北斗定位技术在铁路列车定位中的应用现状分析

高京

（国能铁路装备有限责任公司，北京 100120）

0 引言

随着科学技术的不断进步，全球定位系统（GPS）得到广泛应用，但在特定环境下（如隧道、高楼群等），传统GPS 技术的定位精度和可靠性存在一定的局限性。在这样的背景下，北斗定位技术作为我国自主研发的全球卫星导航系统，具有更好的覆盖范围和定位精度，被广泛应用于铁路列车定位领域。北斗定位技术不仅可以提供高精度的定位服务，还具备强大的抗干扰能力，能够有效克服传统GPS 技术在特殊环境下的限制。

然而，目前关于北斗定位技术在铁路列车定位中的应用现状及其效果的研究还相对欠缺，这也成了当前一个备受关注的问题。因此，通过对北斗定位技术在铁路列车定位中的应用现状进行分析，以便更好地推动北斗定位技术在铁路运输中的应用。

1 北斗定位技术在铁路列车定位中的应用现状

当前全球卫星导航系统主要包括美国的GPS（Global Positioning System，全球定位系统）、俄罗斯的GLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM，格洛纳斯卫星导航系统）、欧盟的GALILEO（Galileo satellite navigation system，伽利略卫星导航系统）、中国的BDS（Beidou Navigation Satellite System，北斗卫星导航系统）四大GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）系统以及其他国家和地区的区域卫星导航系统。这种格局为铁路领域的位置服务卫星应用提供了多样选择。通过引入GNSS 导航技术用于列车定位能够有效地补充现有的定位方式，并有望成为未来列控系统的主要定位方案。

为此，下文基于北斗的多传感器组合列车定位及信息融合技术、多模卫星列车定位技术、北斗差分列车定位技术等方面，综述了北斗定位技术在铁路列车定位中的应用现状，具体如下：

1.1 多传感器组合列车定位及信息融合技术

为确保在各类复杂地形环境，包括平地、山地、隧道和城市等，列车定位的精确性、连续性和可用性，GNSS 定位系统需引入多元化的传感器资源以应对其定位能力下降或失效的情况。构建合理的GNSS 列车组合定位方案，并高效融合各类传感器（如惯性测量单元、雷达等）的观测信息，可实现列车的高精度定位。

在此过程中，信息融合作为解决此问题的有效手段，充分利用各类传感器的信息在差异、相容性和互补特性上的优势，将多传感器信息进行集成，综合利用不同传感器的观测数据，可弥补GNSS 系统在复杂地形和地貌条件下的局限性，解决列车定位过程中的挑战。图1 展示了基于GNSS 技术的列车组合定位方案的一种典型原理。在此方案中，对GNSS 测量结果与其他传感器的测量结果进行了融合，从而实现更高质量的列车定位[1-2]。

图1 基于GNSS 技术的列车组合定位原理

1.2 多模卫星列车定位技术

多模卫星列车定位技术是指通过使用多种卫星系统，如北斗、GPS、GLONASS 等，来确定铁路列车的准确位置和运行状态的技术。这种技术结合北斗定位技术在铁路列车定位中的应用，可以提供更准确、可靠的定位信息，提高列车运行的安全性和效率。

首先，多模卫星列车定位技术利用北斗定位系统提供的卫星信号进行定位。北斗系统是我国自主研发的卫星导航定位系统，具有全球覆盖能力和高精度定位能力。通过接收北斗卫星信号并进行数据处理，可以获取列车位置的经纬度坐标以及高程信息。

其次，多模卫星列车定位技术在铁路列车定位中还结合了其他卫星系统，如GPS 和GLONASS 等。这些卫星系统具有自身的优势和特点，通过与北斗系统协同工作，可以提供更多的卫星信号，增强定位的可靠性和准确性。同时，多模卫星定位技术还可以通过对不同卫星系统信号的融合处理，提高定位的精度和可靠性。

最后，多模卫星列车定位技术还可以利用地面基站或补偿网络，对定位数据进行实时校正和补偿。

1.3 北斗差分定位技术

除了多模式卫星定位技术，北斗差分定位技术也是提高GNSS 定位精度的另一重要方法。北斗差分定位技术（BDS Differential Positioning）是中国北斗导航系统（BDS）的一项技术。通过接收差分基准站与用户接收机之间的导航信号，对用户接收机的信号进行差分计算，从而提高定位的准确性和精度。北斗差分定位技术利用参考站点提供的准确定位信息，将其与用户接收到的卫星信号进行对比和校正，减小信号误差，并通过传递校正数值给用户的接收机，从而实现更高的定位精度和可靠性。北斗差分定位技术可以消除大部分的普通模式误差，如时间误差、电离层延迟、大气延迟等，提供更精确的定位信息。图2 展示了列车北斗差分定位原理[3]。

图2 列车北斗差分定位原理

北斗差分定位的优点是：无须建站、成本低、无须用户进行过多干预、不需要GPS 信号就可实现定位，只需将接收到的信号与GPS 进行对比，即可完成相对定位[4]。目前市场上主流的差分芯片有RTK 和GPSRTK 两种方案，其中RTK 采用伪距测距，精度约为10cm；GPS-RTK 是一种伪距测距方式，精度在50km。当北斗系统和GPS 系统工作正常时，两个系统可以同时提供定位服务，其缺点是当某一卫星信号被干扰或遮挡时（如太阳或建筑物遮挡），将导致该卫星信号无法正常使用或丢失，导致用户无法获取高精度定位信息。

