軌道交通線路GNSS 信號盲區(qū)列車定位模擬系統(tǒng)

宋正立，鄒勁柏，蘭 蒙，?????? ????(楊福),3，陳凌霄

（1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院，上海 201418；2. 同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；3. 老中鐵路有限責(zé)任公司，老撾 萬象 01000）

列車定位技術(shù)是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)實(shí)時、準(zhǔn)確獲取列車當(dāng)前速度和位置信息的必要手段，列車定位的準(zhǔn)確度和可靠度直接關(guān)乎列車運(yùn)行安全，影響軌道交通的運(yùn)輸效率[1-2]。軌道交通系統(tǒng)有多種列車定位方式，例如：基于軌道電路的列車定位[3]、基于里程計(jì)累加測距的列車定位[3]、基于測速的列車定位[4]、基于應(yīng)答器的列車定位[3,5]、基于無線通信的列車定位[6]以及基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）的列車定位[7-8]等。

目前，GNSS 已成為一種各國鐵路廣泛應(yīng)用的列車定位技術(shù)。上世紀(jì)80 年代，美國已提出采用衛(wèi)星定位代替地面應(yīng)答器的定位方法，并于90 年代中期開發(fā)了基于差分全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）的增強(qiáng)型列車控制系統(tǒng)。上世紀(jì)90 年代，歐盟提出發(fā)展伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃，并將衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于列車定位的多個項(xiàng)目，逐步實(shí)現(xiàn)完全依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)列車定位。1992 年，俄羅斯基于格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS，GLobal Navigation Satellite System）開發(fā)出衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備，并于2002 年在鐵路列車安裝使用，驗(yàn)證將衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于列車位置服務(wù)的可行性[9]。我國在北斗一號導(dǎo)航系統(tǒng)成功建立后，將北斗衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于青藏鐵路的美國ITCS 列控系統(tǒng)，對列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的可靠性、安全性、自主性等進(jìn)行研究[10-11]；2022 年底，我國還建成了首條采用北斗定位技術(shù)的城市軌道交通線路[12]。針對長大隧道的特殊需求，國內(nèi)還有采用GPS 和北斗定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確的列車定位。

我國投資建設(shè)的中國—老撾鐵路（簡稱：中老鐵路）因隧線比較高，若采取沿線鋪設(shè)定位設(shè)備，不但成本高，且后續(xù)設(shè)備維護(hù)工作量大。因此，中老鐵路宜采用基于GNSS 的列車定位方式。由于GNSS 信號對山體、混凝土結(jié)構(gòu)體、森林等環(huán)境穿透較弱，列車在中老鐵路上的運(yùn)行過程中存在GNSS盲環(huán)境[13-14]，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)無法連續(xù)為其提供穩(wěn)定、可靠的定位信息。因此，在開發(fā)基于GNSS 的中老鐵路列車定位技術(shù)應(yīng)用時，需要解決列車運(yùn)行在GNSS 信號盲區(qū)時無法獲取列車定位數(shù)據(jù)的問題。

軟件無線電作為一種軟硬件結(jié)合的無線電技術(shù)，采用軟件定義方式實(shí)現(xiàn)無線電通信，能夠在通用硬件平臺上通過軟件來實(shí)現(xiàn)多種無線通信和定位功能，成本相對較低，易于在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。蘭蒙等人[15]在鐵路全球移動通信系統(tǒng)（GSM-R，Global System for Mobile Communications-Railway）、地鐵的長期演進(jìn)（LTE-M，Long Term Evolution for Metro）、第五代鐵路移動通信（5G-R，5th of Generation Mobile Communications-Railway）等車地?zé)o線通信技術(shù)開發(fā)中開展了基于軟件無線電的實(shí)驗(yàn)室仿真測試。

本文利用軟件無線電技術(shù)及相關(guān)軟硬件，開發(fā)了軌道交通線路GNSS 信號盲區(qū)列車定位模擬系統(tǒng)（簡稱：GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)），為GNSS 信號盲區(qū)生成列車定位模擬數(shù)據(jù)，使列車在運(yùn)行過程中能夠連續(xù)獲取準(zhǔn)確的列車定位信息，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建測試環(huán)境，針對不同應(yīng)用場景生成GNSS 定位模擬數(shù)據(jù)，與中老鐵路現(xiàn)場采集的衛(wèi)星定位信號進(jìn)行對比，驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和有效性。

