王紹新，翁艷彬

( 1. 西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 成都 611756；2. 中電科航空電子有限公司, 成都 611731；3. 湖南工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院, 湖南 株洲 412007 )

0 引言

鐵路是我國重要的交通運輸方式之一，關(guān)系著國民經(jīng)濟的大動脈，安全巡檢、危情處理和日常養(yǎng)護是鐵路運營管理工作的重中之重[1-3].

鐵路運輸?shù)呢泩龌蛘{(diào)度場面積涉及數(shù)十平方公里，由幾十條接駁路軌形成長條形調(diào)控場地，軌道間距離一般比較接近，當(dāng)多列各類型車廂并排一起時，對一般采用無線場強的定位技術(shù)，會形成自然屏障，所以無法精確定位，若增加無線定位標(biāo)簽數(shù)量，則成本和效益均不理想；近些年來較為常用則是衛(wèi)星定位技術(shù)，雖然衛(wèi)星信號是從天空直接傳達至接收機，但受車廂并排所引起的屏蔽和遮擋影響，以及常規(guī)大氣層及各種物理、定位算法及硬件設(shè)計技術(shù)等方面的限制，仍然有數(shù)米的定位誤差[4-8].

基于此種背景，一套“鐵路軌道峽谷”模式下的高精度定位系統(tǒng)對于鐵路行業(yè)定位非常重要，并且應(yīng)具有高靈活性、高可靠性和擴展性，可強化室外班組巡檢作業(yè)人員的信息化、標(biāo)準(zhǔn)化管理和安全作業(yè)信息的管理，為鐵路建設(shè)和檢修維護提供重要安全保障，降低運維成本，系統(tǒng)提高安全水平、生產(chǎn)效率和管理水平.

1 鐵路巡檢技術(shù)需求分析

相對于公路和航空而言，鐵路運輸在中國的交通運輸行業(yè)中始終占有至為重要的地位，而鐵路巡檢工作事關(guān)鐵路運輸?shù)陌踩? 為了保障鐵路安全運行，以前老舊的人工巡檢工作模式已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代社會的需要，完善并加強信息化和物聯(lián)網(wǎng)手段對工區(qū)巡道工的管理、沿途設(shè)施的維護以及保障工人人身安全等具有非常實際的意義.

1.1 鐵路巡檢系統(tǒng)分類

現(xiàn)有的巡檢系統(tǒng)基本上分為三類：第一類是基于信息紐扣的電子巡檢系統(tǒng)，通過手持帶有信息標(biāo)志的巡檢終端，巡檢人員通過觸碰方式讀取信息，然后巡檢儀記錄將收到的結(jié)果送往管理中心控制的巡檢主機，供后續(xù)的考查統(tǒng)計等；第二類是基于射頻識別技術(shù)(radio frequency identification, RFID)的電子巡檢系統(tǒng)，RFID系統(tǒng)利用讀卡器與射頻卡，通過電磁耦合或者電感耦合實現(xiàn)雙方的能量傳輸和信息交換；克服了信息鈕扣系統(tǒng)必須接觸的缺陷，但RFID巡檢點呈現(xiàn)離散分布，無法體現(xiàn)和記錄巡檢路徑，鐵路設(shè)備是否按照操作規(guī)程進行檢查亦無法從結(jié)果中獲知；第三類是基于GPS和地理信息服務(wù)引擎(geographic information system, GIS)技術(shù)的電子巡檢系統(tǒng)，巡檢終端可實時接收GPS數(shù)據(jù)，待定位成功后保存終端定位位置，巡檢完成后所有存儲的導(dǎo)航數(shù)據(jù)可導(dǎo)入主機，結(jié)合GIS應(yīng)用軟件進行分析，最終自動生成巡檢報告[9]. 該方法存在受遮擋無法定位、因定位精度較低導(dǎo)致不能分辨設(shè)備集中時的數(shù)據(jù)等缺陷.

