北斗系统在智慧城轨中的应用与展望

蔺陆洲，李宇杰，邓平科，李 俊，杨 军，4

（1. 全图通位置网络有限公司，北京 100176；2. 北京市地铁运营有限公司，北京 100044；3. 中国科学院微电子研究所，北京 100029；4. 中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

1 引言

时间与空间是国家的重要战略资源，时间与位置信息已成为以万物互联、人工智能和大数据应用为特征的智慧城轨建设的核心和基础。

据统计，人们80%以上的时间在建筑物、移动载具、地下等非暴露空间中度过[1]。城市轨道交通（以下简称“城轨”）作为非暴露空间的典型场景，是城市的动脉和最核心的公共区域，也是“新基建”的重点建设领域。长期以来，非暴露空间中的定位、导航、授时和通信一直是世界性的技术难题，也是制约智慧城轨发展的瓶颈。北斗卫星导航系统（以下简称“北斗系统”）作为提供时间和空间信息的全球系统，是由我国自主建设运行的重要空间基础设施，目前已经完成系统建设，正在各行业开展应用推广。通过应用北斗系统，建设以其为基础的高精度定位网、高精度时间同步网、高通量通信网和空间数字化平台，可以对智慧城轨的建设起到基础性的支撑作用。由于北斗系统的应用具有基础性、创新性、渗透性和带动性，因此其可对城轨的发展形态、发展理念、发展模式和运营模式产生重大影响，从而促进“北斗+城轨”运营管理新模式的形成，满足乘客、企业和政府等多元主体的各类需求，建成更加安全可靠、便捷舒适、经济高效、绿色节能的智慧城轨系统。

2 北斗系统的建设与发展

2.1 北斗系统的建设成就

卫星导航系统为用户提供的时间与空间信息是所有信息系统运行的基础。北斗系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，能够为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。北斗系统按照“先区域、后全球，先有源、后无源”的建设思路，实施了“三步走”战略：①2000年底，建成北斗一号系统，采用有源定位体制，向中国国内用户提供定位、测速、授时、广域差分和短报文通信服务；②2012年底，建成北斗二号系统，增加无源定位体制，向亚太地区用户提供服务；③2020年，建成北斗三号系统，向全球提供基本导航、星基增强、短报文通信、国际搜救、精密定位五大服务。在系统建设过程中，卫星定轨组网、星载原子钟、激光星间链路、新型信号体制等100余项关键技术陆续被突破[2]。北斗系统是我国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、服务性能要求最高、与百姓生活关联最紧密的巨型复杂航天系统，也是我国第一个面向全球提供公共服务的重大空间基础设施。它使国家掌握了自主可控的时间与空间基准，并极大地提升了国家的科技水平。

2.2 北斗系统的应用发展

目前，北斗系统在国防安全、交通运输、海洋渔业、气象水文、电力调度和救灾减灾等领域得到广泛应用，产生了显著的社会效益和经济效益；尤其在交通运输方面，已大量应用于车辆定位、运输过程监控管理和基础设施安全监控等领域。

在此基础上，北斗系统应用还有进一步扩展的空间。例如，从应用的空间环境上看，在能够直接接收卫星导航系统信号的室外暴露空间环境（以下简称“暴露空间”）中，用户可以直接利用北斗系统提供的时空信息；然而，在不能接收卫星导航系统信号的非暴露空间环境（以下简称“非暴露空间”）中，如地铁、地下停车场、商业综合体中及高架桥下等区域，受到建筑物遮挡和多径效应的影响，卫星定位精度急剧降低，无法满足非暴露空间位置服务的需要。由于人们80%的时间处于建筑物、移动载具等非暴露空间中，因此，解决非暴露空间中的导航定位问题是北斗系统应用发展的重要方向。目前，国家正在建设以北斗系统为基础的综合定位、导航与授时（Positioning, Navigation and Timing，PNT）体系，该体系可利用基于不同原理的多种PNT信息源，经过云平台控制、多传感器高度集成和多源数据融合，生成时空基准统一且具有抗干扰、防欺骗、稳健、可用、连续、可靠等优点的PNT服务信息[3]，实现对室内、水下、深空等领域的覆盖。

2.3 北斗系统与智慧城轨的融合发展

近年来，随着建设速度的加快及运营里程的持续增长，城轨面临着网络化运营、降本增效、快捷服务、低碳环保、可持续发展等一系列的挑战，智慧城轨的概念由此产生。交通的实质就是提供位移，即根据需要通过运输工具实现人员和物资的位置移动。作为一种公共交通系统，智慧城轨发展的核心目标是在保障安全的前提下实现最低成本、最大范围覆盖的位置移动，其手段是在信息技术的支持下实现城轨服务过程中所有环节的智能化，即“位移+”[4]，因此需要充分利用先进的信息通信、人工智能、物联网、大数据、机器人等技术，以自主感知、自主学习、自主决策和自主控制为核心处理流程，在对设备设施进行优化管控的基础上，为乘客提供高效精准、个性化的位移服务，从而建设更加安全、高效、舒适、绿色的新一代城轨系统[5]。时间和空间位置信息是实现智慧城轨系统自主运行、精准管理和全时程个性化服务的基础，因此智慧城轨的建设需要与提供时空信息的北斗系统实现融合发展。

