江西昌九高速公路北斗卫星导航增强系统

作者：陈广辉（江西方兴科技有限公司）

摘要：江西新一代国家交通控制网和智慧公路示范工程，依托江西省昌九高速公路及江西省高速公路网发展和服务需求，以国家交通控制网为技术主线，以实现车道级运行管理应用和车辆级协同控制为目标。本文详细介绍了示范工程的重要组成部分：高速公路北斗卫星导航增强系统，包括系统构成、系统功能、建设方案、技术要求等。

江西新一代国家交通控制网和智慧公路示范工程，依托江西省昌九高速公路及江西省高速公路网发展和服务需求，以国家交通控制网为技术主线，以实现车道级运行管理应用和车辆级协同控制为目标，构建一张融合高速公路骨干通信、定位、车路交互平台的智慧公路车路感知交互网，搭建一套面向安全开放互联数据链的智慧公路云平台和智慧供电系统，形成安全、便捷、高效、绿色、经济的智慧高速技术体系，为车路协同以及进一步的自动驾驶奠定基础，有效增强应对高负荷交通流、恶劣气象灾害的能力，提升车辆（尤其是危险品运输车辆）运行管控及服务水平。

图1 北斗卫星导航增强系统构成图

（一）高可靠的高精度定位增强功能

依托卫星导航增强基础设施，结合国家和商业全国性精度增强服务，采用交通运输行业标准，构建符合交通控制高可靠需求的基础设施，实现高速运动实时分米级、低速运动实时厘米级和静态毫米级卫星导航定位精度增强功能。具备增强功能的北斗卫星定位终端获取增强信息后，可实时进行高精度定位，获取精确时间、经度、纬度、速度和方向等定位状态信息。具体功能描述如下。

（1）高速运动实时分米级精度增强功能

向装载车路协同终端的车辆提供快速收敛、快速恢复、低时延的分米级精度增强服务，支持智能车辆辅助驾驶、车道级导航、精细化交通运行状态感知等应用。其中，增强信息格式符合交通运输行业标准JT/T 1160《交通运输卫星导航增强应用系统 第2部分：差分数据电文》要求，增强信息可通过路侧智能站与智能车载终端之间的专用无线通信链路传输，也可通过4G无线移动通信网络传输。

（2）低速运动实时厘米级高精度增强功能

面向养护机械定位终端、测绘仪器设备等提供标准RTK服务，在载体低速运动状态下到达实时厘米级定位精度，支持养护机械设备自动控制、地理信息测绘和采集等应用，其中增强信息可通过路侧智能站与智能车载终端之间的专用无线通信链路传输，也可通过4G无线移动通信网络传输。

（3）静态毫米级卫星导航定位增强功能

对重点桥隧、边坡基础设施实时监测应用提供实时和后处理的静态高精度定位功能，实现数字化实时监测的形变为毫米级的增强服务，实现全天候的基础设施形变状态监控。

（二）定位可靠性增强功能

通过监测卫星导航系统、昌九高速公路示范路段北斗卫星导航增强系统的服务性能，以及示范路段的卫星导航频段电磁干扰情况，实现卫星导航完好性告警功能以及卫星导航增强服务性能可靠性告警功能，为用户确认位置信息可靠性提供支持。定位可靠性信息可通过专用链路或4G无线移动通信网络向车路协同终端等提供服务。

（三）授时功能

面向路侧智能站、车载终端的精准时间同步需求，北斗卫星导航增强系统在提供位置增强的同时，实现与卫星导航基准时间的同步精度达到20纳秒以内，保证各设备和应用系统间的精准时间同步。

（四）扩展定位功能

在隧道等有地物遮挡的区域，安装复现式扩展定位设备，播发复现式卫星导航定位信号，填补卫星定位服务空白，普通卫星导航终端无需改造即可实现隧道内定位，从而达到示范路段卫星导航定位服务无缝覆盖的目的。

基准站网子系统主要跟踪、采集、记录卫星定位数据，并实时将数据传输到数据处理中心，是北斗卫星导航增强系统的基础信息源，其中基准站包括本工程的自建基准站和已建的外部接入基准站，基准站北斗卫星导航增强系统正常运行的基本保证。

基准站提供示范区域内卫星导航跟踪信号，用于生成区域卫星导航增强信息。外部接入基准站接入已建的基准站数据以生成广域增强信息和完好性信息。建设高可靠的一级基准站和普通可靠性的二级基准站。基准站设备构成见图2。基准站设备拓扑见图3。

图2 基准站设备构成图

图3 基准站设备拓扑图

（1）一级基准站

基准站主要包括卫星导航信号接收天线、卫星导航信号接收机、通信设备、供电设备、观测墩、避雷设备。为提高可靠性，一级基准站将设置三台监测接收机，其中一台为主用接收机，一台为热备份接收机，一台为服务性能监测接收机。