2 北斗定位技术在铁路列车定位应用中存在的问题

2.1 多传感器组合列车定位及信息融合技术

在铁路运输系统中，仅依靠单一的北斗卫星定位技术可能无法满足高精度和高可靠性的要求，因此可能需要采用多传感器组合定位技术。这涉及融合来自北斗卫星、惯性导航系统（INS）、轮径测速器、轨道电路等多种传感器提供的信息，以实现更为准确和稳定的列车定位，但其也存在一些挑战和问题：

一是信息融合算法的复杂性，为了实现不同传感器信息的有效融合，需要复杂的算法处理，这无疑增加了系统设计的难度和实施成本。

二是传感器错误与干扰，每种传感器都可能受到特定错误和干扰的影响，如多径效应、信号遮挡等，如何在信息融合过程中准确识别和校正这些错误是一个挑战。

三是铁路系统对定位信息的实时性要求极高，而多传感器信息的采集、处理与融合可能导致处理延迟，影响定位准确性和操作的及时性。

2.2 多模卫星列车定位技术

多模卫星定位技术是指同时使用北斗、GPS 以及其他如GLONASS、GALILEO 等多种卫星导航系统进行定位的技术。这种技术可以提高定位的稳定性和准确性，但也存在以下问题：

首先，不同卫星系统间的兼容性和集成问题是一个技术难点。由于不同卫星系统的信号格式、频率等可能各不相同，要想实现各系统间的兼容与集成，就需要解决很多技术上的难题。这需要研发人员对各种卫星系统的技术细节有深入的了解，并具备丰富的技术经验。

其次，信号遮挡和多径效应也是影响多模卫星定位技术准确性的重要因素。在隧道、山区等地形复杂地区，卫星信号容易受到遮挡或产生多径效应，这会导致接收到的信号失真或丢失，从而影响定位的准确性。因此，如何提高在复杂地形条件下的定位精度，是多模卫星定位技术需要解决的一个重要问题。

2.3 北斗差分定位技术

北斗差分定位技术是一种通过在铁路沿线设置差分基站，实时发送差分修正信息给列车上的北斗接收机，从而校正卫星信号误差，提高定位精度的高级技术。然而，这种技术在实际应用中仍然存在一些问题。

首先，尽管北斗差分定位技术已经相当成熟，但仍然会受到一些环境因素的影响。例如，大气延迟、多路径效应等自然因素，都可能对差分信号的精度产生影响。这些因素难以完全消除，只能通过一些技术手段尽量减小其影响。

其次，为了能够全面覆盖特定的铁路线路，需要合理选择差分基站的位置和分布。这不仅需要考虑地形因素，还需要考虑基站之间的信号覆盖范围以及相互之间的干扰等问题。

最后，北斗差分定位技术需要与列车控制系统等设施进行有效集成，这无疑对系统的设计和实施提出了更高的要求[5]。

3 提升铁路列车定位应用中的北斗定位技术效果的措施

3.1 优化北斗接收器和天线设计

优化列车上北斗接收器和天线的设计是提升铁路列车定位应用中的北斗定位技术效果的首要措施。北斗接收器需要对多种信号模式进行接收，保证在任何速度、任何位置都能快速、准确地获取信号。而天线的设计也是十分重要的，天线要有足够宽的频带，保证在各种情况下都有良好的接收信号性能。同时，天线的防振、防腐性能也很重要，保证在恶劣环境下也能正常工作。

3.2 打造完备的定位算法体系

针对铁路列车的特点，如高速移动、强烈的多径效应、信号遮挡等问题，需要研发并应用高效、稳健的定位算法。例如，利用紧耦合卡尔曼滤波算法可以提高传感器数据与北斗信号的融合效果，实现更精准的定位。

此外，多径效应和遮挡问题可能导致定位失准，这时则可以利用一些高级算法，如基于人工智能的深度学习算法，预测并校正这类问题，保证列车在各种复杂环境中的定位准确率。

3.3 创建完善的地基增强系统及定位系统

地基增强系统可以提供更高精度的定位和定向服务，通过地基站接收北斗卫星信号，计算并发布差分修正信息，使移动台能在实时接收到卫星信号的同时，接收并应用差分修正信息，大幅度提升定位精度。另外，还可以构建实时精密定位系统，即通过设立地面差分站，实时提供卫星轨道参数、卫星钟差等差分改正量，为列车提供厘米级的实时定位服务。

4 结语

北斗定位技术在铁路列车定位中的应用包括多传感器组合列车定位及信息融合技术、多模卫星列车定位技术和北斗差分定位技术。然而，在应用中仍然存在一些问题，例如多传感器融合的复杂性、多模卫星系统的兼容性和信号质量等。为提升其效果，可优化北斗接收器和天线设计、打造完备的定位算法体系，以及创建完善的地基增强系统及定位系统。这将有助于推动铁路行业的发展，提高列车运行的安全性和效率。