“地下北斗系统”：地铁定位最优解

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本文内容摘自《中国测绘》2020年第3期

城市轨道交通是一种可持续的环境友好型的交通运输方式。目前，我国24个城市已开通地铁，运营里程3155Km。在建地铁城市36个，占世界运营里程约60%，规划里程约70%。但同时也存在着轨道规划不当、重复，建设管理低效和手段较为单一，高效与节能技术应用受到限制，乘车环境与人性化服务还有待完善等问题，城市轨道交通向智慧化方向发展势在必行。

城市轨道交通定位系统在北京四惠站的应用截图
时间与位置信息已成为万物互联、人工智能新时代下大数据的重要基础。据统计，人们80%以上的时间在建筑物、地下、室内、移动载具等空间中度过。室内空间下的定位和授时长期以来是世界性的技术难题，城市轨道交通作业人员的安全作业、乘客的安全出行等问题日益凸显，传统的安全应急服务很难满足当下发展的需求，也阻碍了“智慧地铁”的发展。
这个问题并不是完全无法突破。
北斗卫星导航系统作为提供时间和空间信息的全球系统，是我国重要的空间基础设施。目前，北斗正在推进国家综合PNT体系建设，其中重点推进室内环境定位技术的突破，而GNSS的PNT服务在卫星地基系统中端或非暴露空间下将无法提供保障服务。针对非暴露空间PNT服务缺陷，综合考虑北斗系统信号在到达地面时存在信号较弱、不能穿透建筑物、非暴露空间无法使用的问题，以及地铁数字地图和空间数字化程度较低等问题，全图通位置网络有限公司（以下简称全图通）研制建设了城市轨道交通定位系统，在城市轨道交通领域具有巨大的市场前景。
城市轨道交通定位系统综合了“BDS+UWB＋空间数字化”等技术，参考北斗卫星导航系统（BDS），为城市轨道交通建立“地下北斗系统”，在统一的时空基准下，实现定位、授时等服务的可用性、精确性、可靠性、连续性和稳健性。目前该系统已在北京地铁一号线四惠站搭建好实验系统，实验效果良好，该系统也将在北京地铁一号线全面推广使用。
采用UWB与空间数字化技术则是目前该系统实现精准、可靠、连续、稳健、定位与授时的最优解。
超宽带：
高精度室内定位应用中最佳的物理层技术
现阶段室内定位领域运用技术较为多样，从定位空间覆盖范围可分为广域室内定位和局域室内定位，具体如表1所示。

表1：室内定位技术分类
广域室内定位技术通常需要改造基站及手机芯片等设备模块，成本巨大、时间周期较长，而局域室内定位技术成本较低、周期短，是目前商业化推广运作较好的选择方案。针对城市轨道交通的环境运作模式，局域室内节点覆盖为最优选择，对当前各局域室内定位技术做对比，如表2所示。

表2：当前各个室内定位技术对比
通过表格可见，在复杂的局域室内空间下，UWB定位技术有着不可比拟的优势。超宽带技术（Ultra Wide Band,简称UWB）是目前高精度室内定位应用中最佳的物理层技术，具有结构相对简单、工程造价低廉、信道容量大、功耗低、保密性好、抗干扰能力强、数据传输速率高、多径辨别能力强、定位精度高、定位性能稳定、信号衰减小、穿透能力强等优点。
美国联邦通信委员会（FFC）对超宽带的定义为：-10dB相对带宽超过25%，或-10dB绝对带宽超过500MHz，就称为超宽带（UWB）。
目前，超宽带的技术在全球均处于起步阶段，中国与美国、英国、俄罗斯等早期研发超宽带技术的国家相比，在技术应用方面基本处于同一起跑线，尚未形成产业规模。以美国为代表的西方国家正在积极开展基于卫星导航和超宽带技术的研究和应用工作。
自2017年开始，美国纽约在城市轨道交通中已逐步开展超宽带车辆定位控制系统的应用试验，并取得了初步的进展。纽约市交通局计划，在纽约地铁成功应用的基础上，在地面交通系统中也部署超宽带定位系统，解决美国全球定位系统（GPS）在市区使用时城市峡谷引发的多路径效应带来的负面影响，实现交通系统的高精度导航定位。
“地下北斗系统”的建设可以实现我国对欧美发达国家在超宽带技术应用上的突破和赶超，促进城市轨道交通领域新一代信息技术的应用和发展，并以国内应用为基础，未来在国际市场形成较强的竞争能力。
空间数字化技术：
即时定位、地图构建与路径规划
随着国家地位的上升，国家对安全形势有了进一步的需求，应急处置、反恐维稳等任务日益繁重，同时随着物联网、AR、5G等技术的发展，数字中国和智慧城市是中国未来发展的方向，空间地理信息的数字化作为大数据建设的前提，目前室外空间经多年遥感和测绘技术的应用已基本实现了数字化，但是目前我国室内空间的数字化仍处于起步阶段。应用地理信息空间数字化技术可对城市轨道各个应用服务性区域进行数据采集，以同步定位与地图构建(Simultaneous Localization And Mapping，SLAM)技术为核心，包含了感知、定位、建图三个过程，在形成电子地图的基础上，进一步开发作为路径导航规划的基础，同时可为智慧应用服务奠定基础。

