王新鐘

（國能新朔鐵路有限責(zé)任公司通信技術(shù)分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯，017000）

0 引言

北斗導(dǎo)航是基于北斗系統(tǒng)，通過對互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)加以整合，進(jìn)而形成的定位平臺?，F(xiàn)階段，多地鐵路維護(hù)部門均已將北斗導(dǎo)航應(yīng)用在設(shè)備定位環(huán)節(jié)，隨著運(yùn)行時間的增加，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)也逐漸顯露了出來，即：通過對設(shè)備進(jìn)行可靠、全天候且高精度的定位及導(dǎo)航的方式，確保車輛、人員及其他鐵路設(shè)備始終處于監(jiān)管下，相關(guān)人員可視情況對其進(jìn)行實(shí)時調(diào)度與管理，使設(shè)備價值得到發(fā)揮。

1 北斗導(dǎo)航差分說明

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

北斗導(dǎo)航的發(fā)展可被劃分成兩個階段，2000.10-2007.2為第一階段，該階段我國所發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量為4顆，這4顆衛(wèi)星均順利進(jìn)入預(yù)設(shè)軌道，用戶可借助處于運(yùn)行狀態(tài)的衛(wèi)星，獲得自身所需定位及授時服務(wù)。2007.3開始進(jìn)入第二階段，該階段研究人員將重心轉(zhuǎn)向建立區(qū)域?qū)Ш竭€有全球?qū)Ш椒矫?，北斗?dǎo)航所能提供服務(wù)，逐漸由早期的定位及授時，向文件提供和導(dǎo)航延伸。

該系統(tǒng)可被拆分成三部分，分別是空間段（衛(wèi)星）、地面段（基站）、用戶段（接收機(jī)）?？臻g段包括35顆衛(wèi)星，且不同衛(wèi)星對應(yīng)不同運(yùn)行軌道，現(xiàn)有軌道包括GEO軌道、IGSO軌道和MEO軌道。地面段通常是指監(jiān)測站、主控站以及注入站，監(jiān)測站的職責(zé)是接收衛(wèi)星所傳遞導(dǎo)航信息，將相關(guān)信息提供給主控站，在降低衛(wèi)星軌道確定難度的基礎(chǔ)上，確保衛(wèi)星時間可得到同步更新[1]。主控站負(fù)責(zé)獲取觀測值，通過預(yù)處理的方式，獲得精密定位所需信息。注入站的核心功能為導(dǎo)入導(dǎo)航數(shù)據(jù)與信息。

相較于傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)新增了以下功能：首先是短報文通訊，接收機(jī)每次所能傳輸信息約為50個字；其次是精準(zhǔn)授時，授時精度通常為40ns至80ns；再次是包容海量用戶，該系統(tǒng)所能包容用戶最大數(shù)值為每小時52萬戶；最后是高精度定位，在沒有對標(biāo)校站進(jìn)行設(shè)立時，水平定位精度約為100m，而設(shè)立相應(yīng)標(biāo)校站后，相關(guān)精度可提升至15m至20m。

1.2 差分原理

差分定位的優(yōu)勢，主要是可最大程度提升定位精確度，通過對觀測信息進(jìn)行實(shí)時獲取的方式，快速且精準(zhǔn)的確定觀測對象位置。事實(shí)證明，隨著該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，企業(yè)生產(chǎn)及日常生活均變得更加便利，對其進(jìn)行研究是大勢所趨。受多方因素影響，衛(wèi)星導(dǎo)航定位與實(shí)際情況存在誤差的問題始終未能得到徹底解決，單點(diǎn)定位所能達(dá)到精度無法滿足鐵路維護(hù)作業(yè)要求，基于此，有關(guān)部門提出引入差分技術(shù)，對定位精度加以提高。

