上周，由中国中车承担研制、具有完全自主知识产权的我国时速600公里高速磁浮交通系统在青岛成功下线，这是世界首套设计时速达600公里的高速磁浮交通系统。它的成功研制意义重大，不仅丰富我国交通运输速度谱系，保持我国高速交通领域先进优势，而且对加快建设交通强国、科技强国具有重要意义。
从高铁到高速磁悬浮列车，我国建设交通强国的宏伟蓝图正在变成美好现实。而在蓝图实现过程中，离不开北斗等科技手段的助力。这在2019年中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》中有明确规定，大力发展智慧交通，推进北斗应用。
当铁路“握手”北斗，会产生怎样的效应？北斗又能如何为铁路行业提质增效保安全？就此话题，《定位》杂志采访了国家铁路局首批铁路行业科技创新基地——北斗导航装备与时空信息技术铁路行业工程研究中心总工程师、中铁第五勘察设计院集团有限公司（下称铁五院）科学技术研究院副院长饶雄，请他分享了自己的认识与想法。
近年来，我国铁路尤其是高速铁路取得飞速发展，截至2020年，高速铁路总里程达到3.8万公里，占世界高铁总里程三分之二以上。根据《国家综合立体交通网规划纲要》，到2035年，铁路网总规模将达到20万公里左右，其中高速铁路7万公里。
▲2019年12月30日开通的京张高铁，这是世界上第一条采用北斗卫星导航系统并实现自动驾驶等功能的智能高铁
当前，我国在铁路工程建设、基础设施及周边环境灾害监测、装备制造、运输调度及时间同步等领域，凡涉及卫星导航的技术和产品主要采用GPS。由于GPS完全受控于美国，一旦不好用甚至不可用，将会对铁路事业稳定可持续发展造成负面影响，只有打破单一依赖GPS的格局，才能从根本上解决铁路应用卫星导航技术的安全可靠问题。
据饶雄介绍，北斗技术应用于铁路行业，最早可以追溯到2000年初，由原铁道部科技司立项的青藏铁路列车卫星定位技术及信息传输系统研究。青藏铁路全线84%的路段海拔在4000米以上，气候条件非常恶劣，常年缺氧、低温、暴雪等，因此，研究开发能够减少设备维护量、降低人员投入和工作强度、提高运输效率的列控系统是青藏铁路运营的迫切需求。彼时，北斗一号卫星导航系统（下称北斗一号）建设完成，能够初步满足中国及周边区域的定位、导航、授时需求。
据饶雄介绍，北斗一号让用户不仅能获得位置信息，还能像“发短信”一样主动发送文字消息，这在求救和援助时尤为关键，而这也是单向接收位置信息的GPS等卫星导航系统无法做到的。基于此，当时的青藏线研究决定充分发挥北斗的通讯优势，确定以数字移动通信采用以GSM-R（公共无线通信系统GSM平台、专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系统）为主，卫星通信为辅的通信方式，卫星通信采用北斗一号的短报文通信，卫星定位则采用国外的GPS卫星定位技术。“那时候主要是用到北斗的短报文功能，这是北斗的‘独门绝技’。”也就是说，即使在机车控制电源断开的情况下，司机仍能通过北斗一号短报文通信功能，向地面发送机车位置等信息，保持应急处置有序可控。北斗技术投入青藏线的研究，标志着铁路有关部门为打破铁路行业对GPS的单一依赖的局面迈出了重要一步。
探索的大门已经打开，但当时卫星导航系统的关键核心技术依然受制于人，青藏铁路的列车运行控制系统仍然以美国的GPS为主导。据饶雄介绍，北斗一号存在着明显不足和差距：定位体制为有源定位、定位精度低、用户隐蔽性能差、无测高和测速功能、用户数量受到限制、用户设备体积过大。同时时间精度为20～100纳秒，与同期GPS的10米和20纳秒差距明显，而且仅支持150个用户同时在线，与全球覆盖的目标也相差甚远。
