北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在地鐵的應(yīng)用探討

■ 趙輝

0 引言

近年來，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在我國軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，如鐵路行業(yè)中線路巡檢智能管理、鐵路工程勘測(cè)、通信系統(tǒng)時(shí)鐘授時(shí)等。但現(xiàn)階段應(yīng)用主要是基于GPS系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的，缺乏自主權(quán)，隨時(shí)存在美方降低服務(wù)精度甚至關(guān)閉GPS的安全隱患[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是以我國安全、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)發(fā)展需要為前提，以面向全球用戶提供服務(wù)為目標(biāo)的系統(tǒng)，可獨(dú)立于國外現(xiàn)有衛(wèi)星定位技術(shù)并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)迅猛發(fā)展的形勢(shì)下，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端產(chǎn)品的兼容性更加強(qiáng)大，應(yīng)用范圍更加廣泛，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵行業(yè)，徹底打破對(duì)GPS的依靠，全面提升相關(guān)系統(tǒng)的安全性和可靠性勢(shì)在必行。

1 系統(tǒng)概述

1.1 發(fā)展與構(gòu)成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)以“自主、開放、兼容、漸進(jìn)”為原則，將發(fā)展分為北斗一號(hào)、北斗二號(hào)和北斗三號(hào)3個(gè)階段。20世紀(jì)末期，開始對(duì)適用于我國國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行探索。2000年底北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)成功組建。2017年底，北斗三號(hào)首批組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射成功，我國自己的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開始建造，多年來的建設(shè)工作已使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ慌c授時(shí)技術(shù)方面進(jìn)入成熟階段，并且獲得了聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)的供應(yīng)商資格認(rèn)定?，F(xiàn)階段北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已能提供24 h的高可靠度服務(wù)，預(yù)計(jì)到2020年，隨著衛(wèi)星組網(wǎng)工作的進(jìn)一步開展，定位精度將由10．0 m進(jìn)一步提升到2．5 m，提供更加精準(zhǔn)的定位及測(cè)速服務(wù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分構(gòu)成。空間段主要是由運(yùn)行在太空中依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分布在不同軌道平面上的若干個(gè)空間衛(wèi)星組成的星座構(gòu)成；在地面段，由監(jiān)測(cè)站對(duì)衛(wèi)星軌道及時(shí)間參數(shù)進(jìn)行跟蹤并將數(shù)據(jù)傳遞給主控站，主控站通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)結(jié)果將命令與數(shù)據(jù)通過地面天線發(fā)送給衛(wèi)星；用戶段部分主要由各種信號(hào)接收設(shè)備組成，其中包括能夠與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相互兼容的芯片模塊與應(yīng)用服務(wù)等[2]。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相較其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)而言，在系統(tǒng)性能特點(diǎn)上具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先，在空間段部分運(yùn)行的衛(wèi)星分布在3個(gè)軌道平面，高軌道衛(wèi)星數(shù)量較多，抗遮擋能力強(qiáng)，在目前低緯度地區(qū)的測(cè)試中表現(xiàn)出極佳性能。其次，北斗三號(hào)在導(dǎo)航信號(hào)的使用上采用多種頻點(diǎn)互相組合的方式，進(jìn)一步提升導(dǎo)航定位服務(wù)的精準(zhǔn)度與可靠性。同時(shí)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有短信報(bào)文功能，是對(duì)導(dǎo)航與通信能力的創(chuàng)新融合。上述特點(diǎn)中，短信報(bào)文功能是其他現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)所沒有的特殊功能。此功能簡(jiǎn)單而言就是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅能讓用戶端本身知道自身時(shí)間和位置，還能通過短信報(bào)文功能將該用戶的位置信息發(fā)送出去，讓其想告知的用戶獲知他的情況。在過去的災(zāi)害搜救工作中，由于GPS定位原理的限制導(dǎo)致定位誤差較大，嚴(yán)重影響搜救效率的事件屢次發(fā)生，因此短信報(bào)文功能使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在技術(shù)層面上有著GPS等系統(tǒng)無法超越的一面。

