北斗導航關鍵技術及應用

　　北斗導航關鍵技術及應用

　　實現基于北斗衛星導航系統的安全定位，需要保證衛星定位的精確度、連續性和完好性，能夠持續獲取準確的位置信息，保證運行安全： 能夠監測并評估故障，提出告警。

　　針對上述關鍵問題，以下方法被提出并應用于輔助定位： 是組合定位技術，用于解決定位完整性、連續性的問題; 二是差分定位技術，主要用于輔助提高定位精度; 三是組合系統的完好性監測技術，實現定位系統自主完好性監測。

　　一、組合定位技術

　　組合定位是采用其他類型的數據源與BDS 系統的定位信息結合，輔助提高BDS 系統的定位精度與完整性、連續性，本文使用的技術手段包括多模衛星組合定位和多傳感器信息融合組合定位。

　　1.1 多模衛星組合定位

　　由于目前BDS 系統還處于建設期，衛星數量還相對較少，廣播星歷的精度有待提高，而衛星覆蓋率，可用衛星數量和空信號精度直接影響定位的效果。因此，采用GPS/GLONASS/Galileo 系統進-步補充和增強系統衛星信號資源，是解決BDS 系統定位不足并優化系統應用的重要途徑。

　　多模衛星組合定位就是用- 一臺衛星定位接收機同時接收和測量BDS 系統與其他衛星導航系統的衛星信號，從而能夠綜合利用多種衛星導航系統精確測出三維位置、三維速度、時間和姿態等相關參數。多模組合定位需要將多種定位功能組合在一一個單元內，由于BDS 系統與GPS這兩種星基導航系統在系統構置、導航定位機理、工作頻段、調制方式、信號和星歷數據結構等方面基本相同或相近，都以發射擴頻測距碼、測量衛星與用戶之間的偽距來完成導航定位，而且GPS 系統建設完善，定位精度高，所以本文使用BDS/GPS 雙模冗余組合實現多模組合定位解決方案。

　　BDS/GPS 雙模衛星導航接收機基于軟件無線電思想設計問，由BDS/GPS F 變頻單元、信號處理單元、PVT （位置、速度、時間） 解算單元、RTC （實時時鐘）守時單元、對外接口單元和電源模塊等組成。系統所用天線為有源接收天線，由BDS/GPS 天線板和低噪聲放大器組成。下變頻單元由GPS和北斗射頻模塊組成，將天線送來的信號下變頻; 信號處理單元跟蹤機載天線送來的GPS和BDS 衛星信號，以用戶時鐘為參考，提供各衛星信號到達時間，最后將解調數據、信號到達時間送至PVT解算單元： PVT解算單元實現定位坐標的解算、定位結果濾波、定位誤差修I正等數據處理; RTC守時單元輸出不間斷的時間信息至PVT解算單元，完成時間基準的保持。接收機結構設計如圖2 所示。

　　BDS 和GPS的導航衛星信號通過基帶信號處理單元分別進行捕獲、跟蹤、觀測量提取和導航電文提取操作，不同衛星的信號用各自專有的數字通道處理，并行工作。PVT解算單元接收基帶信號處理單元輸出的輸出導航電文和碼偽距、多普勒頻率、載波相位測量和本地時間等觀測量數據，進行自主導航運算，在偽碼的跟蹤狀態下，計算得到用戶到衛星的偽距p，解算獲得用戶的位置和衛星與用戶的鐘差。解算應F 月Kalman濾波算法，可以獲得較高的噪聲抑制能力，并且能夠時給出用戶的速度信息。

　　1.2 多傳感器組合定位

　　軌道交通的運行環境特殊，具有涉及地域廣泛，環境復雜的特點，存在- 一些衛星信號遮擋的區域。為了得到連續可靠的定位信息，確保列車定位信息的安全，通常采用信息融合的方法，利用多傳感器組合輔助保障定位17.81。

　　組合定位測量系統可以包括多種傳感器，如里程計、衛星定位接收機、慣性傳感器等。各種傳感器都連接到車：載定位計算機，由車載定位計算機通過不同傳感器提供的冗余位置測量信息（包括列車位置、速度、航向等），采用多傳感器數據融合方法，綜合利用多源信息獲得列車位置量的最優或次優估計，高效的利用這些冗余信息完成定位結果的求解。系統結構如圖3 所示。

