主頁（http://m.by236.com）：“地下北斗系統”：地鐵定位最優解

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本文內容摘自《中國測繪》2020年第3期

城市軌道交通是一種可持續的環境友好型的交通運輸方式。目前，我國24個城市已開通地鐵，運營里程3155Km。在建地鐵城市36個，占世界運營里程約60%，規劃里程約70%。但同時也存在著軌道規劃不當、重復，建設管理低效和手段較為單一，高效與節能技術應用受到限制，乘車環境與人性化服務還有待完善等問題，城市軌道交通向智慧化方向發展勢在必行。

城市軌道交通定位系統在北京四惠站的應用截圖
時間與位置信息已成為萬物互聯、人工智能新時代下大數據的重要基礎。據統計，人們80%以上的時間在建筑物、地下、室內、移動載具等空間中度過。室內空間下的定位和授時長期以來是世界性的技術難題，城市軌道交通作業人員的安全作業、乘客的安全出行等問題日益凸顯，傳統的安全應急服務很難滿足當下發展的需求，也阻礙了“智慧地鐵”的發展。
這個問題并不是完全無法突破。
北斗衛星導航系統作為提供時間和空間信息的全球系統，是我國重要的空間基礎設施。目前，北斗正在推進國家綜合PNT體系建設，其中重點推進室內環境定位技術的突破，而GNSS的PNT服務在衛星地基系統中端或非暴露空間下將無法提供保障服務。針對非暴露空間PNT服務缺陷，綜合考慮北斗系統信號在到達地面時存在信號較弱、不能穿透建筑物、非暴露空間無法使用的問題，以及地鐵數字地圖和空間數字化程度較低等問題，全圖通位置網絡有限公司（以下簡稱全圖通）研制建設了城市軌道交通定位系統，在城市軌道交通領域具有巨大的市場前景。
城市軌道交通定位系統綜合了“BDS+UWB＋空間數字化”等技術，參考北斗衛星導航系統（BDS），為城市軌道交通建立“地下北斗系統”，在統一的時空基準下，實現定位、授時等服務的可用性、精確性、可靠性、連續性和穩健性。目前該系統已在北京地鐵一號線四惠站搭建好實驗系統，實驗效果良好，該系統也將在北京地鐵一號線全面推廣使用。
采用UWB與空間數字化技術則是目前該系統實現精準、可靠、連續、穩健、定位與授時的最優解。
超寬帶：
高精度室內定位應用中最佳的物理層技術
現階段室內定位領域運用技術較為多樣，從定位空間覆蓋范圍可分為廣域室內定位和局域室內定位，具體如表1所示。

表1：室內定位技術分類
廣域室內定位技術通常需要改造基站及手機芯片等設備模塊，成本巨大、時間周期較長，而局域室內定位技術成本較低、周期短，是目前商業化推廣運作較好的選擇方案。針對城市軌道交通的環境運作模式，局域室內節點覆蓋為最優選擇，對當前各局域室內定位技術做對比，如表2所示。

表2：當前各個室內定位技術對比
通過表格可見，在復雜的局域室內空間下，UWB定位技術有著不可比擬的優勢。超寬帶技術（Ultra Wide Band,簡稱UWB）是目前高精度室內定位應用中最佳的物理層技術，具有結構相對簡單、工程造價低廉、信道容量大、功耗低、保密性好、抗干擾能力強、數據傳輸速率高、多徑辨別能力強、定位精度高、定位性能穩定、信號衰減小、穿透能力強等優點。
美國聯邦通信委員會（FFC）對超寬帶的定義為：-10dB相對帶寬超過25%，或-10dB絕對帶寬超過500MHz，就稱為超寬帶（UWB）。
目前，超寬帶的技術在全球均處于起步階段，中國與美國、英國、俄羅斯等早期研發超寬帶技術的國家相比，在技術應用方面基本處于同一起跑線，尚未形成產業規模。以美國為代表的西方國家正在積極開展基于衛星導航和超寬帶技術的研究和應用工作。
自2017年開始，美國紐約在城市軌道交通中已逐步開展超寬帶車輛定位控制系統的應用試驗，并取得了初步的進展。紐約市交通局計劃，在紐約地鐵成功應用的基礎上，在地面交通系統中也部署超寬帶定位系統，解決美國全球定位系統（GPS）在市區使用時城市峽谷引發的多路徑效應帶來的負面影響，實現交通系統的高精度導航定位。
“地下北斗系統”的建設可以實現我國對歐美發達國家在超寬帶技術應用上的突破和趕超，促進城市軌道交通領域新一代信息技術的應用和發展，并以國內應用為基礎，未來在國際市場形成較強的競爭能力。
空間數字化技術：
即時定位、地圖構建與路徑規劃
隨著國家地位的上升，國家對安全形勢有了進一步的需求，應急處置、反恐維穩等任務日益繁重，同時隨著物聯網、AR、5G等技術的發展，數字中國和智慧城市是中國未來發展的方向，空間地理信息的數字化作為大數據建設的前提，目前室外空間經多年遙感和測繪技術的應用已基本實現了數字化，但是目前我國室內空間的數字化仍處于起步階段。應用地理信息空間數字化技術可對城市軌道各個應用服務性區域進行數據采集，以同步定位與地圖構建(Simultaneous Localization And Mapping，SLAM)技術為核心，包含了感知、定位、建圖三個過程，在形成電子地圖的基礎上，進一步開發作為路徑導航規劃的基礎，同時可為智慧應用服務奠定基礎。

