鐵路導航精密單點定位方法改進及性能驗證

發布時間：2021-03-23所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：在鐵路導航應用中，通常采用差分GNSS定位的方式，需要在鐵路沿線設置差分參考站，從而提高定位精度，建設以及后續的運營維護成本較高。精密單點定位PPP是一種基于衛星導航系統的定位技術，PPP使用非差碼和載波相位觀測量，可通過在全球廣泛分布的參考

　　摘要：在鐵路導航應用中，通常采用差分GNSS定位的方式，需要在鐵路沿線設置差分參考站，從而提高定位精度，建設以及后續的運營維護成本較高。精密單點定位PPP是一種基于衛星導航系統的定位技術，PPP使用非差碼和載波相位觀測量，可通過在全球廣泛分布的參考站提供糾正參數，進而完成高精度的位置解算。PPP可實現動態分米級、靜態厘米級的定位精度，而且精度不隨著距離的增加而出現明顯降級，不需要自建參考站�；�于加拿大自然資源部的CSRS-PPP軟件，介紹了傳統組合精密單點定位的解算原理。通過典型場景分析PPP在鐵路導航應用中存在的實時性、可用性和安全性問題。提出一種改進的基于PPP和慣性導航系統INS的擴展卡爾曼濾波EKF組合定位方案，試驗結果表明，PPP/INS組合定位方法能夠在不降級定位精度的前提下解決因觀測量短暫不足導致的可用性問題。

　　關鍵詞：交通信息工程及控制;鐵路導航;精密單點定位;性能分析;應用架構;卡爾曼濾波

　　全球導航衛星系統(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)是中國BDS、美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo等系統的統稱，具有全方位、全天候、全時段和高精度等特性，現已廣泛用于基于位置和時間的服務。以GPS標準定位服務(SPS)為例，用戶利用一臺接收機即可在全球范圍內大部分地區實現95%時間內水平3m、垂直5m的定位精度[1]。

　　隨著GNSS技術的發展，先后出現了多種基于偽距和載波相位的差分技術。其基本原理是通過在確定位置建設參考站，實現對觀測量的連續觀測，并向移動站(即用戶)提供額外的差分改正信息，使得用戶能夠消除觀測量中的大部分誤差項，從而提高位置和時間的解算精度。其中，以偽距為主要觀測量的DGNSS(DifferentialGNSS)技術能夠實現動態分米級定位精度，而以更精密的載波相位為主要觀測量的載波相位差分技術則可以實現動態分米級甚至厘米級精度，靜態精度可達厘米級至毫米級[2]。

　　近十余年來，精密單點定位(PrecisePointPositioning，PPP)技術得到了飛速發展。PPP不需要建設傳統差分定位方式所需的地面參考基站，使用碼和載波相位觀測值，結合精密星歷和時鐘等產品，對影響解算精度的各誤差項進行改正，進而提高觀測量的精度，最終獲得高精度的目標接收機鐘差、位置等未知參數結果。PPP一詞來源于美國噴氣推進實驗室(JPL)，其可行性和基本原理最早被Zumberge等[3]、Kouba等[4]所討論。因其全球范圍內精度高、實時性較差等特點，在地理信息科學中的地殼形變監測、氣象學中的對流層延遲估計等領域得到了廣泛的應用，PPP也可以提供精密授時功能。隨著加拿大自然資源部(NaturalResourcesCanada，NRC)、GNSS服務組織(InternationalGNSSService，IGS)等國際組織所提供的精密時鐘和軌道等服務的日益完善，PPP的實時性問題正在逐步改善，因此也被更多的應用領域所關注�；�于BDS的PPP定位精度略低于GPS，其中的動態精度差別最明顯，主要原因在于BDS星座幾何結構相對GPS較差，在軌服務衛星數量也相對較少，同時軌道和時鐘產品精度也相對較低，但基于BDS的PPP依然達到了分米級定位精度[5]。

　　衛星導航在我國鐵路安全定位領域中的應用主要為導航應用[6]、控制測量、形變監測等，其中的導航應用以列車運行控制系統測速定位為主。我國列車運行控制系統(ChineseTrainControlSystem，CTCS)當前最高等級的CTCS-3采用車載里程計進行列車位置推算，并通過地面間隔布設的應答器來修正累積誤差，最終實現列車定位。為了消除累積誤差保證定位精度，需要在軌旁大量布設應答器，建設和運維成本高，難以適應自然環境苛刻的偏遠地區的低密度線路以及現代基于通信的列車運行控制系統對于成本及性能的需求[7]。一種有效的解決方法是GNSS，因為不存在累積誤差，因此可以減少軌旁設備[8]。在下一代列控系統研究中，歐洲ETCS(EuropeTrainControlSystem)、中國CTCS、美國PTC(PositiveTrainControl)系統均提出了以車載為中心、基于GNSS的列車自主定位等基本原則[9]。

