铁路北斗地基增强系统构建及基准站选址研究

秦 健，潘佩芬，陶 承

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

铁路作为国民经济的大动脉，高速铁路具有运行速度快，行车密度大等诸多特点。在铁路的建设、运营过程中，对铁路线路勘测，路基、桥梁、隧道、钢轨等基础设施变形监测，列车位置、速度精确性，人员、铁路资产以及运营安全检测，旅客服务等定位精度提出了更高的要求，基于位置的服务已成为铁路安全运营、效能提升的重要内容和支撑性基础因素。

北斗地基增强系统是北斗卫星导航系统应用的一个重要组成部分，是将卫星定位、计算机网络、数字通信等技术多方位结合，采用多基站网络RTK技术建立的连续运行基准参考站系统（CORS，Continuous Operational Reference System）[1]，为相关应用提供高精度的静态和动态的空间位置服务，以满足基础测绘、交通运输管理、环保监测、滑坡监测、建筑物沉降变形监测、移动目标监测应用等领域的需要[2]。

铁路北斗地基增强网，为各专业提供统一的高精度位置服务，以满足高速铁路对高精度定位应用需求。目前，铁路行业专用北斗地基增强系统仍处于起步阶段，探讨高速铁路北斗地基增强系统基准站建设具有重要意义。

（1）替代GPS。

（2）测量精度高。系统可实现厘米级、分米级甚至事后处理达到毫米级精度[3]。

（3）应用领域广泛。在铁路建设施工、线路勘测、地质灾害及基础设施（路基、桥梁、隧道、钢轨等）监测、列车信号控制、人员车辆安全预警定位等领域应用前景极其广泛。

（4）提升铁路信息化、智能化水平。为今后大数据应用提供数据支撑，为新一代智慧铁路的运输服务提供有力的技术支持，保障铁路高可靠性、长期稳定运行。

（5）提升铁路管理能力和服务水平。提高位置服务的精度，进一步促使运输管理的精细化和时效化以及服务的高品质，提升铁路客货运输服务的管理水平。

1　北斗地基增强系统在铁路高精度应用的研究

1.1　铁路北斗地基增强系统组成框架

铁路北斗地基增强系统由基准站子系统、通信网络子系统、数据处理中心、数据播发子系统、应用系统5个部分组成[4]，各基准站与数据中心间通过数据传输系统连接，形成专用网络。同时，利用特定的数据处理软件算法，对基准站网的数据进行实时处理，得出精确的差分修正数据，用户接收到差分数据后得到更高精度的位置数据。系统组成，如图1所示。

图1　铁路北斗地基增强系统组成

系统各单元定义与功能，如表1所示。

表1　铁路北斗地基增强系统各单元定义与功能

1.2　铁路高精度应用领域分析

目前，北斗卫星导航定位系统已在铁路行业有了初步的应用，涉及的领域和规模不大。随着北斗卫星导航系统不断的完善以及高速铁路发展，对基于北斗的高精度位置服务的需求也越来越高。

（1）铁路工程测量、地质勘查。在高速铁路基础建设期间可极大地提高工程测量（主要是坐标）的精度，在全线始终使用相同的转换参数，保持全线精度统一，与传统测量方式相比，可大幅度节约人力、物力、财力。

（2）铁路线路路基连续压实施工。利用北斗卫星导航系统高精度定位接收机实现路基连续压实检测技术，可随压路机碾压作业进行检测，通过对监测压路机的振动信号进行数据分析，可及时全面地掌握路基的压实程度、压实均匀性及压实稳定性等信息。

（3）铁路基础设施监测[5]。利用北斗地基增强系统可达到厘米甚至毫米级的高精度形变监测，对监测目标通过北斗高精度接收机监测到的位置高程等数据信息进行建模分析，得出对所监测的形变数据变化趋势，实现对相关设施的监测预警预报。

（4）铁路沿线地质灾害监测[6]。利用高精度卫星接收终端以及雨量计、孔隙水压力计、固定式侧斜仪、量水堰计、裂缝计、土壤含水率传感器、土压力计、激光测距传感器等设备将变形信息和诱发因素信息通过无线、有线网络或BD的短报文上传至数据中心，对各类监测数据进行汇集分析，综合判断灾害发展变化趋势，实现灾害灾情分析预报。

（5）列车运行调度。利用北斗卫星地基增强系统，车载卫星高精度接收机接收播发的差分数据，解算出高精度的经纬度坐标和运行速度、方向等，通过铁路有线无线专网（GSM-R、LTE-R）传送至数据中心[6]，实现列车调度管理、精确位置跟踪管理、列车防追尾、列车轨迹追踪。

（6）铁路综合应急指挥调度。利用北斗定位终端的短报文功能实现铁路应急通信的现场信息回传、救援指挥命令下达和现场救援人员信息互传功能，通过北斗卫星网络传送应急信息及位置数据，以满足应急救援的通信定位需求。

（7）铁路货物运输及物流跟踪。利用北斗卫星导航系统在铁路车辆实时追踪，站到门运输车辆追踪，特种货物运输监控，海铁联运货物追踪，铁路危险货物追踪等领域实现重要运输物资/车辆物流各环节信息自动采集、合理调配资源以及运营实时监控、预警和质量监督。

