列車(chē)控制系統(tǒng)北斗衛(wèi)星差分定位方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王業(yè)流，白昌龍，肖立志

（1. 湖南中車(chē)時(shí)代通信信號(hào)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410129；2. 中國(guó)鐵路哈爾濱集團(tuán)有限公司 電務(wù)部，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 引言

鐵路機(jī)車(chē)定位一般有機(jī)車(chē)位置遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和高精準(zhǔn)列車(chē)運(yùn)行控制定位兩種典型應(yīng)用場(chǎng)景。機(jī)車(chē)位置遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)是通過(guò)電子地圖、信息列表等形式實(shí)時(shí)查詢顯示機(jī)車(chē)位置，使地面系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握機(jī)車(chē)位置分布，要求能夠?qū)C(jī)車(chē)定位準(zhǔn)確到區(qū)間、車(chē)站、機(jī)務(wù)段等范圍，水平精度（方均根值）約10 m。高精準(zhǔn)列車(chē)運(yùn)行控制定位用于列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，對(duì)機(jī)車(chē)實(shí)施自動(dòng)控制，定位精度為厘米級(jí)，要求能準(zhǔn)確識(shí)別機(jī)車(chē)所處線路、股道、里程標(biāo)，滿足庫(kù)內(nèi)調(diào)車(chē)、站內(nèi)定點(diǎn)停車(chē)和開(kāi)車(chē)對(duì)標(biāo)、區(qū)間位置校正等要求。

目前，運(yùn)用于鐵路列車(chē)控制的主流定位技術(shù)除傳統(tǒng)的衛(wèi)星單點(diǎn)定位法，還有測(cè)速定位和應(yīng)答器定位方法[1-3]。測(cè)速定位是一種連續(xù)定位方式，其通過(guò)不斷地測(cè)量列車(chē)的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度并計(jì)算列車(chē)的運(yùn)行距離而實(shí)現(xiàn)定位；定位精度為每個(gè)區(qū)間內(nèi)10 m，但誤差會(huì)隨時(shí)間累積。該方法的優(yōu)點(diǎn)是抗電磁干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)且成本低，缺點(diǎn)是精度無(wú)法滿足機(jī)車(chē)的精確控制需求且易受列車(chē)輪對(duì)磨損、空轉(zhuǎn)及滑行等因素影響而導(dǎo)致誤差增大。應(yīng)答器定位是一種間斷定位方式，其利用電磁感應(yīng)技術(shù)在特定地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)地面向機(jī)車(chē)傳輸信息。該方法的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高（＜0.3 m）、抗干擾性強(qiáng)、可靠性好；缺點(diǎn)是必須結(jié)合其他定位技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)定位，且造價(jià)高、施工困難[4]。衛(wèi)星單點(diǎn)定位法是一種連續(xù)定位方式，其通過(guò)接收導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文實(shí)現(xiàn)自主定位，定位精度為10 m，且誤差不隨時(shí)間累積。該方法的優(yōu)點(diǎn)是全天候、全天時(shí)、低成本；缺點(diǎn)是會(huì)受信號(hào)遮擋和電磁干擾等因素影響而導(dǎo)致定位精度下降甚至不可用[5]。

全球已建成的四大衛(wèi)星系統(tǒng)（北斗，GPS，GLONASS，Galileo）水平定位精度和高程精度一般約為10 m[6]，雖可滿足機(jī)車(chē)位置遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等使用要求，但要實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)精準(zhǔn)控制，定位精度則明顯不足。若要進(jìn)一步提高精度，就必須消除定位結(jié)果中的固有誤差，其主要包括衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、SA干擾誤差以及與傳輸途徑有關(guān)的誤差（如電離層、對(duì)流層折射誤差），這就需要利用衛(wèi)星差分定位技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

此外，為避免因列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)依賴于國(guó)外的衛(wèi)星系統(tǒng)而給鐵路運(yùn)輸安全帶來(lái)的隱患，我國(guó)自主研發(fā)的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)立足于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)可靠定位，這不僅對(duì)鐵路運(yùn)輸安全有著至關(guān)重要的作用，而且有助于打破國(guó)外圍繞GPS，GLONASS及Galileo等衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車(chē)高精準(zhǔn)定位而形成的專(zhuān)利保護(hù)壁壘，建立并形成具有中國(guó)特色的基于衛(wèi)星定位的列控系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。為此，本文提出一種基于北斗衛(wèi)星差分定位技術(shù)、適用于列控系統(tǒng)的機(jī)車(chē)精確定位方案。