基于SLAM室內移動三維數據采集系統的室內移動測圖系統，可以實現高精度室內三維激光點云數據+1600萬*6高分辨率全景影像數據+WIFI+藍牙Beacon+地磁數據+IMU慣性制導單元數據的多種傳感器融合的復合數據的采集，而不依賴于GNSS或使用復雜的慣導系統。在即時空間數字化方法的基礎上，針對地鐵非暴露空間作業時間、短環節復雜的情況，利用SLAM算法實現了即時定位與地圖構建，以對采集的三維全景建模，實現高精度電子地圖的快速生產。
該系統還能實現非暴露空間的路徑規劃導航，具有安全系數高、搜索時間短、路徑平滑等特點。
六大功能：
城市軌道交通定位系統的綜合應用
非暴露空間的復雜性，決定了開展地下綜合PNT服務的高要求，城市軌道交通定位系統的綜合應用在提供基礎的PNT服務之外，還可實現以下六大功能：
1、人員及車輛實時定位
UWB定位在不同的環境中能實現不同維度（零維、一維、二維）定位需求，可視化查看人員、物資、車輛的位置分布，便于工作調遣，提升生產效率；定位精度優于15cm，在發生危險時，可依據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在線發布相關控制信息，明確控制目標，在指定的管制區域內以脈沖監測的手段，通過實時上傳終端用戶的位置信息，來辨別行徑信息與圍欄邊界信息是否相悖，有著強大的阻擋作用和威懾作用，誤報率、漏報率極低，以防御為主，報警為輔。

電子圍欄
3、電子地圖
與地圖作匹配，是室內定位的重要步驟，也就是說，電子地圖生產是進行室內定位工作的基礎，也是以后智能化發展的主要方向。利用地理信息系統來儲存和傳送地圖數據，在同等顯示效果下，可實現地圖的放大、縮小、平移、旋轉，可快速存取、要素分層顯示，以及實現地圖上資產的長度、角度、面積的自動量取等智能化管理。

電子地圖
4、軌跡回訪
“地下北斗系統”支持長期存儲人員及車輛任一時間運行的軌跡，為還原事故、事件處理提供決策依據。

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，正常運行是地下綜合PNT體系開展的保障，完整合理的拓撲部署和運行狀態的實時監控必不可少，可減輕因硬件老損破壞帶來的更換維護工作量。此外，系統的部署還應有一定的冗余備份，在某一環節出現問題時仍能保證整體的正常運行。

基站部署位置
6、后臺管理
為便于管理和系統運行可靠性的驗證，應有相應的后臺管理大數據分析系統，包括終端用戶信息的管理、預警信息的處理、定位過程中經緯度坐標到平面坐標的轉化以及所支持的更新升級等。

后臺管理
“地下北斗系統”優于納秒級的授時技術為綜合PNT服務提供時間基準的同時，也為UWB室內定位消弱時鐘偏移誤差，提供空間基準，再結合路徑規劃導航技術，實現非暴露空間下的綜合PNT體系建設。在城市軌道交通中的應用，有效地實現了對北斗系統在非暴露空間應用的補充、增強和備份，從而打破室內空間與室外空間的邊界和壁壘。
未來非暴露空間綜合PNT體系的建設，必是基于北斗時鐘標準時間源的大范圍高精度同步授時的前提，以同元異構混合組網的時間同步為標準，多傳感器集成、多種定位模式相融合的位置信息源為支撐，以此提供室內與室外一體化的空間信息與時間信息。
（作者單位分別系長安大學、山東大學、北京市地鐵運營有限公司通信信號分公司、全圖通位置網絡有限公司）
文、圖/全圖通位置網絡有限公司