上述三種方法中，信息紐扣電子巡檢系統(tǒng)受技術(shù)限制，必須外露，易遭受破壞且要求巡檢儀與紐扣必須精確接觸. RFID電子巡檢系統(tǒng)無法記錄巡檢路徑，僅能將巡檢點以離散形態(tài)呈現(xiàn)，無法確認巡檢質(zhì)量和效果. GIS/GPS電子巡檢系統(tǒng)存在因定位精度較低，無法分辨設(shè)備集中時的數(shù)據(jù)和受遮擋無法定位等缺陷. 為了避免了上述問題，本文研究在保證高精度導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)上，集成豐富的傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)多方位的巡檢管理和保障.

1.2 鐵路峽谷模式下的衛(wèi)星可見性分析

相鄰兩條軌道中心線的間隔距離一般稱為線間距，鐵道部《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》有詳細規(guī)定，它是限制列車運行速度的原因之一. 圖1中給出了部分鐵路線間距規(guī)定.

圖1 鐵路線間距規(guī)定

經(jīng)查詢高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)資料[10]和普速鐵路標(biāo)準(zhǔn)資料[11]，確定了如下參數(shù)：

1)線間距：普速鐵路為4.2 m，高速鐵路為5.0 m.

2)車廂尺寸：一節(jié)高鐵車廂的列車車體寬度為3.36 m，高度為4.05 m；普通列車的寬度約為3.3 m，高度約為2.8 m.

3)終端高度：不小于1.2 m (定位終端位于手持狀態(tài)或肩膀上).

據(jù)此建立鐵路軌道峽谷模式下的衛(wèi)星可視范圍模型，如圖2所示.

圖2 鐵路軌道峽谷模式的衛(wèi)星可見性分析

當(dāng)人員行走于股道中間時我們稱之為“高仰角模式”，行走于列車旁進行巡檢作業(yè)時稱之為“半邊天模式”. 由圖2可知，當(dāng)手持北斗終端位于手上或貼近輪軌進行檢測時，產(chǎn)生一個衛(wèi)星入射角的變化，對于導(dǎo)航定位解算時高度截止角參數(shù)的設(shè)置有一定的影響，它決定了當(dāng)前衛(wèi)星可見性的分布，進而產(chǎn)生變化的精度衰減因子(dilution of precision, DOP)值影響了最終的定位精度.

以當(dāng)前的高速鐵路參數(shù)，可以計算得出巡檢高仰角的極值范圍. 高鐵車廂的高度較普速列車有所增加，為乘客提供了更寬闊的空間，但是從基于安全風(fēng)險角度出發(fā)，線間距亦有所拓寬，仰角計算結(jié)果與普速列車相比略有變化. 從表1可以看出，如此之大的高度截止角也確實給導(dǎo)航解算帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn).

表1 仰角計算結(jié)果

2 高精度導(dǎo)航定位與增強技術(shù)

通過對鐵路定位需求的分析可以看出，衛(wèi)星在鐵路軌道峽谷內(nèi)的信號受到嚴(yán)重的遮擋或反射，跟蹤數(shù)量和測量精度急劇下降，給導(dǎo)航定位帶來了挑戰(zhàn)[8,12].在這種場景下必須采取有效的措施來提高衛(wèi)星跟蹤數(shù)量和定位精度.

北斗三號(BeiDou-3 Navigation Satellite System,BDS-3)已經(jīng)于2020年7月完成建設(shè)，與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo一同形成當(dāng)今運行的GNSS. 各導(dǎo)航系統(tǒng)間頻點相同或接近，軌道設(shè)計原理相同. 隨著信號現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，目前已經(jīng)基本實現(xiàn)了新體制信號的兼容互操作，為我們實現(xiàn)多星多頻組合導(dǎo)航定位帶來了便利. 同時，也極大地提高了城市街區(qū)或峽谷等遮擋/多徑影響下具有挑戰(zhàn)性的定位場景的導(dǎo)航定位精度和完好性[13].

