基于北斗的動車組實時高精度定位系統(tǒng)研究與應用

張曉鈞，崔洪州，袁圣勇

(通號通信信息集團有限公司，上海 200070)

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基于北斗的動車組實時高精度定位系統(tǒng)研究與應用

張曉鈞，崔洪州，袁圣勇

(通號通信信息集團有限公司，上海 200070)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)已向亞太區(qū)域提供正式服務并開始建設北斗全球系統(tǒng)。為了評估驗證北斗系統(tǒng)在高速移動條件下的實時差分定位精度，本文設計了動車組實時高精度定位系統(tǒng)并建設了高速鐵路試驗段。實測結(jié)果表明，高速移動條件下動車組列車實時定位的水平垂直軌道方向精度優(yōu)于1 m，具備區(qū)分清楚動車組列車所處軌道的能力，一定程度上能滿足鐵路行業(yè)定位應用的迫切需求。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng);動車組列車;高精度;實時差分;高速移動

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我國正在實施的自主研發(fā)運營、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼GPS、GLONASS之后第3個面向全球覆蓋的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[1-2]。2012年12月27日，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)開始向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導航、授時等服務[3]。2015年3月30日，首顆新一代北斗導航衛(wèi)星的成功發(fā)射標志著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由區(qū)域運行向全球拓展的啟動實施。對北斗導航定位性能的評估結(jié)果表明北斗系統(tǒng)的定位精度與GPS處在同一水平[4-7]，證明北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)具備我國范圍內(nèi)的高精度定位能力。對于10 km以內(nèi)的基線，目前北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的相對定位精度在3 cm左右，整體結(jié)果達到厘米級精度，能夠滿足測繪、交通等領(lǐng)域的應用[8]。

高精度衛(wèi)星定位在鐵路領(lǐng)域的應用主要集中在鐵路勘測、沉降監(jiān)測、軌檢等靜態(tài)或者低速運動的場景，且以GPS為主[9-10]。鐵路行業(yè)基于北斗系統(tǒng)的高精度定位應用尚處于起步階段[11-13]，應用于高速移動場景的實時高精度衛(wèi)星定位鮮有報道。高速鐵路系統(tǒng)具備運行速度快、發(fā)車間隔小、行車密度高、客運量大等特點，在諸多保證高鐵線路高安全、高可靠運營的參數(shù)或信息中，實時、準確的動車組列車物理位置信息是列車運行控制、調(diào)度指揮各系統(tǒng)所需的關(guān)鍵性基礎(chǔ)信息之一。準確、及時地獲取高精度的動車組列車位置信息，是保證行車安全、發(fā)揮速度優(yōu)勢、提供品質(zhì)服務的前提。

1 動車組實時高精度定位系統(tǒng)設計

基于北斗的動車組實時高精度定位系統(tǒng)分為地面子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)兩大部分。列車自主定位由車載子系統(tǒng)實時差分解算完成，地面子系統(tǒng)為車載子系統(tǒng)提供差分數(shù)據(jù)以實現(xiàn)實時高精度定位。列車車載設備與地面設備間通過3G/4G網(wǎng)絡建立無線通信鏈路，進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于北斗的動車組高精度定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 車載子系統(tǒng)

車載子系統(tǒng)是動車組列車自主定位的核心設備。車載子系統(tǒng)主要由車載主控計算機、車載衛(wèi)星定位單元、車載高精度天線、車載3G/4G無線通信設備及天線及人機界面等組成。車載衛(wèi)星定位單元通過高精度天線接收衛(wèi)星信號并結(jié)合地面子系統(tǒng)提供的差分信息進行高精度定位的解算，輸出高精度定位解算結(jié)果；車載主控計算機處理各功能單元間的數(shù)據(jù)交互，從地面服務器獲取相應差分數(shù)據(jù)后提供給車載衛(wèi)星定位單元，并將高精度定位解算結(jié)果匯報給地面服務器，從地面服務器獲取一定范圍內(nèi)其他列車的精確位置，并在人機界面的地圖上標定。

1.2 地面子系統(tǒng)

地面子系統(tǒng)輔助動車組列車進行高精度定位，同時也是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理中心。地面子系統(tǒng)主要由北斗地基增強子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心、專用光纖通信網(wǎng)絡、3G/4G通信設備及其他輔助設備組成。北斗地基增強子系統(tǒng)由差分基準站、控制與數(shù)據(jù)中心、播發(fā)服務等組成。差分基準站一般設置在車站或沿線通信機房，其位置坐標精確測定，負責接收衛(wèi)星信號，并將載波相位觀測數(shù)據(jù)發(fā)給控制與數(shù)據(jù)中心；控制與數(shù)據(jù)中心根據(jù)基準站傳輸?shù)妮d波相位觀測數(shù)據(jù)解算并生成差分信息，通過播發(fā)服務向動車組列車提供相應的差分數(shù)據(jù)。地面子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心接收、存儲并分發(fā)動車組列車精確定位信息。

