（交通信息工程及控制专业论文）GPS在列车完整性检查中的应用研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t ly ，a st h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n l c a t l o n ，n e t w o r ka n dc o m p u t e r t e c h n 0 1 0 9 y ， s o m ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e sh a v eb e e na d o p t e db yr a i l w a y i n d u s t 哆t h eg n s sp o s i t i o n i n g ，s u c ha sg p s ，i so n eo ft l l ew i d e l yu s e d t e c l l l l o l o g i e s t r a i ns e p a r a t i o nc a l ls e r i o u s l ya 虢c tt h er a i l w a ys a f c t yi nt 1 1 ep 印e r ，a f l a l g o r i t h mo fg p s - b a s e dt r a i ni n t e 目f i t ym o n i t o r i n gi sp r o p o s e d t h ec h a n g eo f t r a i l li e l l g t hi sc a l c u l a t c dt h r o u 曲t 1 1 ed i s t a n c eb e m e e nt h e 仃a i n sh c a da n dt a i l 1 1 1 e 廿a i ni n f e 鲥t yi se v a l u a l e db y 恤i sc h a l l g e t 1 1 i ss y s t e mi sp a r to ft 1 1 e s a t e l l i t e - b a s e d 仃a i np o s i t i o m n ga n di n f o m l a t i o nm m s m i s s i o ns y s t e mf o rt i b e t l i n e f i r s t l yt h em e t l l o do fs y s t e md e s i g l li sd e s c 曲e d ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r c s t n l c t u r ca n dt h es o f t w a r ef u n c t i o na n dp m c e s s f l l n h e r n l o r e ，t h ea l a m t l l r e s h o l da i l dm e l o d sa r ea l s 0d i s c u s s e d h lt h ep a p e r t t l r e em e t h o d so fd a t a t m s m i s s i o n ( m 萄t a lr a d i o ，g s m _ ra 1 1 dg p r s ) a r ea l s o 孤a l y z e d e s p e c i a l l y t h ee 能c to n s y s t e mr e a lt i m ea b i l i t yo f t l l r e em e 廿1 0 d si s 姐a l y z e dt h r o u 曲t e s t d a t a t h e nt h ef c a s i b i l i t yo fd i s t a l l c ec a l c u l a t i o na l g o r i t h mi sv e r i f i c db yt 1 1 e d a t ao fd i f 五玳t i a lg p sp o s i t i o n i n ga n ds i n 9 1 ep o s i t i o n i n g t h r o u g hm et e s t ， m ee r r o rb e 柳e e nt h ed i s t a n c ec a l c u l a t e db yt h ed g p sp o s i t i o n i n gd a t aa i l d t h er e a lv a l u ei sc ml e v e l t h ee r r o ro fm ed i s t a n c ec a l c u l a t e db ym es i n 9 1 e p o s i t i o n i n gd a t ai sl e s sm a n4 m 1 1 1 e r e f o r et h ea l g o r i m mc o u l da c h i e v et h e r e q u i r e m e n to ft r a i ni