　　相關期刊推薦：《鐵道學報》雜志是中國科學技術協會主管，中國鐵道學會主辦的綜合性學術刊物。本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：電氣化、鐵道通信信號、鐵道工程等。

　　以列控系統為代表的鐵路導航定位應用通常采用DGPS技術，為保證精度需要使用差分基站，我國青藏鐵路格爾木至拉薩段采用的信號系統便是基于DGPS定位的ITCS系統，沿線設置了眾多的基站，帶來了大量的建設和運維成本�；�于非差碼和載波相位的PPP技術能克服這一缺點，在無參考站精度增強的情況下實現全球尺度動態分米級的高精度解算。伴隨著PPP技術向實時化方向所取得的進展，IGS已經可以提供PPP實時服務(RTS)，并且已經出現了商用的實時PPP系統TrimbleRTX[10]。當前，實時動態PPP精度在分米級，但仍需要15min左右的收斂時間[11]。為提高定位結果的可用性，PPP技術通常需要與慣性傳感器等組合使用，收斂后水平動態精度仍然能夠保持在分米級[12-14]。

　　實時PPP(RT-PPP)是PPP技術發展的重要方向，因實時性問題，國內外尚未開展基于PPP的鐵路導航定位應用研究，隨著RT-PPP的到來，有必要對PPP鐵路導航應用的可行性進行評估，為技術升級提供依據。同時，鐵路導航應用中使用的數字軌道地圖，在制作中對于實時性要求不高，PPP同傳統基于DGNSS等制圖方法相比，具備精度、成本等優勢�；�于GNSS的定位同傳統的鐵路定位方式相比，傳感器不僅包括軌旁設備，還同導航星座有關，因此定位性能隨環境不同而變化，需在實際的運行環境下進行評估和驗證[15]。同時，針對鐵路導航定位應用的高安全屬性，需要設計可信的質量控制方案，以有效剔除濾波過程中的粗差。本文以鐵路實際應用為背景，通過對鐵路現場數據的采集和處理，評估了CSRS-PPP(CanadianSpatialReferenceSystem-PPP)軟件性能，研究了PPP技術在鐵路導航定位應用中的可行性，通過引入慣性傳感器和質量控制，給出了可行的鐵路精密單點定位應用方法。

　　1精密單點定位技術

　　PPP工作原理見圖1。精密單點定位使用非差碼和載波相位觀測量，根據不同的使用頻率可以分為雙頻和單頻PPP[16-17]，兩種方式使用不同的觀測量組合模型。傳統PPP模型[18](TraditionalPPPModel)是一種常用的觀測量組合模型，使用雙頻GPS碼和載波相位觀測量，并通過雙頻消電離層組合(Ionosphere-freeCombination，IF)構建組合觀測量，組成含有未知參數的方程組，結合NRC、IGS等提供的修正產品對觀測量中的各誤差項進行模型糾正，剩余的誤差項則和估計目標的位置等參數作為未知量進行參數估計，常用的方法為卡爾曼濾波和最小二乘。

　　從2003年開始，加拿大自然資源部使用CSRS-PPP軟件，提供在線的PPP服務，用戶通過在線提交GNSS觀測文件就可以得到全球范圍內的高精度定位結果。CSRS-PPP可以處理靜態或動態模式下的GNSS單頻或雙頻觀測文件[19]。圖2顯示了兩個不同軟件版本動態解算的誤差，其中ECEFx、y、z表示地心地固坐標系的x、y、z三個方向軸。

　　2PPP在鐵路導航定位的應用性能分析

　　為驗證PPP在鐵路應用中的性能，試驗采用NavComSF-2050接收機采集GPS雙頻碼以及載波相位觀測量，見圖3，其接收機的天線型號為NAVAN2004T，并已包含在天線相位糾正文件igs08.atx中。參考系統則為NovAtel的SPANProPak6GNSS接收機，兩個接收機天線的相對位置已知并靠近安裝。整個試驗由靜態、動態兩部分組成，并設置了不同的參數，以滿足分析需要。

　　2.1實時性驗證

　　精密單點定位的實時性受輸入文件實時性的限制，因此PPP的實時性較差。提供實時服務也是IGS等國際機構的發展方向。在靜態解算中，除了輸入文件的限制，PPP要收斂到標稱的厘米級精度，仍需要較長的收斂時間。

