高速铁路北斗地基增强系统试验网建设

袁宝文

高速铁路列车运行速度快，行车密度大，客运量大，对路基、桥梁、隧道、钢轨等基础设施的平顺性和稳定性，以及列车位置、速度的精确测定提出了更高的要求，对人员、铁路资产等的定位精度要求也在不断提高。而卫星定位接收机单点定位精度低、数据输出频率低，已经不能满足高速铁路对安全监测水平和运营管理效率方面的要求，只有通过地基增强系统和高精度卫星接收机的结合应用，才能实现高精度定位。

1 地基增强系统与技术

地基增强系统 （GBAS）是将卫星定位、计算机网络、数字通信等技术多方位结合，采用多基站网络 （RTK）建立的连续运行卫星定位服务综合系统 （CORS），是目前地基增强系统的主要发展方向之一。

RTK技术是建立在实时处理2个测站的载波相位观测基础上，用户站通过数据链路，实时接收导航卫星信号和基准站传输的载波相位观测数据，并组成相位差分观测值，根据相对定位原理，实时计算整周模糊度未知数，并得到用户站的三维坐标，其精度通常可以达到厘米级。在网络RTK技术中，区域型的网络误差模型取代线性衰减的单点误差模型，通过多个基准站组成的CORS网络，建立该区域的定位误差模型。整个CORS系统中，数据处理中心及平台软件处于核心地位，CORS利用特定的算法，对基准站网的数据进行实时处理，得出精确的差分改正数据，使用户得到更精确的定位数据。

自2012年底北斗卫星导航系统正式提供服务以来，我国陆续开始北斗CORS系统的建设。对各地原有GPS CORS进行升级、改造，实现对北斗的兼容支持，多个区域性北斗CORS系统已经建立，以满足域内用户的高精度需求。国家测绘地理信息局与中国兵器工业集团公司合作进行位置服务网建设，整合国家GNSS资源，率先建成覆盖我国陆地和领海的全国性北斗地基增强系统。

考虑到铁路行业尤其是高速铁路的特点，需要建设高速铁路北斗地基增强系统 （CORS）试验网，为高速铁路沿线各部门、各工种提供统一的高精度定位服务，来满足高速铁路高精度定位应用需求。

2 高速铁路北斗地基增强系统组成

高速铁路北斗地基增强系统，由连续运行基准站网、系统控制与数据中心、铁路专用数据通信网络 （有线、无线）以及用户终端 （应用）子系统等组成 （见图1）。

图1 高速铁路北斗地基增强系统结构

1．连续运行基准站子系统。对卫星信号进行捕获、跟踪、采集与传输，监测设备完好性。通常设置在高速铁路沿线较开阔区域。

2．系统控制与数据中心。数据分流与处理、系统管理与维护、服务生成与用户管理，以及管理各播发站、差分信息编码、形成差分信息队列，通常设置在铁路总公司或者各铁路局。

3．铁路专用数据通信网络。把基准站观测数据传输至数据中心，把系统差分改正数据传输至用户。采用铁路沿线光纤网络和专用无线通信系统（LTE－R、GSM－R、450MHz、800MHz等），根据现场条件，利用公网可靠资源。

4．用户终端 （应用）子系统。按照用户需求进行不同精度定位。

3 试验网建设

根据CH／T2008－2005《全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范》和GB／T 28588－2012《全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》的技术要求，进行试验网的选址与建设。基准站站址一般要求如下。

1．站址应选在基础坚实稳定，易于长期保存，并有利于安全作业的地方，年平均下沉和位移小于3mm。站址应避开地质构造不稳定区域，如：断层破碎带，易于发生滑坡、沉陷等局部变形的地点（如采矿区、油气开采区、地下水漏斗沉降区等），以及地下水位变化较大的地方。

2．站址应远离大功率无线电发射源 （如电视台、电台、微波站、变电所等）、高压输电线、微波通道等。而且站址附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体，如大型建筑物、玻璃幕墙及大面积水域等。

3．站址视场内高度角大于10°的障碍物遮挡角累积不应超过30°。屋顶观测墩应选在坚固稳定的建筑物上，建筑物高度不宜超过30m。

4．站址应可方便获取可靠电力供应，并应方便接入专用通信网络或公共通信网络；沿线车站和通信机房就成为优先考虑对象。

高速铁路与普通铁路主要区别在高速铁路对线路平直、沉降要求更高，所以尽量采用高架桥方式。只有在地质条件相当好的情况下，才用土质路基，由于沿线多数的通信机房位于高架底下或者紧挨高架，因此限制了高铁沿线基准站站址的选择。

对某高速铁路沿线进行踏勘，沿线仅有一处土质路基区段，其余均为高架线路，试验网基准站选择了2处站址：1号站位于车站附近的通信机房边，其西南侧为高架线路，高度角约为45°，存在可能的遮挡；2号站位于低路基区段的通信机房边，周围视野开阔。

基准站主要由GNSS天线、接收机、通信设备、供电设备、同轴避雷器等组成 （见图2）。室内设备部署于沿线通信机房，主要设备都统一安装在机架上，供电采用通信机房常用的直流－48V。GNSS天线采用扼流圈天线，固定安装在室外稳定的建筑物上。试验网的数据中心与服务器部署于铁路局机房。基准站与数据中心服务器间通过铁路数据传输网连接。

图2 地基增强基准站示意图

基准站建成后，对卫星进行观测 （见图3）。通过星空图可以看出，1号站的收星数一般在17～20颗，西南侧高架以及周边的树木造成了一定遮挡，导致有4～5颗星的信号接收不到；而2号站视野开阔，收星数一般在22～25颗，且接收信号良好，基本满足CORS服务的要求。1号站的指标虽然未能严格达标，考虑到用户终端一般位于开阔区域，收星较多，也能满足试验测试需求，现场如具备条件应迁建更优站址。

试验网基准站建成后开始采集卫星观测数据，同时收集位于试验网基准站附近的当地CORS系统5个连续运行参考站的数据，进行软件平差计算，在CGCS2000国家大地坐标系下，约束这5个连续运行参考站，做三维约束平差，求出1号站、2号站毫米级精确坐标，平差各项指标符合限差要求。对CORS平台软件进行相关参数及用户信息配置，即对外发布试验用CORS服务，协议遵从RTCM国际规范。该CORS服务同时支持北斗、GPS和Glonass三大卫星导航定位系统。

用不同厂家的高精度接收机在CORS试验网覆盖范围内连接CORS试验服务，均实现快速固定解算，静态精度达到厘米级，符合预期，实现高速铁路北斗地基增强系统试验网预期建设目标。

图3 基准站实测星空图 （左侧为1号站，右侧为2号站）

4 思考与建议

我国的卫星导航地基增强系统，特别是北斗地基增强系统发展尚处于初级阶段，铁路北斗地基增强系统将是国家北斗地基增强系统的重要组成部分。开展高速铁路北斗地基增强系统试验网建设研究，将对铁路北斗地基增强系统，乃至国家北斗地基增强系统的规划设计、建设模式、规范、标准以及行业高精度应用产生参考促进作用。北斗地基增强系统的规划建设应有顶层设计、有统有分，注重数据共享、资源利用的最大化以及国产化软硬件的兼容与标准化。

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