n t e g r i t ym o n i t o n 吕1 oc a r sw e r cu s e di nm et e s t ， w h i l e 也e1 e a d i n gc a rw a ss t i l lr u n n i n gi nn o r m a ls p e e d ，也ef o l l o w i n go n ew a s d e c e l e r a t i n g ，w h i c hs i m u l a t e dm ep r o c e s so f 曲n o 吼a 1 仃a i ns e p a r a t i o n n i n d i c a t e st h a tt h es 1 吩t e mc a nc h e c kt h i ss 印a r a t i o na c c u r a t e l ya n ds e n s i t i v e l v f i n a l l y ，s o m ec o n c l u s i o n sa r ea c h i c v c d a n ds u 鹊e s t i o n sa r cg i v e nf o r i m p r o v i n gm es ”t e mp e r f o 曲a n c e k e y w o r d s ：g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) ，d e f c r e m i a lg p s ( d g p s ) ， t r a i ni n t e 酣t ym o n i t o 血g ，e n do f t r a i nd e v i c e i i 北京交通大学硕士学位论文 第一章 第一章选题背景及论文介绍 本章介绍了c b t c 的概念、国内外发展情况以及g p s 在c b t c 中的 应用。并且介绍了当前铁路关于列车完整性检查的情况以及欧洲列车控 制系统e t c s 对列车完整性检查的功能需求。最后介绍了论文各章的内 容。 1 1c b t c 概述 1 1 1c b t c 的产生背景及优点阶【7 j 随着人们进入数字化、信息化时代，生活水平不断提高，人们对铁 路运输的要求也越来越高，运输市场竞争日趋激烈。目前使用的基于轨 道电路的列车控制系统t b t c ( t r a c kc i r c u i tb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) 在提 高列车速度，保证行车安全，提高行车效率等方面存在很多不足，受到 很大挑战。 t b t c 存在的主要不足之处，首先是传输信息量有限，因为受钢轨集 肤效应影响，在钢轨中传输信息的频率不能很高，否则钢轨中的信号衰 减将急剧增加，导致轨道电路中发送端的电流不足以使接收端接收到有 足够能量的正常信息。缩短轨道电路的长度又不能满足闭塞的要求，同 时也增加费用，这一切决定了用轨道电路传输的信息量非常有限，不能 满足现代列车的控制需要。其次，轨道电路容易受到环境因素、道碴电 阻变化及牵引回流干扰等因素影响，工作稳定性差。用轨道电路传输信 息通常只能做到从地面向列车单方向传输，信息传输是开环的，信息得 不到反馈确认，对行车安全而言是一个很大的缺陷。用轨道电路只能实 现按固定区间闭塞的行车方式，影响列车的通过能力，对于客货车混跑 区段更为明显。轨道电路相关的地面设备多，连接电缆多，因此故障率 高、成本高。 如何实现安全、快速、高效、经济的列车运行控制，己成为近年来 在铁路列控技术领域研究的热点。目前，被普遍认同的是发展基于通信 的列车控制系统c b t c ( c o 唧u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) 。世界一些 第1 页 北京交通大学硕上学位论文 第一章 发达国家纷纷加入了对c b t c 的研究行列，自8 0 年代初以来有很多类似的 系统问世并进行试验。比较典型的系统的有：欧洲的e t c s ，北美的a t c s ， 法国的a s t r e e ，日本的c a r a t c ，美国b n 的a r e s ，美国旧金山的a a t c 等。 c b t c 具有较多优点，如： 可利用无线信道进行车地之间数据的双向传输，列车可将其 位置、速度等信息传给车站，同时车站也可将控制命令传给列车； 不间断地跟踪、监控列车运行，实现对列车的闭环控制，采用故 障安全型三取二计算机并在多个环节应用冗余措施，提高系 统的安全性； 取消固定闭塞分区，实现移动自动闭塞m a s ( m o v i n ea u t o b l o a c k s y s t e m ) ，可进行灵活的运输组织，方便行车调度，适合客货车 混跑，提高运输效率； 集列车运行控制及列车运行管理于一体。优化运行方案，可实时 调整运行图；减少沿线地面设备和维护工作量，节省维修费用， 降低劳动强度。 总之，从基于轨道电路的列控系统t b t c 到基于通信列控系统c b t c 的 转变是铁路列控技术发展过程中的次飞跃，将为现代铁路运输带来一 次变革。为了满足铁路自身列车控制和运输管理的需要，为了提高铁路 运输质量、保证行车安全、加快运营速度，为了能在目趋激烈的运输市 场竞争中获取较大的份额，发展基于通信的列车控制系统已势在必行。 