一种高可靠性精确定位系统在铁路站场的应用

邢金龙

（河南思维轨道交通技术研究院有限公司，河南 郑州 450000）

1 引言

根据中国铁路发展规划，建立智能化、网络化的铁路调度通信系统，逐步建成新一代调度集中控制系统，是推进技术装备和通信信号技术现代化的必由之路。作为铁路行业的重要节点，铁路站场在调车、列检作业过程中，作业现场点多面广，安全管控难度增加。要实现有效、准确地获取人员、设备的位置信息，及时发现异常状况，并实施自动化监管设施联合动作，提高应急响应速度和事件的处置速度，要求必须能够高可靠、高精度实时对现场的工作人员、设备进行准确定位。针对铁路安全管理业务应用要求，研究适用于列车站场的定位系统，是当前建设智能铁路的重要子课题。

为了在铁路站场得到可靠的高定位精度，本文采用差分GNSS技术：将一台GNSS接收机安置在固定位置进行观测，把该接收机当做基准站，根据已知精确坐标，计算出基准站到卫星的距离误差参数，即差分改正数。由基准站通过数据传输通道，将这一数据发送给其他移动接收机。接收到差分改正数据的移动接收机在进行卫星观测的同时，对其定位结果进行改正，这样可大大提高定位精度。

鉴于此，需要一个可靠的数据传输通道将基准站得出的差分改正数据传输到移动接收机，考虑到铁路站场的环境，应当采用无线局域网络。而当前市场上常见的无线数据传输网络像蓝牙、无线保真（Wi-Fi, Wireless Fidelity）、超宽带（UWB, Ultra WideBand）、紫蜂（ZigBee）等在组网和覆盖范围上都不能满足要求，本文将采用LoRa无线数据传输技术。

图1 高可靠性精确定位系统架构

2 系统设计

本文提供的高可靠性精确定位系统由移动终端、基准站、网关、服务器4个部分组成。移动终端包含GNSS移动信号接收机和LoRa无线数据传输模块两部分。移动终端与网关通过LoRa无线数据传输模块进行无线数据传输。网关和基准站、网关和服务器通过通用总线接口连接。移动终端的LoRa无线数据传输模块和网关之间组成星型网络，作为GNSS差分改正数据在移动终端和基准站之间传输的通道。高可靠性精确定位系统架构如图1所示：

3 GNSS定位模块

（1）GNSS差分定位系统

GNSS差分定位系统如图2所示，包括卫星、移动终端及基准站等。

图2 GNSS差分定位系统图

（2）GNSS差分数学模型

设测得的基准站R至第j颗GNSS卫星的伪距为：

根据基准站的已知坐标和GNSS卫星星历，可以精确算得真实距离：

式(2)中(Xr, Yr, Zr)是基准站R的三维己知坐标，(Xj,Yj, Zj)是第j颗卫星在发射信号时刻的三维坐标。而伪距是基准站接收机测得的，则伪距改正值为：

在基准接收机进行伪距测量的同时，流动站接收机K也对第j颗卫星进行了伪距测量，流动站接收机所测得的伪距为：

将基准站所测得的伪距改正值带入(4)式，即(3)、(4)两式相加得：

当流动站接收机和基准接收机相距不远时，可以认为：

式(6)中共有4个未知数，它们分别是流动站K的三维坐标(Xk, Yk, Zk)和GNSS接收机钟差引起的改正项Δσr。如果基准站和流动站某历元共有4颗以上卫星，就可根据(6)式建立误差方程式：

然后按最小二乘法求解流动站该历元的三维坐标：

由于系统对用户接收机的数据刷新频率低于用户接收机实际的数据刷新频率，故采取了算术平均值法来提高静态定位的精度。

算术平均值原理：若对某个量X进行n次等精度重复测量（各次测量标准差相同），得到n个测量数据(x1, x2, …, xn)，则被测量X的最佳估计量应为全部测量数据的平均值：