1.3 誤差源分析

北斗導(dǎo)航所提供信號，通常有三類誤差存在，分別是傳播誤差、空間誤差和用戶誤差。傳播誤差往往是指對流程層差以及電離層誤差，空間誤差以星歷誤差和星鐘誤差為主，用戶誤差同樣可分成兩類，即噪聲誤差、多徑誤差[2]。現(xiàn)有接收機(jī)常見偽距誤差和估計值如下：

表1 偽距測量值受誤差源影響程度

1.4 技術(shù)詳細(xì)分類

根據(jù)差分校正對應(yīng)目標(biāo)參量，可將差分劃分成三類，分別是偽距差分，位置差分，還有本文研究的載波相位差分。符合鐵路維護(hù)作業(yè)要求的差分技術(shù)，主要有偽距差分以及載波相位差分，下文將對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明：

1.4.1 載波相位差分

鐵路作業(yè)對設(shè)備定位精度所提出要求為不超過1m，本文所討論技術(shù)的精度往往以毫米為單位，由此可見，將載波相位差分用于鐵路日常維護(hù)作業(yè)，可使定位精度最大程度接近預(yù)期。

（1）原理

首先，基準(zhǔn)站經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈向接收機(jī)發(fā)送實(shí)時測量值。其次，由接收機(jī)對接收測量值、自身測量值做差分運(yùn)算，獲得差分測量值。最后，根據(jù)基線向量、整周模糊度相關(guān)數(shù)值，對設(shè)備所在位置加以確定。

（2）特點(diǎn)

基于該技術(shù)所得出測量值的單位多為厘米級。受誤差空間所存在相關(guān)性制約，在基線長度處于特定范圍內(nèi)時，測量值單位可達(dá)到毫米級。

1.4.2 偽距差分

（1）原理

第一步，由接收機(jī)對衛(wèi)星信號進(jìn)行解碼，獲得測量值。第二步，結(jié)合星歷、基準(zhǔn)站坐標(biāo)，對衛(wèi)星和基準(zhǔn)站間的幾何距離、測量誤差加以確定。第三步，基準(zhǔn)站借助數(shù)據(jù)鏈向接收機(jī)發(fā)送差值，接收機(jī)可根據(jù)差值對偽距進(jìn)行修正，通過定位解算的方式，對真實(shí)位置加以確定。

（2）特點(diǎn)

該技術(shù)的應(yīng)用范圍較大，大部分商用接收機(jī)所用技術(shù)均為偽距差分。鐵路設(shè)備運(yùn)行的特點(diǎn)，主要是基準(zhǔn)站、移動站距離不斷增加，基于該技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行定位，其精度往往難以獲得保障。

2 建立相關(guān)差分模型

2.1 載波相位差分

該技術(shù)的應(yīng)用主要涉及四部分內(nèi)容，分別是：其一，檢測并修復(fù)載波周跳。其二，模糊浮點(diǎn)運(yùn)算與求解。其三，模糊度搜索。其四，檢驗?zāi)：葴?zhǔn)確性。無論是人員、車輛，還是其他鐵路設(shè)備，在正常情況下，均處于移動狀態(tài)，要想對其進(jìn)行實(shí)時定位，關(guān)鍵是要最大程度縮短對整周模糊度進(jìn)行運(yùn)算并求解需要花費(fèi)的時間，并保證最終結(jié)果準(zhǔn)確[3]。

該方案指出為徹底消除衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差給測量值所造成影響，分別在空中、地面對觀測量差分進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果建立以下方程：

在雙差觀測公式中，Ф代表載波相位差分所得出觀測向量。P代表偽距差分所得出觀測向量。Rn代表接收機(jī)和移動站對應(yīng)基線向量。?代表載波相位差分所得出觀測噪聲。?P代表偽距差分所得出觀測噪聲。λ代表波長。G代表觀測矩陣。N代表整周模糊度。