1 1 2 国内外对c b t c 的研究情况 i 国外对c b t c 的研究情况1 8 l 叩0 1 国外研究c b t c 的时间较早，技术发展也比较快，目前相对比较成熟 的有欧洲列车控制系统( e t c s e u r o p e a nt r a i nc o n t r 0 1s y s t e m ) ，北美 的先进列车控制系统( a t c s 以d v a n c e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，同本的 计算机和无线通信列车控制系统( c a r a t c o m p u t e ra n dr a d i oa i d e d c o n t r 0 1s y s t e m ) 等等。下面将简要介绍欧洲列车控制系统。 欧洲列车控制系统e t c s 设计的初衷是为了实现欧共体内铁路控制系 统的统一，从而减少车载设各，缩短跨境旅行时间。1 9 9 1 年，欧洲铁路 第2 页 j ! 室奎望查堂塑主堂堡堡苎 兰二兰 联盟与九家信号通信公司签订开发设备协议，目前已经制定出较为完善 的技术标准，而且，在欧洲己经开始试验或商用。e t c s 标准规定了不同 的应用等级，下面将介绍e t c s 各级的特点： ( 1 ) e t c s 第l 级： 以地面信号系统为主体，覆盖现有的信号系统，采用固定闭塞方 式。 在线路上安装欧洲点式应答器，分为两种，一种为可变信息应答 器，用于将地面信号机的显示信息传输到车上，以机车信号的方 式显示给司机：另一种是固定信息应答器，只要传输位置信息( 如 公里标) ，用于列车定位。 由轨道电路进行轨道空闲检查和列车完整性检查。 在线路上铺设欧洲环线，列车通过环线时，可以提前接收前方的 信号信息。 ( 2 ) e t c s 第2 级： 列车运行控制命令由无线闭塞中心( r b c ) 产生，通过无线通信系 统g s m - r 传送到列车上。 应答器作为定标设备，用于列车定位。 利用轨道电路或计轴设备进行列车占用检测和列车完整性检测。 机车信号为行车凭证，地面信号为可选，采取固定闭塞万式。 ( 3 ) e t c s 第3 级： 列车运行控制命令由无线闭塞中心( r b c ) 产生，通过无线通信系 统g s m _ r 传送到列车上。 应答器作为定标设备，用于列车定位。 机车信号为行车凭证，取消地面信号，采取移动闭塞方式。 车载设备负责列车完整性检查。 2 中国列车控制系统( c t c s ) 参照欧洲e t c s 分级的成功作法和经验，从我国国情路情实际出发， 我国的c t c s 发展初步定为5 级叫： c t c so 级：既有线的控车模式。区间轨道电路+ 站内电码化+ 通 用机车信号+ 列车运行监控装置。 c t c s1 级：基于既有设备改造的a t p 系统。适用既有线1 6 0k m h 第3 页 苎重銮望查兰堡主兰堡垒苎 1 4 论文结构 笫一章 本论文共分六章，下面分别陈述各章主要内容。 第一章介绍了本论文的选题背景以及国内外相关研究状况，并介绍 了论文各章的内容。 第二章详细介绍了论文所使用的主要技术g p s 技术，包括g p s 定位 系统的建立、系统组成及各部分的作用、定位原理以及定位误差。在g p s 技术的基础上介绍了差分g p s ( d g p s ) 技术的原理和分类。 第三章在介绍了青藏线卫星定位及信息传输系统的整体框架设计和 功能的基础上，详细阐述了列车完整性检查子系统的设计与实现。包括 系统软件流程、系统硬件结构以及定位信息的提取和距离的解算。并对 报警门限和报警方式进行了讨论。 第四章介绍了基于g p s 的列车完整性检查系统中可以使用的三种数 据传输方式，分别为数传电台、g s m r 和g p r s 方式。并针对这三种数据 传输方式进行了系统延时分析。 第五章分别介绍了距离解算准确度实验和列车分离的汽车模拟实 验，分别给出实验结果，并对实验结果进行进一步分析，最终得出论文 的结论。 第六章在论文已做工作的基础上，针对系统的不足，对系统今后的 改进提出一些建议。最后对系统未来的应用和发展前景进行展望。 第8 页 北京交通大学硕士学位论文 第二章 第二章g p s 与差分g p s 技术 在本章中，详细介绍了论文所使用的主要技术g p s 技术，包括 g p s 定位系统的建立、系统组成及各部分的作用、定位原理以及定位误差。 在g p s 技术的基础上介绍了差分g p s ( d g p s ) 技术的原理和分类。 2 1 全球定位系统( g p s ) 技术1 l f 2 】 2 1 1g p s 全球定位系统的建立 2 0 世纪5 0 年代末期，美国开始研制用多普勒卫星定位技术进行测 速、定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统( n n s s ) ，它开创了 海空导航的新时代。但是子午卫星定位系统不能连续实时定位，精度也 低。所以第二代的卫星导航系统g p s 全球定位系统便应运而生。g p s 是1 9 7 3 年1 2 月美国国防部批准他的海陆空三军联合研制的新的卫星 导航系统( n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的缩写。