列車組合定位系統(tǒng)定位精度評(píng)估方法研究

劉 丹， 王 劍,2,3， 姜 維,2,3， 上官偉,2,3

(1. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 北京 100044； 2. 北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044；3. 北京市工程技術(shù)研究中心， 北京 100044)

為滿足我國(guó)鐵路更高運(yùn)行速度、更高行車密度及降低鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的要求，我國(guó)下一代列控系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的基于軌旁設(shè)備的定位，采用基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)的列車定位方式[1]，不僅可以減少軌道電路和應(yīng)答器等軌旁設(shè)備，降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，同時(shí)還可提高列車定位精度，實(shí)現(xiàn)高更新率的實(shí)時(shí)連續(xù)定位。以滿足鐵路系統(tǒng)安全應(yīng)用可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性RAMS(Reliability, Availability, Maintainability and Safety)的需求，需要對(duì)列車的定位精度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估[2]。

一般定位精度是指觀測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差。按照標(biāo)準(zhǔn)值的不同定義，定位系統(tǒng)的定位精度評(píng)估類型主要分為兩種[3]，第一種是將定位系統(tǒng)的測(cè)量值與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)估定位系統(tǒng)的性能。第二種是在系統(tǒng)的使用過(guò)程中進(jìn)行，由于無(wú)法獲取真實(shí)值，只能將定位系統(tǒng)的測(cè)量值與估計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估定位系統(tǒng)的定位精度以及定位結(jié)果是否滿足其他系統(tǒng)的需求。這兩種定位精度評(píng)估類型的區(qū)別在于標(biāo)準(zhǔn)值的選取。因此，需要選取高精度的定位參考系統(tǒng)，評(píng)估定位系統(tǒng)的定位精度，提高評(píng)估結(jié)果的可信性。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)第一種定位精度評(píng)估類型進(jìn)行了大量研究，以高精度數(shù)字軌道地圖、應(yīng)答器和載波相位差分定位系統(tǒng)作為參考，評(píng)估列車定位系統(tǒng)的定位精度。

由于列車沿軌道運(yùn)行具有一維特性，高精度數(shù)字軌道地圖可以為列車的定位精度評(píng)估提供參考。數(shù)字軌道地圖是存儲(chǔ)軌道地理信息與拓?fù)湫畔⒌碾娮拥貓D，是一種低成本、高穩(wěn)定性的連續(xù)導(dǎo)航信息源[4]。借助數(shù)字軌道地圖存儲(chǔ)的高精度軌道地理信息，包括信號(hào)機(jī)、道岔、絕緣節(jié)和應(yīng)答器等關(guān)鍵信息點(diǎn)，可以評(píng)估列車定位系統(tǒng)的定位精度。文獻(xiàn)[5-7]中采用高精度數(shù)字軌道地圖為參考，利用投影的地圖匹配方法，分析列車沿股道方向和垂直股道方向的定位精度。但數(shù)字軌道地圖測(cè)量過(guò)程復(fù)雜，操作不易，且地圖制作過(guò)程有人為不確定因素的影響，導(dǎo)致最終地圖數(shù)據(jù)庫(kù)存在誤差，影響列車定位系統(tǒng)定位精度評(píng)估。

目前，中國(guó)和歐洲的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，列車定位功能均以軌道上應(yīng)答器的位置作為絕對(duì)參考點(diǎn)，評(píng)估列車的定位精度。根據(jù)中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，列車定位單元測(cè)距誤差達(dá)到2%以內(nèi)[8]，歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，測(cè)距誤差達(dá)到(±5+5%) m[9]。由此可以看出，列車測(cè)距誤差與走行距離有關(guān)，定位精度會(huì)隨著列車運(yùn)行距離的累積而降低。一方面，這種定位精度評(píng)估方法解算的列車定位精度是相對(duì)定位精度，無(wú)法得到列車安全運(yùn)行需要的實(shí)時(shí)絕對(duì)定位精度。另一方面，因?yàn)橐詰?yīng)答器作為參考系統(tǒng)評(píng)估定位精度有局限性，隨著下一代列控系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)答器、軌道電路等軌旁設(shè)備會(huì)大量減少甚至全部消除。

