龔 利，趙延杰，朱明輝

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2.河南思維信息技術(shù)有限公司，鄭州 450000；3.武漢征原電氣有限公司，武漢 430012)

中國(guó)機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)(CMD系統(tǒng))作為鐵路信息化總體規(guī)劃中機(jī)務(wù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)[1]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車車載數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、地面實(shí)時(shí)故障報(bào)警、專家診斷分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等功能，現(xiàn)已裝車9 200余臺(tái)，應(yīng)用覆蓋18個(gè)鐵路局集團(tuán)公司中的62個(gè)機(jī)務(wù)段，注冊(cè)用戶5 000余人，在機(jī)務(wù)安全監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮了關(guān)口前移的重要作用[2].

在CMD系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)了解機(jī)車位置十分重要.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并具備衛(wèi)星通信功能，與GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗系統(tǒng)可靠性、安全性更高、技術(shù)壁壘更小，更加符合鐵路運(yùn)輸作為國(guó)家戰(zhàn)略資源的管理要求[3]，因此CMD系統(tǒng)應(yīng)用了北斗的定位技術(shù)和短報(bào)文技術(shù)以獲取全天時(shí)、全天候的機(jī)車實(shí)時(shí)位置，這也是北斗技術(shù)首次在鐵路行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用.

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，使得北斗定位功能在鐵路行業(yè)得到的大力的推廣與應(yīng)用，與此同時(shí)，鐵路行業(yè)對(duì)定位精度的要求也與日俱增，為此，眾多學(xué)者也進(jìn)行了深入研究，提出多種方法以提高定位精度和定位準(zhǔn)確性.如文獻(xiàn)[4]提出使用定位技術(shù)與GIS地圖估算軌道占用的方法，文獻(xiàn)[5]提出了使用差分定位提高定位精度，文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]提出了組合定位方法，文獻(xiàn)[8]對(duì)衛(wèi)星受限條件下定位方法進(jìn)行了研究，但受限于我國(guó)鐵路復(fù)雜的環(huán)境和城市中較為密集的建筑物遮擋，單獨(dú)基于衛(wèi)星定位的方法在市內(nèi)或者山區(qū)的機(jī)車定位效果都不太理想.

隨著第五代通信技術(shù)(5G技術(shù))的不斷發(fā)展成熟，5G得到了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注.5G具有高速率、低時(shí)延、連接量大的特征，在提高定位的精度和范圍上有很廣泛的應(yīng)用.文獻(xiàn)[9-11]介紹了5G應(yīng)用于定位的原理和相關(guān)技術(shù).文獻(xiàn)[12-13]介紹了5G技術(shù)與衛(wèi)星導(dǎo)航融合的方法和關(guān)鍵技術(shù)，但上述方法應(yīng)用在機(jī)車定位上都存在局限性，無(wú)法有效解決遮擋問(wèn)題.文獻(xiàn)[14]提出了利用5G無(wú)線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速列車的定位，單獨(dú)的5G定位對(duì)基站部署要求較高，短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn).文獻(xiàn)[15-16]提出了5G與GNSS集成定位的設(shè)想，但僅僅停留在理論階段，未與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合.

CMD系統(tǒng)是基于和諧型機(jī)車智能裝備和北斗技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及信息技術(shù)，建立的統(tǒng)一地面數(shù)據(jù)處理與信息展示平臺(tái)，解決了機(jī)務(wù)業(yè)務(wù)“人車圖”相結(jié)合的需求.在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)車定位功能是用戶的核心關(guān)注點(diǎn)之一.由于CMD系統(tǒng)采用的是單獨(dú)北斗定位方法，機(jī)車定位精度低、定位漂移、定位失效現(xiàn)象給用戶帶來(lái)了困擾.本文作者通過(guò)分析當(dāng)前北斗定位的原理以及存在的定位誤差，利用載波相位差分技術(shù)提高北斗定位精度和引入5G定位技術(shù)解決遮擋問(wèn)題，并采用改進(jìn)型聯(lián)邦卡爾曼濾波算法將北斗定位和5G定位技術(shù)融合以消除誤差和提高定位精度.

