列车定位技术是列车运行控制系统实时、准确获取列车当前速度和位置信息的必要手段，列车定位的准确度和可靠度直接关乎列车运行安全，影响轨道交通的运输效率^[1-2]。轨道交通系统有多种列车定位方式，例如：基于轨道电路的列车定位^[3]、基于里程计累加测距的列车定位^[3]、基于测速的列车定位^[4]、基于应答器的列车定位^{[3, 5]}、基于无线通信的列车定位^[6]以及基于全球卫星导航系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）的列车定位^[7-8]等。

目前，GNSS已成为一种各国铁路广泛应用的列车定位技术。上世纪80年代，美国已提出采用卫星定位代替地面应答器的定位方法，并于90年代中期开发了基于差分全球定位系统（GPS，Global Positioning System）的增强型列车控制系统。上世纪90年代，欧盟提出发展伽利略卫星导航系统的计划，并将卫星导航技术标准应用于列车定位的多个项目，逐步实现完全依靠卫星导航系统来实现列车定位。1992年，俄罗斯基于格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS，GLobal Navigation Satellite System）开发出卫星导航接收设备，并于2002年在铁路列车安装使用，验证将卫星导航技术应用于列车位置服务的可行性^[9]。我国在北斗一号导航系统成功建立后，将北斗卫星定位技术应用于青藏铁路的美国ITCS列控系统，对列车运行控制系统的可靠性、安全性、自主性等进行研究^[10-11]；2022年底，我国还建成了首条采用北斗定位技术的城市轨道交通线路^[12]。针对长大隧道的特殊需求，国内还有采用GPS和北斗定位系统相结合的方式来实现稳定、精确的列车定位。

我国投资建设的中国—老挝铁路（简称：中老铁路）因隧线比较高，若采取沿线铺设定位设备，不但成本高，且后续设备维护工作量大。因此，中老铁路宜采用基于GNSS的列车定位方式。由于GNSS信号对山体、混凝土结构体、森林等环境穿透较弱，列车在中老铁路上的运行过程中存在GNSS盲环境^[13-14]，卫星导航技术无法连续为其提供稳定、可靠的定位信息。因此，在开发基于GNSS的中老铁路列车定位技术应用时，需要解决列车运行在GNSS信号盲区时无法获取列车定位数据的问题。

软件无线电作为一种软硬件结合的无线电技术，采用软件定义方式实现无线电通信，能够在通用硬件平台上通过软件来实现多种无线通信和定位功能，成本相对较低，易于在实验室实现。兰蒙等人^[15]在铁路全球移动通信系统（GSM-R，Global System for Mobile Communications-Railway）、地铁的长期演进（LTE-M，Long Term Evolution for Metro）、第五代铁路移动通信（5G-R，5th of Generation Mobile Communications-Railway）等车地无线通信技术开发中开展了基于软件无线电的实验室仿真测试。

本文利用软件无线电技术及相关软硬件，开发了轨道交通线路GNSS信号盲区列车定位模拟系统（简称：GNSS列车定位模拟系统），为GNSS信号盲区生成列车定位模拟数据，使列车在运行过程中能够连续获取准确的列车定位信息，并在实验室内搭建测试环境，针对不同应用场景生成GNSS定位模拟数据，与中老铁路现场采集的卫星定位信号进行对比，验证该系统的可行性和有效性。

1   卫星导航定位原理及GNSS模拟信号来源

1.1   卫星导航定位原理

地球是一个三维空间，要确定运行列车的位置，需要知晓列车位置的3个参数：经度、纬度和高度。假设某一运行列车在地球上的位置用坐标$(x,y,z)$来表示，某一已知列车定位卫星A的坐标用$({x}_{1},{y}_{1},{z}_{1})$表示，可以从位置A广播一个信号，传播速度用c表示，记信号从卫星发出到车载台收到的时间间隔为${\tau }_{1}$，可得到一个列车运行位置信息的方程式：

方程式 （1） 中有3个未知数，要确定运行列车坐标$(x,y,z)$，需要3颗已知位置信息的列车定位卫星才能确定该运行列车的坐标。记另外2颗卫星为B和C，对应的坐标表示为$({x}_{2},{y}_{2},{z}_{2})$和$({x}_{3},{y}_{3},{z}_{3})$；测量出卫星B和卫星C信号发送到接收的持续时间${\tau }_{2}$和${\tau }_{3}$，得到下列运行列车位置方程组：

