基于北斗RTK/INS的城市軌道交通保護區巡查人員高精度定位系統

李 凱，韓 鵬，吳 屾，羅 杰，李綠洲，甘沁霖

(1.武漢地鐵運營有限公司，武漢 430000；2.武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

城市軌道交通因其速度快、載客量大，準點率高等優點，已逐漸成為大中型城市首選的市內交通形式。因此，近十多年以來我國地鐵建設發展十分迅猛，截止2021年6月30日，我國內地累計已有49個城市投運城軌交通，運營線路總長8 448.67 km，其中地鐵總長為6 641.73 km。城市軌道交通周邊一定區域內的施工建設可能會鑿穿地鐵隧道或者引起隧道大范圍的變形開裂等，產生嚴重的經濟損失和社會影響。因此，為了確保城市軌道交通建設和運營的順利進行，住房與城鄉建設部頒布一系列管理方法和標準，要求設立軌道交通保護區，并對保護區內的建設和施工活動進行嚴格管控。由于城市軌道地上地下交錯分布，保護區內現場地形地物復雜，傳統的人工現場巡查手段無法替代。鑒于城市軌道交通線網的不斷延伸，保護區內施工作業安全管理形式日益嚴峻，為實現高效、智能和準確的人工巡查，解決問題的關鍵在于巡查人員的精確定位。

北斗衛星導航系統是我國自主研發的全球衛星導航系統GNSS，能提供全天候、全天時、高精度的定位、導航、授時等服務。北斗系統采用混合軌道的導航星座，抗干擾能力強，支持多個頻點信號，定位精度高，特別是具有短報文通信能力[1]。隨著北斗地基增強平臺的建設和發展，通過互聯網技術和大數據運算，實現實時厘米級服務在中國大陸的全覆蓋，能夠為全國用戶提供全社會共享的高精度定位服務。劉為民[2]利用北斗高精度定位技術和改進實時動態差分RTK算法，對鐵路列檢作業人員的作業行為進行卡控，實現人員的厘米級電子圍欄管理。為保障鐵路工務安全和行車安全，史小坤[3]基于北斗系統對現場作業人員實現高精度、智能化管理。應用“北斗+RTK”高精度復合定位和動態坐標系轉換技術，樂建煒等[4]實現鐵路編組站現場作業人員的高精度定位。基于北斗系統周恩澤等[5]提出高精度位置安全服務體系構架，可以提供厘米級高精度定位，實現電力人員的自動檢測與實時管控。張錦榮等[6]結合北斗/GPS雙模定位技術和無線通信技術，設計水中應急定位系統，實現落水人員的快速定位。

當前導航定位需求朝著低成本、實時高精度、硬件小型化和低功耗的方向發展。因此，針對城市軌道交通保護區環境復雜，基于北斗導航系統，采用“RTK+慣性導航系統INS”組合導航定位方式，即在北斗觀測條件好時，采用RTK技術實現厘米級定位；當北斗信號失效時，采用INS技術并結合氣壓計確定高程信息，實現分米級定位，從而為保護區巡查人員提供復雜環境下高穩定、高精度、高實時和低成本定位系統。

1 系統結構設計

RTK載波相位差分技術能在運動狀態下通過跟蹤處理接收衛星信號的載波相位，實時提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果。利用多基站網絡RTK技術建立的連續運行衛星定位服務綜合系統CORS(Continuous Operational Reference System,簡稱CORS)，當GNSS觀測條件較好時，能夠進行實時載波相位/偽距差分修正，實現連續可靠的高精度厘米級定位。但是，在高樓密集、樹蔭遮擋、立交橋等典型城市環境下，低成本GNSS接收機的信號容易受到干擾，會引起衛星信號頻繁失鎖，導致觀測誤差，嚴重影響RTK的定位精度和實時性。

慣性導航系統INS是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統，其基本工作原理是測量載體在慣性參考系的加速度，通過對加速度進行積分并變換到導航坐標系中，從而得到速度、位置等信息。INS可以全天候全時間工作，具有短期精度高、穩定性好的優點；但是，定位誤差會隨時間而增大，長期精度差。