其意为“卫星测时测距导航全球定位系 统”简称g p s 系统。从1 9 7 4 年以来，g p s 的计划实施已经经历了方案论 证( 1 9 7 4 1 9 7 8 ) ，系统论证( 1 9 7 9 1 9 8 7 ) ，生产实验( 1 9 8 8 1 9 9 3 ) 三 个阶段，总投资超过2 0 0 亿美元。整个系统分为卫星星座、地面控制和 监测站、用户设备三大部分。 图2 一lg p s 卫星分布示意图 g p s 卫星星座的基本参数：卫星颗数为2 1 + 3 ，即2 1 颗工作卫星和3 第9 页 北京交通大学硕士学位论文 第二章 颗在轨备用卫星。卫星轨道面的个数为6 个，卫星高度为2 0 2 0 0 k m ， 轨 道倾角为5 5 度，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分，载波频率为1 5 7 5 4 2 m h z 和1 2 2 7 6 0 m h z 。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5 小时，在地球表面上 任何地点任何时间，在高度角1 5 度以上，平均可同时观测到6 颗卫星，最 多可达9 颗。当卫星入轨后，星内机件靠太阳能电池和镉镍蓄电池供电。 每个卫星有一个推力系统，以便使卫星轨道保持在适当的位置。g p s 通 过1 2 根螺旋型天线组成的阵列天线发射张角大约为3 0 度的电磁波束， 覆盖卫星的可见地面。卫星姿态调整采用三轴稳定方式，由四个斜装惯 性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统，致使螺旋天线阵列辐射的波束 对准卫星的可见地面。 2 1 2g p s 的定位原理 g p s 基本的定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信 息，用户接受到这些信息以后，经过计算求出接收机的三维位置、三维 方向以及运动速度和时间信息。如图2 2 所示。 图2 - 2g p s 卫星定位示意图 每一颗卫星连续不断的向g p s 接收机发送可跟踪的唯一编码序列， g p s 可根据编码辨认相关卫星，进而计算出接收机的确切位置和准确时 间，其中伪距法是g p s 导航定位的基本方法，应用数学公式表示为： 尸= p + c ( d t d r ) + d 如。+ d 彻 ( 式2 一1 ) 其中p 为接收机到卫星间的测量距离； p 为接收机到卫星间的几何距离； 第1 0 页 北京交通大学硕上学位论文 第二章 c 为光速； d t 为卫星时钟与标准时间的偏差； d ，为接收机时钟与标准时间的偏差； 4 ”为电离层时延而产生的距离偏差； 吐。为对流层时延而产生的距离偏差； 因此测出每颗可视卫星的导航信号从卫星到用户天线之间的传播时 间，乘上电波传播速度，即可计算出卫星到用户天线之间的距离，测量 传播时间要用到两个不同的时钟。第一个时钟在卫星上，记录信号播发 时间，第二个时钟在接收机上，记录信号接收时间，这两个时钟彼此不 同步，因而在时间的测量上存在着偏差，假定卫星都与g p s 标准时间同 步，则时间偏差只决定于接收时钟。g p s 接收机就是根据这些去计算它与 上空卫星的距离。 一般情况下，g p s 接收机收到一颗卫星信号便能确定出时间，接收到 三颗卫星的信号便能确定出准确的二维信息( 经度和纬度) ，接收到四颗， 则可实现三维定位( 经度、纬度和高度) ，因此联立四个方程即可求出结 果。 四个方程： ( x i 一“，) 2 + ( y l 一“，) 2 + ( z 1 一“。) 2 = ( r l c 6 ) 2 ( x 2 一“，) 2 + ( y 2 一“，) 2 + ( z ：一“：) 2 = ( 且2 一c ) 2 ( x ，一“，) 2 + ( 儿一“，) 2 + ( = ，一m ：) 2 = ( 马一c ：) 2 ( j 4 一“，) 2 + ( j ，4 一，) 2 + ( = 。一“：) 2 = ( 且。一c j ) 2 ( 式2 2 ) ( 式2 3 ) ( 式2 4 ) ( 式2 5 ) 其中( u x ，u y ，u z ) 为用户的位置坐标，( x ，y ，z ) 为卫星位置坐标。 由方程即可在三维空间内确定某颗卫星到用户的距离。方程中要求 输入的参量是：伪距离，伪时间和卫星位置坐标。伪距离是测得的接收 机到卫星的距离。伪时间是接收机时钟相对于卫星时钟的偏差量。卫星 位置坐标则是根据控制部分测出并加在信号中的卫星天文历数据推算出 第1 l 页 北京交通大学硕士学位论文 第二章 前面已经介绍，影响g p s 实时定位精度的因素很多，其中主要有： 卫星星历误差，电离层延迟，对流层延迟，接收机钟和卫星钟的 误差。这些误差从总体上讲都具有较好的空间相关性，也就是说对于相 距不太远的各个测站来讲，上述误差所产生的影响基本上是相同的。 如果我们能在一个位置已精确确定的己知点配备g p s 接收机，并和用 户一起进行g p s 观测的话，就有可能求得各个观测瞬间由于上述各种所造 成的影响。