1 衛(wèi)星差分定位技術(shù)原理

衛(wèi)星差分定位技術(shù)是一種高精準(zhǔn)定位技術(shù)，其通過(guò)將所獲得的偽距修正量或位置修正量提供給用戶終端設(shè)備，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，從而消除衛(wèi)星系統(tǒng)和電磁波傳輸路徑中的固有誤差，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)偏差精度定位。實(shí)時(shí)差分技術(shù)主要分為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)碼相位差分（realtime differential，RTD）和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法（real - time kinematic，RTK）兩種。RTD即偽距差分，其根據(jù)偽距誤差解算值修正用戶接收機(jī)偽距觀測(cè)值的導(dǎo)航定位方法，定位精度一般為分米級(jí)。RTK即載波相位差分，其是一種基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，定位精度可達(dá)厘米級(jí)，用于列控系統(tǒng)的衛(wèi)星差分技術(shù)為RTK技術(shù)。

衛(wèi)星差分定位技術(shù)原理如圖1所示。在已知點(diǎn)部署地基差分增強(qiáng)站，用于接收導(dǎo)航衛(wèi)星的載波和導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)計(jì)算差分修正值并提供給附近的用戶終端設(shè)備進(jìn)行位置修正。當(dāng)差分站和用戶終端設(shè)備間距離在一定范圍內(nèi)且兩者觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)量滿足要求時(shí)，在這些衛(wèi)星向地面發(fā)送電磁波的路徑上，電離層和對(duì)流層的折射系數(shù)可被視為一致，即兩者具有相同的誤差因子，此時(shí)差分站首先將該因子作為未知數(shù)進(jìn)行方程式求解，然后再通過(guò)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)告知用戶終端設(shè)備，從而使終端設(shè)備消除該誤差。

圖1 衛(wèi)星差分定位技術(shù)原理Fig. 1 Principle of satellite differential positioning technology

2 列車(chē)控制系統(tǒng)北斗衛(wèi)星差分定位方案設(shè)計(jì)

列車(chē)控制北斗衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)（圖2）由差分基準(zhǔn)站（簡(jiǎn)稱“差分站”）、數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)站（用戶終端設(shè)備）3部分組成[7]。差分基準(zhǔn)站用于長(zhǎng)期連續(xù)跟蹤觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，求得差分修正值，再通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)將修正值傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心用于管理各差分站的運(yùn)行，接收和處理各差分站的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫(kù)和分流，根據(jù)各移動(dòng)站的用戶請(qǐng)求和當(dāng)前位置進(jìn)行差分站匹配和數(shù)據(jù)分發(fā)。移動(dòng)站實(shí)時(shí)從北斗, GPS, GLONASS,Galileo等衛(wèi)星系統(tǒng)獲得導(dǎo)航電文，解算當(dāng)前位置，并將位置發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，從數(shù)據(jù)中心獲得差分修正值，對(duì)位置修正，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位結(jié)果。

圖2 列車(chē)控制北斗衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)原理框圖Fig. 2 Principle block diagram of the Beidou differential positioning system for train control

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架

通信網(wǎng)絡(luò)的選擇決定了差分定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)框架，一般有數(shù)傳電臺(tái)及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等方式。數(shù)傳電臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，信號(hào)傳輸半徑最遠(yuǎn)可達(dá)10 km，受電臺(tái)通信距離限制，至少每隔20 km需部署1個(gè)差分站，在該范圍內(nèi)，凡是能接收到差分站信息的車(chē)載終端均能使用并獲得RTK高精度定位結(jié)果。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是廣域網(wǎng)，通信傳輸不受距離制約，按差分站有效作用半徑30 km計(jì)算，可每隔60 km部署1個(gè)差分站，隨著技術(shù)的進(jìn)步，差分站作用范圍甚至可達(dá)100 km，所需差分站數(shù)量甚至只有電臺(tái)方案的1/10；但若采用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)方式，則需由專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)差分站與車(chē)載終端的匹配。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)差分站和車(chē)載終端的集中管理，有利于鐵路部門(mén)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)。該方案的缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量受到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的影響，若處于信號(hào)盲區(qū)或網(wǎng)絡(luò)延時(shí)過(guò)大，則RTK定位自動(dòng)降為單點(diǎn)定位。本文選擇移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)方式，圖3示出基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的列車(chē)控制北斗衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)框架。