基于衛(wèi)星導(dǎo)航的定位技術(shù)起源于測(cè)繪領(lǐng)域，目前廣泛采用載波相位差分固定解的方式，以定位精度可達(dá)到厘米級(jí)的高精度位置結(jié)果為參考，來(lái)評(píng)估定位系統(tǒng)的定位精度。文獻(xiàn)[10-12]中采用GNSS差分定位模式解算得到的定位結(jié)果為參考，評(píng)估定位系統(tǒng)的定位精度。但在這種定位精度評(píng)估方法中，要得到厘米級(jí)的高精度位置解，載波相位模糊度必須固定。但是在實(shí)際應(yīng)用中，載波相位模糊度很難固定，大部分情況解算得到的都是浮點(diǎn)解，影響定位精度評(píng)估結(jié)果。

綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于列車定位精度評(píng)估的研究主要集中于第一種定位精度評(píng)估類型，這種精度評(píng)估類型無(wú)法實(shí)時(shí)獲得列車的絕對(duì)定位精度。而基于第二種類型或者綜合考慮兩者的研究相對(duì)較少。

基于以上分析，為滿足列控系統(tǒng)對(duì)列車安全定位的要求，本文設(shè)計(jì)了基于GNSS的列車組合定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取列車位置信息。綜合考慮兩種定位精度評(píng)估類型，提出了基于高精度參考系統(tǒng)的列車組合定位系統(tǒng)定位精度評(píng)估方法。采用SPAN-FSAS高精度組合定位系統(tǒng)為參考，通過(guò)計(jì)算瞬時(shí)定位誤差評(píng)估實(shí)時(shí)定位精度。采用后定位處理軟件，IE(Inertial Explorer)緊耦合和RTKLIB動(dòng)態(tài)模式解算的高精度定位結(jié)果為參考，通過(guò)計(jì)算常用的定位精度評(píng)估參數(shù)，定量評(píng)估后處理定位精度。在環(huán)行鐵道試驗(yàn)線進(jìn)行的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的列車組合定位系統(tǒng)定位精度評(píng)估方法。

1 列車組合定位系統(tǒng)工作原理

由于列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，隧道、山區(qū)、森林等衛(wèi)星信號(hào)遮擋會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星幾何精度降低，接收機(jī)無(wú)法給出定位解或定位精度很差。此時(shí)GNSS需要與其他導(dǎo)航系統(tǒng)組合，實(shí)現(xiàn)列車連續(xù)定位。因此，本文設(shè)計(jì)了數(shù)字軌道地圖輔助的GNSS/INS (Inertial Navigation System)列車組合定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為列車組合定位系統(tǒng)，系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

列車組合定位系統(tǒng)由GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和慣性量測(cè)單元IMU(Inertial Measurement Unit)定位傳感器構(gòu)成，主要包括數(shù)據(jù)采集單元和核心處理單元，完成列車實(shí)時(shí)定位信息的采集、預(yù)處理、融合與輸出。

數(shù)據(jù)采集單元包括衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和慣性導(dǎo)航單元，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)通過(guò)接收GNSS原始衛(wèi)星信號(hào)，解算得到列車的位置和速度信息；慣性導(dǎo)航單元實(shí)時(shí)采集列車加速度和角速度信息，基于自身力學(xué)編排原理，對(duì)加速度和角速度信息分別積分，得到列車速度和姿態(tài)信息，對(duì)速度進(jìn)一步積分，解算得到列車位置信息。

核心處理單元包括系統(tǒng)組合濾波和地圖匹配模塊。其中，系統(tǒng)組合濾波模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)濾波功能，系統(tǒng)濾波使用GNSS接收機(jī)解算的位置和速度與IMU解算的位置和速度的差值，作為測(cè)量輸入給系統(tǒng)濾波器，系統(tǒng)濾波器用量測(cè)估計(jì)INS的誤差，從而對(duì)INS導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行校正，使INS能夠保持較高的導(dǎo)航精度，經(jīng)過(guò)校正后的INS導(dǎo)航解算結(jié)果構(gòu)成組合導(dǎo)航結(jié)果輸出。GNSS/INS組合后的位置信息傳送給地圖匹配模塊，根據(jù)高精度數(shù)字軌道地圖信息，修正組合系統(tǒng)解算的位置的誤差，最終將組合結(jié)果輸出給車載ATP。