2 高速鐵路試驗段建設

為了驗證高速移動場景下基于北斗的動車組高精度定位系統(tǒng)的性能，在設計時速350 km/h的城際鐵路沿線建設了高速鐵路試驗段。

(1) 北斗地基增強子系統(tǒng)試驗網(wǎng)[14]由2個基準站和1個系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)中心組成。依托城際鐵路沿線通信機房，利用CGCS2000坐標系下的B級控制點建設了2個基準站，兩站之間直線距離約22 km?？刂婆c數(shù)據(jù)中心設在鐵路局機房，與基準站之間通過專用光纖通信鏈接，負責解算和對外播發(fā)差分數(shù)據(jù)，差分數(shù)據(jù)遵循RTCM 3.x標準。地面子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心部署在鐵路局機房，配置有通信服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、存儲服務器、GIS服務器和應用服務器等。

(2) 試驗列車為1列CRH3C型高速動車組，最高運行速度可達350 km/h。高精度定位天線和通信天線安裝在車頂中心線上的天線底座上，如圖2所示。其余車載設備安裝在車廂內(nèi)機柜內(nèi)。

圖2 車頂天線(左為高精度定位天線，右為通信天線)

(3) 獲取正線軌道中心線坐標。選擇一段約3 km的平直正線區(qū)段作為驗證高速移動條件下北斗定位精度的參考。選擇平直正線區(qū)段的優(yōu)勢：①便于獲取軌道中心線坐標；②高精度定位天線在軌道面的投影與軌道中心線重合，也就是說理想狀況下的定位坐標應該落在軌道中心線上。

首先在現(xiàn)場采集多個控制點對高精度航拍影像進行校準，然后通過軌間距和線間距的約束條件獲得軌道中心線坐標，如圖3所示(圖中的點分別是列車上下行車次的實時定位)。

圖3 參考正線軌道中心線

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

車載衛(wèi)星定位單元的RTK定位數(shù)據(jù)更新率設為5 Hz，獲取差分數(shù)據(jù)的頻率設為1 Hz，向數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)庫上報的頻率也設為5 Hz。

為期一個月的數(shù)據(jù)采集時間內(nèi)，共計有226個車次以高速通過上述參考線路區(qū)段，其中下行121個車次，上行105個車次，采集下行車次坐標數(shù)據(jù)19 245條，上行車次坐標數(shù)據(jù)17 023條，共計坐標數(shù)據(jù)36 268條。

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采集的36 268條坐標數(shù)據(jù)中，固定解占98.33%，浮動解占1.34%，偽距差分解占0.22%，單點定位占0.11%。

眾所周知，差分支持下的解算結(jié)果通常明顯優(yōu)于普通單點解算結(jié)果。對于動車組列車在高速移動場景下的定位應用來說，列車每秒移動可達80多米，因此沿鐵軌方向的定位精度優(yōu)于普通單點定位，不會對應用產(chǎn)生較明顯影響，而水平垂直軌道方向的定位誤差則會對列車所在軌道的判斷產(chǎn)生直接影響，因此系統(tǒng)主要關(guān)注水平垂直軌道方向的定位誤差。

利用ArcGIS Runtime SDK的GeometryEngine模塊計算列車定位坐標數(shù)據(jù)到軌道中心線的距離作為水平垂直軌道方向的誤差。

計算結(jié)果顯示，在下行方向上，99.77%的水平垂直軌道方向誤差小于1 m，99.65%的水平垂直軌道方向誤差小于0.5 m，平均水平垂直軌道方向誤差0.152 m，最大水平垂直軌道方向誤差2.221 m，最小水平垂直軌道方向誤差0 m；在上行方向上，99.98%的水平垂直軌道方向誤差小于1 m，99.52%的水平垂直軌道方向誤差小于0.5 m，平均水平垂直軌道方向誤差0.158 m，最大水平垂直軌道方向誤差1.167 m，最小水平垂直軌道方向誤差0 m。水平垂直軌道方向誤差的頻率分布如圖4所示。

從時間分布(即車次)來看，上下行均有個別車次的水平垂直軌道方向誤差較大。其原因是定位未能實現(xiàn)RTK差分解算，搜星質(zhì)量較差或未接收到差分數(shù)據(jù)是常見的原因。水平垂直軌道方向誤差的時間分布如圖5所示。

計算結(jié)果顯示，高速移動條件下的水平垂直軌道方向誤差比靜態(tài)條件下大，主要集中在0～0.5 m范圍內(nèi)，當速度從265 km/h增加到300 km/h以上時，水平垂直軌道方向誤差的分布并沒有明顯的改變。水平垂直軌道方向誤差的速度分布如圖6所示。

