基于北斗RTK/INS的城市轨道交通保护区巡查人员高精度定位系统

李 凯，韩 鹏，吴 屾，罗 杰，李绿洲，甘沁霖

(1.武汉地铁运营有限公司，武汉 430000；2.武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

城市轨道交通因其速度快、载客量大，准点率高等优点，已逐渐成为大中型城市首选的市内交通形式。因此，近十多年以来我国地铁建设发展十分迅猛，截止2021年6月30日，我国内地累计已有49个城市投运城轨交通，运营线路总长8 448.67 km，其中地铁总长为6 641.73 km。城市轨道交通周边一定区域内的施工建设可能会凿穿地铁隧道或者引起隧道大范围的变形开裂等，产生严重的经济损失和社会影响。因此，为了确保城市轨道交通建设和运营的顺利进行，住房与城乡建设部颁布一系列管理方法和标准，要求设立轨道交通保护区，并对保护区内的建设和施工活动进行严格管控。由于城市轨道地上地下交错分布，保护区内现场地形地物复杂，传统的人工现场巡查手段无法替代。鉴于城市轨道交通线网的不断延伸，保护区内施工作业安全管理形式日益严峻，为实现高效、智能和准确的人工巡查，解决问题的关键在于巡查人员的精确定位。

北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统GNSS，能提供全天候、全天时、高精度的定位、导航、授时等服务。北斗系统采用混合轨道的导航星座，抗干扰能力强，支持多个频点信号，定位精度高，特别是具有短报文通信能力[1]。随着北斗地基增强平台的建设和发展，通过互联网技术和大数据运算，实现实时厘米级服务在中国大陆的全覆盖，能够为全国用户提供全社会共享的高精度定位服务。刘为民[2]利用北斗高精度定位技术和改进实时动态差分RTK算法，对铁路列检作业人员的作业行为进行卡控，实现人员的厘米级电子围栏管理。为保障铁路工务安全和行车安全，史小坤[3]基于北斗系统对现场作业人员实现高精度、智能化管理。应用“北斗+RTK”高精度复合定位和动态坐标系转换技术，乐建炜等[4]实现铁路编组站现场作业人员的高精度定位。基于北斗系统周恩泽等[5]提出高精度位置安全服务体系构架，可以提供厘米级高精度定位，实现电力人员的自动检测与实时管控。张锦荣等[6]结合北斗/GPS双模定位技术和无线通信技术，设计水中应急定位系统，实现落水人员的快速定位。

当前导航定位需求朝着低成本、实时高精度、硬件小型化和低功耗的方向发展。因此，针对城市轨道交通保护区环境复杂，基于北斗导航系统，采用“RTK+惯性导航系统INS”组合导航定位方式，即在北斗观测条件好时，采用RTK技术实现厘米级定位；当北斗信号失效时，采用INS技术并结合气压计确定高程信息，实现分米级定位，从而为保护区巡查人员提供复杂环境下高稳定、高精度、高实时和低成本定位系统。

1 系统结构设计

RTK载波相位差分技术能在运动状态下通过跟踪处理接收卫星信号的载波相位，实时提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果。利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统CORS(Continuous Operational Reference System,简称CORS)，当GNSS观测条件较好时，能够进行实时载波相位/伪距差分修正，实现连续可靠的高精度厘米级定位。但是，在高楼密集、树荫遮挡、立交桥等典型城市环境下，低成本GNSS接收机的信号容易受到干扰，会引起卫星信号频繁失锁，导致观测误差，严重影响RTK的定位精度和实时性。

惯性导航系统INS是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统，其基本工作原理是测量载体在惯性参考系的加速度，通过对加速度进行积分并变换到导航坐标系中，从而得到速度、位置等信息。INS可以全天候全时间工作，具有短期精度高、稳定性好的优点；但是，定位误差会随时间而增大，长期精度差。

