北斗及超宽带定位技术在胶州湾海底隧道施工工程中的应用

文 | 陆跃东 桂敏 马福行

交信北斗（北京）信息科技有限公司

一、引言

海底隧道施工是一项非常复杂的工程，隧道内环境恶劣，施工现场通常是高盐、高温、高湿的环境，隧道内作业困难且极易发生危险，施工企业一旦发生事故，不仅遭受损失，也将面临越来越严厉的惩罚和监管，因此对隧道内工作人员和车辆的实时定位有着极其重要的安全意义。由于各种定位技术都存在着各自的局限性，在海底隧道施工工程中往往要综合运用多种技术来获得更加精确和可靠的定位和导航信息，以确保工程顺利进行。本文介绍了利用北斗及超宽带（UWB）定位技术在胶州湾海底隧道施工工程中的应用情况。

二、工程介绍

青岛胶州湾第二海底隧道连接青岛西海岸新区和主城区，是青岛市交通网络的重要组成部分，海域隧道全长9.95km，该项目按照城市快速路标准建设，设计时速80km/h，隧道内通行车辆要兼顾客运和货运，采用钻爆（西侧）、盾构（东侧）与明挖的组合方法施工。海底隧道工程施工现场是高温、高盐、高湿的复杂环境，要求施工设备符合防水、抗震、耐腐蚀的高环境要求，硬件终端设备还应符合同步轻便、小体量、易安装、高鲁棒性、支持多种通信方式等应用要求。

在海底隧道施工工程中，应用北斗和UWB 定位技术，可以实现施工人员及车辆实时精准定位与防碰撞监控告警。系统通过对施工人员车辆实时自动（位置）跟踪，全面掌握人员车辆在隧道的活动轨迹、位置分布，并且可实现紧急情况下的双向报警。依托二三维电子地图，以可视化的形式直观展示人员车辆的实时状态信息，当遇到隧道突发事故，可以迅速找到被困人员的位置。另外，系统还支持施工人员全天候考勤与工时统计、历史轨迹存储与回放、人员车辆电子围栏触发告警等功能，在保障人员安全的同时，有效提升了管理效率。

三、北斗RTK 定位和UWB定位技术特点

北斗RTK 定位是一项成熟的技术，是一种利用卫星导航系统进行实时定位的方法，它通过测量卫星信号的相位差来获得精确的位置信息，具有广泛的应用和较高的可靠性以及全球性的覆盖范围，不受地点因素的限制。在北斗RTK 定位技术中，首先需要设置一个已知坐标的基站，在基站接收到多颗北斗卫星的信号后，记录卫星信号到达时间和其他相关参数。基站将测量数据传输给定位终端，定位终端利用基站和自身观测数据之间的差异来计算两者之间的相对位置，即相对差分。通过这种实时计算，定位终端可以获得自身的实时坐标。

北斗RTK 定位具有精度高、实时性强和动态定位等优势。利用多颗卫星信号和差分计算，可以达到亚米级甚至更高的定位精度。同时，实时数据传输和计算保证了定位的实时性，适用于动态的定位需求，可以追踪移动设备或车辆的位置变化。因此在隧道外定位场景中，采用北斗RTK 定位可以实现人员车辆的实时精准定位。

UWB 定位技术是一种高精度的短距离室内定位技术，它基于超短脉冲信号，能在无需链路前置的情况下进行室内定位，且可以应用于不同场景下的位置服务和追踪。

在隧道内定位时，可以通过在隧道内安装一组UWB 基站和UWB 标签节点，进行区域信号覆盖。UWB 基站发送超短脉冲信号，通过测量脉冲的到达时间和信号的幅度，实现以厘米级甚至更高精度的室内定位。此外，UWB 定位具有抗干扰能力强和实时性强的优点，超宽带信号具有较强的抗多径干扰和抗遮挡能力，在室内环境中能够提供可靠的定位性能且UWB技术的测量和计算过程非常快速，几乎可以实现实时的定位结果输出，因此其更适用于隧道内的定位场景。

四、隧道外卫星导航高精度定位应用

隧道外卫星导航高精度定位系统包括隧道外高精度定位基准站和隧道外作业区北斗高精度定位平台两部分。

1.隧道外高精度定位基准站

在隧道两侧0.5～3km 建设2 个稳定运行的北斗高精度定位基准站，基准站的相关资源与交通运输北斗高精度导航与位置服务信息资源中心工程数据融合，实现信息、资源和业务的协同，提高管理效能。基准站设备符合交通运输行业权威部门监测标准。基准站采用多星座增强技术（北斗、GPS、GLONASS 等），用于构建高精度的区域参考框架和位置服务基准，提供高效的区域增强（厘米级、分米级）服务。实现隧道外3km 内和3km 外完全覆盖，支持车辆和人员陆域隧道3km 范围内10～30cm 的厘米级服务，陆域隧道3km 外分米级服务；支持车辆全市区高精度增强服务覆盖，支持陆域隧道3km 以外人员和车辆全覆盖。基准站建设部署如图1 所示。

