基于同步的北斗類星定位在重載鐵路中的應用

摘要：我國自主研發(fā)的北斗導航系統(tǒng)為鐵路交通提供穩(wěn)定可靠的高精度定位服務。然而，在鐵路隧道、偏遠山區(qū)以及半遮蔽空間等北斗衛(wèi)星信號受限環(huán)境中，北斗導航系統(tǒng)的定位精度會受到嚴重影響，甚至無法提供正常的定位服務。為了解決這一問題，本文提出了一種基于同步技術(shù)的北斗類星定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在信號受限區(qū)域部署地基基站，構(gòu)建時鐘同步網(wǎng)絡，以模擬北斗信號生成原理，并在隧道外與北斗系統(tǒng)實現(xiàn)時頻同步，以提供隧道內(nèi)外的連續(xù)高精度定位服務。為了驗證系統(tǒng)的有效性，本文對神朔鐵路霍家梁隧道進行了系統(tǒng)部署和定位測試，實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)在列車進出隧道、在隧道內(nèi)直行和彎道行駛時，均能實現(xiàn)亞米級精度的連續(xù)定位，滿足了重載鐵路全路段高精度連續(xù)定位的需求。

關(guān)鍵詞：北斗導航、隧道定位、同步技術(shù)、高精度定位服務

一、引言

近年來，定位導航技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于交通、救援等多個領(lǐng)域，使人們生活的便捷程度得到了極大的提升[1]。目前，定位導航技術(shù)主要依賴于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），如美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)，而國內(nèi)廣泛使用的導航系統(tǒng)為自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)為各行各業(yè)提供穩(wěn)定可靠的高精度定位服務[2]。然而，在北斗信號難以接收的受限環(huán)境中，如隧道、山區(qū)等，北斗系統(tǒng)的定位性能會顯著下降，甚至無法提供正常的定位服務[3]。對于鐵路交通來說，一旦在這些區(qū)域發(fā)生交通事故或自然災害，受限的定位性能將嚴重拖延救援行動的速度，造成不可承受的嚴重后果[4]。因此，在這些環(huán)境中為鐵路交通提供高精度定位服務成為一項迫切需求。為了解決這一問題，研究人員首先提出了利用慣性導航技術(shù)[5]在隧道環(huán)境中提供高精度定位的方案，其通過在運動載體內(nèi)部安裝慣性導航設備實現(xiàn)自主式定位。然而，高精度的慣性導航設備價格普遍昂貴，低成本的慣性導航設備精度又不足。隨后，研究人員提出了利用短距離通信技術(shù)進行室內(nèi)定位的方案，例如WiFi定位[6]、藍牙定位[7]和ZigBee定位[8]等技術(shù)。這類技術(shù)成本低、精度高，但定位精度受信號強度的影響大，人員走動或者墻體和門的遮擋、反射作用都會導致定位精度顯著下降。

為了解決上述問題，本文提出了一種基于同步技術(shù)的北斗類星定位系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)在北斗衛(wèi)星信號受限環(huán)境中的精準連續(xù)定位。該系統(tǒng)采用了與北斗系統(tǒng)類似的定位原理，通過在地面部署北斗類星基站以構(gòu)建一個自適應時鐘同步的網(wǎng)絡，這些基站能夠模擬北斗衛(wèi)星的信號，從而在地面上擴展北斗系統(tǒng)的覆蓋范圍。此外，系統(tǒng)通過時頻同步技術(shù)與真實運行的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)精確的時鐘同步。因此，該系統(tǒng)不僅能夠在正常環(huán)境中與北斗系統(tǒng)進行融合定位，更能夠在北斗信號覆蓋不足的區(qū)域利用模擬的北斗信號繼續(xù)提供可靠的定位服務，實現(xiàn)與北斗定位的無縫切換。該系統(tǒng)適用于重載鐵路等關(guān)鍵運輸領(lǐng)域，能夠確保列車在運行過程中的連續(xù)定位，從而大大提高運輸?shù)陌踩院托省?/p>

