新建鐵路帶狀BDSCORS基準站選址關鍵技術探討

許雙安 武瑞宏 王建紅 朱郭勤

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 陜西西安 710043；2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院) 陜西西安 710043)

1 引言

鐵路沿線帶狀稀疏分布的BDSCORS構成的高精度位置服務平臺是面向鐵路工程多種業務應用搭建的北斗綜合時空服務應用平臺，基于資源集約利用和永臨結合的主體原則，為鐵路勘察設計、施工建造到運營維護提供全生命周期的北斗時空一體化信息服務[1]，為鐵路的信息化與智能化提供支持。高精度位置服務平臺由基準站、通信網絡、數據處理及服務發布構成。BDS高精度服務網基準站由臨時性單點基準站和永久性的沿線基準站組成?？紤]鐵路建設工況復雜、建設周期較長，為確保BDS CORS基準站的空間可用性、實時定位精度及建造維護成本，需要對基準站的選址進行專題研究。國內外大量CORS實踐證明，影響系統整體性能的重要環節之一就是站址的觀測環境[2]。鐵路沿線的地形地質條件、CORS站功能定位、配套基礎設施水平與傳統城市CORS站點建設差異較大，建站選址方法不能原樣照搬。本文以川藏鐵路林芝到波密段沿線BDSCORS精密定位服務系統建設工程為例，總結了新建鐵路BDS CORS基準站的選址技術。

2 基準站選址原則

鐵路BDSCORS是在鐵路沿線帶狀均勻布設多個(3個或3個以上)永久性連續運行基準站，對鐵路沿線地區構成網狀覆蓋，并利用互聯網作為通信鏈路，把基準站實時觀測值發送到數據處理中心。通過聯測IGS站或國家高等級連續運行參考站點，獲取各基準站精確坐標。在數據處理中心對CORS網絡覆蓋范圍內的電離層、對流層、軌道誤差等進行計算，并實時生成流動站位置的改正項信息[3]。將改正信息按RTCM差分電文進行編碼，通過無線通訊鏈路(采用3G/4G/5G、鐵路綜合信息網或衛星通信)向用戶實時連續發布，從而在用戶端獲得高精度實時定位。基準站選址應遵循先進、成熟、經濟、實用、可靠的技術政策，堅持“統一規劃、統一標準、統一平臺”的三統一原則。基準站布設原則應滿足以下要求:

(1)基準站宜沿線路走向按照20～40 km間距布設。同時兼顧長大隧道、大跨度特殊結構橋梁及重點控制性工程的精密控制測量要求[4]，優先在關鍵工程節點周邊布設或加密基準站。相鄰站點間距最大距離不應超過50 km。

(2)鐵路全線需被覆蓋在參考站組成的網型內部，站點分布均勻，CORS網絡覆蓋利于構建Delaunay三角網?？紤]變形監測實際需求，距離線路直線距離不得超過5 km。

(3)站址基礎堅實穩定，避開地質構造不穩定的區域。避開交通要道線路附近容易振動的區域，但維護管理能便利到達，便于接入市電、通訊線路。優先選用屋頂觀測墩，盡量利用既有鐵路局站房、調度所、維修設施等產權清晰且長期使用的房屋。

(4)應有10°以上地平高度角的衛星通視條件。艱險復雜山區困難環境條件下，高度角可放寬25°，遮擋物水平投影范圍應低于60°。

(5)基準站禁止在軍事管轄區、信號干擾區域布設。站址遠離周邊易于產生多路徑信號源的地方，如高大建筑物金屬物體反射面、樹林、水域等，一般距離應不小于100 m。

(6)基準站設計為無人值守，自動連續運行，年運行可靠率95%以上。

鐵路BDSCORS基準站選址工作應該按照內業圖上設計→現場選點踏勘→環境測試數據采集→測試數據分析→建站協議簽訂五個步驟進行?？边x時，應同時按要求勘選1～2個備選站址，條件最優者，作為最終建站位置。

3 基準站點位設計

新建川藏鐵路林芝站至波密段(多木格隧道出口)設計里程長度180 km，包含6座隧道和8座大橋，涉及500 km的新建施工道路和改建既有道路工程。設計的BDSCORS服務網絡能覆蓋鐵路正線及鐵路建設配套道路、電力工程，可為上述工程提供全生命周期的高精度位置服務。根據基準站選址原則及線路走向、工點設置情況進行基準站分布設計，共設計7個基準站，基準站位置及所在地分布見表1。

表1 基準站設計位置

上述7個BDS CORS基準站設計思路是:以鐵路勘察設計可研初測穩定的線路方案為依據，沿線路走向按照20～30 km間距布設，兼顧長大隧道、大跨度特殊結構橋梁及重點控制性工程的精密控制測量的要求，并考慮隧道施工輔助通道位置及配套工程應用需求。

