宋正立,鄒勁柏,蘭 蒙,?????? ????(楊福),3,陳凌霄
(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 軌道交通學(xué)院,上海 201418;2. 同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 201804;3. 老中鐵路有限責(zé)任公司,老撾 萬(wàn)象 01000)
列車定位技術(shù)是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取列車當(dāng)前速度和位置信息的必要手段,列車定位的準(zhǔn)確度和可靠度直接關(guān)乎列車運(yùn)行安全,影響軌道交通的運(yùn)輸效率[1-2]。軌道交通系統(tǒng)有多種列車定位方式,例如:基于軌道電路的列車定位[3]、基于里程計(jì)累加測(cè)距的列車定位[3]、基于測(cè)速的列車定位[4]、基于應(yīng)答器的列車定位[3,5]、基于無(wú)線通信的列車定位[6]以及基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS,Global Navigation Satellite System)的列車定位[7-8]等。
目前,GNSS 已成為一種各國(guó)鐵路廣泛應(yīng)用的列車定位技術(shù)。上世紀(jì)80 年代,美國(guó)已提出采用衛(wèi)星定位代替地面應(yīng)答器的定位方法,并于90 年代中期開(kāi)發(fā)了基于差分全球定位系統(tǒng)(GPS,Global Positioning System)的增強(qiáng)型列車控制系統(tǒng)。上世紀(jì)90 年代,歐盟提出發(fā)展伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃,并將衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于列車定位的多個(gè)項(xiàng)目,逐步實(shí)現(xiàn)完全依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車定位。1992 年,俄羅斯基于格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS,GLobal Navigation Satellite System)開(kāi)發(fā)出衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備,并于2002 年在鐵路列車安裝使用,驗(yàn)證將衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于列車位置服務(wù)的可行性[9]。我國(guó)在北斗一號(hào)導(dǎo)航系統(tǒng)成功建立后,將北斗衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于青藏鐵路的美國(guó)ITCS 列控系統(tǒng),對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的可靠性、安全性、自主性等進(jìn)行研究[10-11];2022 年底,我國(guó)還建成了首條采用北斗定位技術(shù)的城市軌道交通線路[12]。針對(duì)長(zhǎng)大隧道的特殊需求,國(guó)內(nèi)還有采用GPS 和北斗定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精確的列車定位。
我國(guó)投資建設(shè)的中國(guó)—老撾鐵路(簡(jiǎn)稱:中老鐵路)因隧線比較高,若采取沿線鋪設(shè)定位設(shè)備,不但成本高,且后續(xù)設(shè)備維護(hù)工作量大。因此,中老鐵路宜采用基于GNSS 的列車定位方式。由于GNSS 信號(hào)對(duì)山體、混凝土結(jié)構(gòu)體、森林等環(huán)境穿透較弱,列車在中老鐵路上的運(yùn)行過(guò)程中存在GNSS盲環(huán)境[13-14],衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)無(wú)法連續(xù)為其提供穩(wěn)定、可靠的定位信息。因此,在開(kāi)發(fā)基于GNSS 的中老鐵路列車定位技術(shù)應(yīng)用時(shí),需要解決列車運(yùn)行在GNSS 信號(hào)盲區(qū)時(shí)無(wú)法獲取列車定位數(shù)據(jù)的問(wèn)題。
