主頁(yè)（http://www.130131.com）：“地下北斗系統(tǒng)”：地鐵定位最優(yōu)解

原創(chuàng) 中國(guó)測(cè)繪雜志 中國(guó)測(cè)繪學(xué)會(huì)
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本文內(nèi)容摘自《中國(guó)測(cè)繪》2020年第3期

城市軌道交通是一種可持續(xù)的環(huán)境友好型的交通運(yùn)輸方式。目前，我國(guó)24個(gè)城市已開(kāi)通地鐵，運(yùn)營(yíng)里程3155Km。在建地鐵城市36個(gè)，占世界運(yùn)營(yíng)里程約60%，規(guī)劃里程約70%。但同時(shí)也存在著軌道規(guī)劃不當(dāng)、重復(fù)，建設(shè)管理低效和手段較為單一，高效與節(jié)能技術(shù)應(yīng)用受到限制，乘車(chē)環(huán)境與人性化服務(wù)還有待完善等問(wèn)題，城市軌道交通向智慧化方向發(fā)展勢(shì)在必行。

城市軌道交通定位系統(tǒng)在北京四惠站的應(yīng)用截圖
時(shí)間與位置信息已成為萬(wàn)物互聯(lián)、人工智能新時(shí)代下大數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人們80%以上的時(shí)間在建筑物、地下、室內(nèi)、移動(dòng)載具等空間中度過(guò)。室內(nèi)空間下的定位和授時(shí)長(zhǎng)期以來(lái)是世界性的技術(shù)難題，城市軌道交通作業(yè)人員的安全作業(yè)、乘客的安全出行等問(wèn)題日益凸顯，傳統(tǒng)的安全應(yīng)急服務(wù)很難滿足當(dāng)下發(fā)展的需求，也阻礙了“智慧地鐵”的發(fā)展。
這個(gè)問(wèn)題并不是完全無(wú)法突破。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為提供時(shí)間和空間信息的全球系統(tǒng)，是我國(guó)重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施。目前，北斗正在推進(jìn)國(guó)家綜合PNT體系建設(shè)，其中重點(diǎn)推進(jìn)室內(nèi)環(huán)境定位技術(shù)的突破，而GNSS的PNT服務(wù)在衛(wèi)星地基系統(tǒng)中端或非暴露空間下將無(wú)法提供保障服務(wù)。針對(duì)非暴露空間PNT服務(wù)缺陷，綜合考慮北斗系統(tǒng)信號(hào)在到達(dá)地面時(shí)存在信號(hào)較弱、不能穿透建筑物、非暴露空間無(wú)法使用的問(wèn)題，以及地鐵數(shù)字地圖和空間數(shù)字化程度較低等問(wèn)題，全圖通位置網(wǎng)絡(luò)有限公司（以下簡(jiǎn)稱全圖通）研制建設(shè)了城市軌道交通定位系統(tǒng)，在城市軌道交通領(lǐng)域具有巨大的市場(chǎng)前景。
城市軌道交通定位系統(tǒng)綜合了“BDS+UWB＋空間數(shù)字化”等技術(shù)，參考北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），為城市軌道交通建立“地下北斗系統(tǒng)”，在統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)下，實(shí)現(xiàn)定位、授時(shí)等服務(wù)的可用性、精確性、可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)健性。目前該系統(tǒng)已在北京地鐵一號(hào)線四惠站搭建好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)效果良好，該系統(tǒng)也將在北京地鐵一號(hào)線全面推廣使用。
采用UWB與空間數(shù)字化技術(shù)則是目前該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、可靠、連續(xù)、穩(wěn)健、定位與授時(shí)的最優(yōu)解。
超寬帶：
高精度室內(nèi)定位應(yīng)用中最佳的物理層技術(shù)
現(xiàn)階段室內(nèi)定位領(lǐng)域運(yùn)用技術(shù)較為多樣，從定位空間覆蓋范圍可分為廣域室內(nèi)定位和局域室內(nèi)定位，具體如表1所示。

表1：室內(nèi)定位技術(shù)分類(lèi)
廣域室內(nèi)定位技術(shù)通常需要改造基站及手機(jī)芯片等設(shè)備模塊，成本巨大、時(shí)間周期較長(zhǎng)，而局域室內(nèi)定位技術(shù)成本較低、周期短，是目前商業(yè)化推廣運(yùn)作較好的選擇方案。針對(duì)城市軌道交通的環(huán)境運(yùn)作模式，局域室內(nèi)節(jié)點(diǎn)覆蓋為最優(yōu)選擇，對(duì)當(dāng)前各局域室內(nèi)定位技術(shù)做對(duì)比，如表2所示。

