北斗RTK高精度定位在铁路巡检、抢修作业中的应用

随着北斗卫星导航定位系统服务能力的提升，铁路行业对北斗定位、授时、通信等技术应用需求不断增加，北斗技术已成为智能高速铁路2.0体系架构中的重要技术组成。中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）先后发布《铁路信息化总体规划》《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》《数字铁路规划》，构建中国铁路北斗时空信息综合服务体系。铁路北斗应用服务平台（简称北斗平台）作为符合服务体系的核心系统，已完成研发建设和部署应用，为铁路北斗技术应用和生态建设提供基础支撑。

北斗平台具备定位、授时、短报文通信功能，向全路提供高精度位置服务、时空信息共享、通用时空分析、高精度授时、短报文分理等服务，北斗平台总体架构见原文。以北斗平台为基础，以北斗卫星导航定位技术、地理信息技术、物联网技术等为支撑，面向铁路勘察设计、工程建设、运营维护等北斗应用提供时空信息管理、存储、共享、分析等服务能力。

北斗平台构建了铁路北斗应用数据管理机制，采用跨网服务发布和数据传输协议，形成了对基础数据、地理信息数据、北斗位置数据、授时数据和专业业务数据的分类分级管理。北斗平台数据分类分级见原文。

北斗技术已在铁路基础设施监测、施工作业人员安全防护、车载设备定位、轨道平顺性监测等领域开展了广泛试验及应用，北斗平台实现了示范线路和重点场站的北斗基准站数据接入，形成了实时高精度定位、授时及时间同步、车载设备位置共享、后处理静态监测等信息和服务产品。目前北斗平台能够根据业务需求统一提供差分服务产品和时空信息调用接口，具备时空信息可视化、检索、共享、大数据分析等功能，但尚未形成稳定、可靠的数据共享共用方案，且受限于铁路沿线基准站带状分布特点、复杂场站内定位干扰影响等，时空信息服务水平和数据挖掘程度有限。

结合铁路复杂环境特征和全路“1张网”基础解算能力要求，研究了基于空间误差信息改正的全路网高精度位置服务解算、适应铁路内部及外部服务网的高精度解算播发服务方式、基于多网融合的北斗高精度位置服务网数据融合管理机制、基于地理信息“1张图”的在网终端可视化展示等关键技术，从精准解算、 数据规约、网型优化等方面提升平台基础服务能力。根据北斗平台各功能模块特点，提出核心组件优化方案，保障各模块并行处理、高效并发、稳定运行。

2. 1　基于空间误差信息改正的全路网高精度位置服务解算方法

北斗高精度定位应用主要基于地基增强技术实现，开通运营线路的北斗基准站主要部署在沿线通信机房或车站，基于铁路数据通信网将原始观测数据回传至北斗平台。北斗平台将解算服务器和服务播发服务器分离部署，解算服务器按照格网点生成虚拟观测数据，并单向推送至用户服务器，用户服务器根据用户请求，获得相应区域的高精度差分产品。

受限于铁路线形走势特点，铁路北斗基准站网以带状长线条分布为主，导致传统解算模型定位精度低、组网稳定性差等问题，为适应复杂环境下不同用户对象的精准可靠定位，提出大气空间误差改正的广域高精度实时定位技术和冗余基线处理技术，以实现解算模型优化，提升全路整网解算服务水平和稳定性。

大气空间误差改正的高精度实时定位技术用于优化对流层实时播发改正产品和轨向电离层服务产品。基于虚拟参考站定位服务原理，优化改正对流层服务产品（见原文）。

将定位终端概略位置设置为虚拟参考站的精确坐标，利用虚拟站与基准站的几何关系，计算基准站和虚拟参考站到卫星的几何距离。详细见原文。

2. 2　适应铁路内外部服务网的高精度解算播发服务方法

铁路综合信息网由铁路内部服务网、外部服务网、安全生产网组成，北斗平台分离式部署于内部和外部服务网。为提升北斗基准站数据和铁路北斗终端时空信息管理应用安全性，北斗基准站原始数据存储于内服务网解算服务器，分别在内服务网和外服务网设置服务播发接口服务器。基于网络RTK实时处理、观测数据完备性监测及解算服务产品融合、基于智能格网的北斗改正数据生成与播发方法，实现精准解算和服务发布的分离配置（见原文）。

2. 2. 1　网络RTK数据处理方法

网络RTK数据处理主要在内部服务网进行，对北斗基准站网中的基线进行解算，固定双差整周模糊度后，利用每条基线的GNSS观测值、双差整周模糊度、 精确的基准站位置坐标等计算每条基线的综合误差；结合铁路北斗终端访问连接后发送的概略位置信息，插值确定网络RTK用户的差分改正信息，计算和提取高精度流动站用户的位置信息，结合图3的数据处理流程得到空间误差信息改正模型。