軟件無(wú)線電作為一種軟硬件結(jié)合的無(wú)線電技術(shù),采用軟件定義方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線電通信,能夠在通用硬件平臺(tái)上通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線通信和定位功能,成本相對(duì)較低,易于在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。蘭蒙等人[15]在鐵路全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R,Global System for Mobile Communications-Railway)、地鐵的長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE-M,Long Term Evolution for Metro)、第五代鐵路移動(dòng)通信(5G-R,5th of Generation Mobile Communications-Railway)等車地?zé)o線通信技術(shù)開(kāi)發(fā)中開(kāi)展了基于軟件無(wú)線電的實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試。
本文利用軟件無(wú)線電技術(shù)及相關(guān)軟硬件,開(kāi)發(fā)了軌道交通線路GNSS 信號(hào)盲區(qū)列車定位模擬系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱:GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)),為GNSS 信號(hào)盲區(qū)生成列車定位模擬數(shù)據(jù),使列車在運(yùn)行過(guò)程中能夠連續(xù)獲取準(zhǔn)確的列車定位信息,并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建測(cè)試環(huán)境,針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景生成GNSS 定位模擬數(shù)據(jù),與中老鐵路現(xiàn)場(chǎng)采集的衛(wèi)星定位信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和有效性。
地球是一個(gè)三維空間,要確定運(yùn)行列車的位置,需要知曉列車位置的3 個(gè)參數(shù):經(jīng)度、緯度和高度。假設(shè)某一運(yùn)行列車在地球上的位置用坐標(biāo)(x,y,z)來(lái)表示,某一已知列車定位衛(wèi)星A 的坐標(biāo)用(x1,y1,z1)表示,可以從位置A 廣播一個(gè)信號(hào),傳播速度用c表示,記信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)出到車載臺(tái)收到的時(shí)間間隔為 τ1,可得到一個(gè)列車運(yùn)行位置信息的方程式:
方程式 (1) 中有3 個(gè)未知數(shù),要確定運(yùn)行列車坐標(biāo)(x,y,z),需要3 顆已知位置信息的列車定位衛(wèi)星才能確定該運(yùn)行列車的坐標(biāo)。記另外2 顆衛(wèi)星為B 和C,對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)表示為(x2,y2,z2) 和(x3,y3,z3);測(cè)量出衛(wèi)星B 和衛(wèi)星C 信號(hào)發(fā)送到接收的持續(xù)時(shí)間τ2和 τ3,得到下列運(yùn)行列車位置方程組:
理論上,信號(hào)從發(fā)送到接受的時(shí)間間隔τi(i=1,2,3,···)可以用運(yùn)行列車車載臺(tái)的接收時(shí)間t1減去衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)送時(shí)間t2來(lái)推算,但由于衛(wèi)星使用的時(shí)鐘與車載GNSS 信號(hào)接收裝置的時(shí)鐘精度不同,存在時(shí)間誤差 Δt。為此,引入新的時(shí)間變量 Δt來(lái)修正方程組(2),得到如下一個(gè)可解的運(yùn)行列車位置方程組:
其中,Δt為衛(wèi)星鐘差;(x,y,z)為列車車載臺(tái)接收天線的坐標(biāo),也是運(yùn)行列車實(shí)際所處位置;(xi,yi,zi)為第i顆GNSS 衛(wèi)星的坐標(biāo);c為GNSS 信號(hào)的傳播速度;c(Δt+τi)為車載接收天線到衛(wèi)星天線的距離,包含接收機(jī)時(shí)鐘和衛(wèi)星時(shí)鐘偏移; τi為信號(hào)從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)的持續(xù)時(shí)間。
如圖1 所示,為了保持時(shí)鐘同步,至少需要4顆已知位置的衛(wèi)星才能獲取已知運(yùn)行列車的位置信息。
圖1 GNSS 定位原理
GNSS 可在全球范圍內(nèi)提供定位服務(wù),對(duì)于地球上的某個(gè)點(diǎn),在任一時(shí)刻的衛(wèi)星定位精度取決于該點(diǎn)當(dāng)時(shí)可接收到定位信號(hào)的衛(wèi)星數(shù)量及信號(hào)強(qiáng)度。通常情況下,可接收到定位信號(hào)的衛(wèi)星數(shù)量越多,接收到的定位信號(hào)就越多;衛(wèi)星信號(hào)受遮擋越少,接收到的定位信號(hào)強(qiáng)度就越強(qiáng),該時(shí)刻物體的定位精度就越高。
