北斗高精度定位技术的运用实践研究

胡娅莉

摘要：现代列车运行系统需要通过实时位置信息定位来实现控制可能，而我國自主研发的北斗卫星系统就能实现针对列车的高精度定位技术，加强列车运行定位结果的可靠性，为列车高速稳定运行提高安全指数。本文主要研究了基于北斗与GPS双模卫星系统的列车高精度定位方法及其相关技术理论实践过程。

关键词：北斗定位；GPS；高精度；双模卫星系统；加权完好算法

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）33-0214-02

北斗卫星导航系统是我国自主研发并独立运行的全球卫星导航系统，它目前已经基本无缝覆盖我国本土及周边地区，在水利防汛、交通运输、森林防火、军事防卫领域都有应用，具有极高的全境范围导航定位可用性。到2020年为止，我国计划建成服务范围覆盖全球的新一代北斗导航系统。

1 关于列车定位

1）列车定位概述

列车定位的精确性与安全可靠性决定了其运行控制系统的稳定，实现了列车的高速运行效率。考虑到现如今铁路环境越来越复杂，针对它的接收卫星数量呈现几何式分布且要求较高，所以应该采用北斗卫星系统配合GPS实现双模双点定位来满足列车轨道占用识别高精度需求。从技术角度讲，两大系统都属于码分多址，都能独立应用，二者相结合在定位精度与完备性方面表现更好，所以文中会给出基于两大系统的双模卫星高精度单点定位算法，增加系统接收可见卫星数量，并改善它们的几何分布。同时也要采用加权自主完好性监测功能来剔除可能存在的故障卫星，进一步提升列车定位的精度与可靠性。

2）北斗与GPS双模卫星系统的定位方式分析

目前在我国，针对列车的北斗卫星设置分布还偏少，所以在观测条件较差的环境中定位列车还存在很大局限性，因此本文选择北斗卫星配合基于原始观测数据的GPS系统，实现双模卫星高精度单点定位目的。从技术层面来看，北斗卫星与GPS观测数据系统在双模组合定位过程中会统一坐标及时间系统，同时考量两定位系统的卫星码偏差异同，所以首先要对其坐标系统实施统一校正。具体来说，一般北斗卫星所采用的都是CGCS2000坐标系，而GPS则采用的是WGS84坐标系统，将两坐标系统在原点、尺度与定向方面统一定义，并设置二者的椭球常数为[a、f、GM、ω]。在这里，扁率[f]是存在微小差异的，这种所产生的坐标差异主要是同一点在两个坐标系在参考椭球扁率差异时所形成的，它的具体转换方式如下：

以上3计算式中[df]代表扁率差值，[M]代表子午圈曲率半径，[B]代表大地纬度、[L]代表大地精度。以亚米级精度的高速列车定位应用为例，考虑到北斗卫星与GPS所定位的坐标差值较小，所以基本可以忽略不计。

其次要对时间系统进行统一校正。因为北斗时间BDT与GPS时间GPST两系统都采用了原子时，所以二者的秒长定义应该相同，但是二者的起算点应该不同。由于北斗时间系统从2006年1月1日开始起算，所以它与GPS时间的转换关系式应该为：

上述关系式中，[BDW、GPSW]分别代表了北斗周与GPS周，所以[BDT与GPST]就分别称为北斗秒和GPS秒[1]。

2 北斗高精度定位系统与GPS的双模卫星单点定位分析

2.1 双模单点定位分析

本文假设拥有[n]颗定位卫星，在不考虑多路径接收机影响背景下，同时观测多颗北斗卫星与GPS卫星，经过坐标与时间系统换算，统一坐标系统与时间系统，最终给出双模观测卫星与接收机的距离如下：

上述算式中，[ρi]表示接收机与第[i]颗卫星的实际距离，[xi，yi，zi]表示卫星的三维坐标，所以根据星历计算进一步得到接收机的三维近似坐标[x0，y0，z0]。当北斗卫星系统与GPS双模卫星在定位过程中时通常需要至少5颗卫星才能计算解析获取定位结果，所以如果卫星多于5颗时，则必须通过加权最小二乘法来计算获得最优结果，它的计算公式为：