理论上，信号从发送到接受的时间间隔$\tau_i(i= \mathrm{1,2},3,\cdots)$可以用运行列车车载台的接收时间${t}_{1}$减去卫星信号的发送时间${t}_{2}$来推算，但由于卫星使用的时钟与车载GNSS信号接收装置的时钟精度不同，存在时间误差$\Delta t$。为此，引入新的时间变量$\Delta t$来修正方程组（2），得到如下一个可解的运行列车位置方程组：

其中，Δt为卫星钟差；$(x,y,z)$为列车车载台接收天线的坐标，也是运行列车实际所处位置；$({x}_{i},{y}_{i},{z}_{i})$为第$i$颗GNSS卫星的坐标；$c$为GNSS信号的传播速度；$c(\Delta t+{\tau }_{i})$为车载接收天线到卫星天线的距离，包含接收机时钟和卫星时钟偏移；${\tau }_{i}$为信号从接收机到发射机的持续时间。

如图1所示，为了保持时钟同步，至少需要4颗已知位置的卫星才能获取已知运行列车的位置信息。

图  1  GNSS定位原理

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GNSS可在全球范围内提供定位服务，对于地球上的某个点，在任一时刻的卫星定位精度取决于该点当时可接收到定位信号的卫星数量及信号强度。通常情况下，可接收到定位信号的卫星数量越多，接收到的定位信号就越多；卫星信号受遮挡越少，接收到的定位信号强度就越强，该时刻物体的定位精度就越高。

1.2   GNSS信号

GNSS信号从结构上可分为载波、伪码和数据码3个层次，先将伪码和数据码调制到载波上，然后卫星再将调制后的载波信号波发射出去。例如，GPS卫星一般以不同频带和调制方式来广播GPS信号，GPS信号包含载波、伪码和导航电文3个分量，信号帧结构如图2所示；其中，L1信号是最常见的民用信号，部分参数如表1所示。

图  2  GPS信号帧结构

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表  1  L1信号参数值

参数	值
码型	C/A码（粗捕获码）
调制方式	二进制相移键控（BPSK）
频率	1575.42 MHz
码速率	1.023 MHz

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1.3   星历数据

星历数据提供了每颗卫星的精确位置数据$\left({{x}}_{{i}}\right({t}),{{y}}_{{i}}({t}),{{z}}_{{i}}({t}\left)\right)$，列车车载设备等卫星定位信号接收机可将其作为先验信息，用于计算卫星的位置。GPS广播星历数据（BRDC，Broadcast ephemeris）文件可从网站ftp://cddis.gsfc.nssa.gov/gnss/data/daily/下载，该文件为接收者独立交换格式（RINEX，Receiver Independent Exchange Format），是一种文本数据记录格式，与接收机的制造厂商和具体型号无关。BRDC文件命名规则为brdcDDD0.yyt形式，具体含义见表2。

表  2  BRDC文件名规则

符号	意义
DDD	数据观测时间的年积日
yy	年份
t	文件种类，一般为n，表示广播星历文件

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例如：brdc3650.21n表示2021年12月31日的GPS卫星全部星历信息。

2   系统设计

2.1   设计目标

在列车运行的过程中，车载设备接收的GNSS信号会受到高楼建筑、密闭空间、茂密森林、山体隧道等因素的影响。当列车停靠车站时，受到雨棚、高楼等会遮挡GNSS定位信号，此时车载设备接收到的GNSS定位信号会很弱。当列车在隧道、茂密森林、多山地带等区间段穿行时，接收到的GNSS定位信号也会间断性地受到遮挡，车载设备可能无法连续地获取准确的GNSS定位信息。因此，模拟列车运行在特定站点和穿行于某一区段时车载设备接收的GNSS定位信号是实验室仿真的重点。

在实验室测试环境下，使用GNSS列车定位模拟系统生成GNSS模拟信号，其质量指标应与现场实际测量值相近，可满足列车定位的准确性要求，能够生成列车运行过程中的单点静态定位模拟信号，也能够生成列车穿行于某一区段的过程中的区段动态定位模拟信号。

