北斗衛星導航系統在地鐵的應用探討

■ 趙輝

0 引言

近年來，衛星導航技術在我國軌道交通領域應用較為廣泛，如鐵路行業中線路巡檢智能管理、鐵路工程勘測、通信系統時鐘授時等。但現階段應用主要是基于GPS系統技術進行開發的，缺乏自主權，隨時存在美方降低服務精度甚至關閉GPS的安全隱患[1]。北斗衛星導航系統是以我國安全、經濟及社會發展需要為前提，以面向全球用戶提供服務為目標的系統，可獨立于國外現有衛星定位技術并擁有自主知識產權的衛星導航系統。在互聯網、云計算等技術迅猛發展的形勢下，北斗衛星導航系統終端產品的兼容性更加強大，應用范圍更加廣泛，將北斗衛星導航系統應用于地鐵行業，徹底打破對GPS的依靠，全面提升相關系統的安全性和可靠性勢在必行。

1 系統概述

1.1 發展與構成

北斗衛星導航系統建設以“自主、開放、兼容、漸進”為原則，將發展分為北斗一號、北斗二號和北斗三號3個階段。20世紀末期，開始對適用于我國國情的衛星導航系統進行探索。2000年底北斗衛星導航試驗系統成功組建。2017年底，北斗三號首批組網衛星發射成功，我國自己的全球衛星導航系統正式開始建造，多年來的建設工作已使北斗衛星導航系統在區域導航定位與授時技術方面進入成熟階段，并且獲得了聯合國衛星導航委員會的供應商資格認定。現階段北斗衛星導航系統已能提供24 h的高可靠度服務，預計到2020年，隨著衛星組網工作的進一步開展，定位精度將由10．0 m進一步提升到2．5 m，提供更加精準的定位及測速服務。

北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段3部分構成。空間段主要是由運行在太空中依據結構設計分布在不同軌道平面上的若干個空間衛星組成的星座構成；在地面段，由監測站對衛星軌道及時間參數進行跟蹤并將數據傳遞給主控站，主控站通過對采集到的數據進行計算，并根據結果將命令與數據通過地面天線發送給衛星；用戶段部分主要由各種信號接收設備組成，其中包括能夠與其他衛星導航系統相互兼容的芯片模塊與應用服務等[2]。

1.2 系統優勢

北斗衛星導航系統相較其他全球衛星導航系統而言，在系統性能特點上具有明顯優勢。首先，在空間段部分運行的衛星分布在3個軌道平面，高軌道衛星數量較多，抗遮擋能力強，在目前低緯度地區的測試中表現出極佳性能。其次，北斗三號在導航信號的使用上采用多種頻點互相組合的方式，進一步提升導航定位服務的精準度與可靠性。同時，北斗衛星導航系統具有短信報文功能，是對導航與通信能力的創新融合。上述特點中，短信報文功能是其他現有導航系統所沒有的特殊功能。此功能簡單而言就是北斗衛星導航系統不僅能讓用戶端本身知道自身時間和位置，還能通過短信報文功能將該用戶的位置信息發送出去，讓其想告知的用戶獲知他的情況。在過去的災害搜救工作中，由于GPS定位原理的限制導致定位誤差較大，嚴重影響搜救效率的事件屢次發生，因此短信報文功能使北斗衛星導航系統在技術層面上有著GPS等系統無法超越的一面。

圖1 北斗衛星列車定位示意圖

2 地鐵應用

2.1 后備模式下列車定位及軌道占用情況檢測

目前大多數城市軌道交通運營控制模式是以基于無線通信的列車控制系統（CBTC）為主用模式，同時設計了以計軸系統作為軌道空閑占用檢測設備的后備模式。當運營中出現無線通信故障時，信號系統將采取降級運行的后備模式確保線路運營不中斷。信號系統根據采集到的計軸設備提供的檢測信息即可判斷軌道的空閑與占用情況：當計軸設備顯示某軌道區段空閑，可以判斷該區段內沒有列車存在；而當計軸設備顯示某軌道區段為占用時，則可判斷該區間內可能有1列或多列車存在[3]。

由于計軸系統的檢測原理是在1個區段的鋼軌兩端各安裝1個傳感器，由始端末端的傳感器各自對經過磁頭的列車輪對數目進行計數，然后與對方進行比較來判斷區段空閑與否，所以計軸系統的檢測是以區段為單位的檢測，而不是對列車在某區段內的定位檢測。同時，計軸設備只能檢測某些區段內有無列車，并不能檢測出列車數量并進行信息反饋。計軸系統給出的列車位置報告僅能顯示列車在某個區段內，而不能顯示該車在區段內的精準位置和速度，因此仍需安裝其他大量軌旁設備用于列車定位及位置信息的報送，無形中增加了建設成本及運營維護工作量。

