北斗衛(wèi)星導(dǎo)航RTK 定位技術(shù)在鐵路通信鐵塔北斗衛(wèi)星導(dǎo)航RTK 定位技術(shù)在鐵路通信鐵塔

馮平

摘要： 通過自帶基準(zhǔn)站并利用北斗實(shí)時動態(tài)載波相位差分定位技術(shù)（Real-Time Kinematic，RTK）對鐵路通信鐵塔發(fā)生的水平位移、鐵塔垂直度、塔基沉降進(jìn)行連續(xù)不斷測量和監(jiān)控，解決以往鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)誤報、漏報率高、設(shè)備故障率高以及安裝難度高、安裝要求苛刻等施工難題，通過野外環(huán)境實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明其精度滿足中國鐵路總公司發(fā)布的《鐵路通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)》（Q/CR 851—2021）標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞： 北斗衛(wèi)星 RTK 定位技術(shù) 雙差分 鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號： U285 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0036-04

鐵塔作為鐵路工程的一個重要組成部分，是承載鐵路無線通信的組成部分，是保障鐵路運(yùn)輸安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施。目前鐵路通信鐵塔數(shù)量多、分布廣，且鐵塔高度較高（一般可達(dá)50 m），離鐵路線路距離較近（一般不超過10 m），如遇到地質(zhì)變化、惡劣天氣、老化氧化、人為破壞等情況時，會給鐵塔帶來嚴(yán)重的安全隱患，甚至造成鐵塔傾斜、倒塌，導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)中斷或者影響機(jī)車正常通行［1］。

目前鐵路既有線的鐵塔維護(hù)機(jī)制主要有兩個方向：一是傳統(tǒng)的定期巡檢、人為觀測；二是依賴自動化鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)。前者需要大量人力、物力，且無法及時、準(zhǔn)確獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，后者通過在鐵塔上安裝若干傾角、沉降傳感器來對鐵塔自身姿態(tài)及環(huán)境信息進(jìn)行采集，能實(shí)時獲取數(shù)據(jù)消除的安全隱患，但監(jiān)測精度無法達(dá)到鐵路標(biāo)準(zhǔn)，且安裝環(huán)境較為苛刻。為提高監(jiān)測精度和可靠性，本文基于北斗衛(wèi)星RTK 定位技術(shù)，對鐵路通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

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)航定位系統(tǒng)。它由一系列衛(wèi)星、地面監(jiān)測站和用戶終端組成，是能夠?yàn)槿蛴脩籼峁┤旌?、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要時空基礎(chǔ)設(shè)施，是繼美國的GPS 和俄羅斯的GLONASS 之后第三個建成并投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［2］。截至2020 年，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的定位精度可達(dá)2.5 m，測速精度0.2 m/s，授時精度10 ns。本文中的鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)采用高精度定位芯片接收機(jī)接收北斗衛(wèi)星信號，經(jīng)過RTK 差分處理之后定位精度平面可達(dá)±8.0 mm，高程±15.0 mm，滿足中國鐵路總公司發(fā)布的《鐵路通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)》（Q/CR 851—2021）標(biāo)準(zhǔn)。

2 載波相位差分定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要是通過衛(wèi)星信號的偽距觀測值和載波相位觀測值進(jìn)行定位，載波信號是衛(wèi)星發(fā)送的連續(xù)波信號，地面接收設(shè)備通過測量信號的相位差來計算衛(wèi)星和接收設(shè)備之間的距離差，所以載波相位觀測值的精度較高，可以達(dá)到毫米級。偽距觀測值的精度受到包括衛(wèi)星信號多路徑傳播、衛(wèi)星鐘差、接收設(shè)備時鐘誤差等影響，其誤差可達(dá)幾十米甚至幾百米，在精密導(dǎo)航和陸上測繪中往往需要使用厘米級或更高精度的測量設(shè)備，目前較常使用的還是采用載波測量技術(shù)［3］。