基準站網規劃選址按照《全球導航衛星系統連續運行基準站網技術規范》(GB/T 28588—2012)中對觀測環境、地質環境及維護環境[5]的具體要求實施，現場踏勘必須落實各項技術細節。7個BDS CORS基準站均位于樓頂，采用屋頂觀測墩，滿足10°以上地平高度角的衛星通視條件，個別困難站點高度角滿足25°要求。站點遠離電磁干擾區及振動地帶，附近無產生多路徑效應的地物。

川藏鐵路林芝至波密段位于青藏高原東南部，地質環境較為復雜，經長期的高原隆升演化，在內外地質動力作用下，導致建站區內復雜的地質條件總體呈現出“三高兩強”的特點，高烈度地震、高地應力、高地溫及強烈發育多樣化地質災害、強烈發育活動斷裂。本段區域有F5米林斷裂帶、F4嘉黎斷裂帶、F6迫龍-旁興斷裂帶、西興拉斷裂帶?；鶞收具x址內業設計時，在1∶10 000地質活動斷層平面圖上，避繞活動斷裂帶，盡量遠離嘉黎斷裂帶并行。對于繞避不開的區域保證相鄰站點小角度穿越斷層，減小活動斷層的影響。上述7個 BDS CORS基準站設置在城鎮、村落居民區，城鎮規劃建設時排除了潛在不良地質影響，既有建筑物經過多年自然沉降已經穩定且便于長期保存。選址均具備接入公共通信網絡，具有穩定、安全可靠的市電接入，汽車均能達到。

4 觀測環境測試

鐵路沿線帶狀稀分布BDSCORS是鐵路勘察設計、施工建造、運營維護全生命周期的高精度時空基準基礎設施，基準站需要一次建設，長期使用并持續、穩定、可靠地提供高精度位置服務。CORS基準站需滿足建站地質條件穩定外，還需要在初步選定的站點上進行多種品牌型號GNSS接收機實地環境適用性測試，確保衛星觀測數據質量、可用性等指標滿足建站要求。環境測試所采用的設備應能接收 BDS(B1/B2/B3)、GPS(L1/L2/L5)、GLONASS(L1/L2)、GALILEO(E1/E5a/E5b)多衛星系統多頻段信號。在選點位置上架設大地型扼流圈天線，天線架設的高度應與擬建觀測墩的高度一致。實地進行觀測，設置衛星高度截至角為10°，以1 s采樣間隔記錄衛星信號觀測數據，連續測試時間應不小于24 h。林芝到波密段CORS系統采用國產化解決方案，接收機和天線采用司南AT600設備，能夠以1 s采樣率穩定接收BDS、GPS、GLONASS和GALILEO四系統信號。從數據完整率、多路徑誤差(MP1、MP2、MP3)、信噪比(SNR1、SNR2、SNR3)、周跳比(CS)多項指標對站點的GNSS觀測數據進行質量分析[6-9]，數據中有任意一項不滿足指標，則認為該站點的觀測條件或設備不合格。

本次測試于9月12日00:00開始，各基站按照1 s采樣率采集四系統 GNSS數據，觀測時長為24 h。共計 7個站點，原始二進制文件大小共2.6 G。采用TEQC軟件對采集的數據進行格式轉換、數據編輯及質量檢核[10]，高度角為25°時7個站點觀測環境測試結果分項統計見表2。

表2 高度角為25°時CORS站點BDS、GPS觀測數據質量檢測統計

續表2

根據環境測試結果統計繪制多系統數據多路徑MP1值、MP2值柱狀圖(見圖1、圖2)。

圖1 四系統多路徑誤差值MP1值

圖2 四系統多路徑誤差值MP2值

上述測試結果，除了GLONASS系統由于自身衛星頻點丟失問題導致數據完整率部分不滿足要求，其他星座的數據質量都符合建站相關標準規范要求。在川藏鐵路林芝至波密段沿線高山峽谷區，高度角為25°時，7個站點多系統數據完整率均達到90%以上，MP多路徑誤差在0.5 m以內，信噪比達到40以上，周跳比大于2 000，滿足CORS建站要求。

高度角為10°時7個站點BDS、GPS觀測環境測試結果分項統計見表3。

表3 高度角為10°時CORS站點BDS、GPS觀測數據質量檢測統計

川藏鐵路林芝至波密段線路以傍山隧道走行于帕隆藏布江岸邊，地勢急劇隆升抬起，河流快速強烈下切，谷底與山嶺相對高差一般2 000～3 000 m，為典型的“V”形高山峽谷地貌，也是BDS CORS站選點的困難區域?？紤]站點鄰近線路距離和建造維護成本，BDS CORS選址只能位于318國道沿線的村鎮。從表3可以看出，高度角為10°時由于地形條件限制，多個站點多個系統數據完整率小于90%且周跳比小于2 000。7個站點完整率方面，北斗系統優于其他3個系統。有4個站點周跳比北斗系統優于其他3個系統，7個站點周跳比北斗系統均優于GPS，體現出北斗衛星導航系統在高山峽谷區的應用優勢。

