北斗卫星导航技术在隧道内定位的应用

2022-03-16黄文摄

卫星应用 2022年2期

文|黄文摄

深中通道管理中心

一、前言

据交通运输部统计，2020年全国公路隧道21316处、2199.93万延米，其中特长隧道1394处、623.55万延米，长隧道5541处、963.32万延米。由于GNSS信号无法穿透较厚的山体或混凝土结构体，因此在隧道环境内，卫星导航信号被完全遮蔽，形成定位盲区，无法为车辆、监管部门提供有效的实时位置信息，进行辅助决策。同时由于隧道空间小，密闭性强，一旦发生火灾、事故、交通拥堵，隧道内的环境会急剧恶化。在交通量大、气候恶劣的情况下，极易发生更严重的交通事故和交通阻塞，直接影响司乘人员的健康和生命安全，亟需向监管部门迅速反馈事故的位置信息。

北斗卫星导航系统是我国独立自主研发和建设的全球卫星导航系统，为全球用户提供连续、稳定、可靠的定位、导航、授时服务，其相关服务及产品已经广泛应用于高精度测绘、交通、形变监测、应急搜救等多个领域。较之于其他卫星导航系统，北斗卫星导航系统具有卫星数量多、信号强，在我国境内星座分布好等优势。因此将北斗导航定位服务引入隧道内，为人员与车辆、监管部门提供有效的实时位置信息，具有重大的社会意义。

二、公路隧道北斗卫星导航信号覆盖方法

1.总体思路

由于隧道环境的相对封闭性，造成卫星导航信号几乎被完全遮蔽，隧道内基本上是卫星信号的盲区，导致实时导航定位授时中断。如何将北斗信号引入隧道，实现隧道内北斗定位，并与隧道外无缝衔接，是北斗卫星导航定位应用需要解决的关键问题。根据该问题，参考目前成熟的隧道内导航应用系统及案例，提出了公路隧道北斗卫星导航信号覆盖方法，思路如下：

通过实时模拟在轨导航卫星的运动状态，在隧道内实时播发出与北斗、GPS等导航卫星信号完全一致的伪卫星信号，实现隧道内导航卫星信号的覆盖。

2.技术原理

根据上述公路隧道北斗卫星导航信号覆盖方法思路，经过不断的技术尝试和探索，提出该方法的技术流程如下：主要由运营管理站、融合基站组成。首先，在隧道外部署运营管理站，接收在轨卫星信号，产生高精度的本地时间信号，并采集实时星历，然后将在轨卫星信号、时钟信号、星历信息编码为内部约定格式，通过光纤传递给各个融合基站。其次，融合基站按30m间距部署在隧道内，接收运营管理站发送的在轨卫星信号、时钟信号、星历信息，通过实时模拟在轨导航卫星的运动状态以及传输链路的多普勒补偿，编组导航电文，播发出与北斗、GPS等导航卫星信号完全一致的伪卫星信号，实现隧道内导航卫星信号覆盖。最后，应用终端接收融合基站播发的伪卫星信号进行定位、导航。

其中，公路隧道卫星导航信号覆盖技术原理如图1所示：

图1 公路隧道卫星导航信号覆盖技术原理图

3.实测效果

2020年11月，在广东某隧道开展了该方法测试。该隧道长5.9km，西北-东南走向。为进行定位比对，本次测试架设2台设备，一台是高精度惯导接收机设备，一台是普通车载导航定位终端。高精度惯导接收机设备内置惯导模块，将卫星定位与惯性测量相结合，可达到在遮挡环境下分米乃至厘米的定位精度，作为本次测试的位置真值。普通车载导航定位终端仅接收卫星导航信号及隧道内融合基站播发的伪卫星信号进行单点定位。通过比较普通车载导航定位终端与高精度惯导接收机设备的位置差值，分析隧道内外普通车载导航定位终端定位功能和性能。本次测试，高精度惯导接收机和普通车载导航定位终端都安装在车顶，有固定的相对距离，测量车车速50km/h左右。本次测试记录了进入隧道前2min、隧道内以及出隧道后2min数据。通过普通车载导航定位终端定位结果同高精度惯导接收机定位结果比较，得出普通车载导航定位终端定位东方向和北方向偏差，结果如图2、图3所示。

图2 公路隧道卫星导航信号覆盖系统安装前实测误差结果图

图3 公路隧道卫星导航信号覆盖系统安装后实测误差结果图

通过公路隧道卫星导航信号覆盖系统安装前后测试误差效果图比较可以看出，未使用该方法，进入隧道后，终端无定位结果；使用该方法，终端进入隧道后，可持续定位，隧道内定位精度为15m。

通过测试结果对比，较好地反映出公路隧道卫星导航信号覆盖技术的优势：将北斗信号引入隧道内，可实现隧道内外北斗信号的无缝衔接。

三、应用领域

该方法与在轨卫星定位导航机制相同，通过实时模拟在轨导航卫星的运动状态以及传输链路的多普勒补偿，编组导航电文，播发与北斗卫星信号完全一致的伪卫星信号，无需安装其他软件，只要能接收北斗信号的普通导航终端，都能享受到北斗隧道内定位服务，可直接在隧道内实现定位与导航。将北斗导航信号引入隧道，并使隧道内外导航定位实现了无缝衔接，填补了北斗导航服务在隧道内缺失的难题，是北斗导航定位服务应用的延伸。其推广应用，可为大众日常出行、部门监管、重点运行车辆监控等提供服务。

1.服务大众日常出行，提高北斗定位服务获得感

公路隧道卫星导航信号覆盖技术实现了公路隧道内的北斗定位导航服务，增大了北斗信号的覆盖范围，使大众在出行过程中最大限度享受北斗定位导航服务带来的便利，提高了获得感。

2.为监管部门提供辅助决策支撑

公路隧道卫星导航信号覆盖技术使隧道内实现了北斗定位导航服务，让监管部门实时掌握隧道内的实际情况成为可能。可有效地辅助决策，对隧道内的突发情况及时作出反应，使公路通行更加安全、可靠。

3.完善对重点运营车辆的监控

2010年国务院要求运输企业按照《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》要求，必须为“两客一危”车辆安装符合《道路运输车辆卫星定位系统车载终端技术要求》（JT/T794—2011）的卫星定位装置，并接入全国重点营运车辆联网联控系统，对全国范围“两客一危”等重点营运车辆进行安全监管。截至2021年第二季度，安装使用北斗终端的重点营运车辆已超过700万辆。通过将北斗定位导航服务引入隧道，有效补充现有重点营运车辆联网联控系统在隧道内车辆安全监管的空白，促进全国路网重点营运车辆无缝监管。

随着北斗导航定位服务引入隧道的普及和深入，将极大扩展北斗信号覆盖范围，为大众、监管部门等提供便利，提升交通行业的智慧化水平。