基于北斗的動車組實時高精度定位系統研究與應用

張曉鈞，崔洪州，袁圣勇

(通號通信信息集團有限公司，上海 200070)

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基于北斗的動車組實時高精度定位系統研究與應用

張曉鈞，崔洪州，袁圣勇

(通號通信信息集團有限公司，上海 200070)

北斗衛星導航系統(BDS)已向亞太區域提供正式服務并開始建設北斗全球系統。為了評估驗證北斗系統在高速移動條件下的實時差分定位精度，本文設計了動車組實時高精度定位系統并建設了高速鐵路試驗段。實測結果表明，高速移動條件下動車組列車實時定位的水平垂直軌道方向精度優于1 m，具備區分清楚動車組列車所處軌道的能力，一定程度上能滿足鐵路行業定位應用的迫切需求。

北斗衛星導航系統;動車組列車;高精度;實時差分;高速移動

北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我國正在實施的自主研發運營、具有自主知識產權的衛星導航系統，是繼GPS、GLONASS之后第3個面向全球覆蓋的衛星導航系統[1-2]。2012年12月27日，北斗衛星導航系統開始向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務[3]。2015年3月30日，首顆新一代北斗導航衛星的成功發射標志著我國北斗衛星導航系統由區域運行向全球拓展的啟動實施。對北斗導航定位性能的評估結果表明北斗系統的定位精度與GPS處在同一水平[4-7]，證明北斗衛星導航系統已經具備我國范圍內的高精度定位能力。對于10 km以內的基線，目前北斗衛星導航系統的相對定位精度在3 cm左右，整體結果達到厘米級精度，能夠滿足測繪、交通等領域的應用[8]。

高精度衛星定位在鐵路領域的應用主要集中在鐵路勘測、沉降監測、軌檢等靜態或者低速運動的場景，且以GPS為主[9-10]。鐵路行業基于北斗系統的高精度定位應用尚處于起步階段[11-13]，應用于高速移動場景的實時高精度衛星定位鮮有報道。高速鐵路系統具備運行速度快、發車間隔小、行車密度高、客運量大等特點，在諸多保證高鐵線路高安全、高可靠運營的參數或信息中，實時、準確的動車組列車物理位置信息是列車運行控制、調度指揮各系統所需的關鍵性基礎信息之一。準確、及時地獲取高精度的動車組列車位置信息，是保證行車安全、發揮速度優勢、提供品質服務的前提。

1 動車組實時高精度定位系統設計

基于北斗的動車組實時高精度定位系統分為地面子系統和車載子系統兩大部分。列車自主定位由車載子系統實時差分解算完成，地面子系統為車載子系統提供差分數據以實現實時高精度定位。列車車載設備與地面設備間通過3G/4G網絡建立無線通信鏈路，進行數據交換。系統結構如圖1所示。

圖1 基于北斗的動車組高精度定位系統結構

1.1 車載子系統

車載子系統是動車組列車自主定位的核心設備。車載子系統主要由車載主控計算機、車載衛星定位單元、車載高精度天線、車載3G/4G無線通信設備及天線及人機界面等組成。車載衛星定位單元通過高精度天線接收衛星信號并結合地面子系統提供的差分信息進行高精度定位的解算，輸出高精度定位解算結果；車載主控計算機處理各功能單元間的數據交互，從地面服務器獲取相應差分數據后提供給車載衛星定位單元，并將高精度定位解算結果匯報給地面服務器，從地面服務器獲取一定范圍內其他列車的精確位置，并在人機界面的地圖上標定。

1.2 地面子系統

地面子系統輔助動車組列車進行高精度定位，同時也是系統數據的處理中心。地面子系統主要由北斗地基增強子系統、數據處理中心、專用光纖通信網絡、3G/4G通信設備及其他輔助設備組成。北斗地基增強子系統由差分基準站、控制與數據中心、播發服務等組成。差分基準站一般設置在車站或沿線通信機房，其位置坐標精確測定，負責接收衛星信號，并將載波相位觀測數據發給控制與數據中心；控制與數據中心根據基準站傳輸的載波相位觀測數據解算并生成差分信息，通過播發服務向動車組列車提供相應的差分數據。地面子系統數據處理中心接收、存儲并分發動車組列車精確定位信息。

