轨道交通线路GNSS 信号盲区列车定位模拟系统

宋正立，邹劲柏，兰 蒙，ທຝຶຢ່າ ທໍ່ຕ(杨福),3，陈凌霄

（1. 上海应用技术大学 轨道交通学院，上海 201418；2. 同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804；3. 老中铁路有限责任公司，老挝 万象 01000）

列车定位技术是列车运行控制系统实时、准确获取列车当前速度和位置信息的必要手段，列车定位的准确度和可靠度直接关乎列车运行安全，影响轨道交通的运输效率[1-2]。轨道交通系统有多种列车定位方式，例如：基于轨道电路的列车定位[3]、基于里程计累加测距的列车定位[3]、基于测速的列车定位[4]、基于应答器的列车定位[3,5]、基于无线通信的列车定位[6]以及基于全球卫星导航系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）的列车定位[7-8]等。

目前，GNSS 已成为一种各国铁路广泛应用的列车定位技术。上世纪80 年代，美国已提出采用卫星定位代替地面应答器的定位方法，并于90 年代中期开发了基于差分全球定位系统（GPS，Global Positioning System）的增强型列车控制系统。上世纪90 年代，欧盟提出发展伽利略卫星导航系统的计划，并将卫星导航技术标准应用于列车定位的多个项目，逐步实现完全依靠卫星导航系统来实现列车定位。1992 年，俄罗斯基于格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS，GLobal Navigation Satellite System）开发出卫星导航接收设备，并于2002 年在铁路列车安装使用，验证将卫星导航技术应用于列车位置服务的可行性[9]。我国在北斗一号导航系统成功建立后，将北斗卫星定位技术应用于青藏铁路的美国ITCS 列控系统，对列车运行控制系统的可靠性、安全性、自主性等进行研究[10-11]；2022 年底，我国还建成了首条采用北斗定位技术的城市轨道交通线路[12]。针对长大隧道的特殊需求，国内还有采用GPS 和北斗定位系统相结合的方式来实现稳定、精确的列车定位。

我国投资建设的中国—老挝铁路（简称：中老铁路）因隧线比较高，若采取沿线铺设定位设备，不但成本高，且后续设备维护工作量大。因此，中老铁路宜采用基于GNSS 的列车定位方式。由于GNSS 信号对山体、混凝土结构体、森林等环境穿透较弱，列车在中老铁路上的运行过程中存在GNSS盲环境[13-14]，卫星导航技术无法连续为其提供稳定、可靠的定位信息。因此，在开发基于GNSS 的中老铁路列车定位技术应用时，需要解决列车运行在GNSS 信号盲区时无法获取列车定位数据的问题。

软件无线电作为一种软硬件结合的无线电技术，采用软件定义方式实现无线电通信，能够在通用硬件平台上通过软件来实现多种无线通信和定位功能，成本相对较低，易于在实验室实现。兰蒙等人[15]在铁路全球移动通信系统（GSM-R，Global System for Mobile Communications-Railway）、地铁的长期演进（LTE-M，Long Term Evolution for Metro）、第五代铁路移动通信（5G-R，5th of Generation Mobile Communications-Railway）等车地无线通信技术开发中开展了基于软件无线电的实验室仿真测试。

本文利用软件无线电技术及相关软硬件，开发了轨道交通线路GNSS 信号盲区列车定位模拟系统（简称：GNSS 列车定位模拟系统），为GNSS 信号盲区生成列车定位模拟数据，使列车在运行过程中能够连续获取准确的列车定位信息，并在实验室内搭建测试环境，针对不同应用场景生成GNSS 定位模拟数据，与中老铁路现场采集的卫星定位信号进行对比，验证该系统的可行性和有效性。

1 卫星导航定位原理及GNSS 模拟信号来源

1.1 卫星导航定位原理

地球是一个三维空间，要确定运行列车的位置，需要知晓列车位置的3 个参数：经度、纬度和高度。假设某一运行列车在地球上的位置用坐标(x,y,z)来表示，某一已知列车定位卫星A 的坐标用(x1,y1,z1)表示，可以从位置A 广播一个信号，传播速度用c表示，记信号从卫星发出到车载台收到的时间间隔为 τ1，可得到一个列车运行位置信息的方程式：