2. 2. 2　观测数据完备性监测及解算服务产品融合技术

对上传至北斗平台的铁路北斗终端进行精确位置计算及大气误差建模前，需要对原始数据进行完备性监测，在内部服务网生成融合服务产品。针对基于观测模式各异、观测环境不同、观测质量不一的基准站和流动站观测数据提取的大气误差产品，对各类数据的基准统一、数据方差-协方差估计、数据融合处理以及精度评估方法研究。

完备性监测主要包括数据完整率、多路径误差、伪距噪声、载噪比等，并定期对站点数据进行抽查解算，观测数据累积时长不小于10d，北斗平台数据监控分析结果见原文。

2. 2. 3　基于智能格网的北斗改正数据生成与播发技术

为实现海量用户接收北斗平台的高精度位置服务，提升铁路北斗终端服务并发使用能力，根据组网覆盖区域的大气误差情况，实时动态生成格网化的VRS改正数，并在外部服务网构建服务连接环境和对应格网范围。

根据经验在带状三角网内设置几何格网点的位置坐标、几何组网覆盖区域范围及精度要求设定大气误差阈值。每个历元中，在得到实时区域大气模型后，利用这一大气误差阈值，重新确定所有格网点，保证不同方向上相邻格网点间的大气误差差异小于该阈值；确定大气格网点坐标，该几何格网点根据区域大气模型具备实时变化更新的能力。

利用平面距离最近原则，为每个大气格网点匹配相应的几何格网点，该几何格网点的位置坐标即为大气格网点的几何坐标。解算得到所有格网化的VRS改正数据后，根据终端的概率位置信息，提供相应的格网服务改正数据。

2. 3　基于多网融合的北斗高精度位置服务网数据融合处理方法

由于铁路带状分布的特点，铁路高精度位置服务网基准站网形条件受限，接入外部行业地基增强系统的实时观测数据可补充铁路北斗高精度位置服务网建设，提升服务能力和可靠性。行业地基增强系统数据由专线接入中国铁路主数据中心运营商机房后，经由网闸进入北斗平台。通过数据规约软件对传入的数据进行初步分析和验证，校验后完成基准站组网运行，输出的成果数据经由内容审计软件，对数据进行脱密检查，最后传输至服务发布单元，对外提供安全可靠的数据服务产品。

2. 3. 1　多网融合北斗基准站数据传输脱敏方法

采用北斗基准站虚拟化算法，为基准站生成附近的虚拟站坐标，实时生产虚拟站观测数据，实现数据传输和应用过程中的“双重”脱敏。虚拟站也同时生成观测数据、卫星星历、状态等信息，采用单站虚拟化算法实现，步骤包括：

 （1） 设置基准站和虚拟站的坐标，设置基准站和虚拟站的数据格式；

 （2） 根据卫星星历、每颗卫星的观测数据，计算基准站观测数据的观测时刻，基准站观测到每颗卫星的卫星钟差，并据此计算每颗卫星的坐标； 

（3） 已知基准站坐标、每颗卫星的坐标，顾及相对论改正，计算每颗卫星与接收机的几何距离（卫地距）；

 （4） 已知虚拟站坐标、每颗卫星的坐标，顾及相对论改正，计算卫地距；

 （5） 将基准站的卫地距与虚拟站的卫地距作差，作为每颗卫星观测值的改正信息； 

（6） 将改正后的卫星观测值作为步骤（2）的输入值，进行迭代计算，直到2次迭代的改正信息差值小于阈值，认为迭代结束； 

（7） 得到虚拟站的卫星观测数据，并按照步骤（1）中设置的虚拟站数据格式进行数据编码，输出虚拟站观测数据。

北斗基准站脱敏数据采用RTCM3.3数据格式，构建的北斗平台虚拟基准站监控通道示意见原文。

2. 3. 2　高精度位置服务网健壮性评价方法

采用高精度位置服务网的健壮指数对站网的健壮性进行分析，指导北斗平台位置服务区域的安全稳定运行与维护。详细见原文。

2. 4　基于地理信息一张图的在网终端可视化展示

北斗平台通过接收铁路地理信息平台发布的地图服务，实现了带状二三维一体化空间数据融合建模和北斗应用终端的轻量化叠加分析，汇聚了标准化、规范化的高质量铁路空间数据集，数据类型包括矢量数据、栅格数据 、三维模型数据、BIM模型数据等。为满足北斗平台对基础设施监测、施工上道作业人员安全防护不同精度等级、不同应用场景下的可视化要求，平台对空间数据进行标准化和融合处理，将遥感底图和铁路空间基础设施信息进行匹配融合，实现高效存储及同步展示（见图1）。

图1　基于GIS的铁路基础底图服务

为实现专图专用，发挥时空信息在铁路智能运维中的作用，北斗平台提供GIS可视化、GIS查询、GIS分析、GIS专题等服务。采用基于弹性化共享空间服务 的数字铁路引擎技术，构建可伸缩型、高并发、灵活性强的空间信息服务引擎，实现云端动态按需调配铁路空间引擎资源，满足各专业各应用对空间服务和位置信息的融合使用。以京张高铁北斗示范应用为例，研发了基于北斗的多专业集成展示应用，实现了基准站、基础设施、巡线人员、动车组等信息在GIS地图的可视化位置和状态管理（见原文）。