1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理及GNSS 模擬信號來源

1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理

地球是一個三維空間，要確定運(yùn)行列車的位置，需要知曉列車位置的3 個參數(shù)：經(jīng)度、緯度和高度。假設(shè)某一運(yùn)行列車在地球上的位置用坐標(biāo)(x,y,z)來表示，某一已知列車定位衛(wèi)星A 的坐標(biāo)用(x1,y1,z1)表示，可以從位置A 廣播一個信號，傳播速度用c表示，記信號從衛(wèi)星發(fā)出到車載臺收到的時間間隔為 τ1，可得到一個列車運(yùn)行位置信息的方程式：

方程式 （1） 中有3 個未知數(shù)，要確定運(yùn)行列車坐標(biāo)(x,y,z)，需要3 顆已知位置信息的列車定位衛(wèi)星才能確定該運(yùn)行列車的坐標(biāo)。記另外2 顆衛(wèi)星為B 和C，對應(yīng)的坐標(biāo)表示為(x2,y2,z2) 和(x3,y3,z3)；測量出衛(wèi)星B 和衛(wèi)星C 信號發(fā)送到接收的持續(xù)時間τ2和 τ3，得到下列運(yùn)行列車位置方程組：

理論上，信號從發(fā)送到接受的時間間隔τi(i=1,2,3,···)可以用運(yùn)行列車車載臺的接收時間t1減去衛(wèi)星信號的發(fā)送時間t2來推算，但由于衛(wèi)星使用的時鐘與車載GNSS 信號接收裝置的時鐘精度不同，存在時間誤差 Δt。為此，引入新的時間變量 Δt來修正方程組（2），得到如下一個可解的運(yùn)行列車位置方程組：

其中，Δt為衛(wèi)星鐘差；(x,y,z)為列車車載臺接收天線的坐標(biāo)，也是運(yùn)行列車實(shí)際所處位置；(xi,yi,zi)為第i顆GNSS 衛(wèi)星的坐標(biāo)；c為GNSS 信號的傳播速度；c(Δt+τi)為車載接收天線到衛(wèi)星天線的距離，包含接收機(jī)時鐘和衛(wèi)星時鐘偏移； τi為信號從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的持續(xù)時間。

如圖1 所示，為了保持時鐘同步，至少需要4顆已知位置的衛(wèi)星才能獲取已知運(yùn)行列車的位置信息。

圖1 GNSS 定位原理

GNSS 可在全球范圍內(nèi)提供定位服務(wù)，對于地球上的某個點(diǎn)，在任一時刻的衛(wèi)星定位精度取決于該點(diǎn)當(dāng)時可接收到定位信號的衛(wèi)星數(shù)量及信號強(qiáng)度。通常情況下，可接收到定位信號的衛(wèi)星數(shù)量越多，接收到的定位信號就越多；衛(wèi)星信號受遮擋越少，接收到的定位信號強(qiáng)度就越強(qiáng)，該時刻物體的定位精度就越高。

1.2 GNSS 信號

GNSS 信號從結(jié)構(gòu)上可分為載波、偽碼和數(shù)據(jù)碼3 個層次，先將偽碼和數(shù)據(jù)碼調(diào)制到載波上，然后衛(wèi)星再將調(diào)制后的載波信號波發(fā)射出去。例如，GPS衛(wèi)星一般以不同頻帶和調(diào)制方式來廣播GPS 信號，GPS 信號包含載波、偽碼和導(dǎo)航電文3 個分量，信號幀結(jié)構(gòu)如圖2 所示；其中，L1 信號是最常見的民用信號，部分參數(shù)如表1 所示。

表1 L1 信號參數(shù)值

圖2 GPS 信號幀結(jié)構(gòu)

1.3 星歷數(shù)據(jù)