GNSS 信號(hào)從結(jié)構(gòu)上可分為載波、偽碼和數(shù)據(jù)碼3 個(gè)層次,先將偽碼和數(shù)據(jù)碼調(diào)制到載波上,然后衛(wèi)星再將調(diào)制后的載波信號(hào)波發(fā)射出去。例如,GPS衛(wèi)星一般以不同頻帶和調(diào)制方式來(lái)廣播GPS 信號(hào),GPS 信號(hào)包含載波、偽碼和導(dǎo)航電文3 個(gè)分量,信號(hào)幀結(jié)構(gòu)如圖2 所示;其中,L1 信號(hào)是最常見(jiàn)的民用信號(hào),部分參數(shù)如表1 所示。
表1 L1 信號(hào)參數(shù)值
圖2 GPS 信號(hào)幀結(jié)構(gòu)
星歷數(shù)據(jù)提供了每顆衛(wèi)星的精確位置數(shù)據(jù)(xi(t),yi(t),zi(t)),列車車載設(shè)備等衛(wèi)星定位信號(hào)接收機(jī)可將其作為先驗(yàn)信息,用于計(jì)算衛(wèi)星的位置。GPS廣播星歷數(shù)據(jù)(BRDC,Broadcast ephemeris)文件可從網(wǎng)站ftp://cddis.gsfc.nssa.gov/gnss/data/daily/下載,該文件為接收者獨(dú)立交換格式(RINEX,Receiver Independent Exchange Format),是一種文本數(shù)據(jù)記錄格式,與接收機(jī)的制造廠商和具體型號(hào)無(wú)關(guān)。BRDC 文件命名規(guī)則為brdcDDD0.yyt 形式,具體含義見(jiàn)表2。
表2 BRDC 文件名規(guī)則
例如:brdc3650.21n 表示2021 年12 月31 日的GPS 衛(wèi)星全部星歷信息。
在列車運(yùn)行的過(guò)程中,車載設(shè)備接收的GNSS信號(hào)會(huì)受到高樓建筑、密閉空間、茂密森林、山體隧道等因素的影響。當(dāng)列車停靠車站時(shí),受到雨棚、高樓等會(huì)遮擋GNSS 定位信號(hào),此時(shí)車載設(shè)備接收到的GNSS 定位信號(hào)會(huì)很弱。當(dāng)列車在隧道、茂密森林、多山地帶等區(qū)間段穿行時(shí),接收到的GNSS定位信號(hào)也會(huì)間斷性地受到遮擋,車載設(shè)備可能無(wú)法連續(xù)地獲取準(zhǔn)確的GNSS 定位信息。因此,模擬列車運(yùn)行在特定站點(diǎn)和穿行于某一區(qū)段時(shí)車載設(shè)備接收的GNSS 定位信號(hào)是實(shí)驗(yàn)室仿真的重點(diǎn)。
在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境下,使用GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)生成GNSS 模擬信號(hào),其質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值相近,可滿足列車定位的準(zhǔn)確性要求,能夠生成列車運(yùn)行過(guò)程中的單點(diǎn)靜態(tài)定位模擬信號(hào),也能夠生成列車穿行于某一區(qū)段的過(guò)程中的區(qū)段動(dòng)態(tài)定位模擬信號(hào)。
GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)主要設(shè)備包括仿真主機(jī)和終端設(shè)備,如圖3 所示。
圖3 系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成示意
仿真主機(jī)CPU 配備Intel Core i5-10400F(6 核12 線程,主頻2.9 GHz),內(nèi)存為16 GB,運(yùn)行ubuntu 18.04 LTS 系統(tǒng),采用4.15 low latency 內(nèi)核。通過(guò)USB3.0 連接到軟件無(wú)線電平臺(tái),板卡將射頻信號(hào)發(fā)送至車載設(shè)備。
終端設(shè)備為真實(shí)的車載設(shè)備,包括車載臺(tái)、手持臺(tái)和PC 機(jī),用以接收模擬的GNSS 射頻信號(hào)。
本文以GPS 信號(hào)作為GNSS 信號(hào)實(shí)例。GPSSDR-SIM 項(xiàng)目是在MIT 許可下發(fā)布的開(kāi)源GPS 基帶信號(hào)發(fā)生器,它將最新的星歷文件和包含列車運(yùn)行軌跡的NMEA(National Marine Electronics Association)文件作為輸入,生成GPS 基帶信號(hào)文件gpssim.bin,作為軟件無(wú)線電平臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)。NMEA 文件是一個(gè)具有連續(xù)模擬仿真信號(hào)的列車運(yùn)行軌跡文件,其中的列車運(yùn)行速度等信息項(xiàng)可調(diào)整。
