基于北斗RTK/INS的城市軌道交通保護區(qū)巡查人員高精度定位系統(tǒng)

李 凱，韓 鵬，吳 屾，羅 杰，李綠洲，甘沁霖

(1.武漢地鐵運營有限公司，武漢 430000；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

城市軌道交通因其速度快、載客量大，準點率高等優(yōu)點，已逐漸成為大中型城市首選的市內(nèi)交通形式。因此，近十多年以來我國地鐵建設(shè)發(fā)展十分迅猛，截止2021年6月30日，我國內(nèi)地累計已有49個城市投運城軌交通，運營線路總長8 448.67 km，其中地鐵總長為6 641.73 km。城市軌道交通周邊一定區(qū)域內(nèi)的施工建設(shè)可能會鑿穿地鐵隧道或者引起隧道大范圍的變形開裂等，產(chǎn)生嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響。因此，為了確保城市軌道交通建設(shè)和運營的順利進行，住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部頒布一系列管理方法和標準，要求設(shè)立軌道交通保護區(qū)，并對保護區(qū)內(nèi)的建設(shè)和施工活動進行嚴格管控。由于城市軌道地上地下交錯分布，保護區(qū)內(nèi)現(xiàn)場地形地物復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場巡查手段無法替代。鑒于城市軌道交通線網(wǎng)的不斷延伸，保護區(qū)內(nèi)施工作業(yè)安全管理形式日益嚴峻，為實現(xiàn)高效、智能和準確的人工巡查，解決問題的關(guān)鍵在于巡查人員的精確定位。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS，能提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航、授時等服務(wù)。北斗系統(tǒng)采用混合軌道的導(dǎo)航星座，抗干擾能力強，支持多個頻點信號，定位精度高，特別是具有短報文通信能力[1]。隨著北斗地基增強平臺的建設(shè)和發(fā)展，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)運算，實現(xiàn)實時厘米級服務(wù)在中國大陸的全覆蓋，能夠為全國用戶提供全社會共享的高精度定位服務(wù)。劉為民[2]利用北斗高精度定位技術(shù)和改進實時動態(tài)差分RTK算法，對鐵路列檢作業(yè)人員的作業(yè)行為進行卡控，實現(xiàn)人員的厘米級電子圍欄管理。為保障鐵路工務(wù)安全和行車安全，史小坤[3]基于北斗系統(tǒng)對現(xiàn)場作業(yè)人員實現(xiàn)高精度、智能化管理。應(yīng)用“北斗+RTK”高精度復(fù)合定位和動態(tài)坐標系轉(zhuǎn)換技術(shù)，樂建煒等[4]實現(xiàn)鐵路編組站現(xiàn)場作業(yè)人員的高精度定位。基于北斗系統(tǒng)周恩澤等[5]提出高精度位置安全服務(wù)體系構(gòu)架，可以提供厘米級高精度定位，實現(xiàn)電力人員的自動檢測與實時管控。張錦榮等[6]結(jié)合北斗/GPS雙模定位技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計水中應(yīng)急定位系統(tǒng)，實現(xiàn)落水人員的快速定位。

當(dāng)前導(dǎo)航定位需求朝著低成本、實時高精度、硬件小型化和低功耗的方向發(fā)展。因此，針對城市軌道交通保護區(qū)環(huán)境復(fù)雜，基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，采用“RTK+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS”組合導(dǎo)航定位方式，即在北斗觀測條件好時，采用RTK技術(shù)實現(xiàn)厘米級定位；當(dāng)北斗信號失效時，采用INS技術(shù)并結(jié)合氣壓計確定高程信息，實現(xiàn)分米級定位，從而為保護區(qū)巡查人員提供復(fù)雜環(huán)境下高穩(wěn)定、高精度、高實時和低成本定位系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

RTK載波相位差分技術(shù)能在運動狀態(tài)下通過跟蹤處理接收衛(wèi)星信號的載波相位，實時提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果。利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)CORS(Continuous Operational Reference System,簡稱CORS)，當(dāng)GNSS觀測條件較好時，能夠進行實時載波相位/偽距差分修正，實現(xiàn)連續(xù)可靠的高精度厘米級定位。但是，在高樓密集、樹蔭遮擋、立交橋等典型城市環(huán)境下，低成本GNSS接收機的信號容易受到干擾，會引起衛(wèi)星信號頻繁失鎖，導(dǎo)致觀測誤差，嚴重影響RTK的定位精度和實時性。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，其基本工作原理是測量載體在慣性參考系的加速度，通過對加速度進行積分并變換到導(dǎo)航坐標系中，從而得到速度、位置等信息。INS可以全天候全時間工作，具有短期精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點；但是，定位誤差會隨時間而增大，長期精度差。