方程式 （1） 中有3 个未知数，要确定运行列车坐标(x,y,z)，需要3 颗已知位置信息的列车定位卫星才能确定该运行列车的坐标。记另外2 颗卫星为B 和C，对应的坐标表示为(x2,y2,z2) 和(x3,y3,z3)；测量出卫星B 和卫星C 信号发送到接收的持续时间τ2和 τ3，得到下列运行列车位置方程组：

理论上，信号从发送到接受的时间间隔τi(i=1,2,3,···)可以用运行列车车载台的接收时间t1减去卫星信号的发送时间t2来推算，但由于卫星使用的时钟与车载GNSS 信号接收装置的时钟精度不同，存在时间误差 Δt。为此，引入新的时间变量 Δt来修正方程组（2），得到如下一个可解的运行列车位置方程组：

其中，Δt为卫星钟差；(x,y,z)为列车车载台接收天线的坐标，也是运行列车实际所处位置；(xi,yi,zi)为第i颗GNSS 卫星的坐标；c为GNSS 信号的传播速度；c(Δt+τi)为车载接收天线到卫星天线的距离，包含接收机时钟和卫星时钟偏移； τi为信号从接收机到发射机的持续时间。

如图1 所示，为了保持时钟同步，至少需要4颗已知位置的卫星才能获取已知运行列车的位置信息。

图1 GNSS 定位原理

GNSS 可在全球范围内提供定位服务，对于地球上的某个点，在任一时刻的卫星定位精度取决于该点当时可接收到定位信号的卫星数量及信号强度。通常情况下，可接收到定位信号的卫星数量越多，接收到的定位信号就越多；卫星信号受遮挡越少，接收到的定位信号强度就越强，该时刻物体的定位精度就越高。

1.2 GNSS 信号

GNSS 信号从结构上可分为载波、伪码和数据码3 个层次，先将伪码和数据码调制到载波上，然后卫星再将调制后的载波信号波发射出去。例如，GPS卫星一般以不同频带和调制方式来广播GPS 信号，GPS 信号包含载波、伪码和导航电文3 个分量，信号帧结构如图2 所示；其中，L1 信号是最常见的民用信号，部分参数如表1 所示。

表1 L1 信号参数值

图2 GPS 信号帧结构

1.3 星历数据

星历数据提供了每颗卫星的精确位置数据(xi(t),yi(t),zi(t))，列车车载设备等卫星定位信号接收机可将其作为先验信息，用于计算卫星的位置。GPS广播星历数据（BRDC，Broadcast ephemeris）文件可从网站ftp://cddis.gsfc.nssa.gov/gnss/data/daily/下载，该文件为接收者独立交换格式（RINEX，Receiver Independent Exchange Format），是一种文本数据记录格式，与接收机的制造厂商和具体型号无关。BRDC 文件命名规则为brdcDDD0.yyt 形式，具体含义见表2。

表2 BRDC 文件名规则

例如：brdc3650.21n 表示2021 年12 月31 日的GPS 卫星全部星历信息。

2 系统设计

2.1 设计目标

在列车运行的过程中，车载设备接收的GNSS信号会受到高楼建筑、密闭空间、茂密森林、山体隧道等因素的影响。当列车停靠车站时，受到雨棚、高楼等会遮挡GNSS 定位信号，此时车载设备接收到的GNSS 定位信号会很弱。当列车在隧道、茂密森林、多山地带等区间段穿行时，接收到的GNSS定位信号也会间断性地受到遮挡，车载设备可能无法连续地获取准确的GNSS 定位信息。因此，模拟列车运行在特定站点和穿行于某一区段时车载设备接收的GNSS 定位信号是实验室仿真的重点。

