基于GPS/航迹推算组合导航的列车防撞系统设计

摘要：针对同一轨道上列车防撞预警，采用GPS卫星定位和航迹推算实现组合定位，通过无线数传技术，可用于复杂轨道地理环境(隧道、森林、丘陵等)下的局域铁路网行车安全管理。实验测试表明系统能够满足应用要求。

0 引言

碰撞避免问题是现代交通运输领域的重要研究问题，与人们的生活息息相关，在航空、航海、道路以及轨道交通领域均有很多的研究。如航空领域中的交通预警和避撞系统/自决策监督广播系统TCAS/ADS—B;航海领域中的船舶自动识别系统AIS;道路交通领域的车-车避撞系统C2C等。

道路交通、航空以及航海等领域都已经有了较为成熟的防撞预警系统，相比之下，轨道交通领域的防撞预警系统研究起步较晚，开发实际难度也较大。本文主要针对低速运行的货运列车在复杂的轨道地理条件(隧道、森林、丘陵等)下运行，合理使用单片机技术、GPS卫星定位技术和航迹推算导航算法，设计出低成本的铁路列车防撞系统。

1 系统总体介绍

列车防撞预警系统由定位系统、无线通信机制、决策系统以及报警装置等部分组成。其系统结构图如图1所示。

 

 

系统启动后，首先将自身信息(实时位置、实时速度等)广播到附近区域，同时接收所在区域中的其他装有该系统的广播信息。列车通过这些从其他列车接收到的信息，可以全面了解目前附近的交通状况，若存在发生危险的可能则立即向列车员提供警告和建议，从而避免碰撞事故的发生。因此，该防撞预警系统主要有三个功能：①位置、速度等相关信息的获取;②广播并接收这些相关信息;③对这些信息进行处理并检测是否存在碰撞危险，若存在则发出报警信号。

2 组合导航系统

组合导航系统主要是为列车防撞预警系统提供可靠的位置信息、列车的实时定位信息对列车控制与系统进行碰撞检测有至关重要的作用。

2. 1 GPS全球卫星定位系统

GPS(Global Position System，全球卫星定位系统)定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离交汇原理，确定待测点的位置。铁路上已开发成熟的自动闭塞系统证实了GPS适用于列车定位，GPS定位不依赖于其他轨旁设备，只需一部高精度GPS终端接收机便能实现常规定位。但是GPS存在动态响应能力差、易受电子干扰、信号容易被遮挡等缺点。如果GPS信号长时间不能得到及时恢复，系统的误差就不可避免随时问而积累。当列车行驶在GPS信号不好的隧道、森林中时，纯粹的卫星定位将不能满足系统要求。

2.2 DR航迹推算定位系统

DR(Dead Reckoning，航迹推算系统)是利用已知的载体初始位置，根据运动载体在该点的航向、航速和航行时间，实时推算下一时刻的坐标位置的一种导航定位方法。它是一种自主式定位，其定位精度不会受到如电磁干扰、遮挡等外界因素的影响。但是，航迹推算系统不具有长期的稳定性，必须每隔一段时间进行误差校正。本系统所使用的航迹推算系统类似于车载里程仪，其构造和原理也大致相同，都是由一个磁电传感器和一组贴在车轮上的磁片构成，车轮每旋转一圈，磁电传感器便产生一定数量的脉冲，通过对这些脉冲的计数，便知列车在这段时间的行程，在时刻的列车运行行程为

 

 

式中，n(t)为t时刻输出的脉冲数：n(t)-n(t-1)即为本周期内的输出脉冲数;M为车轮每转一圈应该输出的脉冲数;D为车轮直径。

根据在t时刻的列车运行行程，可得列车的运行速度为

 

 

式中，τ为计数周期，当计数周期较小时，该速度可近似描述列车的瞬时速度。

2. 3 组合导航算法

当列车运行在隧道等卫星信号不好的情况下时，系统会自动记录下最后一个GPS输出的有效坐标，同时，DR系统以该点为坐标原点的地理坐标系(一般取东、北、天坐标系，满足右手定则)作为航迹推算的参考坐标系，并取该点为其推算位置的起点，利用航向传感器和DR系统可确定每一时刻车辆的位置：

 

 