圖3 列車(chē)控制北斗衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架Fig. 3 Network framework of the Beidou differential positioning system for train control

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

應(yīng)用于列車(chē)控制系統(tǒng)的北斗衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)必須滿足高可靠性和高可用性要求，若系統(tǒng)輸出的位置數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或不可用，將引發(fā)嚴(yán)重行車(chē)事故。有別于常規(guī)的衛(wèi)星差分系統(tǒng)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

（1）差分站有效作用范圍和可靠性。差分站分布在鐵路沿線的不同區(qū)域，其有效作用范圍一般在半徑30 km內(nèi)，該范圍可經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)擴(kuò)大到50～80 km。為避免單站因長(zhǎng)時(shí)間不間斷工作而發(fā)生故障，或區(qū)域內(nèi)發(fā)生電磁干擾或區(qū)域停電，差分站在部署時(shí)，采用多站冗余交疊覆蓋。當(dāng)某個(gè)差分站故障或差分?jǐn)?shù)據(jù)異常時(shí)，可采用鄰近的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)。

（2）差分站與數(shù)據(jù)中心之間通信協(xié)議。差分站主機(jī)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)VPN通道與數(shù)據(jù)中心的差分服務(wù)器通信，以避免網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊差分站。雙方采用Ntrip(networked transport of RTCM via internet protocol)協(xié)議（RTCM3.2）進(jìn)行通信交互。Ntrip即通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行RTCM(radio technical commission for maritime services)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議。RTCM為國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)，是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）方面的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織。

（3）通信安全性。數(shù)據(jù)中心承擔(dān)差分?jǐn)?shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)發(fā)及系統(tǒng)運(yùn)用維護(hù)等工作，其與差分站、移動(dòng)終端通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信；在該網(wǎng)絡(luò)邊界部署防火墻，采用訪問(wèn)控制策略僅允許正常的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)，阻斷非法設(shè)備攻擊。旁路部署入侵檢測(cè)系統(tǒng)（intrusion detection system,IDS），用于檢測(cè)、限制和抵御來(lái)自移動(dòng)公網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊行為；同時(shí)設(shè)置安全監(jiān)管審計(jì)平臺(tái)、堡壘機(jī)等設(shè)備，記錄網(wǎng)絡(luò)通信行為，對(duì)運(yùn)維人員的操作權(quán)限進(jìn)行控制和操作行為審計(jì)，在線掌握系統(tǒng)整體安全威脅和風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)危及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的因素做出預(yù)警分析，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22239-2019 《信息安全技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)基本要求》規(guī)定的安全物理環(huán)境、安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全區(qū)域邊界、安全計(jì)算環(huán)境和安全管理中心等5個(gè)分類(lèi)的技術(shù)要求，防止非法設(shè)備攻擊或滲透系統(tǒng)，造成數(shù)據(jù)泄露、丟失或被篡改。

（4）數(shù)據(jù)中心的可靠性和可用性。數(shù)據(jù)中心不間斷運(yùn)行，有發(fā)生系統(tǒng)崩潰、工作宕機(jī)及器件損壞等故障的可能性，這會(huì)導(dǎo)致中心無(wú)法正常工作。為提高數(shù)據(jù)中心的可靠性和可用性，服務(wù)器采用雙套冗余架構(gòu)設(shè)計(jì)[8]。各差分站同時(shí)向I系和II系服務(wù)器發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)。兩系差分服務(wù)器同時(shí)向車(chē)載終端提供差分?jǐn)?shù)據(jù)，車(chē)載終端對(duì)兩路差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

（5）車(chē)載終端與數(shù)據(jù)中心之間通信協(xié)議。車(chē)載設(shè)備向數(shù)據(jù)中心發(fā)送差分定位請(qǐng)求，數(shù)據(jù)中心接收差分修正值并修正定位結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)高精度定位。車(chē)載終端與數(shù)據(jù)中心之間采用基于TCP/IP的私有定制協(xié)議進(jìn)行通信交互，對(duì)RTCM3.2協(xié)議格式的內(nèi)容進(jìn)行封包加密傳輸。

