北斗卫星导航系统在地铁的应用探讨

■ 赵辉

0 引言

近年来，卫星导航技术在我国轨道交通领域应用较为广泛，如铁路行业中线路巡检智能管理、铁路工程勘测、通信系统时钟授时等。但现阶段应用主要是基于GPS系统技术进行开发的，缺乏自主权，随时存在美方降低服务精度甚至关闭GPS的安全隐患[1]。北斗卫星导航系统是以我国安全、经济及社会发展需要为前提，以面向全球用户提供服务为目标的系统，可独立于国外现有卫星定位技术并拥有自主知识产权的卫星导航系统。在互联网、云计算等技术迅猛发展的形势下，北斗卫星导航系统终端产品的兼容性更加强大，应用范围更加广泛，将北斗卫星导航系统应用于地铁行业，彻底打破对GPS的依靠，全面提升相关系统的安全性和可靠性势在必行。

1 系统概述

1.1 发展与构成

北斗卫星导航系统建设以“自主、开放、兼容、渐进”为原则，将发展分为北斗一号、北斗二号和北斗三号3个阶段。20世纪末期，开始对适用于我国国情的卫星导航系统进行探索。2000年底北斗卫星导航试验系统成功组建。2017年底，北斗三号首批组网卫星发射成功，我国自己的全球卫星导航系统正式开始建造，多年来的建设工作已使北斗卫星导航系统在区域导航定位与授时技术方面进入成熟阶段，并且获得了联合国卫星导航委员会的供应商资格认定。现阶段北斗卫星导航系统已能提供24 h的高可靠度服务，预计到2020年，随着卫星组网工作的进一步开展，定位精度将由10．0 m进一步提升到2．5 m，提供更加精准的定位及测速服务。

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段3部分构成。空间段主要是由运行在太空中依据结构设计分布在不同轨道平面上的若干个空间卫星组成的星座构成；在地面段，由监测站对卫星轨道及时间参数进行跟踪并将数据传递给主控站，主控站通过对采集到的数据进行计算，并根据结果将命令与数据通过地面天线发送给卫星；用户段部分主要由各种信号接收设备组成，其中包括能够与其他卫星导航系统相互兼容的芯片模块与应用服务等[2]。

1.2 系统优势

北斗卫星导航系统相较其他全球卫星导航系统而言，在系统性能特点上具有明显优势。首先，在空间段部分运行的卫星分布在3个轨道平面，高轨道卫星数量较多，抗遮挡能力强，在目前低纬度地区的测试中表现出极佳性能。其次，北斗三号在导航信号的使用上采用多种频点互相组合的方式，进一步提升导航定位服务的精准度与可靠性。同时，北斗卫星导航系统具有短信报文功能，是对导航与通信能力的创新融合。上述特点中，短信报文功能是其他现有导航系统所没有的特殊功能。此功能简单而言就是北斗卫星导航系统不仅能让用户端本身知道自身时间和位置，还能通过短信报文功能将该用户的位置信息发送出去，让其想告知的用户获知他的情况。在过去的灾害搜救工作中，由于GPS定位原理的限制导致定位误差较大，严重影响搜救效率的事件屡次发生，因此短信报文功能使北斗卫星导航系统在技术层面上有着GPS等系统无法超越的一面。

图1 北斗卫星列车定位示意图

2 地铁应用

2.1 后备模式下列车定位及轨道占用情况检测

目前大多数城市轨道交通运营控制模式是以基于无线通信的列车控制系统（CBTC）为主用模式，同时设计了以计轴系统作为轨道空闲占用检测设备的后备模式。当运营中出现无线通信故障时，信号系统将采取降级运行的后备模式确保线路运营不中断。信号系统根据采集到的计轴设备提供的检测信息即可判断轨道的空闲与占用情况：当计轴设备显示某轨道区段空闲，可以判断该区段内没有列车存在；而当计轴设备显示某轨道区段为占用时，则可判断该区间内可能有1列或多列车存在[3]。

由于计轴系统的检测原理是在1个区段的钢轨两端各安装1个传感器，由始端末端的传感器各自对经过磁头的列车轮对数目进行计数，然后与对方进行比较来判断区段空闲与否，所以计轴系统的检测是以区段为单位的检测，而不是对列车在某区段内的定位检测。同时，计轴设备只能检测某些区段内有无列车，并不能检测出列车数量并进行信息反馈。计轴系统给出的列车位置报告仅能显示列车在某个区段内，而不能显示该车在区段内的精准位置和速度，因此仍需安装其他大量轨旁设备用于列车定位及位置信息的报送，无形中增加了建设成本及运营维护工作量。

