新建鐵路帶狀BDSCORS基準(zhǔn)站選址關(guān)鍵技術(shù)探討

許雙安 武瑞宏 王建紅 朱郭勤

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 陜西西安 710043；2.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院) 陜西西安 710043)

1 引言

鐵路沿線帶狀稀疏分布的BDSCORS構(gòu)成的高精度位置服務(wù)平臺是面向鐵路工程多種業(yè)務(wù)應(yīng)用搭建的北斗綜合時(shí)空服務(wù)應(yīng)用平臺，基于資源集約利用和永臨結(jié)合的主體原則，為鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建造到運(yùn)營維護(hù)提供全生命周期的北斗時(shí)空一體化信息服務(wù)[1]，為鐵路的信息化與智能化提供支持。高精度位置服務(wù)平臺由基準(zhǔn)站、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理及服務(wù)發(fā)布構(gòu)成。BDS高精度服務(wù)網(wǎng)基準(zhǔn)站由臨時(shí)性單點(diǎn)基準(zhǔn)站和永久性的沿線基準(zhǔn)站組成?？紤]鐵路建設(shè)工況復(fù)雜、建設(shè)周期較長，為確保BDS CORS基準(zhǔn)站的空間可用性、實(shí)時(shí)定位精度及建造維護(hù)成本，需要對基準(zhǔn)站的選址進(jìn)行專題研究。國內(nèi)外大量CORS實(shí)踐證明，影響系統(tǒng)整體性能的重要環(huán)節(jié)之一就是站址的觀測環(huán)境[2]。鐵路沿線的地形地質(zhì)條件、CORS站功能定位、配套基礎(chǔ)設(shè)施水平與傳統(tǒng)城市CORS站點(diǎn)建設(shè)差異較大，建站選址方法不能原樣照搬。本文以川藏鐵路林芝到波密段沿線BDSCORS精密定位服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)工程為例，總結(jié)了新建鐵路BDS CORS基準(zhǔn)站的選址技術(shù)。

2 基準(zhǔn)站選址原則

鐵路BDSCORS是在鐵路沿線帶狀均勻布設(shè)多個(gè)(3個(gè)或3個(gè)以上)永久性連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，對鐵路沿線地區(qū)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋，并利用互聯(lián)網(wǎng)作為通信鏈路，把基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)觀測值發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心。通過聯(lián)測IGS站或國家高等級連續(xù)運(yùn)行參考站點(diǎn)，獲取各基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)。在數(shù)據(jù)處理中心對CORS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的電離層、對流層、軌道誤差等進(jìn)行計(jì)算，并實(shí)時(shí)生成流動站位置的改正項(xiàng)信息[3]。將改正信息按RTCM差分電文進(jìn)行編碼，通過無線通訊鏈路(采用3G/4G/5G、鐵路綜合信息網(wǎng)或衛(wèi)星通信)向用戶實(shí)時(shí)連續(xù)發(fā)布，從而在用戶端獲得高精度實(shí)時(shí)定位?；鶞?zhǔn)站選址應(yīng)遵循先進(jìn)、成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的技術(shù)政策，堅(jiān)持“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一平臺”的三統(tǒng)一原則?；鶞?zhǔn)站布設(shè)原則應(yīng)滿足以下要求:

(1)基準(zhǔn)站宜沿線路走向按照20～40 km間距布設(shè)。同時(shí)兼顧長大隧道、大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁及重點(diǎn)控制性工程的精密控制測量要求[4]，優(yōu)先在關(guān)鍵工程節(jié)點(diǎn)周邊布設(shè)或加密基準(zhǔn)站。相鄰站點(diǎn)間距最大距離不應(yīng)超過50 km。

(2)鐵路全線需被覆蓋在參考站組成的網(wǎng)型內(nèi)部，站點(diǎn)分布均勻，CORS網(wǎng)絡(luò)覆蓋利于構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)?？紤]變形監(jiān)測實(shí)際需求，距離線路直線距離不得超過5 km。

