發(fā)布時(shí)間：2021-03-23所屬分類(lèi)：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：在鐵路導(dǎo)航應(yīng)用中，通常采用差分GNSS定位的方式，需要在鐵路沿線設(shè)置差分參考站，從而提高定位精度，建設(shè)以及后續(xù)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高。精密單點(diǎn)定位PPP是一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位技術(shù)，PPP使用非差碼和載波相位觀測(cè)量，可通過(guò)在全球廣泛分布的參考
摘要：在鐵路導(dǎo)航應(yīng)用中，通常采用差分GNSS定位的方式，需要在鐵路沿線設(shè)置差分參考站，從而提高定位精度，建設(shè)以及后續(xù)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本較高。精密單點(diǎn)定位PPP是一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位技術(shù)，PPP使用非差碼和載波相位觀測(cè)量，可通過(guò)在全球廣泛分布的參考站提供糾正參數(shù)，進(jìn)而完成高精度的位置解算。PPP可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分米級(jí)、靜態(tài)厘米級(jí)的定位精度，而且精度不隨著距離的增加而出現(xiàn)明顯降級(jí)，不需要自建參考站。基于加拿大自然資源部的CSRS-PPP軟件，介紹了傳統(tǒng)組合精密單點(diǎn)定位的解算原理。通過(guò)典型場(chǎng)景分析PPP在鐵路導(dǎo)航應(yīng)用中存在的實(shí)時(shí)性、可用性和安全性問(wèn)題。提出一種改進(jìn)的基于PPP和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS的擴(kuò)展卡爾曼濾波EKF組合定位方案，試驗(yàn)結(jié)果表明，PPP/INS組合定位方法能夠在不降級(jí)定位精度的前提下解決因觀測(cè)量短暫不足導(dǎo)致的可用性問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：交通信息工程及控制;鐵路導(dǎo)航;精密單點(diǎn)定位;性能分析;應(yīng)用架構(gòu);卡爾曼濾波
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)是中國(guó)BDS、美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo等系統(tǒng)的統(tǒng)稱，具有全方位、全天候、全時(shí)段和高精度等特性，現(xiàn)已廣泛用于基于位置和時(shí)間的服務(wù)。以GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)為例，用戶利用一臺(tái)接收機(jī)即可在全球范圍內(nèi)大部分地區(qū)實(shí)現(xiàn)95%時(shí)間內(nèi)水平3m、垂直5m的定位精度[1]。
隨著GNSS技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了多種基于偽距和載波相位的差分技術(shù)。其基本原理是通過(guò)在確定位置建設(shè)參考站，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)量的連續(xù)觀測(cè)，并向移動(dòng)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(cè)量中的大部分誤差項(xiàng)，從而提高位置和時(shí)間的解算精度。其中，以偽距為主要觀測(cè)量的DGNSS(DifferentialGNSS)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)分米級(jí)定位精度，而以更精密的載波相位為主要觀測(cè)量的載波相位差分技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分米級(jí)甚至厘米級(jí)精度，靜態(tài)精度可達(dá)厘米級(jí)至毫米級(jí)[2]。
近十余年來(lái)，精密單點(diǎn)定位(PrecisePointPositioning，PPP)技術(shù)得到了飛速發(fā)展。PPP不需要建設(shè)傳統(tǒng)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(cè)值，結(jié)合精密星歷和時(shí)鐘等產(chǎn)品，對(duì)影響解算精度的各誤差項(xiàng)進(jìn)行改正，進(jìn)而提高觀測(cè)量的精度，最終獲得高精度的目標(biāo)接收機(jī)鐘差、位置等未知參數(shù)結(jié)果。PPP一詞來(lái)源于美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(nèi)精度高、實(shí)時(shí)性較差等特點(diǎn)，在地理信息科學(xué)中的地殼形變監(jiān)測(cè)、氣象學(xué)中的對(duì)流層延遲估計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，PPP也可以提供精密授時(shí)功能。隨著加拿大自然資源部(NaturalResourcesCanada，NRC)、GNSS服務(wù)組織(InternationalGNSSService，IGS)等國(guó)際組織所提供的精密時(shí)鐘和軌道等服務(wù)的日益完善，PPP的實(shí)時(shí)性問(wèn)題正在逐步改善，因此也被更多的應(yīng)用領(lǐng)域所關(guān)注。基于BDS的PPP定位精度略低于GPS，其中的動(dòng)態(tài)精度差別最明顯，主要原因在于BDS星座幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)GPS較差，在軌服務(wù)衛(wèi)星數(shù)量也相對(duì)較少，同時(shí)軌道和時(shí)鐘產(chǎn)品精度也相對(duì)較低，但基于BDS的PPP依然達(dá)到了分米級(jí)定位精度[5]。