　　根據Sage-Husa 自適應濾波算法與衰減記憶濾波算法的特性，解決方案提出一種列車定位的自適應信息融合算法，充分發揮兩種算法各自的優勢，利用Sage-Husa 自適應濾波提高濾波精度，而當存在發散趨勢時使用衰減記憶濾波抑制發散，從而降低了信息融合對先驗噪聲統計特性和模型選取的依賴，保證了信息融合的精度和穩定性。

　　改進的1自適應算法的基本思想是在BDS/IMU 數據對準、融合開始時，先對本次融合的濾波發散趨勢進行判斷，當滿足收斂條件時，采用Sage-Husa 自適應濾波進行融合，而當濾波發散時，采用指數加權衰減記憶濾波保持融合的穩定。由于Sage-Husa 自適應算法能夠有效提高濾波的精度，同時也具有一定的發散抑制能力，而衰減記憶濾波為了抑制發散需要以一定的精度為代價，因此只有當濾波發散超過Sage-Husa 算法的承受能力時，融合才改用衰減記憶濾波，最大程度的發揮了兩種算法各自的優勢。下圖給出了改進的自適應融合算法的流程。

　　二、差分定位技術

　　差分定位可以消除或者削弱衛星導航定位中的接收機鐘差、衛星鐘差等多種誤差，載波雙差后模糊度為整數，所以GPS 系統中差分定位應用#非常廣泛。

　　差分定位包括偽距差分定位技術和實時載波相位差分定位技術10。偽距差分定位比較每顆衛星每時刻到基準站的真實距離與偽距， 得出偽距改i正數，修iF 定位，能得到米級的定位精度。載波相位差分技術又稱RTK （Real Time Kinematic） 技術，通過實時處理兩個觀測站載波相位觀測量的差分，求差解算坐標，可使定位精度達到厘米級，大量應用于動態需要高精度位置的領域。

　　軌道交通領域實現差分定位一般采用基準站-移動站差分系統。在地面設立差分基準站，產^生衛星定位差分信息，并播發給車載設備，以提高列車定位的精確度。一般在列車運行控制方面采用偽距差分技術，在鐵路地理信息測繪方采用RTK技術。

　　差分系統可分為兩個基本部分：

　?。?） 地而基準站： 基準站同時采用兩臺GNSS 接收機，連續跟蹤觀測GNSS 衛星，產生RTCMV2.0/V2.1修正數?；鶞收咎炀€坐標采月WGS84 坐標系，精度優于土0.5 m; 輸出IS、5S、30S采樣間隔的GNSS 原始觀測數據。

　?。?） 數據播發系統： 系統通過GSM-R 網絡向用戶播發為分修i正數據。

　　差分基準站建立在鐵路車站，采用雙套GNSS 接收機，每臺接收機都根據接收的GNSS 信號，產生差分改正數據，無線閉塞中心（RBC） 根據當前列車位置，把相應的差分基站的差分數據發送給列車。

　　三、定位系統自主完好性監測技術

　　在采用組合定位的過程中，由于傳感器資源增多、系統結構趨于復雜，因此必須要對組合系統的故障、異常風險予以考慮，以盡可能地提高系統對異常情況的容忍能力，保障安全，提高系統完好性。

　　組合定位系統完好性監測要在系統工作過程中對完好性性能狀態進行實時的獲取和判斷，以衡量定位系統在故障（包括傳感器、子系統的軟故障和硬故障） 導致定位誤差超限時及時正確響應的能力。解決方案的重要內容即為實時的故障檢測和診斷（FaultDetectionandDiagsi FDD），在基本的衛星定位接收機自主完好性監測（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM） 算法基礎上將完好性設計拓展到整個組合系統，實現定位系統自主完好性監測（LocatorAutonomousItgririLAIM），使系統具備及時發現并確定故障來源，從而評估故障等級的能力。下圖給出了組合定位系統自主完好性監測的設計原理。