北斗定位技術在鐵路列車定位中的應用現狀分析

高京

（國能鐵路裝備有限責任公司，北京 100120）

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，全球定位系統（GPS）得到廣泛應用，但在特定環境下（如隧道、高樓群等），傳統GPS 技術的定位精度和可靠性存在一定的局限性。在這樣的背景下，北斗定位技術作為我國自主研發的全球衛星導航系統，具有更好的覆蓋范圍和定位精度，被廣泛應用于鐵路列車定位領域。北斗定位技術不僅可以提供高精度的定位服務，還具備強大的抗干擾能力，能夠有效克服傳統GPS 技術在特殊環境下的限制。

然而，目前關于北斗定位技術在鐵路列車定位中的應用現狀及其效果的研究還相對欠缺，這也成了當前一個備受關注的問題。因此，通過對北斗定位技術在鐵路列車定位中的應用現狀進行分析，以便更好地推動北斗定位技術在鐵路運輸中的應用。

1 北斗定位技術在鐵路列車定位中的應用現狀

當前全球衛星導航系統主要包括美國的GPS（Global Positioning System，全球定位系統）、俄羅斯的GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM，格洛納斯衛星導航系統）、歐盟的GALILEO（Galileo satellite navigation system，伽利略衛星導航系統）、中國的BDS（Beidou Navigation Satellite System，北斗衛星導航系統）四大GNSS（Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統）系統以及其他國家和地區的區域衛星導航系統。這種格局為鐵路領域的位置服務衛星應用提供了多樣選擇。通過引入GNSS 導航技術用于列車定位能夠有效地補充現有的定位方式，并有望成為未來列控系統的主要定位方案。

為此，下文基于北斗的多傳感器組合列車定位及信息融合技術、多模衛星列車定位技術、北斗差分列車定位技術等方面，綜述了北斗定位技術在鐵路列車定位中的應用現狀，具體如下：

1.1 多傳感器組合列車定位及信息融合技術

為確保在各類復雜地形環境，包括平地、山地、隧道和城市等，列車定位的精確性、連續性和可用性，GNSS 定位系統需引入多元化的傳感器資源以應對其定位能力下降或失效的情況。構建合理的GNSS 列車組合定位方案，并高效融合各類傳感器（如慣性測量單元、雷達等）的觀測信息，可實現列車的高精度定位。

在此過程中，信息融合作為解決此問題的有效手段，充分利用各類傳感器的信息在差異、相容性和互補特性上的優勢，將多傳感器信息進行集成，綜合利用不同傳感器的觀測數據，可彌補GNSS 系統在復雜地形和地貌條件下的局限性，解決列車定位過程中的挑戰。圖1 展示了基于GNSS 技術的列車組合定位方案的一種典型原理。在此方案中，對GNSS 測量結果與其他傳感器的測量結果進行了融合，從而實現更高質量的列車定位[1-2]。

圖1 基于GNSS 技術的列車組合定位原理

1.2 多模衛星列車定位技術

多模衛星列車定位技術是指通過使用多種衛星系統，如北斗、GPS、GLONASS 等，來確定鐵路列車的準確位置和運行狀態的技術。這種技術結合北斗定位技術在鐵路列車定位中的應用，可以提供更準確、可靠的定位信息，提高列車運行的安全性和效率。

首先，多模衛星列車定位技術利用北斗定位系統提供的衛星信號進行定位。北斗系統是我國自主研發的衛星導航定位系統，具有全球覆蓋能力和高精度定位能力。通過接收北斗衛星信號并進行數據處理，可以獲取列車位置的經緯度坐標以及高程信息。

其次，多模衛星列車定位技術在鐵路列車定位中還結合了其他衛星系統，如GPS 和GLONASS 等。這些衛星系統具有自身的優勢和特點，通過與北斗系統協同工作，可以提供更多的衛星信號，增強定位的可靠性和準確性。同時，多模衛星定位技術還可以通過對不同衛星系統信號的融合處理，提高定位的精度和可靠性。

最后，多模衛星列車定位技術還可以利用地面基站或補償網絡，對定位數據進行實時校正和補償。

1.3 北斗差分定位技術

除了多模式衛星定位技術，北斗差分定位技術也是提高GNSS 定位精度的另一重要方法。北斗差分定位技術（BDS Differential Positioning）是中國北斗導航系統（BDS）的一項技術。通過接收差分基準站與用戶接收機之間的導航信號，對用戶接收機的信號進行差分計算，從而提高定位的準確性和精度。北斗差分定位技術利用參考站點提供的準確定位信息，將其與用戶接收到的衛星信號進行對比和校正，減小信號誤差，并通過傳遞校正數值給用戶的接收機，從而實現更高的定位精度和可靠性。北斗差分定位技術可以消除大部分的普通模式誤差，如時間誤差、電離層延遲、大氣延遲等，提供更精確的定位信息。圖2 展示了列車北斗差分定位原理[3]。

圖2 列車北斗差分定位原理

北斗差分定位的優點是：無須建站、成本低、無須用戶進行過多干預、不需要GPS 信號就可實現定位，只需將接收到的信號與GPS 進行對比，即可完成相對定位[4]。目前市場上主流的差分芯片有RTK 和GPSRTK 兩種方案，其中RTK 采用偽距測距，精度約為10cm；GPS-RTK 是一種偽距測距方式，精度在50km。當北斗系統和GPS 系統工作正常時，兩個系統可以同時提供定位服務，其缺點是當某一衛星信號被干擾或遮擋時（如太陽或建筑物遮擋），將導致該衛星信號無法正常使用或丟失，導致用戶無法獲取高精度定位信息。