表2：當(dāng)前各個(gè)室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)比
通過(guò)表格可見(jiàn)，在復(fù)雜的局域室內(nèi)空間下，UWB定位技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)。超寬帶技術(shù)（Ultra Wide Band,簡(jiǎn)稱UWB）是目前高精度室內(nèi)定位應(yīng)用中最佳的物理層技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、工程造價(jià)低廉、信道容量大、功耗低、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率高、多徑辨別能力強(qiáng)、定位精度高、定位性能穩(wěn)定、信號(hào)衰減小、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FFC）對(duì)超寬帶的定義為：-10dB相對(duì)帶寬超過(guò)25%，或-10dB絕對(duì)帶寬超過(guò)500MHz，就稱為超寬帶（UWB）。
目前，超寬帶的技術(shù)在全球均處于起步階段，中國(guó)與美國(guó)、英國(guó)、俄羅斯等早期研發(fā)超寬帶技術(shù)的國(guó)家相比，在技術(shù)應(yīng)用方面基本處于同一起跑線，尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。以美國(guó)為代表的西方國(guó)家正在積極開(kāi)展基于衛(wèi)星導(dǎo)航和超寬帶技術(shù)的研究和應(yīng)用工作。
自2017年開(kāi)始，美國(guó)紐約在城市軌道交通中已逐步開(kāi)展超寬帶車(chē)輛定位控制系統(tǒng)的應(yīng)用試驗(yàn)，并取得了初步的進(jìn)展。紐約市交通局計(jì)劃，在紐約地鐵成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，在地面交通系統(tǒng)中也部署超寬帶定位系統(tǒng)，解決美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）在市區(qū)使用時(shí)城市峽谷引發(fā)的多路徑效應(yīng)帶來(lái)的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)的高精度導(dǎo)航定位。
“地下北斗系統(tǒng)”的建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)對(duì)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家在超寬帶技術(shù)應(yīng)用上的突破和趕超，促進(jìn)城市軌道交通領(lǐng)域新一代信息技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，并以國(guó)內(nèi)應(yīng)用為基礎(chǔ)，未來(lái)在國(guó)際市場(chǎng)形成較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。
空間數(shù)字化技術(shù)：
即時(shí)定位、地圖構(gòu)建與路徑規(guī)劃
隨著國(guó)家地位的上升，國(guó)家對(duì)安全形勢(shì)有了進(jìn)一步的需求，應(yīng)急處置、反恐維穩(wěn)等任務(wù)日益繁重，同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)、AR、5G等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字中國(guó)和智慧城市是中國(guó)未來(lái)發(fā)展的方向，空間地理信息的數(shù)字化作為大數(shù)據(jù)建設(shè)的前提，目前室外空間經(jīng)多年遙感和測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，但是目前我國(guó)室內(nèi)空間的數(shù)字化仍處于起步階段。應(yīng)用地理信息空間數(shù)字化技術(shù)可對(duì)城市軌道各個(gè)應(yīng)用服務(wù)性區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以同步定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization And Mapping，SLAM)技術(shù)為核心，包含了感知、定位、建圖三個(gè)過(guò)程，在形成電子地圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)作為路徑導(dǎo)航規(guī)劃的基礎(chǔ)，同時(shí)可為智慧應(yīng)用服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

基于SLAM室內(nèi)移動(dòng)三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的室內(nèi)移動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)+1600萬(wàn)*6高分辨率全景影像數(shù)據(jù)+WIFI+藍(lán)牙Beacon+地磁數(shù)據(jù)+IMU慣性制導(dǎo)單元數(shù)據(jù)的多種傳感器融合的復(fù)合數(shù)據(jù)的采集，而不依賴于GNSS或使用復(fù)雜的慣導(dǎo)系統(tǒng)。在即時(shí)空間數(shù)字化方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)地鐵非暴露空間作業(yè)時(shí)間、短環(huán)節(jié)復(fù)雜的情況，利用SLAM算法實(shí)現(xiàn)了即時(shí)定位與地圖構(gòu)建，以對(duì)采集的三維全景建模，實(shí)現(xiàn)高精度電子地圖的快速生產(chǎn)。
該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)非暴露空間的路徑規(guī)劃導(dǎo)航，具有安全系數(shù)高、搜索時(shí)間短、路徑平滑等特點(diǎn)。
六大功能：
城市軌道交通定位系統(tǒng)的綜合應(yīng)用
非暴露空間的復(fù)雜性，決定了開(kāi)展地下綜合PNT服務(wù)的高要求，城市軌道交通定位系統(tǒng)的綜合應(yīng)用在提供基礎(chǔ)的PNT服務(wù)之外，還可實(shí)現(xiàn)以下六大功能：
1、人員及車(chē)輛實(shí)時(shí)定位
UWB定位在不同的環(huán)境中能實(shí)現(xiàn)不同維度（零維、一維、二維）定位需求，可視化查看人員、物資、車(chē)輛的位置分布，便于工作調(diào)遣，提升生產(chǎn)效率；定位精度優(yōu)于15cm，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，可依據(jù)人員分布位置信息快速救援。

