胡婭莉

摘要：現(xiàn)代列車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)需要通過(guò)實(shí)時(shí)位置信息定位來(lái)實(shí)現(xiàn)控制可能，而我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)針對(duì)列車(chē)的高精度定位技術(shù)，加強(qiáng)列車(chē)運(yùn)行定位結(jié)果的可靠性，為列車(chē)高速穩(wěn)定運(yùn)行提高安全指數(shù)。本文主要研究了基于北斗與GPS雙模衛(wèi)星系統(tǒng)的列車(chē)高精度定位方法及其相關(guān)技術(shù)理論實(shí)踐過(guò)程。

關(guān)鍵詞：北斗定位；GPS；高精度；雙模衛(wèi)星系統(tǒng)；加權(quán)完好算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）33-0214-02

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)并獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它目前已經(jīng)基本無(wú)縫覆蓋我國(guó)本土及周邊地區(qū)，在水利防汛、交通運(yùn)輸、森林防火、軍事防衛(wèi)領(lǐng)域都有應(yīng)用，具有極高的全境范圍導(dǎo)航定位可用性。到2020年為止，我國(guó)計(jì)劃建成服務(wù)范圍覆蓋全球的新一代北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 關(guān)于列車(chē)定位

1）列車(chē)定位概述

列車(chē)定位的精確性與安全可靠性決定了其運(yùn)行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)的高速運(yùn)行效率。考慮到現(xiàn)如今鐵路環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，針對(duì)它的接收衛(wèi)星數(shù)量呈現(xiàn)幾何式分布且要求較高，所以應(yīng)該采用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)配合GPS實(shí)現(xiàn)雙模雙點(diǎn)定位來(lái)滿足列車(chē)軌道占用識(shí)別高精度需求。從技術(shù)角度講，兩大系統(tǒng)都屬于碼分多址，都能獨(dú)立應(yīng)用，二者相結(jié)合在定位精度與完備性方面表現(xiàn)更好，所以文中會(huì)給出基于兩大系統(tǒng)的雙模衛(wèi)星高精度單點(diǎn)定位算法，增加系統(tǒng)接收可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量，并改善它們的幾何分布。同時(shí)也要采用加權(quán)自主完好性監(jiān)測(cè)功能來(lái)剔除可能存在的故障衛(wèi)星，進(jìn)一步提升列車(chē)定位的精度與可靠性。

2）北斗與GPS雙模衛(wèi)星系統(tǒng)的定位方式分析

目前在我國(guó)，針對(duì)列車(chē)的北斗衛(wèi)星設(shè)置分布還偏少，所以在觀測(cè)條件較差的環(huán)境中定位列車(chē)還存在很大局限性，因此本文選擇北斗衛(wèi)星配合基于原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的GPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙模衛(wèi)星高精度單點(diǎn)定位目的。從技術(shù)層面來(lái)看，北斗衛(wèi)星與GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)在雙模組合定位過(guò)程中會(huì)統(tǒng)一坐標(biāo)及時(shí)間系統(tǒng)，同時(shí)考量?jī)啥ㄎ幌到y(tǒng)的衛(wèi)星碼偏差異同，所以首先要對(duì)其坐標(biāo)系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一校正。具體來(lái)說(shuō)，一般北斗衛(wèi)星所采用的都是CGCS2000坐標(biāo)系，而GPS則采用的是WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)，將兩坐標(biāo)系統(tǒng)在原點(diǎn)、尺度與定向方面統(tǒng)一定義，并設(shè)置二者的橢球常數(shù)為[a、f、GM、ω]。在這里，扁率[f]是存在微小差異的，這種所產(chǎn)生的坐標(biāo)差異主要是同一點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系在參考橢球扁率差異時(shí)所形成的，它的具體轉(zhuǎn)換方式如下：

以上3計(jì)算式中[df]代表扁率差值，[M]代表子午圈曲率半徑，[B]代表大地緯度、[L]代表大地精度。以亞米級(jí)精度的高速列車(chē)定位應(yīng)用為例，考慮到北斗衛(wèi)星與GPS所定位的坐標(biāo)差值較小，所以基本可以忽略不計(jì)。