2.1 誤差源分析與導(dǎo)航增強技術(shù)

GNSS定位的核心是高度精確的同步時鐘，導(dǎo)航接收機接收并解調(diào)來自特定衛(wèi)星的信號并計算其與該衛(wèi)星的距離，當(dāng)接收機測得與至少4顆衛(wèi)星的距離時，就可以解算其本身的位置. 然而，位置精度的準(zhǔn)確性受到星載原子鐘漂移、軌道預(yù)報誤差、電離層誤差、對流層誤差、多徑與反射延遲等多種誤差源的影響. 為了提高定位精度和性能，需要利用算法模型或差分增強手段來降低誤差源的影響，主要的校正方法有實時動態(tài)(real-time kinematic, RTK)、連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations, CORS)、星基增強系統(tǒng)(satellite-based augmentation system,SBAS)等.

RTK指的是實時動態(tài)測量技術(shù)，它是以高精度測量的載波相位觀測為依據(jù)的實時差分技術(shù)，能夠得到厘米級的定位精度，極大地提高了測量精度和作業(yè)效率. 簡單來說，設(shè)置在附近(一般不超過20 km)的基準(zhǔn)站計算獲得校正數(shù)據(jù)，通過電臺或移動網(wǎng)絡(luò)將這些校正數(shù)據(jù)傳遞給需要測量的接收機(稱之為移動站)，可以消除衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、大氣傳播等大部分的GNSS誤差，從而獲得更為精準(zhǔn)的位置信息.

由于RTK技術(shù)每次測量時都需要建設(shè)基準(zhǔn)站，且基準(zhǔn)站作用有效距離較短，須自行建立差分數(shù)據(jù)鏈，在使用時很不方便，隨之產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)差分定位服務(wù)系統(tǒng)即CORS，它是利用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運行參考站，是衛(wèi)星導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)鏈等技術(shù)融合的新技術(shù)成果. CORS的出現(xiàn)極大提高了高精度定位和測量測繪的速度與效率，使得外業(yè)人員的測繪工作強度大大降低，并減少了測繪工程的作業(yè)費用. CORS技術(shù)帶來了兩個改變：一是可以隨時隨地使用單機進行高精度的測量，得到厘米級的動態(tài)位置信息，極大加快了基礎(chǔ)地理信息的建設(shè)；二是對于重要的橋梁、大壩及山坡等位置可以開展高精度定位和形變監(jiān)測，對位移變化進行長期的毫米級監(jiān)測，可對過度變形、位移或滑坡進行實時預(yù)警和長期趨勢預(yù)測.

提高位置精度的手段主要有兩類，即差分與增強. 上述的RTK、CORS即屬于差分技術(shù)，另外一類為增強技術(shù)，主要有機載增強系統(tǒng)(airborne based augmentation system, ABAS)、地基增強系統(tǒng)(groundbased augmentation systems, GBAS)、SBAS等，本文主要使用的是SBAS技術(shù).

SBAS是為了實現(xiàn)原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的改進而誕生的一個導(dǎo)航增強系統(tǒng)，主要由地面監(jiān)測站、主控站、注入站和靜止地球軌道(geostationary earth orbit, GEO)衛(wèi)星四部分組成. 如圖3所示，SBAS的監(jiān)測站廣泛分布于世界各地，對所有導(dǎo)航衛(wèi)星進行長期實時的監(jiān)測并將監(jiān)測數(shù)據(jù)向主控站實時傳送，主控站收到各監(jiān)測站傳送的偽距、載波等原始觀測量數(shù)據(jù)后進行誤差修正信息建模計算(星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲等)，GEO衛(wèi)星收到注入站上注的修正結(jié)果數(shù)據(jù)后再播發(fā)給廣大的導(dǎo)航用戶，從而實現(xiàn)導(dǎo)航性能和定位精度的改進.

