【基于GNSS的列车定位及干扰原理分析3900字】

基于GNSS的列车定位及干扰原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u18374基于GNSS的列车定位及干扰原理分析 1264741.1GNSS定位方法 1212681.2轮轴测速辅助GNSS定位方法 31321.3卫星定位干扰原理 5GNSS定位方法GNSS，即全球卫星定位系统，是一种空基无线电导航定位系统，它可以为用户提供定位点的三维坐标、速度、时间等相关信息，具有全天候、地面和近地空间全覆盖的特点。GNSS主要由三部分组成，分别是导航卫星星链、地面监测系统和接收机。GNSS系统对一个定位点进行卫星定位需要以下步骤：由地面监测系统将已确定的需求数据在指定时间内发送给对应导航卫星，再由导航卫星将所在位置以导航电文的形式向地面报告，以上步骤会形成以导航卫星为主的动态已知点，在后续步骤中用于定位点位置的解算；由导航卫星序列中的至少4颗卫星同时不间断向地面接收机发送导航卫星信息，信息具有频率高、稳定的特点；地面卫星接收机负责实时的接收导航信号，并在接收之后对来自导航卫星的观测信息进行追踪、转换和测量等操作，在接收过程中实时的对卫星观测数据结合动态已知点进行解算并将用户的需求如时间、速度、三维位置坐标等信息发送给用户。以GPS系统为例，其地面信号接收机接收来自导航卫星序列发送的卫星信号，主要分为粗码（C/A码）和精码（P码）。每个导航卫星以约1毫秒为单位将随机测距码发送至地面接收机，同时接收机也复制出一个同结构信号发送至对应卫星。显然，两个信号之间存在一定时间差，通过计算信号在接收机与卫星之间分别接收的时间差可以推算出卫星至接收机的伪距。计算出的伪距并不是真实值，其中存在各种误差，包括卫星无线电信号在地球大气电离层和对流层传输时产生的误差、星历的误差、接收机和卫星本身存在的时钟差等，这些误差可通过差分计算得到补偿。设目前接收机位置未知，可见卫星数为，设卫星的空间坐标为，则由式（2-1）所示的算法可算出接收机与卫星之间的伪距：（2-1）式中：为光速；为接收机钟差。列车在空间中的运动主要基于轨道排布，因此可结合轨道地图库中的轨道数据提升定位精度，是一种较常规定位方法不同的一维空间分布，如图2-1所示，下面对列车运行轨迹定位做出分析：设定列车在地球表面以质点的形式进行运动，在三维笛卡尔坐标系中将列车的运行轨迹分解为北向、东向、高度三方面的位置分量，即。考虑列车卫星定位地面接收机的钟差，定义GNSS卫星导航定位模型状态量，结合地面接收机解算所得伪距偏差值，可定义GNSS卫星导航定位模型观测量，其中为可观测卫星数，且。图2-1GNSS定位原理图由于在以上步骤中出现的系统状态转移方程与观测方程线性程度不同，再加上列车运行为一种基于轨道地图数据的一维模型，故本设计需要将前后时刻的定位数据结合解算，采用最小二乘拟合卫星观测数据解算列车运行轨迹。最小二乘拟合作为一种常用的数学优化方法，通过使误差的平方和最小化求得卫星观测数据最佳的函数配置。最小二乘拟合具有简便、易实现的特点，且求得的未知数据与实际数据相差较小，即误差的平方和最小。设待拟合点为，其中以下建立方程如公式（2-2）所示对拟合点进行最小二乘拟合解算（2-2）其中,，显而易见的是，该方程组一般无解，要想求得最优解，下面开始引入该问题的矩阵形式：最小化：即求得最小二乘解算拟合列车轨迹的问题最优解：由于列车轨道转弯半径大，轨道普遍为平坦的近似直线，可对公式（2-2）进行简化，令参数为2，可得到拟合点的线性解算数据。轮轴测速辅助GNSS定位方法由于轮轴测速传感器不受卫星定位干扰影响，故可结合轮轴测速传感器对列车卫星定位进行参考建立，对列车卫星定位出现的干扰影响进行一定程度的补偿。列车运行过程中，可由轮轴测速传感器以式（2-4）、（2-5）所示算法求得列车沿轨道运行距离增量及速度。（2-4）（2-5）式中：L为轮径，为车轮周长；为车轮在已知时间T内的累计转数；为时刻里程相对于时刻在内的绝对增量；为估计的列车速度值。由以上算法可求得列车上下行方向和速度规律，由此确定列车运行轨迹的里程长度，在此过程中会出现车轮空滑和车轮磨损等因素造成的测量误差，但通过相应模型可以对其进行误差补偿。在以上整个过程中，所有检测量和误差补偿均不会受到卫星定位信号传输过程中的干扰影响，因此可以保证轮轴测速传感器相关的列车定位与卫星导航定位的不相关性，保证后续步骤中参考量建立的可靠性。在轮轴测速信息完善的基础上，再基于轨道地图数据库提供属性信息如轨道线路拓扑结构数据、轨道线路各特征点的三维空间坐标、一维轨道里程数据等，可以对受到干扰的列车卫星定位观测数据信息建立检测分析的参考量。