二、北斗類星定位系統(tǒng)設計

北斗類星定位系統(tǒng)的工作原理與北斗GNSS系統(tǒng)類似，能夠獨立地在北斗信號受限區(qū)域為用戶提供定位服務，同時還可以在北斗信號正常接收區(qū)域與北斗導航系統(tǒng)融合運行，提供更加高精度的定位服務。下面，筆者將詳細介紹北斗類星定位系統(tǒng)的工作原理。

（一） 北斗類星定位系統(tǒng)架構(gòu)

北斗類星定位系統(tǒng)由隧道內(nèi)部署的多個地面北斗類星基站以及車載定位接收機組成。其中，地面部署的北斗類星基站功能與真實的北斗衛(wèi)星一致，能夠相互發(fā)送以及接收與真實北斗定位信號一致的偽衛(wèi)星定位信號，以組建地面同步定位網(wǎng)絡。同時，類星基站也可以接收真實北斗衛(wèi)星的授時信號，實現(xiàn)整個定位網(wǎng)絡與北斗系統(tǒng)的時鐘同步。因此，該系統(tǒng)不僅支持獨立定位，也能支持與北斗系統(tǒng)的融合定位。具體來說，系統(tǒng)中的北斗類星基站由基帶模塊、射頻模塊、MCU模塊、授時模塊以及天線組成。其中，授時模塊負責接收真實北斗衛(wèi)星的授時信號，并產(chǎn)生PPS信號（Pulse Per Second，秒脈沖信號）來驅(qū)動基帶模塊，以提供精準的本地時鐘基準。基帶模塊負責生成偽衛(wèi)星信號以模擬真實北斗衛(wèi)星信號，并基于授時模塊的PPS信號確保偽衛(wèi)星信號和真實北斗信號時鐘同步。這種同步是實現(xiàn)高精度定位和授時的關(guān)鍵。射頻模塊將基帶模塊生成的偽衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換成射頻信號并通過天線發(fā)射出去。MCU模塊負責提取授時模塊的授時數(shù)據(jù)，處理導航數(shù)據(jù)，并通過UART串口協(xié)調(diào)基帶模塊和授時模塊的工作，確?；灸軌蛘＿\行。在無GNSS信號的區(qū)域，系統(tǒng)中需要一臺類星基站作為主站負責提供時鐘基準，向其他基站發(fā)送授時信號，確保所有類星基站的信號實現(xiàn)精準時鐘同步。

系統(tǒng)中的接收機為普通的GNSS信號接收機，如個人手機。接收機負責接收來自北斗類星或者天基北斗衛(wèi)星的導航信號，并對接收到的導航信號進行數(shù)據(jù)處理與解算，以計算出接收機的位置信息。

（二）北斗類星基站與真實北斗衛(wèi)星時頻同步技術(shù)

為了實現(xiàn)和真實北斗導航系統(tǒng)的融合定位以及無縫切換，北斗類星基站產(chǎn)生的本地偽北斗信號需要和北斗衛(wèi)星的信號進行時頻同步處理，即克服本地時鐘與北斗時鐘的鐘差問題。為了解決這一問題，本研究采取本地數(shù)字鎖相環(huán)的方法來實現(xiàn)基站與北斗衛(wèi)星的時間和頻率的精確同步。選用數(shù)字鎖相環(huán)的好處在于利用數(shù)字鎖相環(huán)可以更方便地保持輸出頻率的穩(wěn)定性，這是由于當外部頻率特別低的時候，合成頻率可以借助上一次的頻率調(diào)諧字保持輸出時鐘。具體來說，基站將來自真實北斗衛(wèi)星的1PPS脈沖作為數(shù)字鎖相環(huán)的參考頻率，以及本地的OCXO（Oven-Controlled Crystal Oscillator，恒溫晶體振蕩器）作為本地系統(tǒng)的工作時鐘。隨后，基站對北斗的1PPS信號進行時頻鎖定，具體的鎖定方法如下：

1.本地晶振促使頻率合成器生成一個初始頻率；2.輸出頻率通過分頻器模塊；3.分頻器模塊將輸入的合成頻率N分頻后輸入到鑒相器的一端，鑒相器的另一個輸入為北斗1PPS；4.鑒相器鑒別北斗1PPS信號與本版合成頻率N分頻頻率的差異，該差異通過濾波器平滑后輸入到頻率調(diào)諧模塊；5.調(diào)諧模塊依據(jù)相位差異調(diào)諧頻率合成器相位參數(shù)，修正輸出的合成頻率；6.形成一個反饋環(huán)路，輸出頻率最終鎖定在N*1PPS的頻率上，并且與1PPS信號嚴格相位同步。

