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摘要：为有效解决复杂环境下机车定位准确度的问题，本文提出一种新颖的机车定位技术。此技术结合了北斗卫星导航和5G通信技术的优势。机车同时配备了北斗和5G两种定位设备，旨在同时利用北斗的高精度定位和5G的高速数据传输能力。接着收集来自这两个系统的位置信息，运用卡尔曼滤波算法对这些数据进行整合与提炼，以此大幅提升机车定位的精确性。对此，本文主要围绕基于北斗和5G技术融合的复杂环境下机车定位方法展开探讨，期望能够为后续相关研究提供参考。

关键词：北斗定位；5G技术；机车定位

引言

随着我国“一带一路”倡议的不断深化，中国铁路工程已成为国际合作的一个标志性项目。但在铁路运营中，信号与通信系统的波动已然是潜在的安全风险，这种不稳定性有可能导致脱轨等严重事故，从而带来无法挽回的人员伤亡和财产损失。为了保障列车的安全运行，必须对列车的位置进行精细化的追踪与监控，同时向管理人员提供及时、精确的定位数据。为此，通过将北斗定位技术与5G网络进行深度融合，能够实现对火车头的精确定位，以满足列车安全管理的高要求，进一步显著提高列车运行的平稳性和安全性。

一、北斗和5G融合定位技术

（一）5G辅助北斗定位

移动通信网络与卫星定位技术的结合已经历了一段相当长的发展历程。从2G时代开始，我们就已经能够利用辅助GPS定位（A-GPS）技术来确定位置，而在3G时代，这项技术进一步升级为A-GNSS。为了不断推进此技术的进步，3GPP在其Release 16标准中纳入了BDS-3信号，这为5G与北斗融合定位技术注入了新的活力。该技术的工作原理为：在BDS信号覆盖良好的地方设置参考卫星定位接收机，并利用A-BDS服务器来初步估计设备的大致位置。接着，通过网络向设备发送必要的辅助数据，如时钟信息和星历等。当设备收到这些数据后，它便能进行定位测量。测量完成后，设备有两种选择：一是独立计算出自身的精确位置，二是将测量结果发送给A-BDS服务器（图1），由服务器来完成位置的计算，这一流程大幅提升了定位的准确性和效率。5G网络与北斗卫星定位系统（BDS）的紧密结合，催生了A-BDS定位技术，使得在北斗信号较弱的地区也能获得准确且迅速的定位服务。相较于传统的BDS定位，A-BDS技术显著提高了定位效率，同时降低了能源消耗，并提升了设备感应的灵敏度。

（二）加权融合定位

北斗与5G的融合定位技术是一项前沿创新，它通过深度融合北斗卫星系统和5G网络的技术优势，实现了对目标位置的高精度定位。该技术运用了一种独特的算法，将北斗和5G两种不同类型的定位数据巧妙地结合起来，生成了更加精确的位置信息。在某些场景下，北斗卫星系统可能会受到环境遮挡等干扰因素的影响，导致即使能观测到的卫星多于4颗，其定位精度也可能有所下降。5G网络，以其高速、低延迟的特性，为定位技术提供了新的可能性。在5G网络的覆盖范围内，可以获取到高精度的定位数据，这些数据与北斗卫星系统的数据相互补充，为加权融合定位提供了坚实的基础。在这种融合定位技术中，采用了一种特殊的加权算法。这种算法能够智能地分析并融合北斗和5G两种不同类型的定位数据，进而生成更加精确的位置信息。具体来说，算法会根据每种数据源的可信度和精度，为其分配不同的权重。通过这种方式，我们能够充分利用两种技术的优势，提高整体定位的精确度。

