組合導航定位技術(shù)在機車安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究

 針對目前火車機車監(jiān)控系統(tǒng)中GPS定位精度低、抗遮蔽性差的問題，提出了一種基于GPS、ADXRS150微硅陀螺儀和機車速度傳感器的組合導航定位設(shè)計方案，建立了組合導航信息融合算法模型，給出了實驗結(jié)果數(shù)據(jù)。

        在實際應用中準確判斷了機車進站軌道，提高了定位精度，為機車的遠程監(jiān)控提供了可靠的位置數(shù)據(jù)。
 

        從1997年至今我國鐵路實施了五次大提速，提速網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋了全國主要地區(qū)，特快列車最高時速從120公里提高到了160～200公里。隨著機車運行速度的提高，對安全可靠性的要求也相應提高，這就需要對系統(tǒng)進行同步改造，加強監(jiān)控措施，確保運行安全。行車安全監(jiān)控是鐵路信息化總體規(guī)劃應用體系中的重要組成部分，是提高鐵路運輸安全保障能力的重要技術(shù)手段。組合導航定位技術(shù)在機車安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，可以解決單一GPS定位精度低、抗遮蔽性差的問題[1]，實現(xiàn)機車運行軌跡的準確定位和進站軌道的準確判斷，為行車安全監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的運行數(shù)據(jù)。

        1 機車組合導航定位終端設(shè)計原理
 

        機車組合導航定位終端要求對GPS信息、陀螺儀信息、機車速度傳感信息進行融合處理，并將融合處理后的信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。同時，在本地采用大容量Flash存儲器，保存軌道線路的一些特征參數(shù)，該特征參數(shù)可以通過無線方式自動更新，確保軌道特征參數(shù)的實時性。終端通過對采集到的各種狀態(tài)信息進行融合處理，并和軌道特征參數(shù)進行比較，發(fā)出各種提示信號。終端原理圖如圖1所示。

       系統(tǒng)主控CPU為LPC2138，該CPU為ARM7內(nèi)核[2]，負責對各種信息的融合處理；GPS模塊采用GARMIN15 引擎板，在定位情況下，用于獲取機車所在位置的經(jīng)度、緯度、海拔高度信息；ADXRS150微硅陀螺儀，用于獲取機車的角速度信息。AD574是12位 A/D轉(zhuǎn)換芯片,用于對ADXRS150微硅陀螺儀輸出的模擬角速度信號進行采樣和量化；三星K9F5608 Flash用于存儲軌道的一些特征參數(shù)；電源管理模塊輸入為110V直流電源，輸出為12V、5V、3.3V電壓，為各模塊的正常工作提供穩(wěn)定的電源。

       2 組合定位信息的分析與處理

       2.1 GPS定位信息
  

        GARMIN15 GPS引擎板定位精度<15米(無干擾)，輸出數(shù)據(jù)格式為NMEA0183。該格式包含多種語句，其中GPRMC是最常用的語句，該語句說明了所在位置的經(jīng)度、緯度、時間、海拔高度以及目前的速度等信息。其具體語句格式為：＄GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>? 鄢hh。GPS引擎板每隔1秒鐘通過串口輸出一次數(shù)據(jù)，其串口波特率為9600bps。GPS在定位的情況下能夠提供非常準確的時間信息。

       2.2 機車速度傳感信息
   

       目前機車上所配備的安全行駛記錄儀，通過RS485總線，以28 800bps 的傳輸速率，每隔20~40ms輸出相關(guān)機車狀態(tài)信息，其中包括了機車速度信息。由于該信息傳輸非常頻繁，因此在設(shè)計過程中，采用了單獨的MCU來采集、處理該信息，主控CPU通過I2C總線定時獲取機車的速度狀態(tài)信息，從而大大減輕了主控CPU的工作負荷。應用機車速度傳感信息在短時間內(nèi)計算機車運行里程比較準確，但在長時間內(nèi)，由于累積誤差的存在，將會帶來很大的偏差。

     2.3 ADXRS150微硅陀螺儀信息
   

       ADXRS150是一款角速度范圍為150°/s的MEMS角速度傳感器，集成在一個微小的芯片上?？商峁┚_的參考電壓和溫度輸出的補償技術(shù)，7mm×7mm×3mm微小體積的封裝[3]。在ADXRS150微硅陀螺儀的實際使用過程中，為了獲得穩(wěn)定可靠的角速度信息，需要合理解決以下幾方面問題：
  

