文|黃文攝

深中通道管理中心

一、前言

據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，2020年全國公路隧道21316處、2199.93萬延米，其中特長隧道1394處、623.55萬延米，長隧道5541處、963.32萬延米。由于GNSS信號無法穿透較厚的山體或混凝土結(jié)構(gòu)體，因此在隧道環(huán)境內(nèi)，衛(wèi)星導(dǎo)航信號被完全遮蔽，形成定位盲區(qū)，無法為車輛、監(jiān)管部門提供有效的實(shí)時(shí)位置信息，進(jìn)行輔助決策。同時(shí)由于隧道空間小，密閉性強(qiáng)，一旦發(fā)生火災(zāi)、事故、交通擁堵，隧道內(nèi)的環(huán)境會急劇惡化。在交通量大、氣候惡劣的情況下，極易發(fā)生更嚴(yán)重的交通事故和交通阻塞，直接影響司乘人員的健康和生命安全，亟需向監(jiān)管部門迅速反饋事故的位置信息。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國獨(dú)立自主研發(fā)和建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為全球用戶提供連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，其相關(guān)服務(wù)及產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高精度測繪、交通、形變監(jiān)測、應(yīng)急搜救等多個(gè)領(lǐng)域。較之于其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有衛(wèi)星數(shù)量多、信號強(qiáng)，在我國境內(nèi)星座分布好等優(yōu)勢。因此將北斗導(dǎo)航定位服務(wù)引入隧道內(nèi)，為人員與車輛、監(jiān)管部門提供有效的實(shí)時(shí)位置信息，具有重大的社會意義。

二、公路隧道北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋方法

1.總體思路

由于隧道環(huán)境的相對封閉性，造成衛(wèi)星導(dǎo)航信號幾乎被完全遮蔽，隧道內(nèi)基本上是衛(wèi)星信號的盲區(qū)，導(dǎo)致實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位授時(shí)中斷。如何將北斗信號引入隧道，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)北斗定位，并與隧道外無縫銜接，是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵問題。根據(jù)該問題，參考目前成熟的隧道內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用系統(tǒng)及案例，提出了公路隧道北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋方法，思路如下：

通過實(shí)時(shí)模擬在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)動狀態(tài)，在隧道內(nèi)實(shí)時(shí)播發(fā)出與北斗、GPS等導(dǎo)航衛(wèi)星信號完全一致的偽衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)導(dǎo)航衛(wèi)星信號的覆蓋。

2.技術(shù)原理

根據(jù)上述公路隧道北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋方法思路，經(jīng)過不斷的技術(shù)嘗試和探索，提出該方法的技術(shù)流程如下：主要由運(yùn)營管理站、融合基站組成。首先，在隧道外部署運(yùn)營管理站，接收在軌衛(wèi)星信號，產(chǎn)生高精度的本地時(shí)間信號，并采集實(shí)時(shí)星歷，然后將在軌衛(wèi)星信號、時(shí)鐘信號、星歷信息編碼為內(nèi)部約定格式，通過光纖傳遞給各個(gè)融合基站。其次，融合基站按30m間距部署在隧道內(nèi)，接收運(yùn)營管理站發(fā)送的在軌衛(wèi)星信號、時(shí)鐘信號、星歷信息，通過實(shí)時(shí)模擬在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)動狀態(tài)以及傳輸鏈路的多普勒補(bǔ)償，編組導(dǎo)航電文，播發(fā)出與北斗、GPS等導(dǎo)航衛(wèi)星信號完全一致的偽衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)導(dǎo)航衛(wèi)星信號覆蓋。最后，應(yīng)用終端接收融合基站播發(fā)的偽衛(wèi)星信號進(jìn)行定位、導(dǎo)航。

其中，公路隧道衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋技術(shù)原理如圖1所示：

圖1 公路隧道衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋技術(shù)原理圖

3.實(shí)測效果

2020年11月，在廣東某隧道開展了該方法測試。該隧道長5.9km，西北-東南走向。為進(jìn)行定位比對，本次測試架設(shè)2臺設(shè)備，一臺是高精度慣導(dǎo)接收機(jī)設(shè)備，一臺是普通車載導(dǎo)航定位終端。高精度慣導(dǎo)接收機(jī)設(shè)備內(nèi)置慣導(dǎo)模塊，將衛(wèi)星定位與慣性測量相結(jié)合，可達(dá)到在遮擋環(huán)境下分米乃至厘米的定位精度，作為本次測試的位置真值。普通車載導(dǎo)航定位終端僅接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號及隧道內(nèi)融合基站播發(fā)的偽衛(wèi)星信號進(jìn)行單點(diǎn)定位。通過比較普通車載導(dǎo)航定位終端與高精度慣導(dǎo)接收機(jī)設(shè)備的位置差值，分析隧道內(nèi)外普通車載導(dǎo)航定位終端定位功能和性能。本次測試，高精度慣導(dǎo)接收機(jī)和普通車載導(dǎo)航定位終端都安裝在車頂，有固定的相對距離，測量車車速50km/h左右。本次測試記錄了進(jìn)入隧道前2min、隧道內(nèi)以及出隧道后2min數(shù)據(jù)。通過普通車載導(dǎo)航定位終端定位結(jié)果同高精度慣導(dǎo)接收機(jī)定位結(jié)果比較，得出普通車載導(dǎo)航定位終端定位東方向和北方向偏差，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 公路隧道衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋系統(tǒng)安裝前實(shí)測誤差結(jié)果圖