如果己知点还能将这些偏差值通过无线电通讯的手段即刻播 发给在附近工作的用户的话，那么这些用户的定位精度就能大为改善， 这就是差分定位的基本原理。因此，基准站g p s 接收机的作用是为了获得 两站间的公共误差如卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差 等，移动站g p s 接收机则利用基准站解算所得公共误差对自身的观测值进 行改正以确定较精确的自身位置。 2 2 2 差分g p s 的分类 根据差分g p s 基准站发送的信息方式可将差分g p s 工作模式分为4 类， 即位置差分、伪距差分、相位平滑伪距差分和载波相位差分。 位置差分 位置差分是一种最简单的差分方法。其差分原理是基准站上的g p s 接 收机观测到4 颗或4 颗以上卫星，进行三维定位，解算出基准站的坐标。 由于存在轨道误差、时钟误差、s a 影响、大气影响、多路径效应等其他 误差，解算出的坐标与己知坐标存在误差。基准站利用数据链将此改正 发送出去，由用户接收，用户站对其解算的坐标进行改正，考虑到用户 站的位置改正值的瞬间变化，进行内插，最后得到改正后的用户坐标已 基本消除了基准站和用户站的公共误差，从而提高了定位精度。 伪距差分 伪距差分是目前用途最广的一种技术，其差分定位的基本原理是基 准站上的接收机根据已知坐标和接收的星历，解算出站星间的距离，将 此结果与含有误差的观测值进行比较。利用一个a b 滤波器将此差值 滤波并求出偏差，然后将所有卫星的侧距误差传输给用户，用户利用改 正后的伪距求解出本身的位置，就可消除公共误差，达到提高定位精度 的目的。 第1 4 页 北京交通大学硕士学位论文 第二章 相位平滑伪距差分 相位平滑伪距差分是对伪距差分的改进，其原理是g p s 接收机除了提 供伪距测量外，须同时提供载波相位测量观测值。由于载波相位测量的 测量精度比码相位的测量精度高2 个数量级，因此，如果能得到其整周模 糊度，就可获得近乎无噪声的伪距测量。一般情况下，整周模糊度无法 获得，但能获得载波多普勒频率计数。由于多普勒计数测量反映了载波 相位的变化信息，即反映了伪距变率，这样g p 5 接收机利用此信息作为用 户的速度估计。考虑到多普勒测量的高精度，并精确反映了伪距的变化， 因此可获得比码伪距测得更高的精度。 载波相位差分 载波相位差分技术简称为r t k ( r e a lt i m ek i n e m a t i c ) 技术，是建 立在实时处理两个测站的载波相位基础上的，它能以厘米级的精度实时 提供测站的三维坐标。 与其它差分不同的是，基准站传送的数据是伪距和相位的原始观测 量。用户接收到基准站和本机观测的数据后，利用静态相对测量处理方 法对基线处理方法对基线进行求解，然后推算出测量点的坐标。 这几类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数， 由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不 同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。 2 2 3 后处理差分动态定位 在有些情况下，若基准站和移动站g p s 接收机之间不配置数据链，仅 记录测量信息，用户仅需要事后提供精确的坐标，作业结束后，再将两 站g p s 接收机接收的数据通过专业处理软件进行合作并处理，则称此定位 方式为后处理差分动态定位。 后处理差分动态定位的优点是，不需要一套复杂的数据传输系统， 没有时间延迟的影响，观测值可以进行较精确的误差改正，定位精度相 对有数据链的实时差分较高。但是对于那些对定位实时性要求高的差分 g p s 作业，使用后处理差分动态定位是不符合要求的。 第1 5 页 北京交通大学硕士学位论文第三章 第三章系统设计与实现 本章在介绍了青藏线卫星定位及信息传输系统的整体框架设计和功 能的基础上，详细阐述了列车完整性检查子系统的设计与实现。 3 1 系统总体框架设计 由于青藏线主要建在渺无人烟的高原地带，大型建筑物较少，穿越 高山隧道占全线比例较低，比较有利卫星连续定位。本系统拟通过先进 的卫星通信、定位、地理信息系统( g i s ) 、网络技术等的应用改进调度 指挥系统在正常和紧急情况下的反应能力。 利用该系统列车调度员可随时随地准确定位任意指定列车；可以知 道列车的运营、工作状态和可能的晚点时间等。借助于卫星定位和相应 的通信技术手段( 如卫星通信、g s m r 等) ，列车的位置、速度、运行方 向和维护数据可传递到地面服务器，并可为运营、维护和服务中心使用。 在列车无法有效地面查询应答器信息时，可作为无线机车信号通信建立、 保持和断开的触发手段。在列车晚点、发生紧跟踪或正面冲突等危险情 况时，可为列车运行调整人员提供报警信息。通过在列车的头部、尾部 分别设置卫星定位天线，实现列车完整性的辅助检查。 综上，本系统在建成之后可提供如下的信息： 可为无线机车信号提供列车运行位置、速度、时间等信息。 为信息服务系统提供位置、时间信息。 为其它系统提供机车运行状态、列车诊断信息等传输平台。 3 1 1 系统总体结构 如图3 1 所示，整个系统主要由三大部分组成：地面监控中心设备， 车载终端设备和通信网络。 第1 6 页 北京变通人学砸上学位论文 第三章 图3 1 系统总体结构示意图 3 1 2 系统总体功能描述 m 星定位信息的传输不依赖于特定的传输介质。