城轨的未来发展趋势是以“位移+”的方式推动安全、便捷、经济、高效、绿色的智能运输[6]；而北斗系统的发展趋势是以“+北斗”（即以北斗技术为赋能手段，以时空信息为应用方式，与其他产业原有技术、原有业务相结合或替代传统应用方案）的方式赋能轨道交通行业，以促进其转型升级。“位移+北斗”作为北斗系统与智慧城轨融合发展的核心理念，将进一步丰富城轨与北斗系统的技术应用与产业生态体系，促进两者全面发展，从而推进国家战略的实施（图1）。

3 智慧城轨对北斗系统的需求

3.1 时空基准

智慧城轨作为典型的复杂信息物理系统，涉及列车自动控制（ATC）、自动售检票（AFC）、供电系统管理自动化（SCADA）、环境监控（BAS）、火灾报警（FAS）等种类繁多的信息系统。为实现其自主运行，必须集成这些复杂的信息系统，进行海量时间、空间信息的感知、处理、决策和控制[7]，因此更加需要建立统一的时空基准，以避免发生时空信息冲突的风险，危及城轨的安全运营。应用北斗系统，利用其提供定位导航服务的CGCS2000坐标系（我国目前最新的国家大地坐标系），城轨系统可以获取统一的、自主可控的时空基准[8]。

此外，城轨所处的空间环境非常复杂，暴露空间和非暴露空间并存，单纯依靠卫星导航系统不能满足当前的应用需求。通过将北斗系统的绝对时空基准引入城轨非暴露空间内并进行动态维持，一方面可以实现非暴露空间相对位置与暴露空间绝对位置的统一，并以绝对坐标系的方式对城轨内非暴露空间的位置进行展示和应用；另一方面能够统一时间，实现非暴露空间内的时间同步。

3.2 空间数字化

图1 北斗系统与智慧地铁的融合发展

由于城轨的空间环境复杂，因此掌握丰富、准确的地理信息是智慧城轨建设和运营的基础。空间数字化，即构建数字化的地理信息空间数据框架（Digital Geospatial Data Framework，DSDF），是测绘技术、地理信息技术及其他现代信息技术发展融合的产物。随着技术手段的进步，测绘技术正在向信息采集、数据处理和成果应用的三维数字化、网络化、实时化、可视化方向发展，出现了以三维实景建模为核心的空间数字化应用需求[9]。在智慧城轨建设中，需要基于北斗系统的时空基准，利用架站式、推扫式、背包式、手持式等测绘工具和地理信息数据采集设备，对城轨地下和地上空间的机房、站厅、区间、车辆段、仓库等场所，围绕空间结构、设备设施、耗材物品等要素，进行三维激光点云数据的采集，并辅以现场摄影和纹理等数据信息，创建一套全要素的精细实景三维模型，以实现城轨的空间数字化。利用上述数据，相关工作人员可以生成高精度地图，梳理空间资源，掌握城轨的空间结构及设施设备情况，为智慧城轨的规划、建设、改造和维护提供精确、全面的地理信息，为空间的利用和精细化管理提供重要的基础资料和技术支撑。空间数字化作为北斗技术在时空体系下的新场景应用，为智慧城轨的发展注入了新的活力。

3.3 高精度定位与授时

高精度的空间与时间信息是建设智慧城轨的基础。交通数据是典型的时空数据，不仅具有时间维度属性，还对空间结构有着较强的依赖性[10]。随着不同轨道交通信息系统之间的融合发展，对定位精度和时间同步精度的要求不断提高。而目前，北斗系统无法直接满足智慧城轨对于高精度定位与授时的要求，其原因如下。

（1）接受卫星信号困难。城轨非暴露空间内，由于墙体（尤其是钢筋混凝土）的遮蔽，卫星定位信号穿过建筑物后会明显变弱，定位精度将大幅降低，甚至出现无法接收到信号的情况。

（2）多障碍物与多干扰源。城轨内存在立柱、电梯、扶梯、设备、屏蔽门、行人等各类障碍物，而且布局不同，加上行人和车辆时刻在移动，信号会被多次反射，这些众多的不确定性干扰使得城轨环境异常复杂。在地铁中，这种情况尤为突出，因为地铁环境相对封闭，无线电信号、声音、光线、温度等复杂环境干扰都会对定位设备传感器的精度造成不良影响。