北斗卫星导航系统不仅具有对于移动物体的目标定位功能，还可进行双向通信。通过在列车头尾两端安装北斗导航接收机终端设备，与北斗卫星通过双向通信实现在线运营车辆的实时定位，根据列车在运营线路的定位情况即可判断列车所在轨道区段位置（见图1）。因此使用北斗卫星导航系统作为后备模式下的列车定位及轨道占用情况检测手段，不仅能通过列车定位检测判断出线路上每个轨道区段空闲占用情况，还可通过对多列相邻列车的位置信息识别，实现对某一轨道区段内列车数量的判断。这一应用将在较大程度上简化轨旁设备种类及数量，降低运营维修工作量。

2.2 完全替代GPS为时钟系统提供授时服务

时钟系统是地铁通信系统的重要组成部分，其主要作用是为各线路车站提供统一的标准时间信息，同时要向轨道交通大系统中运行的各子系统（如列车自动监控系统、综合监控系统与乘客信息系统）发送校时信号，使各子系统的时间集中同步。

地铁时钟系统一般由一级母钟、二级母钟、子钟以及相应的网络传输设备组成。根据各级时钟的不同功能以及实际应用需求，将一级母钟设置在地铁控制中心，将二级母钟及子钟设置在车站及车辆基地。两级母钟之间以及二级母钟与子钟之间的校准时间信号均通过网络传输设备进行传递，最终为地铁各子系统设备、工作人员和乘客提供统一的时间信号。目前，时钟系统普遍采用接收GPS系统提供的时间信号进行一级母钟的时间校对[4]。

GPS系统虽然覆盖率高达98%，且广泛应用于民间时钟系授时及定位等方面，但其源自于美国军方项目，终究具有外方技术垄断特点，一旦出现美方关闭GPS信号将对使用者产生极大影响。截至2017年，我国开通轨道交通线路的城市已超过30个，这些城市的地铁线路每天担负着运送数以万计乘客的重要使命，例如，2018年北京地铁全路网的日均客运量已超过1 000万人次，地铁已成为民众出行的主要交通工具。随着未来城市轨道交通行业的发展建设，该领域与人民生活的联系会更加紧密。在这种形势下，继续使用GPS作为时间校准信号存在一定安全风险。

北斗卫星导航系统的时间基准被称作北斗时，北斗时采用秒为计数单位，将国际标准时间的2006年1月1日00：00：00作为北斗时计时的起始时间，与国际标准时间的时间偏差限制在50 ns以内。对于闰秒信息，北斗时不做累计，只在导航电文中进行播报[5]。随着北斗组网步骤加快，北斗卫星导航系统的覆盖范围和稳定性都将逐步提升，目前北斗卫星导航系统在亚太区域内定位测速精度和授时精度方面都已满足系统设计要求，完全可以为用户服务，已有少数交通系统的时钟控制采用“GPS+北斗”双模定位授时模式。与GPS授时模式相较而言，我国的北斗卫星导航系统拥有自主知识产权，更适合于我国国情，因此在轨道交通时钟系统中应用北斗定位授时模式将更加安全可靠，是未来地铁时钟系统的发展趋势。

3 结束语

北斗卫星导航系统是基于我国安全与经济发展需求，不依赖国外技术研发建设的卫星定位导航系统，在实现全天候安全可靠服务的同时，其特有的短信报文功能改变了传统卫星导航系统单向定位的思维，可进行更加准确的位置信息发布。将该系统应用于地铁行业是轨道交通运输信息化和现代化的体现，对现代交通运输体系的建设具有重要意义。

[1] 中国卫星导航系统管理办公室． 中国北斗卫星导航系统白皮书中文版[EB/OL]．（2016-06-16）[2018-03-29]． http://www．beidou．gov．cn/xt/gfxz/201712/P020171218335302347852．pdf．

[2] 蒋亚峰． GPS与GIS集成定位在铁路列车上的应用[J]． 铁道运输与经济，2005，27(1)：60-61．

[3] GB 50157—2013 地铁设计规范[S]．

[4] 李继元． 铁路时间同步网运用现状与发展方向[J]． 中国铁路，2016(10)：57-60．

[5] 中国卫星导航系统管理办公室． 北斗系统空间信号接口控制文件B3I（1．0版）[EB/OL]．（2018-02-09）[2018-03-29]． http://www．beidou．gov．cn/xt/gfxz/201802/P020180209620480385743．pdf．