(3)站址基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，避開地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定的區(qū)域。避開交通要道線路附近容易振動的區(qū)域，但維護(hù)管理能便利到達(dá)，便于接入市電、通訊線路。優(yōu)先選用屋頂觀測墩，盡量利用既有鐵路局站房、調(diào)度所、維修設(shè)施等產(chǎn)權(quán)清晰且長期使用的房屋。

(4)應(yīng)有10°以上地平高度角的衛(wèi)星通視條件。艱險(xiǎn)復(fù)雜山區(qū)困難環(huán)境條件下，高度角可放寬25°，遮擋物水平投影范圍應(yīng)低于60°。

(5)基準(zhǔn)站禁止在軍事管轄區(qū)、信號干擾區(qū)域布設(shè)。站址遠(yuǎn)離周邊易于產(chǎn)生多路徑信號源的地方，如高大建筑物金屬物體反射面、樹林、水域等，一般距離應(yīng)不小于100 m。

(6)基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)為無人值守，自動連續(xù)運(yùn)行，年運(yùn)行可靠率95%以上。

鐵路BDSCORS基準(zhǔn)站選址工作應(yīng)該按照內(nèi)業(yè)圖上設(shè)計(jì)→現(xiàn)場選點(diǎn)踏勘→環(huán)境測試數(shù)據(jù)采集→測試數(shù)據(jù)分析→建站協(xié)議簽訂五個(gè)步驟進(jìn)行?？边x時(shí)，應(yīng)同時(shí)按要求勘選1～2個(gè)備選站址，條件最優(yōu)者，作為最終建站位置。

3 基準(zhǔn)站點(diǎn)位設(shè)計(jì)

新建川藏鐵路林芝站至波密段(多木格隧道出口)設(shè)計(jì)里程長度180 km，包含6座隧道和8座大橋，涉及500 km的新建施工道路和改建既有道路工程。設(shè)計(jì)的BDSCORS服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能覆蓋鐵路正線及鐵路建設(shè)配套道路、電力工程，可為上述工程提供全生命周期的高精度位置服務(wù)。根據(jù)基準(zhǔn)站選址原則及線路走向、工點(diǎn)設(shè)置情況進(jìn)行基準(zhǔn)站分布設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)7個(gè)基準(zhǔn)站，基準(zhǔn)站位置及所在地分布見表1。

表1 基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)位置

上述7個(gè)BDS CORS基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)思路是:以鐵路勘察設(shè)計(jì)可研初測穩(wěn)定的線路方案為依據(jù)，沿線路走向按照20～30 km間距布設(shè)，兼顧長大隧道、大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁及重點(diǎn)控制性工程的精密控制測量的要求，并考慮隧道施工輔助通道位置及配套工程應(yīng)用需求。

基準(zhǔn)站網(wǎng)規(guī)劃選址按照《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》(GB/T 28588—2012)中對觀測環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境及維護(hù)環(huán)境[5]的具體要求實(shí)施，現(xiàn)場踏勘必須落實(shí)各項(xiàng)技術(shù)細(xì)節(jié)。7個(gè)BDS CORS基準(zhǔn)站均位于樓頂，采用屋頂觀測墩，滿足10°以上地平高度角的衛(wèi)星通視條件，個(gè)別困難站點(diǎn)高度角滿足25°要求。站點(diǎn)遠(yuǎn)離電磁干擾區(qū)及振動地帶，附近無產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的地物。