INS技術(shù)與GNSS RTK技術(shù)具有極好的互補性。因此，將GNSS RTK技術(shù)與INS技術(shù)相結(jié)合，可以為復(fù)雜環(huán)境下城市軌道交通保護區(qū)的巡查人員提供連續(xù)性、可靠性和實用性的定位服務(wù)。

2 技術(shù)路線

為實現(xiàn)低成本、實時高精度、硬件小型化和低功耗的定位終端，在研制GNSS RTK/INS模組和終端時需要權(quán)衡成本和硬件數(shù)據(jù)質(zhì)量，并在合適的價格范圍內(nèi)，采用算法來彌補觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和解算效率的不足。為此，設(shè)計硬件時，需要在充分了解各項需求的基礎(chǔ)上給出具體的技術(shù)路線，主要包括需求分析、硬件比測、PCB原理圖設(shè)計、硬件生產(chǎn)、設(shè)備測試與完善等。

2.1 需求分析

為研制GNSS RTK/INS定位終端，各模塊具體需求如下：

1)支持北斗RTK且定位精度(1σ)為0.025 m+1×10-6CEP(Circular Error Probable， 圓概率誤差)

在開闊環(huán)境下，單頻和雙頻RTK的定位精度相當(dāng)，但是在觀測環(huán)境復(fù)雜多變、衛(wèi)星信號遮擋和干擾嚴重的情況下，雙頻RTK較單頻定位精度可提升10%～30%[7]。因此，為了滿足水平0.025 m的定位精度需要，需要選擇支持雙頻GNSS信號接收的GNSS接收芯片。目前滿足這一需求的最新RTK板卡包括北斗星通UM4B0、司南K803、華大北斗HD9311，U-blox F9P等。

2)北斗信號失效情況下INS定位精度選擇

在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)失效后，難以提供穩(wěn)定的定位和測速信息，這時需要借助慣性導(dǎo)航INS來維持持續(xù)穩(wěn)定的定位和測速功能，根據(jù)這一精度指標，可選用車規(guī)級IMU，如ST ASM330LHH。

3)北斗失效情況下高程定位精度<1 m

北斗系統(tǒng)失效后無法提供位置信息，一方面可借助慣性導(dǎo)航在短時間內(nèi)提供精度在1 m內(nèi)的高程信息，但是慣性導(dǎo)航的誤差會不斷累計，在長時間GNSS失鎖的條件下，很難持續(xù)提供1 m精度的高程信息，這時則需要借助氣壓計來提供高程信息?？蛇x用的氣壓計為Bosch BMP388。

4)組合導(dǎo)航輸出頻率：5 Hz，25 Hz，50 Hz，100 Hz可選

組合導(dǎo)航輸出頻率主要根據(jù)IMU的輸出頻率和CPU的解算效率確定，通常車規(guī)級IMU的輸出頻率均可支持平滑的100 Hz結(jié)果輸出，可充分滿足現(xiàn)有需求。為了滿足每1 s的RTK解算以及RTK/INS組合導(dǎo)航100 Hz結(jié)果的輸出，CPU的性能盡量高一些以滿足需求，可采用528 MHz主頻的ARM A7處理器。

5)通信方式：串行通信

通信方式僅支持串行通信，這意味著RTK差分改正信號的接入要通過串口的方式傳入，終端不需要提供4 G等網(wǎng)絡(luò)通訊接口。

6)系統(tǒng)功耗：≤1 W

低功耗的設(shè)備需要配合低功耗的GNSS芯片、CPU、氣壓計和IMU來使用，對于可以滿足2)和3)中要求的IMU和氣壓計，功耗都很低，可以忽略。因此主要考慮CPU和GNSS芯片的功耗即可。其中在4)中已經(jīng)選好ARM A7處理器，其功率在0.34 W左右，可以滿足基本需求。滿足1)要求的GNSS接收芯片中，北斗星通UM4B0、司南K803、華大北斗HD9311和U-blox F9P的標稱功耗分別為1.8 W、1.0 W(未開啟抗干擾)、0.17 W和0.204 W，可見，只有華大北斗HD9311和U-blox F9P滿足需求。

7)尺寸：100 mm×100 mm×70 mm

表1給出了主要器件的尺寸。上述器件組裝起來完全滿足100 mm×100 mm×70 mm尺寸需求，剩余空間也可用于電路板其他元件(電阻、電路等)的添加。

8)工作溫度范圍：-30～70 ℃

所選器件均選擇工業(yè)級，滿足-40～80 ℃工作環(huán)境溫度。

表1 主要器件尺寸

2.2 硬件比測

在需求分析中已經(jīng)確定車規(guī)級IMU選用ST ASM330LHH以及氣壓計選用Bosch BMP388。因此，僅需要對GNSS接收芯片進行比測并確定最終型號。在能耗和尺寸均滿足條件的前提下，主要從定位性能和價格兩個方面來比較華大北斗HD9311和U-blox F9P。兩款芯片標稱精度指標相同，均為0.01 m+1×10-6CEP，可以發(fā)現(xiàn)，芯片的標稱精度一致，但是具體的性能需進一步實測才能確定。通過對靜態(tài)/一般動態(tài)/高速動態(tài)下定位精度、測速精度、RTK固定時間、冷啟動時間、熱啟動時間、高低溫性能進行測試，最終選擇瑞士制造的U-blox F9P芯片。