2. 5　核心组件技术架构及优化方案

北斗平台采用SpringBoot微服务架构，按照不同的业务进行模块划分，每个业务模块作为1个微服务。业务模块之间采用共享数据库以及微服务通信进行数据共享和交互。核心组件包括地理信息空间数据处理组件、高精度位置服务的基站数据处理组件，组件独立运行，松散耦合，各个功能组件都支持独立横向扩展、多节点部署，确保提供稳定服务（见原文）。

时空数据管理及分析模块采用SSM框架技术进行程序的设计，采用SpringBoot进行程序的运行、管理和安装部署，采用GeoTools相关组件对上传的数据进行完整性、规范性以及数据质量等方面的检验，采用Thymeleaf模板引擎与SpringBoot结合进行前端数据展示，采用WebService技术实现跨平台、跨语言、跨协议数据传输，为页面数据展示和分析提供数据支撑。前端采用Html5、CSS3、Layui、JavaScript、JQuery等前端技术进行页面展示，支持基于信创数据库进行数据存储和管理。

高精度位置服务模块作为核心组件层，从功能匹配度、架构一致性、技术先进性3方面综合验证，采用成熟主流的第3方组件进行开发，实现基站数据的接收、解算、差分计算、播发。WEB服务端采用Springboot构建分布式服务接口，基于Element-Ul框架和Nginx实现负载均衡，在大并发情况下，可以同时 水平扩展前后端服务器。平台采用Redis作为缓存方案，提升系统的综合性能，降低数据库压力。采用MQ作为消息队列方案，对系统进行应用解耦。

北斗授时服务模块通过北斗定时处理单元对北斗公开服务信号进行处理，并采用标准网络通信技术以及标准串口通信技术实现北斗授时服务模块与北斗定时处理单元的数据交互。

铁路行业已在示范线路开展以铁路北斗应用服务平台为基础的体系化应用，构建适应铁路复杂环境的地基增强系统和多网融合数据传输链路，实现了覆盖示范线路和重要场站内的北斗基础设施资源汇聚，赋能在移动装备与控制系统、基础设施运维与应急安全保障、客货运输服务、工程勘察与建造领域等应用（见图2）。

图2　示范线路北斗卫星导航系统应用

3. 1　铁路基础设施监测

铁路基础设施的稳定可靠运行是保障铁路运输效率及安全的重要支撑，北斗具有高精度、自动化、连续化的监测技术优势，能够为铁路路基、桥梁、边坡等基础设施提供后处理毫米级的水平和垂直形变监测结果。通过融合多种应力、重力等传感器，以及遥感等技术手段，建立安全监测模型，提供及时准确的灾害报警和预警功能，保障铁路线路安全运行，为抢险求援、日常运营维护等提供基础数据。

3. 2　铁路通信铁塔倾斜监测

根据TJ/DW144—2017《铁路通信铁塔监测系统技术条件》规定，通过远程在线监测技术对通信铁塔的状态参数进行实时监测，包括水平位移、垂直度、基础沉降等，并对异常状态进行告警、预警。基于北斗高精度监测解算算法能够对通信铁塔状态参数进行有效地监测，并记录铁塔倾斜度、加速度值变化等状态信息，为通信铁塔维护检修提供依据，提高通信铁塔检修管理的自动化水平。

3. 3　上道作业人员安全防护

区间及站场上道作业人员防护运用北斗定位、地理信息、物联网技术，实现上道施工人员、调车机、机具的作业信息化、可视化，综合展示人、车、设备实时位置、作业状态等，具有人员与调机冲突预警、人员上下行跨线施工、人员轨迹跟踪及行为分析等功能，达到施工人员厘米级股道识别效果，准确判识施工风险场景。

3. 4　时间同步网构建

时间同步系统已经在铁路通信、供电、信息等开展实际应用，时间同步装置通过接收北斗卫星时间信号、外部IRIG-B码信号等，结合FPGA完成时间驯服算法，由高精度的卫星脉冲对本地晶振进行驯服，并采用卫星共视等技术实现时间信息跨网校正，从而实现高精度的授时功能，为各应用系统提供精确、稳定的授时服务。

3. 5　轨道平顺性检测

融合北斗+惯导的轨道平顺性检测车在高速铁路设计、普速铁路线路复测中开展了广泛应用，达到轨道平顺性指标毫米级、里程厘米级测量精度，基于流动基准站增强定位技术方式，实现多项几何参数高效测量，有效提升工务专业人员测量效率、降低维护成本，保障列车安全平稳运行。

3. 6　车载时空基准单元

基于北斗的车载时空基准单元以统一、标准的北斗信息作为信息源，为各专业车载系统提供时空信息基准共享服务，定位精度达到分米级、授时精度优于毫秒级。设备基于北斗的多源融合定位技术，实现开阔环境、半遮挡环境和隧道等不同环境下的列车定位追踪，具备NTP、PTP、IRIG-B、1PPS等多种授时方式，满足不同列车车载设备时间同步需求，实现列车时空信息统一精准感知。