新建铁路带状BDSCORS基准站选址关键技术探讨

许双安 武瑞宏 王建红 朱郭勤

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043；2.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院) 陕西西安 710043)

1 引言

铁路沿线带状稀疏分布的BDSCORS构成的高精度位置服务平台是面向铁路工程多种业务应用搭建的北斗综合时空服务应用平台，基于资源集约利用和永临结合的主体原则，为铁路勘察设计、施工建造到运营维护提供全生命周期的北斗时空一体化信息服务[1]，为铁路的信息化与智能化提供支持。高精度位置服务平台由基准站、通信网络、数据处理及服务发布构成。BDS高精度服务网基准站由临时性单点基准站和永久性的沿线基准站组成。考虑铁路建设工况复杂、建设周期较长，为确保BDS CORS基准站的空间可用性、实时定位精度及建造维护成本，需要对基准站的选址进行专题研究。国内外大量CORS实践证明，影响系统整体性能的重要环节之一就是站址的观测环境[2]。铁路沿线的地形地质条件、CORS站功能定位、配套基础设施水平与传统城市CORS站点建设差异较大，建站选址方法不能原样照搬。本文以川藏铁路林芝到波密段沿线BDSCORS精密定位服务系统建设工程为例，总结了新建铁路BDS CORS基准站的选址技术。

2 基准站选址原则

铁路BDSCORS是在铁路沿线带状均匀布设多个(3个或3个以上)永久性连续运行基准站，对铁路沿线地区构成网状覆盖，并利用互联网作为通信链路，把基准站实时观测值发送到数据处理中心。通过联测IGS站或国家高等级连续运行参考站点，获取各基准站精确坐标。在数据处理中心对CORS网络覆盖范围内的电离层、对流层、轨道误差等进行计算，并实时生成流动站位置的改正项信息[3]。将改正信息按RTCM差分电文进行编码，通过无线通讯链路(采用3G/4G/5G、铁路综合信息网或卫星通信)向用户实时连续发布，从而在用户端获得高精度实时定位。基准站选址应遵循先进、成熟、经济、实用、可靠的技术政策，坚持“统一规划、统一标准、统一平台”的三统一原则。基准站布设原则应满足以下要求:

(1)基准站宜沿线路走向按照20～40 km间距布设。同时兼顾长大隧道、大跨度特殊结构桥梁及重点控制性工程的精密控制测量要求[4]，优先在关键工程节点周边布设或加密基准站。相邻站点间距最大距离不应超过50 km。

(2)铁路全线需被覆盖在参考站组成的网型内部，站点分布均匀，CORS网络覆盖利于构建Delaunay三角网。考虑变形监测实际需求，距离线路直线距离不得超过5 km。

(3)站址基础坚实稳定，避开地质构造不稳定的区域。避开交通要道线路附近容易振动的区域，但维护管理能便利到达，便于接入市电、通讯线路。优先选用屋顶观测墩，尽量利用既有铁路局站房、调度所、维修设施等产权清晰且长期使用的房屋。

(4)应有10°以上地平高度角的卫星通视条件。艰险复杂山区困难环境条件下，高度角可放宽25°，遮挡物水平投影范围应低于60°。

(5)基准站禁止在军事管辖区、信号干扰区域布设。站址远离周边易于产生多路径信号源的地方，如高大建筑物金属物体反射面、树林、水域等，一般距离应不小于100 m。

(6)基准站设计为无人值守，自动连续运行，年运行可靠率95%以上。

铁路BDSCORS基准站选址工作应该按照内业图上设计→现场选点踏勘→环境测试数据采集→测试数据分析→建站协议签订五个步骤进行。勘选时，应同时按要求勘选1～2个备选站址，条件最优者，作为最终建站位置。

3 基准站点位设计

新建川藏铁路林芝站至波密段(多木格隧道出口)设计里程长度180 km，包含6座隧道和8座大桥，涉及500 km的新建施工道路和改建既有道路工程。设计的BDSCORS服务网络能覆盖铁路正线及铁路建设配套道路、电力工程，可为上述工程提供全生命周期的高精度位置服务。根据基准站选址原则及线路走向、工点设置情况进行基准站分布设计，共设计7个基准站，基准站位置及所在地分布见表1。

表1 基准站设计位置

上述7个BDS CORS基准站设计思路是:以铁路勘察设计可研初测稳定的线路方案为依据，沿线路走向按照20～30 km间距布设，兼顾长大隧道、大跨度特殊结构桥梁及重点控制性工程的精密控制测量的要求，并考虑隧道施工辅助通道位置及配套工程应用需求。