2.2   设备构成

GNSS列车定位模拟系统主要设备包括仿真主机和终端设备，如图3所示。

图  3  系统设备构成示意

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仿真主机CPU配备Intel Core i5-10400F（6核12线程，主频2.9 GHz），内存为16 GB，运行ubuntu 18.04 LTS系统，采用4.15 low latency 内核。通过USB3.0连接到软件无线电平台，板卡将射频信号发送至车载设备。

终端设备为真实的车载设备，包括车载台、手持台和PC机，用以接收模拟的GNSS射频信号。

2.3   GNSS信号模拟

本文以GPS信号作为GNSS信号实例。GPS-SDR-SIM项目是在MIT许可下发布的开源GPS基带信号发生器，它将最新的星历文件和包含列车运行轨迹的NMEA（National Marine Electronics Association）文件作为输入，生成GPS基带信号文件gpssim.bin，作为软件无线电平台的测试数据。NMEA文件是一个具有连续模拟仿真信号的列车运行轨迹文件，其中的列车运行速度等信息项可调整。

为了在实验室内模拟生成车载设备接收的GPS报文，需要在射频级别进行GPS仿真。本文使用USRP软件无线电板卡来模拟生成卫星发送的GPS报文。USRP利用通用硬件驱动程序（UHD，Universal Hardware Driver）提供的API，通过USB3.0和PC机连接，工作在70 MHz～6 GHz频段上，实时带宽可达到56 Mbps。采用USRP发送GPS报文的过程如图4所示。

图  4  模拟生成车载设备接收的GPS报文

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首先对gps-sdr-sim源码进行编译，在编译程序命令行输入相应参数：输入-e选择星历数据；输入-l/-g选择列车静止时的坐标或者列车动态运行轨迹的nmea文件；输入-b选择采样精度（不同外设板卡采样精度不同）；输入-s选择采样速率。编译完成后按回车键即可生成GPS报文，接着调用USRP板卡发射GPS报文。

使用gps-sdr-sim命令生成指定时段内静态GPS基带信号样本，或者使用NMEA轨迹文件生成动态的GPS基带信号样本。

（1）生成静态GPS报文：$ ./gps-sdr-sim -e brdc3650.21n -l 102.412905,21.719249,634 可生成中老铁路上橄榄坝站的GPS基带信号；

（2）生成动态GPS报文：$ ./gps-sdr-sim -e brdc3650.21n -g zhonglaotielu.txt -s 2500000 可生成中老铁路上运行区间段的GPS基带信号；

（3）生成中老铁路上静态车站和动态运行区间基带信号样本后，在命令行输入：$ ./gps-sdr-sim-uhd.py -t gpssim.bin -f 1575420000 -s 2500000 -c external -x 40，可通过USRP的天线以1,575.42 MHz频率发射GPS信号样本。

其中，大多数的列车卫星接收设备不能在实验室内工作，且实验室内接收到的真实的卫星信号强度较弱，仅约为−130 dBm^[16]，在实验中无需产生一个强信号来覆盖真实的卫星信号。

3   测试分析

3.1   实验室仿真测试过程

（1）选择仿真类型及对象：

（a）对于单点静态定位模拟，选择GPS定位信号较弱的站点，使用谷歌地图标记下其经纬度数据，然后在gps-sde-sim项目中对其进行源码编译；

（b）对于区段动态定位模拟，选择GPS定位信号较弱且时断时有的线路区段，使用谷歌地图绘制出仿真测试所需的列车运行线路轨迹，并存储为kml格式文件；然后使用SatGen软件，将包含位置信息的kml格式文件转化为后缀为txt的NMEA轨迹数据文件，以获得连续的模拟仿真信号；

（2）对项目gps-sdr-sim源码进行编译，基于BRDC星历文件、站点经纬度数据或是线路区段NMEA轨迹数据文件来生成模拟的GPS基带信息。

（3）将模拟的GPS信号文件gpssim.bin加载到USRP平台进行回放，供车载设备读取GPS信息；车载设备根据卫星天线接收到的射频信号，实时计算出列车当前位置。图5显示了中老铁路橄榄坝站的GPS模拟信息。