直到2012年底，北斗二号卫星导航系统（下称北斗二号）建设完成，与北斗一号相比，这一代北斗区域卫星导航系统已经具备双频RTK（Real-time kinematic，实时动态）定位能力，定位精度也从20米提升至10米。并且，北斗与GPS载波相位差分定位时，相对于单一GPS系统，组合定位精度可提高20%以上，时间精度达到10纳秒，可为亚太地区用户提供定位、测速、授时和短报文通信服务。基于此，铁路行业逐渐使用北斗二号的定位功能，铁路有关部门先后立项了多个铁路行业北斗应用创新课题，尤其是信号控制类的研究课题。随后，北斗在铁路行业更多细分领域的应用创新逐渐拉开了帷幕。
▲国家铁路局首批铁路行业科技创新基地——北斗导航装备与时空信息技术铁路行业工程研究中心总工程师、铁五院科学技术研究院副院长饶雄
饶雄介绍道，利用北斗二号的无源定位功能，能够方便快捷地获取铁路机车车辆的行驶信息，方便对铁路机车车辆进行精细化监测和指挥调度。同时，铁路有关部门还利用北斗二号的短报文通信功能，实现在移动通信专网覆盖缺失的地区，及时将机车或设备监测数据回传到运输调度指挥中心，从而为管理部门第一时间掌握有关信息，防止事故发生或降低事故损失提供有力支持。铁路行业对北斗卫星导航系统定位、导航、授时和短报文通信等功能需求，大致可以分为以下七大类：列车运输调度指挥及列车信号控制，客货运输管理，安全预警防护，基础设施建设及维护，授时管理（列车运输关键信息系统时间同步），旅客服务（包括售票、广播报站、旅客导引等），应急救援。
要在这些领域广泛推广应用，北斗卫星导航系统各大核心功能就得与其他技术结合，以紧密贴合铁路行业细分领域的实际需求。饶雄解释道，铁路行业各个细分领域对定位、导航和时间同步技术都有切实需求。各大勘测设计院在铁路勘测测绘工作中，无论是用无人机，地面测量用RTK，还是用手机导航去踏勘巡察，都广泛使用了北斗定位和导航功能。尤其是高速铁路线路勘察的初测和定测阶段，还需要用到北斗定位技术进行高精度线路控制测量，铁路人俗称精测网。精测网从高铁建设到运维全生命周期，都会一直服务于高速铁路轨道精确定位，实现轨道的高精度定位和高平顺性，从而保障列车安全平稳地运行。2019年，世界上首条全线采用智能建造技术的高铁——京张高铁正式通车。借助北斗卫星导航系统等尖端科技，京张高铁部署了一张“定位”大网，能够为工程建设、养护维修、运输组织、资产管理、安全控制等领域提供信息化服务。
如果说北斗一号、二号系统建设让铁路行业逐步引入北斗卫星导航技术奠定了基础，那么北斗三号卫星导航系统（下称北斗三号）提供的更高精度、更高可靠性的卫星定位、导航、授时及短报文通信功能，则让铁路行业全面提高铁路建设和运输效能及安全性看到了更多机会。不同于北斗一号、二号区域卫星导航系统，北斗三号服务范围扩展至全球，能够提供更多频点的卫星导航信号，通过多频信号组合使用等方式提高服务精度和可靠性，同时，北斗三号继承了卫星导航与通信能力，实现全球范围内全天候、全天时为全球用户提供基本导航服务(定位、导航、授时)、全球短报文通信、国际搜救服务，中国及周边地区用户还可享有区域短报文通信、地基增强、星基增强、精密单点定位等服务。
那么，北斗三号的建成会给铁路行业应用卫星导航技术带来哪些新突破？来看看这些应用：2020年6月，由铁五院承担的北斗铁路行业综合应用示范工程初步设计方案通过评审，这是国家北斗重大专项面向铁路行业的首批综合应用示范项目，正式宣告北斗三号在铁路行业综合应用的全面启动。依托北斗地基增强站开展的示范工程项目，验证了用国产北斗高精度测量型接收机做铁路工程测量，其精度和可靠性完全媲美GPS。此外，往来于中国与“一带一路”沿线多个国家和地区及欧洲的国际铁路集装箱联运班列——中欧班列，在集装箱加装了北斗定位终端后，能够及时跟踪列车运行轨迹，定位精准到10米以内，同时还与其他传感器一起，监控集装箱的温度、湿度、开关门等信息，精细化服务于集装箱业主。2020年10月，“北斗惯导小车”成功应用于京沈高铁轨道铺设工程，是北斗三号组网完成后首次工程化服务于高铁建设领域，利用“北斗惯导小车”对轨道进行高精度测量，确保轨道铺设的位置和平顺性指标严格达到设计标准，进而保障高速列车平稳运行……