可为g s m r 、数 话兼容电台、卫星通信系统，这些系统可为互补的关系。当其中任何 种传输手段可用时，即可由调度员主动查询或车载系统定时向中心汇报 列车的有关信息，实现定位信息的传输。 在相关通信网网络( g s m r 、数传电台、卫星通信等) 的基础上， 整个工程将包含以下主要功能： 列车综合监控、调度指挥系统。 调度监控中心可通过通信网络( 卫星通信g s m r 等) 实时查询任一 列车的当前位置、运行速度、运行方向、列车运行参数( 如机车状况、 编组等) 、乘务信息等，辅助列车运行调整，方便调度指挥。 无线机车信号通信触发传感器源。 可将卫星定位信息通过地图匹配来识别无线机车信号的通信注册和 注销点，可与测速测距传感器和查询应答器起构成可靠的无线机车信 号进站注册和出站注销触发信号。当列车经过查询应答器没有正确接受 信息时，可采用卫星定位信息来准确触发无线机车信号通信开始和结束。 第1 7 页 北京交通大学硕士学位论文第三章 列车安全监视系统( 列车紧追踪和正面冲突报警) 。 由于每一列车均配有基于卫星定位和卫星通信的系统，并且均将信 息定时地传送到调度中心，当两列同方向运行的列车之间的间隔过近( 小 于设定的安全防护间隔) ，即列车发生紧追踪时；或对向运行列车在单线 区段运行于同一区间，即正面冲突时，可自动产生警告信息，提醒调度 员、司机等注意，辅助列车安全运行。如能将g i s 系统集成到车载系统 中，则也能让司机随时了解邻近的列车的运行情况、地面的线路参数等， 更有利于达到辅助列车安全监视的功能。 辅助列车完整性检查。 通过在列车的头部和尾部分别装设g p s 卫星定位接收机进行列车定 位。列车正常行驶时两接收机的相对位置一定并且速度相同，当出现列 车脱钩或其它情况等导致这一相对位置变化且存在一定速度差时，可提 醒调度员和司机进行确认，达到辅助列车完整性检查的目的。也可与列 尾装置一起构成冗余的列车完整性检查系统。 3 2 列车完整性检查子系统的设计 列车完整性检查作为整个青藏线卫星定位及信息传输系统的一部 分，有其独立的功能及作用。虽然利用g p s 来进行列车完整性检查还没 有成熟的理论与技术，目前在实际应用中不可能完全取代列尾装置来独 立进行列车完整性检查。但是可以辅助或者结合目前的列尾装置，通过 与列尾装置信息的比较与融合，来构成一个冗余的列车完整性检查系统。 子系统示意图见图3 2 所示。 第1 8 页 北京交通大学硕士学位论文 第三章 g p so x 0 6o x 2 92 表示月； 日期时间 二进制 7 0 x 3 8字节3 ，4 表示年；字 节5 表示 时；字节6 表示分；字 节7 表示 秒 纬度二进制 4o x f eo x e d o x 2 了o x 0 4 经度二迸制 4 0 x 7 ao x 2 d 0 x l a0 x o c 高程二进制 4o x 4 40 x 2 2 o x o oo x o o 速度二进制 2 0 x 6 4o x 0 0 角度 二进制 2o x 6 40 x 0 0 p d o p 二进制 2 3 2 2 系统结构 系统主要由g p s 接收机、数据链和车载计算机三部分组成。系统原 理如图3 4 所示。在机车放置一套g p s 接收机、一个通信模块( 数传电 台g s m 模块卫星通信设备等) 和一台车载计算机，列尾放置一套g p s 接 收机和一个通信模块。列尾的g p s 接收机在接收卫星信息的同时，通过 通信网络实时地将本身的g p s 数据( n e i a 0 1 8 3 语句) 发送出去，机车的 通信模块接收到后通过r s 一2 3 2 串口传送到便携式计算机。而机车的g p s 接收机则直接把实时的g p s 数据通过串口传送到车载计算机。这样计算 机的两个串口分别接收的是机车和列尾的g p s 定位信息。 第2 2 页 北京交通大学硕士学位论文第三章 进行导航和定位的目的。目前许多g p s 厂商遵循n m e a 0 1 8 3 协议开发许多 导航型g p s 。实际导航应用读取g p s 的空间定位资料时，我们可以根据需 要每隔几秒钟更新一次经纬度和时间数据，而更频繁的数据更新就没有 必要了。我们不需要了解n m e a 0 1 8 3 通讯协议和二进制格式语句的全部信 息，仅需要从中挑选出我们需要的那部分输出语句，再进行数据的提取 就可以了。o e m 板每隔1 s 自动输出位置和观测数据帧一次。 n m e a 0 1 8 3 是美国国家海洋电子协会( n a t i o n a lm a r i n ee l e c t r o n i c s a s s o c i a t i o n ) 报为了在不同的设备之间建立统一的通讯标准，而制定的 g p s 接收机和其他航海电子产品的导航数据输出格式，目前广泛使用的是 v 2 o 版本。n m e a 0 1 8 3 标准采用a s c i i 码字符串，每个字符数据位为8 位， 停止位为1 位，无奇偶校验位，报文字符串格式为： $ 语句标志，x 1 ，x n 阜h h 整条语句用逗号分开各个字段。其中$ 是语句起始符号，x 1 到x n 是数 据段，表示各个参数值的大小或者数据是否有效的标志( 一般用x n 来表示 当前语句是否有效，如果有该标志的话) 。