1 北斗定位原理和問(wèn)題描述

CMD系統(tǒng)目前采用單獨(dú)北斗定位技術(shù)，通過(guò)獲取已知衛(wèi)星(Xj，Yj，Zj)，j=1，2，3，4，…，到機(jī)車的距離ρj，利用三球交匯原理獲得機(jī)車位置(X，Y，Z)，計(jì)算公式為

ρj=(X-Xj)2+(Y-Yj)2+(Z-Zj)2+cδt

(1)

式中：c為光速；δt為接收機(jī)鐘差.

機(jī)車在郊外運(yùn)行時(shí)，電磁信號(hào)干擾較少，定位的誤差主要有衛(wèi)星星歷和時(shí)鐘誤差、信號(hào)傳播過(guò)程中電離層和對(duì)流層以及延遲引起的誤差、接收機(jī)觀測(cè)噪聲、時(shí)鐘及延遲誤差等，但由于視野開(kāi)闊，可用衛(wèi)星較多，很大程度上減少了定位的誤差，實(shí)際運(yùn)用效果良好；但當(dāng)機(jī)車進(jìn)入市區(qū)、整備場(chǎng)、機(jī)車庫(kù)等位置時(shí)，不但電磁干擾加強(qiáng)，周圍大量的遮擋物讓可用衛(wèi)星大大減少，定位的誤差太大，導(dǎo)致定位數(shù)據(jù)無(wú)法使用，在實(shí)際運(yùn)用中經(jīng)常顯示機(jī)車定位漂移、無(wú)定位，給機(jī)車的實(shí)時(shí)追蹤、維護(hù)造成不便.

2 融合模型

2.1 解決方案

在市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下，由于受到大量建筑物遮擋等干擾，機(jī)車定位效果不理想.可以通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)解決：①利用載波相位差分[17](Real-Time Kinematic，RTK)技術(shù)提高北斗自身的定位精度；②通過(guò)融合5G定位技術(shù)來(lái)解決城市建筑物導(dǎo)致的遮擋問(wèn)題.

如圖1所示，目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商正在推動(dòng)5G基站與RTK參考基站的聯(lián)合部署，在減少運(yùn)維成本的同時(shí)，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大寬帶、低延時(shí)性特點(diǎn)，完成載波相位觀測(cè)信息的傳輸和解算信息的播發(fā)，實(shí)現(xiàn)快速且精準(zhǔn)的定位.同時(shí)5G通過(guò)自身的基站定位技術(shù)獲取機(jī)車的位置，并發(fā)送給機(jī)車CMD設(shè)備，由CMD設(shè)備完成北斗定位信息和5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位信息的融合處理.

圖1 RTK參考基站與5G基站融合模型Fig.1 Fusion model of RTK BS and 5G BS

2.2 定位方法

2.2.1 北斗載波相位差分定位

RTK技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)處理兩個(gè)觀測(cè)站的載波相位來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)方法可分為修正法和求差法：前者是通過(guò)參考基站的位置和衛(wèi)星星歷的信息計(jì)算出修正量，發(fā)送給用戶接收機(jī)進(jìn)行解算坐標(biāo)，大大減少用戶接收機(jī)的解算負(fù)擔(dān)，可以實(shí)現(xiàn)分米級(jí)的定位精度；后者則是利用已知基準(zhǔn)站的載波相位與待測(cè)接收機(jī)的載波相位進(jìn)行求差解算坐標(biāo)，能夠達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的高精度[18].本文基于用戶接收機(jī)的性能采取了修正法.載波相位差分原理如圖2所示。

圖2 載波相位差分原理Fig.2 Principles of carrier-phase difference

圖2中，衛(wèi)星與參考基站的實(shí)際距離為

(2)

則由載波波長(zhǎng)與星站相位差可獲得衛(wèi)星與基準(zhǔn)站的偽距觀測(cè)值為

(3)

δTij+δMi+Vi

(4)

δTij+δMi+Vi

(5)

將此改正數(shù)傳輸給用戶站進(jìn)行修正，有

(δMk-δMi)+(Vk-Vi)

(6)

(δMk-δMi)+(Vk-Vi)=

(7)

式中:Δδρ=c·(δtk-δti)+(δMk-δMi)+

(Vk-Vi).