北斗在铁路行业的应用还远不止于此，值得一提的是，北斗地基增强系统提供的高精度定位服务，对提高铁路建设和运营效率很有价值，用饶雄的话来说，“能随时随地按需提供高精度定位导航服务和纳秒级授时服务”。北斗地基增强系统的运营投产，能够改变传统的静态相对定位以及RTK野外测量作业方式，用户在测量时不需要专门架设参考站，可以单机作业，并且扩大了工作范围，大大提高了工作效率。铁路部门如能建立铁路专用的北斗地基增强网，在北斗融合新一代信息技术应用的基础上可有力促进铁路数字化、信息化、智能化发展。
可以看到，自北斗三号建成以来，铁路“参北斗”的自主创新运用实践蹄疾步稳，北斗三号稳定可靠的全球服务能力会给铁路行业提质增效保安全带来积极影响。随着2020年《新时代交通强国铁路先行规划纲要》的提出，铁路线路勘测及养护维修，基础结构及周边环境灾害监测，列车运营调度和列控，资产管理及旅客服务等安全相关及非安全相关领域对北斗服务的功能和性能指标提出了更高要求。
“北斗系统全面应用于铁路行业还有许多亟待完善的地方。”饶雄指出，尽管地基增强系统的精度非常高，但服务能力和范围却有一定限制，例如在高空、沙漠、地形复杂和有遮蔽的区域，会形成大范围的定位盲区，造成卫星导航定位信号不可用。为了从一定程度上满足铁路行业全域高精度可信定位需求，通过卫星播发数据的星基增强技术应运而生。饶雄介绍道，首先，相对地基增强系统来说，星基增强系统是通过卫星来播发差分数据，不受地面移动通信信号覆盖程度影响。其次，其定位的完好性、可用性较地基增强系统要好。在开阔的区域，当星基增强系统能够达到实时动态分米级时，便能够明显降低地基增强站的建设和运维成本。同时能更好地满足铁路的人、机、物三元联网无缝连续、安全可靠的精准定位需求。
而令饶雄更期待的是北斗高精度星地融合技术（下称星地融合）应用于铁路运输事业。实现星地融合后，可为有网络覆盖的地区和无网络覆盖的偏远地区，提供7×24小时的动态厘米级定位服务。饶雄认为，尽管当前，星地融合之于铁路行业应用还在初期探索阶段，但要使其能够满足铁路行业的更大范围和更深领域的需求还有大量工作需要做：一方面，基础设施建设需补齐短板，单靠某一种技术无法满足铁路行业高精度、高可靠的全域定位需求，涉及北斗融合新一代信息技术在铁路行业应用的核心基础软硬件、成熟的集成装备等关键领域还需进一步攻关；另一方面，需要通过应用示范，发挥“1+1>2”的聚合效应，带动铁路多维应用场景与北斗系统深度融合，培育铁路行业北斗应用产业链；此外，还需推进铁路北斗应用标准体系建设，推动市场准入、政策法规、检测认证等工作。当前北斗系统在铁路行业应用已打下了良好应用推广基础，下一步应积极推动有关政府机构、北斗基础产品厂家、铁路内外部企业、科研院所等单位和部门，积极参与构建铁路行业北斗应用标准规范体系，规范行业北斗应用市场，培育健康的铁路北斗应用产业生态。
“可以说，北斗是铁路行业朝着信息化、智能化、少人化，甚至无人化发展的催化剂。”谈及北斗技术在铁路行业的应用前景，饶雄十分乐观，“虽然还有诸多问题亟待解决，但问题是有限的，我们要以发展的眼光来看待国产的北斗导航系统在铁路行业的应用推广，这需要时间、人力、物力和财力的持续投入。”他补充道。
随着北斗系统服务功能和性能日趋完善，以及高速铁路建设和运营规模不断扩大，北斗高精度定位和时间同步技术的需求也会越来越迫切。对此，饶雄认为，星地融合技术的出现及应用，势必会提升北斗高精度定位技术在铁路行业应用的深度和广度。饶雄相信，北斗与高铁的强强联手必将为二者高质量发展带来同频共振，给关联产业带来更多的发展机遇。有了北斗融合新一代信息技术的有力加持，中国铁路自主可控的程度、综合立体交通智慧化的发展水平会越来越高。未来，北斗将如何为铁路行业提质增效保安全，为打造交通强国迈出更加坚实的步伐，绘就我国成为世界一流交通强国的靓丽底色，让我们拭目以待。