INS技術與GNSS RTK技術具有極好的互補性。因此，將GNSS RTK技術與INS技術相結合，可以為復雜環境下城市軌道交通保護區的巡查人員提供連續性、可靠性和實用性的定位服務。

2 技術路線

為實現低成本、實時高精度、硬件小型化和低功耗的定位終端，在研制GNSS RTK/INS模組和終端時需要權衡成本和硬件數據質量，并在合適的價格范圍內，采用算法來彌補觀測數據質量和解算效率的不足。為此，設計硬件時，需要在充分了解各項需求的基礎上給出具體的技術路線，主要包括需求分析、硬件比測、PCB原理圖設計、硬件生產、設備測試與完善等。

2.1 需求分析

為研制GNSS RTK/INS定位終端，各模塊具體需求如下：

1)支持北斗RTK且定位精度(1σ)為0.025 m+1×10-6CEP(Circular Error Probable， 圓概率誤差)

在開闊環境下，單頻和雙頻RTK的定位精度相當，但是在觀測環境復雜多變、衛星信號遮擋和干擾嚴重的情況下，雙頻RTK較單頻定位精度可提升10%～30%[7]。因此，為了滿足水平0.025 m的定位精度需要，需要選擇支持雙頻GNSS信號接收的GNSS接收芯片。目前滿足這一需求的最新RTK板卡包括北斗星通UM4B0、司南K803、華大北斗HD9311，U-blox F9P等。

2)北斗信號失效情況下INS定位精度選擇

在北斗衛星導航系統失效后，難以提供穩定的定位和測速信息，這時需要借助慣性導航INS來維持持續穩定的定位和測速功能，根據這一精度指標，可選用車規級IMU，如ST ASM330LHH。

3)北斗失效情況下高程定位精度<1 m

北斗系統失效后無法提供位置信息，一方面可借助慣性導航在短時間內提供精度在1 m內的高程信息，但是慣性導航的誤差會不斷累計，在長時間GNSS失鎖的條件下，很難持續提供1 m精度的高程信息，這時則需要借助氣壓計來提供高程信息?？蛇x用的氣壓計為Bosch BMP388。

4)組合導航輸出頻率：5 Hz，25 Hz，50 Hz，100 Hz可選

組合導航輸出頻率主要根據IMU的輸出頻率和CPU的解算效率確定，通常車規級IMU的輸出頻率均可支持平滑的100 Hz結果輸出，可充分滿足現有需求。為了滿足每1 s的RTK解算以及RTK/INS組合導航100 Hz結果的輸出，CPU的性能盡量高一些以滿足需求，可采用528 MHz主頻的ARM A7處理器。

5)通信方式：串行通信

通信方式僅支持串行通信，這意味著RTK差分改正信號的接入要通過串口的方式傳入，終端不需要提供4 G等網絡通訊接口。

6)系統功耗：≤1 W

低功耗的設備需要配合低功耗的GNSS芯片、CPU、氣壓計和IMU來使用，對于可以滿足2)和3)中要求的IMU和氣壓計，功耗都很低，可以忽略。因此主要考慮CPU和GNSS芯片的功耗即可。其中在4)中已經選好ARM A7處理器，其功率在0.34 W左右，可以滿足基本需求。滿足1)要求的GNSS接收芯片中，北斗星通UM4B0、司南K803、華大北斗HD9311和U-blox F9P的標稱功耗分別為1.8 W、1.0 W(未開啟抗干擾)、0.17 W和0.204 W，可見，只有華大北斗HD9311和U-blox F9P滿足需求。

7)尺寸：100 mm×100 mm×70 mm

表1給出了主要器件的尺寸。上述器件組裝起來完全滿足100 mm×100 mm×70 mm尺寸需求，剩余空間也可用于電路板其他元件(電阻、電路等)的添加。

8)工作溫度范圍：-30～70 ℃

所選器件均選擇工業級，滿足-40～80 ℃工作環境溫度。

表1 主要器件尺寸

2.2 硬件比測

在需求分析中已經確定車規級IMU選用ST ASM330LHH以及氣壓計選用Bosch BMP388。因此，僅需要對GNSS接收芯片進行比測并確定最終型號。在能耗和尺寸均滿足條件的前提下，主要從定位性能和價格兩個方面來比較華大北斗HD9311和U-blox F9P。兩款芯片標稱精度指標相同，均為0.01 m+1×10-6CEP，可以發現，芯片的標稱精度一致，但是具體的性能需進一步實測才能確定。通過對靜態/一般動態/高速動態下定位精度、測速精度、RTK固定時間、冷啟動時間、熱啟動時間、高低溫性能進行測試，最終選擇瑞士制造的U-blox F9P芯片。