圖1 北斗衛(wèi)星列車定位示意圖

2 地鐵應(yīng)用

2.1 后備模式下列車定位及軌道占用情況檢測(cè)

目前大多數(shù)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)控制模式是以基于無線通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）為主用模式，同時(shí)設(shè)計(jì)了以計(jì)軸系統(tǒng)作為軌道空閑占用檢測(cè)設(shè)備的后備模式。當(dāng)運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)無線通信故障時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)將采取降級(jí)運(yùn)行的后備模式確保線路運(yùn)營(yíng)不中斷。信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)采集到的計(jì)軸設(shè)備提供的檢測(cè)信息即可判斷軌道的空閑與占用情況：當(dāng)計(jì)軸設(shè)備顯示某軌道區(qū)段空閑，可以判斷該區(qū)段內(nèi)沒有列車存在；而當(dāng)計(jì)軸設(shè)備顯示某軌道區(qū)段為占用時(shí)，則可判斷該區(qū)間內(nèi)可能有1列或多列車存在[3]。

由于計(jì)軸系統(tǒng)的檢測(cè)原理是在1個(gè)區(qū)段的鋼軌兩端各安裝1個(gè)傳感器，由始端末端的傳感器各自對(duì)經(jīng)過磁頭的列車輪對(duì)數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后與對(duì)方進(jìn)行比較來判斷區(qū)段空閑與否，所以計(jì)軸系統(tǒng)的檢測(cè)是以區(qū)段為單位的檢測(cè)，而不是對(duì)列車在某區(qū)段內(nèi)的定位檢測(cè)。同時(shí)，計(jì)軸設(shè)備只能檢測(cè)某些區(qū)段內(nèi)有無列車，并不能檢測(cè)出列車數(shù)量并進(jìn)行信息反饋。計(jì)軸系統(tǒng)給出的列車位置報(bào)告僅能顯示列車在某個(gè)區(qū)段內(nèi)，而不能顯示該車在區(qū)段內(nèi)的精準(zhǔn)位置和速度，因此仍需安裝其他大量軌旁設(shè)備用于列車定位及位置信息的報(bào)送，無形中增加了建設(shè)成本及運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅具有對(duì)于移動(dòng)物體的目標(biāo)定位功能，還可進(jìn)行雙向通信。通過在列車頭尾兩端安裝北斗導(dǎo)航接收機(jī)終端設(shè)備，與北斗衛(wèi)星通過雙向通信實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)營(yíng)車輛的實(shí)時(shí)定位，根據(jù)列車在運(yùn)營(yíng)線路的定位情況即可判斷列車所在軌道區(qū)段位置（見圖1）。因此使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為后備模式下的列車定位及軌道占用情況檢測(cè)手段，不僅能通過列車定位檢測(cè)判斷出線路上每個(gè)軌道區(qū)段空閑占用情況，還可通過對(duì)多列相鄰列車的位置信息識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)某一軌道區(qū)段內(nèi)列車數(shù)量的判斷。這一應(yīng)用將在較大程度上簡(jiǎn)化軌旁設(shè)備種類及數(shù)量，降低運(yùn)營(yíng)維修工作量。

2.2 完全替代GPS為時(shí)鐘系統(tǒng)提供授時(shí)服務(wù)

時(shí)鐘系統(tǒng)是地鐵通信系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是為各線路車站提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息，同時(shí)要向軌道交通大系統(tǒng)中運(yùn)行的各子系統(tǒng)（如列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)與乘客信息系統(tǒng)）發(fā)送校時(shí)信號(hào)，使各子系統(tǒng)的時(shí)間集中同步。

