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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)的運營維護成本較高。精密單點定位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量，可通過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)的運營維護成本較高。精密單點定位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量，可通過在全球廣泛分布的參考站提供糾正參數(shù)，進而完成高精度的位置解算。PPP可實現(xiàn)動態(tài)分米級、靜態(tài)厘米級的定位精度，而且精度不隨著距離的增加而出現(xiàn)明顯降級，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)組合精密單點定位的解算原理。通過典型場景分析PPP在鐵路導(dǎo)航應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)INS的擴展卡爾曼濾波EKF組合定位方案，試驗結(jié)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(dǎo)致的可用性問題。
關(guān)鍵詞：交通信息工程及控制;鐵路導(dǎo)航;精密單點定位;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BDS、美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo等系統(tǒng)的統(tǒng)稱，具有全方位、全天候、全時段和高精度等特性，現(xiàn)已廣泛用于基于位置和時間的服務(wù)。以GPS標準定位服務(wù)(SPS)為例，用戶利用一臺接收機即可在全球范圍內(nèi)大部分地區(qū)實現(xiàn)95%時間內(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)。其基本原理是通過在確定位置建設(shè)參考站，實現(xiàn)對觀測量的連續(xù)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(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)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(shù)則可以實現(xiàn)動態(tài)分米級甚至厘米級精度，靜態(tài)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(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值，結(jié)合精密星歷和時鐘等產(chǎn)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(shù)結(jié)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(nèi)精度高、實時性較差等特點，在地理信息科學(xué)中的地殼形變監(jiān)測、氣象學(xué)中的對流層延遲估計等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)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(wù)組織(InternationalGNSSService，IGS)等國際組織所提供的精密時鐘和軌道等服務(wù)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(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GPS較差，在軌服務(wù)衛(wèi)星數(shù)量也相對較少，同時軌道和時鐘產(chǎn)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(wèi)星導(dǎo)航在我國鐵路安全定位領(lǐng)域中的應(yīng)用主要為導(dǎo)航應(yīng)用[6]、控制測量、形變監(jiān)測等，其中的導(dǎo)航應(yīng)用以列車運行控制系統(tǒng)測速定位為主。我國列車運行控制系統(tǒng)(ChineseTrainControlSystem，CTCS)當(dāng)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(shè)的應(yīng)答器來修正累積誤差，最終實現(xiàn)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(shè)應(yīng)答器，建設(shè)和運維成本高，難以適應(yīng)自然環(huán)境苛刻的偏遠地區(qū)的低密度線路以及現(xiàn)代基于通信的列車運行控制系統(tǒng)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(shè)備[8]。在下一代列控系統(tǒng)研究中，歐洲ETCS(EuropeTrainControlSystem)、中國CTCS、美國PTC(PositiveTrainControl)系統(tǒng)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(guān)期刊推薦：《鐵道學(xué)報》雜志是中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管，中國鐵道學(xué)會主辦的綜合性學(xué)術(shù)刊物。本刊在國內(nèi)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(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，我國青藏鐵路格爾木至拉薩段采用的信號系統(tǒng)便是基于DGPS定位的ITCS系統(tǒng)，沿線設(shè)置了眾多的基站，帶來了大量的建設(shè)和運維成本。基于非差碼和載波相位的PPP技術(shù)能克服這一缺點，在無參考站精度增強的情況下實現(xiàn)全球尺度動態(tài)分米級的高精度解算。伴隨著PPP技術(shù)向?qū)崟r化方向所取得的進展，IGS已經(jīng)可以提供PPP實時服務(wù)(RTS)，并且已經(jīng)出現(xiàn)了商用的實時PPP系統(tǒng)TrimbleRTX[10]。當(dāng)前，實時動態(tài)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(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，收斂后水平動態(tài)精度仍然能夠保持在分米級[12-14]。