（6）車(chē)載終端的可靠性和可用性。車(chē)載終端同樣存在電子元器件或芯片失效、內(nèi)置軟件系統(tǒng)崩潰、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作引起的軟件不穩(wěn)定等問(wèn)題，因此終端采用I系和II系雙套冗余，兩系均與差分服務(wù)器建立通信。每系內(nèi)置的無(wú)線通信模塊接入不同運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)，以規(guī)避信號(hào)盲區(qū)或弱信號(hào)區(qū)域的影響。

3 實(shí)施方案

3.1 需求分析及規(guī)劃

列車(chē)控制北斗衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)在實(shí)施前，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)需求確定差分站數(shù)量及規(guī)模。例如，某衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)用于輔助車(chē)載GNSS終端實(shí)現(xiàn)精確定位，在衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量良好的區(qū)域，RTK定位精度達(dá)到10 cm（方均根值），要求系統(tǒng)配屬的差分站能覆蓋4個(gè)車(chē)站，并且每個(gè)差分站覆蓋半徑可達(dá)30 km?；谠撔枨?，可將差分基準(zhǔn)站部署在上述4個(gè)車(chē)站附近，并在車(chē)站1、車(chē)站2附近各增加1個(gè)冗余站點(diǎn)，車(chē)站3和車(chē)站4距離為45 km，通過(guò)優(yōu)化車(chē)載終端實(shí)現(xiàn)差分站有效作用范圍達(dá)到50 km以上，因此車(chē)站3和車(chē)站4兩處的差分站可互為冗余，實(shí)現(xiàn)信號(hào)重疊覆蓋，無(wú)須額外增加冗余站點(diǎn)。具體部署方案如圖4所示，其中黑色為主差分站，紅色為冗余差分站。

圖4 差分站部署規(guī)劃Fig. 4 Deployment planning of differential stations

數(shù)據(jù)中心采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與差分站和車(chē)載終端通信，因此其部署位置不受限制，主要考慮維護(hù)管理的便利性問(wèn)題。

3.2 差分站選址

差分站天線部署于樓頂?shù)拈_(kāi)闊地帶，選址時(shí)遵循以下原則[9]：站址高度角10°以上沒(méi)有任何遮擋物；與容易產(chǎn)生多徑效應(yīng)的地面物體（樹(shù)木、水體、海灘和易積水地帶、金屬物體）的距離大于200 m；與電磁干擾區(qū)（如微波站、無(wú)線電發(fā)射塔、高壓線穿越地帶等）的距離大于200 m。

粗略選定位置后，采用差分設(shè)備連續(xù)觀測(cè)24 h，主要指標(biāo)應(yīng)滿足要求：可用衛(wèi)星數(shù)量不少于25顆；多路徑效應(yīng)值MP1≤0.5，MP2≤0.65，MP3≤0.5；數(shù)據(jù)完好性不低于95%；周跳比不小于400。

3.3 設(shè)備安裝和調(diào)試

差分站天線（圖5）宜安裝在建筑物樓頂且至少高出底座1.70 m，以避免人體遮擋。采用方形混凝土底座及直徑25～30 cm的PVC管灌注混凝土，用于支撐天線，以確保天線不發(fā)生細(xì)微的晃動(dòng)而影響定位精度。差分站接收機(jī)、差分服務(wù)器及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署在機(jī)房?jī)?nèi)，機(jī)房環(huán)境滿足標(biāo)準(zhǔn)GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

差分站安裝完成后，首先需對(duì)差分站扼流圈天線安裝位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，然后再對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化配置和調(diào)試，主要包括以下信息：基站坐標(biāo)、以太網(wǎng)IP、差分站ID、傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容及傳輸網(wǎng)絡(luò)等。

圖5 差分站天線實(shí)物圖Fig. 5 Actual antenna of differential station

4 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)及優(yōu)化策略

衛(wèi)星差分定位技術(shù)在鐵路環(huán)境的應(yīng)用，除采取差分站交疊冗余覆蓋、數(shù)據(jù)中心冗余、網(wǎng)絡(luò)信息安全設(shè)計(jì)及車(chē)載終端冗余設(shè)計(jì)等方法提高可靠性和可用性設(shè)計(jì)外，在提高其環(huán)境適應(yīng)性方面還有其相應(yīng)的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)需解決：（1）在保障定位精度的同時(shí)，如何擴(kuò)大差分站作用范圍，以減少差分站部署數(shù)量，降低投資成本；（2）鐵路沿線存在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)盲區(qū)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)較大，甚至短時(shí)中斷，如何降低網(wǎng)絡(luò)通信的影響；（3）在隧道、山區(qū)、橋梁等鐵路環(huán)境中，衛(wèi)星信號(hào)接收質(zhì)量受到影響，如何提高車(chē)載設(shè)備對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的重捕獲能力并快速進(jìn)入RTK狀態(tài)。