為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬生成車載設(shè)備接收的GPS報(bào)文,需要在射頻級(jí)別進(jìn)行GPS 仿真。本文使用USRP 軟件無(wú)線電板卡來(lái)模擬生成衛(wèi)星發(fā)送的GPS報(bào)文。USRP 利用通用硬件驅(qū)動(dòng)程序(UHD,Universal Hardware Driver)提供的API,通過(guò)USB3.0和PC 機(jī)連接,工作在70 MHz~6 GHz 頻段上,實(shí)時(shí)帶寬可達(dá)到56 Mbps。采用USRP 發(fā)送GPS 報(bào)文的過(guò)程如圖4 所示。
圖4 模擬生成車載設(shè)備接收的GPS 報(bào)文
首先對(duì)gps-sdr-sim 源碼進(jìn)行編譯,在編譯程序命令行輸入相應(yīng)參數(shù):輸入-e 選擇星歷數(shù)據(jù);輸入-l/-g 選擇列車靜止時(shí)的坐標(biāo)或者列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行軌跡的nmea 文件;輸入-b 選擇采樣精度(不同外設(shè)板卡采樣精度不同);輸入-s 選擇采樣速率。編譯完成后按回車鍵即可生成GPS 報(bào)文,接著調(diào)用USRP 板卡發(fā)射GPS 報(bào)文。
使用gps-sdr-sim 命令生成指定時(shí)段內(nèi)靜態(tài)GPS基帶信號(hào)樣本,或者使用NMEA 軌跡文件生成動(dòng)態(tài)的GPS 基帶信號(hào)樣本。
(1)生成靜態(tài)GPS 報(bào)文:$ ./gps-sdr-sim -e brdc3650.21n -l 102.412 905,21.719 249,634 可生成中老鐵路上橄欖壩站的GPS 基帶信號(hào);
(2)生成動(dòng)態(tài)GPS 報(bào)文:$ ./gps-sdr-sim -e brdc3650.21n -g zhonglaotielu.txt -s 2 500 000 可生成中老鐵路上運(yùn)行區(qū)間段的GPS 基帶信號(hào);
(3)生成中老鐵路上靜態(tài)車站和動(dòng)態(tài)運(yùn)行區(qū)間基帶信號(hào)樣本后,在命令行輸入:$ ./gps-sdr-simuhd.py - t gpssim.bin - f 1575420000 - s 2500000 -c external -x 40,可通過(guò)USRP 的天線以1,575.42 MHz頻率發(fā)射GPS 信號(hào)樣本。
其中,大多數(shù)的列車衛(wèi)星接收設(shè)備不能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)工作,且實(shí)驗(yàn)室內(nèi)接收到的真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度較弱,僅約為-130 dBm[16],在實(shí)驗(yàn)中無(wú)需產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)信號(hào)來(lái)覆蓋真實(shí)的衛(wèi)星信號(hào)。
(1)選擇仿真類型及對(duì)象:
(a)對(duì)于單點(diǎn)靜態(tài)定位模擬,選擇GPS 定位信號(hào)較弱的站點(diǎn),使用谷歌地圖標(biāo)記下其經(jīng)緯度數(shù)據(jù),然后在gps-sde-sim 項(xiàng)目中對(duì)其進(jìn)行源碼編譯;
(b)對(duì)于區(qū)段動(dòng)態(tài)定位模擬,選擇GPS 定位信號(hào)較弱且時(shí)斷時(shí)有的線路區(qū)段,使用谷歌地圖繪制出仿真測(cè)試所需的列車運(yùn)行線路軌跡,并存儲(chǔ)為kml 格式文件;然后使用SatGen 軟件,將包含位置信息的kml 格式文件轉(zhuǎn)化為后綴為txt 的NMEA 軌跡數(shù)據(jù)文件,以獲得連續(xù)的模擬仿真信號(hào);
(2)對(duì)項(xiàng)目gps-sdr-sim 源碼進(jìn)行編譯,基于BRDC 星歷文件、站點(diǎn)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)或是線路區(qū)段NMEA 軌跡數(shù)據(jù)文件來(lái)生成模擬的GPS 基帶信息。
(3)將模擬的GPS 信號(hào)文件gpssim.bin 加載到USRP 平臺(tái)進(jìn)行回放,供車載設(shè)備讀取GPS 信息;車載設(shè)備根據(jù)衛(wèi)星天線接收到的射頻信號(hào),實(shí)時(shí)計(jì)算出列車當(dāng)前位置。圖5 顯示了中老鐵路橄欖壩站的GPS 模擬信息。
圖5 橄欖壩站GPS 模擬信息