室外设备包括避雷设施、GNSS监测型天线、GNSS高精度接收天线、接收观测墩、监测观测墩、三台GNSS接收机、通讯设备。其中，天线电缆长度控制在30～50米。

室外部分主要分为两部分，GNSS天线和GNSS观测墩。

站点建立的屋顶观测墩具有如下要求：屋顶观测墩的高度应大于1.5m，内部钢筋与房屋主承重结构钢筋焊接，结合部分应不少于0.1m；观测墩上安装强制对中标志，并严格整平。墩外壁设置钢或塑料的硬质线缆管道；基准站设置大于15m2的观测室，观测室应满足仪器设备正常运行的要求，分别设置电力和信号管线通道，并考虑防水、防风、防雷和动物防护等因素。

（2）二级基准站

二级基准站均匀分布在昌九高速公路示范路段，每个二级基准站设置一台基准站接收机，采用光纤有线通信链路和4G无线通信链路。

二级基准站支架的底边采用等边三角形（60边长）或等腰直角三角形（直角边60cm），支架高度为60cm，材质使用不锈钢材料，角钢或角铁宽度为3～5cm，厚度为2.5～3mm。

（二）完好性监测子系统

完好性监测子系统主要监测卫星导航系统、昌九高速公路示范路段卫星导航增强系统的服务性能。服务性能监测主要通过2个在一级基准站中部署的监测接收机和在路侧智能站中部署的3个监测接收机监测卫星导航信息和增强信息。

（1）卫星导航服务性能监测

采用卫星导航信号功率检测技术、卫星导航信号载波一致性检测技术、卫星导航信号相关峰检测技术，监测示范路段信号质量，接收公共卫星导航服务监测网络信息，获得卫星导航系统和导航卫星的工作状态信息，生成系统级和卫星级服务性能监测数据，通过增强服务系统发送给终端。

（2）增强系统服务性能监测

利用5个监测接收机实时接收增强服务系统播发的差分数据，并实时回传导航定位数据（包含GNGGA数据）。通过对导航定位数据解析可得出以下信息，并将该信息生成监测数据，通过增强服务系统发送给终端。

差分数据延迟信息：GNGGA数据中包含差分数据延迟信息，可对该条数据进行提取统计。

解状态信息：通过分析GNGGA数据实时查看监测接收机当前解状态（可分为单点解、差分解、浮点解、固定解），并统计整个时段内固定解比例。

精度信息：5个监测接收机天线位置坐标可通过精确计算得出，接收机接收差分数据后得到的成果坐标实时与已知坐标进行对比，并生成实时精度离散图。

（三）数据处理子系统

数据处理子系统是整个北斗卫星导航增强系统的核心单元，主要由内部网络、数据处理软件和服务器资源等组成，通过光纤网络实现与基准站间的有线连接。数据处理子系统实现基准站管理、数据通信、数据管理、网络改正数据计算、差分数据服务（网络RTK/RTD服务）、网络管理、用户管理等。

数据处理子系统部署于本项目建设的计算资源、存储资源和网络资源，并配备操作系统、系统软件等，实现北斗卫星导航增强系统的数据存储、数据管理、数据分发和实时米级、分米级、厘米级与毫米级定位。其中，数据处理软件满足如下要求。

（1）作为差分数据服务的网络RTK/RTD服务软件系统，应兼容多种算法，兼容BDS、GPS、GLONASS和Galileo，能够实现多种定位服务的能力。

（2）为达到设计方案系统日可用性99%的指标，软件系统应能达到以下要求：长期可靠地运行；算法应有较强的稳健性，可在全天99%时间内正常工作；具备一定的容错性能力，即在某一基准站数据异常时提示信息，自动剔除该站数据后重新构网运算，而不中断数据服务；具备数据筛选能力，即自动剔除不健康的卫星数据，避免对流动站的不良影响。

（3）完好性监测是系统重要的指标之一，可以通过基准站定位精度实时监测、全网基准站坐标监测、系统超差报警等方面进行考虑，软件具有以下功能：基准站数据完整性分析和站点多路径影响分析；通过与已知坐标比对，实时计算基准站坐标并进行定位精度分析；综合各基准站数据，监测全网基准站坐标；在系统或环境不能提供有效数据服务时，向用户及管理人员示警的能力。

（4）软件具备电离层和对流层分析功能，且可以适应电离层和对流层的较大变化。

（5）从系统兼容性角度考虑，要求软件具备以下功能：允许多种品牌的基准站接收机接入系统；支持多种品牌的流动站接收机；可采集用户实时定位信息，可针对用户位置进行二次开发。

（6）从系统和用户管理的角度考虑，软件具备以下功能：用户使用授权、认证，监测用户使用时间、流量大小等计费管理；基准站数据下载、格式转换（RINEX格式）、质量检查（数据完整性检查）、分流（指定FTP服务器）、自动存储、基准站接收机远程控制等功能。