其次要對(duì)時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一校正。因?yàn)楸倍窌r(shí)間BDT與GPS時(shí)間GPST兩系統(tǒng)都采用了原子時(shí)，所以二者的秒長(zhǎng)定義應(yīng)該相同，但是二者的起算點(diǎn)應(yīng)該不同。由于北斗時(shí)間系統(tǒng)從2006年1月1日開(kāi)始起算，所以它與GPS時(shí)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式應(yīng)該為：

上述關(guān)系式中，[BDW、GPSW]分別代表了北斗周與GPS周，所以[BDT與GPST]就分別稱(chēng)為北斗秒和GPS秒[1]。

2 北斗高精度定位系統(tǒng)與GPS的雙模衛(wèi)星單點(diǎn)定位分析

2.1 雙模單點(diǎn)定位分析

本文假設(shè)擁有[n]顆定位衛(wèi)星，在不考慮多路徑接收機(jī)影響背景下，同時(shí)觀測(cè)多顆北斗衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)與時(shí)間系統(tǒng)換算，統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)，最終給出雙模觀測(cè)衛(wèi)星與接收機(jī)的距離如下：

上述算式中，[ρi]表示接收機(jī)與第[i]顆衛(wèi)星的實(shí)際距離，[xi，yi，zi]表示衛(wèi)星的三維坐標(biāo)，所以根據(jù)星歷計(jì)算進(jìn)一步得到接收機(jī)的三維近似坐標(biāo)[x0，y0，z0]。當(dāng)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS雙模衛(wèi)星在定位過(guò)程中時(shí)通常需要至少5顆衛(wèi)星才能計(jì)算解析獲取定位結(jié)果，所以如果衛(wèi)星多于5顆時(shí)，則必須通過(guò)加權(quán)最小二乘法來(lái)計(jì)算獲得最優(yōu)結(jié)果，它的計(jì)算公式為：

按照雙模衛(wèi)星系統(tǒng)的定位精度與可靠性要求，針對(duì)衛(wèi)星設(shè)定計(jì)算權(quán)值，滿足北斗與GPS雙模單點(diǎn)定位之于列車(chē)軌道占用識(shí)別的高精度要求。在消除誤差基礎(chǔ)上再通過(guò)載波相位平滑偽距方法來(lái)提高列車(chē)偽距觀測(cè)精度[2]。

2.2 基于北斗與GPS雙模衛(wèi)星的加權(quán)完好性算法分析

1）列車(chē)的定位系統(tǒng)完好性基本要求分析

所謂列車(chē)定位系統(tǒng)完好性就是指在給定時(shí)間與條件范圍內(nèi)所實(shí)現(xiàn)的有關(guān)安全功能概率。對(duì)列車(chē)組合定位的安全完好性而言，它就是為了確保列車(chē)系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)任何危險(xiǎn)，或?qū)⑽ｋU(xiǎn)所導(dǎo)致誤差范圍控制在列車(chē)運(yùn)行的可承受范圍之內(nèi)。所以要采用安全完好性監(jiān)測(cè)算法來(lái)估計(jì)和定位誤差，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率。就安全完好性監(jiān)測(cè)算法內(nèi)容看，它主要將定位誤差與已知安全極限值進(jìn)行對(duì)比，并在比較后給出定位結(jié)果安全完好性水平。它所反映的完好性安全水平主要體現(xiàn)在3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上：水平保護(hù)距離、危險(xiǎn)率以及報(bào)警時(shí)間延遲。水平保護(hù)距離主要是在定位過(guò)程中所允許的最大定位誤差，它能夠從定位空間角度來(lái)反映系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際安全狀況；危險(xiǎn)率主要考察圍繞定位結(jié)果所造成的非常安全危險(xiǎn)概率。它能從概率角度來(lái)表述系統(tǒng)的可靠性；報(bào)警時(shí)間延遲主要針對(duì)定位誤差，當(dāng)誤差超過(guò)報(bào)警門(mén)限時(shí)，報(bào)警信息輸出所允許的最大延遲時(shí)間就能體現(xiàn)出來(lái)，從時(shí)間尺度上反映系統(tǒng)對(duì)于安全完好性的體現(xiàn)程度。我國(guó)北斗衛(wèi)星列車(chē)定位目前主要根據(jù)歐洲所規(guī)劃的GALILEO列車(chē)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)安全應(yīng)用領(lǐng)域的指標(biāo)測(cè)算及規(guī)范，但在實(shí)際的參數(shù)指標(biāo)體現(xiàn)方面略有不同。下表1給出我國(guó)的鐵路線路安全性指標(biāo)數(shù)據(jù)，如表1。