图  5  橄榄坝站GPS模拟信息

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3.2   定位模拟信号质量分析

选取中老铁路上列车运行过程中GPS定位信号较差的地点，如铁路车站、高楼建筑旁、森林、隧道等，将这些地点的GPS定位模拟信号与中老铁路现场没有任何阻隔的空阔区域（即现场具有最佳卫星定位信号的场所）测量的GPS信号进行对比。

选取中老铁路上13个GPS定位信号较差的地点，运行GNSS列车定位模拟系统生成这些点的GPS定位模拟信号，并使用GPS通用测试软件测量出可用卫星数量、定位精度和信噪比。 图6是其中的橄榄坝站的GPS定位模拟信号与空旷环境下GPS定位模拟的相关信号质量参数对比， 表3为中老铁路上选取的13个地点的GPS定位模拟信号测量结果。

图  6  测试结果对比

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表  3  实验室条件下生成的GPS定位模拟信号测量值

单点信息	可用卫星数量/颗	定位精度/ m	信噪比
			最小值	最大值
峨山站	13	3	46	53
野象谷站	13	3	45	51
橄榄坝站	13	3	43	52
勐腊站	13	3	47	50
纳磨站	13	4	45	49
孟赛站	13	4	46	51
孟阿站	13	3	44	53
嘎西站	13	4	47	50
茂密森林区域	13	3	44	50
多山地带	13	4	43	52
普亚村隧道	13	4	45	51
努瓦山隧道	13	3	44	50
安定隧道	13	3	43	51
平均值	13	3.4	44.8	51

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以可用卫星数量、定位精度、信噪比3个指标衡量信号质量，对比现场空阔区域GPS信号测量值（可用卫星数量为11，定位精度4 m，信噪比（21～43）），实验室条件下生成的GPS定位模拟信号与现场实际测量值相近，甚至更好。

3.3   单点静态定位模拟

对中老铁路上列车车载设备接收GPS信号质量较差的28个站点进行现场调研和堪察，并在实验室内模拟上述站点的GPS定位信息。以玉磨段橄榄坝站和磨万段万象南站为例，图7（a）、图7（b）则是车载台在实验室内接收GPS模拟信息后的定位显示，显示位置分别为中老铁路玉磨段橄榄坝站和中老铁路磨万段万象南站。

图  7  GPS单点信息模拟

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以通用定位信息解析装置（如手机，手持台等）作为GNSS列车定位模拟系统信号接收终端，对比终端实际所处的位置信息，实验室条件下能够很好的模拟出列车运行过程中停靠在GPS信号质量较差的站点位置。

3.4   区段动态定位模拟数据

选取中老铁路的部分隧道和3段线路（昆玉段、玉磨段和磨万段）内的列车运行轨迹，在实验室内进行GPS信号模拟。其中的磨万段、安定隧道的列车运行GPS定位模拟效果分别如图8和图9所示。

图  8  中老铁路磨万段GPS信息模拟

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图  9  中老铁路隧道列车GPS信息模拟

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在实验室条件下，能够很好的模拟出列车经过GPS定位信号不连续的隧道或线路区段的运行过程中列车动态运行轨迹，观看到基于模拟的GPS定位信号列车在沿中老铁路线向前运行。

4   结束语

针对轨道交通线路上存在GNSS信号盲区的问题，基于GNSS定位原理，采用软件无线电技术，研制开发了GNSS列车定位模拟系统，并在实验室搭建了测试环境。测试表明：在列车运行途中，当卫星信号接收受到遮挡或干扰时，该系统能够生成质量较高的卫星定位模拟信号，包括单点静态卫星定位模拟信号和区段动态卫星定位模拟信号，使车载设备在线路上GNSS信号盲区也能获取高质量的接收卫星定位信号，有助于拓宽基于GNSS的列车定位技术的应用范围。

本文仅进行了GPS定位模拟，下一步将结合北斗卫星导航系统，继续完善GNSS列车定位模拟系统，使基于GNSS的铁路列车定位技术能够借助该系统，成功应用于中老铁路及其它轨道交通线路。