2 高速鐵路試驗段建設

為了驗證高速移動場景下基于北斗的動車組高精度定位系統的性能，在設計時速350 km/h的城際鐵路沿線建設了高速鐵路試驗段。

(1) 北斗地基增強子系統試驗網[14]由2個基準站和1個系統控制與數據中心組成。依托城際鐵路沿線通信機房，利用CGCS2000坐標系下的B級控制點建設了2個基準站，兩站之間直線距離約22 km。控制與數據中心設在鐵路局機房，與基準站之間通過專用光纖通信鏈接，負責解算和對外播發差分數據，差分數據遵循RTCM 3.x標準。地面子系統數據處理中心部署在鐵路局機房，配置有通信服務器、數據庫服務器、存儲服務器、GIS服務器和應用服務器等。

(2) 試驗列車為1列CRH3C型高速動車組，最高運行速度可達350 km/h。高精度定位天線和通信天線安裝在車頂中心線上的天線底座上，如圖2所示。其余車載設備安裝在車廂內機柜內。

圖2 車頂天線(左為高精度定位天線，右為通信天線)

(3) 獲取正線軌道中心線坐標。選擇一段約3 km的平直正線區段作為驗證高速移動條件下北斗定位精度的參考。選擇平直正線區段的優勢：①便于獲取軌道中心線坐標；②高精度定位天線在軌道面的投影與軌道中心線重合，也就是說理想狀況下的定位坐標應該落在軌道中心線上。

首先在現場采集多個控制點對高精度航拍影像進行校準，然后通過軌間距和線間距的約束條件獲得軌道中心線坐標，如圖3所示(圖中的點分別是列車上下行車次的實時定位)。

圖3 參考正線軌道中心線

3 數據采集與分析

3.1 數據采集

車載衛星定位單元的RTK定位數據更新率設為5 Hz，獲取差分數據的頻率設為1 Hz，向數據處理中心數據庫上報的頻率也設為5 Hz。

為期一個月的數據采集時間內，共計有226個車次以高速通過上述參考線路區段，其中下行121個車次，上行105個車次，采集下行車次坐標數據19 245條，上行車次坐標數據17 023條，共計坐標數據36 268條。

3.2 數據處理與分析

采集的36 268條坐標數據中，固定解占98.33%，浮動解占1.34%，偽距差分解占0.22%，單點定位占0.11%。

眾所周知，差分支持下的解算結果通常明顯優于普通單點解算結果。對于動車組列車在高速移動場景下的定位應用來說，列車每秒移動可達80多米，因此沿鐵軌方向的定位精度優于普通單點定位，不會對應用產生較明顯影響，而水平垂直軌道方向的定位誤差則會對列車所在軌道的判斷產生直接影響，因此系統主要關注水平垂直軌道方向的定位誤差。

利用ArcGIS Runtime SDK的GeometryEngine模塊計算列車定位坐標數據到軌道中心線的距離作為水平垂直軌道方向的誤差。

計算結果顯示，在下行方向上，99.77%的水平垂直軌道方向誤差小于1 m，99.65%的水平垂直軌道方向誤差小于0.5 m，平均水平垂直軌道方向誤差0.152 m，最大水平垂直軌道方向誤差2.221 m，最小水平垂直軌道方向誤差0 m；在上行方向上，99.98%的水平垂直軌道方向誤差小于1 m，99.52%的水平垂直軌道方向誤差小于0.5 m，平均水平垂直軌道方向誤差0.158 m，最大水平垂直軌道方向誤差1.167 m，最小水平垂直軌道方向誤差0 m。水平垂直軌道方向誤差的頻率分布如圖4所示。

從時間分布(即車次)來看，上下行均有個別車次的水平垂直軌道方向誤差較大。其原因是定位未能實現RTK差分解算，搜星質量較差或未接收到差分數據是常見的原因。水平垂直軌道方向誤差的時間分布如圖5所示。

計算結果顯示，高速移動條件下的水平垂直軌道方向誤差比靜態條件下大，主要集中在0～0.5 m范圍內，當速度從265 km/h增加到300 km/h以上時，水平垂直軌道方向誤差的分布并沒有明顯的改變。水平垂直軌道方向誤差的速度分布如圖6所示。