2.1 北斗導(dǎo)航誤差源

用戶接收到的北斗導(dǎo)航信號主要包含3 種誤差，即衛(wèi)星相關(guān)的空間誤差、信號傳播中的路徑誤差和接收設(shè)備自身的誤差。其中空間部分誤差分為衛(wèi)星時鐘誤差、衛(wèi)星軌道誤差和相對論效應(yīng)，傳播路徑誤差分為電離層誤差、對流層誤差和多路徑誤差，設(shè)備誤差分為天線相位中心偏移、接收機(jī)時鐘誤差和接收機(jī)噪聲。由于上述誤差的存在，單點(diǎn)定位的精度只能達(dá)到米級，無法滿足高精度應(yīng)用場景的需求。針對此類情況，通常采用差分技術(shù)來提高定位精度。差分技術(shù)利用兩臺接收機(jī)同時觀測衛(wèi)星信號，利用誤差的空間相關(guān)性（即在一定基線距離條件下，兩臺接收機(jī)所觀測的同一顆衛(wèi)星其誤差基本相同）進(jìn)行差分計算，有效地消除或降低兩站接收機(jī)間的公共誤差部分，包括星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差和對流層誤差，從而提高了接收機(jī)定位精度［4］。

2.2 RTK 載波相位差分原理

載波信號在其傳播途徑上的不同位置有著不同的相位值。如圖1 所示，載波信號傳播途徑上的A 點(diǎn)距S點(diǎn)波長為λ /2（S 為衛(wèi)星發(fā)射器的零相位中心點(diǎn)，λ 為波長），因?yàn)檩d波的波長很短，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于接收機(jī)到衛(wèi)星的距離，信號傳到地球中間過程可能產(chǎn)生整數(shù)個（N 個）周期的差別，因此，B 點(diǎn)和S 點(diǎn)之間的距離相差實(shí)際上是（N+0.5）λ 。

因此，t 時刻的載波相位觀測值φji（i ）應(yīng)當(dāng)?shù)扔诮邮諜C(jī)基準(zhǔn)信號相位φi （ti ）與衛(wèi)星發(fā)射信號相位φj （tj ）之差，考慮傳播過程中的整周模糊度，還應(yīng)該減去N ji （t0 ），即

φji（t ） = φi （tt ） - φj （tj ） - N ji （t0 ） （1）

由于載波信號頻率變化較小，可以忽略漂移誤差，衛(wèi)星信號頻率f j 與接收機(jī)基準(zhǔn)信號頻率fi相同，均為f，若設(shè)Δt = ti - tj?（衛(wèi)星發(fā)射信號到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時間），則可以得到以下關(guān)系：

φi （ti ） = φj （tj ） + f·?Δt （2）

則相位觀測值φji（t ） = f · Δt - N ji （t0 ），再根據(jù)距離、時間以及速度的關(guān)系可得：

式（3）中：ρji（t ）為星站距離，C 為光速，再考慮到接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差和電離層、對流層等各種誤差因素，可得到以下載波相位簡化觀測方程（短基線）：

式（4）中：δI ji （t ） + δT ji （t ）為電離層、平流層誤差；δti為接收站鐘差；δtj為衛(wèi)星鐘差。

RTK 載波相位差分定位其原理是利用載波相位進(jìn)行實(shí)時差分解算，基準(zhǔn)站將觀測到的載波相位觀測值發(fā)送給測量站，與測量站自身的載波相位觀測值進(jìn)行相位求差，從而解算具體位置。差分模型包括單差、雙差和三差，在RTK 載波相位差分定位中普遍采用雙差模型，雙差模型采取站間、星間二次求差，能很好地消除衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、電離層、對流層的誤差影響，保證RTK 載波相位差分定位精度［5］。圖2 為雙差模型示意圖。

將接收站1 和接收站2 的載波相位觀測值式（4）帶入式（5）求差。第一次站間求差消除了衛(wèi)星鐘差，基本消除了電流層、對流層延遲誤差，第二次星間求差，可以消除接收站鐘差。

通過載波相位觀測方程可以知道載波相位觀測值是接收機(jī)與衛(wèi)星位置的函數(shù)，由于衛(wèi)星的位置精確可知，我們可以利用三維坐標(biāo)中的距離公式，得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離ρji（t ）和位置（X，Y，Z）的關(guān)系：

式（6）中：點(diǎn)衛(wèi)星位置j 已知，接收機(jī)位置k 未知，如果同時觀測4 顆衛(wèi)星，就可以組成方程組，并解出接收機(jī)的位置（X，Y，Z）。