$ 以后是语句标志部分，从语 句标志部分中我们可以判断出x l 到x n 各个参数的物理含义，实际上，语 句标志部分已经唯一确定了这条语句的后续格式及其含义。是数据段结 束、校验位开始的分隔符，h h 是异或和校验 x 北京交通大学硕士学位论文 第三章 其意义如表3 6 所示( 其它语句的格式及意义参见 2 3 或 2 6 ) 表3 6g p r m c 语句的意义 名称样例单位簿述 消息i d $ g p r m c r m c 协议头 u t c 时间 1 6 1 2 2 9 4 8 7 h h m s s s s s 状态 a a = 数据有效；v = 数据无效 纬度 3 7 2 3 2 4 7 5d d m m m f n f m n s 指示 n n = 北，s = 南 经度 1 2 1 5 8 3 4 1 6 d d d m m m r m m n e w 指示 w w _ 西，e = 东 地面速度 0 1 3 k n o t ( 节) 方位3 0 9 6 2 度 日期 1 2 0 5 9 8 d d 哪y y 磁变量 校验和 木1 0 消息结束 由于g p r m c 语句中包含了我们所需要的经度、纬度、速度、定位 状态等信息，所以该系统只需采集该条语句。程序通过字头的判别，对 串口输入的接收机和通信模块的数据进行选择。选出g p r m c 语句后分 别进行数据有效性的判断，再对数据进行利用。 图3 7 为软件中数据采集的界面截图。 图3 7 数据采集的界面截图 第2 7 页 北京交通大学硕士学位论文 第三章 3 4 坐标转换及距离的解算 g p s 定位数据是基于w g s 一8 4 地心坐标系。w g s 一8 4 地心空间直角坐 标系定义为：原点在地球质心，z 轴指向b i h l 9 8 4 o 定义的协议地球极 ( c t p ) 方向，轴指向b i h l 9 8 4 0 的零子午面与c t p 赤道的交点，j ，轴 与五j 轴构成右手坐标系。w g s 一8 4 地心大地坐标系定义为：地球椭球 的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴相合，大地纬度占为 过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度为过地面点的椭 球子午面与b i h l 9 8 4 o 定义的零子午面之间的夹角，大地高为地面点 沿椭球法线至椭球面的距离。g p s 车载导航中的电子平台一般是数字地 图，其所显示的位置信息是基于本地高斯平面坐标系统，如北京5 4 坐标 系或地方独立坐标系。由于由g p s 原始定位信息解算出来的位置使用w g s 一8 4 大地坐标进行表示，而实用的测量成果是属于某一国家坐标系或地 方坐标系。所以为了解算空间两点之间的距离，需要进行一系列坐标转 换，使之投影到平面坐标，再通过平面两点之间距离公式进行解算。 3 4 1 高斯投影及高斯平面坐标系的定义【3 0 l n 图3 8 高斯投影示意图 由于参考椭球是一个规则的、不可展曲面，在它上面进行坐标计算 非常复杂，而且其结果是参考椭球体上的大地坐标，这虽有实际意义， 但不能满足g p s 定位数据的地图匹配或其它用途的要求。为此，选择适 当的方法将参考椭球体上定位成果化算为某一平面上，这一平面就是高 斯平面。设想用一个断面与参考椭球体子午圈相等的椭圆柱套在参考椭 球上，椭圆柱面与某一选定的子午线( 称为中央子午线) 相切( 如图3 8 ) ， 第2 8 页 北京交通大学硕士学位论文 第三章 然后在保持正形投影的条件下，将参考椭球体上的子午线、赤道和各点 均投影到椭圆柱面上。将椭圆柱面沿轴线，并通过n 、s 两端切开，展开 所得的平面即为高斯平面( 如图3 9 ) 。高斯平面坐标系的几何定义：中 央子午线与赤道的交点为原点，中央子午线为轴，赤道面与椭圆柱面 相交成一条直线，该直线与中央子午线正交，构成，轴( 如图3 9 ) 。 i 1 蛰卜 7谚 。 s 图3 9 高斯平面 在高斯投影中，椭球面上的任一角度，投影后保持不变，中央子午 线上没有长度变形，其它均有长度变形。为了限制长度变形对定位精度 的损害，通常还要进行投影分带，将投影区域限定在中央子午线两侧， 有6 。带和3 。带两种。每一个投影带设有一个平面坐标系，为了避免r 坐 标出现负值，在中央子午线上的各点y 坐标定为5 0 0k ，即将轴向西 平移5 0 0k m 。 3 4 2 坐标转换口1 卜【3 4 l 下面介绍从大地坐标( b ，l ) 到高斯平面坐标( x ，y ) 的转换。 高斯投影是一种横轴、椭圆柱面、等角投影。椭圆柱面与地区椭球 在某一子午圈l 0 上相切，这个子午线叫做投影的轴子午线，也就是平面 直角坐标系的纵轴( x 轴) ，赤道面与椭圆柱面相交，成一直线，这条直 线与轴子午线正交，就是平面直角坐标系的横轴( y 轴) 。把椭圆柱面展 开，就得出以( x ，y ) 为坐标的平面直角坐标系。在高斯投影中，只有 轴子午线上没有长度变形，其它都将有长度变形；这种变形与y 的平方 成正比，因此有必要把投影的区域限制在轴子午线两侧的一定范围内。 第2 9 页 北京交通大学硕士学位论文 第三章 这就产生投影分带。分带一般有6 。