基于以上数据，可按如图2-2所示思路推算出各轮轴测速的等效定位坐标。图2-2轨道地图辅助轮轴测速位置推算原理设列车测速定位系统在时刻已进入轨道线路约束，此时所检测到的定位坐标为。根据式（2-4）中所示距离增量，以及式（2-4）、（2-5）所求得的列车运行方向，可以推演出列车运行轨迹再轨道地图数据库中对应的轨道线路，以及时刻后列车所占用的轨道区段以及时刻列车位置到轨道区段端点的距离，如式（2-6）所示：（2-6）在实际列车运行和卫星导航定位过程中，列车所处轨道区段与轨道地图数据库中对应轨道区段之间的相关程度由现实中列车的运行实时状态和轨道地图数据库中相应的轨道区段的如何进行划分来决定。基于以上算法，可由式（2-7）、（2-8）求得相关数据：（2-7）[1]（2-8）式中：为列车所在轨道区段端点的空间坐标；为与端点之间的距离；为列车坐标量。基于以上求得的数据，再结合已知的当前时间信息、导航卫星星历、卫星轨道参数求得各可见卫星的空间位置，在此基础上可以相应模型求得不同可见卫星相关的观测信息参考量。本文采用不同可见卫星在不同时刻的伪距偏差值对卫星观测质量进行性能评估。根据由式（2-9）、（2-10）所示的伪距偏差值观测模型，可以计算得出第颗卫星对应的伪距偏差值参考量（2-9）[1]（2-10）式中：为光速；为第颗卫星的时钟偏差估值；为接收第颗卫星发送的观测信息的接收机的时钟偏差估值；为卫星信号在电离层传播时产生的信号传播延迟误差估值；为卫星信号在对流层传播时产生的信号传播延迟误差估值。对比实际伪距偏差值观测序列与参考伪距偏差值集，可以基于二者偏差关系对干扰下的卫星观测数据进行性能评估。卫星定位干扰原理GNSS全球卫星导航定位系统作为一种空基无线电导航定位系统，具有各种显著脆弱特征，如导航信号和数据格式公开、在卫星观测信息的广播信道中无法设置保护装置、导航卫星与列车天线距离极远等。因此经过地球大气和近地空间的空间传播后，地面卫星接收机接收到来自导航卫星的报文信息强度微弱，极易被各类型干扰在开放环境中影响。根据干扰信号的性质，卫星定位干扰可以分为压制式干扰和欺骗式干扰两类。[1]欺骗式干扰是二者中更具威胁的，它的原理是：通过发送与GPS、北斗卫星等卫星系统的信号结构类似信号，在其中添加非法的虚假信息并发送至卫星信号接收机，使接收机接受非法的干扰信号并解算出错误的定位结果、速度位置信息。因此欺骗式干扰源会采用小误差积累方式根据跟踪所得的指定列车运行轨迹生成专用的诱导信号，逐渐偏移解算后的列车卫星定位结果到错误位置。但在以上步骤之前，干扰源一般需先使用压制干扰使得接收终端失去对卫星观测信号的锁定跟踪，以此来确保非法的干扰信号顺利侵入接受终端，这一系列实现过程相对较难，干扰源也通过如此过程保证干扰成功并同时不被RAIM（接收机自主完好性监测）发现并报警。压制式干扰技术难度相比欺骗式干扰较小，因此在干扰过程中更容易实现蓄意干扰入侵。压制干扰源发送的大功率信号会使卫星信号接收机无法接收到正常的卫星信号，使卫星定位信号接收终端的接收、解算等工作能力降低，然后进一步影响卫星定位观测性能、劣化定位质量甚至失去对列车的定位功能。如图2-2所示，列车卫星定位在有效压制区内被压制干扰源影响。压制干扰对列车卫星定位的影响程度取决于压制区域的射频传播环境、干扰机的配置、干扰机和列车的空间位置关系等因素。图2-2列车卫星定位压制干扰场景设时刻列车已运行至有效压制区，此时被地面卫星定位接收机接收到的卫星信号可用如式（2-11）所示的模型进行近似描述（2-11）式中：为接收到的卫星信号；为期望的第颗卫星正常信号；为时刻可见卫星数量；为干扰信号；为信号传输过程中的背景噪声；为压制干扰状态标志(表示无信号干扰;表示所接收信号存在干扰)。因为压制干扰技术难度小、操作过程简易等特点，压制干扰目前已经成为卫星导航安全的主要威胁。可以进行压制操作的干扰信号类型多样，根据干扰发射波形可以分为相干连续波、非相干连续波、脉冲连续波、调幅连续波、窄带/宽带调频信号等，根据信号产生来源，可以分为无意、蓄意干扰两种类别。[1]当列车卫星定位终端受到窄带或宽带干扰作用时，可近似表现为添加了不同带宽的高斯噪声，导致因干扰影响而产生的变化出现在信号载波的噪声密度。卫星信号受到压制干扰影响的严重程度可以由载波噪声密度衡量，即1Hz带宽内载波功率与噪声功率的比值，单位为Db-Hz，卫星定位测量精度可以受到的降低的直接影响。受干扰而发生变化的等效为（2-12）式中：表示未受干扰情况下的载波噪声密度；为干信比；为扩频处理增益调节因数；为扩频码速率。可以看出，随着干信比的增大，等效载波噪声密度降低，卫星捕获时间也因此增加，严重情况下会出现列车卫星定位接收机对卫星观测信息追踪的完全失锁。