（三）信号融合定位

在科技日新月异的今天，定位技术已经成为我们生活中不可或缺的一部分。其中，北斗卫星系统和5G通信网络的融合定位技术，以其高精度和高稳定性受到了广泛关注。这种技术的核心在于，将北斗卫星系统和5G通信网络的信号数据进行有效整合，以实现更准确的定位。北斗卫星系统，作为我国自主研发的全球卫星导航系统，其定位原理主要是通过测量信号传输时间来锁定用户设备的地理位置。然而，当可接收的北斗卫星信号少于四颗时，系统将无法独立完成定位任务。这时，5G网络的定位技术就成了一个有力的补充。5G网络的定位技术，与北斗卫星定位的原理相似，也主要是依赖信号到达时间（TOA）进行定位。其高精度和高速度的特性使得5G信号在定位技术中具有显著的优势。通过将5G信号与北斗信号相融合，我们可以充分利用这两种技术的优点，提高定位的精确度和稳定性。实现这种融合定位技术，需要构建一系列复杂的方程组，以精确计算出用户设备的地理位置。这个过程需要大量的数据处理能力和精确的算法支持。然而，一旦实现，这种融合定位技术将显著提升定位效果，无论在精度、稳定性还是响应速度上，都将给用户带来全新的体验[1]。

二、基于北斗和5G技术融合的复杂环境下机车定位仿真实验

（一）定位方法

在建立实时动态差分定位（RTK）基准站的过程中，选址是一个至关重要的环节。选址的好坏直接影响到北斗卫星信号的接收质量，进而关系到定位的精确度。因此，必须精心挑选一个适合建立基准站的场地，一方面为了确保北斗卫星信号的顺畅接收，所选场地应具备宽广的视野，确保上空无遮蔽物。这样的场地条件能够最大程度地减少信号传输的阻碍，使得北斗卫星信号得以无障碍地传输到基准站。另一方面，考虑到电磁干扰对定位精度的影响，基准站应与通信基站和高压电线等可能产生电磁干扰的设施保持一定距离。这样可以有效降低外界电磁干扰对基准站接收北斗卫星信号的影响，从而提高定位的准确性[2]。

随着科技的发展，5G定位技术已经得到了广泛应用，该技术融合到达时间和到达角度两种定位方式，显著提升了定位精度。然而，在实际的定位测量中，我们仍然需要面对多种噪声和干扰因素的影响。这些因素包括但不限于非视距误差、时间传播精度的制约、角度量化误差、信号波束宽度，以及用户和基站间的距离等。值得注意的是，这些干扰所引发的误差多遵循高斯分布，且用户和基站间的距离与定位误差呈现正相关关系：距离越远，定位误差往往越大，尽管这种误差增长会在一定距离后趋于稳定。为进一步提高定位精度，可以在宽敞且无遮挡的测试场地上为北斗接收天线安装了一个可调节的遮光板。这一设计能够让相关人员根据需求自由调整可观测卫星的数量，从而优化信号的接收质量。同时，移动站能够实时接收基准站传输的动态定位校正信息。这些校正信息与移动站自身采集的北斗观测数据相融合，使得移动站能够准确地计算出自己的实际地理位置。这一过程不仅提高了定位的精度，还极大增强了定位系统的实时性和灵活性。

（二）定位效果分析

1.垂直方向定位效果

随着北斗卫星数量的不断增加，其在垂直方向上的定位准确性也随之显著提升，这一点在图2中得到了直观的展示。在城市开阔场景的环境下，北斗系统只需捕获到6颗或更多的卫星信号，便可以实现独立定位，且精度能达到大约3.7米，这个精度对于大多数开阔场景的应用已经足够。然而，将北斗与5G技术进行融合定位时，定位精度可以大幅度提升至约2米，这种精度的提升在许多高精度应用，如自动驾驶、精准农业等领域，具有极其重要的意义。接下来，在更为复杂的城市环境。在这种环境下，北斗系统能接收到的卫星数量可能会在2至6颗之间波动。尽管如此，融合定位技术相较于单独的北斗定位，仍然能够进一步将误差减少大约2米，显示出其在这种复杂环境下的优越性。最后，在模拟的室内测试中，当接收到的北斗卫星信号不足3颗时，单独的北斗系统无法进行定位。但融合定位技术却能在这种情况下实现有效的定位，虽然误差稍大（约4米左右），但这无疑大大提高了定位技术的适用性和可靠性[3]。