（7）运行环境：Windows/Linux操作系统。

（8）定位类型：网络RTK、网络RTD、常规RTK、常规RTD等。

（四）应用服务子系统

应用服务子系统包括用户应用和系统安全保障两部分。

（1）用户应用系统

用户验证与用户计费管理功能主要包括：可在软件中登记各个获准使用这台站网服务的用户，然后分发不同的系统登入用户ID及密码给用户。对实时用户的管理可以根据数据播发格式、每个账户同时在线的用户数量、工作区域限制。按每个用户群的需要，授权不同的数据产品供不同的用户。可向系统管理员提供每一位用户的实时在线状态信息，并可向用户发出详细的服务收费清单。

用户子系统设备配置功能：GNSS软件能基于网络RTK概念的改正数据，即提供RTCM标准格式，用于流动点的RTK坐标计算。只要能接收RTCM V3.X格式的设备均能兼容它们，同时软件系统兼容其他设备采集的基准站原始数据。

（2）系统安全体系

对于本系统数据中心的网络，需要提供详细可靠的安全防范性设计。网络设计要求分为外部网与内部网，任何非许可用户都不能进入内部网；外部网与内部网采用有效可靠的隔离技术实现隔离和必要的数据交换。同时，外部网设计也应提出相应的安全保密措施，建立必要的防火墙；对用户口令和保密字传输进程加密；对任何进入系统的用户（合法的、非法的、攻击性的）都有记录，网络遭受攻击后的恢复方法等。保障数据中心设备安全，做好防雷及防电源浪涌系统，安装自动火灾气体灭火系统。保障数据中心数据安全，完善数据管理机制。实施双机热备，对数据中心数据实施备份管理。对用户进行实名登记，在对外发布数据时对机密数据进行加密，如转换参数，基准站实际坐标等。

（五）复现式扩展定位子系统

由于导航卫星被遮蔽，隧道内车载卫星导航终端无法正常工作。复现式扩展定位设备在隧道内播发模拟的卫星导航信号，可消除隧道定位导航盲区，实现车辆的无缝连续定位和连续监测，普通的车辆定位导航设备和手机均可接收信号实现隧道内定位。

复现式扩展定位子系统主要由1套主控站和4套信号发射终端组成。主控站一般部署在隧道口处，用于生成扩展定位信号信息，包括时频设备、实时卫星导航信号接收机、扩展定位信号生成设备、网络设备等。信号发射终端由信号生成设备和发射天线组成，信号生成设备接收主控站的信息并转换为射频信号，发射天线将射频信号发射到隧道内空间。部署在隧道内，相互间隔一般为200米至400米。

具有高可靠卫星导航信号和服务信号接收、跟踪和发送功能。

硬件设备包括：2台基准站接收机及天线、1台完好性接收机及天线，防雷供电通信等配套设备、基准观测墩、完好性观测墩。

具备2台基准站接收机信号比较功能。

具备2台基准站接收机热备份切换功能。

基准站接收机具备同时跟踪4个卫星导航系统（BDS、GPS、GLONASS、GALILEO）系统的能力。可处理的卫星导航信号包括：

（1）BDS：B1、B2、B3；

（2）GPS：L1、L2、L5；

（3）GLONASS：L1、L2；

（4）GALILEO：E1/E5a/E5b。

完好性接收机具备接收卫星导航信号和增强服务信号功能。

基准站观测墩可为基准站接收机天线提供高稳定、高可靠的架设条件。

完好性观测墩可为完好性接收机天线提供可靠的架设条件。

（二）二级基准站硬件设备

具有卫星导航信号接收、跟踪和发送功能；包括1台基准站接收机及天线，简化基准站观测墩。基准站接收机指标与一级基准站的基准站接收机相同。简化基准站观测墩为基准站接收机天线提供可靠的架设条件。

（三）完好性监测站硬件设备

具备接收卫星导航信号和增强服务信号的功能，具备基于增强服务的高精度定位功能，具备卫星导航信号和定位结果的传输功能；包括1台完好性监测接收机及天线，通信固定等配套设备。

（四）复现式扩展定位主控设备

控制节点数量：＞200。导航信号频点：BD-2 B1I 和GPS L1 C/A。同步精度：GPS 精度优于≤20ns（RMS）；北斗精度优于：≤50ns（RMS）。单节点卫星仿真数量：＞4/系统。时频频率准确度：5E-10/天。含供电和通信接入。含防雷接地及配套辅材。

（五）复现式扩展定位终端设备

导航信号频点：BD-2 B1I 和GPS L1 C/A。卫星仿真数量：＞4颗/系统。与主控设备时间同步精度：≤10ns。覆盖范围：＞200m。温度范围：-10℃～40℃。含供电和通信接入。含接地及配套辅材。