星歷數(shù)據(jù)提供了每顆衛(wèi)星的精確位置數(shù)據(jù)(xi(t),yi(t),zi(t))，列車車載設(shè)備等衛(wèi)星定位信號接收機(jī)可將其作為先驗(yàn)信息，用于計(jì)算衛(wèi)星的位置。GPS廣播星歷數(shù)據(jù)（BRDC，Broadcast ephemeris）文件可從網(wǎng)站ftp://cddis.gsfc.nssa.gov/gnss/data/daily/下載，該文件為接收者獨(dú)立交換格式（RINEX，Receiver Independent Exchange Format），是一種文本數(shù)據(jù)記錄格式，與接收機(jī)的制造廠商和具體型號無關(guān)。BRDC 文件命名規(guī)則為brdcDDD0.yyt 形式，具體含義見表2。

表2 BRDC 文件名規(guī)則

例如：brdc3650.21n 表示2021 年12 月31 日的GPS 衛(wèi)星全部星歷信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

在列車運(yùn)行的過程中，車載設(shè)備接收的GNSS信號會受到高樓建筑、密閉空間、茂密森林、山體隧道等因素的影響。當(dāng)列車停靠車站時，受到雨棚、高樓等會遮擋GNSS 定位信號，此時車載設(shè)備接收到的GNSS 定位信號會很弱。當(dāng)列車在隧道、茂密森林、多山地帶等區(qū)間段穿行時，接收到的GNSS定位信號也會間斷性地受到遮擋，車載設(shè)備可能無法連續(xù)地獲取準(zhǔn)確的GNSS 定位信息。因此，模擬列車運(yùn)行在特定站點(diǎn)和穿行于某一區(qū)段時車載設(shè)備接收的GNSS 定位信號是實(shí)驗(yàn)室仿真的重點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境下，使用GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)生成GNSS 模擬信號，其質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)與現(xiàn)場實(shí)際測量值相近，可滿足列車定位的準(zhǔn)確性要求，能夠生成列車運(yùn)行過程中的單點(diǎn)靜態(tài)定位模擬信號，也能夠生成列車穿行于某一區(qū)段的過程中的區(qū)段動態(tài)定位模擬信號。

2.2 設(shè)備構(gòu)成

GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)主要設(shè)備包括仿真主機(jī)和終端設(shè)備，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成示意

仿真主機(jī)CPU 配備Intel Core i5-10400F（6 核12 線程，主頻2.9 GHz），內(nèi)存為16 GB，運(yùn)行ubuntu 18.04 LTS 系統(tǒng)，采用4.15 low latency 內(nèi)核。通過USB3.0 連接到軟件無線電平臺，板卡將射頻信號發(fā)送至車載設(shè)備。

終端設(shè)備為真實(shí)的車載設(shè)備，包括車載臺、手持臺和PC 機(jī)，用以接收模擬的GNSS 射頻信號。

2.3 GNSS 信號模擬

本文以GPS 信號作為GNSS 信號實(shí)例。GPSSDR-SIM 項(xiàng)目是在MIT 許可下發(fā)布的開源GPS 基帶信號發(fā)生器，它將最新的星歷文件和包含列車運(yùn)行軌跡的NMEA（National Marine Electronics Association）文件作為輸入，生成GPS 基帶信號文件gpssim.bin，作為軟件無線電平臺的測試數(shù)據(jù)。NMEA 文件是一個具有連續(xù)模擬仿真信號的列車運(yùn)行軌跡文件，其中的列車運(yùn)行速度等信息項(xiàng)可調(diào)整。

為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬生成車載設(shè)備接收的GPS報(bào)文，需要在射頻級別進(jìn)行GPS 仿真。本文使用USRP 軟件無線電板卡來模擬生成衛(wèi)星發(fā)送的GPS報(bào)文。USRP 利用通用硬件驅(qū)動程序（UHD，Universal Hardware Driver）提供的API，通過USB3.0和PC 機(jī)連接，工作在70 MHz～6 GHz 頻段上，實(shí)時帶寬可達(dá)到56 Mbps。采用USRP 發(fā)送GPS 報(bào)文的過程如圖4 所示。

