（电力系统及其自动化专业论文）基于gps的接触网检测车杆位组合测试系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d l yd e v e l o po fe l e c t r i f i e dr a i l w a y ，a n dt h et r a i nr u n sm o r e a n dm o r ef a s t e r t h e s a f e t yr e q u i r e m e n t o fe l e c t r i f i e d r a i l w a yb e c o m e s h i g h e ra n dh i g h e r o v e r h e a dc a t e n a r ys y s t e m ( a b b r o c s ) i sv i t a l t ot h e e l e c t r i f i e dr a i l w a y sp o w e rs u p p l y ，a n dc a u s e st r o u b l ee a s i l y t h ea c c i d e n t c a u s e db yo c si sa ni m p o r t a n tp a r tt h a ta f f e c t st h ed e v e l o p m e n ta n ds a f e t yo f e l e c t r i f i e dr a i l w a y i no r d e rt ok e e pi t sp e r f e c tc o n d i t i o n ，w em u s tl e a r nal o t a b o u tt h e e q u i p m e n t so fo c s c a t e n a r yi n s p e c t i o n c a ri st h em o s tu s e f u l e q u i p m e n t ，i ti sw i d e l yu s e d i no c s t e s t i n g o w i n gt o t h e p r o b l e m e x i s t si nt h e s u p p o r t i n gp o l e n u m b e rt e s t i n g s y s t e mo f t h ec a t e n a r yi n s p e c t i o nc a r ，a ni m p r o v e dm e t h o db a s e do ng p si s p r o p o s e d u s i n gt h et h e o r y o fg p sa n dc o m b i n i n gw i t hd a t a b a s e ，i tc a n e l i m i n a t et h ea c c u m u l a t i v ee r r o r sc a u s e d b yp u l s e c o u n t t h e i m p r o v e d m e t h o dc a nn o to n l yi d e n t i f yt h es t a r t i n gs t a t i o na n ds u p p o r t i n gp o l en u m b e r b u ta l s op r o o f r e a dt h es t a t i o na n ds u p p o r t i n gp o l en u m b e ra u t o m a t i c a l l yi n t e s t i n g c o m p a r i n g t ot h e s u p p o r t i n g p o l e n u m b e rt e s t i n g s y s t e m o ft h e c a t e n a r yi n s p e c t i o nc a rw i d e l yu s e da tp r e s e n t ，i tc a ne n h a n c et h el e v e l o f a u t o m a t i z a t i o na n di n t e l l i g e n c eo ft h ec a t e n a r yi n s p e c t i o nc a ra n di m p r o v e t h e a c c u r a c yo fs u p p o r t i n gp o l en u m b e rt e s t i n g t h e m e t h o ds h o w sg o o d v a l u eo f a p p l i c a t i o na n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s t ，d u et ot h ea c t u a lr e q u i r e m e n to fs u p p o r t i n gp o l en u m b e rt e s t i n g s y s t e m ，t h e g p s c a r d i s s e l e c t e d t h e n ，t h e g p s c a r d c o m p o r t s a s y n c h r o n o u s d r i v e r si s c o n f i g u r e d a n dt h e o u t