衛(wèi)星導(dǎo)航在我國(guó)鐵路安全定位領(lǐng)域中的應(yīng)用主要為導(dǎo)航應(yīng)用[6]、控制測(cè)量、形變監(jiān)測(cè)等，其中的導(dǎo)航應(yīng)用以列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)測(cè)速定位為主。我國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(ChineseTrainControlSystem，CTCS)當(dāng)前最高等級(jí)的CTCS-3采用車(chē)載里程計(jì)進(jìn)行列車(chē)位置推算，并通過(guò)地面間隔布設(shè)的應(yīng)答器來(lái)修正累積誤差，最終實(shí)現(xiàn)列車(chē)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(shè)應(yīng)答器，建設(shè)和運(yùn)維成本高，難以適應(yīng)自然環(huán)境苛刻的偏遠(yuǎn)地區(qū)的低密度線路以及現(xiàn)代基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)對(duì)于成本及性能的需求[7]。一種有效的解決方法是GNSS，因?yàn)椴淮嬖诶鄯e誤差，因此可以減少軌旁設(shè)備[8]。在下一代列控系統(tǒng)研究中，歐洲ETCS(EuropeTrainControlSystem)、中國(guó)CTCS、美國(guó)PTC(PositiveTrainControl)系統(tǒng)均提出了以車(chē)載為中心、基于GNSS的列車(chē)自主定位等基本原則[9]。
相關(guān)期刊推薦：《鐵道學(xué)報(bào)》雜志是中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管，中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)主辦的綜合性學(xué)術(shù)刊物。本刊在國(guó)內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時(shí)效性強(qiáng)的特點(diǎn)，其中主要欄目有：電氣化、鐵道通信信號(hào)、鐵道工程等。
以列控系統(tǒng)為代表的鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用通常采用DGPS技術(shù)，為保證精度需要使用差分基站，我國(guó)青藏鐵路格爾木至拉薩段采用的信號(hào)系統(tǒng)便是基于DGPS定位的ITCS系統(tǒng)，沿線設(shè)置了眾多的基站，帶來(lái)了大量的建設(shè)和運(yùn)維成本。基于非差碼和載波相位的PPP技術(shù)能克服這一缺點(diǎn)，在無(wú)參考站精度增強(qiáng)的情況下實(shí)現(xiàn)全球尺度動(dòng)態(tài)分米級(jí)的高精度解算。伴隨著PPP技術(shù)向?qū)崟r(shí)化方向所取得的進(jìn)展，IGS已經(jīng)可以提供PPP實(shí)時(shí)服務(wù)(RTS)，并且已經(jīng)出現(xiàn)了商用的實(shí)時(shí)PPP系統(tǒng)TrimbleRTX[10]。當(dāng)前，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)PPP精度在分米級(jí)，但仍需要15min左右的收斂時(shí)間[11]。為提高定位結(jié)果的可用性，PPP技術(shù)通常需要與慣性傳感器等組合使用，收斂后水平動(dòng)態(tài)精度仍然能夠保持在分米級(jí)[12-14]。
實(shí)時(shí)PPP(RT-PPP)是PPP技術(shù)發(fā)展的重要方向，因?qū)崟r(shí)性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外尚未開(kāi)展基于PPP的鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用研究，隨著RT-PPP的到來(lái)，有必要對(duì)PPP鐵路導(dǎo)航應(yīng)用的可行性進(jìn)行評(píng)估，為技術(shù)升級(jí)提供依據(jù)。同時(shí)，鐵路導(dǎo)航應(yīng)用中使用的數(shù)字軌道地圖，在制作中對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高，PPP同傳統(tǒng)基于DGNSS等制圖方法相比，具備精度、成本等優(yōu)勢(shì)。