地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)一般由一級(jí)母鐘、二級(jí)母鐘、子鐘以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備組成。根據(jù)各級(jí)時(shí)鐘的不同功能以及實(shí)際應(yīng)用需求，將一級(jí)母鐘設(shè)置在地鐵控制中心，將二級(jí)母鐘及子鐘設(shè)置在車站及車輛基地。兩級(jí)母鐘之間以及二級(jí)母鐘與子鐘之間的校準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)均通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備進(jìn)行傳遞，最終為地鐵各子系統(tǒng)設(shè)備、工作人員和乘客提供統(tǒng)一的時(shí)間信號(hào)。目前，時(shí)鐘系統(tǒng)普遍采用接收GPS系統(tǒng)提供的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行一級(jí)母鐘的時(shí)間校對(duì)[4]。

GPS系統(tǒng)雖然覆蓋率高達(dá)98%，且廣泛應(yīng)用于民間時(shí)鐘系授時(shí)及定位等方面，但其源自于美國軍方項(xiàng)目，終究具有外方技術(shù)壟斷特點(diǎn)，一旦出現(xiàn)美方關(guān)閉GPS信號(hào)將對(duì)使用者產(chǎn)生極大影響。截至2017年，我國開通軌道交通線路的城市已超過30個(gè)，這些城市的地鐵線路每天擔(dān)負(fù)著運(yùn)送數(shù)以萬計(jì)乘客的重要使命，例如，2018年北京地鐵全路網(wǎng)的日均客運(yùn)量已超過1 000萬人次，地鐵已成為民眾出行的主要交通工具。隨著未來城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展建設(shè)，該領(lǐng)域與人民生活的聯(lián)系會(huì)更加緊密。在這種形勢(shì)下，繼續(xù)使用GPS作為時(shí)間校準(zhǔn)信號(hào)存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)被稱作北斗時(shí)，北斗時(shí)采用秒為計(jì)數(shù)單位，將國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的2006年1月1日00：00：00作為北斗時(shí)計(jì)時(shí)的起始時(shí)間，與國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的時(shí)間偏差限制在50 ns以內(nèi)。對(duì)于閏秒信息，北斗時(shí)不做累計(jì)，只在導(dǎo)航電文中進(jìn)行播報(bào)[5]。隨著北斗組網(wǎng)步驟加快，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋范圍和穩(wěn)定性都將逐步提升，目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在亞太區(qū)域內(nèi)定位測(cè)速精度和授時(shí)精度方面都已滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，完全可以為用戶服務(wù)，已有少數(shù)交通系統(tǒng)的時(shí)鐘控制采用“GPS+北斗”雙模定位授時(shí)模式。與GPS授時(shí)模式相較而言，我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，更適合于我國國情，因此在軌道交通時(shí)鐘系統(tǒng)中應(yīng)用北斗定位授時(shí)模式將更加安全可靠，是未來地鐵時(shí)鐘系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是基于我國安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，不依賴國外技術(shù)研發(fā)建設(shè)的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)全天候安全可靠服務(wù)的同時(shí)，其特有的短信報(bào)文功能改變了傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)單向定位的思維，可進(jìn)行更加準(zhǔn)確的位置信息發(fā)布。將該系統(tǒng)應(yīng)用于地鐵行業(yè)是軌道交通運(yùn)輸信息化和現(xiàn)代化的體現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)代交通運(yùn)輸體系的建設(shè)具有重要意義。

[1] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室． 中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)白皮書中文版[EB/OL]．（2016-06-16）[2018-03-29]． http://www．beidou．gov．cn/xt/gfxz/201712/P020171218335302347852．pdf．

[2] 蔣亞峰． GPS與GIS集成定位在鐵路列車上的應(yīng)用[J]． 鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2005，27(1)：60-61．

[3] GB 50157—2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[4] 李繼元． 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)運(yùn)用現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]． 中國鐵路，2016(10)：57-60．

[5] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室． 北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件B3I（1．0版）[EB/OL]．（2018-02-09）[2018-03-29]． http://www．beidou．gov．cn/xt/gfxz/201802/P020180209620480385743．pdf．