高速鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)

袁寶文

高速鐵路列車運(yùn)行速度快，行車密度大，客運(yùn)量大，對(duì)路基、橋梁、隧道、鋼軌等基礎(chǔ)設(shè)施的平順性和穩(wěn)定性，以及列車位置、速度的精確測定提出了更高的要求，對(duì)人員、鐵路資產(chǎn)等的定位精度要求也在不斷提高。而衛(wèi)星定位接收機(jī)單點(diǎn)定位精度低、數(shù)據(jù)輸出頻率低，已經(jīng)不能滿足高速鐵路對(duì)安全監(jiān)測水平和運(yùn)營管理效率方面的要求，只有通過地基增強(qiáng)系統(tǒng)和高精度衛(wèi)星接收機(jī)的結(jié)合應(yīng)用，才能實(shí)現(xiàn)高精度定位。

1 地基增強(qiáng)系統(tǒng)與技術(shù)

地基增強(qiáng)系統(tǒng) （GBAS）是將衛(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，采用多基站網(wǎng)絡(luò) （RTK）建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng) （CORS），是目前地基增強(qiáng)系統(tǒng)的主要發(fā)展方向之一。

RTK技術(shù)是建立在實(shí)時(shí)處理2個(gè)測站的載波相位觀測基礎(chǔ)上，用戶站通過數(shù)據(jù)鏈路，實(shí)時(shí)接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)和基準(zhǔn)站傳輸?shù)妮d波相位觀測數(shù)據(jù)，并組成相位差分觀測值，根據(jù)相對(duì)定位原理，實(shí)時(shí)計(jì)算整周模糊度未知數(shù)，并得到用戶站的三維坐標(biāo)，其精度通?？梢赃_(dá)到厘米級(jí)。在網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)中，區(qū)域型的網(wǎng)絡(luò)誤差模型取代線性衰減的單點(diǎn)誤差模型，通過多個(gè)基準(zhǔn)站組成的CORS網(wǎng)絡(luò)，建立該區(qū)域的定位誤差模型。整個(gè)CORS系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理中心及平臺(tái)軟件處于核心地位，CORS利用特定的算法，對(duì)基準(zhǔn)站網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得出精確的差分改正數(shù)據(jù)，使用戶得到更精確的定位數(shù)據(jù)。

自2012年底北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式提供服務(wù)以來，我國陸續(xù)開始北斗CORS系統(tǒng)的建設(shè)。對(duì)各地原有GPS CORS進(jìn)行升級(jí)、改造，實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗的兼容支持，多個(gè)區(qū)域性北斗CORS系統(tǒng)已經(jīng)建立，以滿足域內(nèi)用戶的高精度需求。國家測繪地理信息局與中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司合作進(jìn)行位置服務(wù)網(wǎng)建設(shè)，整合國家GNSS資源，率先建成覆蓋我國陸地和領(lǐng)海的全國性北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)。

考慮到鐵路行業(yè)尤其是高速鐵路的特點(diǎn)，需要建設(shè)高速鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng) （CORS）試驗(yàn)網(wǎng)，為高速鐵路沿線各部門、各工種提供統(tǒng)一的高精度定位服務(wù)，來滿足高速鐵路高精度定位應(yīng)用需求。

2 高速鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)組成

高速鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，由連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)、系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)中心、鐵路專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò) （有線、無線）以及用戶終端 （應(yīng)用）子系統(tǒng)等組成 （見圖1）。

圖1 高速鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1．連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站子系統(tǒng)。對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤、采集與傳輸，監(jiān)測設(shè)備完好性。通常設(shè)置在高速鐵路沿線較開闊區(qū)域。

2．系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)分流與處理、系統(tǒng)管理與維護(hù)、服務(wù)生成與用戶管理，以及管理各播發(fā)站、差分信息編碼、形成差分信息隊(duì)列，通常設(shè)置在鐵路總公司或者各鐵路局。

3．鐵路專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。把基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，把系統(tǒng)差分改正數(shù)據(jù)傳輸至用戶。采用鐵路沿線光纖網(wǎng)絡(luò)和專用無線通信系統(tǒng)（LTE－R、GSM－R、450MHz、800MHz等），根據(jù)現(xiàn)場條件，利用公網(wǎng)可靠資源。

4．用戶終端 （應(yīng)用）子系統(tǒng)。按照用戶需求進(jìn)行不同精度定位。

3 試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)

根據(jù)CH／T2008－2005《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范》和GB／T 28588－2012《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求，進(jìn)行試驗(yàn)網(wǎng)的選址與建設(shè)?；鶞?zhǔn)站站址一般要求如下。

1．站址應(yīng)選在基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，易于長期保存，并有利于安全作業(yè)的地方，年平均下沉和位移小于3mm。站址應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)域，如：斷層破碎帶，易于發(fā)生滑坡、沉陷等局部變形的地點(diǎn)（如采礦區(qū)、油氣開采區(qū)、地下水漏斗沉降區(qū)等），以及地下水位變化較大的地方。