4.1 擴(kuò)大差分站的有效作用范圍

差分站RTK定位的有效作用半徑一般為30 km，在此范圍內(nèi)，定位精度誤差與距離呈線性關(guān)系，即誤差=±(10+10-6×D)mm（D為差分站與終端的距離，單位為km）。隨著參考站和移動(dòng)站間距離的增加，一旦超出有效作用范圍，定位誤差與基線長(zhǎng)度間將逐漸失去線性關(guān)系，即便經(jīng)過(guò)差分處理，用戶數(shù)據(jù)仍然存在很大的觀測(cè)誤差，導(dǎo)致定位精度逐漸降低，嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法解算出載波相位的整周模糊度。

為了確保更遠(yuǎn)距離仍能獲得高精度定位結(jié)果，無(wú)論是差分站還是移動(dòng)站都需捕獲到更多的衛(wèi)星信號(hào)，保障兩者觀測(cè)到的共同衛(wèi)星的數(shù)量足以獲得差分解算。提高衛(wèi)星捕獲能力的措施和策略主要有：（1） 采用以北斗系統(tǒng)為主， GPS, GLONASS和Galileo為補(bǔ)充，支持11頻（B1/B2/B3, L1/L2/L5, G1/G2和E1/E5a/E5b）的GNSS接收器；（2）采用支持低仰角信號(hào)接收的天線，以盡可能提高信號(hào)捕捉能力。

圖6示出某終端優(yōu)化前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其橫坐標(biāo)為采集點(diǎn)編號(hào)；左側(cè)縱坐標(biāo)為定位狀態(tài)代號(hào)（5為浮點(diǎn)解，4為RTK固定解，3為未定義值，2為偽距差分RTD，1為單點(diǎn)解），右側(cè)縱坐標(biāo)為終端距差分站的直線距離。試驗(yàn)結(jié)果表明，終端在30 km內(nèi)可維持在高精度的RTK固定解，且隨著距離增加，逐步保持在差分浮點(diǎn)解狀態(tài)。

圖6 優(yōu)化前的RTK作用范圍Fig. 6 RTK action range of the terminal before optimization

圖7所示為優(yōu)化后數(shù)據(jù)。在100 km范圍內(nèi)，終端基本保持在RTK固定解。與優(yōu)化前相比，車(chē)載終端增加Galileo衛(wèi)星 E1頻點(diǎn)信號(hào)的接收，GNSS天線增益由4 dBic提升到6 dBic，特別是低仰角信號(hào)，20°仰角方向接收增益可達(dá)-4.5 dBic。

圖7 優(yōu)化后的RTK作用范圍Fig. 7 Optimized RTK action range

圖8所示為終端距基站100 km范圍內(nèi)在RTK固定解狀態(tài)下的定位偏差，其右側(cè)縱坐標(biāo)為終端與差分站的直線距離。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，定位偏差平均值約5.1 cm，最大偏差27.1 cm，發(fā)生在距離基站79 km處?？梢?jiàn)，優(yōu)化后的終端設(shè)備的定位偏差隨著與基站距離變化有較大的波動(dòng)，但仍滿足機(jī)車(chē)精準(zhǔn)控制的需要。

圖8 100 km范圍內(nèi)的定位偏差Fig. 8 Positioning deviation within 100 km

4.2 降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)差分穩(wěn)定性的影響

差分修正值是提高差分定位精度的必要信息，且具有一定的時(shí)效性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷后，若車(chē)載終端繼續(xù)使用最后一條差分修正值數(shù)據(jù)，隨著車(chē)載設(shè)備遠(yuǎn)離差分站，引入的定位誤差將持續(xù)增大；并且即使網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)連接，再次定位也較為困難，因此車(chē)載終端一般設(shè)置有差分延時(shí)閾值。若延時(shí)超過(guò)閾值，則車(chē)載終端退出差分固定解，進(jìn)入差分浮點(diǎn)解狀態(tài)，而浮點(diǎn)解精度一般在厘米級(jí)與米級(jí)范圍內(nèi)波動(dòng)，定位數(shù)據(jù)不可用于列控系統(tǒng)對(duì)機(jī)車(chē)的精準(zhǔn)控制。

