北斗導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

　　實(shí)現(xiàn)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的安全定位，需要保證衛(wèi)星定位的精確度、連續(xù)性和完好性，能夠持續(xù)獲取準(zhǔn)確的位置信息，保證運(yùn)行安全： 能夠監(jiān)測(cè)并評(píng)估故障，提出告警。

　　針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，以下方法被提出并應(yīng)用于輔助定位： 是組合定位技術(shù)，用于解決定位完整性、連續(xù)性的問(wèn)題; 二是差分定位技術(shù)，主要用于輔助提高定位精度; 三是組合系統(tǒng)的完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)自主完好性監(jiān)測(cè)。

　　一、組合定位技術(shù)

　　組合定位是采用其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)源與BDS 系統(tǒng)的定位信息結(jié)合，輔助提高BDS 系統(tǒng)的定位精度與完整性、連續(xù)性，本文使用的技術(shù)手段包括多模衛(wèi)星組合定位和多傳感器信息融合組合定位。

　　1.1 多模衛(wèi)星組合定位

　　由于目前BDS 系統(tǒng)還處于建設(shè)期，衛(wèi)星數(shù)量還相對(duì)較少，廣播星歷的精度有待提高，而衛(wèi)星覆蓋率，可用衛(wèi)星數(shù)量和空信號(hào)精度直接影響定位的效果。因此，采用GPS/GLONASS/Galileo 系統(tǒng)進(jìn)-步補(bǔ)充和增強(qiáng)系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)資源，是解決BDS 系統(tǒng)定位不足并優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用的重要途徑。

　　多模衛(wèi)星組合定位就是用- 一臺(tái)衛(wèi)星定位接收機(jī)同時(shí)接收和測(cè)量BDS 系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，從而能夠綜合利用多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精確測(cè)出三維位置、三維速度、時(shí)間和姿態(tài)等相關(guān)參數(shù)。多模組合定位需要將多種定位功能組合在一一個(gè)單元內(nèi)，由于BDS 系統(tǒng)與GPS這兩種星基導(dǎo)航系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)置、導(dǎo)航定位機(jī)理、工作頻段、調(diào)制方式、信號(hào)和星歷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面基本相同或相近，都以發(fā)射擴(kuò)頻測(cè)距碼、測(cè)量衛(wèi)星與用戶(hù)之間的偽距來(lái)完成導(dǎo)航定位，而且GPS 系統(tǒng)建設(shè)完善，定位精度高，所以本文使用BDS/GPS 雙模冗余組合實(shí)現(xiàn)多模組合定位解決方案。

　　BDS/GPS 雙模衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)基于軟件無(wú)線(xiàn)電思想設(shè)計(jì)問(wèn)，由BDS/GPS F 變頻單元、信號(hào)處理單元、PVT （位置、速度、時(shí)間） 解算單元、RTC （實(shí)時(shí)時(shí)鐘）守時(shí)單元、對(duì)外接口單元和電源模塊等組成。系統(tǒng)所用天線(xiàn)為有源接收天線(xiàn)，由BDS/GPS 天線(xiàn)板和低噪聲放大器組成。下變頻單元由GPS和北斗射頻模塊組成，將天線(xiàn)送來(lái)的信號(hào)下變頻; 信號(hào)處理單元跟蹤機(jī)載天線(xiàn)送來(lái)的GPS和BDS 衛(wèi)星信號(hào)，以用戶(hù)時(shí)鐘為參考，提供各衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)時(shí)間，最后將解調(diào)數(shù)據(jù)、信號(hào)到達(dá)時(shí)間送至PVT解算單元： PVT解算單元實(shí)現(xiàn)定位坐標(biāo)的解算、定位結(jié)果濾波、定位誤差修I正等數(shù)據(jù)處理; RTC守時(shí)單元輸出不間斷的時(shí)間信息至PVT解算單元，完成時(shí)間基準(zhǔn)的保持。接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