圖3 世界SBAS分布

目前較為完善的SBAS有美國的WAAS（Wide Area Augmentation System）、歐洲地球同步衛(wèi)星導(dǎo)航增強系統(tǒng)(European Geostationary Navigation Overlay Service, EGNOS)、俄羅斯的差分校正和監(jiān)測系統(tǒng)(System for Differential Corrections and Monitoring,SDCM) 、日本的 (Multi-Functional Satellite Augmentation System, MSAS)和印度的GPS輔助GEO增強導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS Aided Geo Augmented Navigation，GAGAN)，中國的北斗星基增強系統(tǒng)(BeiDou satellitebased augmentation system, BDSBAS)也發(fā)布了接口控制文檔，初步完成建設(shè)并投入試運行.

2.2 實時載波差分定位

本次試驗在成都辦公樓頂架設(shè)了2臺高精度差分接收機，設(shè)置模式為同時接收GPS、GLONASS、BDS三系統(tǒng)導(dǎo)航信號，測試時長約為2 h，下面選取其中一段時間的數(shù)據(jù)來分析系統(tǒng)模式及高度截止角對差分結(jié)果帶來的影響.

由圖4可知，三系統(tǒng)組合之后，衛(wèi)星數(shù)驚人的達到了40顆以上，然而如圖5所示，如果我們設(shè)置截止角為60°后，模擬惡劣環(huán)境下的峽谷模式，則衛(wèi)星數(shù)總共約為10顆，依靠單系統(tǒng)幾乎無法定位.

圖4 截止角(5°)

圖5 截止角(60°)

將存儲好的兩份原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX（Receiver Independent Exchange Format）文件，通過后處理算法獲取高精度定位結(jié)果，為了方便直觀理解，我們以高程為例統(tǒng)計差分精度. 數(shù)據(jù)對比分析的維度有三個：組合模式、導(dǎo)航系統(tǒng)及高度截止角. 在統(tǒng)計時關(guān)注固定解成功率、公共衛(wèi)星數(shù)及差分精度.

RTK差分結(jié)果統(tǒng)計如表2所示.

表2 差分統(tǒng)計結(jié)果

通過分析圖6中的結(jié)果，可得下述基本結(jié)論：

圖6 差分結(jié)果高程比較

1) BDS+GPS+GLONASS三系統(tǒng)組合模式下的定位精度和穩(wěn)定性要高于單系統(tǒng)模式；

2) 單系統(tǒng)模式中，BDS和GPS精度接近，GLONASS精度較差；

3) BDS+GPS+GLONASS三系統(tǒng)組合模式下，截止角為45°時，仍然有10顆以上足夠的衛(wèi)星參與定位，差分結(jié)果與常規(guī)模式無明顯差異，但如果提升至55°時，衛(wèi)星顆數(shù)下降至勉強定位，基線結(jié)果有了一定的偏差；截止角為60°時，公共衛(wèi)星數(shù)已經(jīng)不能保證，僅部分歷元可進行差分，成功率急劇降低；

4) 雖然高仰角時的差分精度似乎還處于厘米級水平，但這僅是因為在此模擬計算中忽略了低于截止角的衛(wèi)星而并未調(diào)整其他衛(wèi)星的測量精度；在環(huán)境惡劣的實際情況下，測量精度會隨著遮擋和反射等多徑誤差明顯降低，很難保證厘米級的定位精度.

2.3 星基增強定位

關(guān)于星基增強定位的測試方法，實驗中將兩種不同類型的接收機放置于寫字樓門前的空地上，天線接近窗戶邊上，環(huán)境遮擋反射嚴(yán)重. 結(jié)果如圖7～10所示. 如圖8所示，此時兩種接收機的靈敏度均較高，可捕獲較多的衛(wèi)星，但是測量精度較差，參與解算的衛(wèi)星數(shù)反復(fù)跳變，單點定位精度降低至20～30 m. 而支持SBAS的接收機則能夠根據(jù)差分信息(差分衛(wèi)星為GAGAN的132號衛(wèi)星)，獲得浮點解(結(jié)果標(biāo)志為2)甚至固定解(結(jié)果標(biāo)志為1)的定位結(jié)果，如圖10所示.