研究人員考慮到要想使測量效益達(dá)到預(yù)期，關(guān)鍵要確保測量值滿足連續(xù)可用的要求，遂決定基于無幾何距離法，對載波周跳進(jìn)行高效檢測并修復(fù)。該環(huán)節(jié)能否取得理想效果，通常決定著定位的精確度，分析表明，周跳產(chǎn)生原因是信號失鎖/中斷使整周計數(shù)出現(xiàn)突變/間斷，這也間接說明周跳會增加整周相位出現(xiàn)偏差的概率，進(jìn)而給測量值造成影響，只有對周跳進(jìn)行高效探測并正確修復(fù)，才能使定位精準(zhǔn)度達(dá)到鐵路維護(hù)作業(yè)要求。隨后，在忽略模糊度所對應(yīng)整數(shù)約束的前提下，引入LSAST法，結(jié)合觀測方程依次確定基線向量、模糊度浮點(diǎn)。將模糊度浮點(diǎn)導(dǎo)入LAMBDA算法中，通過固定整周模糊的方式，對整數(shù)最優(yōu)解和基線向量加以確定。此時，若基準(zhǔn)站位置確定，可推斷出移動站所處位置。

模糊度求解同樣會給定位結(jié)果帶來影響，上文提到的整周模糊度，通常是指用戶測量自身和衛(wèi)星間距離時，觀測到載波波長對應(yīng)小數(shù)波長，由于獲取波長整周數(shù)難度極大，傳統(tǒng)測距技術(shù)往往要通過長時間觀測，才能獲得確定模糊度所需數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對觀測所得數(shù)據(jù)加以處理并得出最終結(jié)果，無法保證觀測結(jié)果的時效性[4]。引入LSAST法，可從根本上解決上述問題，其現(xiàn)實(shí)意義有目共睹。

2.2 建立偽距差分模型

3 定位精度試驗分析

3.1 搭建試驗平臺

研究人員以驗證定位精度為目的，結(jié)合鐵路維護(hù)作業(yè)特點(diǎn)，對動態(tài)跑車試驗平臺進(jìn)行搭建，通過分析不同技術(shù)所展現(xiàn)出精度的方式，確定符合有關(guān)部門需求的定位方法。試驗流程如下：第一步，確定無遮擋、視野開闊的場地；第二步，在已知點(diǎn)對接收機(jī)天線（基準(zhǔn)站）加以固定；第三步，基于試驗設(shè)備（跑車）對接收機(jī)天線（移動站）進(jìn)行安裝；第四步，提前開啟接收機(jī)，經(jīng)過10min的預(yù)熱后，使試驗設(shè)備沿規(guī)劃路線勻速行駛；第五步，分別利用不同技術(shù)，對設(shè)備行駛30min內(nèi)的位置及坐標(biāo)進(jìn)行記錄。

3.2 分析試驗結(jié)果

結(jié)合各技術(shù)所表現(xiàn)出定位精度（見表2）可知，關(guān)于水平定位，偽距差分的精度在0.8m左右，單點(diǎn)定位的精度在4.6m左右，本文所討論技術(shù)的精度在0.03m左右。關(guān)于垂直定位，偽距差分的精度在2m左右，單點(diǎn)定位的精度在5.4m左右，本文所討論技術(shù)的精度在0.03m左右。綜上，偽距差分的精度單位為分米級別；單點(diǎn)定位的精度單位為米級，無法滿足鐵路維護(hù)作業(yè)要求；載波相位差分的精度單位為厘米級別，可為有關(guān)部門維護(hù)工作的開展提供幫助。

表2 各技術(shù)定位精度

4 結(jié)論

文章以鐵路維護(hù)作業(yè)對定位精度所提出要求為落腳點(diǎn)，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航特點(diǎn)，借助動態(tài)跑車試驗分析載波相位差分所具有定位精度。通過試驗可知，常規(guī)偽距差分的定位精度約為0.8m，而垂直定位的精度約為2m，本文研究載波相位的精度約為3cm，定位精度提升明顯，可最大程度滿足鐵路維護(hù)作業(yè)對精度所提出要求，其實(shí)際應(yīng)用價值有目共睹。