GPS技术在机车头灯自动寻迹中的应用

引言

　　GPS（Global Positioning System，全球定位系统），全称“导航卫星测时与测距全球定位系统”，是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫星导航系统,于1994 年建成, 具有全天候、高精度、自动化、高效益、速度快和成本低等显著优点。GPS由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。GPS接收机通过接收卫星信号解算出自身的经纬度位置、速度, 以实现定位导航及定时的功能，成为目前世界上应用范围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。我国GPS技术也在测量、海空导航、车辆监控调度、导弹制导、精密定位、动态观测、时间传递、速度测量等方面加以应用。

　　将GPS应用于铁路列车，最早的报道是1984年美国柏林顿北方铁路公司（Burlington Northern）和Rock well公司的合作。在80年代末期，开发出ARES（Advanced Railroad Electronic System）系统，并且已将GPS作为国家铁路标准精确定位系统［1］。目前，欧洲各国铁路正在加强利用GPS技术，并沿相应线路设置差分机站，使之与移动通信技术结合，以提高铁路的通过能力［2、3］。在我国，采用GPS、GIS、GSM和计算机等高新技术集成的RITS（铁路智能运输系统）技术，成功地研制出了铁路“GPS安全报警系统”，该系统已于2001年8月在我国第一条客运专项——秦沈客运铁路专线上交付使用。因此，GPS实时定位技术在铁路列车上的应用将越来越普及，而开发GPS在铁路列车上的应用具有广阔前景。

1  机车头灯自动寻迹的可行性分析

　　在我国,机车头灯是不能旋转的，它被固定在机车头部。当机车进入弯道时，机车头灯照射的方向和铁轨线路相切，也就是说，机车头灯不能始终照射在轨道的中心线上。因此，机车在夜间高速行驶中带来了安全隐患。

　　GPS定位技术的工作原理是，GPS接收机从24颗在轨卫星中选出4颗最佳位置的卫星，卫星发出的时间信号好比一个精确的时钟信号，从而算出每个卫星的半径距离，再以卫星的位置利用三角定位原理定出机车的位置及高度。GPS接收机定位精度在50m以内，如果需要的话，加上后期优化算法处理过程，精确度可以更高，而采用DGPS技术后定位精度可达3m。可见GPS技术是一个高精度的定位技术。

　　铁路不同于公路，一辆确定的机车只在固定的某一段线路及某一时段上运行。通过装有GPS接收机的控制系统接收离散定位数据，可以高精度的模拟出该机车所经过的铁路轨迹，从而计算出该段线路所有弯道的起始位置、结束位置和曲率半径。当系统获得了以上数据，根据算法和控制指令，可以控制步进电机驱动头灯，使它始终照射在铁路中心线上。

2  系统整体解决方案

2.1  机车头灯自动寻迹系统的硬件构成

　　本系统使用ARM核微控制器作为控制中心，外围电路由GPS接收机、电气控制模块和Flash存储模块组成。硬件原理图如图1所示。

图1  机车头灯自动寻迹系统硬件原理图[page]

2.1.1  系统中央处理单元

　　采用Atmel公司的嵌入式CPU芯片AT91R40008，这是一款具有ARM7TDMI核的处理器，外围接口丰富，处理能力强，低功耗，具有两条主要总线：先进系统总线ASB（Advanced System Bus）和先进外围总线APB（Advanced Peripheral Bus）。它用于接收GPS接收机发来的数据、进行线路数据提取，线路算法计算和产生控制信号。

2.1.2  GPS接收机

　　为简化整个系统的设计，采用了LBWXG1 Jupiter GPS接收机，这款接收机的几个重要参数如下：同时跟踪12颗卫星，重新捕获时间小于2.0s，热启动时间小于18s，冷启动时间小于120s，速度精度为0.1m／s，定位精度小于15m（2dRMS），时间精度为1μs，加速度限制为4g，速度限制为950m／s，数据更新率为 1次／s，可连续更新，能够输出NMEA格式或者二进制格式数据。该型GPS接收机可以满足机车定位精度要求，用于接收卫星信号，向中央处理器传送数据。

2.1.3  电气控制模块

　　由专用的硬件电路组成，用于接收微处理器的控制信息，驱动步进电机控制机车头灯旋转。

2.2  机车头灯自动寻迹系统的工作原理

　　整个系统解决方案分2个阶段。

　　第1阶段是GIS地图生成阶段。对于一条从来没有运行该系统的铁路线路来说，线路数据文件是不存在的，必须通过调用系统中线路采集程序生成GIS地图。首先，Jupiter GPS接收机通过GPS天线接收卫星信号，读取RMC数据，从中解算出机车移动终端的位置信息，就是提取机车当前位置的经度（Long）和纬度（Lat）数据，并以（Lat ，Long）的形式存储在存储器中。然后，采用样条插值拟合算法，优化线路数据。最后，重复以上二步，最终形成该条线路离散GIS地图，并保存在系统Flash中，作为系统参考地图。