2 北斗定位技術在鐵路列車定位應用中存在的問題

2.1 多傳感器組合列車定位及信息融合技術

在鐵路運輸系統中，僅依靠單一的北斗衛星定位技術可能無法滿足高精度和高可靠性的要求，因此可能需要采用多傳感器組合定位技術。這涉及融合來自北斗衛星、慣性導航系統（INS）、輪徑測速器、軌道電路等多種傳感器提供的信息，以實現更為準確和穩定的列車定位，但其也存在一些挑戰和問題：

一是信息融合算法的復雜性，為了實現不同傳感器信息的有效融合，需要復雜的算法處理，這無疑增加了系統設計的難度和實施成本。

二是傳感器錯誤與干擾，每種傳感器都可能受到特定錯誤和干擾的影響，如多徑效應、信號遮擋等，如何在信息融合過程中準確識別和校正這些錯誤是一個挑戰。

三是鐵路系統對定位信息的實時性要求極高，而多傳感器信息的采集、處理與融合可能導致處理延遲，影響定位準確性和操作的及時性。

2.2 多模衛星列車定位技術

多模衛星定位技術是指同時使用北斗、GPS 以及其他如GLONASS、GALILEO 等多種衛星導航系統進行定位的技術。這種技術可以提高定位的穩定性和準確性，但也存在以下問題：

首先，不同衛星系統間的兼容性和集成問題是一個技術難點。由于不同衛星系統的信號格式、頻率等可能各不相同，要想實現各系統間的兼容與集成，就需要解決很多技術上的難題。這需要研發人員對各種衛星系統的技術細節有深入的了解，并具備豐富的技術經驗。

其次，信號遮擋和多徑效應也是影響多模衛星定位技術準確性的重要因素。在隧道、山區等地形復雜地區，衛星信號容易受到遮擋或產生多徑效應，這會導致接收到的信號失真或丟失，從而影響定位的準確性。因此，如何提高在復雜地形條件下的定位精度，是多模衛星定位技術需要解決的一個重要問題。

2.3 北斗差分定位技術

北斗差分定位技術是一種通過在鐵路沿線設置差分基站，實時發送差分修正信息給列車上的北斗接收機，從而校正衛星信號誤差，提高定位精度的高級技術。然而，這種技術在實際應用中仍然存在一些問題。

首先，盡管北斗差分定位技術已經相當成熟，但仍然會受到一些環境因素的影響。例如，大氣延遲、多路徑效應等自然因素，都可能對差分信號的精度產生影響。這些因素難以完全消除，只能通過一些技術手段盡量減小其影響。

其次，為了能夠全面覆蓋特定的鐵路線路，需要合理選擇差分基站的位置和分布。這不僅需要考慮地形因素，還需要考慮基站之間的信號覆蓋范圍以及相互之間的干擾等問題。

最后，北斗差分定位技術需要與列車控制系統等設施進行有效集成，這無疑對系統的設計和實施提出了更高的要求[5]。

3 提升鐵路列車定位應用中的北斗定位技術效果的措施

3.1 優化北斗接收器和天線設計

優化列車上北斗接收器和天線的設計是提升鐵路列車定位應用中的北斗定位技術效果的首要措施。北斗接收器需要對多種信號模式進行接收，保證在任何速度、任何位置都能快速、準確地獲取信號。而天線的設計也是十分重要的，天線要有足夠寬的頻帶，保證在各種情況下都有良好的接收信號性能。同時，天線的防振、防腐性能也很重要，保證在惡劣環境下也能正常工作。

3.2 打造完備的定位算法體系

針對鐵路列車的特點，如高速移動、強烈的多徑效應、信號遮擋等問題，需要研發并應用高效、穩健的定位算法。例如，利用緊耦合卡爾曼濾波算法可以提高傳感器數據與北斗信號的融合效果，實現更精準的定位。

此外，多徑效應和遮擋問題可能導致定位失準，這時則可以利用一些高級算法，如基于人工智能的深度學習算法，預測并校正這類問題，保證列車在各種復雜環境中的定位準確率。

3.3 創建完善的地基增強系統及定位系統

地基增強系統可以提供更高精度的定位和定向服務，通過地基站接收北斗衛星信號，計算并發布差分修正信息，使移動臺能在實時接收到衛星信號的同時，接收并應用差分修正信息，大幅度提升定位精度。另外，還可以構建實時精密定位系統，即通過設立地面差分站，實時提供衛星軌道參數、衛星鐘差等差分改正量，為列車提供厘米級的實時定位服務。

4 結語

北斗定位技術在鐵路列車定位中的應用包括多傳感器組合列車定位及信息融合技術、多模衛星列車定位技術和北斗差分定位技術。然而，在應用中仍然存在一些問題，例如多傳感器融合的復雜性、多模衛星系統的兼容性和信號質量等。為提升其效果，可優化北斗接收器和天線設計、打造完備的定位算法體系，以及創建完善的地基增強系統及定位系統。這將有助于推動鐵路行業的發展，提高列車運行的安全性和效率。