按照双模卫星系统的定位精度与可靠性要求，针对卫星设定计算权值，满足北斗与GPS双模单点定位之于列车轨道占用识别的高精度要求。在消除误差基础上再通过载波相位平滑伪距方法来提高列车伪距观测精度[2]。

2.2 基于北斗与GPS双模卫星的加权完好性算法分析

1）列车的定位系统完好性基本要求分析

所谓列车定位系统完好性就是指在给定时间与条件范围内所实现的有关安全功能概率。对列车组合定位的安全完好性而言，它就是为了确保列车系统不会出现任何危险，或将危险所导致误差范围控制在列车运行的可承受范围之内。所以要采用安全完好性监测算法来估计和定位误差，降低风险发生率。就安全完好性监测算法内容看，它主要将定位误差与已知安全极限值进行对比，并在比较后给出定位结果安全完好性水平。它所反映的完好性安全水平主要体现在3个关键指标上：水平保护距离、危险率以及报警时间延迟。水平保护距离主要是在定位过程中所允许的最大定位误差，它能够从定位空间角度来反映系统运行过程中的实际安全状况；危险率主要考察围绕定位结果所造成的非常安全危险概率。它能从概率角度来表述系统的可靠性；报警时间延迟主要针对定位误差，当误差超过报警门限时，报警信息输出所允许的最大延迟时间就能体现出来，从时间尺度上反映系统对于安全完好性的体现程度。我国北斗卫星列车定位目前主要根据欧洲所规划的GALILEO列车控制系统来实现对安全应用领域的指标测算及规范，但在实际的参数指标体现方面略有不同。下表1给出我国的铁路线路安全性指标数据，如表1。

在上表1中，各个密度与站内对水平精度及水平报警的距离各不相同，所以基于不同的铁路线路定位指标要求，应该选取相应的定位精度系统可用性指标，比如本文所提到的北斗卫星列车定位完好性监测就可以基于这一性能数据指标来完成列车现场定位测试[3]。

2）双模卫星定位完好性监测算法解析

由于北斗卫星系统及GPS系统的卫星会受到卫星轨道、多路径、星历等诸多因素误差影响，所以必须对定位过程中卫星所涉及的数据质量进行RAIM自主完好性监测，尽可能排除与结算所存在的故障卫星，确保北斗多模组合定位结果真实有效和安全可靠。基于上述内容，围绕北斗卫星系统与GPS所展开的双模卫星定位完好性监测算法主要要实现以下3点操作步骤。

首先要对卫星轨道径向误差保护值进行检查，以确保自主完好性监测RAIM的合理有效，同时提高定位误差检出率。这一步操作需要大量卫星，同时要求它们的空间分布DOP值越小越好，要符合径向误差保护值的基本要求，以下给出定位卫星的倾斜率Slope值：

在基于北斗卫星与GPS双模卫星定位时，如果已经观测到6颗卫星，就能进行RAIM完好性监测的有效实施，将有故障的卫星去除掉，然后再对所观测卫星对象进行重新一轮的最小二乘定位解算[4]。

3 总结

本文围绕北斗卫星与GPS双模系统的高精度单点列车定位算法，利用北斗与GPS双模伪距计算方法提高了其观测精度，基本将列车单点定位提高到亚米级定位精度。节省了对传统GNSS差分站的建设与维护成本，也增加了可观测卫星数，改善了其可观测卫星几何分布结构，RAIM自主完好性检测剔出了故障卫星，这些对提高列车高精度定位技术结果都起到了实际效用，值得进一步深入研究推广。

参考文献：

[1] 周露，刘宝忠.北斗卫星定位系统的技术特征分析与应用[J].全球定位系统，2004，29（4）：12-16.

[2] 戴连君.基于北斗卫星系统的列车定位方法研究[D].北京交通大学，2013.87-94.

[3] 雍雯.北斗高精度定位模糊度解算方法研究[D].东南大学，2014.23-30.

[4] 邱望智.基于GPS/北斗卫星的列车导航定位研究[D].北京交通大学，2014.46-51.