將式(4)代入式(7)，可得

(8)

(9)

λNj(t0)+Δδρ

(10)

式中:Nj(t0)、Xk、Yk、Zk均為常數(shù),由于兩接收機(jī)時(shí)鐘差、噪聲差及兩站間多路徑效應(yīng)之差在相鄰歷元間的變化量均小于允許的誤差，Δφ也可視作常數(shù).因此，通過(guò)同時(shí)觀測(cè)4顆及4顆以上衛(wèi)星，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車分米級(jí)的定位.

2.2.2 5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，噴灌技術(shù)已不再是傳統(tǒng)意義上的節(jié)水灌溉設(shè)備，而正在向集灌溉、施肥和自動(dòng)化管理于一體的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)體系發(fā)展。河北華雨農(nóng)業(yè)科技有限公司發(fā)揮其在微生物肥料及灌溉設(shè)備兩方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)不同地區(qū)的氣候、土壤和不同作物的特點(diǎn)，研究出系列水、肥、藥的科學(xué)配方，在改良土壤、提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)方面取得了良好效果，結(jié)合公司的核心灌溉技術(shù)進(jìn)行集成組合應(yīng)用，形成了一套適用范圍較廣的水肥一體化技術(shù)體系，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)采用高頻毫米波通信，支持多帶寬接收與發(fā)送，幾乎以直線路徑的方式傳播，且分辨率高，容易實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)距和測(cè)角.在5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)無(wú)線通信技術(shù)傳播的特點(diǎn)，比較容易測(cè)得目標(biāo)發(fā)送信號(hào)到達(dá)基站之間的電波傳播時(shí)間、距離、角度以及信號(hào)強(qiáng)度，再結(jié)合不同基站之間的相對(duì)位置信息，可以計(jì)算出目標(biāo)位置實(shí)現(xiàn)定位[19].

基于5G基站的定位方法主要包括基于到達(dá)時(shí)間(Time of Arrival,TOA)、基于到達(dá)時(shí)間差(Time Difference of Arrival,TDOA)、基于到達(dá)角度(Angle of Arrival,AOA)、基于信號(hào)接收強(qiáng)度(Received Signal Strength,RSS)等方法.為了提高定位精度,可以采用TDOA/AOA組合定位方法.

設(shè)M個(gè)基站的坐標(biāo)分別為(xM,yM,zM)，用戶坐標(biāo)為(x,y,z)，每個(gè)基站均能獲得方位角θ、俯仰角ψ以及除主基站之外的其他基站TDOA的觀測(cè)量ρ，則有

(11)

i=1,2,…,M

(12)

i=1,2,…,M

(13)

設(shè)V表示觀測(cè)噪聲，則用戶定位的模型可表示為

Y=h(X)+V

(14)

式中：X、Y、V分別表示為

X=[x,y,z]T,

TDOA/AOA組合定位要求對(duì)電波傳輸時(shí)間和角度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，影響誤差的因素主要有時(shí)間測(cè)量精度、角度量化、波束寬度、距離等.