INS技术与GNSS RTK技术具有极好的互补性。因此，将GNSS RTK技术与INS技术相结合，可以为复杂环境下城市轨道交通保护区的巡查人员提供连续性、可靠性和实用性的定位服务。

2 技术路线

为实现低成本、实时高精度、硬件小型化和低功耗的定位终端，在研制GNSS RTK/INS模组和终端时需要权衡成本和硬件数据质量，并在合适的价格范围内，采用算法来弥补观测数据质量和解算效率的不足。为此，设计硬件时，需要在充分了解各项需求的基础上给出具体的技术路线，主要包括需求分析、硬件比测、PCB原理图设计、硬件生产、设备测试与完善等。

2.1 需求分析

为研制GNSS RTK/INS定位终端，各模块具体需求如下：

1)支持北斗RTK且定位精度(1σ)为0.025 m+1×10-6CEP(Circular Error Probable， 圆概率误差)

在开阔环境下，单频和双频RTK的定位精度相当，但是在观测环境复杂多变、卫星信号遮挡和干扰严重的情况下，双频RTK较单频定位精度可提升10%～30%[7]。因此，为了满足水平0.025 m的定位精度需要，需要选择支持双频GNSS信号接收的GNSS接收芯片。目前满足这一需求的最新RTK板卡包括北斗星通UM4B0、司南K803、华大北斗HD9311，U-blox F9P等。

2)北斗信号失效情况下INS定位精度选择

在北斗卫星导航系统失效后，难以提供稳定的定位和测速信息，这时需要借助惯性导航INS来维持持续稳定的定位和测速功能，根据这一精度指标，可选用车规级IMU，如ST ASM330LHH。

3)北斗失效情况下高程定位精度<1 m

北斗系统失效后无法提供位置信息，一方面可借助惯性导航在短时间内提供精度在1 m内的高程信息，但是惯性导航的误差会不断累计，在长时间GNSS失锁的条件下，很难持续提供1 m精度的高程信息，这时则需要借助气压计来提供高程信息。可选用的气压计为Bosch BMP388。

4)组合导航输出频率：5 Hz，25 Hz，50 Hz，100 Hz可选

组合导航输出频率主要根据IMU的输出频率和CPU的解算效率确定，通常车规级IMU的输出频率均可支持平滑的100 Hz结果输出，可充分满足现有需求。为了满足每1 s的RTK解算以及RTK/INS组合导航100 Hz结果的输出，CPU的性能尽量高一些以满足需求，可采用528 MHz主频的ARM A7处理器。

5)通信方式：串行通信

通信方式仅支持串行通信，这意味着RTK差分改正信号的接入要通过串口的方式传入，终端不需要提供4 G等网络通讯接口。

6)系统功耗：≤1 W

低功耗的设备需要配合低功耗的GNSS芯片、CPU、气压计和IMU来使用，对于可以满足2)和3)中要求的IMU和气压计，功耗都很低，可以忽略。因此主要考虑CPU和GNSS芯片的功耗即可。其中在4)中已经选好ARM A7处理器，其功率在0.34 W左右，可以满足基本需求。满足1)要求的GNSS接收芯片中，北斗星通UM4B0、司南K803、华大北斗HD9311和U-blox F9P的标称功耗分别为1.8 W、1.0 W(未开启抗干扰)、0.17 W和0.204 W，可见，只有华大北斗HD9311和U-blox F9P满足需求。

7)尺寸：100 mm×100 mm×70 mm

表1给出了主要器件的尺寸。上述器件组装起来完全满足100 mm×100 mm×70 mm尺寸需求，剩余空间也可用于电路板其他元件(电阻、电路等)的添加。

8)工作温度范围：-30～70 ℃

所选器件均选择工业级，满足-40～80 ℃工作环境温度。

表1 主要器件尺寸

2.2 硬件比测

在需求分析中已经确定车规级IMU选用ST ASM330LHH以及气压计选用Bosch BMP388。因此，仅需要对GNSS接收芯片进行比测并确定最终型号。在能耗和尺寸均满足条件的前提下，主要从定位性能和价格两个方面来比较华大北斗HD9311和U-blox F9P。两款芯片标称精度指标相同，均为0.01 m+1×10-6CEP，可以发现，芯片的标称精度一致，但是具体的性能需进一步实测才能确定。通过对静态/一般动态/高速动态下定位精度、测速精度、RTK固定时间、冷启动时间、热启动时间、高低温性能进行测试，最终选择瑞士制造的U-blox F9P芯片。

