北斗复现式扩展定位系统在交通隧道内应用研究

李潇阳

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

0 引言

根据交通运输部2022 年统计数据，全国公路隧道总长2.6 万km，隧道营运安全一直是交通管理部门高度关注的焦点。随着导航的普及，因隧道定位信号的丢失导致普通用户无法实现隧道内的无缝定位及导航功能，影响出行体验。同时，在隧道内因卫星定位信号的丢失导致管理部门对“两客一危”等重点营运车辆无法实时监管，发生车辆异常或重大交通事故时不能及时准确定位车辆位置，给事故应急处理带来很大困难。因此，提升隧道卫星定位系统的定位精度并降低建设成本，以实现更多的服务价值是很有必要的。

1 研究目标

目前隧道卫星定位系统的机制大多跟轨卫星定位相似，通过对在轨导航卫星运动状态的实时模拟，对传输链路进行多普勒补偿，编组导航电文后播发出与导航卫星信号一致的模拟卫星信号，实现导航终端的定位与导航功能。由于隧道北斗定位系统尚未完全成熟与普及，不同实现路径导致建设成本与定位精度均有较大区别。

本文研究分析国内几类典型的隧道北斗定位系统实施方案，并提出相关优化建议，为后续交通隧道内卫星定位系统的建设提供相关经验支持。

2 研究意义

目前国内试点的交通隧道项目卫星定位系统整体精度不高，距离主流导航软件车道级导航与车路协同所需的车道级乃至亚米级定位精度还有较大差距。通过提升交通隧道内卫星定位系统的精度，可以更好地为交通管理与出行赋能。

本文梳理以下几点隧道内高精度定位可以提供的服务价值：

2.1 为驾乘人员提供隧道内的无缝定位及导航服务

依托隧道卫星定位系统，可实现隧道内定位信号全覆盖、提升导航路径准确度，提高驾乘人员的出行感受与出行服务体验。

2.2 为管理部门提供“两客一危”等重点营运车辆的无缝定位与监管

依托隧道卫星定位系统，可以避免“两客一危”等重点营运车辆进入隧道后定位信号丢失问题，实现对“两客一危”等重点营运车辆进入隧道后的行驶位置、行驶速度、行驶轨迹、超速等状态进行重点监管，保证隧道交通运营安全[1]。

2.3 为管理部门提供运维与人员的准确位置

依托隧道卫星定位系统，管理部门能时刻掌握运维车辆、运维人员位置与行动轨迹，在应急情况下，根据事件位置可以快速向就近运维车辆和人员下达指令，进行快速抢修和运行维护。

2.4 为管理部门提供隧道内事件、事故的准确定位

依托隧道卫星定位系统，管理部门能准确掌握交通事故与异常事件发生位置，可根据定位信息快速向就近救援车辆和人员下达指令，进行快速救援与处置。

2.5 为管理部门提供隧道内设备资产的定位

传统的隧道人员和资产定位系统主要通过UWB系统测量标签与基站之间的距离，隧道内需要花费较高代价搭建UWB 系统。

依托隧道卫星定位系统，如果隧道卫星基站单点定位精度可以提高至亚米级，管理部门就可对具备北斗/GPS 信号接收功能的定位设备、主流品牌摄像机、边缘计算节点单元等设备或设备箱进行精确定位，通过隧道卫星定位系统功能扩展低成本替代传统UWB系统的功能。

3 研究设计

目前隧道卫星定位系统普遍采用授时管理中心+室内卫星定位基站+卫星接收/发射天线的方案，系统原理相近，方案细节的不同会导致系统综合定位能力差别也较为明显，本节将分别从天线间距、授时精度、基站功能、应用拓展、主流系统设备指标几个部分进行分析。

3.1 天线间距对系统定位精度的影响

隧道卫星基站接收来自授时管理中心的在轨导航卫星星历、时间数据，模拟并生成导航卫星信号；信号发射天线用于播发室内卫星基站所生成的导航卫星信号，实现导航卫星信号在隧道内的覆盖。

天线布设间距对系统的整体定位精度影响最大，天线密度很大程度上决定了定位的精度，目前隧道主流的天线布设间距为30m～50m，沿隧道行车通道单侧布置。天线间距过远导致目前隧道卫星定位系统整体定位精度大多位于10～20m 区间，无法满足车道级定位的需求。

室内卫星基站与天线的组合形式主要分两种：一种为基站与天线一对一形式；一种为基站与天线一拖多形式。

基站天线一对一形式的优点在于基站和天线可以采用一体化设计，设备安装与组网都较为简单，缺点在于基站成本较高，考虑建设成本基站与天线布设间距较大。

基站天线一拖多形式优点在于基站和天线分离式设计，基站与天线可以采用1∶4、1∶6、1∶8、1∶10 灵活配比，信号发射天线成本远低于基站，采用一拖多形式既保证天线布设密度，又极大缩减系统建设成本，缺点在于基站与天线采用点对点射频线缆连接，综合布线施工难度较大。

目前主流天线布设形式大多为隧道单侧布设，导致横向定位精度较差无法判断车辆所处车道。根据项目测试隧道内天线采用之字形交错布设更为科学，在实现精确纵向定位的同时，可以通过交错布设的天线采用差分定位判断车辆所属车道，更加精确支撑车路协同与车道级导航的需求[2]。