2 實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估策略

2.1 定位精度評(píng)估參數(shù)

在實(shí)際測(cè)試與評(píng)估中，精度的概念普遍稱為準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[13]準(zhǔn)確度的定義為測(cè)量結(jié)果與參考值之間的一致性程度，包括正確度和精密度兩方面。正確度指大量測(cè)試結(jié)果平均值與真實(shí)或可接受參照值之間的一致性程度，精密度指測(cè)試結(jié)果之間的一致程度。

這種定位精度評(píng)估方法需要對(duì)同一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，由大量測(cè)試結(jié)果得到的平均數(shù)與參考值之間的一致性程度表征定位精度水平，適用于靜態(tài)測(cè)試。在實(shí)際應(yīng)用中，定位單元給出的列車位置隨時(shí)間不斷變化，屬于動(dòng)態(tài)測(cè)試，每一個(gè)歷元有且只有一個(gè)位置輸出，且在該歷元參考系統(tǒng)也有且只有一個(gè)參考值，針對(duì)同一歷元難以進(jìn)行大量重復(fù)測(cè)試，所以文獻(xiàn)[13]中提出的精度定位方法不適合動(dòng)態(tài)應(yīng)用。在導(dǎo)航定位領(lǐng)域中，定位精度通常定義為在任意給定時(shí)間，定位單元輸出所指示的位置與真值或參考位置之間的偏移程度。為準(zhǔn)確、直觀、定量地評(píng)估列車定位精度，本文引入導(dǎo)航定位領(lǐng)域常用的5個(gè)定位精度評(píng)估參數(shù)。

均值MEAN是每個(gè)歷元測(cè)量值與對(duì)應(yīng)歷元參考位置的偏差和與總歷元數(shù)目的比值，反映了定位單元在一段時(shí)間內(nèi)的平均定位精度，計(jì)算式為

( 1 )

式中：d為方向，本文研究列車的水平定位精度，因此d包含北向和東向兩個(gè)方向；xod,i為在d方向第i個(gè)歷元的測(cè)量值；xtd,i為在d方向第i個(gè)歷元的參考值；xod,i-xtd,i為d方向每個(gè)歷元的測(cè)量偏差，且xod,i和xtd,i均為標(biāo)量；n為一次實(shí)驗(yàn)中的所有歷元數(shù)目。

標(biāo)準(zhǔn)差SD是每個(gè)歷元測(cè)量偏差與誤差均值差值的平方和與總歷元數(shù)目比值的平方根，反映了一段時(shí)間內(nèi)整體定位誤差與平均定位誤差的離散程度，計(jì)算式為

( 2 )

均方根誤差RMSE是是每個(gè)歷元測(cè)量偏差的平方和與總歷元數(shù)目比值的平方根，反映了待評(píng)估系統(tǒng)的一維定位精度，計(jì)算式為

( 3 )

距離均方根誤差DRMS，是二維標(biāo)準(zhǔn)差平方和的平方根，反映了二維的定位精度，計(jì)算式為

( 4 )

式中：SDN、SDE分別為二維位置北向和東向的標(biāo)準(zhǔn)差。

圓概率誤差CEP在描述定位精度時(shí)，一般定義為以天線真實(shí)位置為圓心的圓內(nèi)，偏離圓心概率為50%的二維點(diǎn)位離散分布度量，計(jì)算式為

CEP=0.59(SDN+SDE)

( 5 )

通過(guò)對(duì)以上5個(gè)定位精度評(píng)估參數(shù)的計(jì)算，可以定量、直觀地觀測(cè)到列車組合定位系統(tǒng)的定位精度。

2.2 實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估平臺(tái)

為評(píng)估列車組合定位系統(tǒng)(待評(píng)估系統(tǒng))的實(shí)時(shí)定位精度，需要選取高精度的定位系統(tǒng)作為參考，實(shí)時(shí)比較待評(píng)估系統(tǒng)與參考系統(tǒng)的定位結(jié)果，進(jìn)一步解算得到待評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位精度。