2.3 基于改進(jìn)型聯(lián)邦卡爾曼算法的融合模型

圖3 北斗、5G融合模型Fig.3 Fusion model of Beidou and 5G

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 北斗定位局部過(guò)濾器設(shè)計(jì)

(15)

整理可得

(16)

令

子系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

X(k+1)=Φ(k)X(k)+Η(k)V1(k)

(17)

同理，假設(shè)k時(shí)刻物體的坐標(biāo)為(xz(k)，yz(k))，其坐標(biāo)方程可表示為

(18)

可得系統(tǒng)的觀測(cè)方程為

Z(k)=Τ(k)X(k)+Μ(k)V2(k)

(19)

式中：

3.2 5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位局部濾波器設(shè)計(jì)

5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)定位，信道模型根據(jù)傳播條件分成視距(Line-of-Sight,LOS)和非視距(Non-Line-of-Sight,NLOS)兩種.當(dāng)基站之間或者是用戶與基站之間沒(méi)有遮擋的時(shí)候，信道模型為L(zhǎng)OS，信號(hào)質(zhì)量好、衰減少.與之相對(duì)應(yīng)信道模型為NLOS，信號(hào)質(zhì)量會(huì)因?yàn)檎趽跷锒艿接绊慬21].假設(shè)(xp,yp,zp)為用戶p時(shí)刻位置坐標(biāo)，瞬時(shí)速度為(vx,p,vy,p,vz,p).采用TOA和AOA相結(jié)合的定位方法，存在距離和角度測(cè)量誤差，影響了數(shù)據(jù)的真實(shí)性.為了提高準(zhǔn)確度，可以采用卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可描述為

(20)

式中：函數(shù)f由目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定；函數(shù)h為解決方案中TDOA/AOA組合定位模型.用戶p時(shí)刻狀態(tài)向量可表示為Sp=[xp,yp,zp,vx,p,vy,p,vz,p]T；Φ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；噪聲向量Wk的協(xié)方差矩陣為Q,則p時(shí)刻用戶的狀態(tài)方程可表示為

Sp+1=ΦSp+Wp

(21)

式中：

Zp=h(Sp)+Vp

(22)

式中：Zp是觀測(cè)數(shù)據(jù)向量;Vp是觀測(cè)噪聲，由于h(Sp)是非線性變換，為了應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波，進(jìn)行線性化后的觀測(cè)方程如下

Zp=HpSp+Vp

(23)

采用卡爾曼濾波可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)還原目標(biāo)真實(shí)定位信息，去除觀測(cè)到的噪聲和干擾.每當(dāng)獲取到新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合前一時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，可以得到當(dāng)前時(shí)刻定位的最優(yōu)估計(jì).

3.3 主濾波器數(shù)據(jù)融合

為了確保主濾波器最終的融合精度，局部濾波器須先對(duì)自身進(jìn)行自檢，以判斷子系統(tǒng)是否發(fā)生故障，并決定是否向主濾波器輸入數(shù)據(jù).

3.3.1 故障自檢

機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，子系統(tǒng)會(huì)由于遮擋、接收機(jī)損壞和北斗通信卡損壞等原因?qū)е庐a(chǎn)生北斗定位故障，無(wú)通信基站、通信卡欠費(fèi)、通信卡故障、通信模塊損壞等原因產(chǎn)生的5G定位故障.當(dāng)子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，相應(yīng)局部濾波器的狀態(tài)輸出數(shù)據(jù)變化很大，因此可采用普通的殘差校驗(yàn)方式進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算公式如下

ε=Z-Z(k-1)

(24)

式中：ε為殘差；Z為實(shí)測(cè)值；Z(k-1)為觀測(cè)值.

當(dāng)ε大于設(shè)定值時(shí)，可認(rèn)為所屬自濾波器發(fā)生故障，停止向主濾波器輸入數(shù)據(jù).

3.3.2 數(shù)據(jù)融合

局部濾波器對(duì)定位信息進(jìn)行處理后，由主濾波器完成信息的融合，輸出最優(yōu)值[22]，融合算法如下

(25)

最優(yōu)結(jié)果再回饋給局部濾波器為

(26)

由于市內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，采用固定信息分配因子會(huì)大大影響融合的數(shù)據(jù)精度，考慮未來(lái)市內(nèi)5G基站數(shù)量較多，信號(hào)比較穩(wěn)定，信息分配因子可以根據(jù)可用衛(wèi)星的數(shù)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)的變化，按照建筑物的遮擋對(duì)定位的影響程度，主要分為3種情況：

1)無(wú)遮擋，定位正常，二者的分配因子相等.