執(zhí)行上述步驟之后，基站即可生成與真實北斗衛(wèi)星信號時頻嚴格同步的偽北斗衛(wèi)星信號，實現(xiàn)北斗類星基站與真實北斗衛(wèi)星時頻同步，以支持與北斗系統(tǒng)的融合定位與無縫切換。

（三） 北斗類星基站的自適應時鐘同步與組網(wǎng)技術(shù)

為了在北斗衛(wèi)星信號受限區(qū)域獨立提供精準定位服務，本系統(tǒng)部署的北斗類星基站需要相互進行時鐘同步以組建同步網(wǎng)絡，從而提供定位服務。為了達到這一目的，需通過無線的方式進行基站之間信號的時鐘同步，具體步驟如下：

1.定位系統(tǒng)中的北斗類星基站采用星型、鏈式方式或者兩者的混合方式進行布置；

2.選取系統(tǒng)中的一個類星基站作為主站，其不僅負責接收真實北斗系統(tǒng)信號實現(xiàn)自身與真實北斗系統(tǒng)的時間同步，還負責為其他類星基站提供一個基準時鐘信號；

3.其他類星基站接收主站的基準時鐘后，將基準時鐘作為輸入信號，并采取與真實北斗衛(wèi)星同步相同的方式（即數(shù)字鎖相環(huán)）進行時鐘同步。

完成上述步驟后，系統(tǒng)中部署的所有北斗類星基站的時鐘差全部消除，即所有信號實現(xiàn)了時鐘同步，從而完成同步定位網(wǎng)絡的組建。隨后，系統(tǒng)可以在同步的信號上封裝相應的數(shù)據(jù)即可完成時間測量，從而完成測距功能，以提供定位服務。在完成了與真實北斗衛(wèi)星的時鐘同步，以及地面類星基站的同步定位網(wǎng)絡組建后，系統(tǒng)即可實現(xiàn)北斗衛(wèi)星信號受限環(huán)境下的精準定位服務、在衛(wèi)星信號可正常接收環(huán)境中與真實北斗系統(tǒng)的融合定位，以及二者之間的無縫切換。

三、北斗類星定位系統(tǒng)部署方案

為了在重載鐵路上實現(xiàn)隧道精準定位，本研究將北斗類星定位系統(tǒng)在神朔鐵路上的霍家梁隧道中進行了部署，接下來筆者將介紹具體的部署方案。

（一）北斗類星基站部署位置

為了使隧道定位服務覆蓋霍家梁隧道全線，本研究在霍家梁隧道兩端各安裝一臺北斗類星基站。其中，北斗類星基站1部署在上行方向（府谷-保德）霍家灣隧道入口內(nèi)的避車洞上壁，對應里程為K98+857.8。北斗類星基站2部署在隧道出口的外部，對應里程為K99+80。兩臺北斗類星基站通過自適應同步技術(shù)實現(xiàn)信號時鐘同步并組網(wǎng)運行，以提供隧道內(nèi)的定位服務?；?部署在隧道外部，以便接收真實北斗信號，使北斗類星基站與北斗時鐘同步，實現(xiàn)隧道內(nèi)外的無縫定位。

（二）北斗類星基站安裝方案

北斗類星基站的具體安裝方法如下：首先，北斗類星基站、適配器以及空開一起安裝在設備箱中，設備箱通過饋線和天線相連接，天線通過天線支架固定在隧道壁上。設備箱、電源、天線及天線支架的詳細安裝方案如下：

1.設備箱安裝

為了安裝設備箱，需要在避車洞側(cè)壁使用沖擊鉆開設四個孔，并使用膨脹螺栓固定四顆掛釘，以便于后期懸掛設備箱。設備箱應安裝在不影響工作人員避車的角落，并確?；镜鬃拥?，接地電阻應不大于30Ω。