基准站网规划选址按照《全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》(GB/T 28588—2012)中对观测环境、地质环境及维护环境[5]的具体要求实施，现场踏勘必须落实各项技术细节。7个BDS CORS基准站均位于楼顶，采用屋顶观测墩，满足10°以上地平高度角的卫星通视条件，个别困难站点高度角满足25°要求。站点远离电磁干扰区及振动地带，附近无产生多路径效应的地物。

川藏铁路林芝至波密段位于青藏高原东南部，地质环境较为复杂，经长期的高原隆升演化，在内外地质动力作用下，导致建站区内复杂的地质条件总体呈现出“三高两强”的特点，高烈度地震、高地应力、高地温及强烈发育多样化地质灾害、强烈发育活动断裂。本段区域有F5米林断裂带、F4嘉黎断裂带、F6迫龙-旁兴断裂带、西兴拉断裂带。基准站选址内业设计时，在1∶10 000地质活动断层平面图上，避绕活动断裂带，尽量远离嘉黎断裂带并行。对于绕避不开的区域保证相邻站点小角度穿越断层，减小活动断层的影响。上述7个 BDS CORS基准站设置在城镇、村落居民区，城镇规划建设时排除了潜在不良地质影响，既有建筑物经过多年自然沉降已经稳定且便于长期保存。选址均具备接入公共通信网络，具有稳定、安全可靠的市电接入，汽车均能达到。

4 观测环境测试

铁路沿线带状稀分布BDSCORS是铁路勘察设计、施工建造、运营维护全生命周期的高精度时空基准基础设施，基准站需要一次建设，长期使用并持续、稳定、可靠地提供高精度位置服务。CORS基准站需满足建站地质条件稳定外，还需要在初步选定的站点上进行多种品牌型号GNSS接收机实地环境适用性测试，确保卫星观测数据质量、可用性等指标满足建站要求。环境测试所采用的设备应能接收 BDS(B1/B2/B3)、GPS(L1/L2/L5)、GLONASS(L1/L2)、GALILEO(E1/E5a/E5b)多卫星系统多频段信号。在选点位置上架设大地型扼流圈天线，天线架设的高度应与拟建观测墩的高度一致。实地进行观测，设置卫星高度截至角为10°，以1 s采样间隔记录卫星信号观测数据，连续测试时间应不小于24 h。林芝到波密段CORS系统采用国产化解决方案，接收机和天线采用司南AT600设备，能够以1 s采样率稳定接收BDS、GPS、GLONASS和GALILEO四系统信号。从数据完整率、多路径误差(MP1、MP2、MP3)、信噪比(SNR1、SNR2、SNR3)、周跳比(CS)多项指标对站点的GNSS观测数据进行质量分析[6-9]，数据中有任意一项不满足指标，则认为该站点的观测条件或设备不合格。

本次测试于9月12日00:00开始，各基站按照1 s采样率采集四系统 GNSS数据，观测时长为24 h。共计 7个站点，原始二进制文件大小共2.6 G。采用TEQC软件对采集的数据进行格式转换、数据编辑及质量检核[10]，高度角为25°时7个站点观测环境测试结果分项统计见表2。

表2 高度角为25°时CORS站点BDS、GPS观测数据质量检测统计

续表2

根据环境测试结果统计绘制多系统数据多路径MP1值、MP2值柱状图(见图1、图2)。

图1 四系统多路径误差值MP1值

图2 四系统多路径误差值MP2值

上述测试结果，除了GLONASS系统由于自身卫星频点丢失问题导致数据完整率部分不满足要求，其他星座的数据质量都符合建站相关标准规范要求。在川藏铁路林芝至波密段沿线高山峡谷区，高度角为25°时，7个站点多系统数据完整率均达到90%以上，MP多路径误差在0.5 m以内，信噪比达到40以上，周跳比大于2 000，满足CORS建站要求。

高度角为10°时7个站点BDS、GPS观测环境测试结果分项统计见表3。

表3 高度角为10°时CORS站点BDS、GPS观测数据质量检测统计

川藏铁路林芝至波密段线路以傍山隧道走行于帕隆藏布江岸边，地势急剧隆升抬起，河流快速强烈下切，谷底与山岭相对高差一般2 000～3 000 m，为典型的“V”形高山峡谷地貌，也是BDS CORS站选点的困难区域。考虑站点邻近线路距离和建造维护成本，BDS CORS选址只能位于318国道沿线的村镇。从表3可以看出，高度角为10°时由于地形条件限制，多个站点多个系统数据完整率小于90%且周跳比小于2 000。7个站点完整率方面，北斗系统优于其他3个系统。有4个站点周跳比北斗系统优于其他3个系统，7个站点周跳比北斗系统均优于GPS，体现出北斗卫星导航系统在高山峡谷区的应用优势。