本文選取NovAtel的高精度SPAN-FSAS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)為實(shí)時(shí)定位參考系統(tǒng)。SPAN-FSAS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)由3頻GNSS接收機(jī)和德國(guó)iMAR公司的高精度FSAS型號(hào)戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣性導(dǎo)航單元組成。慣性導(dǎo)航單元由閉環(huán)光纖陀螺和伺服加速度計(jì)組成[14]，定位精度較高。其設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 iMAR IMU-FSAS慣性導(dǎo)航單元設(shè)備參數(shù)

一方面SPAN-FSAS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)與待評(píng)估系統(tǒng)組成相似，均由GNSS接收機(jī)和慣性導(dǎo)航單元組成，采用GNSS/INS組合定位方式獲得載體的位置、速度和姿態(tài)信息。另一方面，SPAN-FSAS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用GNSS/INS緊耦合定位方式，可以實(shí)時(shí)將GNSS原始的偽距/偽距率測(cè)量值與INS解算的等效的偽距/偽距率的差值作為系統(tǒng)量測(cè)輸入，對(duì)列車組合定位系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，提供連續(xù)的位置、速度、姿態(tài)信息。在差分基站的輔助下，該系統(tǒng)定位精度可達(dá)到厘米級(jí)。此外，SPAN-FSAS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好，誤差不累積，更新率高，且攜帶與操作方便。因此，SPAN-FSAS組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)適合作為實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估參考系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)待評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估，本文搭建的實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估平臺(tái)，見(jiàn)圖2。

實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估平臺(tái)主要由參考系統(tǒng)和待評(píng)估系統(tǒng)兩部分組成。待評(píng)估系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取列車的位置信息，參考系統(tǒng)同步實(shí)時(shí)地得到高精度的列車位置信息。同一歷元，將參考系統(tǒng)與待評(píng)估系統(tǒng)的位置作比較，實(shí)時(shí)評(píng)估待評(píng)估系統(tǒng)的定位精度。

為了保證參考系統(tǒng)與待評(píng)估系統(tǒng)同一時(shí)刻解算同一位置信息，采用功分器將GNSS天線接收的GNSS衛(wèi)星信號(hào)分為兩路，分別輸入給參考系統(tǒng)和待評(píng)估系統(tǒng)。PCI和PC2分別用于參考系統(tǒng)與待評(píng)估系統(tǒng)的初始配置。

3 后處理定位精度評(píng)估策略

盡管實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估策略可以得到列車組合定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位精度，但是這種方法只能觀測(cè)到列車組合定位系統(tǒng)的瞬時(shí)定位誤差，可觀測(cè)的信息較少，無(wú)法全面評(píng)估列車組合定位系統(tǒng)的定位性能。

不同于實(shí)時(shí)定位精度方法，后處理可以采用多種定位解算方式，包括松耦合、緊耦合、差分等，通過(guò)引入更高精度的誤差改正模型，使得解算的位置信息精度可靠，穩(wěn)定性高。

本文設(shè)計(jì)了基于后定位處理軟件的后處理定位精度評(píng)估策略，采用IE緊耦合和RTKLIB動(dòng)態(tài)模式的高精度后處理定位結(jié)果為參考，通過(guò)計(jì)算均值、標(biāo)準(zhǔn)差、均方根誤差、距離均方根誤差和圓概率誤差5個(gè)常用的定位精度評(píng)估參數(shù)，綜合定量地評(píng)估后處理定位精度。

