??? 摘 要： 針對(duì)目前火車(chē)機(jī)車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)" title="監(jiān)控系統(tǒng)">監(jiān)控系統(tǒng)中GPS定位精度" title="定位精度">定位精度低、抗遮蔽性差的問(wèn)題，提出了一種基于GPS、ADXRS150微硅陀螺儀" title="微硅陀螺儀">微硅陀螺儀和機(jī)車(chē)速度傳感器的組合導(dǎo)航定位設(shè)計(jì)方案，建立了組合導(dǎo)航信息融合算法模型，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中準(zhǔn)確判斷了機(jī)車(chē)進(jìn)站軌道，提高了定位精度，為機(jī)車(chē)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了可靠的位置數(shù)據(jù)。
??? 關(guān)鍵詞： 全球定位系統(tǒng)? 微硅陀螺儀? 機(jī)車(chē)監(jiān)控? 信息融合

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??? 從1997年至今我國(guó)鐵路實(shí)施了五次大提速，提速網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋了全國(guó)主要地區(qū)，特快列車(chē)最高時(shí)速?gòu)?20公里提高到了160～200公里。隨著機(jī)車(chē)運(yùn)行速度的提高，對(duì)安全可靠性的要求也相應(yīng)提高，這就需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行同步改造，加強(qiáng)監(jiān)控措施，確保運(yùn)行安全。行車(chē)安全監(jiān)控是鐵路信息化總體規(guī)劃應(yīng)用體系中的重要組成部分，是提高鐵路運(yùn)輸安全保障能力的重要技術(shù)手段。組合導(dǎo)航定位技術(shù)在機(jī)車(chē)安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以解決單一GPS定位精度低、抗遮蔽性差的問(wèn)題^[1]，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)運(yùn)行軌跡的準(zhǔn)確定位和進(jìn)站軌道的準(zhǔn)確判斷，為行車(chē)安全監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)。
1 機(jī)車(chē)組合導(dǎo)航定位終端設(shè)計(jì)原理
??? 機(jī)車(chē)組合導(dǎo)航定位終端要求對(duì)GPS信息、陀螺儀信息、機(jī)車(chē)速度傳感信息" title="傳感信息">傳感信息進(jìn)行融合處理，并將融合處理后的信息通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。同時(shí)，在本地采用大容量Flash存儲(chǔ)器，保存軌道線路的一些特征參數(shù)" title="特征參數(shù)">特征參數(shù)，該特征參數(shù)可以通過(guò)無(wú)線方式自動(dòng)更新，確保軌道特征參數(shù)的實(shí)時(shí)性。終端通過(guò)對(duì)采集到的各種狀態(tài)信息進(jìn)行融合處理，并和軌道特征參數(shù)進(jìn)行比較，發(fā)出各種提示信號(hào)。終端原理圖如圖1所示。

??? 系統(tǒng)主控CPU為L(zhǎng)PC2138，該CPU為ARM7內(nèi)核^[2]，負(fù)責(zé)對(duì)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(jī)車(chē)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(jī)車(chē)的角速度信息。AD574是12位A/D轉(zhuǎn)換芯片,用于對(duì)ADXRS150微硅陀螺儀輸出的模擬角速度信號(hào)進(jìn)行采樣和量化；三星K9F5608 Flash用于存儲(chǔ)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(wú)干擾)，輸出數(shù)據(jù)格式為NMEA0183。該格式包含多種語(yǔ)句，其中GPRMC是最常用的語(yǔ)句，該語(yǔ)句說(shuō)明了所在位置的經(jīng)度、緯度、時(shí)間、海拔高度以及目前的速度等信息。其具體語(yǔ)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(guò)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(zhǔn)確的時(shí)間信息。
2.2 機(jī)車(chē)速度傳感信息
??? 目前機(jī)車(chē)上所配備的安全行駛記錄儀，通過(guò)RS485總線，以28 800bps 的傳輸速率，每隔20~40ms輸出相關(guān)機(jī)車(chē)狀態(tài)信息，其中包括了機(jī)車(chē)速度信息。由于該信息傳輸非常頻繁，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了單獨(dú)的MCU來(lái)采集、處理該信息，主控CPU通過(guò)I²C總線定時(shí)獲取機(jī)車(chē)的速度狀態(tài)信息，從而大大減輕了主控CPU的工作負(fù)荷。應(yīng)用機(jī)車(chē)速度傳感信息在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算機(jī)車(chē)運(yùn)行里程比較準(zhǔn)確，但在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，由于累積誤差的存在，將會(huì)帶來(lái)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(gè)微小的芯片上?？商峁┚_的參考電壓和溫度輸出的補(bǔ)償技術(shù)，7mm×7mm×3mm微小體積的封裝^[3]。在ADXRS150微硅陀螺儀的實(shí)際使用過(guò)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(wèn)題：
??? (1)濾波器
??? 在機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)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(jì)算：

???

