突破高精度定位盲区——陆基高精度自主PNT系统在重载铁路隧道中的应用

　　北斗导航系统是国内目前最主要的导航系统，该系统可以为铁路用户在开阔空间提供稳定可靠的高精度定位结果。但在北斗信号受到严重影响的区域，如火车编组站、维修车间、隧道等区域，其性能会严重下降甚至不能为铁路用户提供位置服务，因此如何在这些区域为铁路用户提供定位服务成为了一项迫切需要解决的问题。当前，隧道定位主要有伪卫星隧道定位、可见光隧道定位、RFID隧道定位、UWB隧道定位以及上述定位方式结合的定位方法，许多科研工作者对这些方法展开了相关的技术研究，并且在隧道定位领域中均了不错的效果。

　　本文在上述研究的基础上开发了一套陆基高精度自主PNT系统（以下简称“HAAPH”系统）。该系统沿用了北斗系统的定位原理，将卫星从太空“搬迁”至地面非暴露空间，从而解决了北斗卫星信号无法穿透遮蔽场景的应用局限，保证“北斗定位”与“HAAPH系统定位”无缝切换，实现了铁路机车北斗连续无缝隙定位。HAAPH系统并不是北斗卫星信号的简单转移和增强，而是北斗系统的有效补充。HAAPH基站可接收北斗卫星信号的时间信标作为自组网基站群的时间基准；同时，当无法接收到北斗卫星信号或者北斗系统拒止服务期间，HAAPH系统可通过内置时间基准源，通过微波通信、光纤通信实现自组网基站的时间同步，实现快速机动部署。

　　HAAPH系统是一个自主定位导航系统，可以独立为用户提供定位、授时服务，也可以与北斗导航系统融合运行。为了实现北斗-HAAPH系统融合定位，HAAPH系统构建了类似于北斗卫星的定位星座，同时HAAPH系统自组网技术实现HAAPH系统与北斗时同步。

　　HAAPH系统由地面部署的多个HAAPH基站、定位接收机、操作维护中心（OMC系统）以及天线组成，其系统架构如图1所示。

图1 HAAPH系统架构图

　　其中，HAAPH基站可以接收北斗卫星授时信号实现与北斗时同步，同时能够向用户发送导航信号，各HAAPH基站通过相互发送授时信号以自组网实现系统内同步，最终可以实现所有基站与北斗时同步。HAAPH基站由主控单元、基带信号处理模块、射频收发信机、时钟模块、通信模块、电源模块以及天线等组成，其设备组成如图2所示。

图2 HAAPH基站组成示意图

　　基站中的主控模块主要用于控制基站基带信号处理模块、电源模块与通信模块正常工作；基带信号处理模块主要用于处理授时信号以及生成导航信号；射频收发信机主要用于发送导航信号以及向其余基站发射授时信号；时钟模块用于接收北斗授时以及其他基站授时信号，实现基站与北斗时同步；通信模块主要用于收发基站与OMC系统交互信息；电源模块为基站提供供电保障。系统中，需要至少一台HAAPH基站充当主站，负责提供本地时间基准。其他基站则作为从站，负责接收主站的授时信号，以消除系统中所有基站之间的时间偏差，完成时钟同步。

　　定位接收机则是北斗接收机，用于解算位置为用户提供定位服务，能够接收北斗系统的导航信号，同时也能接收HAAPH基站发送的导航信号。

　　OMC系统主要由服务器、中心交换机、客户端等组成，通过实时监控和分析数据来确保设备或系统的正常运行，一旦出现问题，操作维护中心会负责迅速识别问题所在，并采取相应的措施来修复故障，确保系统或设备能够尽快恢复正常运行。

　　卫星接收天线用于接收来自北斗卫星的信号以及发射HAAPH系统的导航信号，其技术指标如表1所示。

　　HAAPH系统采用分布式网络结构，并以无线网络作为主通讯链路进行通信，系统通信结构图如图3所示。

图3 HAAPH系统通信结构图

　　当前，大部分重载铁路已经实现了4G网络的全线覆盖，这使得隧道内的HAAPH基站可以通过4G网络与信息中心进行数据传输。用户手持终端和车载终端同样利用4G网络传输数据，车载终端还进行了LTE-R传输方式的验证。

　　操作维护中心采用"N+1"服务部署设计，其内部网络则运用了路由器与交换机相结合的通信架构。为确保数据安全，内部网络与外部网络的接口需要安装防火墙以保护数据的安全性。业务系统可以选择在位置服务平台上部署，也可以选择在其他地点进行部署。如果选择在其他地点部署业务系统，则需要在防火墙层面进行隔离，以确保异地业务系统的安全性和网络数据的保密性。

　　为了实现重载铁路全线路的连续定位，本文将HAAPH系统与多项技术，包括北斗卫星定位、惯导、GIS等（GIS数据包括国内某重载铁路公司提供的线位、轨道里程等数据）。融合定位的示意图见图4，其定位结果直接用于列车和工作人员的精准定位，并被发送至北斗应用服务云平台的数据资源池，经处理后供其他相关应用系统使用。