3.1 基于IE緊耦合后處理定位精度評(píng)估策略

IE是Novatel公司的一種事后定位處理軟件，利用GNSS接收機(jī)和原始量測(cè)信息和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航單元的加速度和角速度信息，組合產(chǎn)生高速率、高精度的位置、速度和姿態(tài)信息[15]，可以提供基于GNSS/INS松耦合與緊耦合兩種位置解算方式。本文選取IE緊耦合位置解算結(jié)果作為參考，保證了在GNSS接收機(jī)跟蹤到衛(wèi)星少于 4 顆的情況下仍能正常工作。IE在完成緊耦合解算的基礎(chǔ)上，使用RTS Smoother對(duì)緊耦合結(jié)果進(jìn)行平滑處理。當(dāng)GNSS定位結(jié)果出現(xiàn)斷點(diǎn)時(shí)，使用平滑處理，不僅可以減少GNSS信號(hào)失鎖期間造成的位置、速度和姿態(tài)誤差，而且可以平滑軌跡。此外，由于INS 輸出頻率高達(dá)200 Hz，GNSS/INS緊耦合可以輸出高更新率的位置信息。IE緊耦合可以提供連續(xù)、高精度、高更新率且平滑的定位結(jié)果，所以適合作為后處理定位精度評(píng)估參考。

IE緊耦合的后處理定位精度評(píng)估原理見(jiàn)圖3,具體步驟為

Step1數(shù)據(jù)預(yù)處理。IE后處理軟件需要輸入.BIN格式的文件。本文列車組合定位系統(tǒng)中的GNSS接收機(jī)基站接收機(jī)采集的原始偽距/偽距率和衛(wèi)星星歷信息均保存為.gps文件，為進(jìn)行IE后處理，需要轉(zhuǎn)換為.BIN格式文件。

Step2GNSS/INS緊耦合參考位置解算。IE采用預(yù)處理后的GNSS原始信息進(jìn)行GNSS解算，得到GNSS衛(wèi)星的位置信息和誤差修正后的偽距/偽距率。結(jié)合INS采集的加速度和角速度信息，完成GNSS/INS緊耦合，得到連續(xù)的定位信息，并對(duì)組合結(jié)果進(jìn)行平滑處理，得到最后的高精度位置信息。

Step3后處理定位精度評(píng)估。IE后處理高精度定位結(jié)果與列車組合定位系統(tǒng)定位結(jié)果在時(shí)間同步后，比較兩者的定位結(jié)果，計(jì)算定位精度評(píng)估參數(shù)，完成后處理定位精度評(píng)估。

3.2 基于RTKLIB動(dòng)態(tài)模式后處理定位精度評(píng)估策略

RTKLIB是由日本東京海洋大學(xué)高須知二[16]開發(fā)的開源程序包，支持多個(gè)GNSS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和定位后處理算法。一方面，RTKLIB軟件源代碼公開，便于算法開發(fā)和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。另一方面，RTKLIB支持多種GNSS后處理定位模式，包括單點(diǎn)定位、偽距差分定位、靜/動(dòng)態(tài)定位、精密單點(diǎn)靜態(tài)和精密單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位，定位模式豐富，用戶可以根據(jù)自己的需求，選擇不同的后處理定位模式。此外RTKLIB支持多種GNSS標(biāo)準(zhǔn)格式和協(xié)議、GNSS接收機(jī)專有數(shù)據(jù)協(xié)議格式，應(yīng)用范圍較廣。

RTKLIB中后處理模式中的動(dòng)態(tài)定位模式，即后處理差分定位模式，移動(dòng)站接收機(jī)在進(jìn)行GNSS觀測(cè)的同時(shí)，接收到基準(zhǔn)站發(fā)送的改正數(shù)據(jù)，定位精度可達(dá)到cm級(jí)。因此本文采用基于RTKLIB后處理模式中的動(dòng)態(tài)定位模式的定位結(jié)果，作為評(píng)估本文待評(píng)估系統(tǒng)定位精度的參考系統(tǒng)。其后處理定位精度評(píng)估原理見(jiàn)圖4。具體步驟為

Step1數(shù)據(jù)預(yù)處理。RTKLIB后處理需要標(biāo)準(zhǔn)的RINEX格式的觀測(cè)和導(dǎo)航電文文件，將采集的基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的原始.gps文件轉(zhuǎn)換為RINEX格式的.O文件和.N文件。

Step2誤差建模。本文在進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，基準(zhǔn)站靜止，移動(dòng)站隨著實(shí)驗(yàn)機(jī)車的移動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)，所以選擇動(dòng)態(tài)定位模式。選用L1、L2和L5三頻信息進(jìn)行位置解算。動(dòng)態(tài)定位中由于對(duì)流層和電離層會(huì)對(duì)定位結(jié)果造成誤差，所以為提高定位精度，需要對(duì)對(duì)流層和電離層進(jìn)行誤差建模。選擇廣播電離層模型和Saastamoinen對(duì)流層模型，同時(shí)采用廣播星歷進(jìn)行解算。模糊度固定方式選擇瞬時(shí)模糊度固定方式，此種方式模糊度會(huì)對(duì)每個(gè)歷元進(jìn)行計(jì)算，位置解算精度較高。