選取中老鐵路上列車運(yùn)行過(guò)程中GPS 定位信號(hào)較差的地點(diǎn),如鐵路車站、高樓建筑旁、森林、隧道等,將這些地點(diǎn)的GPS 定位模擬信號(hào)與中老鐵路現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有任何阻隔的空闊區(qū)域(即現(xiàn)場(chǎng)具有最佳衛(wèi)星定位信號(hào)的場(chǎng)所)測(cè)量的GPS 信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。
選取中老鐵路上13 個(gè)GPS 定位信號(hào)較差的地點(diǎn),運(yùn)行GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)生成這些點(diǎn)的GPS 定位模擬信號(hào),并使用GPS 通用測(cè)試軟件測(cè)量出可用衛(wèi)星數(shù)量、定位精度和信噪比。 圖6 是其中的橄欖壩站的GPS 定位模擬信號(hào)與空曠環(huán)境下GPS 定位模擬的相關(guān)信號(hào)質(zhì)量參數(shù)對(duì)比, 表3 為中老鐵路上選取的13 個(gè)地點(diǎn)的GPS 定位模擬信號(hào)測(cè)量結(jié)果。
表3 實(shí)驗(yàn)室條件下生成的GPS 定位模擬信號(hào)測(cè)量值
圖6 測(cè)試結(jié)果對(duì)比
以可用衛(wèi)星數(shù)量、定位精度、信噪比3 個(gè)指標(biāo)衡量信號(hào)質(zhì)量,對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)空闊區(qū)域GPS 信號(hào)測(cè)量值(可用衛(wèi)星數(shù)量為11,定位精度4 m,信噪比(21~43)),實(shí)驗(yàn)室條件下生成的GPS 定位模擬信號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量值相近,甚至更好。
對(duì)中老鐵路上列車車載設(shè)備接收GPS 信號(hào)質(zhì)量較差的28 個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和堪察,并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬上述站點(diǎn)的GPS 定位信息。以玉磨段橄欖壩站和磨萬(wàn)段萬(wàn)象南站為例,圖7(a)、圖7(b)則是車載臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)接收GPS 模擬信息后的定位顯示,顯示位置分別為中老鐵路玉磨段橄欖壩站和中老鐵路磨萬(wàn)段萬(wàn)象南站。
圖7 GPS 單點(diǎn)信息模擬
以通用定位信息解析裝置(如手機(jī),手持臺(tái)等)作為GNSS 列車定位模擬系統(tǒng)信號(hào)接收終端,對(duì)比終端實(shí)際所處的位置信息,實(shí)驗(yàn)室條件下能夠很好的模擬出列車運(yùn)行過(guò)程中??吭贕PS 信號(hào)質(zhì)量較差的站點(diǎn)位置。
選取中老鐵路的部分隧道和3 段線路(昆玉段、玉磨段和磨萬(wàn)段)內(nèi)的列車運(yùn)行軌跡,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行GPS 信號(hào)模擬。其中的磨萬(wàn)段、安定隧道的列車運(yùn)行GPS 定位模擬效果分別如圖8 和圖9 所示。
圖8 中老鐵路磨萬(wàn)段GPS 信息模擬
圖9 中老鐵路隧道列車GPS 信息模擬
在實(shí)驗(yàn)室條件下,能夠很好的模擬出列車經(jīng)過(guò)GPS 定位信號(hào)不連續(xù)的隧道或線路區(qū)段的運(yùn)行過(guò)程中列車動(dòng)態(tài)運(yùn)行軌跡,觀看到基于模擬的GPS 定位信號(hào)列車在沿中老鐵路線向前運(yùn)行。
針對(duì)軌道交通線路上存在GNSS 信號(hào)盲區(qū)的問(wèn)題,基于GNSS 定位原理,采用軟件無(wú)線電技術(shù),研制開(kāi)發(fā)了GNSS 列車定位模擬系統(tǒng),并在實(shí)驗(yàn)室搭建了測(cè)試環(huán)境。測(cè)試表明:在列車運(yùn)行途中,當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)接收受到遮擋或干擾時(shí),該系統(tǒng)能夠生成質(zhì)量較高的衛(wèi)星定位模擬信號(hào),包括單點(diǎn)靜態(tài)衛(wèi)星定位模擬信號(hào)和區(qū)段動(dòng)態(tài)衛(wèi)星定位模擬信號(hào),使車載設(shè)備在線路上GNSS 信號(hào)盲區(qū)也能獲取高質(zhì)量的接收衛(wèi)星定位信號(hào),有助于拓寬基于GNSS 的列車定位技術(shù)的應(yīng)用范圍。
本文僅進(jìn)行了GPS 定位模擬,下一步將結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),繼續(xù)完善GNSS 列車定位模擬系統(tǒng),使基于GNSS 的鐵路列車定位技術(shù)能夠借助該系統(tǒng),成功應(yīng)用于中老鐵路及其它軌道交通線路。