川藏鐵路林芝至波密段位于青藏高原東南部，地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，經(jīng)長期的高原隆升演化，在內(nèi)外地質(zhì)動力作用下，導(dǎo)致建站區(qū)內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)條件總體呈現(xiàn)出“三高兩強(qiáng)”的特點(diǎn)，高烈度地震、高地應(yīng)力、高地溫及強(qiáng)烈發(fā)育多樣化地質(zhì)災(zāi)害、強(qiáng)烈發(fā)育活動斷裂。本段區(qū)域有F5米林?jǐn)嗔褞?、F4嘉黎斷裂帶、F6迫龍-旁興斷裂帶、西興拉斷裂帶。基準(zhǔn)站選址內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，在1∶10 000地質(zhì)活動斷層平面圖上，避繞活動斷裂帶，盡量遠(yuǎn)離嘉黎斷裂帶并行。對于繞避不開的區(qū)域保證相鄰站點(diǎn)小角度穿越斷層，減小活動斷層的影響。上述7個(gè) BDS CORS基準(zhǔn)站設(shè)置在城鎮(zhèn)、村落居民區(qū)，城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)時(shí)排除了潛在不良地質(zhì)影響，既有建筑物經(jīng)過多年自然沉降已經(jīng)穩(wěn)定且便于長期保存。選址均具備接入公共通信網(wǎng)絡(luò)，具有穩(wěn)定、安全可靠的市電接入，汽車均能達(dá)到。

4 觀測環(huán)境測試

鐵路沿線帶狀稀分布BDSCORS是鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建造、運(yùn)營維護(hù)全生命周期的高精度時(shí)空基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，基準(zhǔn)站需要一次建設(shè)，長期使用并持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地提供高精度位置服務(wù)。CORS基準(zhǔn)站需滿足建站地質(zhì)條件穩(wěn)定外，還需要在初步選定的站點(diǎn)上進(jìn)行多種品牌型號GNSS接收機(jī)實(shí)地環(huán)境適用性測試，確保衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量、可用性等指標(biāo)滿足建站要求。環(huán)境測試所采用的設(shè)備應(yīng)能接收 BDS(B1/B2/B3)、GPS(L1/L2/L5)、GLONASS(L1/L2)、GALILEO(E1/E5a/E5b)多衛(wèi)星系統(tǒng)多頻段信號。在選點(diǎn)位置上架設(shè)大地型扼流圈天線，天線架設(shè)的高度應(yīng)與擬建觀測墩的高度一致。實(shí)地進(jìn)行觀測，設(shè)置衛(wèi)星高度截至角為10°，以1 s采樣間隔記錄衛(wèi)星信號觀測數(shù)據(jù)，連續(xù)測試時(shí)間應(yīng)不小于24 h。林芝到波密段CORS系統(tǒng)采用國產(chǎn)化解決方案，接收機(jī)和天線采用司南AT600設(shè)備，能夠以1 s采樣率穩(wěn)定接收BDS、GPS、GLONASS和GALILEO四系統(tǒng)信號。從數(shù)據(jù)完整率、多路徑誤差(MP1、MP2、MP3)、信噪比(SNR1、SNR2、SNR3)、周跳比(CS)多項(xiàng)指標(biāo)對站點(diǎn)的GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析[6-9]，數(shù)據(jù)中有任意一項(xiàng)不滿足指標(biāo)，則認(rèn)為該站點(diǎn)的觀測條件或設(shè)備不合格。

本次測試于9月12日00:00開始，各基站按照1 s采樣率采集四系統(tǒng) GNSS數(shù)據(jù)，觀測時(shí)長為24 h。共計(jì) 7個(gè)站點(diǎn)，原始二進(jìn)制文件大小共2.6 G。采用TEQC軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯及質(zhì)量檢核[10]，高度角為25°時(shí)7個(gè)站點(diǎn)觀測環(huán)境測試結(jié)果分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 高度角為25°時(shí)CORS站點(diǎn)BDS、GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測統(tǒng)計(jì)

續(xù)表2

根據(jù)環(huán)境測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)繪制多系統(tǒng)數(shù)據(jù)多路徑MP1值、MP2值柱狀圖(見圖1、圖2)。

圖1 四系統(tǒng)多路徑誤差值MP1值

圖2 四系統(tǒng)多路徑誤差值MP2值

上述測試結(jié)果，除了GLONASS系統(tǒng)由于自身衛(wèi)星頻點(diǎn)丟失問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)完整率部分不滿足要求，其他星座的數(shù)據(jù)質(zhì)量都符合建站相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。在川藏鐵路林芝至波密段沿線高山峽谷區(qū)，高度角為25°時(shí)，7個(gè)站點(diǎn)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整率均達(dá)到90%以上，MP多路徑誤差在0.5 m以內(nèi)，信噪比達(dá)到40以上，周跳比大于2 000，滿足CORS建站要求。