綜上所述，RTK 載波相位差分技術(shù)定位實(shí)時性好，觀測過程中鎖相環(huán)不易失鎖，周跳修復(fù)能力強(qiáng)，定位精度高，有利于對變形體的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測［6］。該技術(shù)的關(guān)鍵除了數(shù)據(jù)處理技術(shù)之外還有數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，RTK定位時要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時地把觀測數(shù)據(jù)（相位觀測值）及已知數(shù)據(jù)傳輸給移動站接收機(jī)。本文中的鐵路通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測主機(jī)采用一體化設(shè)計，同時包含基站接收模塊和移動站接收模塊，模塊間通過485、CAN 通信，最大程度上減少基準(zhǔn)站接收機(jī)和移動站接收機(jī)的通信延遲，從而提高了實(shí)時性和解算精度。

3 基于北斗的鐵路通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)方案

3.1 總體方案

在通信鐵塔的塔頂處安裝1 只高精度北斗測量型天線，在塔底基座處安裝1～3（非均勻沉降）只高精度北斗測量型天線，在監(jiān)測地段布設(shè)一個基點(diǎn)，盡量避開山坡、樹林、高層建筑物、高壓輸電線等地點(diǎn)；選擇視野開闊、地質(zhì)構(gòu)造較硬/無干擾源的地方安裝1 只高精度北斗測量型天線，多只高精度北斗測量型天線通過射頻同軸電線纜連接到1 臺傾斜沉降監(jiān)測主機(jī)上；基點(diǎn)實(shí)時發(fā)送RTK 差分?jǐn)?shù)據(jù)給定位點(diǎn)，主機(jī)通過北斗接收模塊接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，再根據(jù)RTK 載波相位差分原理實(shí)時計算監(jiān)測點(diǎn)經(jīng)緯度和高程。為了減少實(shí)時觀測和動態(tài)解算過程中的多種隨機(jī)誤差，可利用濾波算法對原始觀測量進(jìn)行濾波去噪處理。

隨后，監(jiān)測主機(jī)通過以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸至后臺中心服務(wù)器。服務(wù)器端通過計算瞬時和累計形變量與事先設(shè)定閾值進(jìn)行對比，若超出閾值，服務(wù)器發(fā)出報警并在監(jiān)控終端電子地圖上高亮顯示，通過歷史數(shù)據(jù)還可顯示監(jiān)測點(diǎn)位移變化時程曲線及高程變化曲線。

3.2 監(jiān)測主機(jī)

鐵塔監(jiān)測主機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)的 2U 機(jī)箱結(jié)構(gòu)，方便通信機(jī)房的機(jī)柜式布置安裝。機(jī)箱內(nèi)部集成塔頂、塔身、塔基等測點(diǎn)接收機(jī)，并自帶基準(zhǔn)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)差分定位，可以單靠獨(dú)立設(shè)備完成鐵塔監(jiān)控，不再需要外部基準(zhǔn)信息。主機(jī)內(nèi)部集成板卡可以支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，集成了多路串口485 和網(wǎng)口，方便微型氣象站的接入。主機(jī)系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

4 實(shí)測數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證鐵塔監(jiān)測單元的實(shí)時精度，在野外搭建了檢測環(huán)境，一個基準(zhǔn)站和一個監(jiān)測站，測試了水平位移（如表1 所示，選取絕對位移10 cm，測量10 次，每次都重新移動位置獲取經(jīng)緯度信息計算兩點(diǎn)之間的位移，獲得水平中誤差4.3 mm）、高度位移（如表2 所示，選取絕對位移87 mm，測量10 次，每次都重新移動位置獲取海拔信息，獲得高度中誤差25 mm），均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

針對鐵塔狀態(tài)監(jiān)測現(xiàn)有監(jiān)測方法的不足，本方案研究采用基于北斗衛(wèi)星RTK 定位的監(jiān)測方法，構(gòu)建基于北斗的鐵塔實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對鐵路鐵塔沉降、垂直度、水平位移等環(huán)境量全面、自動連續(xù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測方案，北斗定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于大幅度提高了監(jiān)測系統(tǒng)的精度，由原本的厘米級監(jiān)測水平提升至了毫米級水平，解決了監(jiān)測數(shù)據(jù)采集精度一直無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的問題。同時，前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備由原本的多個傳感器替換為了北斗接收天線，解決了在以往的項(xiàng)目中前端傳感器安裝難度高、安裝要求苛刻等施工難題，為日后的維護(hù)整修提供了較大的便利。

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