Step3后處理定位精度評(píng)估參數(shù)計(jì)算。RTKLIB后處理輸出的高精度定位結(jié)果作為參考，將列車組合定位系統(tǒng)后處理定位結(jié)果與參考結(jié)果在時(shí)間同步后進(jìn)行定位精度評(píng)估參數(shù)計(jì)算，評(píng)估后處理定位精度。

4 定位精度評(píng)估方法驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

本文在滿足實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景要求的環(huán)行鐵道試驗(yàn)線小環(huán)線進(jìn)行實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖5，紅色實(shí)線為測(cè)試線路，環(huán)行鐵道小環(huán)線長(zhǎng)約8 km，包括應(yīng)答器(相鄰應(yīng)答器最大距離約為1 km，最小距離約為200 m)、信號(hào)機(jī)和絕緣節(jié)等關(guān)鍵信息點(diǎn)。

課題組所用實(shí)驗(yàn)機(jī)車見(jiàn)圖6。本文使用多星座多頻天線作為移動(dòng)站天線，移動(dòng)站天線安裝于實(shí)驗(yàn)機(jī)車車頂部，見(jiàn)圖6(b)。

列車組合定位系統(tǒng)和SPAN-FSAS參考系統(tǒng)放置在車內(nèi)，其安裝位置見(jiàn)圖7，兩者的IMU指向一致，均為X軸指向運(yùn)行前方右側(cè)，Y軸指向列車運(yùn)行前方，Z軸垂直地面向上。

基準(zhǔn)站一般選擇在距離移動(dòng)站30 km內(nèi)視野開闊的位置，保證可測(cè)性，見(jiàn)圖8。圖5中安裝架頂部黑色圓點(diǎn)表示基準(zhǔn)站的位置，周圍視野開闊，基準(zhǔn)站距離實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景最近距離為0.3 km，最遠(yuǎn)距離為3 km，滿足基準(zhǔn)站布置原則。

4.2 實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估策略實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為保證實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估結(jié)果的可信性，應(yīng)首先考慮SPAN-FSAS參考系統(tǒng)本身的定位誤差。因此，將SPAN-FSAS定位結(jié)果與RTKLIB動(dòng)態(tài)模式定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差結(jié)果見(jiàn)圖9。

由圖9可知，由于在開始和結(jié)束時(shí)SPAN-FSAS參考系統(tǒng)的定位誤差出現(xiàn)短時(shí)劇烈抖動(dòng)。由于此時(shí)列車雖然速度為0，但是處于強(qiáng)烈震動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致RTKLIB動(dòng)態(tài)模式定位結(jié)果出現(xiàn)抖動(dòng)，但是定位精度仍然滿足列車定位需求。列車正常運(yùn)行后，定位誤差比較平滑，且最大定位誤差約為2.54 m，滿足列車定位精度需求，因此，SPAN-FSAS系統(tǒng)的結(jié)果可以作為評(píng)估列車實(shí)時(shí)定位精度的估計(jì)值。

選取2017-12-24的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試軌跡見(jiàn)圖10，實(shí)驗(yàn)機(jī)車從起點(diǎn)開始，沿順時(shí)針?lè)较蜃咝幸恢?，運(yùn)行時(shí)速約為50 km/h，中間無(wú)停車，運(yùn)行至起點(diǎn)，完成一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始14:40:39，結(jié)束14:50:36，共持續(xù)約10 min。

選取SPAN-FSAS參考系統(tǒng)，對(duì)列車組合定位系統(tǒng)中BDS/INS和BDS/INS/MM (Map Matching)兩種定位模式精度評(píng)估。圖10中，BDS/INS、BDS/INS/MM 與SPAN-FSAS參考系統(tǒng)的定位軌跡幾乎重合，但是在局部放大位置，BDS/INS結(jié)果有約20 m的偏差，結(jié)合實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境分析，此處有高樓建筑，造成衛(wèi)星信號(hào)遮擋，導(dǎo)致該段時(shí)間BDS/INS定位精度顯著下降。

