组合导航定位技术在机车安全监控系统中的应用研究

 针对目前火车机车监控系统中GPS定位精度低、抗遮蔽性差的问题，提出了一种基于GPS、ADXRS150微硅陀螺仪和机车速度传感器的组合导航定位设计方案，建立了组合导航信息融合算法模型，给出了实验结果数据。

        在实际应用中准确判断了机车进站轨道，提高了定位精度，为机车的远程监控提供了可靠的位置数据。
 

        从1997年至今我国铁路实施了五次大提速，提速网络基本覆盖了全国主要地区，特快列车最高时速从120公里提高到了160～200公里。随着机车运行速度的提高，对安全可靠性的要求也相应提高，这就需要对系统进行同步改造，加强监控措施，确保运行安全。行车安全监控是铁路信息化总体规划应用体系中的重要组成部分，是提高铁路运输安全保障能力的重要技术手段。组合导航定位技术在机车安全监控系统中的应用，可以解决单一GPS定位精度低、抗遮蔽性差的问题[1]，实现机车运行轨迹的准确定位和进站轨道的准确判断，为行车安全监控系统提供可靠的运行数据。

        1 机车组合导航定位终端设计原理
 

        机车组合导航定位终端要求对GPS信息、陀螺仪信息、机车速度传感信息进行融合处理，并将融合处理后的信息通过GPRS无线网络传输到监控中心。同时，在本地采用大容量Flash存储器，保存轨道线路的一些特征参数，该特征参数可以通过无线方式自动更新，确保轨道特征参数的实时性。终端通过对采集到的各种状态信息进行融合处理，并和轨道特征参数进行比较，发出各种提示信号。终端原理图如图1所示。

       系统主控CPU为LPC2138，该CPU为ARM7内核[2]，负责对各种信息的融合处理；GPS模块采用GARMIN15 引擎板，在定位情况下，用于获取机车所在位置的经度、纬度、海拔高度信息；ADXRS150微硅陀螺仪，用于获取机车的角速度信息。AD574是12位 A/D转换芯片,用于对ADXRS150微硅陀螺仪输出的模拟角速度信号进行采样和量化；三星K9F5608 Flash用于存储轨道的一些特征参数；电源管理模块输入为110V直流电源，输出为12V、5V、3.3V电压，为各模块的正常工作提供稳定的电源。

       2 组合定位信息的分析与处理

       2.1 GPS定位信息
  

        GARMIN15 GPS引擎板定位精度<15米(无干扰)，输出数据格式为NMEA0183。该格式包含多种语句，其中GPRMC是最常用的语句，该语句说明了所在位置的经度、纬度、时间、海拔高度以及目前的速度等信息。其具体语句格式为：＄GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>? 鄢hh。GPS引擎板每隔1秒钟通过串口输出一次数据，其串口波特率为9600bps。GPS在定位的情况下能够提供非常准确的时间信息。

       2.2 机车速度传感信息
   

       目前机车上所配备的安全行驶记录仪，通过RS485总线，以28 800bps 的传输速率，每隔20~40ms输出相关机车状态信息，其中包括了机车速度信息。由于该信息传输非常频繁，因此在设计过程中，采用了单独的MCU来采集、处理该信息，主控CPU通过I2C总线定时获取机车的速度状态信息，从而大大减轻了主控CPU的工作负荷。应用机车速度传感信息在短时间内计算机车运行里程比较准确，但在长时间内，由于累积误差的存在，将会带来很大的偏差。

     2.3 ADXRS150微硅陀螺仪信息
   

       ADXRS150是一款角速度范围为150°/s的MEMS角速度传感器，集成在一个微小的芯片上。可提供精确的参考电压和温度输出的补偿技术，7mm×7mm×3mm微小体积的封装[3]。在ADXRS150微硅陀螺仪的实际使用过程中，为了获得稳定可靠的角速度信息，需要合理解决以下几方面问题：
  

       (1)滤波器
   

       在机车运行过程中，其角速度变化比较缓慢，因此可以把其低通滤波器的通带截止频率设置得低一些，这样可以消除一些高频分量的影响。低通滤波器的通带截止频率可由下式计算：

       其中：Rout=180kλ，已经集成在ADXRS150微硅陀螺仪内部，结合机车运行实际状况[4]，外接Cout=47nF。

        (2)零点漂移
  

          ADXRS150微硅陀螺仪在运行过程中，中心零点会随着时间变换而发生漂移，因此需要对零点进行准确校正[5]。通过判断GPS信息和机车速度传感信息，可以确定机车是否处于静止状态。一旦机车处于静止状态，则启动零点校正程序，确定零点模拟电压，在实际运行过程中，就可以消除零位偏差。

          2.4 数据融合处理
 

         (1)定位数据包结构
  

        #UTPM，<时间>，<经度>，<纬度>，，<机车速度>，<陀螺仪角速度>，<惯性导航时间>，<状态与判决条件>，
   

        (2)GPS定位情况下位置信息处理
  

        根据状态与判决条件，可以判断目前GPS是否定位，在确认GPS定位的情况下，数据包中的经度、纬度信息有效。
  

       (3)GPS未定位情况下位置信息处理
   

        在GPS未定位的情况下，将启动惯性导航，应用机车速度传感信息计算运行里程。设机车速度信息采样时间间隔为Tavr，i时刻的运行速度为vi，则运行里程为：

        惯性导航起点位置用经度和纬度标注，由于在本地保存了轨道经度和纬度信息，结合铁路公里标，S可以直接转化为经度和纬度信息。同时，监控中心结合轨道电子地图，也可以对该数据进行处理和显示。
   

     (4)轨道判断
   

       在机车进站时，GPS信号可能会收到遮蔽影响，即使GPS正常工作，但由于轨道间距比较小，要判断机车所在轨道还是有难度，因此，需要通过陀螺仪来获取轨道弧度数据。根据弧度和角速度之间的关系：

    在t1到  t2时间段内，总的弧度计算公式为：

    设陀螺仪的采样间隔为T，则使用分段线性化来计算该积分：

        其中n为t2时刻的角速度，m为t1时刻的角速度。(m-n)T为求和时间长度，该求和时间长度依据轨道参数进行智能调整。在该终端的Flash中，已经保存了轨道线路参数(包括道岔处的弧度信息)，将计算所得的θ1和道岔处的弧度信息做比较，就可以判断出机车进入的具体轨道。

       3 测试数据及结果分析
   

        ADXRS150微硅陀螺仪输出角速度信号经过A/D转换后，再转换为弧度。其前面的正号代表顺时针转动，负号表示逆时针旋转。结合目前所在位置的轨道参数，对机车所在轨道进行判断，并与GPS方位角进行了对照分析。
    测试位置为：北纬22度57分4728秒，东经108度21分0413秒，当前机车速度为49.5km/h，对机车穿越道岔时段时数据进行了分析，如图2、图3所示。

       该测试数据说明，机车在该位置顺时针方向转动行驶，通过查询本地Flash中的数据，准确判断了机车在道岔处所选择的轨道。
   

       基于GPS、陀螺仪、机车速度传感器的组合定位技术，解决了单一GPS定位的缺陷，提高了定位精度，结合中心电子地图，准确判断了机车进站轨道。在测试和试运行中，取得了明显的效果，为机车的实时监控和安全预警提供了可靠的轨道位置数据。