综上所述，结合国内多个项目分析，建议交通隧道内基站与天线布设模式为基站天线采用一拖多配比（经济性较高的配比为1∶8 或1∶10），天线间距按不大于20m 间距之字形布设，天线采用右旋圆极化（RHCP）赋型天线减少多径效应并提升信号稳定性，基本可以满足车路协同与车道级导航的精度需求。

3.2 授时精度对系统定位精度的影响

授时管理中心需要实时保证系统与真实在轨卫星的绝对时间一致，并且接收卫星定位系统管理工作站下发的指令，实时向卫星定位系统管理工作站上传系统内各室内卫星基站的状态信息以及卫星健康情况。

授时管理中心的系统形式决定了时间同步精度，目前交通隧道的授时管理中心主要分为以下几种形式：

第一种是授时中心沿着隧道行车方向纵向分布式布设形式，各授时中心通过光纤环网与卫星定位管理服务器通信，同时授时中心与外场基站间采用光纤跳线连接。该方案由于仅隧道洞口的授时中心可以直连室外卫星接收天线，其余授时中心在隧道内分布式布设会导致授时不一致的情况，时间同步精度较差（见图1）。

图1 分布式授时中心环形组网示意

第二种是多组授时中心集中布设于隧道附属用房，与隧道外场室内卫星定位基站采用光纤星形连接，通过星形部署方式进行时钟信号的同步传输，更好地保证同步的稳定性，当其中任意一个授时单元出现故障不影响整体的同步精度和稳定性，同步精度较高。缺点是分组式授时中心硬件成本较高，且授时中心与外场基站星形连接导致所需光纤芯数需求量较大，综合布线成本较高（见图2）。

图2 分布式授时中心星形组网示意

第三种是集中授时星形环网形式，隧道内每3～5组室内卫星基站组成1 个子系统，子系统内基站与基站之间使用光纤跳线串行连接组成一个小光纤环网；隧道出入口附属用房设置集中型授时中心与每组子系统的首尾基站相连，集中型授时中心通过星形组网的形式与各子系统通信。该方案优点是每组子系统不相互关联，子系统发生故障时不会相互影响，缺点是授时中心与外场子系统星形连接导致所需光纤芯数需求量较大，基站与基站间还需通过跳线连接，综合布线与调试成本较高[3]（见图3）。

图3 集中型授时中心星型环网示意

第四种是集中授时环形组网形式，在隧道出入口附属用房设置集中型授时中心，每台授时管理中心的1、2 光口与隧道单侧洞内第一台室内卫星基站采用2芯光纤依次级联至单侧洞内末端最后一台室内卫星基站；在末端室内卫星基站再用2 芯光纤接入授时管理中心的3、4 光口形成环网。该方案性价比最高，集中授时也可以保证时间同步精度，单洞组环网通信也仅需4 芯光纤（见图4）。

图4 集中型授时中心环形组网示意

综上所述，交通隧道内较为理想的授时方案为集中授时中心+光纤环网通信的形式，可以在成本可控的基础上同时实现高时间同步进度。

3.3 基站功能对系统兼容能力的影响

目前大部分隧道室内卫星定位系统普遍还是采用双频单模形式，考虑系统稳定性与兼容性的需求，新建卫星定位系统可接收/发射的频点数建议满足三模双频（BDS B1、B2，GPS L1、L2，GLONASS G1），同时室内卫星基站单点模拟卫星数建议根据可见星数量实现动态调整。

3.4 基于系统扩展更丰富的应用场景

目前交通隧道内建设室内卫星定位系统的成本还较高，因此系统除了兼容市面主流智能手机、车载导航等终端设备的定位需求外，还应扩展更多应用场景，实现与其他监控系统的互补或低成本替代。

基于交通隧道的运营管理需求，室内卫星定位系统最直接的扩展应用是可以替代传统隧道内UWB 人员与资产定位系统，依托室内卫星定位系统，管理部门能通过室内卫星基站+卫星定位模块替代UWB 系统微标签+微基站的组合，帮助管理部门时刻掌握运维车辆、运维人员位置与行动轨迹，或对具备北斗/GPS 信号接收功能的定位设备或设备箱进行精确定位。

3.5 主流系统设备指标分析

3.5.1 授时中心

授时中心对系统影响较大的指标为相对同步精度与支持模拟卫星数量。目前国内试点项目的时钟同步精度主要位于5～20ns 区间；支持模拟卫星数量主要位于4～8 星区间；系统支持的频点为双模单频、双模双频、三模双频三种为主。

3.5.2 室内卫星基站

室内卫星基站对系统影响较大的指标为发射功率与输出导航信号路数。目前国内试点项目室内卫星基站的发射功率主要位于-70～-10dBm 区间；输出导航信号路数主要位于8～32 路区间。

3.5.3 卫星接收/发射天线

考虑隧道的物理结构特性，目前国内试点项目的天线基本都采用右旋圆极化（RHCP）赋型天线。

4 结论

国内目前北斗卫星定位系统在交通隧道内的应用还处于起步摸索阶段，无论是精度还是扩展服务还有较大的提升空间，随着车路协同与车道级导航的发展，对隧道卫星定位系统在定位精度、时间同步精度、支持频段上也提出更高的要求。

全国的长大隧道近年也在逐步引入5G 信号的全覆盖，因此交通隧道内建设“5G+北斗”精准导航系统，通过结合5G 高速网络通信和北斗卫星导航系统精准定位的能力，结合相关定位导航APP 的优化，可以实现为隧道内驾乘人员提供高精度车道级导航与定位服务，提升管理部门出行服务能力，同时也为自动驾驶、车路协同等落地提供不可或缺的基础技术支撑。