通過(guò)比較同一歷元待評(píng)估系統(tǒng)與參考系統(tǒng)的定位結(jié)果，計(jì)算出瞬時(shí)定位誤差，結(jié)果見(jiàn)圖11、圖12?？梢园l(fā)現(xiàn)，在BDS/INS定位模式中，列車組合定位系統(tǒng)東向定位誤差在某時(shí)刻達(dá)到20 m，其他時(shí)間段定位誤差較小，北向定位誤差最大值為5 m；增加地圖匹配后，在BDS/INS/MM定位模式中，東向誤差比較穩(wěn)定，最大定位誤差減小到5 m，北向誤差沒(méi)有明顯變化。

4.3 后處理定位精度評(píng)估策略實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(1) IE緊耦合的后處理定位精度驗(yàn)證結(jié)果

以IE緊耦合定位結(jié)果為參考，BDS/INS、BDS/INS/MM兩種組合定位模式的后處理定位誤差見(jiàn)圖13、圖14。由圖13可知，在BDS/INS定位模式中，東向定位誤差最大為4 m，北向定位誤差最大為6 m，整個(gè)過(guò)程中定位誤差比較穩(wěn)定。增加地圖匹配后，在BDS/INS/MM定位模式中，東向最大定位誤差減小為2 m，北向定位誤差整體沒(méi)有顯著變化。

以IE緊耦合定位結(jié)果為參考的后處理定位精度見(jiàn)表2。在BDS/INS和BDS/INS/MM兩種模式中，東向誤差均值絕對(duì)值明顯大于北向(1.27 m>0.68 m，1.79 m>0.41 m)，表明北向平均定位精度優(yōu)于東向。東向與北向標(biāo)準(zhǔn)差值相當(dāng)(1.12 m≈1.21 m，0.91 m≈0.92 m)，因此東向與北向整體定位誤差與各自平均定位誤差的離散程度相似。增加地圖后，北向均方根誤差減小(0.99 m<1.76 m)，東向均方根誤差增大(2.00 m>1.31 m)，地圖對(duì)兩個(gè)方向的精度影響不一致。兩種模式的距離均方根誤差與圓概率誤差接近(2.19 m≈2.25 m，1.82 m≈1.87 m)，表明兩種模式的水平定位精度與偏離真實(shí)位置的離散分布度量相當(dāng)。

表2 BDS/INS、BDS/INS/MM與IE緊耦合定位結(jié)果對(duì)比誤差 m

(2) RTKLIB動(dòng)態(tài)模式后處理定位精度驗(yàn)證結(jié)果

圖15和圖16分別表示以RTKLIB動(dòng)態(tài)模式結(jié)果為參考，BDS/INS、BDS/INS/MM兩種組合定位模式的后處理定位誤差?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩種組合定位模式中東向和北向定位誤差變化趨勢(shì)和誤差大小與圖13和圖14相似，兩種定位模式在東向和北向的定位誤差均比較穩(wěn)定，且定位誤差較小。

與表2類似，表3定量個(gè)給出了以RTKLIB動(dòng)態(tài)模式后處理定位結(jié)果為參考的后處理定位精度。由表3可見(jiàn)，增加地圖后，東向誤差均值減小(<0.17 m)，北向誤差均值有增大(0.88 m>0.34 m)。但是兩種定位模式的標(biāo)準(zhǔn)差、均方根誤差、距離均方根誤差和圓概率誤差相當(dāng)，因此兩種模式的定位精度相當(dāng)。