2)有遮擋，定位效果差，北斗的分配因子隨可用衛(wèi)星數(shù)量減少而變小.

3)完全遮擋，無(wú)法定位，北斗的分配因子趨近于0.

可用衛(wèi)星數(shù)量和信息分配因子值的關(guān)系見(jiàn)表1.

表1 不同環(huán)境下信息分配因子值Tab.1 Parameter values for different environments

4 仿真試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證融合模型的效果，分別搭建北斗、5G定位的試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)列車運(yùn)行的各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行模擬，開(kāi)展半仿真試驗(yàn).

搭建RTK基準(zhǔn)站，選擇架設(shè)在空曠、無(wú)遮擋的環(huán)境下，有利于接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，同時(shí)遠(yuǎn)離通信基站、高壓線，避免無(wú)電磁波干擾.5G定位采用TOA和AOA組合方法，在對(duì)目標(biāo)定位進(jìn)行觀測(cè)過(guò)程中，存在一系列的噪聲和干擾，導(dǎo)致距離和角度測(cè)量誤差，影響的因素主要有NLOS誤差、傳播時(shí)間精度、角度量化、波束寬度、用戶與基站的距離等，并且服從高斯分布，當(dāng)距離足夠大時(shí)，位置誤差是基站和終端距離的線性函數(shù)，收斂性強(qiáng).因此，可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，假設(shè)測(cè)量誤差服從N(0,152)、動(dòng)態(tài)噪聲服從N(0,202)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證.移動(dòng)站置于空曠無(wú)遮擋地帶進(jìn)行試驗(yàn)，在其北斗接收天線附近加裝可活動(dòng)遮擋板，可以自由控制可用星數(shù)量個(gè)數(shù).移動(dòng)站可實(shí)時(shí)接收基準(zhǔn)站提供的動(dòng)態(tài)定位修正量，結(jié)合自身采集的北斗觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出真實(shí)位置信息.運(yùn)動(dòng)軌跡采用指定路線，對(duì)定位信息進(jìn)行記錄，采樣間隔為1 s，時(shí)長(zhǎng)為0.5 h.

圖4 北斗、5G融合定位流程Fig.4 Flow chart of fusion model of Beidou and 5G

為了驗(yàn)證方法的有效性，選擇模擬機(jī)車在市內(nèi)相對(duì)空曠環(huán)境、市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境以及庫(kù)內(nèi)等不同環(huán)境下的定位效果.即：在5G基站數(shù)量穩(wěn)定的環(huán)境下，根據(jù)北斗可用星數(shù)量的多少，驗(yàn)證北斗和5G融合的定位效果，同時(shí)與北斗單獨(dú)定位進(jìn)行對(duì)比.定位誤差可按照三維坐標(biāo)分解成水平方向和垂直方向進(jìn)行區(qū)分，如圖5和圖6所示.

圖5 垂直方向誤差數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 Error comparisons in vertical direction

圖6 水平方向誤差對(duì)比Fig.6 Error comparisons in horizontal direction

垂直方向上的誤差隨著北斗可用星數(shù)量增多而減少.如圖5所示，不同環(huán)境下分別對(duì)單獨(dú)北斗定位和融合定位兩種方式進(jìn)行對(duì)比.當(dāng)模擬市內(nèi)相對(duì)空曠環(huán)境，即北斗可用星在6顆及以上時(shí)，前者最小誤差為3.7 m左右，而后者最小誤差僅2 m；當(dāng)模擬市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境，即北斗可用星小于6顆但大于2顆時(shí)，后者誤差比前者低2 m左右.此外，當(dāng)模擬庫(kù)內(nèi)環(huán)境，即北斗可用星小于3顆時(shí)，前者定位失敗，后者雖然誤差稍微偏高，但是定位服務(wù)仍然可用，在4 m左右.