圖4 模擬生成車載設(shè)備接收的GPS 報(bào)文

首先對gps-sdr-sim 源碼進(jìn)行編譯，在編譯程序命令行輸入相應(yīng)參數(shù)：輸入-e 選擇星歷數(shù)據(jù)；輸入-l/-g 選擇列車靜止時的坐標(biāo)或者列車動態(tài)運(yùn)行軌跡的nmea 文件；輸入-b 選擇采樣精度（不同外設(shè)板卡采樣精度不同）；輸入-s 選擇采樣速率。編譯完成后按回車鍵即可生成GPS 報(bào)文，接著調(diào)用USRP 板卡發(fā)射GPS 報(bào)文。

使用gps-sdr-sim 命令生成指定時段內(nèi)靜態(tài)GPS基帶信號樣本，或者使用NMEA 軌跡文件生成動態(tài)的GPS 基帶信號樣本。

（1）生成靜態(tài)GPS 報(bào)文：$ ./gps-sdr-sim -e brdc3650.21n -l 102.412 905,21.719 249,634 可生成中老鐵路上橄欖壩站的GPS 基帶信號；

（2）生成動態(tài)GPS 報(bào)文：$ ./gps-sdr-sim -e brdc3650.21n -g zhonglaotielu.txt -s 2 500 000 可生成中老鐵路上運(yùn)行區(qū)間段的GPS 基帶信號；

（3）生成中老鐵路上靜態(tài)車站和動態(tài)運(yùn)行區(qū)間基帶信號樣本后，在命令行輸入：$ ./gps-sdr-simuhd.py - t gpssim.bin - f 1575420000 - s 2500000 -c external -x 40，可通過USRP 的天線以1,575.42 MHz頻率發(fā)射GPS 信號樣本。

其中，大多數(shù)的列車衛(wèi)星接收設(shè)備不能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作，且實(shí)驗(yàn)室內(nèi)接收到的真實(shí)的衛(wèi)星信號強(qiáng)度較弱，僅約為-130 dBm[16]，在實(shí)驗(yàn)中無需產(chǎn)生一個強(qiáng)信號來覆蓋真實(shí)的衛(wèi)星信號。

3 測試分析

3.1 實(shí)驗(yàn)室仿真測試過程

（1）選擇仿真類型及對象：

（a）對于單點(diǎn)靜態(tài)定位模擬，選擇GPS 定位信號較弱的站點(diǎn)，使用谷歌地圖標(biāo)記下其經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，然后在gps-sde-sim 項(xiàng)目中對其進(jìn)行源碼編譯；

（b）對于區(qū)段動態(tài)定位模擬，選擇GPS 定位信號較弱且時斷時有的線路區(qū)段，使用谷歌地圖繪制出仿真測試所需的列車運(yùn)行線路軌跡，并存儲為kml 格式文件；然后使用SatGen 軟件，將包含位置信息的kml 格式文件轉(zhuǎn)化為后綴為txt 的NMEA 軌跡數(shù)據(jù)文件，以獲得連續(xù)的模擬仿真信號；

（2）對項(xiàng)目gps-sdr-sim 源碼進(jìn)行編譯，基于BRDC 星歷文件、站點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)或是線路區(qū)段NMEA 軌跡數(shù)據(jù)文件來生成模擬的GPS 基帶信息。

（3）將模擬的GPS 信號文件gpssim.bin 加載到USRP 平臺進(jìn)行回放，供車載設(shè)備讀取GPS 信息；車載設(shè)備根據(jù)衛(wèi)星天線接收到的射頻信號，實(shí)時計(jì)算出列車當(dāng)前位置。圖5 顯示了中老鐵路橄欖壩站的GPS 模擬信息。

圖5 橄欖壩站GPS 模擬信息

3.2 定位模擬信號質(zhì)量分析

選取中老鐵路上列車運(yùn)行過程中GPS 定位信號較差的地點(diǎn)，如鐵路車站、高樓建筑旁、森林、隧道等，將這些地點(diǎn)的GPS 定位模擬信號與中老鐵路現(xiàn)場沒有任何阻隔的空闊區(qū)域（即現(xiàn)場具有最佳衛(wèi)星定位信號的場所）測量的GPS 信號進(jìn)行對比。