2.3 PCB原理圖設(shè)計

1)地線設(shè)計原則

在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。如能將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用，可解決大部分干擾問題。在地線設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點：正確選擇單點接地與多點接地；將數(shù)字電路與模擬電路分開；盡量加粗接地線；將接地線構(gòu)成閉環(huán)路。

2)電磁兼容性設(shè)計原則

電磁兼容性設(shè)計的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時又能減少電子設(shè)備本身對其它電子設(shè)備的電磁干擾。印制導(dǎo)線的電感量與其長度成正比，與其寬度成反比，因此，短而精的導(dǎo)線對抑制干擾是有利的。采用平等走線可以減少導(dǎo)線電感，但導(dǎo)線之間的互感和分布電容增加；如果布局允許，最好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu)。為了抑制出現(xiàn)在印制線條終端的反射干擾，除了特殊需要之外，應(yīng)盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。

3)去耦電容配置

在直流電源回路中，負載的變化會引起電源噪聲。配置去耦電容可以抑制因負載變化而產(chǎn)生的噪聲。

4)印制電路板的尺寸與器件的配置

在器件布置方面與其它邏輯電路一樣，應(yīng)把相互有關(guān)的器件盡量放得靠近些，這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路等應(yīng)盡量遠離邏輯電路。

5)熱設(shè)計

從有利于散熱的角度出發(fā)，印制版最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不應(yīng)小于2 cm。大量實踐經(jīng)驗表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制電路的溫升。

2.4 設(shè)備測試與完善

為測試在復(fù)雜環(huán)境下提出的GNSS RTK/INS組合導(dǎo)航終端定位性能，測試場景覆蓋樹木遮擋環(huán)境、高樓遮擋環(huán)境、隧道環(huán)境等。結(jié)果表明，與僅采用GNSS RTK定位相比較，隨著多模衛(wèi)星的加入，能夠提高RTK/INS組合定位的穩(wěn)定性和可靠性，在不同復(fù)雜環(huán)境下均有不同程度的定位性能和精度的提升；在高樓遮擋環(huán)境和樹木遮擋環(huán)境下表現(xiàn)良好，基本能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級定位精度，但在隧道環(huán)境下，表現(xiàn)略為遜色，但仍然可以實現(xiàn)分米級定位精度，滿足設(shè)計要求。

3 GNSS RTK/INS組合定位終端系統(tǒng)組成

用于復(fù)雜環(huán)境下城市軌道交通保護區(qū)巡查人員精準定位的GNSS RTK/INS組合定位終端系統(tǒng)內(nèi)部主要由ARM A7核心板、U-blox F9P GNSS雙頻芯片、ST ASM330LHH IMU芯片、Bosch BMP388氣壓計芯片組成，系統(tǒng)外部由GNSS天線接口和兩個串口組成，其中，一個串口用于供電、調(diào)試和打印，另一個串口用于發(fā)送NMEA數(shù)據(jù)并獲取RTCM格式的差分改正數(shù)。

內(nèi)部ARM A7核心板和GNSS雙頻芯片通過USB和串口連接并獲取IMU數(shù)據(jù)。由于IMU芯片可以提供SPI和I2C接口，且SPI接口數(shù)據(jù)傳輸速率遠高于I2C接口，為了保障高采樣IMU數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，將CPU和IMU通過SPI連接實時讀取IMU數(shù)據(jù)，將CPU和氣壓計通過I2C連接獲取氣壓計數(shù)據(jù)。由于GNSS RTK在工作時必須接收差分改正信息才能獲得高精度的定位信息，但是定位終端系統(tǒng)只保留串口，因此，需要借助外部4G通訊模塊連接設(shè)備串口來獲取差分改正信息。

4 結(jié) 語

由于城市軌道交通保護區(qū)環(huán)境復(fù)雜，為提升定位服務(wù)的實時性和精度，基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，采用“RTK+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS”組合導(dǎo)航定位方式，即在北斗觀測條件好時，采用RTK技術(shù)定位實現(xiàn)厘米級定位；當(dāng)北斗信號失效時，采用INS技術(shù)并結(jié)合氣壓計確定高程信息，實現(xiàn)分米級定位。測試結(jié)果表明，與僅采用GNSS RTK定位相比較，隨著多模衛(wèi)星的加入，RTK/INS組合定位在不同復(fù)雜環(huán)境下均有不同程度的定位性能和精度的提升，定位精度滿足設(shè)計要求，從而為保護區(qū)巡查人員提供高穩(wěn)定、高精度、高實時和低成本定位服務(wù)。