表3 BDS/INS、BDS/INS/MM與RTKLIB動(dòng)態(tài)模式定位結(jié)果對(duì)比誤差 m

(3) 3種定位精度評(píng)估策略對(duì)比

在實(shí)際應(yīng)用中，列車運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)行沿線會(huì)存在平原這種環(huán)境開闊、周圍無(wú)遮擋的場(chǎng)景。這種場(chǎng)景下，GNSS信號(hào)質(zhì)量較高，本文提出的3種定位精度評(píng)估策略均可用于評(píng)估列車組合定位系統(tǒng)的定位精度。當(dāng)列車運(yùn)行至站臺(tái)、城市峽谷和大長(zhǎng)隧道等GNSS信號(hào)部分或全部遮擋環(huán)境，或者有強(qiáng)磁場(chǎng)干擾的環(huán)境下，GNSS信號(hào)質(zhì)量會(huì)下降甚至無(wú)法捕獲，在這些場(chǎng)景下，基于RTKLIB動(dòng)態(tài)模式的后處理定位精度評(píng)估策略，由于采用GNSS差分定位結(jié)果作為參考值，其解算的定位精度會(huì)下降甚至無(wú)法提供定位信息，影響定位精度評(píng)估。但是基于SPAN-FSAS的實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估策略和基于IE緊耦合的后處理定位精度評(píng)估策略仍適用，由于采用GNSS和INS組合定位的方式，即使GNSS信號(hào)存在短時(shí)質(zhì)量下降甚至無(wú)法捕獲的問(wèn)題，高精度INS仍然可以提供短期連續(xù)、高精度的位置參考，不影響定位精度的評(píng)估。

為了更加清晰地區(qū)分3種策略各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景，對(duì)3種定位策略進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)見(jiàn)表4。基于SPAN-FSAS的實(shí)時(shí)定位精度評(píng)估策略適用于對(duì)實(shí)時(shí)性、連續(xù)性要求較高的場(chǎng)景，基于IE緊耦合的后處理定位精度評(píng)估策略適用于對(duì)連續(xù)性、定位精度要求較高的場(chǎng)景，基于RTKLIB動(dòng)態(tài)模式的后處理定位精度評(píng)估策略適用于對(duì)定位精度要求較高，且GNSS信號(hào)良好的場(chǎng)景。

表4 3種定位策略精度評(píng)估策略對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

單一的定位精度評(píng)估策略難以滿足所有場(chǎng)景下定位精度評(píng)估需求，因此本文綜合實(shí)時(shí)和后處理定位精度評(píng)估策略，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求選擇合適的定位精度評(píng)估策略，研究了基于高精度參考系統(tǒng)的列車組合定位系統(tǒng)定位精度評(píng)估方法并采用SPAN-FSAS組合定位系統(tǒng)、IE緊耦合和RTKLIB動(dòng)態(tài)模式3種不同的高精度參考系統(tǒng)，對(duì)BDS/INS、BDS/INS/MM兩種組合定位模式進(jìn)行定位精度評(píng)估。結(jié)合環(huán)行鐵道試驗(yàn)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，定量計(jì)算了兩種組合定位模式的列車瞬時(shí)定位誤差和后處理定位精度評(píng)估參數(shù)。在3種定位精度評(píng)估策略中，兩種組合定位模式的定位精度均滿足列車定位精度需求，驗(yàn)證了本文提出的定位精度評(píng)估方法的可行性。

CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)以應(yīng)答器定位系統(tǒng)為參考系統(tǒng)評(píng)估列車定位精度。這種方式，列車定位精度為2S%(S表示列車經(jīng)過(guò)上一參考點(diǎn)后的走行距離)，評(píng)估的列車定位系統(tǒng)定位精度為相對(duì)定位精度，不便于對(duì)列車定位系統(tǒng)進(jìn)行全面整體的定位性能評(píng)估。本文提出的基于高精度參考系統(tǒng)的列車組合定位系統(tǒng)定位精度評(píng)估方法，建設(shè)與維護(hù)成本低，且評(píng)估的列車定位精度為絕對(duì)精度，可以直觀、定量地觀測(cè)到列車的瞬時(shí)定位誤差和后處理定位精度，便于對(duì)通用列車定位系統(tǒng)定位性能進(jìn)行全面整體的分析。

本文研究的定位精度評(píng)估方法，可為用戶的實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考。在本文研究基礎(chǔ)上，下一階段作者將進(jìn)行評(píng)估精度能力方法的研究，即可以評(píng)估出計(jì)算精度的精確，為用戶提供更加精確、可靠的參考。