5 建站资源配置及维护条件

基准站为无人值守型，基准站实时将GNSS观测数据，通过数据网络(光纤)传输给控制中心，控制中心通过远程控制方式设定、控制、检测基准站的运行。基准站的结构基本上是基于网络终端，主要设备包括GNSS接收机、不间断电源UPS、通讯链路等[11]。

设备间的连接与通讯是基准站设计中的核心部分，其可靠性和稳定性决定了整个系统的性能与可靠性。所以在选址时，要充分考虑建站资源配置及维护条件，主要考虑通讯资源和电力供应。在实地踏勘时，应向当地生产场所发放拟定站点情况调查表，落实土地使用以及供电、通信、供水、站址安全防护等基础设施支撑条件。站址附近是否有机房、220 V交流电源或48 V直流电源、避雷带、避雷针、地网等设施，要详细备注机房位置、布线便捷性、电源便利性和可靠性、避雷针高度、防护范围、地网情况、接地装置是否锈蚀等因素，充分利用既有设备设施。

BDS/GNSS基准站的供电是基准网建设中一个重要的技术环节，应保障观测系统和传输通信系统的可靠、稳定、连续不间断运行，因此观测系统与通信系统供电均采用直流电源供电。各个基准站利用原有电力系统，或者自建供电系统，或者二者兼而有之。优先采用市电+电池组+太阳能组合供电模式[12]，在断电情况下，基准站靠UPS及电池组支持72 h以上，全年运行间断时间应不大于120 h。基准站的供电可分为对BDS/GNSS基准站设备供电和通讯设备供电两种类型。BDS/GNSS基准站设备的供电主要指对BDS/GNSS基准站接收机进行供电。BDS/GNSS基准站接收机供电电压为10～28 V直流电压。通讯设备的主要采用两种供电方式，5 V和48 V。

网络通信链路是整个系统稳定、持续运行的基础因素之一，一般直接租用通信运营商的相关网络，包括基准站至数据处理中心、网络和应用服务发播网络。数据传输系统建设旨在实现北斗/GNSS卫星观测网络的基础观测产品向数据中心的信息汇聚，是北斗/GNSS基准站的重要组成部分，是实现基准站连续观测数据上传及数据中心对基准站监控管理等任务的重要保障。基准站至数据处理中心网络一般采用光纤网络直连，采用商用密码加密或专网，以保证数据安全、稳定传输。各基准站与控制中心的通讯可采用中国电信2M数字电路，基准站通过交换机接入上述通讯网络。应用服务发播网络采用无线网络，采用相关加密手段或专网保障用户服务的受控管理。根据基准站分布情况，数据传输方式采用有线为主要传输方式，无线为辅助应急传输方式。

(1)有线数据传输链路

有线数据传输链路具有传输速率高、稳定可靠等特点，能够完全满足基准站连续观测数据传输的要求。在地面专网能够到达的地区，首选直接采用DDN/SDH等有线专网接入方式。接收机通过天线接收到卫星信号后，将数据通过接入路由器转发给电信光端机，光端机进行光电转换后接入电信专线网络。

(2)无线数据传输链路

考虑川藏铁路沿线部分基准站公网未完全覆盖及通信基础设施薄弱现状，对于地处偏远地区或者在高海拔山野丛林等地专线建设维护成本较高情况下，可采用运营商提供的3G/4G/5G无线数据传输链路实现困难地区基准站至数据处理中心的数据传输，后期条件具备时可升级网络。

6 结论

新建铁路沿线带状稀疏分布的CORS站是铁路工程全生命周期的高精度时空基准基础设施，基准站需要一次建设，长期使用并持续、稳定、可靠地提供定位服务。铁路沿线的地形地质条件、CORS站功能定位、基础设施水平与传统城市CORS站点建设差异较大，建站选址方法不能原样照搬城市级CORS站建设。本文以川藏铁路林芝到波密段高山峡谷地形区域7个CORS站建设项目为例，对铁路沿线带状稀疏分布BDSCORS的站点布设原则、选点踏勘内容及要求、环境测试分析、资源配置等进行了详细的总结，对后续复杂艰险山区铁路BDS CORS站网建设具有借鉴意义。