铁路RTK技术应用

铁路RTK技术应用

北斗全球卫星导航系统是我国自主建设运行的全球卫星导航系统，是为全球用户提供定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。美国的GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟的伽利略一起构成了全球四大导航卫星系统。回顾北斗卫星导航系统的发展历程，其经历了北斗一号系统、北斗二号系统和北斗三号系统三个阶段。随着2020年第55颗北斗卫星升空及北三正式完成组网，北斗系统建设已基本完成。北斗系统为经济建设提供自主可控、稳定可靠的时空基准，对保障国家经济社会发展安全、提高社会生产效率、改善人民生活质量、提升国家核心竞争力具有重要的现实意义和长远的战略意义。

铁路是国家关键性的重大交通基础设施，也是国家经济发展的大动脉，在国民经济体系中占有重要的战略地位。我国铁路线路分布辽阔，大多横跨东西、纵贯南北，铁路在建设和运营过程中面临着多种复杂地质、气候、自然环境考验。截至2023年底，全国铁路营业里程达15.9万千米，高速铁路营业里程达4.5万千米，为经济社会发展注入澎湃动力，我国已成为世界上高速铁路发展速度最快、运营里程最长、铁路速度最高、运营场景最丰富的国家。

随着中国科技水平的进步，北斗、5G等技术不断赋能交通运输领域基础设施建设。国务院、交通运输部相继发布《国家综合立体交通网规划纲要》《交通运输领域新型基础设施建设行动方案（2021—2025年）》《数字交通“十四五”发展规划》等一系列政策文件，指导“十四五”时期交通基础设施高质量发展，支撑科技强国、交通强国建设。交通强国，铁路先行。2021年12月，国家铁路局印发《“十四五”铁路科技创新规划》，提出“大力推进北斗卫星导航、5G、人工智能、大数据、物联网、云计算、区块链等前沿技术与铁路技术装备、工程建造、运输服务等领域的深度融合，加强智能铁路关键核心技术研发应用，推进大数据协同共享，促进铁路领域数字经济发展，提升铁路智能化水平”。

基础设施是经济社会发展的重要支撑，铁路是现代化基础设施体系建设中不可或缺的部分，而构建现代化智能铁路，离不开时空信息基础设施的重要支撑。北斗卫星导航系统是中国自主建设运行的全球卫星导航系统，可为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，在智能铁路建设中可发挥重要的时空信息支撑保障作用。

铁路工程勘察设计、施工建造、运营维护等阶段对定位、导航、授时和通信功能有着较为广泛的需求，涉及列车通信与信号控制、客货运输管理、安全预警防护、基础设施建设及维护、授时管理、应急救援等多项业务场景。北斗卫星导航系统作为重要的时空信息基础设施和国家战略保障，可在高精度位置服务、时间同步、应急通信等方面提供基础支撑。结合当前铁路行业实际需求，将铁路行业北斗应用方向按照功能大致进行如下归类（图1）。

图1 铁路行业北斗应用

基础设施建设及维护：利用卫星定位技术建设和维护铁路精密工程控制网系统，对铁路基础结构及周边环境形变实施监测管理，对轨道精确安装和高平顺性的维持提供支持。

安全预警防护：利用卫星定位技术追踪工务、电务、供电作业人员和列车位置信息，实现人员安全防护和列车接近预警，主要包括施工人员防护系统、列车追踪预警系统等。

客货运输管理：利用卫星定位技术追踪列车位置及运行轨迹，实现货物与机车匹配和调度管理等，主要包括客货运输定位跟踪、机车调车作业、列车完整性检测等。

列车通信与信号控制：用于保证列车安全、高效运行的核心控制系统，主要包括列车自动防护系统和列车自动驾驶系统等，基于列车位置实现对列车的超速防护安全控制和自动驾驶功能。

授时管理：通过北斗授时功能实现列车系统时间同步，包括信号设备时间同步和运营调度时间同步。

旅客服务：利用北斗系统提供的精准定位、导航、授时信息，以商旅服务为重心，集纳旅游、文化、商业相关大数据，融合车辆调度和转车信息，向旅客提供多样化服务。

应急救援：利用北斗定位导航功能建立铁路应急救援系统，同时结合既有通信手段和北斗短报文通信功能，实现救援现场的信息采集，为救援决策提供依据，为救援调度指挥提供有效保障。

综合支撑：整合北斗、高分、铁路业务数据资源，连接行业“信息孤岛”，打通数据壁垒，实现数据集成、共享、分发和应用，为铁路业务和新兴业务提供平台化支撑。

2023年3月，国家北斗重大专项面向铁路行业的首批综合应用示范项目——北斗铁路行业综合应用示范工程圆满完成各项任务并通过验收，示范工程在北斗三号全球组网后，首次系统性验证了在9大铁路业务版块“北斗三号替代/主用”的成熟度和可推广性，为建立铁路行业北斗应用标准体系奠定了坚实基础，为北斗赋能智能铁路建设提供了方向指引。