　　第2阶段是系统控制阶段。当系统生成GIS参考地图后，就可以在该条线路上运行系统控制程序，控制机车头灯自动寻迹。当机车运行时，Jupiter GPS接收机接收卫星信号，通过RS232串口发送到中央控制单元MCU，MCU读取RMC数据，从中提取经度（Long）、纬度（Lat）和速度（Velocity）数据。然后，根据系统位置识别算法，识别出与GIS参考地图数据最接近的地理位置，从而判断机车前方是否进入弯道。若进入，则求解弯道的曲率半径及旋转步数，进而控制步进电机旋转。

2.3  机车头灯自动寻迹系统的软件构成

2.3.1  GPS数据的提取

　　日前，几乎所有GPS厂商都遵循美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）制定的NMEA-0183 version 2.01通信标准格式，所有数据信息以ASCII格式编码，输出语句达十多种，包括GGA、GSA、GSV、RMC、BIT、RID、ZCH等。这些定位数据语句不仅给出了位置、速度、时间等信息，而且指出当地的卫星接收情况。实际导航中，应读取GPS的空间定位数据时，可以根据需要每隔几秒钟更新一次数据。

　　Jupiter GPS接收机语句输出遵循串行通信协议，数据格式为8位数据位、l位起始位、l位停止位，无奇偶校验，并且可以根据需要选择传输速率。

图2  GPS数据提取流程图

　　机车头灯自动寻迹系统要求高精确度、高实时性和高可靠性，因此对于更新率应采用系统最小设定值：1s更新一次，并且在提取过程中只需要提取RMC数据，从中得到经度、纬度和速度数据，提取流程如图2所示。RMC数据设置包括时间、经度、纬度、高度、系统状况、速度、过程和日期等信息。RMC数据设置描述如表1所列，其数据设置示例如下：

＄GPRMC,185203,A,3339.7332,N,11751.7598,
W,0.000,121.7,160404,13.8,E*55

表1  RMC数据设置描述

2.3.2  GIS地图生成算法

　　该系统采用样条插值法。样条插值法克服了分段三次埃尔米特插值的弱点，它只需要在插值区间端点比拉格朗日插值多二个边界条件，就可以构造出插值函数，而且这类插值函数在插值节点处具有二阶导数连续，从而具有更好的光滑性。

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　　首先，线路数据采用分段处理的方法。在给定区间［a,b］上的一个划分：a=x0＜x1＜L＜xn=b。已知函数f(x)在点xj上的函数值为f(xj)=yj (j=0,1,L,n)，其中x代表纬度，y代表经度。存在分段函数

　　函数S(x)就是f(x)样条插值函数，根据样条插值函数f(x)满足以下条件：

　　①  插值条件和函数连续条件，S(xj)=yj,S(xj+0)=S(xj-0);
　　②  n-1个内结点处的一阶导数连续，S′（xj+0)=S′(xj-0);
　　③  n-1个内结点处的二阶导数连续，S″(xj+0)=S″(xj-0);
　　④  自然边界条件，S″(x0)=0, S″(xn)=0。可求出分段函数S(x)，也就是优化轨迹曲线。

　　然后，根据分段函数S(x)，在给定的区间［a,b］上均匀取点，一般保证每相邻两点之间的距离小于二分之一的GPS精度，形成该段线路离散GIS地图数据库。在不同的分段上重复使用这个算法，计算所有的分段，形成完整的GIS参考地图。

2.3.3  微控制器控制过程

　　机车头灯自动寻迹系统软件总流程图如图3所示。

　　该系统控制软件以μCOSII嵌入式实时操作系统为平台，嵌入式操作系统μCOSII是一个公开源代码的占先式多任务的微内核RTOS，其性能和安全性可以与商业产品竞争，具有可移植性、可裁剪性、可剥夺性等优点［4］。

　　在嵌入式操作系统μCOSII中，首先进行系统的初始化，开定时器，开串口中断，并进行相应的I/O设置。然后，加载2个主要的任务。任务1串口接收程序，负责实时接收Jupiter GPS接收机发来的RMC数据，并提取经度（Long）、纬度（Lat）和速度（velocity）数据，通过信号量的方式，发送给任务2。任务2控制算法程序进行路径比较、弯道判断和旋转角度计算，得出结果发送至控制命令，驱动电气控制模块，进而驱动步进电机旋转。

图3  机车头灯自动寻迹系统软件总流程图

结语

　　笔者已研制出了实验系统，并且针对定位精度要求高、响应时间要求快这两个关键问题提出了相应的解决方案，通过一年多的试运行，取得了良好的实验效果。

　　随着GPS定位技术的日益成熟，定位精度日益提高，在不久的将来，作为独立于铁路信号系统的GPS列车定位系统对高速列车的安全将起着重大作用。未来GPS技术在铁路上必将大有作为。