　　BDS 和GPS的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)基帶信號(hào)處理單元分別進(jìn)行捕獲、跟蹤、觀(guān)測(cè)量提取和導(dǎo)航電文提取操作，不同衛(wèi)星的信號(hào)用各自專(zhuān)有的數(shù)字通道處理，并行工作。PVT解算單元接收基帶信號(hào)處理單元輸出的輸出導(dǎo)航電文和碼偽距、多普勒頻率、載波相位測(cè)量和本地時(shí)間等觀(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行自主導(dǎo)航運(yùn)算，在偽碼的跟蹤狀態(tài)下，計(jì)算得到用戶(hù)到衛(wèi)星的偽距p，解算獲得用戶(hù)的位置和衛(wèi)星與用戶(hù)的鐘差。解算應(yīng)F 月Kalman濾波算法，可以獲得較高的噪聲抑制能力，并且能夠時(shí)給出用戶(hù)的速度信息。

　　1.2 多傳感器組合定位

　　軌道交通的運(yùn)行環(huán)境特殊，具有涉及地域廣泛，環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，存在- 一些衛(wèi)星信號(hào)遮擋的區(qū)域。為了得到連續(xù)可靠的定位信息，確保列車(chē)定位信息的安全，通常采用信息融合的方法，利用多傳感器組合輔助保障定位17.81。

　　組合定位測(cè)量系統(tǒng)可以包括多種傳感器，如里程計(jì)、衛(wèi)星定位接收機(jī)、慣性傳感器等。各種傳感器都連接到車(chē)：載定位計(jì)算機(jī)，由車(chē)載定位計(jì)算機(jī)通過(guò)不同傳感器提供的冗余位置測(cè)量信息（包括列車(chē)位置、速度、航向等），采用多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，綜合利用多源信息獲得列車(chē)位置量的最優(yōu)或次優(yōu)估計(jì)，高效的利用這些冗余信息完成定位結(jié)果的求解。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

　　根據(jù)Sage-Husa 自適應(yīng)濾波算法與衰減記憶濾波算法的特性，解決方案提出一種列車(chē)定位的自適應(yīng)信息融合算法，充分發(fā)揮兩種算法各自的優(yōu)勢(shì)，利用Sage-Husa 自適應(yīng)濾波提高濾波精度，而當(dāng)存在發(fā)散趨勢(shì)時(shí)使用衰減記憶濾波抑制發(fā)散，從而降低了信息融合對(duì)先驗(yàn)噪聲統(tǒng)計(jì)特性和模型選取的依賴(lài)，保證了信息融合的精度和穩(wěn)定性。

　　改進(jìn)的1自適應(yīng)算法的基本思想是在BDS/IMU 數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)、融合開(kāi)始時(shí)，先對(duì)本次融合的濾波發(fā)散趨勢(shì)進(jìn)行判斷，當(dāng)滿(mǎn)足收斂條件時(shí)，采用Sage-Husa 自適應(yīng)濾波進(jìn)行融合，而當(dāng)濾波發(fā)散時(shí)，采用指數(shù)加權(quán)衰減記憶濾波保持融合的穩(wěn)定。由于Sage-Husa 自適應(yīng)算法能夠有效提高濾波的精度，同時(shí)也具有一定的發(fā)散抑制能力，而衰減記憶濾波為了抑制發(fā)散需要以一定的精度為代價(jià)，因此只有當(dāng)濾波發(fā)散超過(guò)Sage-Husa 算法的承受能力時(shí)，融合才改用衰減記憶濾波，最大程度的發(fā)揮了兩種算法各自的優(yōu)勢(shì)。下圖給出了改進(jìn)的自適應(yīng)融合算法的流程。

　　二、差分定位技術(shù)

　　差分定位可以消除或者削弱衛(wèi)星導(dǎo)航定位中的接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等多種誤差，載波雙差后模糊度為整數(shù)，所以GPS 系統(tǒng)中差分定位應(yīng)用#非常廣泛。

