基于GPS/航跡推算組合導航的列車防撞系統(tǒng)設計

摘要：針對同一軌道上列車防撞預警，采用GPS衛(wèi)星定位和航跡推算實現(xiàn)組合定位，通過無線數(shù)傳技術(shù)，可用于復雜軌道地理環(huán)境(隧道、森林、丘陵等)下的局域鐵路網(wǎng)行車安全管理。實驗測試表明系統(tǒng)能夠滿足應用要求。

0 引言

碰撞避免問題是現(xiàn)代交通運輸領(lǐng)域的重要研究問題，與人們的生活息息相關(guān)，在航空、航海、道路以及軌道交通領(lǐng)域均有很多的研究。如航空領(lǐng)域中的交通預警和避撞系統(tǒng)/自決策監(jiān)督廣播系統(tǒng)TCAS/ADS—B;航海領(lǐng)域中的船舶自動識別系統(tǒng)AIS;道路交通領(lǐng)域的車-車避撞系統(tǒng)C2C等。

道路交通、航空以及航海等領(lǐng)域都已經(jīng)有了較為成熟的防撞預警系統(tǒng)，相比之下，軌道交通領(lǐng)域的防撞預警系統(tǒng)研究起步較晚，開發(fā)實際難度也較大。本文主要針對低速運行的貨運列車在復雜的軌道地理條件(隧道、森林、丘陵等)下運行，合理使用單片機技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)和航跡推算導航算法，設計出低成本的鐵路列車防撞系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體介紹

列車防撞預警系統(tǒng)由定位系統(tǒng)、無線通信機制、決策系統(tǒng)以及報警裝置等部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)啟動后，首先將自身信息(實時位置、實時速度等)廣播到附近區(qū)域，同時接收所在區(qū)域中的其他裝有該系統(tǒng)的廣播信息。列車通過這些從其他列車接收到的信息，可以全面了解目前附近的交通狀況，若存在發(fā)生危險的可能則立即向列車員提供警告和建議，從而避免碰撞事故的發(fā)生。因此，該防撞預警系統(tǒng)主要有三個功能：①位置、速度等相關(guān)信息的獲取;②廣播并接收這些相關(guān)信息;③對這些信息進行處理并檢測是否存在碰撞危險，若存在則發(fā)出報警信號。

2 組合導航系統(tǒng)

組合導航系統(tǒng)主要是為列車防撞預警系統(tǒng)提供可靠的位置信息、列車的實時定位信息對列車控制與系統(tǒng)進行碰撞檢測有至關(guān)重要的作用。

2. 1 GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS(Global Position System，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離交匯原理，確定待測點的位置。鐵路上已開發(fā)成熟的自動閉塞系統(tǒng)證實了GPS適用于列車定位，GPS定位不依賴于其他軌旁設備，只需一部高精度GPS終端接收機便能實現(xiàn)常規(guī)定位。但是GPS存在動態(tài)響應能力差、易受電子干擾、信號容易被遮擋等缺點。如果GPS信號長時間不能得到及時恢復，系統(tǒng)的誤差就不可避免隨時問而積累。當列車行駛在GPS信號不好的隧道、森林中時，純粹的衛(wèi)星定位將不能滿足系統(tǒng)要求。

2.2 DR航跡推算定位系統(tǒng)

DR(Dead Reckoning，航跡推算系統(tǒng))是利用已知的載體初始位置，根據(jù)運動載體在該點的航向、航速和航行時間，實時推算下一時刻的坐標位置的一種導航定位方法。它是一種自主式定位，其定位精度不會受到如電磁干擾、遮擋等外界因素的影響。但是，航跡推算系統(tǒng)不具有長期的穩(wěn)定性，必須每隔一段時間進行誤差校正。本系統(tǒng)所使用的航跡推算系統(tǒng)類似于車載里程儀，其構(gòu)造和原理也大致相同，都是由一個磁電傳感器和一組貼在車輪上的磁片構(gòu)成，車輪每旋轉(zhuǎn)一圈，磁電傳感器便產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖，通過對這些脈沖的計數(shù)，便知列車在這段時間的行程，在時刻的列車運行行程為

式中，n(t)為t時刻輸出的脈沖數(shù)：n(t)-n(t-1)即為本周期內(nèi)的輸出脈沖數(shù);M為車輪每轉(zhuǎn)一圈應該輸出的脈沖數(shù);D為車輪直徑。

根據(jù)在t時刻的列車運行行程，可得列車的運行速度為

式中，τ為計數(shù)周期，當計數(shù)周期較小時，該速度可近似描述列車的瞬時速度。

2. 3 組合導航算法

當列車運行在隧道等衛(wèi)星信號不好的情況下時，系統(tǒng)會自動記錄下最后一個GPS輸出的有效坐標，同時，DR系統(tǒng)以該點為坐標原點的地理坐標系(一般取東、北、天坐標系，滿足右手定則)作為航跡推算的參考坐標系，并取該點為其推算位置的起點，利用航向傳感器和DR系統(tǒng)可確定每一時刻車輛的位置：