2.電源接入

設備所需的220V交流電源從霍家梁隧道出口直放站內(nèi)引入。首先，在霍家梁隧道出口直放站內(nèi)布設UPS后備電源，共布設9塊12V100AH膠體電池，總電池容量為12V900AH，滿足隧道內(nèi)PNT基站在停電狀態(tài)下連續(xù)工作時間不低于8小時的要求。然后，從直放站主電源引入電源線，連接至新增空氣開關(guān)后接入UPS后備電源系統(tǒng)，再將電源從UPS后備電源系統(tǒng)中引出，從出口處沿隧道進行鋪設，經(jīng)K99+80處北斗類星基站2、K98+857.8處北斗類星基站1。線纜鋪設方式為壁掛。具體方法是，在線纜外加套20mmPVC管后，使用炮釘線卡固定在隧道壁上，線纜先接入空氣開關(guān)，然后再接入設備。

3.天線安裝

安裝天線時應根據(jù)常規(guī)列車尺寸及隧道結(jié)構(gòu)尺寸進行計算，不僅需要保證設備與列車、接觸網(wǎng)的安全距離，還需要考慮特殊大型貨物運輸時的安全間距。因此，天線安裝高度為5米，支架沿拱頂斜面安裝并向外延伸。設備最外延與接觸網(wǎng)外的所有電源線至少保持0.5m的空氣絕緣距離，與接觸網(wǎng)至少保持1m距離。

4.天線支架安裝

天線支架的安裝高度不應超過接觸網(wǎng)的高度，并須保持與接觸網(wǎng)至少1m的安全距離。為了防止螺栓銹蝕并提高其絕緣性能，立架后需在螺桿上涂抹機油，并在螺桿表面涂覆防銹絕緣涂料。天線支架采用噴漆加固的鋁合金材料制成，支架管直徑不小于30mm，以增強其負載抗壓能力；天線支架的底座直徑不小于125mm，以確保支架的穩(wěn)固性。

四、實驗及結(jié)果

為了驗證該系統(tǒng)的有效性，本研究按照章節(jié)2的方案在神朔鐵路的霍家灣隧道部署了該系統(tǒng)并進行定位實驗。讓列車以80km/h的速度穿過神朔鐵路上的霍家梁隧道并全程進行定位測試。測試結(jié)果顯示，列車在進入與離開隧道時的定位是連續(xù)的，說明在列車從有GNSS信號環(huán)境進入無GNSS信號環(huán)境時，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與北斗導航系統(tǒng)定位的無縫切換。列車在隧道內(nèi)行駛時，不管是直線還是彎道都能夠?qū)崿F(xiàn)實時、連續(xù)的精準定位，說明本研究的系統(tǒng)能夠在無衛(wèi)星信號的隧道環(huán)境中實現(xiàn)高精度定位。上述實驗證明，本研究的系統(tǒng)不僅能夠在有衛(wèi)星信號環(huán)境中與北斗導航系統(tǒng)進行融合定位，同時也能夠在無衛(wèi)星信號環(huán)境中提供定位服務，全程定位精度達到亞米級。因此，本研究的系統(tǒng)可以在重載鐵路全路段提供高精度的定位服務。

五、結(jié)束語

本文提出了基于同步技術(shù)的北斗類星定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠與北斗導航系統(tǒng)融合定位，同時也能無縫實現(xiàn)無衛(wèi)星信號環(huán)境下的地面類星基站精準定位，可以支持高速列車在重載鐵路全路段的高精度實時連續(xù)定位。為了驗證系統(tǒng)的有效性，本研究在國內(nèi)神朔鐵路的霍家梁隧道中部署了北斗類星定位系統(tǒng)，并讓列車以80km/h的速度從隧道外行駛至隧道中進行定位測試。實驗結(jié)果表明，本研究提出的北斗類星定位系統(tǒng)不僅能夠在隧道內(nèi)直線路段以及彎道路段提供連續(xù)高精度的定位服務，同時也能在列車進入與離開隧道時無縫切換北斗系統(tǒng)進行融合定位，定位精度達到了亞米級。因此，本研究的系統(tǒng)能夠在重載鐵路的全路段提供高精度實時定位服務。

作者單位：張瑞 國能包神鐵路集團有限責任公司信息技術(shù)服務分公司

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