基于GNSS的定位同傳統(tǒng)的鐵路定位方式相比，傳感器不僅包括軌旁設(shè)備，還同導(dǎo)航星座有關(guān)，因此定位性能隨環(huán)境不同而變化，需在實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證[15]。同時(shí)，針對(duì)鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用的高安全屬性，需要設(shè)計(jì)可信的質(zhì)量控制方案，以有效剔除濾波過(guò)程中的粗差。本文以鐵路實(shí)際應(yīng)用為背景，通過(guò)對(duì)鐵路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和處理，評(píng)估了CSRS-PPP(CanadianSpatialReferenceSystem-PPP)軟件性能，研究了PPP技術(shù)在鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用中的可行性，通過(guò)引入慣性傳感器和質(zhì)量控制，給出了可行的鐵路精密單點(diǎn)定位應(yīng)用方法。
1精密單點(diǎn)定位技術(shù)
PPP工作原理見(jiàn)圖1。精密單點(diǎn)定位使用非差碼和載波相位觀測(cè)量，根據(jù)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(cè)量組合模型。傳統(tǒng)PPP模型[18](TraditionalPPPModel)是一種常用的觀測(cè)量組合模型，使用雙頻GPS碼和載波相位觀測(cè)量，并通過(guò)雙頻消電離層組合(Ionosphere-freeCombination，IF)構(gòu)建組合觀測(cè)量，組成含有未知參數(shù)的方程組，結(jié)合NRC、IGS等提供的修正產(chǎn)品對(duì)觀測(cè)量中的各誤差項(xiàng)進(jìn)行模型糾正，剩余的誤差項(xiàng)則和估計(jì)目標(biāo)的位置等參數(shù)作為未知量進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，常用的方法為卡爾曼濾波和最小二乘。
從2003年開(kāi)始，加拿大自然資源部使用CSRS-PPP軟件，提供在線的PPP服務(wù)，用戶通過(guò)在線提交GNSS觀測(cè)文件就可以得到全球范圍內(nèi)的高精度定位結(jié)果。CSRS-PPP可以處理靜態(tài)或動(dòng)態(tài)模式下的GNSS單頻或雙頻觀測(cè)文件[19]。圖2顯示了兩個(gè)不同軟件版本動(dòng)態(tài)解算的誤差，其中ECEFx、y、z表示地心地固坐標(biāo)系的x、y、z三個(gè)方向軸。
2PPP在鐵路導(dǎo)航定位的應(yīng)用性能分析
為驗(yàn)證PPP在鐵路應(yīng)用中的性能，試驗(yàn)采用NavComSF-2050接收機(jī)采集GPS雙頻碼以及載波相位觀測(cè)量，見(jiàn)圖3，其接收機(jī)的天線型號(hào)為NAVAN2004T，并已包含在天線相位糾正文件igs08.atx中。參考系統(tǒng)則為NovAtel的SPANProPak6GNSS接收機(jī)，兩個(gè)接收機(jī)天線的相對(duì)位置已知并靠近安裝。整個(gè)試驗(yàn)由靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩部分組成，并設(shè)置了不同的參數(shù)，以滿足分析需要。
2.1實(shí)時(shí)性驗(yàn)證
精密單點(diǎn)定位的實(shí)時(shí)性受輸入文件實(shí)時(shí)性的限制，因此PPP的實(shí)時(shí)性較差。提供實(shí)時(shí)服務(wù)也是IGS等國(guó)際機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向。在靜態(tài)解算中，除了輸入文件的限制，PPP要收斂到標(biāo)稱的厘米級(jí)精度，仍需要較長(zhǎng)的收斂時(shí)間。
分別采集兩處地點(diǎn)的GPS雙頻觀測(cè)文件開(kāi)展相關(guān)的研究，本次試驗(yàn)評(píng)估了PPP在靜態(tài)模式以及動(dòng)態(tài)模式下的收斂性。當(dāng)PPP工作在靜態(tài)模式時(shí)，GPS觀測(cè)量的輸出周期為30s，采集時(shí)長(zhǎng)約4h。圖4為靜態(tài)定位誤差，結(jié)果表明精密單點(diǎn)定位收斂到分米級(jí)精度需要約15min。
圖5為當(dāng)GPS觀測(cè)周期為1s時(shí)，PPP的動(dòng)態(tài)解算誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明，精密單點(diǎn)定位收斂到分米級(jí)定位精度需要超過(guò)30min。在初始的解算階段，由于載波相位模糊度的估計(jì)精度不足，需要足夠多的觀測(cè)歷元來(lái)確定模糊度參數(shù)。因此，在精密單點(diǎn)定位的解算過(guò)程中，隨著觀測(cè)歷元的逐漸增加，模糊度逐漸確定，進(jìn)而使解算誤差趨于收斂。
試驗(yàn)結(jié)果表明，在靜態(tài)模式下，即便PPP能夠獲取到實(shí)時(shí)輸入文件，仍然需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能將定位誤差收斂到分米級(jí)，期間其定位誤差最高可達(dá)2.5m。在動(dòng)態(tài)模式下，受環(huán)境影響定位誤差可達(dá)5m。
2.2可用性驗(yàn)證