带和3 。度带。6 。带的经度差为6 。( l o 经度东西各3 。) ，3 。度经度差为3 口。每个带的投影在平面有如一梭子形， 为了测量方便，每个带设一平面直角坐标系，为了避免出现负值，把y 轴向西平移5 0 0 k m 。 由一点的大地坐标( b ，l ) 计算它的高斯平面坐标( x ，y ) 叫做正算。 高斯投影是一种正形投影。其原理是平面坐标( x ，y ) 展开为经度差的泰 勒级数 h 胪朋删) _ ，( 帅警( n ) + 警( “) 2 + 式( 3 1 ) 由此公式可推导出高斯投影正算公式： x = z 。+ ；f c 。s2 膨+ 去( 5 + 9 矿+ 4 n f c o s 4 甜+ 去( 6 l 娟“h 2 7 。产3 3 盱一m c o s 6 硝+ 式( 3 _ 2 ) y = c o s 舭+ ：( 1 _ f 2 耐) c o s 3 时+ 去( 5 1 2 + 1 4 矿堋机2 ) c 莳对+ ” 其中= g b c o s b ( c ls i n 曰+ c 2s i n 3 四+ c 3 s i n 5 曰+ c 4 s i n7 曰) t = t 曲 肚示去万 矿= 2c o s 2 占， 2 为第二偏心率 由于距离解算的算法中是以平面直角坐标为基础的，坐标转换公式 在其中有着重要的作用，因此作为算法中的一个重要环节，坐标转换精 度将直接影响距离解算的精度。 3 4 3 距离的解算 由g p s 原始定位信息解算出来的位置使用w g s 一8 4 大地坐标进行表 第3 0 页 北京交通大学硕士学位论文 第三章 示。将大地坐标转换成平面坐标后，就可以利用平面两点之间距离公式 来计算平面两点之间的距离。 例如，经过坐标转换后，两点坐标如图3 1 0 所示： ( x i ，y 1 ) j ， d 7 。( 。2 ，y 2 ) 一 y 图3 1 0 平面两点距离 则，两点间的距离为： d = 、厩j 了瓦二历2 式( 3 3 ) 3 5 报警门限和报警方式的讨论 3 5 1 报警门限的确定 由于g p s 本身存在误差，而且误差是随着卫星条件、周围环境等变 化，从而会出现误差忽高忽低的现象。为了避免漏警和虚警现象，尤其 是漏警现象的发生，选择合理的报警门限是非常重要的。 这里的报警门限指的是：在系统实际解算距离的过程中，如果解算 出的列车长度超出报警门限，系统则开始报警，提醒机车人员注意。报 警门限的选择关系到列车完整性检查系统的可靠性。如果门限选择过小， 则报虚警的频率会增高：如果门限选择过大，则如果出现列车分离事故 时，系统对事故的察觉时间会加长，不利于安全行车。 图3 1 1 表示出了由于g p s 误差所造成的解算的最大距离、最小距离 的与真实距离之间的关系。 第3 l 页 北京交通走学硕士学位论文 第三章 图3 1 1 最大距离、昂小距离的与真实距离之间的关系 巧：所用g p s 接收机的最大误差； ：列车真实长度( 两g p s 接收机天线之间的真实距离) ； 三，：由于g p s 定位误差而导致的机车和列尾g p s 天线之间的最大距离； 5 ：由于g i ；s 定位误差而导致机车和列尾g p s 天线之问的最小距离； 则有： 上，= 三+ 2 占 式( 3 - 4 ) 三s = 三一2 占 式( 3 - 5 ) 如果单纯关心列车是否分离，厶的意义并不十分大，这里首先重点 讨论工，。下面对工f 的确定方法进行讨论： 1 通过已知所使用g p s 接收机的最大误差，来进行确定。 g p s 接收机设备商对每款g p s 接收机都做过多次误差实验，对每款 接收机的性能指标都有评价。可以利用设备商提供的接收机的最大误差 来作为万值。确定接收机的最大误差就可以算出三，。 2 通过经验值来进行确定。 当每次列车出发前编组完毕之后，可以得到列车的真实长度。在列 车出发前的一段时问，系统就开始解算列车长度，并记录每次解算的距 离。解算一段时间后，当列车出发时，就能得到这一段时间系统所解算 的距离中，最大值三，、最小值厶以及平均值分别是多少。 由于设备商提供的误差是在一定的条件下测得，故系统建议采用第 第3 2 页 北京交通大学硕士学位论文 第三章 二种方法来确定误差门限。 3 5 2 各种车况及路况的讨论 在列车运行过程中，火车会有加速、匀速及减速三种运行情况。这 三种情况下如果发生列车分离事故，系统对察觉事故的难易程度是有区 别的。 加速运动情况 在列车加速运动的过程中，如果出现列车分离现象，机车及与机车 连接部分继续以正加速度行驶，而与列车脱节的车厢将以负加速度减速 行驶。脱节之后，机车及与机车连接部分仍在加速运动，这将会更快地 使脱节部分与机车部分距离增大，更有利于系统对列车分离事故的察觉。 也就是说，在列车加速运动的情况下，如果发生列车分离事故，理论上 从分离到系统察觉的时间会更短。所以在相同条件下，加速过程中的报 警门限的设定可以稍微大一些。 匀速运动情况 匀速运动过程中，如果出现列车分离现象，假设列车分离时速度为v ， 机车及机车连接部分将继续以速度v 行使，而脱节部分将以初速度v 做 减速运动。这样，相对于加速运动情况，需要的察觉时间要长一点，故 报警门限设定要稍小些。 减速运动情况 减速运动过程中，如果出现列车分离现象，这种情况下迅速察觉到事 故发生就比较困难。因为列车一旦分离，后面脱