基于SLAM室内移动三维数据采集系统的室内移动测图系统，可以实现高精度室内三维激光点云数据+1600万*6高分辨率全景影像数据+WIFI+蓝牙Beacon+地磁数据+IMU惯性制导单元数据的多种传感器融合的复合数据的采集，而不依赖于GNSS或使用复杂的惯导系统。在即时空间数字化方法的基础上，针对地铁非暴露空间作业时间、短环节复杂的情况，利用SLAM算法实现了即时定位与地图构建，以对采集的三维全景建模，实现高精度电子地图的快速生产。
该系统还能实现非暴露空间的路径规划导航，具有安全系数高、搜索时间短、路径平滑等特点。
六大功能：
城市轨道交通定位系统的综合应用
非暴露空间的复杂性，决定了开展地下综合PNT服务的高要求，城市轨道交通定位系统的综合应用在提供基础的PNT服务之外，还可实现以下六大功能：
1、人员及车辆实时定位
UWB定位在不同的环境中能实现不同维度（零维、一维、二维）定位需求，可视化查看人员、物资、车辆的位置分布，便于工作调遣，提升生产效率；定位精度优于15cm，在发生危险时，可依据人员分布位置信息快速救援。

人员定位
2、电子围栏
电子围栏主要是通过在线发布相关控制信息，明确控制目标，在指定的管制区域内以脉冲监测的手段，通过实时上传终端用户的位置信息，来辨别行径信息与围栏边界信息是否相悖，有着强大的阻挡作用和威慑作用，误报率、漏报率极低，以防御为主，报警为辅。

电子围栏
3、电子地图
与地图作匹配，是室内定位的重要步骤，也就是说，电子地图生产是进行室内定位工作的基础，也是以后智能化发展的主要方向。利用地理信息系统来储存和传送地图数据，在同等显示效果下，可实现地图的放大、缩小、平移、旋转，可快速存取、要素分层显示，以及实现地图上资产的长度、角度、面积的自动量取等智能化管理。

电子地图
4、轨迹回访
“地下北斗系统”支持长期存储人员及车辆任一时间运行的轨迹，为还原事故、事件处理提供决策依据。

人员轨迹回放
5、硬件管理
硬件支撑是地下综合PNT体系搭建的基础，正常运行是地下综合PNT体系开展的保障，完整合理的拓扑部署和运行状态的实时监控必不可少，可减轻因硬件老损破坏带来的更换维护工作量。此外，系统的部署还应有一定的冗余备份，在某一环节出现问题时仍能保证整体的正常运行。

基站部署位置
6、后台管理
为便于管理和系统运行可靠性的验证，应有相应的后台管理大数据分析系统，包括终端用户信息的管理、预警信息的处理、定位过程中经纬度坐标到平面坐标的转化以及所支持的更新升级等。

后台管理
“地下北斗系统”优于纳秒级的授时技术为综合PNT服务提供时间基准的同时，也为UWB室内定位消弱时钟偏移误差，提供空间基准，再结合路径规划导航技术，实现非暴露空间下的综合PNT体系建设。在城市轨道交通中的应用，有效地实现了对北斗系统在非暴露空间应用的补充、增强和备份，从而打破室内空间与室外空间的边界和壁垒。
未来非暴露空间综合PNT体系的建设，必是基于北斗时钟标准时间源的大范围高精度同步授时的前提，以同元异构混合组网的时间同步为标准，多传感器集成、多种定位模式相融合的位置信息源为支撑，以此提供室内与室外一体化的空间信息与时间信息。
（作者单位分别系长安大学、山东大学、北京市地铁运营有限公司通信信号分公司、全图通位置网络有限公司）
文、图/全图通位置网络有限公司