北斗衛星導航技術在隧道內定位的應用

文|黃文攝

深中通道管理中心

一、前言

據交通運輸部統計，2020年全國公路隧道21316處、2199.93萬延米，其中特長隧道1394處、623.55萬延米，長隧道5541處、963.32萬延米。由于GNSS信號無法穿透較厚的山體或混凝土結構體，因此在隧道環境內，衛星導航信號被完全遮蔽，形成定位盲區，無法為車輛、監管部門提供有效的實時位置信息，進行輔助決策。同時由于隧道空間小，密閉性強，一旦發生火災、事故、交通擁堵，隧道內的環境會急劇惡化。在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發生更嚴重的交通事故和交通阻塞，直接影響司乘人員的健康和生命安全，亟需向監管部門迅速反饋事故的位置信息。

北斗衛星導航系統是我國獨立自主研發和建設的全球衛星導航系統，為全球用戶提供連續、穩定、可靠的定位、導航、授時服務，其相關服務及產品已經廣泛應用于高精度測繪、交通、形變監測、應急搜救等多個領域。較之于其他衛星導航系統，北斗衛星導航系統具有衛星數量多、信號強，在我國境內星座分布好等優勢。因此將北斗導航定位服務引入隧道內，為人員與車輛、監管部門提供有效的實時位置信息，具有重大的社會意義。

二、公路隧道北斗衛星導航信號覆蓋方法

1.總體思路

由于隧道環境的相對封閉性，造成衛星導航信號幾乎被完全遮蔽，隧道內基本上是衛星信號的盲區，導致實時導航定位授時中斷。如何將北斗信號引入隧道，實現隧道內北斗定位，并與隧道外無縫銜接，是北斗衛星導航定位應用需要解決的關鍵問題。根據該問題，參考目前成熟的隧道內導航應用系統及案例，提出了公路隧道北斗衛星導航信號覆蓋方法，思路如下：

通過實時模擬在軌導航衛星的運動狀態，在隧道內實時播發出與北斗、GPS等導航衛星信號完全一致的偽衛星信號，實現隧道內導航衛星信號的覆蓋。

2.技術原理

根據上述公路隧道北斗衛星導航信號覆蓋方法思路，經過不斷的技術嘗試和探索，提出該方法的技術流程如下：主要由運營管理站、融合基站組成。首先，在隧道外部署運營管理站，接收在軌衛星信號，產生高精度的本地時間信號，并采集實時星歷，然后將在軌衛星信號、時鐘信號、星歷信息編碼為內部約定格式，通過光纖傳遞給各個融合基站。其次，融合基站按30m間距部署在隧道內，接收運營管理站發送的在軌衛星信號、時鐘信號、星歷信息，通過實時模擬在軌導航衛星的運動狀態以及傳輸鏈路的多普勒補償，編組導航電文，播發出與北斗、GPS等導航衛星信號完全一致的偽衛星信號，實現隧道內導航衛星信號覆蓋。最后，應用終端接收融合基站播發的偽衛星信號進行定位、導航。

其中，公路隧道衛星導航信號覆蓋技術原理如圖1所示：

圖1 公路隧道衛星導航信號覆蓋技術原理圖

3.實測效果

2020年11月，在廣東某隧道開展了該方法測試。該隧道長5.9km，西北-東南走向。為進行定位比對，本次測試架設2臺設備，一臺是高精度慣導接收機設備，一臺是普通車載導航定位終端。高精度慣導接收機設備內置慣導模塊，將衛星定位與慣性測量相結合，可達到在遮擋環境下分米乃至厘米的定位精度，作為本次測試的位置真值。普通車載導航定位終端僅接收衛星導航信號及隧道內融合基站播發的偽衛星信號進行單點定位。通過比較普通車載導航定位終端與高精度慣導接收機設備的位置差值，分析隧道內外普通車載導航定位終端定位功能和性能。本次測試，高精度慣導接收機和普通車載導航定位終端都安裝在車頂，有固定的相對距離，測量車車速50km/h左右。本次測試記錄了進入隧道前2min、隧道內以及出隧道后2min數據。通過普通車載導航定位終端定位結果同高精度慣導接收機定位結果比較，得出普通車載導航定位終端定位東方向和北方向偏差，結果如圖2、圖3所示。

圖2 公路隧道衛星導航信號覆蓋系統安裝前實測誤差結果圖

圖3 公路隧道衛星導航信號覆蓋系統安裝后實測誤差結果圖

通過公路隧道衛星導航信號覆蓋系統安裝前后測試誤差效果圖比較可以看出，未使用該方法，進入隧道后，終端無定位結果；使用該方法，終端進入隧道后，可持續定位，隧道內定位精度為15m。

通過測試結果對比，較好地反映出公路隧道衛星導航信號覆蓋技術的優勢：將北斗信號引入隧道內，可實現隧道內外北斗信號的無縫銜接。

三、應用領域

該方法與在軌衛星定位導航機制相同，通過實時模擬在軌導航衛星的運動狀態以及傳輸鏈路的多普勒補償，編組導航電文，播發與北斗衛星信號完全一致的偽衛星信號，無需安裝其他軟件，只要能接收北斗信號的普通導航終端，都能享受到北斗隧道內定位服務，可直接在隧道內實現定位與導航。將北斗導航信號引入隧道，并使隧道內外導航定位實現了無縫銜接，填補了北斗導航服務在隧道內缺失的難題，是北斗導航定位服務應用的延伸。其推廣應用，可為大眾日常出行、部門監管、重點運行車輛監控等提供服務。

1.服務大眾日常出行，提高北斗定位服務獲得感

公路隧道衛星導航信號覆蓋技術實現了公路隧道內的北斗定位導航服務，增大了北斗信號的覆蓋范圍，使大眾在出行過程中最大限度享受北斗定位導航服務帶來的便利，提高了獲得感。

2.為監管部門提供輔助決策支撐

公路隧道衛星導航信號覆蓋技術使隧道內實現了北斗定位導航服務，讓監管部門實時掌握隧道內的實際情況成為可能。可有效地輔助決策，對隧道內的突發情況及時作出反應，使公路通行更加安全、可靠。

3.完善對重點運營車輛的監控

2010年國務院要求運輸企業按照《國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知》要求，必須為“兩客一危”車輛安裝符合《道路運輸車輛衛星定位系統車載終端技術要求》（JT/T794—2011）的衛星定位裝置，并接入全國重點營運車輛聯網聯控系統，對全國范圍“兩客一危”等重點營運車輛進行安全監管。截至2021年第二季度，安裝使用北斗終端的重點營運車輛已超過700萬輛。通過將北斗定位導航服務引入隧道，有效補充現有重點營運車輛聯網聯控系統在隧道內車輛安全監管的空白，促進全國路網重點營運車輛無縫監管。

隨著北斗導航定位服務引入隧道的普及和深入，將極大擴展北斗信號覆蓋范圍，為大眾、監管部門等提供便利，提升交通行業的智慧化水平。

四、結語

將北斗信號引入隧道內，實現隧道內外導航定位的無縫銜接，是北斗導航定位在特殊環境下的深化應用。在我國這樣一個隧道眾多，且隧道在交通中發揮重要作用的國家，將會發揮巨大作用，助力北斗信號在交通領域的全覆蓋。