圖7 單點定位水平誤差

圖8 單點定位解高度及解算衛(wèi)星數(shù)

圖9 SBAS水平誤差

圖10 SBAS定位解高度及固定解標(biāo)志

3 高精度北斗手持終端實測與分析

3.1 北斗手持終端高精度定位方案

面對“鐵路峽谷”定位場景，為了應(yīng)對遮擋嚴(yán)重、多路徑誤差大的挑戰(zhàn)，我們采用了多功能定位增強北斗手持終端進行了測試，定位模式包括GNSS、CORS和SBAS. 手持終端插入4G卡，通過賬號使用NTrip協(xié)議接入千尋CORS網(wǎng)絡(luò). 測試場景包括空曠場地、樹木、樓宇等，最后我們在成都公興站鐵路站場內(nèi)進行了實地巡檢模式下的高精度定位測試. 圖11展示了北斗高精度手持終端定位方案的架構(gòu).

圖11 北斗高精度手持終端定位方案架構(gòu)

3.2 測試過程及結(jié)果分析

為了全面測試手持終端的性能，我們設(shè)計了園區(qū)空曠道路、樹陰密集和高層樓宇間等多種復(fù)雜定位場景，定位過程中接入千尋CORS網(wǎng)絡(luò)，并通過GIS軟件記錄差分結(jié)果. 圖12和圖13 分別給出了GIS記錄的軌跡和定位結(jié)果.

圖12 GIS軌跡記錄

圖13 定位結(jié)果

手持終端使用過程的測試數(shù)據(jù)及表現(xiàn)如表3所示.

表3 多場景測試結(jié)果

3.3 成都鐵路某站場實測

如圖14～17所示，項目組攜帶高精度終端，經(jīng)過預(yù)約后至成都公興站，進行現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)存儲. 通過與站長及巡檢人員的交流，了解常規(guī)的巡檢工作模式，模擬進行如下三類測試：窄股道的定位、寬股道的定位和站臺上的空曠定位，此三類定位均進行了往復(fù)測試，以確定同樣路線時的重復(fù)精度.

圖14 正面視圖，左側(cè)為窄股道，右側(cè)為寬股道

圖15 測試軌跡全貌

圖16 測試軌跡下半部分

圖17 站臺空曠模式下的重復(fù)性

導(dǎo)出軌跡數(shù)據(jù)并使用MATLAB作圖，分析位置精度與軌跡重復(fù)性，如圖18～19所示，其中紅色為浮點解，綠色為固定解.

圖18 全程平面軌跡視圖

圖19 定位軌跡三維視圖

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計，以高程為例，精度統(tǒng)計如表4所示.

表4 鐵路站場高程精度統(tǒng)計

4 結(jié)論與展望

在站場測試過程中與巡檢人員進行了交流和確認，目前的巡檢定位系統(tǒng)較陳舊，有較強的升級需求和必要性，當(dāng)前惡劣環(huán)境下亞米級的定位精度基本滿足要求，產(chǎn)品開發(fā)時應(yīng)繼續(xù)提高定位精度和可用性，尤其要減少工作過程中衛(wèi)星失鎖重捕后再次固定解的時間，提高工作效率.

本階段對鐵路軌道峽谷模式下高精度北斗定位開展了技術(shù)分析和精度驗證，未來將切實提高終端定位性能，同時完善地圖匹配、DR推算等算法，增加圖像智能識別等增強手段，為下一步設(shè)計開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能巡檢系統(tǒng)打下了良好的基礎(chǔ).