（3）高程定位困难。在地铁环境中，不仅要考虑二维平面的位置，对于多层建筑物还要考虑地上和地下的楼层位置和高度问题[7]。

（4）应用终端研制困难。城轨需要小型化、个性化、组合化应用终端，并解决组件优化设计、材料优选、精密制造、组件深度集成、传感器实时标校、传感器输出信息自适应融合等方面的问题[11]。

研究人员应从以上4个方面出发，进行有针对性的研究，解决上述问题，从而为智慧城轨的建设和运营提供高精度的空间与时间信息，保障其顺利推进。

4 北斗系统在智慧城轨中的应用展望

4.1 时空体系网络的建设

智慧城轨必须建设一套自主可控的时空体系网络。针对北斗系统导航定位在非暴露空间无法使用、高通量通信手段缺乏、全要素地理信息缺失等问题，应综合应用“北斗+5G+空间数字化”技术，构建由高精度定位网、高精度时间同步网、高通量通信网和空间数字化平台组成的“三网一平台”时空体系网络，形成城轨时空基准信息网络，并将其作为智慧城轨建设和运营的基础设施（图2），为城轨提供统一、连续的空间与时间信息，以及定位、授时、通信服务，从而实现在非暴露空间中对北斗系统应用的补充、增强和备份，从而打破城轨暴露空间与非暴露空间之间的壁垒。

4.2 需突破的关键技术

建设智慧城轨时空体系网络，需要重点突破室内外一体化高精度连续定位、基于通用网络协议的大范围高精度时频传递、基于5G的高通量无线通信应用等关键技术。在定位方面，需要在统一的空间基准上，以超宽带（Ultra Wide Band，UWB）定位技术为主导，以多种定位技术为补充和增强，通过导航定位软件与算法的融合，实现在暴露空间和非暴露空间中的连续定位；通过国家投资建设的综合PNT体系和小型化、个性化、组合化服务终端研制的微PNT体系，提供高精度的位置服务[12]。在时间方面，需要在统一的时间基准上，以IEEE 1588V2网络测量和控制系统的精密时钟同步协议（也称为精确时间同步协议（PTP））为基础，结合同步以太网（Synchronous Ethernet，SyncE）技术和白兔（White Rabbit，WR）时间同步方法，实现城际范围内整个网络节点的动态时间同步，以提供高精度的授时服务。在通信方面，需要开展城轨室内分布系统与面向地铁业务的时间切片算法的开发，以实现高通量通信的应用。除此之外，随着系统建设的开展，还必须突破北斗系统在智慧城轨中应用的一系列关键技术。

4.3 应用服务

应用是北斗系统与智慧城轨融合发展的出发点和落脚点。北斗系统将在智能运行、智能维修、智能客服等方面赋予城轨新的能力和手段，为城轨业务提供有效支撑，协助构建管理精细、运行高效、效益最大化的智慧城轨系统。

（1）在智能运行方面，通过北斗系统，可获取站务、管理及施工人员的实时高精度位置信息，在此基础上可通过构建电子围栏、电子点名签到、绩效考核分析等方式，对城轨工作人员进行精准管理；列车定位是城轨列车安全和高效运行的保障，利用北斗系统可使列车定位精度更高，冗余更充分，自主化更强，集成更深，联动更高效[13]。

（2）在智能维修方面，城轨的设施设备错综复杂、自动化程度高、资产规模庞大，其维保和管理直接关系到城轨运行的安全可靠程度[14]。通过北斗系统获取设施设备的准确位置，可在资产管理系统中实现对资产设备基于精准位置的自动盘点，打造状态监测、故障诊断、风险预警、维修评价和资产管理的闭环链条。

（3）在智能客服方面，利用北斗系统，乘客可对城轨站内外的自助售票机、自助售货机、洗手间等服务设施进行快速查找和路径规划；还可以基于多维、多层次的数字地图，实现自助导航、智能移动终端与机器人引导服务等功能[15]，从而能够以乘客出行需求为核心，为乘客提供全时程、个性化的出行服务。

图2 智慧城轨时空体系网络的建设

5 结语

时间与空间信息已经成为现代生产与生活中的基础信息。卫星导航定位系统的发展彻底改变了人们的生活方式，也改变了社会和企业的管理模式。随着北斗系统的建成与应用推广，我国智慧城轨的建设与发展对时空基准、空间数字化、高精度定位与授时提出了更高的要求。未来，北斗系统与智慧城轨具有广阔的融合空间和潜力，其核心是根据城轨应用场景定义其PNT体系，突破关键技术，建设“三网一平台”时空体系网络。北斗系统的应用推广将为城轨的智慧化转型创造最优的基础条件。