在上表1中，各個(gè)密度與站內(nèi)對(duì)水平精度及水平報(bào)警的距離各不相同，所以基于不同的鐵路線路定位指標(biāo)要求，應(yīng)該選取相應(yīng)的定位精度系統(tǒng)可用性指標(biāo)，比如本文所提到的北斗衛(wèi)星列車(chē)定位完好性監(jiān)測(cè)就可以基于這一性能數(shù)據(jù)指標(biāo)來(lái)完成列車(chē)現(xiàn)場(chǎng)定位測(cè)試[3]。

2）雙模衛(wèi)星定位完好性監(jiān)測(cè)算法解析

由于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)及GPS系統(tǒng)的衛(wèi)星會(huì)受到衛(wèi)星軌道、多路徑、星歷等諸多因素誤差影響，所以必須對(duì)定位過(guò)程中衛(wèi)星所涉及的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行RAIM自主完好性監(jiān)測(cè)，盡可能排除與結(jié)算所存在的故障衛(wèi)星，確保北斗多模組合定位結(jié)果真實(shí)有效和安全可靠?；谏鲜鰞?nèi)容，圍繞北斗衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS所展開(kāi)的雙模衛(wèi)星定位完好性監(jiān)測(cè)算法主要要實(shí)現(xiàn)以下3點(diǎn)操作步驟。

首先要對(duì)衛(wèi)星軌道徑向誤差保護(hù)值進(jìn)行檢查，以確保自主完好性監(jiān)測(cè)RAIM的合理有效，同時(shí)提高定位誤差檢出率。這一步操作需要大量衛(wèi)星，同時(shí)要求它們的空間分布DOP值越小越好，要符合徑向誤差保護(hù)值的基本要求，以下給出定位衛(wèi)星的傾斜率Slope值：

在基于北斗衛(wèi)星與GPS雙模衛(wèi)星定位時(shí)，如果已經(jīng)觀測(cè)到6顆衛(wèi)星，就能進(jìn)行RAIM完好性監(jiān)測(cè)的有效實(shí)施，將有故障的衛(wèi)星去除掉，然后再對(duì)所觀測(cè)衛(wèi)星對(duì)象進(jìn)行重新一輪的最小二乘定位解算[4]。

3 總結(jié)

本文圍繞北斗衛(wèi)星與GPS雙模系統(tǒng)的高精度單點(diǎn)列車(chē)定位算法，利用北斗與GPS雙模偽距計(jì)算方法提高了其觀測(cè)精度，基本將列車(chē)單點(diǎn)定位提高到亞米級(jí)定位精度。節(jié)省了對(duì)傳統(tǒng)GNSS差分站的建設(shè)與維護(hù)成本，也增加了可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)，改善了其可觀測(cè)衛(wèi)星幾何分布結(jié)構(gòu)，RAIM自主完好性檢測(cè)剔出了故障衛(wèi)星，這些對(duì)提高列車(chē)高精度定位技術(shù)結(jié)果都起到了實(shí)際效用，值得進(jìn)一步深入研究推廣。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 戴連君.基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的列車(chē)定位方法研究[D].北京交通大學(xué)，2013.87-94.

[3] 雍雯.北斗高精度定位模糊度解算方法研究[D].東南大學(xué)，2014.23-30.

[4] 邱望智.基于GPS/北斗衛(wèi)星的列車(chē)導(dǎo)航定位研究[D].北京交通大學(xué)，2014.46-51.