5 建站資源配置及維護條件

基準站為無人值守型，基準站實時將GNSS觀測數據，通過數據網絡(光纖)傳輸給控制中心，控制中心通過遠程控制方式設定、控制、檢測基準站的運行。基準站的結構基本上是基于網絡終端，主要設備包括GNSS接收機、不間斷電源UPS、通訊鏈路等[11]。

設備間的連接與通訊是基準站設計中的核心部分，其可靠性和穩定性決定了整個系統的性能與可靠性。所以在選址時，要充分考慮建站資源配置及維護條件，主要考慮通訊資源和電力供應。在實地踏勘時，應向當地生產場所發放擬定站點情況調查表，落實土地使用以及供電、通信、供水、站址安全防護等基礎設施支撐條件。站址附近是否有機房、220 V交流電源或48 V直流電源、避雷帶、避雷針、地網等設施，要詳細備注機房位置、布線便捷性、電源便利性和可靠性、避雷針高度、防護范圍、地網情況、接地裝置是否銹蝕等因素，充分利用既有設備設施。

BDS/GNSS基準站的供電是基準網建設中一個重要的技術環節，應保障觀測系統和傳輸通信系統的可靠、穩定、連續不間斷運行，因此觀測系統與通信系統供電均采用直流電源供電。各個基準站利用原有電力系統，或者自建供電系統，或者二者兼而有之。優先采用市電+電池組+太陽能組合供電模式[12]，在斷電情況下，基準站靠UPS及電池組支持72 h以上，全年運行間斷時間應不大于120 h。基準站的供電可分為對BDS/GNSS基準站設備供電和通訊設備供電兩種類型。BDS/GNSS基準站設備的供電主要指對BDS/GNSS基準站接收機進行供電。BDS/GNSS基準站接收機供電電壓為10～28 V直流電壓。通訊設備的主要采用兩種供電方式，5 V和48 V。

網絡通信鏈路是整個系統穩定、持續運行的基礎因素之一，一般直接租用通信運營商的相關網絡，包括基準站至數據處理中心、網絡和應用服務發播網絡。數據傳輸系統建設旨在實現北斗/GNSS衛星觀測網絡的基礎觀測產品向數據中心的信息匯聚，是北斗/GNSS基準站的重要組成部分，是實現基準站連續觀測數據上傳及數據中心對基準站監控管理等任務的重要保障?；鶞收局翑祿幚碇行木W絡一般采用光纖網絡直連，采用商用密碼加密或專網，以保證數據安全、穩定傳輸。各基準站與控制中心的通訊可采用中國電信2M數字電路，基準站通過交換機接入上述通訊網絡。應用服務發播網絡采用無線網絡，采用相關加密手段或專網保障用戶服務的受控管理。根據基準站分布情況，數據傳輸方式采用有線為主要傳輸方式，無線為輔助應急傳輸方式。

(1)有線數據傳輸鏈路

有線數據傳輸鏈路具有傳輸速率高、穩定可靠等特點，能夠完全滿足基準站連續觀測數據傳輸的要求。在地面專網能夠到達的地區，首選直接采用DDN/SDH等有線專網接入方式。接收機通過天線接收到衛星信號后，將數據通過接入路由器轉發給電信光端機，光端機進行光電轉換后接入電信專線網絡。

(2)無線數據傳輸鏈路

考慮川藏鐵路沿線部分基準站公網未完全覆蓋及通信基礎設施薄弱現狀，對于地處偏遠地區或者在高海拔山野叢林等地專線建設維護成本較高情況下，可采用運營商提供的3G/4G/5G無線數據傳輸鏈路實現困難地區基準站至數據處理中心的數據傳輸，后期條件具備時可升級網絡。

6 結論

新建鐵路沿線帶狀稀疏分布的CORS站是鐵路工程全生命周期的高精度時空基準基礎設施，基準站需要一次建設，長期使用并持續、穩定、可靠地提供定位服務。鐵路沿線的地形地質條件、CORS站功能定位、基礎設施水平與傳統城市CORS站點建設差異較大，建站選址方法不能原樣照搬城市級CORS站建設。本文以川藏鐵路林芝到波密段高山峽谷地形區域7個CORS站建設項目為例，對鐵路沿線帶狀稀疏分布BDSCORS的站點布設原則、選點踏勘內容及要求、環境測試分析、資源配置等進行了詳細的總結，對后續復雜艱險山區鐵路BDS CORS站網建設具有借鑒意義。