p u tl o g s a n df r e q u e n c yi s s e l e c t e d b e f o r et h es u p p o r t i n gp o l en u m b e rt e s t i n g ，w es h o u l ds e tu pt h e d a t a b a s eo ft h eo r i g i n a lp o s i t i o n a lc o o r d i n a t eo fe v e r ys u p p o r t i n gp o l e i nt h e t e s t i n g ，b yp r o c e s s i n gt h er a i l t i m ep o s i t i o ni n f o r m a t i o nf r o mt h eg p s c a r d w ec a no b t a i nt h ec o o r d i n a t eo ft h ec a t e n a r yi n s p e c t i o nc a ra tt h em o m e n t c o m p a r i n gt ot h ec o o r d i n a t eo fs u p p o r t i n gp o l ei nt h eo r i g i n a ld a t a b a s e ，t h e p o s i t i o no f t h ec a t e n a r yi n s p e c t i o nc a rc a nb eo b t a i n e d i ns o m ec e r t a i na r e a s ， t h eg p s c a r dc a n tr e c e i v es i g n a l s f u r t h e r m o r e ，t h eo r i g i n a ls u p p o r t i n gp o l e n u m b e rt e s t i n gs y s t e ma l s oh a v es o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha sc a n ti d e n t i f y 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 t h es t a r t i n gs t a t i o na n ds u p p o r t i n gp o l en u m b e r ，i tm u s tb ei n p u tb yh a n d i n t h et e s t i n g ，w h e nt h es u p p o r t i n gp o l en u m b e ri s w r o n g ，w eh a v et oc o r r e c ti t m a n u a l l y b yc o m p a r i n g o ft h ed i f f e r e n t i n t e g r a t e dp o s i t i o n i n gm o d e ，a s u p p o r t i n gp o l en u m b e ri n t e g r a t e dt e s t i n gs y s t e mi sp r o p o s e d t h em e t h o dt oi m p l e m e n tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dg p s c a r d u s i n g m s c o m mc o n t r o lo fv b6 0i sc a r r i e do u t t h e p r o g r a m s ，w h i c h e s t a b l i s ht h e o r i g i n a l d a t a b a s ea n di d e n t i f yt h e s u p p o r t i n gp o l en u m b e ri s d e s i g n e d t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt h r o u g hd i f f e r e n tc o m p u t e ri sf o u n d e d f u r t h e r m o r e ，t h ea l g o r i t h mf o ri n t e g r a t e dl o c a t i o na n dt h es u p p o r t i n gn u m b e r i d e n t i f yi sd e s i g n e d f i n a l l y ，s o m et e s t si nt h el o c a l ef i e l dw e r eb e e nd o n e b a s e do na n a l y z i n go ft h em a i ne r r o r s ，w em a d es o m ei m p r o v e m e n t st ot h i s s y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i f i e dr a i l w a y ；c a t e n a r y i n s p e c t i o nc a r ；g p s ；i n t e g r a t e d l o c a t i o n ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文选题 第一章绪论 我国电气化铁路的建设，从5 0 年代起步，1 9 6 1 年8 月1 5 日建成第一 条单线电气化铁路一宝成线宝凤段，已经有四十多年了。