图1 北斗高精度定位基准站部署图

每个基准站配置2 台基准站接收机，用于卫星导航原始观测数据采集与原始观测量数据上传，一主一备，主设备用于实际采集，备用设备用于主设备出问题时的更换。2 个基准站原始观测数据要接入交通运输部交通运输北斗高精度导航与位置服务信息资源中心。

基准站建站可根据项目定制，不限制车辆和人员数量应用。实现一次建站，无限使用，并且该方式为临时使用和永久使用相结合，后期运维期可以永久复用。

2.隧道外作业区北斗高精度定位平台

隧道外作业区北斗高精度定位平台接收基准站设备数据并进行处理，实现高效的区域增强（厘米级、分米级）服务。

隧道外作业区北斗高精度定位平台接收基准站网子系统原始观测数据，计算标准观测量，通过卫星导航增强信息服务系统对外进行数据播发服务。平台系统运行流程如图2 所示。

图2 隧道外作业区北斗高精度定位平台运行流程图

平台主要包括卫星导航定位基准服务系统解算模块、卫星导航增强信息服务模块、高精度用户综合服务管理模块、运行状态监控模块与数据库模块等。

五、隧道内UWB 精准定位应用

1.隧道内人员车辆定位

通过在隧道内平均每125m 安装一个高精度融合定位基站，高精度融合定位基站可以实现隧道内的精确定位，采用先进的脉冲无线定位技术，能够实现隧道内人员与车辆的实时高精度定位。通过为施工车辆安装防撞基站、施工人员佩戴定位防撞标签的方式来实现对施工作业车辆、人员的精确位置定位，实现空间一维、二维定位，精度高达10～30cm。

车载防撞基站由主控芯片、UWB 模块、4G 通信模块、北斗模块、以太网连接器以及声光报警器等组成。4G 通信模块和以太网连接器分别用于实现无线和有线的信息传输，声光报警器在人车距离超出安全限制时自动报警，UWB 模块用来定位目标。此外还预留了北斗定位模块，用于后续可能需要的融合定位场景。

定位防撞标签由主控芯片、可充电锂电池、充电控制电路、磁吸充电模块、电机、UWB 模块、SOS 报警按键和两个LED 指示灯组成。该标签可对佩戴人员进行实时自动跟踪，随时掌握每个员工在隧道的位置及活动轨迹、全隧道人员的位置分布。

作业人员及车辆信息管理功能可通过定位终端数据，自动生成全面的作业人员和车辆信息，在电子地图上实现实时显示，并具备综合查询功能，同时用户可对施工范围内的人员及车辆信息进行编辑。佩戴了定位防撞标签的人员和安装了车载防撞基站的车辆，在隧道内施工作业时，可通过二维三维电子地图，实时显示准确位置信息。通过实时掌握洞内外作业人员和车辆分布情况，对施工人员和车辆进行实时位置跟踪管理，如图3 所示。

图3 隧道电子地图

隧道人员车辆定位系统还支持全天候考勤，对施工人员实时自动（位置）跟踪，全面掌握施工人员在隧道的活动轨迹、位置分布，并且可实现紧急情况下的双向报警。当遇到隧道突发事故，可以迅速找到被困人员的位置信息，保障人员安全的同时，有效提升管理效率。

2.施工作业人车防撞系统

通过建设洞内外一体化施工作业人车防撞系统，满足作业人员、车辆紧急事件处理需求。通过作业人员佩戴定位防撞标签、车辆安装防撞基站和声光报警器，为施工管理者和业主提供统一的施工作业人车防撞报警信息管理与服务。

施工车辆车载防撞基站能实现与定位防撞标签的实时测距，当任何车辆距离小于预警距离时，声光报警器将触发危险报警，提醒驾驶员和人员注意避让，有效地避免安全事故发生（图4）。

图4 人员车辆防撞示意图

如图5 所示，车载防撞基站支持隧道内外高精度融合定位同时支持人车防撞，车载终端配合声光报警器，设置好合适的安全距离，当人员和车辆或者车辆和车辆位置小于设定的安全距离将会触发报警，声光报警器播放警示语音，同时人员佩戴的标签震动提示。

图5 车辆定位与防撞基站（左）及声光报警器（右）

六、结束语

从上述分析可以看出，北斗和UWB 定位技术在海底隧道工程中具有非常重要的应用价值。该技术能够提供高精度、高可靠性和高稳定性的实时定位服务，在海底隧道施工环境下保障施工人员和车辆的安全。本文北斗和UWB 定位技术在海底隧道工程的应用介绍能够对该技术在未来的发展和更多领域的应用提供一些参考价值。随着科技不断发展和海底隧道工程不断推进，北斗和UWB 定位技术的应用也将进一步发展和完善，有望实现更高精度、更广覆盖面积和更可靠的定位服务，为海底隧道工程的施工提供更有力的安全保障。