??? 其中：R_out=180kλ，已經(jīng)集成在ADXRS150微硅陀螺儀內(nèi)部，結(jié)合機(jī)車(chē)運(yùn)行實(shí)際狀況^[4]，外接C_out=47nF。

??? (2)零點(diǎn)漂移
??? ADXRS150微硅陀螺儀在運(yùn)行過(guò)程中，中心零點(diǎn)會(huì)隨著時(shí)間變換而發(fā)生漂移，因此需要對(duì)零點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確校正^[5]。通過(guò)判斷GPS信息和機(jī)車(chē)速度傳感信息，可以確定機(jī)車(chē)是否處于靜止?fàn)顟B(tài)。一旦機(jī)車(chē)處于靜止?fàn)顟B(tài)，則啟動(dòng)零點(diǎn)校正程序，確定零點(diǎn)模擬電壓，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(shí)間>，<經(jīng)度>，<緯度>，，<機(jī)車(chē)速度>，<陀螺儀角速度>，<慣性導(dǎo)航時(shí)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(rèn)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(dòng)慣性導(dǎo)航，應(yīng)用機(jī)車(chē)速度傳感信息計(jì)算運(yùn)行里程。設(shè)機(jī)車(chē)速度信息采樣時(shí)間間隔為T(mén)_avr，i時(shí)刻的運(yùn)行速度為v_i，則運(yùn)行里程為：

???

??? 慣性導(dǎo)航起點(diǎn)位置用經(jīng)度和緯度標(biāo)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(biāo)，S可以直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)度和緯度信息。同時(shí)，監(jiān)控中心結(jié)合軌道電子地圖，也可以對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。
??? (4)軌道判斷
??? 在機(jī)車(chē)進(jìn)站時(shí)，GPS信號(hào)可能會(huì)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(jī)車(chē)所在軌道還是有難度，因此，需要通過(guò)陀螺儀來(lái)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：

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??? 在t₁到t₂時(shí)間段內(nèi)，總的弧度計(jì)算公式為：

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??? 設(shè)陀螺儀的采樣間隔為T(mén)，則使用分段線性化來(lái)計(jì)算該積分：

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??? 其中n為t₂時(shí)刻的角速度，m為t₁時(shí)刻的角速度。(m-n)T為求和時(shí)間長(zhǎng)度，該求和時(shí)間長(zhǎng)度依據(jù)軌道參數(shù)進(jìn)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(jì)算所得的θ₁和道岔處的弧度信息做比較，就可以判斷出機(jī)車(chē)進(jìn)入的具體軌道。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析
??? ADXRS150微硅陀螺儀輸出角速度信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后，再轉(zhuǎn)換為弧度。其前面的正號(hào)代表順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)號(hào)表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。結(jié)合目前所在位置的軌道參數(shù)，對(duì)機(jī)車(chē)所在軌道進(jìn)行判斷，并與GPS方位角進(jìn)行了對(duì)照分析。
??? 測(cè)試位置為：北緯22度57分4728秒，東經(jīng)108度21分0413秒，當(dāng)前機(jī)車(chē)速度為49.5km/h，對(duì)機(jī)車(chē)穿越道岔時(shí)段時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，如圖2、圖3所示。

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??? 該測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明，機(jī)車(chē)在該位置順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)行駛，通過(guò)查詢本地Flash中的數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷了機(jī)車(chē)在道岔處所選擇的軌道。
??? 基于GPS、陀螺儀、機(jī)車(chē)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(zhǔn)確判斷了機(jī)車(chē)進(jìn)站軌道。在測(cè)試和試運(yùn)行中，取得了明顯的效果，為機(jī)車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和安全預(yù)警提供了可靠的軌道位置數(shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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