北斗高精度定位技術的運用實踐研究

胡婭莉

摘要：現(xiàn)代列車運行系統(tǒng)需要通過實時位置信息定位來實現(xiàn)控制可能，而我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)就能實現(xiàn)針對列車的高精度定位技術，加強列車運行定位結果的可靠性，為列車高速穩(wěn)定運行提高安全指數。本文主要研究了基于北斗與GPS雙模衛(wèi)星系統(tǒng)的列車高精度定位方法及其相關技術理論實踐過程。

關鍵詞：北斗定位；GPS；高精度；雙模衛(wèi)星系統(tǒng)；加權完好算法

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）33-0214-02

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)并獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它目前已經基本無縫覆蓋我國本土及周邊地區(qū)，在水利防汛、交通運輸、森林防火、軍事防衛(wèi)領域都有應用，具有極高的全境范圍導航定位可用性。到2020年為止，我國計劃建成服務范圍覆蓋全球的新一代北斗導航系統(tǒng)。

1 關于列車定位

1）列車定位概述

列車定位的精確性與安全可靠性決定了其運行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，實現(xiàn)了列車的高速運行效率?？紤]到現(xiàn)如今鐵路環(huán)境越來越復雜，針對它的接收衛(wèi)星數量呈現(xiàn)幾何式分布且要求較高，所以應該采用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)配合GPS實現(xiàn)雙模雙點定位來滿足列車軌道占用識別高精度需求。從技術角度講，兩大系統(tǒng)都屬于碼分多址，都能獨立應用，二者相結合在定位精度與完備性方面表現(xiàn)更好，所以文中會給出基于兩大系統(tǒng)的雙模衛(wèi)星高精度單點定位算法，增加系統(tǒng)接收可見衛(wèi)星數量，并改善它們的幾何分布。同時也要采用加權自主完好性監(jiān)測功能來剔除可能存在的故障衛(wèi)星，進一步提升列車定位的精度與可靠性。

2）北斗與GPS雙模衛(wèi)星系統(tǒng)的定位方式分析

目前在我國，針對列車的北斗衛(wèi)星設置分布還偏少，所以在觀測條件較差的環(huán)境中定位列車還存在很大局限性，因此本文選擇北斗衛(wèi)星配合基于原始觀測數據的GPS系統(tǒng)，實現(xiàn)雙模衛(wèi)星高精度單點定位目的。從技術層面來看，北斗衛(wèi)星與GPS觀測數據系統(tǒng)在雙模組合定位過程中會統(tǒng)一坐標及時間系統(tǒng)，同時考量兩定位系統(tǒng)的衛(wèi)星碼偏差異同，所以首先要對其坐標系統(tǒng)實施統(tǒng)一校正。具體來說，一般北斗衛(wèi)星所采用的都是CGCS2000坐標系，而GPS則采用的是WGS84坐標系統(tǒng)，將兩坐標系統(tǒng)在原點、尺度與定向方面統(tǒng)一定義，并設置二者的橢球常數為[a、f、GM、ω]。在這里，扁率[f]是存在微小差異的，這種所產生的坐標差異主要是同一點在兩個坐標系在參考橢球扁率差異時所形成的，它的具體轉換方式如下：

以上3計算式中[df]代表扁率差值，[M]代表子午圈曲率半徑，[B]代表大地緯度、[L]代表大地精度。以亞米級精度的高速列車定位應用為例，考慮到北斗衛(wèi)星與GPS所定位的坐標差值較小，所以基本可以忽略不計。

其次要對時間系統(tǒng)進行統(tǒng)一校正。因為北斗時間BDT與GPS時間GPST兩系統(tǒng)都采用了原子時，所以二者的秒長定義應該相同，但是二者的起算點應該不同。由于北斗時間系統(tǒng)從2006年1月1日開始起算，所以它與GPS時間的轉換關系式應該為：

上述關系式中，[BDW、GPSW]分別代表了北斗周與GPS周，所以[BDT與GPST]就分別稱為北斗秒和GPS秒[1]。

2 北斗高精度定位系統(tǒng)與GPS的雙模衛(wèi)星單點定位分析

2.1 雙模單點定位分析

本文假設擁有[n]顆定位衛(wèi)星，在不考慮多路徑接收機影響背景下，同時觀測多顆北斗衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星，經過坐標與時間系統(tǒng)換算，統(tǒng)一坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)，最終給出雙模觀測衛(wèi)星與接收機的距離如下：

上述算式中，[ρi]表示接收機與第[i]顆衛(wèi)星的實際距離，[xi，yi，zi]表示衛(wèi)星的三維坐標，所以根據星歷計算進一步得到接收機的三維近似坐標[x0，y0，z0]。當北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS雙模衛(wèi)星在定位過程中時通常需要至少5顆衛(wèi)星才能計算解析獲取定位結果，所以如果衛(wèi)星多于5顆時，則必須通過加權最小二乘法來計算獲得最優(yōu)結果，它的計算公式為：