我国电气化铁路从 宝凤段开始，经历了几十年的风风雨雨，从无到有j 从小到大、从山区到平 原，从一般线路到繁忙干线，从西南地区到以北京为中心的铁路辐射路网。 电力牵引由于具有牵引力大、起停时间短、运行速度快、维修简单、运营维 修费用低等诸多优点，得到了迅速发展。特别是近几年，发展速度尤为迅 速，我国电气化铁路已经成为铁路运输的主战场。目前，我国己建成电气化 铁路1 3 万多公里，电气化铁路占全国铁路营业里程的2 4 ，承担运量占我 国铁路总运量的1 3 以上。到2 0 0 2 年底我国电气化铁路总里程继俄罗斯、 德国之后名列世界第三位l l 】。 我国电气化铁路已具备了相当规模，而且电气化铁路的装备、设备、器 材等方面在数量和质量上均已具有相当水平，但我们也不得不承认，在电气 化铁路的某些技术方面与发达国家相比还有许多需要学习和提高的地方。特 别是电气化铁路检测手段和检修手段的现代化程度不够高，已经成为阻碍我 国电气化铁路发展的一个重要方面。 接触网是电气化铁路的重要供电设备，它自身具有三大特点：首先，接 触网沿铁路线架设，是露天供电设备，工作条件恶劣，自然事故较多；其 次，接触网是特殊的供电设备，靠受电弓与接触导线滑动接触供电，在高速 运行下，受电弓和接触网都会引起振动并相互磨损，易出弓网事故：第三， 接触网是无备用设备，一旦损坏将中断行车，有时会酿成重大事故。这些特 点都说明接触网的特殊性和重要性，接触网事故已构成影响电气化铁路发展 及安全运营的一个重要因素【”。 目前我国电气化铁路接触网的检修方式正在从周期修向状态修转变，要 实现状态修，就必须对设备的运行状态有充分的了解，因此采用现代化的接 触网检测手段和方法显得十分迫切和必要1 3 1 。为了检测接触网的运行状态， 我国先后引进过日本、澳大利亚、德国等国家的接触网检测车，九十年代 初，我国开始自行开发研制接触网检测车，都取得了良好的经济效益和社会 效益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 1 接触网检测车简介 接触网检测车是为保证电气化铁路接触网的安全运营，用于检测接触网 技术参数的专用车辆。该车采用具有特殊功能的检测装置及设备，能检测接 触线的拉出值、导线高度、定位管坡度、线岔状态、网压、接触网压力、接 触悬挂硬点( 振动) 、离线、杆位( 杆号) 和速度( 里程) 等诸项机械及电 气技术参数。该检测车能在行车2 0 0 k m h 情况进行检测，并能自动打印、 显示和存贮实时检测数据，还能够监视弓网工况及快速字幕图像合成，并记 录弓网运行实况。通过检测能够发现隐患，找出极限和超限状态，为状态 修、周期修和定时修提供依据。 从7 0 年代后期，我国就着手研究世界各国的接触网检测技术。经过多 年的潜心研究，克服重重困难，西南交通大学电气工程学院成功研制出性能 优良的j j c 系列接触网检测车，现已广泛应用于我国电气化铁路。近十年 来所生产的j j c 一1 型接触网检测车、带牵引动力的j j c 一2 型接触网检测 车、维修车与检测车相结合的j j c 一3 型接触网检测车都在电气化线路上发 挥着巨大作用，保持着良好状态，受到电气化铁路运营单位普遍欢迎，并给 予了高度评价。 随着科学技术的迅速发展和列车运行速度的不断提高，为了适应开发新 型接触网检测车的需要，西南交通大学电气工程学院先后考察和占有了世界 诸多国家的接触网检测技术及资料，掌握了包括英国、美国、印度、日本、 德国、法国、澳大利亚及奥地利等国家在接触网检测车方面的最前沿性技 术，并多次组织研发人员出国培训。针对用户反馈的意见和实现接触网检测 车自动化、智能化的需要，不断对原有的检测车进行技术革新，形成了自己 的技术特色。 1 1 2 开发本系统的目的和意义 在用接触网检测车进行接触网参数检测时，为了将检测参数，如接触导 线高度( 导高) 、接触线相对受电弓中心的拉出值，以及机车滑板脱离接触 线( 离线) 的情况等都要标出在线路上的位置。最便利的方法就是以接触网 支柱作为参考坐标，配合检测车行走距离的测量，就可以比较准确地确定各 种参数相对应的线路上的具体位置。因此，支柱位置测量也是接触网检测车 所要测量的一个重要项目。 接触网检测车进行检测时，因为接触网参数是在列车运行中进行检测 的，检测位置瞬时变化，为了能够找出检测数据相对于杆位的相对位置，就 西南交邋大学硕士硪究生学位论文 第3 页 必须首先检测杆位信号。杆位信号是检测牟测试数据的坐标，一旦该信号错 位，检测数据朔实际位置就会发生错乱，梭测也就失去了意义。联翁，检测 移像弱方法主蘩蠢建楚瑾法、内存储法、毙敏感盛法帮凿像诶菊法滔耱。毽 怒篼论采用那种方法或几种方法的组合运用，在开始梭测时都要人工输入站 区、杆位等初始位置信息，在检测中出现站区、杆位错位时必须进行手动调 节，无法囊动瀵除累积误差。 为了解决上述阍题，掖撵全球定使系统的原理，提出了一萃申萋予g p s 的接触网检测率杼位测试系娩改进方案，和数据库有效结合，可以在开始检 测时对初始站酝、杆位进行识别，在检测中进行站区、杆位自动校正，消除 舔瓷熬洚雩| 莛瓣鬃鬏误差。秘嚣兹广泛采蔫豹接簸网羧溺车柽建溺试系统攘 眈，其自动化和智能化程度火大提高，而且还可以提商杆位测试的精度。 1 1 3 国内外研究水平及我国现状 国内癸警遮采溺瓣检测耱霞售号懿方法总棼主蜀分为疆秘：必敏感瘟 法、内处理法、内存储法和图像识别法。