基于北斗衛(wèi)星的鐵路地基增強系統(tǒng)應用研究

鄧燁飛

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

鐵路具有運行速度快，行車密度大、客運量大等特點，是國家重要的基礎設施和國民經濟的大動脈。隨著鐵路的快速發(fā)展，對定位精度也提出了更高要求。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研制、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)。推進北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在鐵路的應用，充分發(fā)揮其在定位、通信、高精度測量等方面的技術優(yōu)勢，滿足鐵路需求，服務社會大眾，符合國家發(fā)展戰(zhàn)略和安全要求。

2 北斗地基增強系統(tǒng)技術研究

在交通領域，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（G l o b a l Navigation Satellite System，GNSS）以其得天獨厚的優(yōu)勢發(fā)揮了重要作用。隨著北斗衛(wèi)星、G P S、G L O N A S S、伽利略等衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷成熟及功能完善，定位精度不斷提高，其實時連續(xù)的定位導航服務能夠及時準確地提供定位、速度等信息，輔助實現了運輸的管理與調控，在保障安全的同時提高運輸效率。

北斗、GPS、GALILEO 及GLONASS 4 大系統(tǒng)的參數和性能比較如表1 所示。

表1 北斗、GPS、GALILEO、GLONASS系統(tǒng)參數和性能比較Tab.1 Comparison of Beidou, GPS, GALILEO and GLONASS system parameters and performance

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為國家重要空間基礎設施，具備高精度動態(tài)時空基準，同時具備導航定位與通信功能，大范圍數據采集和監(jiān)控管理。空間段采用3 種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，在中國區(qū)域有著更高的可用性。

為避免多徑反射誤差，時鐘誤差、大氣層延遲和儀器延遲等導致的衛(wèi)星信號惡化，目前多采用GNSS 輔助CORS 應用方式。北斗地基增強系統(tǒng)，也稱為連續(xù)運行基準參考站網絡系統(tǒng)(Continuous Operational Reference System，CORS)，是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現高精度定位的主要技術之一。將衛(wèi)星定位、計算機網絡、數字通信等技術多方位結合，在一定范圍內建立若干個連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務參考站，為北斗用戶提供更高精度的靜態(tài)、動態(tài)空間位置服務，最高精度可達毫米級。

地基增強系統(tǒng)由基準站、數據處理中心、通信網絡、數據播發(fā)、用戶終端等組成。基準站單向獲取北斗數據，并將原始觀測數據回傳至數據處理中心；列車和人員等用戶終端的粗略位置回傳給數據中心進行分析；數據經過中心處理后，將差分報文通過公共/專用通信網絡播發(fā)給列車和人員使用；最后，用戶通過修正后的數據再得到精準定位。其工作原理如圖1 所示。

圖1 CORS工作原理Fig.1 CORS working principle

3 北斗地基增強系統(tǒng)在鐵路的應用可行性

鐵路由于其自身的時空特質，具有以下特點。

1）安全可靠性要求

鐵路使用安全完整度等級（Safety Integration Lev el）來定義功能安全性，可分為SIL0 ～4 級，而定位功能作為核心安全功能，其等級為最高的SIL4 級。

2）不同應用場景的定位精度需求

鐵路不同應用場景的定位精度需求如表2 所示。

表2 鐵路不同應用場景的定位精度需求Tab.2 Positioning accuracy requirements of different railway application scenarios

3）環(huán)境特殊性

鐵路線路是“一維性”，列車的位置使用公里標確定；沿線有較多的隧道、雨棚等信號遮擋區(qū)域，需要解決衛(wèi)星信號遮擋的問題。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國重要的空間戰(zhàn)略設施及信息基礎，其自主可控、安全可靠、高精度的特點非常適合鐵路系統(tǒng)，滿足不同S I L 等級安全功能需求，同時，對于促進鐵路技術進步、增強鐵路運輸的戰(zhàn)略安全性，具有十分重要的意義。

通過北斗地基增強系統(tǒng)及其他定位手段的融合，可實現對鐵路沿線的全覆蓋，定位精度包括實時米級、亞米級，厘米級甚至事后處理毫米級精度，為鐵路的不同應用場景提供了安全性、完整性的定位精度。

近年來，北斗地基增強系統(tǒng)的應用試驗在我國鐵路陸續(xù)展開。青藏線(玉珠峰站一甘隆站段)試驗段基于北斗地基增強系統(tǒng)進行了軌道線路動態(tài)試驗，試驗中對比北斗單點定位和采用差分技術后定位效果，采用差分技術后的定位效果明顯更加與電子地圖相匹配。京沈高速鐵路在朝陽、北票、烏蘭木圖、阜新四個車站，以及朝陽至北票區(qū)間東梁隧道附近建立了350 k m/h 高速條件下的試驗段，基于北斗地基增強系統(tǒng)進行了全域系統(tǒng)增強試驗及列控系統(tǒng)列車定位技術試驗，驗證了地基增強系統(tǒng)對提高定位精度的效果。在無遮擋區(qū)域的定位精度由10 m 級提高到了亞米級，車站覆蓋信號增強，信號可靠性提高。