按照雙模衛(wèi)星系統(tǒng)的定位精度與可靠性要求，針對衛(wèi)星設定計算權值，滿足北斗與GPS雙模單點定位之于列車軌道占用識別的高精度要求。在消除誤差基礎上再通過載波相位平滑偽距方法來提高列車偽距觀測精度[2]。

2.2 基于北斗與GPS雙模衛(wèi)星的加權完好性算法分析

1）列車的定位系統(tǒng)完好性基本要求分析

所謂列車定位系統(tǒng)完好性就是指在給定時間與條件范圍內所實現(xiàn)的有關安全功能概率。對列車組合定位的安全完好性而言，它就是為了確保列車系統(tǒng)不會出現(xiàn)任何危險，或將危險所導致誤差范圍控制在列車運行的可承受范圍之內。所以要采用安全完好性監(jiān)測算法來估計和定位誤差，降低風險發(fā)生率。就安全完好性監(jiān)測算法內容看，它主要將定位誤差與已知安全極限值進行對比，并在比較后給出定位結果安全完好性水平。它所反映的完好性安全水平主要體現(xiàn)在3個關鍵指標上：水平保護距離、危險率以及報警時間延遲。水平保護距離主要是在定位過程中所允許的最大定位誤差，它能夠從定位空間角度來反映系統(tǒng)運行過程中的實際安全狀況；危險率主要考察圍繞定位結果所造成的非常安全危險概率。它能從概率角度來表述系統(tǒng)的可靠性；報警時間延遲主要針對定位誤差，當誤差超過報警門限時，報警信息輸出所允許的最大延遲時間就能體現(xiàn)出來，從時間尺度上反映系統(tǒng)對于安全完好性的體現(xiàn)程度。我國北斗衛(wèi)星列車定位目前主要根據歐洲所規(guī)劃的GALILEO列車控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對安全應用領域的指標測算及規(guī)范，但在實際的參數指標體現(xiàn)方面略有不同。下表1給出我國的鐵路線路安全性指標數據，如表1。

在上表1中，各個密度與站內對水平精度及水平報警的距離各不相同，所以基于不同的鐵路線路定位指標要求，應該選取相應的定位精度系統(tǒng)可用性指標，比如本文所提到的北斗衛(wèi)星列車定位完好性監(jiān)測就可以基于這一性能數據指標來完成列車現(xiàn)場定位測試[3]。

2）雙模衛(wèi)星定位完好性監(jiān)測算法解析

由于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)及GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星會受到衛(wèi)星軌道、多路徑、星歷等諸多因素誤差影響，所以必須對定位過程中衛(wèi)星所涉及的數據質量進行RAIM自主完好性監(jiān)測，盡可能排除與結算所存在的故障衛(wèi)星，確保北斗多模組合定位結果真實有效和安全可靠。基于上述內容，圍繞北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS所展開的雙模衛(wèi)星定位完好性監(jiān)測算法主要要實現(xiàn)以下3點操作步驟。

首先要對衛(wèi)星軌道徑向誤差保護值進行檢查，以確保自主完好性監(jiān)測RAIM的合理有效，同時提高定位誤差檢出率。這一步操作需要大量衛(wèi)星，同時要求它們的空間分布DOP值越小越好，要符合徑向誤差保護值的基本要求，以下給出定位衛(wèi)星的傾斜率Slope值：

在基于北斗衛(wèi)星與GPS雙模衛(wèi)星定位時，如果已經觀測到6顆衛(wèi)星，就能進行RAIM完好性監(jiān)測的有效實施，將有故障的衛(wèi)星去除掉，然后再對所觀測衛(wèi)星對象進行重新一輪的最小二乘定位解算[4]。

3 總結

本文圍繞北斗衛(wèi)星與GPS雙模系統(tǒng)的高精度單點列車定位算法，利用北斗與GPS雙模偽距計算方法提高了其觀測精度，基本將列車單點定位提高到亞米級定位精度。節(jié)省了對傳統(tǒng)GNSS差分站的建設與維護成本，也增加了可觀測衛(wèi)星數，改善了其可觀測衛(wèi)星幾何分布結構，RAIM自主完好性檢測剔出了故障衛(wèi)星，這些對提高列車高精度定位技術結果都起到了實際效用，值得進一步深入研究推廣。

參考文獻：

[1] 周露，劉寶忠.北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的技術特征分析與應用[J].全球定位系統(tǒng)，2004，29（4）：12-16.

[2] 戴連君.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的列車定位方法研究[D].北京交通大學，2013.87-94.

[3] 雍雯.北斗高精度定位模糊度解算方法研究[D].東南大學，2014.23-30.

[4] 邱望智.基于GPS/北斗衛(wèi)星的列車導航定位研究[D].北京交通大學，2014.46-51.