高度角為10°時(shí)7個(gè)站點(diǎn)BDS、GPS觀測環(huán)境測試結(jié)果分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 高度角為10°時(shí)CORS站點(diǎn)BDS、GPS觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測統(tǒng)計(jì)

川藏鐵路林芝至波密段線路以傍山隧道走行于帕隆藏布江岸邊，地勢急劇隆升抬起，河流快速強(qiáng)烈下切，谷底與山嶺相對高差一般2 000～3 000 m，為典型的“V”形高山峽谷地貌，也是BDS CORS站選點(diǎn)的困難區(qū)域?？紤]站點(diǎn)鄰近線路距離和建造維護(hù)成本，BDS CORS選址只能位于318國道沿線的村鎮(zhèn)。從表3可以看出，高度角為10°時(shí)由于地形條件限制，多個(gè)站點(diǎn)多個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整率小于90%且周跳比小于2 000。7個(gè)站點(diǎn)完整率方面，北斗系統(tǒng)優(yōu)于其他3個(gè)系統(tǒng)。有4個(gè)站點(diǎn)周跳比北斗系統(tǒng)優(yōu)于其他3個(gè)系統(tǒng)，7個(gè)站點(diǎn)周跳比北斗系統(tǒng)均優(yōu)于GPS，體現(xiàn)出北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在高山峽谷區(qū)的應(yīng)用優(yōu)勢。

5 建站資源配置及維護(hù)條件

基準(zhǔn)站為無人值守型，基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將GNSS觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(光纖)傳輸給控制中心，控制中心通過遠(yuǎn)程控制方式設(shè)定、控制、檢測基準(zhǔn)站的運(yùn)行?；鶞?zhǔn)站的結(jié)構(gòu)基本上是基于網(wǎng)絡(luò)終端，主要設(shè)備包括GNSS接收機(jī)、不間斷電源UPS、通訊鏈路等[11]。

設(shè)備間的連接與通訊是基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)中的核心部分，其可靠性和穩(wěn)定性決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能與可靠性。所以在選址時(shí)，要充分考慮建站資源配置及維護(hù)條件，主要考慮通訊資源和電力供應(yīng)。在實(shí)地踏勘時(shí)，應(yīng)向當(dāng)?shù)厣a(chǎn)場所發(fā)放擬定站點(diǎn)情況調(diào)查表，落實(shí)土地使用以及供電、通信、供水、站址安全防護(hù)等基礎(chǔ)設(shè)施支撐條件。站址附近是否有機(jī)房、220 V交流電源或48 V直流電源、避雷帶、避雷針、地網(wǎng)等設(shè)施，要詳細(xì)備注機(jī)房位置、布線便捷性、電源便利性和可靠性、避雷針高度、防護(hù)范圍、地網(wǎng)情況、接地裝置是否銹蝕等因素，充分利用既有設(shè)備設(shè)施。

BDS/GNSS基準(zhǔn)站的供電是基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)中一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，應(yīng)保障觀測系統(tǒng)和傳輸通信系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、連續(xù)不間斷運(yùn)行，因此觀測系統(tǒng)與通信系統(tǒng)供電均采用直流電源供電。各個(gè)基準(zhǔn)站利用原有電力系統(tǒng)，或者自建供電系統(tǒng)，或者二者兼而有之。優(yōu)先采用市電+電池組+太陽能組合供電模式[12]，在斷電情況下，基準(zhǔn)站靠UPS及電池組支持72 h以上，全年運(yùn)行間斷時(shí)間應(yīng)不大于120 h?；鶞?zhǔn)站的供電可分為對BDS/GNSS基準(zhǔn)站設(shè)備供電和通訊設(shè)備供電兩種類型。BDS/GNSS基準(zhǔn)站設(shè)備的供電主要指對BDS/GNSS基準(zhǔn)站接收機(jī)進(jìn)行供電。BDS/GNSS基準(zhǔn)站接收機(jī)供電電壓為10～28 V直流電壓。通訊設(shè)備的主要采用兩種供電方式，5 V和48 V。