　　分別采集兩處地點的GPS雙頻觀測文件開展相關的研究，本次試驗評估了PPP在靜態模式以及動態模式下的收斂性。當PPP工作在靜態模式時，GPS觀測量的輸出周期為30s，采集時長約4h。圖4為靜態定位誤差，結果表明精密單點定位收斂到分米級精度需要約15min。

　　圖5為當GPS觀測周期為1s時，PPP的動態解算誤差。試驗結果表明，精密單點定位收斂到分米級定位精度需要超過30min。在初始的解算階段，由于載波相位模糊度的估計精度不足，需要足夠多的觀測歷元來確定模糊度參數。因此，在精密單點定位的解算過程中，隨著觀測歷元的逐漸增加，模糊度逐漸確定，進而使解算誤差趨于收斂。

　　試驗結果表明，在靜態模式下，即便PPP能夠獲取到實時輸入文件，仍然需要較長的時間才能將定位誤差收斂到分米級，期間其定位誤差最高可達2.5m。在動態模式下，受環境影響定位誤差可達5m。

　　2.2可用性驗證

　　在不存在遮擋的靜態工作模式下，精密單點定位可以輸出連續的解算結果。然而，在動態工作模式下，遮擋會導致觀測量不足。而且，圖6中動態觀測條件下接收機會出現觀測量為零的情況。分析數據表明，PRN16號衛星的P2、L2觀測值異常，顯示為零。所以，當精密單點定位設置為使用雙頻消電離層組合解算時，由于L2頻段的觀測量缺失，對應的歷元無解算結果輸出。圖7中試驗一共采集了12000個歷元的觀測量，而觀測值的缺失導致了有若干歷元無法獲得解算結果。進一步分析發現，這種情況導致的解算失敗間隔較短，試驗中通常不超過10個歷元。因此，為了能夠輸出連續的定位結果，可以采用精密單點定位和慣性導航組合的方式，提高定位結果的可用性。

　　2.3安全性驗證

　　周跳是在接收導航衛星載波信號時，接收機由于某種原因導致載波相位跟蹤環路的計數停止，隨后又恢復載波相位整周計數，導致載波相位周期的計數值有一個整數周的跳變。如果不能準確探測并修復周跳，將導致定位精度降級，影響定位應用的安全性和結果的可信度。

　　為驗證PPP對周跳的探測和修復性能，試驗以故障注入的方式向觀測量中添加周跳，添加的時間設置為解算結果收斂到厘米級精度時，將固定偏移的周跳添加到所有可見衛星的觀測值中，并持續到觀測結束。圖8所示試驗中的PPP能夠準確探測周跳，對于解算精度沒有影響。

　　除了自身解算算法對結果的影響，輸入文件的可信度也直接影響解算結果，PPP在程序初始階段，會設置固定的碼、載波相位觀測精度等參數值作為參數估計的輸入，這些參數具有普遍性，但可信度較低，不能完全符合當前特定觀測地的參數特征。因此，目前PPP的解算結果無完備的安全性保障。

　　3改進的鐵路精密單點定位應用方法及驗證

　　3.1方法介紹

　　鐵路導航應用是一種實時和高安全應用，同時，根據我國《鐵路技術管理規程》中關于相鄰線間距的規定，為了能夠區分區間和站內股道，定位精度應優于2m。由上一節鐵路應用環境下的性能驗證可知，當PPP收斂后精度可優于2m，但由于歷元缺失存在可用性問題。圖9給出了改進的鐵路精密單點定位應用方法，為提高定位方法的可用性，引入了慣性傳感器。

　　4結束語

　　本文基于加拿大自然資源部CSRS-PPP軟件介紹了傳統精密單點定位解算原理。通過鐵路現場采集的數據分析了PPP技術在鐵路導航定位應用中所面臨的實時性、可用性和安全性問題。結果表明，受可用性和安全性限制，PPP在收斂后仍無法滿足鐵路實時導航定位應用的需求。為此，提出了一種改進方案，通過引入慣性傳感器來改善定位的可用性，同時，為改善組合定位的安全性，引入DIA質量控制方法進行濾波過程中的誤差探測和修復。結果表明，組合定位方法能夠有效提高基于PPP的鐵路導航定位應用的可用性。

　　當前，在IGS等國際組織的努力下，PPP正在邁向實時解算，如何設計合理的方案，將最新的服務產品用于基于PPP的鐵路導航定位應用，同時提高質量控制的性能是下一步需要重點解決的問題，PPP技術將為基于衛星導航系統的鐵路應用提供一種新的思路。——論文作者：靳成銘1，蔡伯根1，2，王劍1，2，3，上官偉1，2，3，AllisonKealy4