亞米級(jí)，厘米級(jí)甚至事后處理毫米級(jí)精度，為鐵路的不同應(yīng)用場景提供了安全性、完整性的定位精度。

近年來，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)在我國鐵路陸續(xù)展開。青藏線(玉珠峰站一甘隆站段)試驗(yàn)段基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行了軌道線路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)中對(duì)比北斗單點(diǎn)定位和采用差分技術(shù)后定位效果，采用差分技術(shù)后的定位效果明顯更加與電子地圖相匹配。京沈高速鐵路在朝陽、北票、烏蘭木圖、阜新四個(gè)車站，以及朝陽至北票區(qū)間東梁隧道附近建立了350 k m/h 高速條件下的試驗(yàn)段，基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行了全域系統(tǒng)增強(qiáng)試驗(yàn)及列控系統(tǒng)列車定位技術(shù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了地基增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)提高定位精度的效果。在無遮擋區(qū)域的定位精度由10 m 級(jí)提高到了亞米級(jí)，車站覆蓋信號(hào)增強(qiáng)，信號(hào)可靠性提高。

綜上所述，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在鐵路的應(yīng)用具有可行性。

4 鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)方案

鐵路行業(yè)在依托國家地基增強(qiáng)系統(tǒng)框架網(wǎng)及省市加密網(wǎng)實(shí)現(xiàn)資源共享的基礎(chǔ)上，可根據(jù)應(yīng)用需求布設(shè)鐵路差分基準(zhǔn)站，組建覆蓋全路的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。結(jié)合以上試驗(yàn)段的實(shí)施方案，鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)組成包括以下部分。

1）基準(zhǔn)站系統(tǒng)

由衛(wèi)星天線、衛(wèi)星接收機(jī)、避雷設(shè)備、電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成，主要工作內(nèi)容是完成衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的采集、傳遞及系統(tǒng)監(jiān)測。

基準(zhǔn)站一般有兩種工作模式，一種是單C O R S，即單個(gè)基準(zhǔn)站為所覆蓋范圍內(nèi)的移動(dòng)站提供廣播差分信息；另一種是網(wǎng)絡(luò)C O R S，即多個(gè)基準(zhǔn)站組成站網(wǎng)，由數(shù)據(jù)中心控制，同時(shí)運(yùn)行。基準(zhǔn)站可分布建設(shè)，逐步深入。首先在鐵路大型露天車站單獨(dú)建設(shè)，滿足各站場的高精度定位需求；后續(xù)逐步擴(kuò)展成系統(tǒng)容錯(cuò)性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，為聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)所有用戶提供基準(zhǔn)站網(wǎng)內(nèi)誤差均勻的差分服務(wù)，滿足整個(gè)鐵路網(wǎng)的高精度定位需求。根據(jù)鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)精度要求，每兩個(gè)基準(zhǔn)站之間相隔約30 ～50 km。

2）數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)

由網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、高性能服務(wù)器、安全防護(hù)設(shè)備、電源保障設(shè)備等構(gòu)成，是C O R S 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其通過地面基準(zhǔn)站來接收衛(wèi)星原始觀測數(shù)據(jù)，并對(duì)這些有效數(shù)據(jù)信息進(jìn)行誤差分析與修正，從而生產(chǎn)出各級(jí)差分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)品，最后再通過平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布。具備數(shù)據(jù)處理交換、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控、安全管理等重要功能。

數(shù)據(jù)處理及控制中心的建設(shè)可考慮在各路局中心設(shè)置，為多條線路提供基準(zhǔn)站接入。中心采用多臺(tái)服務(wù)器的分布式雙機(jī)熱冗余備份方案，備份服務(wù)器與主服務(wù)器保持一致，并可以自由切換。建設(shè)時(shí)可循序漸進(jìn)，近期具備單站差分計(jì)算（包括常規(guī)R T K 和單站偽距差分）能力，遠(yuǎn)期具備網(wǎng)絡(luò)差分計(jì)算（包括網(wǎng)絡(luò)R T K 和網(wǎng)絡(luò)偽距差分）能力。

3）通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

是實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理及控制中心、數(shù)據(jù)處理及控制中心與用戶之間數(shù)據(jù)交換和信息發(fā)布的鏈路，完成基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)處理及控制中心級(jí)及終端用戶三者間的信息交流，并且通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能有效加快系統(tǒng)數(shù)據(jù)交流速度。

依照數(shù)據(jù)中心的最低接入帶寬的計(jì)算公式：64 k b i t/s×基準(zhǔn)站數(shù)量，單線路接入總帶寬為N×2 M 等級(jí)需求。基準(zhǔn)站到數(shù)據(jù)中心的通信延遲應(yīng)小于500 m s，數(shù)據(jù)處理與控制中心到用戶應(yīng)用系統(tǒng)的通信延遲小于1 s。目前在鐵路營業(yè)線上，基本實(shí)現(xiàn)了光纖覆蓋。在所有光纖覆蓋區(qū)段均建設(shè)了接入層M S T P 傳輸系統(tǒng)，各基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心的通信可基于鐵路既有傳輸資源，滿足以上帶寬及時(shí)延需求。

提供實(shí)時(shí)定位服務(wù)的基準(zhǔn)站網(wǎng)用戶至應(yīng)用中心網(wǎng)絡(luò)最低接入帶寬按下式計(jì)算：16 k bit/s×終端用戶數(shù)量，用戶終端到用戶應(yīng)用子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)延遲小于1 s。數(shù)據(jù)中心與用戶的廣播發(fā)布系統(tǒng)可以使用GSM-R/LTE-R 專用無線通信系統(tǒng)。

4）數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)

接收數(shù)據(jù)處理及控制中心生成的導(dǎo)航信號(hào)修正量和輔助定位信號(hào)，將產(chǎn)生的后處理數(shù)據(jù)產(chǎn)品等信息實(shí)時(shí)播發(fā)至最終用戶。通過軟件實(shí)現(xiàn)，利用系統(tǒng)界面與用戶進(jìn)行人機(jī)交互。

在北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用中，還有一些方面需要深入研究。

a.制定相關(guān)的技術(shù)要求或指標(biāo)以規(guī)范接收機(jī)接口和人機(jī)交互方式，提高設(shè)備的互通性和可操作性。

b.信息融合技術(shù)的應(yīng)用研究，采用合理的信息融合算法將高精度北斗衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端及多傳感器的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與鐵路基礎(chǔ)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，完成綜合調(diào)度管理所需的決策數(shù)據(jù)儲(chǔ)備。

c.北斗衛(wèi)星結(jié)合地基增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度定位、授時(shí)及短報(bào)文通信，為鐵路物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究提供重要的支撐，為新一代智慧鐵路提供技術(shù)支持。

5 結(jié)論

綜上所述，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)源于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航高精度應(yīng)用的主要解決方案。目前，鐵路行業(yè)應(yīng)用北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)仍處于起步階段，探討鐵路的北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。通過建設(shè)鐵路北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，提供實(shí)時(shí)米級(jí)、亞米級(jí)、厘米級(jí)及事后毫米級(jí)精密定位產(chǎn)品及相關(guān)服務(wù)，覆蓋各專業(yè)高精度低精度應(yīng)用需求。有效地提高工作效率，符合我國鐵路發(fā)展方向與國家戰(zhàn)略需求。