在实验室测试环境下，使用GNSS 列车定位模拟系统生成GNSS 模拟信号，其质量指标应与现场实际测量值相近，可满足列车定位的准确性要求，能够生成列车运行过程中的单点静态定位模拟信号，也能够生成列车穿行于某一区段的过程中的区段动态定位模拟信号。

2.2 设备构成

GNSS 列车定位模拟系统主要设备包括仿真主机和终端设备，如图3 所示。

图3 系统设备构成示意

仿真主机CPU 配备Intel Core i5-10400F（6 核12 线程，主频2.9 GHz），内存为16 GB，运行ubuntu 18.04 LTS 系统，采用4.15 low latency 内核。通过USB3.0 连接到软件无线电平台，板卡将射频信号发送至车载设备。

终端设备为真实的车载设备，包括车载台、手持台和PC 机，用以接收模拟的GNSS 射频信号。

2.3 GNSS 信号模拟

本文以GPS 信号作为GNSS 信号实例。GPSSDR-SIM 项目是在MIT 许可下发布的开源GPS 基带信号发生器，它将最新的星历文件和包含列车运行轨迹的NMEA（National Marine Electronics Association）文件作为输入，生成GPS 基带信号文件gpssim.bin，作为软件无线电平台的测试数据。NMEA 文件是一个具有连续模拟仿真信号的列车运行轨迹文件，其中的列车运行速度等信息项可调整。

为了在实验室内模拟生成车载设备接收的GPS报文，需要在射频级别进行GPS 仿真。本文使用USRP 软件无线电板卡来模拟生成卫星发送的GPS报文。USRP 利用通用硬件驱动程序（UHD，Universal Hardware Driver）提供的API，通过USB3.0和PC 机连接，工作在70 MHz～6 GHz 频段上，实时带宽可达到56 Mbps。采用USRP 发送GPS 报文的过程如图4 所示。

图4 模拟生成车载设备接收的GPS 报文

首先对gps-sdr-sim 源码进行编译，在编译程序命令行输入相应参数：输入-e 选择星历数据；输入-l/-g 选择列车静止时的坐标或者列车动态运行轨迹的nmea 文件；输入-b 选择采样精度（不同外设板卡采样精度不同）；输入-s 选择采样速率。编译完成后按回车键即可生成GPS 报文，接着调用USRP 板卡发射GPS 报文。

使用gps-sdr-sim 命令生成指定时段内静态GPS基带信号样本，或者使用NMEA 轨迹文件生成动态的GPS 基带信号样本。

（1）生成静态GPS 报文：$ ./gps-sdr-sim -e brdc3650.21n -l 102.412 905,21.719 249,634 可生成中老铁路上橄榄坝站的GPS 基带信号；

（2）生成动态GPS 报文：$ ./gps-sdr-sim -e brdc3650.21n -g zhonglaotielu.txt -s 2 500 000 可生成中老铁路上运行区间段的GPS 基带信号；

（3）生成中老铁路上静态车站和动态运行区间基带信号样本后，在命令行输入：$ ./gps-sdr-simuhd.py - t gpssim.bin - f 1575420000 - s 2500000 -c external -x 40，可通过USRP 的天线以1,575.42 MHz频率发射GPS 信号样本。

其中，大多数的列车卫星接收设备不能在实验室内工作，且实验室内接收到的真实的卫星信号强度较弱，仅约为-130 dBm[16]，在实验中无需产生一个强信号来覆盖真实的卫星信号。

3 测试分析

3.1 实验室仿真测试过程

（1）选择仿真类型及对象：

（a）对于单点静态定位模拟，选择GPS 定位信号较弱的站点，使用谷歌地图标记下其经纬度数据，然后在gps-sde-sim 项目中对其进行源码编译；

（b）对于区段动态定位模拟，选择GPS 定位信号较弱且时断时有的线路区段，使用谷歌地图绘制出仿真测试所需的列车运行线路轨迹，并存储为kml 格式文件；然后使用SatGen 软件，将包含位置信息的kml 格式文件转化为后缀为txt 的NMEA 轨迹数据文件，以获得连续的模拟仿真信号；