在不存在遮擋的靜態(tài)工作模式下，精密單點(diǎn)定位可以輸出連續(xù)的解算結(jié)果。然而，在動(dòng)態(tài)工作模式下，遮擋會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)量不足。而且，圖6中動(dòng)態(tài)觀測(cè)條件下接收機(jī)會(huì)出現(xiàn)觀測(cè)量為零的情況。分析數(shù)據(jù)表明，PRN16號(hào)衛(wèi)星的P2、L2觀測(cè)值異常，顯示為零。所以，當(dāng)精密單點(diǎn)定位設(shè)置為使用雙頻消電離層組合解算時(shí)，由于L2頻段的觀測(cè)量缺失，對(duì)應(yīng)的歷元無(wú)解算結(jié)果輸出。圖7中試驗(yàn)一共采集了12000個(gè)歷元的觀測(cè)量，而觀測(cè)值的缺失導(dǎo)致了有若干歷元無(wú)法獲得解算結(jié)果。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，這種情況導(dǎo)致的解算失敗間隔較短，試驗(yàn)中通常不超過(guò)10個(gè)歷元。因此，為了能夠輸出連續(xù)的定位結(jié)果，可以采用精密單點(diǎn)定位和慣性導(dǎo)航組合的方式，提高定位結(jié)果的可用性。
2.3安全性驗(yàn)證
周跳是在接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波信號(hào)時(shí)，接收機(jī)由于某種原因?qū)е螺d波相位跟蹤環(huán)路的計(jì)數(shù)停止，隨后又恢復(fù)載波相位整周計(jì)數(shù)，導(dǎo)致載波相位周期的計(jì)數(shù)值有一個(gè)整數(shù)周的跳變。如果不能準(zhǔn)確探測(cè)并修復(fù)周跳，將導(dǎo)致定位精度降級(jí)，影響定位應(yīng)用的安全性和結(jié)果的可信度。
為驗(yàn)證PPP對(duì)周跳的探測(cè)和修復(fù)性能，試驗(yàn)以故障注入的方式向觀測(cè)量中添加周跳，添加的時(shí)間設(shè)置為解算結(jié)果收斂到厘米級(jí)精度時(shí)，將固定偏移的周跳添加到所有可見(jiàn)衛(wèi)星的觀測(cè)值中，并持續(xù)到觀測(cè)結(jié)束。圖8所示試驗(yàn)中的PPP能夠準(zhǔn)確探測(cè)周跳，對(duì)于解算精度沒(méi)有影響。
除了自身解算算法對(duì)結(jié)果的影響，輸入文件的可信度也直接影響解算結(jié)果，PPP在程序初始階段，會(huì)設(shè)置固定的碼、載波相位觀測(cè)精度等參數(shù)值作為參數(shù)估計(jì)的輸入，這些參數(shù)具有普遍性，但可信度較低，不能完全符合當(dāng)前特定觀測(cè)地的參數(shù)特征。因此，目前PPP的解算結(jié)果無(wú)完備的安全性保障。
3改進(jìn)的鐵路精密單點(diǎn)定位應(yīng)用方法及驗(yàn)證
3.1方法介紹
鐵路導(dǎo)航應(yīng)用是一種實(shí)時(shí)和高安全應(yīng)用，同時(shí)，根據(jù)我國(guó)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中關(guān)于相鄰線間距的規(guī)定，為了能夠區(qū)分區(qū)間和站內(nèi)股道，定位精度應(yīng)優(yōu)于2m。由上一節(jié)鐵路應(yīng)用環(huán)境下的性能驗(yàn)證可知，當(dāng)PPP收斂后精度可優(yōu)于2m，但由于歷元缺失存在可用性問(wèn)題。圖9給出了改進(jìn)的鐵路精密單點(diǎn)定位應(yīng)用方法，為提高定位方法的可用性，引入了慣性傳感器。
4結(jié)束語(yǔ)
本文基于加拿大自然資源部CSRS-PPP軟件介紹了傳統(tǒng)精密單點(diǎn)定位解算原理。通過(guò)鐵路現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)分析了PPP技術(shù)在鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用中所面臨的實(shí)時(shí)性、可用性和安全性問(wèn)題。結(jié)果表明，受可用性和安全性限制，PPP在收斂后仍無(wú)法滿足鐵路實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位應(yīng)用的需求。為此，提出了一種改進(jìn)方案，通過(guò)引入慣性傳感器來(lái)改善定位的可用性，同時(shí)，為改善組合定位的安全性，引入DIA質(zhì)量控制方法進(jìn)行濾波過(guò)程中的誤差探測(cè)和修復(fù)。結(jié)果表明，組合定位方法能夠有效提高基于PPP的鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用的可用性。
當(dāng)前，在IGS等國(guó)際組織的努力下，PPP正在邁向?qū)崟r(shí)解算，如何設(shè)計(jì)合理的方案，將最新的服務(wù)產(chǎn)品用于基于PPP的鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用，同時(shí)提高質(zhì)量控制的性能是下一步需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，PPP技術(shù)將為基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的鐵路應(yīng)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