人員定位
2、電子圍欄
電子圍欄主要是通過(guò)在線發(fā)布相關(guān)控制信息，明確控制目標(biāo)，在指定的管制區(qū)域內(nèi)以脈沖監(jiān)測(cè)的手段，通過(guò)實(shí)時(shí)上傳終端用戶的位置信息，來(lái)辨別行徑信息與圍欄邊界信息是否相悖，有著強(qiáng)大的阻擋作用和威懾作用，誤報(bào)率、漏報(bào)率極低，以防御為主，報(bào)警為輔。

電子圍欄
3、電子地圖
與地圖作匹配，是室內(nèi)定位的重要步驟，也就是說(shuō)，電子地圖生產(chǎn)是進(jìn)行室內(nèi)定位工作的基礎(chǔ)，也是以后智能化發(fā)展的主要方向。利用地理信息系統(tǒng)來(lái)儲(chǔ)存和傳送地圖數(shù)據(jù)，在同等顯示效果下，可實(shí)現(xiàn)地圖的放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)，可快速存取、要素分層顯示，以及實(shí)現(xiàn)地圖上資產(chǎn)的長(zhǎng)度、角度、面積的自動(dòng)量取等智能化管理。

電子地圖
4、軌跡回訪
“地下北斗系統(tǒng)”支持長(zhǎng)期存儲(chǔ)人員及車(chē)輛任一時(shí)間運(yùn)行的軌跡，為還原事故、事件處理提供決策依據(jù)。

人員軌跡回放
5、硬件管理
硬件支撐是地下綜合PNT體系搭建的基礎(chǔ)，正常運(yùn)行是地下綜合PNT體系開(kāi)展的保障，完整合理的拓?fù)洳渴鸷瓦\(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控必不可少，可減輕因硬件老損破壞帶來(lái)的更換維護(hù)工作量。此外，系統(tǒng)的部署還應(yīng)有一定的冗余備份，在某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)仍能保證整體的正常運(yùn)行。

基站部署位置
6、后臺(tái)管理
為便于管理和系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的驗(yàn)證，應(yīng)有相應(yīng)的后臺(tái)管理大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，包括終端用戶信息的管理、預(yù)警信息的處理、定位過(guò)程中經(jīng)緯度坐標(biāo)到平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化以及所支持的更新升級(jí)等。

后臺(tái)管理
“地下北斗系統(tǒng)”優(yōu)于納秒級(jí)的授時(shí)技術(shù)為綜合PNT服務(wù)提供時(shí)間基準(zhǔn)的同時(shí)，也為UWB室內(nèi)定位消弱時(shí)鐘偏移誤差，提供空間基準(zhǔn)，再結(jié)合路徑規(guī)劃導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非暴露空間下的綜合PNT體系建設(shè)。在城市軌道交通中的應(yīng)用，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)北斗系統(tǒng)在非暴露空間應(yīng)用的補(bǔ)充、增強(qiáng)和備份，從而打破室內(nèi)空間與室外空間的邊界和壁壘。
未來(lái)非暴露空間綜合PNT體系的建設(shè)，必是基于北斗時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源的大范圍高精度同步授時(shí)的前提，以同元異構(gòu)混合組網(wǎng)的時(shí)間同步為標(biāo)準(zhǔn)，多傳感器集成、多種定位模式相融合的位置信息源為支撐，以此提供室內(nèi)與室外一體化的空間信息與時(shí)間信息。
（作者單位分別系長(zhǎng)安大學(xué)、山東大學(xué)、北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司通信信號(hào)分公司、全圖通位置網(wǎng)絡(luò)有限公司）
文、圖/全圖通位置網(wǎng)絡(luò)有限公司