北斗衛星導航系統不僅具有對于移動物體的目標定位功能，還可進行雙向通信。通過在列車頭尾兩端安裝北斗導航接收機終端設備，與北斗衛星通過雙向通信實現在線運營車輛的實時定位，根據列車在運營線路的定位情況即可判斷列車所在軌道區段位置（見圖1）。因此使用北斗衛星導航系統作為后備模式下的列車定位及軌道占用情況檢測手段，不僅能通過列車定位檢測判斷出線路上每個軌道區段空閑占用情況，還可通過對多列相鄰列車的位置信息識別，實現對某一軌道區段內列車數量的判斷。這一應用將在較大程度上簡化軌旁設備種類及數量，降低運營維修工作量。

2.2 完全替代GPS為時鐘系統提供授時服務

時鐘系統是地鐵通信系統的重要組成部分，其主要作用是為各線路車站提供統一的標準時間信息，同時要向軌道交通大系統中運行的各子系統（如列車自動監控系統、綜合監控系統與乘客信息系統）發送校時信號，使各子系統的時間集中同步。

地鐵時鐘系統一般由一級母鐘、二級母鐘、子鐘以及相應的網絡傳輸設備組成。根據各級時鐘的不同功能以及實際應用需求，將一級母鐘設置在地鐵控制中心，將二級母鐘及子鐘設置在車站及車輛基地。兩級母鐘之間以及二級母鐘與子鐘之間的校準時間信號均通過網絡傳輸設備進行傳遞，最終為地鐵各子系統設備、工作人員和乘客提供統一的時間信號。目前，時鐘系統普遍采用接收GPS系統提供的時間信號進行一級母鐘的時間校對[4]。

GPS系統雖然覆蓋率高達98%，且廣泛應用于民間時鐘系授時及定位等方面，但其源自于美國軍方項目，終究具有外方技術壟斷特點，一旦出現美方關閉GPS信號將對使用者產生極大影響。截至2017年，我國開通軌道交通線路的城市已超過30個，這些城市的地鐵線路每天擔負著運送數以萬計乘客的重要使命，例如，2018年北京地鐵全路網的日均客運量已超過1 000萬人次，地鐵已成為民眾出行的主要交通工具。隨著未來城市軌道交通行業的發展建設，該領域與人民生活的聯系會更加緊密。在這種形勢下，繼續使用GPS作為時間校準信號存在一定安全風險。

北斗衛星導航系統的時間基準被稱作北斗時，北斗時采用秒為計數單位，將國際標準時間的2006年1月1日00：00：00作為北斗時計時的起始時間，與國際標準時間的時間偏差限制在50 ns以內。對于閏秒信息，北斗時不做累計，只在導航電文中進行播報[5]。隨著北斗組網步驟加快，北斗衛星導航系統的覆蓋范圍和穩定性都將逐步提升，目前北斗衛星導航系統在亞太區域內定位測速精度和授時精度方面都已滿足系統設計要求，完全可以為用戶服務，已有少數交通系統的時鐘控制采用“GPS+北斗”雙模定位授時模式。與GPS授時模式相較而言，我國的北斗衛星導航系統擁有自主知識產權，更適合于我國國情，因此在軌道交通時鐘系統中應用北斗定位授時模式將更加安全可靠，是未來地鐵時鐘系統的發展趨勢。

3 結束語

北斗衛星導航系統是基于我國安全與經濟發展需求，不依賴國外技術研發建設的衛星定位導航系統，在實現全天候安全可靠服務的同時，其特有的短信報文功能改變了傳統衛星導航系統單向定位的思維，可進行更加準確的位置信息發布。將該系統應用于地鐵行業是軌道交通運輸信息化和現代化的體現，對現代交通運輸體系的建設具有重要意義。

[1] 中國衛星導航系統管理辦公室． 中國北斗衛星導航系統白皮書中文版[EB/OL]．（2016-06-16）[2018-03-29]． http://www．beidou．gov．cn/xt/gfxz/201712/P020171218335302347852．pdf．

[2] 蔣亞峰． GPS與GIS集成定位在鐵路列車上的應用[J]． 鐵道運輸與經濟，2005，27(1)：60-61．

[3] GB 50157—2013 地鐵設計規范[S]．

[4] 李繼元． 鐵路時間同步網運用現狀與發展方向[J]． 中國鐵路，2016(10)：57-60．

[5] 中國衛星導航系統管理辦公室． 北斗系統空間信號接口控制文件B3I（1．0版）[EB/OL]．（2018-02-09）[2018-03-29]． http://www．beidou．gov．cn/xt/gfxz/201802/P020180209620480385743．pdf．