圖3 公路隧道衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋系統(tǒng)安裝后實(shí)測誤差結(jié)果圖

通過公路隧道衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋系統(tǒng)安裝前后測試誤差效果圖比較可以看出，未使用該方法，進(jìn)入隧道后，終端無定位結(jié)果；使用該方法，終端進(jìn)入隧道后，可持續(xù)定位，隧道內(nèi)定位精度為15m。

通過測試結(jié)果對比，較好地反映出公路隧道衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋技術(shù)的優(yōu)勢：將北斗信號引入隧道內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外北斗信號的無縫銜接。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

該方法與在軌衛(wèi)星定位導(dǎo)航機(jī)制相同，通過實(shí)時(shí)模擬在軌導(dǎo)航衛(wèi)星的運(yùn)動狀態(tài)以及傳輸鏈路的多普勒補(bǔ)償，編組導(dǎo)航電文，播發(fā)與北斗衛(wèi)星信號完全一致的偽衛(wèi)星信號，無需安裝其他軟件，只要能接收北斗信號的普通導(dǎo)航終端，都能享受到北斗隧道內(nèi)定位服務(wù)，可直接在隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航。將北斗導(dǎo)航信號引入隧道，并使隧道內(nèi)外導(dǎo)航定位實(shí)現(xiàn)了無縫銜接，填補(bǔ)了北斗導(dǎo)航服務(wù)在隧道內(nèi)缺失的難題，是北斗導(dǎo)航定位服務(wù)應(yīng)用的延伸。其推廣應(yīng)用，可為大眾日常出行、部門監(jiān)管、重點(diǎn)運(yùn)行車輛監(jiān)控等提供服務(wù)。

1.服務(wù)大眾日常出行，提高北斗定位服務(wù)獲得感

公路隧道衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋技術(shù)實(shí)現(xiàn)了公路隧道內(nèi)的北斗定位導(dǎo)航服務(wù)，增大了北斗信號的覆蓋范圍，使大眾在出行過程中最大限度享受北斗定位導(dǎo)航服務(wù)帶來的便利，提高了獲得感。

2.為監(jiān)管部門提供輔助決策支撐

公路隧道衛(wèi)星導(dǎo)航信號覆蓋技術(shù)使隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了北斗定位導(dǎo)航服務(wù)，讓監(jiān)管部門實(shí)時(shí)掌握隧道內(nèi)的實(shí)際情況成為可能。可有效地輔助決策，對隧道內(nèi)的突發(fā)情況及時(shí)作出反應(yīng)，使公路通行更加安全、可靠。

3.完善對重點(diǎn)運(yùn)營車輛的監(jiān)控

2010年國務(wù)院要求運(yùn)輸企業(yè)按照《國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》要求，必須為“兩客一危”車輛安裝符合《道路運(yùn)輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)車載終端技術(shù)要求》（JT/T794—2011）的衛(wèi)星定位裝置，并接入全國重點(diǎn)營運(yùn)車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)，對全國范圍“兩客一?！钡戎攸c(diǎn)營運(yùn)車輛進(jìn)行安全監(jiān)管。截至2021年第二季度，安裝使用北斗終端的重點(diǎn)營運(yùn)車輛已超過700萬輛。通過將北斗定位導(dǎo)航服務(wù)引入隧道，有效補(bǔ)充現(xiàn)有重點(diǎn)營運(yùn)車輛聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)在隧道內(nèi)車輛安全監(jiān)管的空白，促進(jìn)全國路網(wǎng)重點(diǎn)營運(yùn)車輛無縫監(jiān)管。

隨著北斗導(dǎo)航定位服務(wù)引入隧道的普及和深入，將極大擴(kuò)展北斗信號覆蓋范圍，為大眾、監(jiān)管部門等提供便利，提升交通行業(yè)的智慧化水平。

四、結(jié)語

將北斗信號引入隧道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)外導(dǎo)航定位的無縫銜接，是北斗導(dǎo)航定位在特殊環(huán)境下的深化應(yīng)用。在我國這樣一個(gè)隧道眾多，且隧道在交通中發(fā)揮重要作用的國家，將會發(fā)揮巨大作用，助力北斗信號在交通領(lǐng)域的全覆蓋。