選取中老鐵路上13 個GPS 定位信號較差的地點(diǎn)，運(yùn)行GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)生成這些點(diǎn)的GPS 定位模擬信號，并使用GPS 通用測試軟件測量出可用衛(wèi)星數(shù)量、定位精度和信噪比。 圖6 是其中的橄欖壩站的GPS 定位模擬信號與空曠環(huán)境下GPS 定位模擬的相關(guān)信號質(zhì)量參數(shù)對比， 表3 為中老鐵路上選取的13 個地點(diǎn)的GPS 定位模擬信號測量結(jié)果。

表3 實(shí)驗(yàn)室條件下生成的GPS 定位模擬信號測量值

圖6 測試結(jié)果對比

以可用衛(wèi)星數(shù)量、定位精度、信噪比3 個指標(biāo)衡量信號質(zhì)量，對比現(xiàn)場空闊區(qū)域GPS 信號測量值（可用衛(wèi)星數(shù)量為11，定位精度4 m，信噪比（21～43）），實(shí)驗(yàn)室條件下生成的GPS 定位模擬信號與現(xiàn)場實(shí)際測量值相近，甚至更好。

3.3 單點(diǎn)靜態(tài)定位模擬

對中老鐵路上列車車載設(shè)備接收GPS 信號質(zhì)量較差的28 個站點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研和堪察，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬上述站點(diǎn)的GPS 定位信息。以玉磨段橄欖壩站和磨萬段萬象南站為例，圖7（a）、圖7（b）則是車載臺在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)接收GPS 模擬信息后的定位顯示，顯示位置分別為中老鐵路玉磨段橄欖壩站和中老鐵路磨萬段萬象南站。

圖7 GPS 單點(diǎn)信息模擬

以通用定位信息解析裝置（如手機(jī)，手持臺等）作為GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)信號接收終端，對比終端實(shí)際所處的位置信息，實(shí)驗(yàn)室條件下能夠很好的模擬出列車運(yùn)行過程中?？吭贕PS 信號質(zhì)量較差的站點(diǎn)位置。

3.4 區(qū)段動態(tài)定位模擬數(shù)據(jù)

選取中老鐵路的部分隧道和3 段線路（昆玉段、玉磨段和磨萬段）內(nèi)的列車運(yùn)行軌跡，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行GPS 信號模擬。其中的磨萬段、安定隧道的列車運(yùn)行GPS 定位模擬效果分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 中老鐵路磨萬段GPS 信息模擬

圖9 中老鐵路隧道列車GPS 信息模擬

在實(shí)驗(yàn)室條件下，能夠很好的模擬出列車經(jīng)過GPS 定位信號不連續(xù)的隧道或線路區(qū)段的運(yùn)行過程中列車動態(tài)運(yùn)行軌跡，觀看到基于模擬的GPS 定位信號列車在沿中老鐵路線向前運(yùn)行。

4 結(jié)束語

針對軌道交通線路上存在GNSS 信號盲區(qū)的問題，基于GNSS 定位原理，采用軟件無線電技術(shù)，研制開發(fā)了GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室搭建了測試環(huán)境。測試表明：在列車運(yùn)行途中，當(dāng)衛(wèi)星信號接收受到遮擋或干擾時，該系統(tǒng)能夠生成質(zhì)量較高的衛(wèi)星定位模擬信號，包括單點(diǎn)靜態(tài)衛(wèi)星定位模擬信號和區(qū)段動態(tài)衛(wèi)星定位模擬信號，使車載設(shè)備在線路上GNSS 信號盲區(qū)也能獲取高質(zhì)量的接收衛(wèi)星定位信號，有助于拓寬基于GNSS 的列車定位技術(shù)的應(yīng)用范圍。

本文僅進(jìn)行了GPS 定位模擬，下一步將結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，繼續(xù)完善GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)，使基于GNSS 的鐵路列車定位技術(shù)能夠借助該系統(tǒng)，成功應(yīng)用于中老鐵路及其它軌道交通線路。