2.3 PCB原理圖設計

1)地線設計原則

在電子設備中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結合起來使用，可解決大部分干擾問題。在地線設計中應注意以下幾點：正確選擇單點接地與多點接地；將數字電路與模擬電路分開；盡量加粗接地線；將接地線構成閉環路。

2)電磁兼容性設計原則

電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來的干擾，使電子設備在特定的電磁環境中能夠正常工作，同時又能減少電子設備本身對其它電子設備的電磁干擾。印制導線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因此，短而精的導線對抑制干擾是有利的。采用平等走線可以減少導線電感，但導線之間的互感和分布電容增加；如果布局允許，最好采用井字形網狀布線結構。為了抑制出現在印制線條終端的反射干擾，除了特殊需要之外，應盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。

3)去耦電容配置

在直流電源回路中，負載的變化會引起電源噪聲。配置去耦電容可以抑制因負載變化而產生的噪聲。

4)印制電路板的尺寸與器件的配置

在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應把相互有關的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。易產生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應盡量遠離邏輯電路。

5)熱設計

從有利于散熱的角度出發，印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應小于2 cm。大量實踐經驗表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制電路的溫升。

2.4 設備測試與完善

為測試在復雜環境下提出的GNSS RTK/INS組合導航終端定位性能，測試場景覆蓋樹木遮擋環境、高樓遮擋環境、隧道環境等。結果表明，與僅采用GNSS RTK定位相比較，隨著多模衛星的加入，能夠提高RTK/INS組合定位的穩定性和可靠性，在不同復雜環境下均有不同程度的定位性能和精度的提升；在高樓遮擋環境和樹木遮擋環境下表現良好，基本能夠實現厘米級定位精度，但在隧道環境下，表現略為遜色，但仍然可以實現分米級定位精度，滿足設計要求。

3 GNSS RTK/INS組合定位終端系統組成

用于復雜環境下城市軌道交通保護區巡查人員精準定位的GNSS RTK/INS組合定位終端系統內部主要由ARM A7核心板、U-blox F9P GNSS雙頻芯片、ST ASM330LHH IMU芯片、Bosch BMP388氣壓計芯片組成，系統外部由GNSS天線接口和兩個串口組成，其中，一個串口用于供電、調試和打印，另一個串口用于發送NMEA數據并獲取RTCM格式的差分改正數。

內部ARM A7核心板和GNSS雙頻芯片通過USB和串口連接并獲取IMU數據。由于IMU芯片可以提供SPI和I2C接口，且SPI接口數據傳輸速率遠高于I2C接口，為了保障高采樣IMU數據傳輸的實時性，將CPU和IMU通過SPI連接實時讀取IMU數據，將CPU和氣壓計通過I2C連接獲取氣壓計數據。由于GNSS RTK在工作時必須接收差分改正信息才能獲得高精度的定位信息，但是定位終端系統只保留串口，因此，需要借助外部4G通訊模塊連接設備串口來獲取差分改正信息。

4 結 語

由于城市軌道交通保護區環境復雜，為提升定位服務的實時性和精度，基于北斗導航系統，采用“RTK+慣性導航系統INS”組合導航定位方式，即在北斗觀測條件好時，采用RTK技術定位實現厘米級定位；當北斗信號失效時，采用INS技術并結合氣壓計確定高程信息，實現分米級定位。測試結果表明，與僅采用GNSS RTK定位相比較，隨著多模衛星的加入，RTK/INS組合定位在不同復雜環境下均有不同程度的定位性能和精度的提升，定位精度滿足設計要求，從而為保護區巡查人員提供高穩定、高精度、高實時和低成本定位服務。