實時PPP(RT-PPP)是PPP技術(shù)發(fā)展的重要方向，因?qū)崟r性問題，國內(nèi)外尚未開展基于PPP的鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用研究，隨著RT-PPP的到來，有必要對PPP鐵路導(dǎo)航應(yīng)用的可行性進行評估，為技術(shù)升級提供依據(jù)。同時，鐵路導(dǎo)航應(yīng)用中使用的數(shù)字軌道地圖，在制作中對于實時性要求不高，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。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，需在實際的運行環(huán)境下進行評估和驗證[15]。同時，針對鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用的高安全屬性，需要設(shè)計可信的質(zhì)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(yīng)用為背景，通過對鐵路現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理，評估了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定位應(yīng)用方法。
1精密單點定位技術(shù)
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(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量組合模型。傳統(tǒng)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(gòu)建組合觀測量，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(shù)作為未知量進行參數(shù)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(wù)，用戶通過在線提交GNSS觀測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)或動態(tài)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(tài)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(dǎo)航定位的應(yīng)用性能分析
為驗證PPP在鐵路應(yīng)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(tǒng)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(tài)、動態(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(wù)也是IGS等國際機構(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(guān)的研究，本次試驗評估了PPP在靜態(tài)模式以及動態(tài)模式下的收斂性。當(dāng)PPP工作在靜態(tài)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(tài)定位誤差，結(jié)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(dāng)GPS觀測周期為1s時，PPP的動態(tài)解算誤差。試驗結(jié)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(shù)。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(jié)果表明，在靜態(tài)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(tài)模式下，受環(huán)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(tài)工作模式下，精密單點定位可以輸出連續(xù)的解算結(jié)果。然而，在動態(tài)工作模式下，遮擋會導(dǎo)致觀測量不足。而且，圖6中動態(tài)觀測條件下接收機會出現(xiàn)觀測量為零的情況。分析數(shù)據(jù)表明，PRN16號衛(wèi)星的P2、L2觀測值異常，顯示為零。所以，當(dāng)精密單點定位設(shè)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(yīng)的歷元無解算結(jié)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(dǎo)致了有若干歷元無法獲得解算結(jié)果。進一步分析發(fā)現(xiàn)，這種情況導(dǎo)致的解算失敗間隔較短，試驗中通常不超過10個歷元。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安全性驗證
周跳是在接收導(dǎo)航衛(wèi)星載波信號時，接收機由于某種原因?qū)е螺d波相位跟蹤環(huán)路的計數(shù)停止，隨后又恢復(fù)載波相位整周計數(shù)，導(dǎo)致載波相位周期的計數(shù)值有一個整數(shù)周的跳變。如果不能準確探測并修復(fù)周跳，將導(dǎo)致定位精度降級，影響定位應(yīng)用的安全性和結(jié)果的可信度。
為驗證PPP對周跳的探測和修復(fù)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(shè)置為解算結(jié)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(wèi)星的觀測值中，并持續(xù)到觀測結(jié)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(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，會設(shè)置固定的碼、載波相位觀測精度等參數(shù)值作為參數(shù)估計的輸入，這些參數(shù)具有普遍性，但可信度較低，不能完全符合當(dāng)前特定觀測地的參數(shù)特征。因此，目前PPP的解算結(jié)果無完備的安全性保障。
3改進的鐵路精密單點定位應(yīng)用方法及驗證
3.1方法介紹
鐵路導(dǎo)航應(yīng)用是一種實時和高安全應(yīng)用，同時，根據(jù)我國《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題。圖9給出了改進的鐵路精密單點定位應(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
本文基于加拿大自然資源部CSRS-PPP軟件介紹了傳統(tǒng)精密單點定位解算原理。通過鐵路現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)分析了PPP技術(shù)在鐵路導(dǎo)航定位應(yīng)用中所面臨的實時性、可用性和安全性問題。結(jié)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(dǎo)航定位應(yīng)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(zhì)量控制方法進行濾波過程中的誤差探測和修復(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等國際組織的努力下，PPP正在邁向?qū)崟r解算，如何設(shè)計合理的方案，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，同時提高質(zhì)量控制的性能是下一步需要重點解決的問題，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