（8）铁路沿线巡检及施工人员安全预警。利用北斗高精度定位技术线路巡检及施工作业人员的位置跟踪、路径规划和安全预警，以避免人身伤亡事故发生。

2　北斗地基增强系统基准站选址

2.1　选址原则

在《高速铁路工程测量规范》中规定GPS CORS基准站对框架控制网CP0布设的标准，基准站布设按三角网布设方式，距离应设为50 km左右，其中，每个三角形最好为等边或等腰三角形[9]。北斗地基增强系统是以北斗卫星导航系统为主，地面基准站的架设标准也可参考此规范，其覆盖范围约为30～50 km。地面基准站点选址是系统建设前期非常关键的步骤，如果建设站点不符合建设指标，会造成基准站数据信号差（表现为移动站固定率低、精度不足等情况），如果是多基站将会影响整个地基增强网的精度和固定率。所以建设地基增强基准站，一定要先进行合理选址。

（1）站址应避开易产生振动的地带，如要避开采矿区等易产生震动的地带。

（2）观测墩基础坚实稳定，一定要避免地质不稳定区域，可选在坚固稳定的建筑物上。比如不要建在火山口、滑坡、泥石流、地陷频发的地方。

（3）站点周围视野开阔，视场10°以上无大面积障碍物遮挡，遮挡角累积不应超过30°[7]。

（4）站点应距离如高层楼房、高架桥、高大树木、大片水体、海滩等容易产生多路径效应的地物大于200 m以上[8]，因为信号在传输的过程中，遇到这些之后，容易产生反射，导致信号延迟，产生误差。如果实在无法避免，一定要距离200 m以上。考虑到地基增强系统的长期性，还要注意正在或将要建造的高楼和可能长大的树木等，远离这些潜在的“威胁”。

（5）距离信号干扰源大于300 m，如强磁场、大功率无线发射台、基站、电视台、微波站、变电所等。

（6）充分利用既有设施。站址附近是否有机房、220 V交流电源或– 48 V直流电源、避雷带、避雷针、地网等设施，要详细备注机房位置、布线便捷性、电源可靠性便利性、避雷针高度、防护范围、地网情况、接地装置是否锈蚀等因素，充分利用既有设备设施。

（7）机房的专线网络系统配置情况，以及灭火、空调等运行环境设施要齐全，为网络安全和设备稳定运行。

2.2　选址工作步骤

根据上述原则，基准站选址工作分为以下几个步骤。

（1）基准站站点分布规划。主要是以30～50 km的基准站间距在地图上初步标识出站点的分布位置，特殊情况可在一定距离范围进行调整。

（2）现场踏勘选址。现场踏勘选址是在基准站点位布设图上规划好之后，实地进行现场勘查。通过观察初选站点周围的开阔程度、遮挡状况以及可能的存在的干扰源情况，同时还需对现场进行拍照和摄像作为资料存档；了解现场的电源、网络及安全防护等情况，最后确定出1～2个备选基准站址[8]。在实际选址时，由于高速铁路对线路平直度、路基沉降等因素要求高，多采用高架桥方式，因此在高铁沿线基准站站址的选择上应避免高架桥对卫星遮挡和高压电、震动的影响。

（3）静态测试。基准站需要在实地连续24 h采集北斗卫星信号数据进行相关测试，以得出所选站点的观测状况，为下一步的数据处理分析提供数据基础。基准站要求全年365天，24 h不间断运行，且各方面如北斗卫星运行、电离层影响等均具有一定的周期性，基本周期为1天[8]。

（4）数据处理与分析。对卫星接收机获得的观测数据进行处理分析，关系到所确定的预设点位是否适合建站。通过数据分析软件来分析数据质量，以确定所选地点是否适合建站。根据国家规范要求基准站是采样间隔1 s，高度截止角13°，MP1≤0.5，MP2≤0.5，数据利用率＞85%，跳变比＞400，但是为了保证效果好点，数据利用率要大于90%。

（5）资料记录。为了便于后期施工人员快速找到站点位置，需要记录站点的详细地址、站点的大概经纬度坐标、站点后期建设所需馈线的长度以及施工安排等基本情况。同时，分别从近景、远景、东、南、西、北方向拍摄6张环境照片，拍摄高度尽量与天线高度一致，现场如有其他情况也可进行拍照存储，作为资料备今后查询。

3　结束语

北斗卫星导航系统已正式对外提供服务，而在铁路的应用规模和方式还处于较为低级的水平，随着北斗卫星导航定位系统技术的不断成熟以及高速铁路的建设规模加大，对北斗地基增强系统的建设需求也会越来越强烈和迫切，在铁路行业建设北斗地基增强系统，制定基准站的规划选址原则的标准规范，将极大地提升北斗卫星导航系统高精度定位技术在铁路应用的深度和广度，对推动北斗卫星导航高精度定位技术在铁路的应用具有重要意义。

参考文献：

[1]刘建廷，刘建坡 . 基于GNSS和全站仪的露天矿土石方计算应用研究 [J]. 矿山测量，2016， 8（4） ：44.

[2]张保钢 . 我国连续运行基准站网（CORS）的建设现状[J].数字通信世界， 2011（4）：25-27.

[3]陈国峰 . 北斗卫星高精度地面增强技术的铁路应用探讨[J].中国铁路， 2013（4）：22-25.

[4]刘韶军 . 浅议连续运行参考站网系统（CORS）的应用[J].优势科技资讯，2014（28）：29.

[5]张 浩 . 高速铁路基础设施监测无线传感器网络研究[D]. 北京：北京交通大学，2013，3.

[6]于天泽 . 北斗卫星导航定位技术在我国铁路应用探讨[J]. 中国铁路， 2013（3）：04-07.

[7]袁宝文 . 高速铁路北斗地基增强系统试验网建设[J]. 铁道通信信号， 2015 （11）：51，55-57.

[8]刘文建，阳 力 . CORS参考站选址探讨[J]. 地理空间信息，2008， 6 （6）：53-54.

[9]李 涛 . 关于高速铁路CORS建设的思考［J］. 全球定位系统，2014 （2）：67-68.