4 應用分析

定位精度是動車組列車衛(wèi)星定位性能的重要指標之一。動車組列車定位可沿鐵軌方向分為沿軌道方向和水平垂直軌道方向。沿軌道方向上，應能區(qū)分清楚同一軌道上運行的前后兩列列車，通常小于目前用于列車定位的軌道電路長度即可，而軌道電路一般長數(shù)百米到幾千米，那么沿軌道方向上的定位精度能優(yōu)于100 m即可，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的常規(guī)定位性能已能滿足這一定位精度需求；水平垂直軌道方向上，應能區(qū)分清楚列車所處的軌道，這主要取決于鐵路相鄰軌道的最小線間距。按照我國鐵路相關(guān)規(guī)定[15]的要求，鐵路區(qū)間雙線、站內(nèi)正線的線間最小距離見表1。

圖4 水平垂直軌道方向誤差的頻率分布

圖6 水平垂直軌道方向誤差的速度分布

名稱/(km/h)線間最小距離/mm區(qū)間雙線v≤1204000120

以最小的線間距離4000 mm計算，要將列車所處軌道區(qū)分清楚的水平垂直軌道方向誤差應小于2 m，一般應盡量控制在1 m以內(nèi)。

歐洲于2000年提出的干線和站內(nèi)軌道用于列控系統(tǒng)的列車衛(wèi)星定位水平精度指標是1 m。2014年發(fā)布的美國聯(lián)邦無線電導航計劃對用于列車運行控制的衛(wèi)星定位精度指標也是1 m[16]。

結(jié)合實測結(jié)果分析，基于北斗的動車組實時高精度定位系統(tǒng)在水平精度方面明顯優(yōu)于青藏鐵路ITCS系統(tǒng)3～5 m的定位精度[16]，具備滿足包括列控系統(tǒng)在內(nèi)的多種應用對于衛(wèi)星定位精度需求的能力。

5 結(jié)論與展望

試驗結(jié)果表明，在時速約300 km/h的高速移動條件下，綜合考慮軌道中心線測定等誤差后，動車組列車實時定位水平垂直軌道方向誤差能小于1 m，并且高度集中在0～0.5 m范圍內(nèi)，具備了區(qū)分清楚動車組列車所處軌道的能力，證明系統(tǒng)實現(xiàn)了在該場景下的動車組列車實時高精度定位，且水平垂直軌道方向精度達到了分米級，一定程度上滿足了鐵路行業(yè)定位應用的迫切需求。

對于鐵路行業(yè)定位應用的各種復雜場景而言，單一的衛(wèi)星定位面臨著諸如橋隧或車站頂棚對信號的遮擋、多徑效應、信號干擾、失鎖等一些制約因素，需要引入慣導、光纖陀螺、里程計等各種類傳感器及其技術(shù)，通過多傳感器組合融合來提升衛(wèi)星定位的實際應用性能，這樣才能為鐵路行業(yè)定位應用提供精確、可靠、連續(xù)、可用、完好的定位信息。

隨著我國自主建設、獨立運營的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)逐步建設與性能完善，基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)并融合多傳感器的列車定位技術(shù)將是鐵路行業(yè)定位技術(shù)的重要研究方向，有望迎來廣闊的應用推廣前景。

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Research and Application of Real-time High-precision Positioning System for High-speed EMU Based on BeiDou)

ZHANG Xiaojun,CUI Hongzhou,YUAN Shengyong)

(CRSC Communication & Information Group Company Ltd., Shanghai 200070，China)

BeiDou navigation satellite system has possessed formal services for the Asia-Pacific region and begun the construction of BeiDou’s global satellite navigation system. For evaluating the real-time differential positioning accuracy of BDS under the high-speed moving conditions, a real-time high-precision positioning system is designed for EMU trains and a high-speed railway test section is constructed. The field testing results show that the real-time positioning accuracy in vertical track direction on level can be better than 1 m under the condition of EMU train high speed moving which indicates that the system has the ability to clearly distinguish the track of the EMU train. To a certain extent, the system can meet some urgent needs of the positioning applications in railway industry.

BDS; high-speed EMU; high-precision; real-time difference; high-speed moving

張曉鈞，崔洪州，袁圣勇.基于北斗的動車組實時高精度定位系統(tǒng)研究與應用[J].測繪通報，2017(6)：77-81.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0194.

2016-12-29；

2017-02-16

中國鐵路通信信號股份有限公司重大科研課題(2014J03)

張曉鈞(1983—)，男，博士，主要研究方向為鐵路物聯(lián)網(wǎng)。E-mail:zhangxiaojun@crscic.com

P228

A

0494-0911(2017)06-0077-05