式中，x(t)，y(t)是t時刻列車在參考坐標系下的位置;x(t-1)，y(t-1)是t-1時刻列車在參考坐標系下的位置;θ是測向速度與參考坐標系北向的夾角。在此，我們將隧道做一個合理地簡化，在一般情況下我們認為隧道為直隧道。于是，可根據(jù)系統(tǒng)記錄下的最后一個GPS輸出的有效坐標結(jié)合列車的實時位置進行航跡推算：

式中，λ(t)、L(t)分別為航跡推算過程中列車的實時經(jīng)度和緯度;λ0、L0分別為起點經(jīng)緯度。

3 硬件設計

3.1 組合導航模塊

GPS定位具有長期的穩(wěn)定性，但定位不連續(xù)，航跡推算系統(tǒng)恰恰具有良好的短期穩(wěn)定性，但必須每隔一段時間進行定位誤差校正。可見GPS定位和DR具有很強的互補性，本系統(tǒng)就是采用了GPS/DR組合定位系統(tǒng)，通過DR定位誤差補償，確保了列車在GPS信號丟失時仍能有效地確定列車的實時位置。組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.2 無線通信模塊

通信機制完成系統(tǒng)中各模塊間的通信功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。列車之間的互相通信是將實時的位置信息傳遞給臨近的列車，通過計算與相鄰列車的距離，并判斷是否存在碰撞的可能，根據(jù)判斷結(jié)果給出相應的警告信號，以實現(xiàn)列車的安全預警。

無線數(shù)據(jù)傳輸是利用無線電波作為傳輸?shù)拿浇?，將?shù)據(jù)信息進行編碼調(diào)制到載波頻率上，送到射頻前端，通過天線發(fā)射出去或?qū)⒔邮盏降碾姴ㄐ盘栠M行解碼調(diào)制還原出原始數(shù)據(jù)的過程。無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有不用預設網(wǎng)絡設施及自主組網(wǎng)等特點，主要用于解決一些不易架設線纜，但又需要進行數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)男⌒蜔o線網(wǎng)絡的通信問題。由于鐵路沿線架設通訊線路不方便，而且架線工作量比較大，選擇無線數(shù)據(jù)傳輸作為各個列車防撞系統(tǒng)之間的通信方式，比較合理。

由于列車的慣性較大，所以其制動距離較長，可能達到幾千米，因此對列車之間的通信范圍有要求，本項目規(guī)定的最低要求是400m，但從安全系數(shù)上考慮，至少1km的安全距離比較合適。

通過綜合比較，系統(tǒng)通信模塊選擇YL-5001W中功率無線數(shù)傳模塊。YL-5001W是一款高穩(wěn)定性，低功耗，高性價比的采用GFSK調(diào)制方式的無線透明數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該模塊相對其他通信模塊具有尺寸小，靈敏度高，傳輸距離遠，通訊數(shù)率高，內(nèi)部自動完成通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)收發(fā)控制等特點。能在不改變用戶的任何數(shù)據(jù)和協(xié)議，完成無線傳輸數(shù)據(jù)功能。工作頻率433MHz，串口波特率9.6kpbs，能滿足系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的通信要求。

3.3 控制器及其他電路

主控芯片選擇ST(意法半導體)公司的STM32系列ARM芯片，該系列芯片采用Cortex—M3內(nèi)核，采用8M晶振，通過鎖相環(huán)倍頻后時鐘頻率最高可達到72MHz。本系統(tǒng)選擇的32位的STM32F103RCT6是低功耗高速單片機，外設資源豐富，芯片集成了SPI，I2C，USB和A/D等硬件接。

本系統(tǒng)各模塊間采用串口通信，主要用了單片機的四個串口，串口一用來下載程序，串口二與導航系統(tǒng)通信獲取列車的定位信息，串口三與無線通信模塊交換數(shù)據(jù)，串口四與觸摸顯示屏相連，將需要的信息顯示在觸摸屏上。

4 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用編程環(huán)境Keil設計，主要用C語言編寫。由主程序main()、軌跡推算處理子程序GuiJi—Calcaulate()、觸摸屏顯示子程序Show()、中斷處理子程序、通信子程序Communication()、誤差處理子程序Error-Processing()等組成。軟件各部分均按照結(jié)構(gòu)化程序設計思想進行編程，易于調(diào)試和維護。主程序流圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)測試

根據(jù)系統(tǒng)設計方案，完成硬件各模塊連接，組裝好樣機。實驗中，我們采用電動摩托車來模擬低速運行的列車，通過拆除GPS天線來模擬列車進入隧道、森林等GPS失鎖的情況，并讓兩樣機相距約500m的距離進行了實驗。系統(tǒng)界面如圖4所示。實驗結(jié)果表明，當GPS信號良好時，誤差小于等于10m，衛(wèi)星失鎖時，誤差不超過30m。

經(jīng)綜合分析，本系統(tǒng)達到項目要求，可以滿足列車實際運行。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)合理利用了GPS衛(wèi)星定位技術(shù)以及航跡推算導航算法，實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠的低成本組合導航。采用大功率無線電臺，使無線數(shù)據(jù)傳輸距離大幅度提升，安全預警距離更大。觸摸屏顯示界面友好，能直接獲取列車實時位置、導航信息來源、航向、定位誤差等信息。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在鐵路系統(tǒng)中具有一定的應用前景與參考價值。