2.3 PCB原理图设计

1)地线设计原则

在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。在地线设计中应注意以下几点：正确选择单点接地与多点接地；将数字电路与模拟电路分开；尽量加粗接地线；将接地线构成闭环路。

2)电磁兼容性设计原则

电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因此，短而精的导线对抑制干扰是有利的。采用平等走线可以减少导线电感，但导线之间的互感和分布电容增加；如果布局允许，最好采用井字形网状布线结构。为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰，除了特殊需要之外，应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。

3)去耦电容配置

在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声。

4)印制电路板的尺寸与器件的配置

在器件布置方面与其它逻辑电路一样，应把相互有关的器件尽量放得靠近些，这样可以获得较好的抗噪声效果。易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路等应尽量远离逻辑电路。

5)热设计

从有利于散热的角度出发，印制版最好是直立安装，板与板之间的距离一般不应小于2 cm。大量实践经验表明，采用合理的器件排列方式，可以有效地降低印制电路的温升。

2.4 设备测试与完善

为测试在复杂环境下提出的GNSS RTK/INS组合导航终端定位性能，测试场景覆盖树木遮挡环境、高楼遮挡环境、隧道环境等。结果表明，与仅采用GNSS RTK定位相比较，随着多模卫星的加入，能够提高RTK/INS组合定位的稳定性和可靠性，在不同复杂环境下均有不同程度的定位性能和精度的提升；在高楼遮挡环境和树木遮挡环境下表现良好，基本能够实现厘米级定位精度，但在隧道环境下，表现略为逊色，但仍然可以实现分米级定位精度，满足设计要求。

3 GNSS RTK/INS组合定位终端系统组成

用于复杂环境下城市轨道交通保护区巡查人员精准定位的GNSS RTK/INS组合定位终端系统内部主要由ARM A7核心板、U-blox F9P GNSS双频芯片、ST ASM330LHH IMU芯片、Bosch BMP388气压计芯片组成，系统外部由GNSS天线接口和两个串口组成，其中，一个串口用于供电、调试和打印，另一个串口用于发送NMEA数据并获取RTCM格式的差分改正数。

内部ARM A7核心板和GNSS双频芯片通过USB和串口连接并获取IMU数据。由于IMU芯片可以提供SPI和I2C接口，且SPI接口数据传输速率远高于I2C接口，为了保障高采样IMU数据传输的实时性，将CPU和IMU通过SPI连接实时读取IMU数据，将CPU和气压计通过I2C连接获取气压计数据。由于GNSS RTK在工作时必须接收差分改正信息才能获得高精度的定位信息，但是定位终端系统只保留串口，因此，需要借助外部4G通讯模块连接设备串口来获取差分改正信息。

4 结 语

由于城市轨道交通保护区环境复杂，为提升定位服务的实时性和精度，基于北斗导航系统，采用“RTK+惯性导航系统INS”组合导航定位方式，即在北斗观测条件好时，采用RTK技术定位实现厘米级定位；当北斗信号失效时，采用INS技术并结合气压计确定高程信息，实现分米级定位。测试结果表明，与仅采用GNSS RTK定位相比较，随着多模卫星的加入，RTK/INS组合定位在不同复杂环境下均有不同程度的定位性能和精度的提升，定位精度满足设计要求，从而为保护区巡查人员提供高稳定、高精度、高实时和低成本定位服务。