2．站址應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源 （如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站、變電所等）、高壓輸電線、微波通道等。而且站址附近不應(yīng)有強(qiáng)烈干擾接收衛(wèi)星信號(hào)的物體，如大型建筑物、玻璃幕墻及大面積水域等。

3．站址視場內(nèi)高度角大于10°的障礙物遮擋角累積不應(yīng)超過30°。屋頂觀測墩應(yīng)選在堅(jiān)固穩(wěn)定的建筑物上，建筑物高度不宜超過30m。

4．站址應(yīng)可方便獲取可靠電力供應(yīng)，并應(yīng)方便接入專用通信網(wǎng)絡(luò)或公共通信網(wǎng)絡(luò)；沿線車站和通信機(jī)房就成為優(yōu)先考慮對(duì)象。

高速鐵路與普通鐵路主要區(qū)別在高速鐵路對(duì)線路平直、沉降要求更高，所以盡量采用高架橋方式。只有在地質(zhì)條件相當(dāng)好的情況下，才用土質(zhì)路基，由于沿線多數(shù)的通信機(jī)房位于高架底下或者緊挨高架，因此限制了高鐵沿線基準(zhǔn)站站址的選擇。

對(duì)某高速鐵路沿線進(jìn)行踏勘，沿線僅有一處土質(zhì)路基區(qū)段，其余均為高架線路，試驗(yàn)網(wǎng)基準(zhǔn)站選擇了2處站址：1號(hào)站位于車站附近的通信機(jī)房邊，其西南側(cè)為高架線路，高度角約為45°，存在可能的遮擋；2號(hào)站位于低路基區(qū)段的通信機(jī)房邊，周圍視野開闊。

基準(zhǔn)站主要由GNSS天線、接收機(jī)、通信設(shè)備、供電設(shè)備、同軸避雷器等組成 （見圖2）。室內(nèi)設(shè)備部署于沿線通信機(jī)房，主要設(shè)備都統(tǒng)一安裝在機(jī)架上，供電采用通信機(jī)房常用的直流－48V。GNSS天線采用扼流圈天線，固定安裝在室外穩(wěn)定的建筑物上。試驗(yàn)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心與服務(wù)器部署于鐵路局機(jī)房?；鶞?zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器間通過鐵路數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)連接。

圖2 地基增強(qiáng)基準(zhǔn)站示意圖

基準(zhǔn)站建成后，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行觀測 （見圖3）。通過星空?qǐng)D可以看出，1號(hào)站的收星數(shù)一般在17～20顆，西南側(cè)高架以及周邊的樹木造成了一定遮擋，導(dǎo)致有4～5顆星的信號(hào)接收不到；而2號(hào)站視野開闊，收星數(shù)一般在22～25顆，且接收信號(hào)良好，基本滿足CORS服務(wù)的要求。1號(hào)站的指標(biāo)雖然未能嚴(yán)格達(dá)標(biāo)，考慮到用戶終端一般位于開闊區(qū)域，收星較多，也能滿足試驗(yàn)測試需求，現(xiàn)場如具備條件應(yīng)遷建更優(yōu)站址。

試驗(yàn)網(wǎng)基準(zhǔn)站建成后開始采集衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，同時(shí)收集位于試驗(yàn)網(wǎng)基準(zhǔn)站附近的當(dāng)?shù)谻ORS系統(tǒng)5個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站的數(shù)據(jù)，進(jìn)行軟件平差計(jì)算，在CGCS2000國家大地坐標(biāo)系下，約束這5個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站，做三維約束平差，求出1號(hào)站、2號(hào)站毫米級(jí)精確坐標(biāo)，平差各項(xiàng)指標(biāo)符合限差要求。對(duì)CORS平臺(tái)軟件進(jìn)行相關(guān)參數(shù)及用戶信息配置，即對(duì)外發(fā)布試驗(yàn)用CORS服務(wù)，協(xié)議遵從RTCM國際規(guī)范。該CORS服務(wù)同時(shí)支持北斗、GPS和Glonass三大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

用不同廠家的高精度接收機(jī)在CORS試驗(yàn)網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)連接CORS試驗(yàn)服務(wù)，均實(shí)現(xiàn)快速固定解算，靜態(tài)精度達(dá)到厘米級(jí)，符合預(yù)期，實(shí)現(xiàn)高速鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)試驗(yàn)網(wǎng)預(yù)期建設(shè)目標(biāo)。

圖3 基準(zhǔn)站實(shí)測星空?qǐng)D （左側(cè)為1號(hào)站，右側(cè)為2號(hào)站）

4 思考與建議

我國的衛(wèi)星導(dǎo)航地基增強(qiáng)系統(tǒng)，特別是北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展尚處于初級(jí)階段，鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)將是國家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的重要組成部分。開展高速鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)研究，將對(duì)鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，乃至國家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)模式、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)高精度應(yīng)用產(chǎn)生參考促進(jìn)作用。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)應(yīng)有頂層設(shè)計(jì)、有統(tǒng)有分，注重?cái)?shù)據(jù)共享、資源利用的最大化以及國產(chǎn)化軟硬件的兼容與標(biāo)準(zhǔn)化。

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