图4 融合定位系统

　　HAAPH系统在重载铁路某隧道进行连续部署，为实现与北斗时同步，通常在隧道口部署首座HAAPH基站，隧道内其他基站依次与隧道口基站实现时钟同步。每个HAAPH基站通过4G/5G通信链路连接到HAAPH系统操作维护中心，实现HAAPH基站运行状态监控。

HAAPH基站在部署时，需要遵循以下原则：

(1) 独立的HAAPH子系统需要在任意一个HAAPH基站上提供UTC时间输入，可以是北斗/GPS/驯服原子钟等授时设备提供的授时信号；

(2) HAAPH基站应该固定在稳定的基座上，走线架贴近隧道壁，防止人为触动，不影响巡检人员的行走；

(3) HAAPH基站天线距离隧道墙壁至少30cm，天线高度超过列车顶部至少60cm；

(4) 平面隧道内HAAPH基站间可以通视的条件下，每1km布设一个HAAPH基站；

(5) 弯曲隧道内HAAPH基站间不能通视时，依据弯曲程度适当加密；

(6) 满足HAAPH基站覆盖的情况下，优先考虑通信条件好节点，如4G信号良好的站点或者具备有线通信条件的站点；

(7) HAAPH基站避开大功率微波站、大功率通信基站等，以免收到干扰；

(8) HAAPH基站天线避免大面积的告示牌，减少多径误差。

　　HAAPH基站的部署方式是在通视良好的条件下每公里部署一个基站，在弯道弧度较大的区域增加基站的数量。隧道内HAAPH基站部署图如图5所示。

图5 隧道内HAAPH基站部署图

　　HAAPH基站在隧道内的安装示意图如图6所示，外部提供AC220V电源，基站通过4G网络连接到操作维护中心。考虑铁路隧道墙壁受力问题，隧道内HAAPH系统各类设备均采用分体式安装方式。首个HAAPH基站安装在隧道口附近，与隧道口之间的距离小于50m，其余HAAPH基站在隧道单侧部署，间隔约1km。隧道弯曲处增加基站，各设备主机优先选择避车洞或设备洞室安装。隧道内基站主机和天线支架均通过膨胀螺栓与隧道壁进行固定。基站电源供电方式采用稳定供电+存储电池方式，隧道内基站用电从LTE箱或LTE杆介入稳定电源，电源单独走线，利用既有隧道支架或者膨胀螺栓固定在隧道壁上。当外部供电不稳定的情况下，存储电池的电量应能确保基站24h运行，从而保障隧道内定位的稳定性。

图6 HAAPH基站安装图

　　为了保障系统在雷电天气下的安全运行，HAAPH基站和卫星接收天线需要进行防雷和接地设计。具体设计包括以下方面：

（1）HAAPH基站的防护：

　　隧道内基站的防雷接地可以通过接入从电源引出的LTE接地接头实现，也可以连接到隧道内的通信贯通地线或信号贯通地线上。同时，我们使用满足4kV浪涌条件要求的合格电源适配器。在馈线进入设备时，安装直流阻断器DC Block，确保接地电阻不超过30Ω。

　　对于接地设计，在隧道内HAAPH基站和设备箱通过70mm²钢绞线与隧道接地线相连，并在馈线外部覆盖了PE管以进行防护。

（2）卫星接收天线的防护：

　　天线的防雷设计采取了直击雷的防护措施。具体来说，在卫星接收天线基座周围安装一根避雷针，使其高度满足卫星接收天线顶端处于避雷针与地面45°连线之下。避雷针接地采用Φ8圆钢与原有的避雷带或接地网焊接，确保接地电阻值不超过10Ω。天线馈线接入端采用低电容值放电气体管进行放电，以防止雷击电流通过馈线传导到北斗时间同步模块，造成模块物理损坏。

　　对于接地方面的设计，将金属接地极使用镀锌角钢、镀锌钢管、铜棒或铜板等金属材料，埋入接地沟中。接地沟的中心线与构筑物的基础距离不小于2m，独立避雷针的接地装置与重复接地之间距离不小于5m，以确保良好的接地效果。

　　为了验证该系统的有效性，我们在朔黄铁路全段部署了该系统后，随机选取了国内重载铁路上的某段隧道进行定位实验。我们在列车上以80km/h的速度穿过朔黄铁路上的某段隧道并全程进行定位测试，隧道的平面图如图7所示。

图7 隧道平面图

　　全程的定位测试结果图如图8所示。根据图8(a)、(b)、(c)、(b)可以看出，列车在进入以及离开隧道时的定位是连续的，说明我们的系统能够无缝切换北斗定位。根据图(c)可以看出，列车在隧道中的定位也是连续的，说明我们的系统可以在隧道内进行能高精度定位，全程定位精度达到亚米级。因此，我们的系统可以连续在重载铁路全程进行实时高精度定位。

图8 定位实验结果图

　　本文提出了陆基高精度自主PNT系统，该系统可利用定制融合定位终端实现北斗定位与HAAPH定位连续无缝切换，支持高速列车在隧道路段的高精度连续定位。为了验证方法的有效性，我们在国内某重载铁路一个5km隧道部署了HAAPH系统，以80km/h的速度行驶列车进行定位测试。结果表明，HAAPH系统能够在隧道内实现高精度定位，且在进入和离开隧道时能够无缝切换北斗定位，支持全路段的连续高精度实时定位。