基于北斗卫星的铁路地基增强系统应用研究

邓烨飞

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

铁路具有运行速度快，行车密度大、客运量大等特点，是国家重要的基础设施和国民经济的大动脉。随着铁路的快速发展，对定位精度也提出了更高要求。北斗卫星导航系统是我国自主研制、独立运行的全球卫星导航系统。推进北斗卫星导航系统在铁路的应用，充分发挥其在定位、通信、高精度测量等方面的技术优势，满足铁路需求，服务社会大众，符合国家发展战略和安全要求。

2 北斗地基增强系统技术研究

在交通领域，全球卫星导航系统（G l o b a l Navigation Satellite System，GNSS）以其得天独厚的优势发挥了重要作用。随着北斗卫星、G P S、G L O N A S S、伽利略等卫星导航系统的不断成熟及功能完善，定位精度不断提高，其实时连续的定位导航服务能够及时准确地提供定位、速度等信息，辅助实现了运输的管理与调控，在保障安全的同时提高运输效率。

北斗、GPS、GALILEO 及GLONASS 4 大系统的参数和性能比较如表1 所示。

表1 北斗、GPS、GALILEO、GLONASS系统参数和性能比较Tab.1 Comparison of Beidou, GPS, GALILEO and GLONASS system parameters and performance

北斗卫星导航系统作为国家重要空间基础设施，具备高精度动态时空基准，同时具备导航定位与通信功能，大范围数据采集和监控管理。空间段采用3 种轨道卫星组成的混合星座，在中国区域有着更高的可用性。

为避免多径反射误差，时钟误差、大气层延迟和仪器延迟等导致的卫星信号恶化，目前多采用GNSS 辅助CORS 应用方式。北斗地基增强系统，也称为连续运行基准参考站网络系统(Continuous Operational Reference System，CORS)，是北斗卫星导航系统实现高精度定位的主要技术之一。将卫星定位、计算机网络、数字通信等技术多方位结合，在一定范围内建立若干个连续运行卫星定位服务参考站，为北斗用户提供更高精度的静态、动态空间位置服务，最高精度可达毫米级。

地基增强系统由基准站、数据处理中心、通信网络、数据播发、用户终端等组成。基准站单向获取北斗数据，并将原始观测数据回传至数据处理中心；列车和人员等用户终端的粗略位置回传给数据中心进行分析；数据经过中心处理后，将差分报文通过公共/专用通信网络播发给列车和人员使用；最后，用户通过修正后的数据再得到精准定位。其工作原理如图1 所示。

图1 CORS工作原理Fig.1 CORS working principle

3 北斗地基增强系统在铁路的应用可行性

铁路由于其自身的时空特质，具有以下特点。

1）安全可靠性要求

铁路使用安全完整度等级（Safety Integration Lev el）来定义功能安全性，可分为SIL0 ～4 级，而定位功能作为核心安全功能，其等级为最高的SIL4 级。

2）不同应用场景的定位精度需求

铁路不同应用场景的定位精度需求如表2 所示。

表2 铁路不同应用场景的定位精度需求Tab.2 Positioning accuracy requirements of different railway application scenarios

3）环境特殊性

铁路线路是“一维性”，列车的位置使用公里标确定；沿线有较多的隧道、雨棚等信号遮挡区域，需要解决卫星信号遮挡的问题。

北斗卫星导航系统是我国重要的空间战略设施及信息基础，其自主可控、安全可靠、高精度的特点非常适合铁路系统，满足不同S I L 等级安全功能需求，同时，对于促进铁路技术进步、增强铁路运输的战略安全性，具有十分重要的意义。

通过北斗地基增强系统及其他定位手段的融合，可实现对铁路沿线的全覆盖，定位精度包括实时米级、亚米级，厘米级甚至事后处理毫米级精度，为铁路的不同应用场景提供了安全性、完整性的定位精度。

近年来，北斗地基增强系统的应用试验在我国铁路陆续展开。青藏线(玉珠峰站一甘隆站段)试验段基于北斗地基增强系统进行了轨道线路动态试验，试验中对比北斗单点定位和采用差分技术后定位效果，采用差分技术后的定位效果明显更加与电子地图相匹配。京沈高速铁路在朝阳、北票、乌兰木图、阜新四个车站，以及朝阳至北票区间东梁隧道附近建立了350 k m/h 高速条件下的试验段，基于北斗地基增强系统进行了全域系统增强试验及列控系统列车定位技术试验，验证了地基增强系统对提高定位精度的效果。在无遮挡区域的定位精度由10 m 级提高到了亚米级，车站覆盖信号增强，信号可靠性提高。