網(wǎng)絡(luò)通信鏈路是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)因素之一，一般直接租用通信運(yùn)營商的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)，包括基準(zhǔn)站至數(shù)據(jù)處理中心、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用服務(wù)發(fā)播網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)建設(shè)旨在實(shí)現(xiàn)北斗/GNSS衛(wèi)星觀測網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)觀測產(chǎn)品向數(shù)據(jù)中心的信息匯聚，是北斗/GNSS基準(zhǔn)站的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)上傳及數(shù)據(jù)中心對基準(zhǔn)站監(jiān)控管理等任務(wù)的重要保障?；鶞?zhǔn)站至數(shù)據(jù)處理中心網(wǎng)絡(luò)一般采用光纖網(wǎng)絡(luò)直連，采用商用密碼加密或?qū)＞W(wǎng)，以保證數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定傳輸。各基準(zhǔn)站與控制中心的通訊可采用中國電信2M數(shù)字電路，基準(zhǔn)站通過交換機(jī)接入上述通訊網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用服務(wù)發(fā)播網(wǎng)絡(luò)采用無線網(wǎng)絡(luò)，采用相關(guān)加密手段或?qū)＞W(wǎng)保障用戶服務(wù)的受控管理。根據(jù)基準(zhǔn)站分布情況，數(shù)據(jù)傳輸方式采用有線為主要傳輸方式，無線為輔助應(yīng)急傳輸方式。

(1)有線數(shù)據(jù)傳輸鏈路

有線數(shù)據(jù)傳輸鏈路具有傳輸速率高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，能夠完全滿足基準(zhǔn)站連續(xù)觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。在地面專網(wǎng)能夠到達(dá)的地區(qū)，首選直接采用DDN/SDH等有線專網(wǎng)接入方式。接收機(jī)通過天線接收到衛(wèi)星信號后，將數(shù)據(jù)通過接入路由器轉(zhuǎn)發(fā)給電信光端機(jī)，光端機(jī)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后接入電信專線網(wǎng)絡(luò)。

(2)無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路

考慮川藏鐵路沿線部分基準(zhǔn)站公網(wǎng)未完全覆蓋及通信基礎(chǔ)設(shè)施薄弱現(xiàn)狀，對于地處偏遠(yuǎn)地區(qū)或者在高海拔山野叢林等地專線建設(shè)維護(hù)成本較高情況下，可采用運(yùn)營商提供的3G/4G/5G無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)困難地區(qū)基準(zhǔn)站至數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)傳輸，后期條件具備時(shí)可升級網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)論

新建鐵路沿線帶狀稀疏分布的CORS站是鐵路工程全生命周期的高精度時(shí)空基準(zhǔn)基礎(chǔ)設(shè)施，基準(zhǔn)站需要一次建設(shè)，長期使用并持續(xù)、穩(wěn)定、可靠地提供定位服務(wù)。鐵路沿線的地形地質(zhì)條件、CORS站功能定位、基礎(chǔ)設(shè)施水平與傳統(tǒng)城市CORS站點(diǎn)建設(shè)差異較大，建站選址方法不能原樣照搬城市級CORS站建設(shè)。本文以川藏鐵路林芝到波密段高山峽谷地形區(qū)域7個(gè)CORS站建設(shè)項(xiàng)目為例，對鐵路沿線帶狀稀疏分布BDSCORS的站點(diǎn)布設(shè)原則、選點(diǎn)踏勘內(nèi)容及要求、環(huán)境測試分析、資源配置等進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)，對后續(xù)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路BDS CORS站網(wǎng)建設(shè)具有借鑒意義。