同樣，水平方向上的誤差也隨著北斗可用星數(shù)量增多而減少.如圖6所示，同樣對(duì)兩種方式進(jìn)行對(duì)比.當(dāng)模擬市內(nèi)相對(duì)空曠環(huán)境，即北斗可用星在6顆及以上時(shí)，前者最小誤差為2 m以內(nèi)，而后者誤差明顯低于前者，可以達(dá)到分米級(jí)；當(dāng)模擬市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境，即北斗可用星小于6顆但大于2顆時(shí)，后者誤差比前者低4 m左右.同樣，當(dāng)模擬庫(kù)內(nèi)環(huán)境，即北斗可用星小于3顆時(shí)，前者定位失敗，后者在4 m左右.

定位結(jié)果精度對(duì)比見(jiàn)表2.

表2 定位結(jié)果精度對(duì)比Tab.2 Accuracy comparisons of positioning results

試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同環(huán)境下通過(guò)北斗、5G融合方案明顯比單獨(dú)利用北斗技術(shù)定位精度高，最佳效果可以達(dá)到分米級(jí).文獻(xiàn)[8]提出通過(guò)建立鐘差預(yù)測(cè)模型，在GPS可用星數(shù)量不足的條件下實(shí)現(xiàn)定位，這和本文應(yīng)用場(chǎng)景具有一定的相似性.后者在有效衛(wèi)星數(shù)不足情況下，通過(guò)灰色理論預(yù)測(cè)的鐘差值來(lái)輔助定位，但鐘差預(yù)測(cè)本身存在誤差，無(wú)法從根本上消除.文獻(xiàn)[11]提出了一種基于無(wú)跡卡爾曼濾波算法DOA和TOA的估計(jì)方法，可以解決非線性誤差和噪聲引起的濾波發(fā)散問(wèn)題，當(dāng)概率密度為非高斯分布的情況下，濾波結(jié)果誤差反而會(huì)更大.本文采用改進(jìn)型聯(lián)邦卡爾曼算法集中進(jìn)行過(guò)濾，可以給出最優(yōu)的誤差估計(jì).當(dāng)北斗可用星不足時(shí)，采用增大5G定位的信息分配因子，降低北斗可用星少的不利因素，可以有效提高定位精度，滿足復(fù)雜環(huán)境下機(jī)車定位的需求.

如圖7所示，采用北斗、5G融合方案對(duì)CMD系統(tǒng)中的機(jī)車進(jìn)行定位測(cè)試，效果良好.特別是在北斗可用星少或者缺失的環(huán)境下，可以有效避免機(jī)車定位漂移、定位失效等現(xiàn)象.

圖7 融合方案模擬機(jī)車定位效果Fig.7 Test efforts of locomotive positioning in fusion method

5 結(jié)論

1)在研究北斗定位和5G定位的原理基礎(chǔ)上，運(yùn)用改進(jìn)型聯(lián)邦卡爾曼濾波算法，提出一種基于北斗載波相位差分與5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合的定位方法，消除和降低定位過(guò)程中存在的噪聲和誤差.

2)仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，融合定位明顯比單獨(dú)利用北斗技術(shù)定位精度高.在市內(nèi)相對(duì)空曠環(huán)境下，最佳效果可以達(dá)到分米級(jí)；在市內(nèi)復(fù)雜環(huán)境或者庫(kù)內(nèi)環(huán)境下可以達(dá)到2～4 m，避免無(wú)法定位現(xiàn)象.

3)運(yùn)用本文提出的融合定位方法，可以避免采用單獨(dú)北斗技術(shù)進(jìn)行機(jī)車定位，在復(fù)雜環(huán)境下存在定位精度低、定位漂移、定位失效等現(xiàn)象，為鐵路機(jī)務(wù)安全監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)提供有力的技術(shù)手段.