综上所述，北斗地基增强系统在铁路的应用具有可行性。

4 铁路北斗地基增强系统的建设方案

铁路行业在依托国家地基增强系统框架网及省市加密网实现资源共享的基础上，可根据应用需求布设铁路差分基准站，组建覆盖全路的北斗地基增强系统。结合以上试验段的实施方案，铁路北斗地基增强系统的网络结构如图2 所示。系统组成包括以下部分。

1）基准站系统

由卫星天线、卫星接收机、避雷设备、电源、网络设备等构成，主要工作内容是完成卫星观测数据的采集、传递及系统监测。

基准站一般有两种工作模式，一种是单C O R S，即单个基准站为所覆盖范围内的移动站提供广播差分信息；另一种是网络C O R S，即多个基准站组成站网，由数据中心控制，同时运行。基准站可分布建设，逐步深入。首先在铁路大型露天车站单独建设，满足各站场的高精度定位需求；后续逐步扩展成系统容错性强的网络，为联网范围内所有用户提供基准站网内误差均匀的差分服务，满足整个铁路网的高精度定位需求。根据铁路北斗地基增强系统服务精度要求，每两个基准站之间相隔约30 ～50 km。

2）数据处理及控制系统

由网络通信设备、高性能服务器、安全防护设备、电源保障设备等构成，是C O R S 系统的关键部分。其通过地面基准站来接收卫星原始观测数据，并对这些有效数据信息进行误差分析与修正，从而生产出各级差分数据产品，最后再通过平台进行数据发布。具备数据处理交换、系统运行监控、安全管理等重要功能。

数据处理及控制中心的建设可考虑在各路局中心设置，为多条线路提供基准站接入。中心采用多台服务器的分布式双机热冗余备份方案，备份服务器与主服务器保持一致，并可以自由切换。建设时可循序渐进，近期具备单站差分计算（包括常规R T K 和单站伪距差分）能力，远期具备网络差分计算（包括网络R T K 和网络伪距差分）能力。

3）通信网络系统

是实现基准站与数据处理及控制中心、数据处理及控制中心与用户之间数据交换和信息发布的链路，完成基准站、数据处理及控制中心级及终端用户三者间的信息交流，并且通信网络系统能有效加快系统数据交流速度。

依照数据中心的最低接入带宽的计算公式：64 k b i t/s×基准站数量，单线路接入总带宽为N×2 M 等级需求。基准站到数据中心的通信延迟应小于500 m s，数据处理与控制中心到用户应用系统的通信延迟小于1 s。目前在铁路营业线上，基本实现了光纤覆盖。在所有光纤覆盖区段均建设了接入层M S T P 传输系统，各基准站与数据中心的通信可基于铁路既有传输资源，满足以上带宽及时延需求。

提供实时定位服务的基准站网用户至应用中心网络最低接入带宽按下式计算：16 k bit/s×终端用户数量，用户终端到用户应用子系统的数据延迟小于1 s。数据中心与用户的广播发布系统可以使用GSM-R/LTE-R 专用无线通信系统。

4）数据播发系统

接收数据处理及控制中心生成的导航信号修正量和辅助定位信号，将产生的后处理数据产品等信息实时播发至最终用户。通过软件实现，利用系统界面与用户进行人机交互。

在北斗地基增强系统的建设及应用中，还有一些方面需要深入研究。

a.制定相关的技术要求或指标以规范接收机接口和人机交互方式，提高设备的互通性和可操作性。

b.信息融合技术的应用研究，采用合理的信息融合算法将高精度北斗卫星导航接收终端及多传感器的监控数据与铁路基础特征数据进行融合，完成综合调度管理所需的决策数据储备。

c.北斗卫星结合地基增强系统实现高精度定位、授时及短报文通信，为铁路物联网的应用研究提供重要的支撑，为新一代智慧铁路提供技术支持。

5 结论

综上所述，北斗地基增强系统源于北斗卫星导航系统，是北斗卫星导航高精度应用的主要解决方案。目前，铁路行业应用北斗地基增强系统仍处于起步阶段，探讨铁路的北斗地基增强系统建设具有重要意义。通过建设铁路北斗地基增强网络，提供实时米级、亚米级、厘米级及事后毫米级精密定位产品及相关服务，覆盖各专业高精度低精度应用需求。有效地提高工作效率，符合我国铁路发展方向与国家战略需求。