       (1)濾波器
   

       在機車運行過程中，其角速度變化比較緩慢，因此可以把其低通濾波器的通帶截止頻率設(shè)置得低一些，這樣可以消除一些高頻分量的影響。低通濾波器的通帶截止頻率可由下式計算：

       其中：Rout=180kλ，已經(jīng)集成在ADXRS150微硅陀螺儀內(nèi)部，結(jié)合機車運行實際狀況[4]，外接Cout=47nF。

        (2)零點漂移
  

          ADXRS150微硅陀螺儀在運行過程中，中心零點會隨著時間變換而發(fā)生漂移，因此需要對零點進行準確校正[5]。通過判斷GPS信息和機車速度傳感信息，可以確定機車是否處于靜止狀態(tài)。一旦機車處于靜止狀態(tài)，則啟動零點校正程序，確定零點模擬電壓，在實際運行過程中，就可以消除零位偏差。

          2.4 數(shù)據(jù)融合處理
 

         (1)定位數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
  

        #UTPM，<時間>，<經(jīng)度>，<緯度>，，<機車速度>，<陀螺儀角速度>，<慣性導航時間>，<狀態(tài)與判決條件>，
   

        (2)GPS定位情況下位置信息處理
  

        根據(jù)狀態(tài)與判決條件，可以判斷目前GPS是否定位，在確認GPS定位的情況下，數(shù)據(jù)包中的經(jīng)度、緯度信息有效。
  

       (3)GPS未定位情況下位置信息處理
   

        在GPS未定位的情況下，將啟動慣性導航，應用機車速度傳感信息計算運行里程。設(shè)機車速度信息采樣時間間隔為Tavr，i時刻的運行速度為vi，則運行里程為：

        慣性導航起點位置用經(jīng)度和緯度標注，由于在本地保存了軌道經(jīng)度和緯度信息，結(jié)合鐵路公里標，S可以直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)度和緯度信息。同時，監(jiān)控中心結(jié)合軌道電子地圖，也可以對該數(shù)據(jù)進行處理和顯示。
   

     (4)軌道判斷
   

       在機車進站時，GPS信號可能會收到遮蔽影響，即使GPS正常工作，但由于軌道間距比較小，要判斷機車所在軌道還是有難度，因此，需要通過陀螺儀來獲取軌道弧度數(shù)據(jù)。根據(jù)弧度和角速度之間的關(guān)系：

    在t1到  t2時間段內(nèi)，總的弧度計算公式為：

    設(shè)陀螺儀的采樣間隔為T，則使用分段線性化來計算該積分：

        其中n為t2時刻的角速度，m為t1時刻的角速度。(m-n)T為求和時間長度，該求和時間長度依據(jù)軌道參數(shù)進行智能調(diào)整。在該終端的Flash中，已經(jīng)保存了軌道線路參數(shù)(包括道岔處的弧度信息)，將計算所得的θ1和道岔處的弧度信息做比較，就可以判斷出機車進入的具體軌道。

       3 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析
   

        ADXRS150微硅陀螺儀輸出角速度信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，再轉(zhuǎn)換為弧度。其前面的正號代表順時針轉(zhuǎn)動，負號表示逆時針旋轉(zhuǎn)。結(jié)合目前所在位置的軌道參數(shù)，對機車所在軌道進行判斷，并與GPS方位角進行了對照分析。
    測試位置為：北緯22度57分4728秒，東經(jīng)108度21分0413秒，當前機車速度為49.5km/h，對機車穿越道岔時段時數(shù)據(jù)進行了分析，如圖2、圖3所示。

       該測試數(shù)據(jù)說明，機車在該位置順時針方向轉(zhuǎn)動行駛，通過查詢本地Flash中的數(shù)據(jù)，準確判斷了機車在道岔處所選擇的軌道。
   

       基于GPS、陀螺儀、機車速度傳感器的組合定位技術(shù)，解決了單一GPS定位的缺陷，提高了定位精度，結(jié)合中心電子地圖，準確判斷了機車進站軌道。在測試和試運行中，取得了明顯的效果，為機車的實時監(jiān)控和安全預警提供了可靠的軌道位置數(shù)據(jù)。