　　差分定位包括偽距差分定位技術(shù)和實(shí)時(shí)載波相位差分定位技術(shù)10。偽距差分定位比較每顆衛(wèi)星每時(shí)刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離與偽距， 得出偽距改i正數(shù)，修iF 定位，能得到米級(jí)的定位精度。載波相位差分技術(shù)又稱(chēng)RTK （Real Time Kinematic） 技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)處理兩個(gè)觀(guān)測(cè)站載波相位觀(guān)測(cè)量的差分，求差解算坐標(biāo)，可使定位精度達(dá)到厘米級(jí)，大量應(yīng)用于動(dòng)態(tài)需要高精度位置的領(lǐng)域。

　　軌道交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)差分定位一般采用基準(zhǔn)站-移動(dòng)站差分系統(tǒng)。在地面設(shè)立差分基準(zhǔn)站，產(chǎn)^生衛(wèi)星定位差分信息，并播發(fā)給車(chē)載設(shè)備，以提高列車(chē)定位的精確度。一般在列車(chē)運(yùn)行控制方面采用偽距差分技術(shù)，在鐵路地理信息測(cè)繪方采用RTK技術(shù)。

　　差分系統(tǒng)可分為兩個(gè)基本部分：

　　（1） 地而基準(zhǔn)站： 基準(zhǔn)站同時(shí)采用兩臺(tái)GNSS 接收機(jī)，連續(xù)跟蹤觀(guān)測(cè)GNSS 衛(wèi)星，產(chǎn)生RTCMV2.0/V2.1修正數(shù)?；鶞?zhǔn)站天線(xiàn)坐標(biāo)采月WGS84 坐標(biāo)系，精度優(yōu)于土0.5 m; 輸出IS、5S、30S采樣間隔的GNSS 原始觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。

　?。?） 數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)： 系統(tǒng)通過(guò)GSM-R 網(wǎng)絡(luò)向用戶(hù)播發(fā)為分修i正數(shù)據(jù)。

　　差分基準(zhǔn)站建立在鐵路車(chē)站，采用雙套GNSS 接收機(jī)，每臺(tái)接收機(jī)都根據(jù)接收的GNSS 信號(hào)，產(chǎn)生差分改正數(shù)據(jù)，無(wú)線(xiàn)閉塞中心（RBC） 根據(jù)當(dāng)前列車(chē)位置，把相應(yīng)的差分基站的差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給列車(chē)。

　　三、定位系統(tǒng)自主完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)

　　在采用組合定位的過(guò)程中，由于傳感器資源增多、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，因此必須要對(duì)組合系統(tǒng)的故障、異常風(fēng)險(xiǎn)予以考慮，以盡可能地提高系統(tǒng)對(duì)異常情況的容忍能力，保障安全，提高系統(tǒng)完好性。

　　組合定位系統(tǒng)完好性監(jiān)測(cè)要在系統(tǒng)工作過(guò)程中對(duì)完好性性能狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的獲取和判斷，以衡量定位系統(tǒng)在故障（包括傳感器、子系統(tǒng)的軟故障和硬故障） 導(dǎo)致定位誤差超限時(shí)及時(shí)正確響應(yīng)的能力。解決方案的重要內(nèi)容即為實(shí)時(shí)的故障檢測(cè)和診斷（FaultDetectionandDiagsi FDD），在基本的衛(wèi)星定位接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(cè)（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM） 算法基礎(chǔ)上將完好性設(shè)計(jì)拓展到整個(gè)組合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定位系統(tǒng)自主完好性監(jiān)測(cè)（LocatorAutonomousItgririLAIM），使系統(tǒng)具備及時(shí)發(fā)現(xiàn)并確定故障來(lái)源，從而評(píng)估故障等級(jí)的能力。下圖給出了組合定位系統(tǒng)自主完好性監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)原理。