隧道內定位中北斗衛星導航技術的應用

摘要：信息時代的到來，使導航技術的應用范圍顯著擴大，特別是北斗全球衛星導航系統正式開通并投入使用后，可為全球用戶提供全天候定位服務。我國的交通網絡中存在很多隧道，這些隧道的空間狹小、且整體封閉，傳統的導航條件下一旦車輛進入隧道中，信號被削弱或者屏蔽，導致定位導航服務效果不佳。在技術高速發展的今天，北斗衛星導航技術在隧道內定位中凸顯了其優勢。基于此，文章重點分析了隧道內定位中北斗衛星導航技術的應用，以期助力推廣該技術。

關鍵詞：隧道內定位；北斗衛星導航技術；應用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.05.003

中圖分類號：TN 967.1，U 453.7" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）05-000-03

Abstract： After the arrival of the information era， the application scope of navigation technology has significantly expanded， especially after the Beidou Global Satellite Navigation System has been officially launched and put into use， it can provide round-the-clock positioning services for global users. There are many tunnels in China's transportation network， which are narrow in space and generally closed. Under traditional navigation conditions， once vehicles enter the tunnel， the signal is weakened or shielded， often resulting in poor positioning and navigation services. Today， with the rapid development of technology， Beidou satellite navigation technology highlights its advantages in positioning in tunnels. Based on this， this article focuses on analyzing the application of Beidou satellite navigation technology in tunnel positioning， with a view to promoting this technology.

Key words： positioning in the tunnel; Beidou satellite navigation technology; application

隨著技術不斷進步，我國的北斗衛星導航系統研制成功并投入使用，為全球用戶提供了良好的定位、導航等服務。目前，北斗衛星導航系統雖在隧道內定位有成功的應用，但還需要進一步創新技術，以提升其導航定位水平。

1" 隧道內北斗衛星導航信號的覆蓋方法

1.1 總體思路

隧道內環境不同于其他的交通環境，其具有高度的封閉性，這一環境特點決定了其內部的衛星導航信號容易被屏蔽，成為衛星信號的盲區，由于信號被屏蔽，信息采集、接收受阻，無法滿足實時定位需求。為此，在隧道中如何引入北斗信號成為熱點議題，如能順利引入北斗信號，就可實現隧道內北斗定位，且使隧道內外部保持良好的聯通性。目前，要在隧道內覆蓋北斗衛星信號的總體思路是：實時模擬在軌導航衛星的運動狀態，在隧道內實時發送與北斗、GPS等導航信號完全一致的偽北斗信號，以增強信號覆蓋范圍。

1.2 技術原理

結合上述總體思路，實現隧道內定位的北斗衛星導航技術系統主要包含運營管理站和融合基站。首先，有關人員需在隧道外部署運營管理站，使該站點投入使用后能順利接收在軌衛星信號，生成高精度本地時間信號，與此同時采集實時星歷；將在軌衛星信號、時鐘信號、星歷信息等編碼為統一格式，借助光纖將編碼后形成的信號傳輸給其他融合基站；在隧道內布置多個融合基站，相鄰兩基站之間距離為30 m，由各個融合基站接收運營管理站所發送的信號；通過實時模擬在軌導航衛星的運動狀態、傳輸鏈路的多普勒補償編組導航電文，播發與北斗、GPS等信號相一致的偽衛星信號，保障導航衛星信號在隧道內的覆蓋；由終端接收融合基站播發的偽衛星信號完成定位和導航[1]。技術原理如圖1所示，隧道定位系統如圖2所示。

2" 實現隧道內定位的北斗衛星導航增強" "系統

2.1 高可靠的高精度定位增強功能

系統要實現精準定位增強的目標，除要采用特定的設計方式外，更需要配備特殊設備，如面對高精度定位增強需求，需同步配備市場上相對先進且符合本系統需求的衛星導航增強基礎設施并規范安裝這些設施。在系統進入工作狀態后，這些設施可增強信號，當北斗衛星定位終端獲取增強信號后，就能對信號進行一系列處理，得到被監測對象的經緯度、速度、方向等基本信息[2]，其功能具體表現在以下幾點。

（1）高速運動實時分米級精度增強。在高精度定位增強功能下，高速運動實時分米級精度增強為一大特色，此功能可向車輛提供快速收斂、恢復、低延時的分米級精度增強、導航、交通狀態感知等服務，系統在提供這些功能時，增強信號可經由路側智能站、智能車載終端之間所布設的專用無線網傳輸。

（2）低速運動實時厘米級高精度增強。這一功能的服務對象不再為車輛，而是養護機械、測繪儀器，由于具備RTK服務，即使在低速運動狀態下也能提供定位服務，且可確保定位精度，將定位偏差控制在一定范圍內。在這一功能下，路側智能站與智能車載終端的無線通信線路為增強信號傳輸介質。

（3）靜態毫米級衛星導航定位增強。這一功能的服務面較窄，為重點橋隧、邊坡基礎設施，系統在提供這一功能時具有動態性、智能化特點，能達到全天候監控基礎設施變形情況的目的。

2.2 定位可靠性增強功能

在隧道內定位中應用北斗衛星導航增強系統時，需通過監測衛星導航系統、局部路段北斗衛星導航增強系統、示范路段的衛星導航頻段電磁干擾系統，使增強系統能兼具衛星導航完好性告警、增強服務性能可靠性告警等功能，減小定位偏差。

2.3 授時功能

現階段我國構建了相對完善的交通網絡，在路網工程中有授時功能需求，而在所設計的北斗衛星導航增強系統中，這一功能不可或缺，在實現基本的定位導航服務基礎上，該系統能與衛星導航系統精準同步，減小時間誤差。