（2）对项目gps-sdr-sim 源码进行编译，基于BRDC 星历文件、站点经纬度数据或是线路区段NMEA 轨迹数据文件来生成模拟的GPS 基带信息。

（3）将模拟的GPS 信号文件gpssim.bin 加载到USRP 平台进行回放，供车载设备读取GPS 信息；车载设备根据卫星天线接收到的射频信号，实时计算出列车当前位置。图5 显示了中老铁路橄榄坝站的GPS 模拟信息。

图5 橄榄坝站GPS 模拟信息

3.2 定位模拟信号质量分析

选取中老铁路上列车运行过程中GPS 定位信号较差的地点，如铁路车站、高楼建筑旁、森林、隧道等，将这些地点的GPS 定位模拟信号与中老铁路现场没有任何阻隔的空阔区域（即现场具有最佳卫星定位信号的场所）测量的GPS 信号进行对比。

选取中老铁路上13 个GPS 定位信号较差的地点，运行GNSS 列车定位模拟系统生成这些点的GPS 定位模拟信号，并使用GPS 通用测试软件测量出可用卫星数量、定位精度和信噪比。 图6 是其中的橄榄坝站的GPS 定位模拟信号与空旷环境下GPS 定位模拟的相关信号质量参数对比， 表3 为中老铁路上选取的13 个地点的GPS 定位模拟信号测量结果。

表3 实验室条件下生成的GPS 定位模拟信号测量值

图6 测试结果对比

以可用卫星数量、定位精度、信噪比3 个指标衡量信号质量，对比现场空阔区域GPS 信号测量值（可用卫星数量为11，定位精度4 m，信噪比（21～43）），实验室条件下生成的GPS 定位模拟信号与现场实际测量值相近，甚至更好。

3.3 单点静态定位模拟

对中老铁路上列车车载设备接收GPS 信号质量较差的28 个站点进行现场调研和堪察，并在实验室内模拟上述站点的GPS 定位信息。以玉磨段橄榄坝站和磨万段万象南站为例，图7（a）、图7（b）则是车载台在实验室内接收GPS 模拟信息后的定位显示，显示位置分别为中老铁路玉磨段橄榄坝站和中老铁路磨万段万象南站。

图7 GPS 单点信息模拟

以通用定位信息解析装置（如手机，手持台等）作为GNSS 列车定位模拟系统信号接收终端，对比终端实际所处的位置信息，实验室条件下能够很好的模拟出列车运行过程中停靠在GPS 信号质量较差的站点位置。

3.4 区段动态定位模拟数据

选取中老铁路的部分隧道和3 段线路（昆玉段、玉磨段和磨万段）内的列车运行轨迹，在实验室内进行GPS 信号模拟。其中的磨万段、安定隧道的列车运行GPS 定位模拟效果分别如图8 和图9 所示。

图8 中老铁路磨万段GPS 信息模拟

图9 中老铁路隧道列车GPS 信息模拟

在实验室条件下，能够很好的模拟出列车经过GPS 定位信号不连续的隧道或线路区段的运行过程中列车动态运行轨迹，观看到基于模拟的GPS 定位信号列车在沿中老铁路线向前运行。

4 结束语

针对轨道交通线路上存在GNSS 信号盲区的问题，基于GNSS 定位原理，采用软件无线电技术，研制开发了GNSS 列车定位模拟系统，并在实验室搭建了测试环境。测试表明：在列车运行途中，当卫星信号接收受到遮挡或干扰时，该系统能够生成质量较高的卫星定位模拟信号，包括单点静态卫星定位模拟信号和区段动态卫星定位模拟信号，使车载设备在线路上GNSS 信号盲区也能获取高质量的接收卫星定位信号，有助于拓宽基于GNSS 的列车定位技术的应用范围。

本文仅进行了GPS 定位模拟，下一步将结合北斗卫星导航系统，继续完善GNSS 列车定位模拟系统，使基于GNSS 的铁路列车定位技术能够借助该系统，成功应用于中老铁路及其它轨道交通线路。