即采用外部数据的处理方法来提高火车站场中静态物品的定位精度。GNSS接收机在定位时，每秒钟输出一次定位数据，因此在连续观测测量时，可以获取多个GNSS数据，数据后处理正是基于多个观测数据，采用数学方法进行处理，从而提高GNSS的定位精度。

研究中的GNSS移动接收机和基准站使用U-blox公司的NEO-M8P-2定位芯片，该芯片采用的是实时动态（RTK, Real Time Kinematic）载波相位差分技术，具有高精度（最高可以达到25 mm CEP）以及高灵敏度（热定位情况下可达到-157 dBm）的特点。芯片支持RTCM3.2协议标准，以该标准作为基准站接收到卫星数据后产生的差分改正数传输给用户接收机的通信数据格式。芯片供电采用VCC 3.3 V，由电池或者USB 5 V电压经过LDO后提供，支持UART、USB、SPI等多种总线接口输出。定位芯片原理框图如图3所示。

该定位芯片支持GPS、北斗以及全球导航卫星系统（GlONASS, Global Navigation Satellite System）中的任意两模，程序可配置。双模系统的定位算法采取最小二乘法，兼容了GPS、BD和GLONASS，在选星算法和解算上，优于单模定位方法，可提高定位精度和可靠性。

4 LoRa数据传输网络

GNSS差分定位系统中的无线数据传输网络采用LoRa技术，LoRa是低功耗广域物联网（LPWAN, Low Power Wide Area Net）中发展较快，相对比较成熟的技术。LoRa使用线性调频扩频调制技术，所以既有像频移键控（FSK, Frequency-Shift Keying）调制一样的低功耗特性，通信距离也没有减少太多，因此具备低功耗和长距离的优势。同时，在此基础上组成的无线通信网络之间，信号安全得到加强，而且由于使用了扩频技术，不同的扩频终端即使使用相同的通信频段，也不会相互干扰。因此LoRa网关可以并行接收多个终端节点的数据，大大增加了通道容量，适用于有大量终端节点的网络。

LoRa的主要运行频段为非授权频段，包括433 MHz、470 MHz、868 MHz、915 MHz等免费频段。LoRa网络架构采用星型拓扑的结构，架构中的LoRa网关是一个透明的中继，负责连接前端终端设备和后端服务器。网关与服务器之间可以通过通用标准接口连接（包括网络协议（IP, Internet Protocol）、RS485等）。终端设备采用单跳方式与网关进行双向通信。GNSS基准站接收机得到伪距数据，通过公式(3)，可计算得出差分改正数，该差分改正数通过串口通信传递给LoRa网关，而LoRa网关向其他的移动终端广播发送差分改正数。

GNSS移动站的LoRa模块收到差分改正数以后，把数据通过串口通信传递给GNSS移动接收机，GNSS通过第3章节的差分算法公式，计算得出移动接收机的定位坐标。LoRa组网示意图如图4所示。

针对铁路站场环境，采用LoRa无线数据传输技术可以在移动终端无法获取卫星定位数据时，对系统进行纠正，即当移动终端中的GNSS模块未收到卫星定位数据时，可通过LoRa无线传输网络，向终端服务器提示定位失败，提高了定位系统的可靠性。

图3 定位芯片原理框图

图4 LoRa组网示意图

5 结束语

提出了一种适用于铁路站场，基于LoRa无线通信协议的GNSS差分定位系统设计方案。该方案将GNSS差分定位系统和LoRa无线组网相结合，通过LoRa无线数据传输网络，实现对GNSS差分数据的可靠传输，LoRa为GNSS差分定位技术在铁路站场复杂环境下的应用提供了数据传输通道。同时，针对铁路站场的实际应用场景，对GNSS数据进行数学处理，对无法接收GNSS卫星数据的情况作了特殊应对，从而提高定位的可靠性，进而提高了物品的管理效率和应急事件的响应速度。

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