2.水平方向定位效果

随着北斗卫星数量的逐步增加，其水平定位的准确性亦在稳步上升。如图3所示，通过模拟实验，可以清晰地观察到定位精度与卫星数量的关系。在模拟的开阔城市环境中，只要北斗系统的可用卫星数量不少于6颗，第一种技术便能够实现2米范围内的精确定位。但值得注意的是，第二种技术在这样的环境下表现得更为杰出。其定位误差可以进一步降低到分米级别，这无疑显示了其卓越的定位能力，远超第一种技术。而在更为错综复杂的城市环境中，即北斗的可用卫星数量介于2到6颗之间，第二种技术相较于第一种技术而言，其定位误差要小大约4米。这一显著差异进一步凸显了第二种技术在复杂环境下的优越性。此外，模拟的室内测试场景也为我们提供了宝贵的数据。当可连接的北斗卫星数量少于3颗时，第一种定位技术无法进行有效定位。相反，第二种技术在相同条件下仍能保持约4米的定位精度。这无疑为第二种技术的稳定性和可靠性提供了有力的证明，显示出它在多变环境下均能保持出色的定位性能[4]。

3.定位结果精度对比

根据表1数据对比，不难发现在各种环境条件下，包括开阔地带、复杂地形以及库存空间，北斗+5G融合定位技术相较于单独的北斗定位，在控制水平和垂直误差上都表现出了更高的精度。在多变的环境和库存场景中，融合定位技术显著提高了定位精度。更为重要的是，在接收不到北斗星信号的情况下，单独的北斗定位系统会失效，而北斗+5G融合定位技术却依然能够提供准确的定位服务。这显然说明了北斗+5G融合定位技术不仅具有高精度，还拥有更强的环境适应性和稳定性。

（三）仿真实验结论

实验数据显示，北斗与5G的融合技术在各种环境中都能显著提升定位的准确性。这种技术的最佳表现甚至可以达到分米级的精确度，远超单独使用北斗技术所能达到的效果。这一成果展示了科技融合带来的强大潜力和显著优势。然而，任何一种技术都有其面临的挑战。在处理由非线性和噪声所引发的滤波发散问题时，我们采用了一种创新的基于无迹卡尔曼滤波算法的DOA和TOA估计方法，这种方法在大多数情况下都能有效优化定位效果，提高精度。值得注意的是，当遇到概率密度非高斯分布的情形时，滤波结果的误差可能会出现增长。为了应对这一问题，可以采用一种改进型的联邦卡尔曼算法进行集中过滤，以优化误差估计，进一步保障定位的精确性。此外，当北斗可用卫星数量不足时，可通过增加5G定位的信息分配因子，有效缓解北斗卫星不足带来的影响，从而显著提升定位精度。这种方法的应用，使得在复杂环境下机车定位的精确需求得以满足，体现了北斗与5G融合技术的灵活性和实用性[5]。

结语

通过精心规划，在轨道沿线合理分布了5G基站，并与北斗卫星导航系统深度融合，从而在无障碍的5G信号覆盖区内实现了对机车的精确追踪与定位。同时，也确保了整个系统的稳固性和高度信赖性，并借助北斗卫星的高精度定位能力，显著提升了机车在各种复杂环境中的定位精准度。总的来说，通过策略性地部署5G基站和利用北斗卫星导航技术，显著改善了机车的定位效果。

参考文献：

[1]王新宇，杜翠凤，李帅.基于观测值质量定权的北斗伪距差分与5G室内外融合定位方法[J].广东通信技术，2023，43（12）：7-13+36.

[2]刘玮，刘学刚，严茂胜，等.5G+北斗高精度定位服务质量测试方案研究与质差原因分析[J/OL].电信科学，1-10[2024-04-11].

[3]王树新，杨阳，王业流，等.5G宽带移动通信及北斗卫星导航技术在LKJ中的融合应用研究[J].铁道通信信号，2023，59（06）：1-7.

[4]李广.高速公路车路协同“5G+北斗高精度定位”模式初探[J].中国公路，2022，（10）：42-45.

[5]龚利，赵延杰，朱明辉.一种基于北斗和5G技术融合的复杂环境下机车定位方法[J].北京交通大学学报，2021，45（02）：44-51+70.

作者简介：王炯，1995.10.03，男，汉族，河北省晋州市，硕士研究生，一级技术员，研究方向：智能检测、电力传动

马睿杰，1987.3.4，男，汉族，山西省大同市，硕士研究生，高级工程师，研究方向：机务运用、人工智能