式中，x(t)，y(t)是t时刻列车在参考坐标系下的位置;x(t-1)，y(t-1)是t-1时刻列车在参考坐标系下的位置;θ是测向速度与参考坐标系北向的夹角。在此，我们将隧道做一个合理地简化，在一般情况下我们认为隧道为直隧道。于是，可根据系统记录下的最后一个GPS输出的有效坐标结合列车的实时位置进行航迹推算：

 

 

式中，λ(t)、L(t)分别为航迹推算过程中列车的实时经度和纬度;λ0、L0分别为起点经纬度。

3 硬件设计

3.1 组合导航模块

GPS定位具有长期的稳定性，但定位不连续，航迹推算系统恰恰具有良好的短期稳定性，但必须每隔一段时间进行定位误差校正。可见GPS定位和DR具有很强的互补性，本系统就是采用了GPS/DR组合定位系统，通过DR定位误差补偿，确保了列车在GPS信号丢失时仍能有效地确定列车的实时位置。组合定位系统结构图如图2所示。

 

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3.2 无线通信模块

通信机制完成系统中各模块间的通信功能，实现数据的传递。列车之间的互相通信是将实时的位置信息传递给临近的列车，通过计算与相邻列车的距离，并判断是否存在碰撞的可能，根据判断结果给出相应的警告信号，以实现列车的安全预警。

无线数据传输是利用无线电波作为传输的媒介，将数据信息进行编码调制到载波频率上，送到射频前端，通过天线发射出去或将接收到的电波信号进行解码调制还原出原始数据的过程。无线数据传输技术具有不用预设网络设施及自主组网等特点，主要用于解决一些不易架设线缆，但又需要进行数据采集并传输的小型无线网络的通信问题。由于铁路沿线架设通讯线路不方便，而且架线工作量比较大，选择无线数据传输作为各个列车防撞系统之间的通信方式，比较合理。

由于列车的惯性较大，所以其制动距离较长，可能达到几千米，因此对列车之间的通信范围有要求，本项目规定的最低要求是400m，但从安全系数上考虑，至少1km的安全距离比较合适。

通过综合比较，系统通信模块选择YL-5001W中功率无线数传模块。YL-5001W是一款高稳定性，低功耗，高性价比的采用GFSK调制方式的无线透明数据收发模块。该模块相对其他通信模块具有尺寸小，灵敏度高，传输距离远，通讯数率高，内部自动完成通讯协议转换和数据收发控制等特点。能在不改变用户的任何数据和协议，完成无线传输数据功能。工作频率433MHz，串口波特率9.6kpbs，能满足系统与系统之间的通信要求。

3.3 控制器及其他电路

主控芯片选择ST(意法半导体)公司的STM32系列ARM芯片，该系列芯片采用Cortex—M3内核，采用8M晶振，通过锁相环倍频后时钟频率最高可达到72MHz。本系统选择的32位的STM32F103RCT6是低功耗高速单片机，外设资源丰富，芯片集成了SPI，I2C，USB和A/D等硬件接。

本系统各模块间采用串口通信，主要用了单片机的四个串口，串口一用来下载程序，串口二与导航系统通信获取列车的定位信息，串口三与无线通信模块交换数据，串口四与触摸显示屏相连，将需要的信息显示在触摸屏上。

4 软件设计

系统软件采用编程环境Keil设计，主要用C语言编写。由主程序main()、轨迹推算处理子程序GuiJi—Calcaulate()、触摸屏显示子程序Show()、中断处理子程序、通信子程序Communication()、误差处理子程序Error-Processing()等组成。软件各部分均按照结构化程序设计思想进行编程，易于调试和维护。主程序流图如图3所示。

 

 

5 系统测试

根据系统设计方案，完成硬件各模块连接，组装好样机。实验中，我们采用电动摩托车来模拟低速运行的列车，通过拆除GPS天线来模拟列车进入隧道、森林等GPS失锁的情况，并让两样机相距约500m的距离进行了实验。系统界面如图4所示。实验结果表明，当GPS信号良好时，误差小于等于10m，卫星失锁时，误差不超过30m。

 

 

经综合分析，本系统达到项目要求，可以满足列车实际运行。

6 结束语

本系统合理利用了GPS卫星定位技术以及航迹推算导航算法，实现了稳定、可靠的低成本组合导航。采用大功率无线电台，使无线数据传输距离大幅度提升，安全预警距离更大。触摸屏显示界面友好，能直接获取列车实时位置、导航信息来源、航向、定位误差等信息。实验结果表明，系统工作稳定可靠，在铁路系统中具有一定的应用前景与参考价值。