綜上所述，北斗地基增強系統(tǒng)在鐵路的應用具有可行性。

4 鐵路北斗地基增強系統(tǒng)的建設方案

鐵路行業(yè)在依托國家地基增強系統(tǒng)框架網及省市加密網實現資源共享的基礎上，可根據應用需求布設鐵路差分基準站，組建覆蓋全路的北斗地基增強系統(tǒng)。結合以上試驗段的實施方案，鐵路北斗地基增強系統(tǒng)的網絡結構如圖2 所示。系統(tǒng)組成包括以下部分。

1）基準站系統(tǒng)

由衛(wèi)星天線、衛(wèi)星接收機、避雷設備、電源、網絡設備等構成，主要工作內容是完成衛(wèi)星觀測數據的采集、傳遞及系統(tǒng)監(jiān)測。

基準站一般有兩種工作模式，一種是單C O R S，即單個基準站為所覆蓋范圍內的移動站提供廣播差分信息；另一種是網絡C O R S，即多個基準站組成站網，由數據中心控制，同時運行。基準站可分布建設，逐步深入。首先在鐵路大型露天車站單獨建設，滿足各站場的高精度定位需求；后續(xù)逐步擴展成系統(tǒng)容錯性強的網絡，為聯(lián)網范圍內所有用戶提供基準站網內誤差均勻的差分服務，滿足整個鐵路網的高精度定位需求。根據鐵路北斗地基增強系統(tǒng)服務精度要求，每兩個基準站之間相隔約30 ～50 km。

2）數據處理及控制系統(tǒng)

由網絡通信設備、高性能服務器、安全防護設備、電源保障設備等構成，是C O R S 系統(tǒng)的關鍵部分。其通過地面基準站來接收衛(wèi)星原始觀測數據，并對這些有效數據信息進行誤差分析與修正，從而生產出各級差分數據產品，最后再通過平臺進行數據發(fā)布。具備數據處理交換、系統(tǒng)運行監(jiān)控、安全管理等重要功能。

數據處理及控制中心的建設可考慮在各路局中心設置，為多條線路提供基準站接入。中心采用多臺服務器的分布式雙機熱冗余備份方案，備份服務器與主服務器保持一致，并可以自由切換。建設時可循序漸進，近期具備單站差分計算（包括常規(guī)R T K 和單站偽距差分）能力，遠期具備網絡差分計算（包括網絡R T K 和網絡偽距差分）能力。

3）通信網絡系統(tǒng)

是實現基準站與數據處理及控制中心、數據處理及控制中心與用戶之間數據交換和信息發(fā)布的鏈路，完成基準站、數據處理及控制中心級及終端用戶三者間的信息交流，并且通信網絡系統(tǒng)能有效加快系統(tǒng)數據交流速度。

依照數據中心的最低接入帶寬的計算公式：64 k b i t/s×基準站數量，單線路接入總帶寬為N×2 M 等級需求。基準站到數據中心的通信延遲應小于500 m s，數據處理與控制中心到用戶應用系統(tǒng)的通信延遲小于1 s。目前在鐵路營業(yè)線上，基本實現了光纖覆蓋。在所有光纖覆蓋區(qū)段均建設了接入層M S T P 傳輸系統(tǒng)，各基準站與數據中心的通信可基于鐵路既有傳輸資源，滿足以上帶寬及時延需求。

提供實時定位服務的基準站網用戶至應用中心網絡最低接入帶寬按下式計算：16 k bit/s×終端用戶數量，用戶終端到用戶應用子系統(tǒng)的數據延遲小于1 s。數據中心與用戶的廣播發(fā)布系統(tǒng)可以使用GSM-R/LTE-R 專用無線通信系統(tǒng)。

4）數據播發(fā)系統(tǒng)

接收數據處理及控制中心生成的導航信號修正量和輔助定位信號，將產生的后處理數據產品等信息實時播發(fā)至最終用戶。通過軟件實現，利用系統(tǒng)界面與用戶進行人機交互。

在北斗地基增強系統(tǒng)的建設及應用中，還有一些方面需要深入研究。

a.制定相關的技術要求或指標以規(guī)范接收機接口和人機交互方式，提高設備的互通性和可操作性。

b.信息融合技術的應用研究，采用合理的信息融合算法將高精度北斗衛(wèi)星導航接收終端及多傳感器的監(jiān)控數據與鐵路基礎特征數據進行融合，完成綜合調度管理所需的決策數據儲備。

c.北斗衛(wèi)星結合地基增強系統(tǒng)實現高精度定位、授時及短報文通信，為鐵路物聯(lián)網的應用研究提供重要的支撐，為新一代智慧鐵路提供技術支持。

5 結論

綜上所述，北斗地基增強系統(tǒng)源于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是北斗衛(wèi)星導航高精度應用的主要解決方案。目前，鐵路行業(yè)應用北斗地基增強系統(tǒng)仍處于起步階段，探討鐵路的北斗地基增強系統(tǒng)建設具有重要意義。通過建設鐵路北斗地基增強網絡，提供實時米級、亞米級、厘米級及事后毫米級精密定位產品及相關服務，覆蓋各專業(yè)高精度低精度應用需求。有效地提高工作效率，符合我國鐵路發(fā)展方向與國家戰(zhàn)略需求。