北斗復現式擴展定位系統在交通隧道內應用研究

李瀟陽

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

根據交通運輸部2022 年統計數據，全國公路隧道總長2.6 萬km，隧道營運安全一直是交通管理部門高度關注的焦點。隨著導航的普及，因隧道定位信號的丟失導致普通用戶無法實現隧道內的無縫定位及導航功能，影響出行體驗。同時，在隧道內因衛星定位信號的丟失導致管理部門對“兩客一危”等重點營運車輛無法實時監管，發生車輛異常或重大交通事故時不能及時準確定位車輛位置，給事故應急處理帶來很大困難。因此，提升隧道衛星定位系統的定位精度并降低建設成本，以實現更多的服務價值是很有必要的。

1 研究目標

目前隧道衛星定位系統的機制大多跟軌衛星定位相似，通過對在軌導航衛星運動狀態的實時模擬，對傳輸鏈路進行多普勒補償，編組導航電文后播發出與導航衛星信號一致的模擬衛星信號，實現導航終端的定位與導航功能。由于隧道北斗定位系統尚未完全成熟與普及，不同實現路徑導致建設成本與定位精度均有較大區別。

本文研究分析國內幾類典型的隧道北斗定位系統實施方案，并提出相關優化建議，為后續交通隧道內衛星定位系統的建設提供相關經驗支持。

2 研究意義

目前國內試點的交通隧道項目衛星定位系統整體精度不高，距離主流導航軟件車道級導航與車路協同所需的車道級乃至亞米級定位精度還有較大差距。通過提升交通隧道內衛星定位系統的精度，可以更好地為交通管理與出行賦能。

本文梳理以下幾點隧道內高精度定位可以提供的服務價值：

2.1 為駕乘人員提供隧道內的無縫定位及導航服務

依托隧道衛星定位系統，可實現隧道內定位信號全覆蓋、提升導航路徑準確度，提高駕乘人員的出行感受與出行服務體驗。

2.2 為管理部門提供“兩客一危”等重點營運車輛的無縫定位與監管

依托隧道衛星定位系統，可以避免“兩客一危”等重點營運車輛進入隧道后定位信號丟失問題，實現對“兩客一危”等重點營運車輛進入隧道后的行駛位置、行駛速度、行駛軌跡、超速等狀態進行重點監管，保證隧道交通運營安全[1]。

2.3 為管理部門提供運維與人員的準確位置

依托隧道衛星定位系統，管理部門能時刻掌握運維車輛、運維人員位置與行動軌跡，在應急情況下，根據事件位置可以快速向就近運維車輛和人員下達指令，進行快速搶修和運行維護。

2.4 為管理部門提供隧道內事件、事故的準確定位

依托隧道衛星定位系統，管理部門能準確掌握交通事故與異常事件發生位置，可根據定位信息快速向就近救援車輛和人員下達指令，進行快速救援與處置。

2.5 為管理部門提供隧道內設備資產的定位

傳統的隧道人員和資產定位系統主要通過UWB系統測量標簽與基站之間的距離，隧道內需要花費較高代價搭建UWB 系統。

依托隧道衛星定位系統，如果隧道衛星基站單點定位精度可以提高至亞米級，管理部門就可對具備北斗/GPS 信號接收功能的定位設備、主流品牌攝像機、邊緣計算節點單元等設備或設備箱進行精確定位，通過隧道衛星定位系統功能擴展低成本替代傳統UWB系統的功能。

3 研究設計

目前隧道衛星定位系統普遍采用授時管理中心+室內衛星定位基站+衛星接收/發射天線的方案，系統原理相近，方案細節的不同會導致系統綜合定位能力差別也較為明顯，本節將分別從天線間距、授時精度、基站功能、應用拓展、主流系統設備指標幾個部分進行分析。

3.1 天線間距對系統定位精度的影響

隧道衛星基站接收來自授時管理中心的在軌導航衛星星歷、時間數據，模擬并生成導航衛星信號；信號發射天線用于播發室內衛星基站所生成的導航衛星信號，實現導航衛星信號在隧道內的覆蓋。

天線布設間距對系統的整體定位精度影響最大，天線密度很大程度上決定了定位的精度，目前隧道主流的天線布設間距為30m～50m，沿隧道行車通道單側布置。天線間距過遠導致目前隧道衛星定位系統整體定位精度大多位于10～20m 區間，無法滿足車道級定位的需求。

室內衛星基站與天線的組合形式主要分兩種：一種為基站與天線一對一形式；一種為基站與天線一拖多形式。

基站天線一對一形式的優點在于基站和天線可以采用一體化設計，設備安裝與組網都較為簡單，缺點在于基站成本較高，考慮建設成本基站與天線布設間距較大。

基站天線一拖多形式優點在于基站和天線分離式設計，基站與天線可以采用1∶4、1∶6、1∶8、1∶10 靈活配比，信號發射天線成本遠低于基站，采用一拖多形式既保證天線布設密度，又極大縮減系統建設成本，缺點在于基站與天線采用點對點射頻線纜連接，綜合布線施工難度較大。

目前主流天線布設形式大多為隧道單側布設，導致橫向定位精度較差無法判斷車輛所處車道。根據項目測試隧道內天線采用之字形交錯布設更為科學，在實現精確縱向定位的同時，可以通過交錯布設的天線采用差分定位判斷車輛所屬車道，更加精確支撐車路協同與車道級導航的需求[2]。

綜上所述，結合國內多個項目分析，建議交通隧道內基站與天線布設模式為基站天線采用一拖多配比（經濟性較高的配比為1∶8 或1∶10），天線間距按不大于20m 間距之字形布設，天線采用右旋圓極化（RHCP）賦型天線減少多徑效應并提升信號穩定性，基本可以滿足車路協同與車道級導航的精度需求。