降低網(wǎng)絡(luò)通信延時(shí)（或中斷）對(duì)機(jī)車(chē)精確定位的影響，需要在定位精度和數(shù)據(jù)可用性之間取得平衡。差分定位技術(shù)最初主要應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)，對(duì)測(cè)量精度要求較高，差分延時(shí)閾值一般設(shè)置為30 s。該技術(shù)在列控系統(tǒng)中使用并在機(jī)車(chē)上進(jìn)行了大量試驗(yàn)，積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，可將該值放寬至60 s。圖9示出某終端優(yōu)化前后的效果，其中差分延遲1代表通信正常的終端，差分延遲2為通信中斷的終端?？梢钥闯?，終端在優(yōu)化前，差分延時(shí)閾值為30 s；優(yōu)化后為60 s。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，人為斷開(kāi)該終端與差分服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信，在60 s范圍內(nèi)，終端繼續(xù)采用斷線前接收到的差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行RTK解算。采用通信正常的終端作為參考對(duì)象。通信中斷前，兩者平均定位偏差約為3.21 cm，最大偏差約為4.68 cm；通信中斷后60 s內(nèi)，兩者平均偏差3.35 cm，最大偏差為4.88 cm；前后偏差0.2 cm。測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后的終端能夠容忍60 s的通信中斷仍保持精確定位，差分閾值的合理設(shè)定對(duì)于該系統(tǒng)適應(yīng)于鐵路沿線移動(dòng)公網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量差的環(huán)境使用具有重要的指導(dǎo)意義。

圖9 差分延時(shí)與定位偏差Fig. 9 Differential delay and positioning deviation

4.3 提高衛(wèi)星失鎖后重捕獲及快速進(jìn)入RTK

鐵路沿線地形環(huán)境復(fù)雜，接收機(jī)與衛(wèi)星失鎖后，對(duì)外輸出無(wú)效定位信息；待重捕獲衛(wèi)星信號(hào)、完成RTK初始化后，才能再次輸出RTK精確定位信息。如列控系統(tǒng)用于調(diào)車(chē)自動(dòng)作業(yè)防護(hù)過(guò)程，機(jī)務(wù)段、車(chē)站等區(qū)域均有遮擋環(huán)境，在駛出遮擋環(huán)境至行駛至信號(hào)機(jī)等關(guān)鍵地標(biāo)期間，若不能獲得RTK固定解，則可能造成控制精度不足，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)安全事故。

若要縮短RTK初始化時(shí)間，需提高RTK接收機(jī)的靈敏度和搜星能力。在高精度衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，隨著國(guó)內(nèi)外智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，定位終端的技術(shù)發(fā)展路線由測(cè)量型向?qū)Ш叫桶l(fā)展。前者對(duì)信號(hào)嚴(yán)格篩選，靈敏度低，追求高精度；后者適當(dāng)放寬對(duì)接收信號(hào)質(zhì)量的要求，靈敏度高，追求高可用性，適當(dāng)保障定位精度。因此鐵路差分定位系統(tǒng)宜選用高靈敏度的模組，以改善重捕獲速度；并輔以合理的定位算法，對(duì)捕獲的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行篩選，提高收斂速度。

圖10示出不同靈敏度模組的定位狀態(tài)對(duì)比，其橫坐標(biāo)為采集點(diǎn)編號(hào)，左側(cè)縱坐標(biāo)為模組1（高靈敏度）在鐵路機(jī)車(chē)高速運(yùn)行過(guò)程中的定位狀態(tài)，右側(cè)坐標(biāo)為模組2（低靈敏度）的定位狀態(tài)。在地點(diǎn)1，經(jīng)過(guò)一個(gè)長(zhǎng)隧道后，模組1比模組2提前43 s進(jìn)入RTK固定解；在地點(diǎn)2，衛(wèi)星信號(hào)處于半遮擋狀態(tài)，模組2無(wú)法維持RTK固定解，進(jìn)入單點(diǎn)定位狀態(tài)，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)89 s；在地點(diǎn)3，衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量差，模組1經(jīng)歷35 s的波動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定RTK固定解，而模組2經(jīng)過(guò)116 s的波動(dòng)后進(jìn)入RTK固定解?？梢钥闯?，在弱信號(hào)環(huán)境下，高靈敏度模組穩(wěn)定性更高；在信號(hào)受遮擋的環(huán)境中，高靈敏度模組具有更高的響應(yīng)速度，可更快恢復(fù)RTK固定解。