4 應用分析

定位精度是動車組列車衛星定位性能的重要指標之一。動車組列車定位可沿鐵軌方向分為沿軌道方向和水平垂直軌道方向。沿軌道方向上，應能區分清楚同一軌道上運行的前后兩列列車，通常小于目前用于列車定位的軌道電路長度即可，而軌道電路一般長數百米到幾千米，那么沿軌道方向上的定位精度能優于100 m即可，北斗衛星導航系統的常規定位性能已能滿足這一定位精度需求；水平垂直軌道方向上，應能區分清楚列車所處的軌道，這主要取決于鐵路相鄰軌道的最小線間距。按照我國鐵路相關規定[15]的要求，鐵路區間雙線、站內正線的線間最小距離見表1。

圖4 水平垂直軌道方向誤差的頻率分布

圖6 水平垂直軌道方向誤差的速度分布

名稱/(km/h)線間最小距離/mm區間雙線v≤1204000120

以最小的線間距離4000 mm計算，要將列車所處軌道區分清楚的水平垂直軌道方向誤差應小于2 m，一般應盡量控制在1 m以內。

歐洲于2000年提出的干線和站內軌道用于列控系統的列車衛星定位水平精度指標是1 m。2014年發布的美國聯邦無線電導航計劃對用于列車運行控制的衛星定位精度指標也是1 m[16]。

結合實測結果分析，基于北斗的動車組實時高精度定位系統在水平精度方面明顯優于青藏鐵路ITCS系統3～5 m的定位精度[16]，具備滿足包括列控系統在內的多種應用對于衛星定位精度需求的能力。

5 結論與展望

試驗結果表明，在時速約300 km/h的高速移動條件下，綜合考慮軌道中心線測定等誤差后，動車組列車實時定位水平垂直軌道方向誤差能小于1 m，并且高度集中在0～0.5 m范圍內，具備了區分清楚動車組列車所處軌道的能力，證明系統實現了在該場景下的動車組列車實時高精度定位，且水平垂直軌道方向精度達到了分米級，一定程度上滿足了鐵路行業定位應用的迫切需求。

對于鐵路行業定位應用的各種復雜場景而言，單一的衛星定位面臨著諸如橋隧或車站頂棚對信號的遮擋、多徑效應、信號干擾、失鎖等一些制約因素，需要引入慣導、光纖陀螺、里程計等各種類傳感器及其技術，通過多傳感器組合融合來提升衛星定位的實際應用性能，這樣才能為鐵路行業定位應用提供精確、可靠、連續、可用、完好的定位信息。

隨著我國自主建設、獨立運營的北斗衛星導航系統逐步建設與性能完善，基于北斗衛星導航系統并融合多傳感器的列車定位技術將是鐵路行業定位技術的重要研究方向，有望迎來廣闊的應用推廣前景。

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Research and Application of Real-time High-precision Positioning System for High-speed EMU Based on BeiDou)

ZHANG Xiaojun,CUI Hongzhou,YUAN Shengyong)

(CRSC Communication & Information Group Company Ltd., Shanghai 200070，China)

BeiDou navigation satellite system has possessed formal services for the Asia-Pacific region and begun the construction of BeiDou’s global satellite navigation system. For evaluating the real-time differential positioning accuracy of BDS under the high-speed moving conditions, a real-time high-precision positioning system is designed for EMU trains and a high-speed railway test section is constructed. The field testing results show that the real-time positioning accuracy in vertical track direction on level can be better than 1 m under the condition of EMU train high speed moving which indicates that the system has the ability to clearly distinguish the track of the EMU train. To a certain extent, the system can meet some urgent needs of the positioning applications in railway industry.

BDS; high-speed EMU; high-precision; real-time difference; high-speed moving

張曉鈞，崔洪州，袁圣勇.基于北斗的動車組實時高精度定位系統研究與應用[J].測繪通報，2017(6)：77-81.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0194.

2016-12-29；

2017-02-16

中國鐵路通信信號股份有限公司重大科研課題(2014J03)

張曉鈞(1983—)，男，博士，主要研究方向為鐵路物聯網。E-mail:zhangxiaojun@crscic.com

P228

A

0494-0911(2017)06-0077-05