3.2 授時精度對系統定位精度的影響

授時管理中心需要實時保證系統與真實在軌衛星的絕對時間一致，并且接收衛星定位系統管理工作站下發的指令，實時向衛星定位系統管理工作站上傳系統內各室內衛星基站的狀態信息以及衛星健康情況。

授時管理中心的系統形式決定了時間同步精度，目前交通隧道的授時管理中心主要分為以下幾種形式：

第一種是授時中心沿著隧道行車方向縱向分布式布設形式，各授時中心通過光纖環網與衛星定位管理服務器通信，同時授時中心與外場基站間采用光纖跳線連接。該方案由于僅隧道洞口的授時中心可以直連室外衛星接收天線，其余授時中心在隧道內分布式布設會導致授時不一致的情況，時間同步精度較差（見圖1）。

圖1 分布式授時中心環形組網示意

第二種是多組授時中心集中布設于隧道附屬用房，與隧道外場室內衛星定位基站采用光纖星形連接，通過星形部署方式進行時鐘信號的同步傳輸，更好地保證同步的穩定性，當其中任意一個授時單元出現故障不影響整體的同步精度和穩定性，同步精度較高。缺點是分組式授時中心硬件成本較高，且授時中心與外場基站星形連接導致所需光纖芯數需求量較大，綜合布線成本較高（見圖2）。

圖2 分布式授時中心星形組網示意

第三種是集中授時星形環網形式，隧道內每3～5組室內衛星基站組成1 個子系統，子系統內基站與基站之間使用光纖跳線串行連接組成一個小光纖環網；隧道出入口附屬用房設置集中型授時中心與每組子系統的首尾基站相連，集中型授時中心通過星形組網的形式與各子系統通信。該方案優點是每組子系統不相互關聯，子系統發生故障時不會相互影響，缺點是授時中心與外場子系統星形連接導致所需光纖芯數需求量較大，基站與基站間還需通過跳線連接，綜合布線與調試成本較高[3]（見圖3）。

圖3 集中型授時中心星型環網示意

第四種是集中授時環形組網形式，在隧道出入口附屬用房設置集中型授時中心，每臺授時管理中心的1、2 光口與隧道單側洞內第一臺室內衛星基站采用2芯光纖依次級聯至單側洞內末端最后一臺室內衛星基站；在末端室內衛星基站再用2 芯光纖接入授時管理中心的3、4 光口形成環網。該方案性價比最高，集中授時也可以保證時間同步精度，單洞組環網通信也僅需4 芯光纖（見圖4）。

圖4 集中型授時中心環形組網示意

綜上所述，交通隧道內較為理想的授時方案為集中授時中心+光纖環網通信的形式，可以在成本可控的基礎上同時實現高時間同步進度。

3.3 基站功能對系統兼容能力的影響

目前大部分隧道室內衛星定位系統普遍還是采用雙頻單模形式，考慮系統穩定性與兼容性的需求，新建衛星定位系統可接收/發射的頻點數建議滿足三模雙頻（BDS B1、B2，GPS L1、L2，GLONASS G1），同時室內衛星基站單點模擬衛星數建議根據可見星數量實現動態調整。

3.4 基于系統擴展更豐富的應用場景

目前交通隧道內建設室內衛星定位系統的成本還較高，因此系統除了兼容市面主流智能手機、車載導航等終端設備的定位需求外，還應擴展更多應用場景，實現與其他監控系統的互補或低成本替代。

基于交通隧道的運營管理需求，室內衛星定位系統最直接的擴展應用是可以替代傳統隧道內UWB 人員與資產定位系統，依托室內衛星定位系統，管理部門能通過室內衛星基站+衛星定位模塊替代UWB 系統微標簽+微基站的組合，幫助管理部門時刻掌握運維車輛、運維人員位置與行動軌跡，或對具備北斗/GPS 信號接收功能的定位設備或設備箱進行精確定位。

3.5 主流系統設備指標分析

3.5.1 授時中心

授時中心對系統影響較大的指標為相對同步精度與支持模擬衛星數量。目前國內試點項目的時鐘同步精度主要位于5～20ns 區間；支持模擬衛星數量主要位于4～8 星區間；系統支持的頻點為雙模單頻、雙模雙頻、三模雙頻三種為主。

3.5.2 室內衛星基站

室內衛星基站對系統影響較大的指標為發射功率與輸出導航信號路數。目前國內試點項目室內衛星基站的發射功率主要位于-70～-10dBm 區間；輸出導航信號路數主要位于8～32 路區間。

3.5.3 衛星接收/發射天線

考慮隧道的物理結構特性，目前國內試點項目的天線基本都采用右旋圓極化（RHCP）賦型天線。

4 結論

國內目前北斗衛星定位系統在交通隧道內的應用還處于起步摸索階段，無論是精度還是擴展服務還有較大的提升空間，隨著車路協同與車道級導航的發展，對隧道衛星定位系統在定位精度、時間同步精度、支持頻段上也提出更高的要求。

全國的長大隧道近年也在逐步引入5G 信號的全覆蓋，因此交通隧道內建設“5G+北斗”精準導航系統，通過結合5G 高速網絡通信和北斗衛星導航系統精準定位的能力，結合相關定位導航APP 的優化，可以實現為隧道內駕乘人員提供高精度車道級導航與定位服務，提升管理部門出行服務能力，同時也為自動駕駛、車路協同等落地提供不可或缺的基礎技術支撐。