2.4 擴展定位功能

隧道周圍的環境條件相對復雜，在有地物遮擋的部分區域內增強系統可凸顯其擴展定位功能，但為實現該功能，需安裝專業設備，就是復現式擴展定位設備，由該設備采集并發送信號。

3" 系統建設方案

3.1 基準站網子系統

在北斗衛星導航增強系統中，基準站網子系統作為關鍵構成能在運行時動態監控、獲取和存儲衛星定位等數據，并及時對這些數據展開專業化處理，最后由中心根據處理結果來發送命令。基準站包含本工程的自建基準站、已建的外部接入基準站。基準站在運行過程中提供其工作區域內的衛星導航跟蹤信號，此信號為源頭信息，可通過相應的處理轉換為增強信息。將外部接入基準站接入已建的基準站，并可將采集的數據轉變為廣域增強信息、完好性信息[3]。為發揮基準站在定位導航方面的作用，相關部門應立足實際情況來建設高可靠的一級基準站和一般可靠性的二級基準站。

一級基準站內包含的構成要素較多，主要為衛星導航信號接收天線、衛星導航信號接收機、供電設備、觀測墩、避雷設備，每一種設備都在基準站內有其特殊的功能，通過相互之間的配合可保障基準站能采集到完整的信號，并將信號傳送出去。通常情況下，為增強基準站的可靠性，一級基準站需配備三臺監測接收設備，分別為主接收機、熱備份、服務性設備。

室外需配備不同類型和功能的設備，如為滿足防雷要求的避雷器或者其他避雷設施；為滿足定位、監測要求的GNSS監測天線、高精度接收天線；為達到高效安全、通信目標的通信設施。為保持室內與室外的正常通信，需注意控制天線電纜長度，一般為30～50 m。

室外部分的構成簡單，就是GNSS天線和GNSS觀測墩，建立屋頂觀測墩時有嚴格規定：屋頂觀測墩高度一般需超15 m，內部普通鋼筋與主體承重鋼筋由于承擔著不同的作用，二者在焊接處理中應注意選擇恰當的焊接工藝，并嚴格遵循焊接操作標準。

二級基準站布設于公路示范路段，每個二級基準站都需配套1臺接收機，由光纖有線通信鏈路、4G無線通信鏈路完成不同設備之間的信號傳輸。在建設二級基準站時需要設置支架，其支架的底邊應為等邊或等腰三角形，嚴格將支架高度保持在0.6 m，選用不銹鋼材質的支架。

3.2 完好性監測系統

首先，在監測衛星導航服務性能時，系統具有技術集成性特征，不同技術都有其特殊的作用，在這些技術的支持下，系統能實時采集監測對象和范圍的信號、網絡信息，可根據這些信息判定衛星導航系統、導航衛星的工作情況。其次，在增強系統服務性能監測方面，由5個監測接收機實時接收增強系統播發的差分數據，并同步回傳導航定位數據，再由系統的數據處理模塊分析數據，可得到以下幾個方面的信息：一是差分數據延遲信息，這類數據為GNGGA數據中的重要構成，系統可根據需求從中提取差分數據延遲數據；二是解狀態數據，通過分析GNGGA數據可準確獲得解狀態情況，主要有單點解、差分解、浮點解、固定解等幾種；三是精度信息，利用已知的數據，套用相關公式得到接收機天線坐標信息，接收機接收差分數據并處理后可產生成果坐標，對比成果坐標與已知坐標，得到可靠結論[4]。

3.3 數據處理子系統

隧道內定位過程中利用北斗衛星導航增強系統產生的數據量龐大，單純采用人工管理的方式很難實現高效管理，也無法從海量的數據中提取和篩選出更有價值的數據。因此，在北斗衛星導航增強系統內，為滿足數據處理的要求設計有數據處理子系統，該系統包含內部網絡、數據處理軟件、服務器，以光纖為傳輸介質，該子系統能與基準站進行可靠連接。數據處理子系統的功能多樣，兼具基準站管理、數據通信、網絡改正數據計算、差分數據服務等功能。

衛星導航增強系統中的計算資源、存儲資源、網絡資源等數據處理子系統的部署需要同步配備操作系統和有關軟件，以實現數據存儲、專業化管理。但所配備的數據處理軟件必須符合要求。一是網絡RTK/RTD服務軟件系統，該系統需要兼容多種算法，以確保在數據處理時各種算法都能發揮其作用[5]。二是為與設計方案中系統日可用性99%的要求相一致，軟件應具備以下特點：能長時間維持可靠運轉；算法的穩健性較強，可在全天99%時間內正常工作；具備一定的容錯能力，在運行中出現某一數據異常情況時軟件可自動對異常數據加以處理，不需要中斷數據服務來處理。

3.4 應用服務子系統

應用服務子系統由用戶應用與系統安全保障兩個部分構成。在用戶應用系統中，其功能體現在用戶驗證與用戶計費管理、用戶子系統設備配置方面。首先，從用戶驗證與用戶計費管理功能著手，能在軟件內登記用戶信息，分發不同的系統登入的用戶名、密碼；根據數據播發格式、每個賬戶同時在線的用戶數量等管理用戶；以用戶群需求為前提進行嚴格的權限管理。其次，從用戶子系統設備配置功能著手，GNSS軟件能進行數據修改，將此數據作為計算流動點RTK數據的參考。系統安全保障是為了提高系統的安全性，就是強調相關人員在設計該系統時需注意網絡安全，從外部網和內部網角度采取各種網絡安全防護技術，如隔離技術、入侵檢測技術等。

4" 結束語

將北斗衛星導航技術引入到隧道內，可實現隧道內的精準定位，這是北斗衛星導航技術的特殊體現，當前已取得了一定的發展效益，未來還有巨大的發展空間，相關人員需結合技術現狀，持續優化和改進技術。

參考文獻

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