智能铁路建设涉及到铁路工程建造、技术装备和运输服务等全领域的转型升级，通过综合应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗、自动控制等技术，实现铁路移动装备、固定基础设施及内外部环境间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理。北斗赋能智能铁路建设，可在基础设施网络、多源传感终端、时空大数据等三个维度进行融合应用。一是北斗天基/地基增强网融合5G、物联网、工业互联网等基础设施网络，可实现智能铁路路网信息快速交互及高速互联；二是北斗终端融合监控摄像头、激光雷达及监测传感器，可实现智能铁路基础设施泛在感知与智能空间定位；三是北斗时空信息融合地理空间信息、铁路业务数据等，可实现智能铁路全生命周期数据互联互通与数字资产增值。

RTK基站是一种广泛使用的地面全球定位系统差分技术。这项技术可以通过取消GPS定位过程中的常规误差来提高准确度，从而使地理信息的精确度得到提高。

RTK基站是一种通过差分定位技术来实现GPS信号精确定位的设备。其原理是利用两个接收器，一台称为基站，一台称为移动站（或者称为载流板、机载台），通过距离差分技术来提高GPS定位的精确度（如下图2）。该技术的主要基本原理包括：基站记录两个以上卫星的时空信号信息，以此建立卫星与基站之间的距离观测量；移动站同时也记录这些卫星的信号信息，再将这些信息与基站记录的同一时刻发射的信号信息作对比，计算得到两个站之间的距离误差，最终根据不同的算法来消除误差，得到高精度的位置信息。

图2 RTK原理示意图

图3 RTK基站实物图

    RTK技术需要基站和移动站之间建立外部通信链路，通常使用无线电或移动通信网络来实现。在开展RTK测量之前，首先需要采用严格的标定方法来确定基站和移动站之间的位置关系，并确保两个站点可以同时接受到被观测卫星的信号。在野外工作中，RTK基站安放在基准点上，移动站载着经验丰富的技术人员作实地勘测，采取等高线法、三角高程法等方法作测量。在整个过程中，技术人员要确保移动站与基站始终保持通信。

   U6普适型监测基站一体机，内置自主高精度低功耗定位模组，主机采用一体化设计，易于安装、维护，超低功耗设计，减少对系统配置电池容量和太阳能电池板功率的要求，降低站点建设与运营成本。

图4 U6普适型监测基站一体机

有以下几个特点：

主机集成高精度低功耗定位模组，支持BDS B1I/B2I/B3I/B1C/B2a， GPS L1/L2/L5 ，GLONASS L1/L2，Galileo E1/E5a/E5b， QZSS L1/L2/L5，多星解算；

基于Linux平台的4G全网通方案，全面支持移动/联通/电信 2/3/4G网络，兼容更好、信号更强，连接更稳定；

主机内置高精度三轴加速度计和气压计，结合全新设计的融合算法引擎，有效剔除误报，支撑中长期预警。

主机可定期上报设备位置、网络状态、信号强度、收星状态等主机状态，支持云平台对远程设备的重启、设置、升级等操作。

主机支持RS232\RS485、4G、蓝牙、WIFI和Lora电台数据传输，数据链齐全，满足各类传输需求。

     产品规格如下：

北斗系统在重点运输过程监控、运营调度、铁路监测等方面都发挥了重要作用，提升了运输安全性和科学性。国铁集团积极推进京张高铁北斗示范应用，京张高铁现已初步具备北斗高精度定位服务能力，让智能京张的内涵更加丰富。铁路在京张高铁构建高精度位置服务网，形成京张高铁北斗应用基础支撑；依托既有的动车组车载系统，实时掌握高铁列车位置信息，为列车运行时空大数据分析提供数据基础，北斗车载高精度定位终端可实现厘米级定位精度，实现轨道级精确导航。

图5 铁路高精度定位应用效果

开展上道作业人员辅助防护应用，实现对作业人员的位置监控、作业轨迹回放和安全预警。上道作业人员佩戴可穿戴式高精度定位终端，可以实现厘米级定位精度，并具备TTS语音播报和报警功能，能够在人员超出安全边界或有列车经过时提前预警，确保上道作业人员安全。同时，巡检人员轨迹可达到轨道级，可以实时监控巡检人员巡检工作完成情况。

图6 北斗支持铁路人员日常巡检

北斗卫星导航系统作为我国重要的时空基础设施，其服务正在为越来越多的国家和人民所共享。铁路行业是北斗系统应用的重要领域，对位置服务和时间同步的需求广泛而迫切，将北斗系统与铁路行业基础设施融合应用，也是推进智能铁路发展、落实交通强国国家战略的重要举措。当前，北斗技术正逐步应用于铁路工程建管养运服全生命周期，为铁路高质量发展提供精准时空位置信息服务和关键技术支撑。未来，北斗系统将以时间和位置为纽带，进一步推进基础设施网络、多源传感终端、时空大数据等融合应用，助力铁路基础设施高质量发展，推动交通强国战略落实。