圖10 不同靈敏度定位模組的定位狀態(tài)對(duì)比Fig. 10 Comparison of positioning status of modules with different sensitivity

5 應(yīng)用

本文提出的列車(chē)控制系統(tǒng)北斗衛(wèi)星差分定位方案已在LKJ-15列車(chē)控制系統(tǒng)中得到深入應(yīng)用。由北斗衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)向LKJ-15列車(chē)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)輸出2組冗余的精密定位數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)中包含了多星座混合定位數(shù)據(jù)、北斗單系統(tǒng)數(shù)據(jù)及GPS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)。LKJ-15列車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)多組冗余數(shù)據(jù)進(jìn)行表決和仲裁，從而避免單終端或單衛(wèi)星星座偶發(fā)的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的高可靠性。借助本系統(tǒng)提供的精密可信數(shù)據(jù)，滿足LKJ-15列車(chē)控制系統(tǒng)對(duì)智能行車(chē)控制的需求。

2018年3月，采用北斗衛(wèi)星差分定位技術(shù)和車(chē)載地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的LKJ-15列車(chē)控制系統(tǒng)在南昌鐵路局武夷山站進(jìn)行運(yùn)用試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)精準(zhǔn)定位（厘米級(jí)精度）和調(diào)車(chē)自動(dòng)防護(hù)，不僅可對(duì)站界、車(chē)擋、接觸網(wǎng)終點(diǎn)等關(guān)鍵位置進(jìn)行防護(hù)，還可進(jìn)行調(diào)車(chē)信號(hào)機(jī)安全防護(hù)和區(qū)間作業(yè)安全防護(hù)。

2018年8月，采用北斗衛(wèi)星差分定位技術(shù)和車(chē)載地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的LKJ-15C列車(chē)控制系統(tǒng)在朔黃鐵路裝車(chē)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了重載列車(chē)站內(nèi)自動(dòng)開(kāi)車(chē)對(duì)標(biāo)功能，其定位精度約5 cm，控制精度約50 cm，由于人工對(duì)標(biāo)被取代，因此司乘人員的操縱難度被大幅降低。

2019年10月，采用該北斗衛(wèi)星差分定位方案的LKJ-15列車(chē)控制系統(tǒng)被應(yīng)用于國(guó)家能源集團(tuán)神朔鐵路智能駕駛系統(tǒng)，為列車(chē)自動(dòng)喚醒、自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)停車(chē)、自動(dòng)調(diào)車(chē)及自動(dòng)休眠等列車(chē)控制全過(guò)程提供了精確的列車(chē)位置，使萬(wàn)噸重載列車(chē)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營(yíng)全過(guò)程的自動(dòng)駕駛及機(jī)車(chē)作業(yè)的自動(dòng)化，提升了運(yùn)輸效率并保障了列車(chē)運(yùn)輸安全[10]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于鐵路環(huán)境的北斗衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)，其服務(wù)于列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)。文中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，描述了系統(tǒng)具體實(shí)施方案；針對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行闡述，并給出了相應(yīng)的優(yōu)化策略，通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)北斗衛(wèi)星差分定位技術(shù)的研究，不僅需充分發(fā)揮其精度高、成本低、應(yīng)用便捷等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也必須充分考慮到其受信號(hào)遮擋、電磁干擾及網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量等方面的影響。下一步將從以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究：（1） 將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和超寬帶等定位技術(shù)作為北斗差分定位技術(shù)的補(bǔ)充，解決弱信號(hào)環(huán)境或信號(hào)完全遮擋環(huán)境下的可靠精確定位問(wèn)題；（2）研究天線抗干擾技術(shù)，加大射頻載波信號(hào)和干擾信號(hào)之間的隔離度，提高射頻抗干擾性；（3）將北斗差分定位技術(shù)與 5G 技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信鏈路的通信質(zhì)量，降低數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。