在实际应用中通常采用几种方法的 缎含，以提高枰位检测的精发。 光敏感应法是曩兹最为广泛采用豹方法，将激光传感器安装在接触网捡 滋牵检测弓弓头上，弓头瑟援l 各安装一个，当检溺车通过支柱链震时，激光 传感器就会检测到定位管，传感器输出端就会有脉冲。这种方法的缺点是， 在经过道岔、站场和隧道时。因接触网的悬挂比较复杂，激光传感器扫到的 茭宅貔薅会误认必是定位警，被当终是释经售惠，嚣整在囊速运露瓣会瀑捧 个别秆位信息。 内处理法悬种软件方法或数学方法。就是根据接触线拉出值的检测数 据，用线性回! | 曩的方法找测爨值与运行躐离豹关系，然后再去找翻i 胄直线的 弱点，那么援患所在躲位嚣虢是支柱耔麓所在豹位餐。在直线区段，拉出篷 随距离成线形变化，通常程定位点处达到最大值，猩跨段中间傲匿出现零 值，处理较为简单。但在曲线区段，拉出值随距离变化较为复杂，不会出现 誊绞区段上戆遴增、递减瑷象，在一令黪段蠹揍点魄苓业一个，楚理较困 难，且精度不搿。在实际应糟中，采露光敏感应法和内处理法相缩合，取得 了较好的效果。 内存储法熄在检测之前把要检测的线路区段沿线路豹接触网踌难值，猿 次存入数据疼审，在翻车运移孛孬疆窭聚，辗器安装凌接驻网梭溺晕车辘上 的脉冲传感器计算得出的躐离，来判断擞柱位置【4 l 。由于脉冲传感器自身的 谡麓，计算得出的支柱位置不是很精确，一般作为辅助手段。在光敏感应法 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 和内存储法没能判断出杆位位置时，根据自上一杆位的行走距离，系统自动 补杆。 图像识别法是近几年才出现的一种新方法，用高速摄像机实时拍摄接触 网检测车检测弓和接触网的运行状态，利用图像识别算法识别出支柱位置。 这种方法需要专用昂贵的摄像机拍摄图像，并用高档微机进行数据处理，费 用很高，并容易受到拍摄图像背景的影响。 以上几种方法在开始检测时都要人工输入站区、杆位等初始位置信息， 在检测中一旦杆位发生错位，如果不去手动调节，以后的杆位都会发生错 位，而且无法消除累积误差。目前尚无很好的办法解决累积误差问题。 1 2 论文的主要内容 本论文的研究工作结合“兰州铁路局基于g p s 的接触网检测车杆位组 合测试系统”研究课题进行。针对目前普遍采用的接触网检测车杆位测试系 统存在的问题提出了一种基于g p s 的改进方案，运用全球定位系统的原 理，和数据库有效结合，可自动消除距离脉冲记数引起的累积误差，并可以 进行初始站区、杆位识别和检测中进行站区、杆位自动校正。 本文首先对全球定位系统作了介绍，包括全球定位系统的发展和现 状、在各领域中的应用、全球定位系统的组成、g p s 定位的坐标系统、g p s 定位的原理和影响g p s 定位精度的因素等。 其次，根据接触网检测车杆位测试高动态的实际需要，选择g p s o e m 接收板。主要考虑接收板位置数据输出率、定位精度和重捕时间，经比较采 用美国军用产品，位置数据输出频率可达2 0 h z i s - 7 】。介绍了g p s - o e m 接收板 的结构、通讯协议、记录格式，并对该板的设置作了详细的说明，包括：串 口选择、串口设置、输出记录数据格式选择、数据输出频率设定等。 第三，设计g p s o e m 接收板与工控机间的串行通信【8 12 1 ，建立杆位原始 位置数据库，检测中把g p s o e m 接收板接收到的实时位置信息进行处理得 到当前检测车位置坐标，与杆位原始位置数据库杆位坐标相比较、计算实现 杆位识别。着重论述了记录数据分离算法和杆位识别算法，并进行了定位误 差分析。 第四，设计两台工控机之间的网络通讯1 1 3 , 1 4 1 。由于g p s 定位存在卫星 信号遮挡问题，在隧道、城市高楼区等处无法实现定位。而原有杆位测试系 统在开始检测时需要人工输入站区、杆位等初始位置信息，在检测中出现站 区、杆位错位时必须进行手动调节，无法自动消除累积误差，因此提出了一 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 种杆位组合测试系统方案，并通过地图匹配提高定位的精度15 - 2 2 。对g p s 同其它定位设备进行信息融合的方法进行了阐述，给出了一种d r 航位推算 算法f 23 。3 1 】，并对几种可能的组合定位方式进行了比较。此外，对软件间的 数据交换进行了设计和编程实现。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章g p s 定位原理 g p s是n a v i g a t i o ns a t e l l i t e t i m i n g a n d r a n g i n g g 1 0 b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m 字头缩写n a v s t a r g p s 的简称，中文意思是“授时与 测距导航系统全球定位系统”。习惯上，人们认为g p s 即全球定位系统。 2 1g p s 系统简介 2 1 1g p s 的发展 最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统( t r a n s i t ) ，1 9 5 8 年开始研 制，1 9 6 4 年正式投入使用。它不采用测距方法，而是利用卫星运动引起的 多h 勒频移的方法来实现定位。由于该系统卫星数目较少( 5 6 颗) ，运 行高度较低( 平均约1 0 0 0 k m ) ，从地面站观测到卫星的时间间隔较长( 平 均约1 5 h ) ，因此无法提供连续的实时三维定位导航，且精度较低。 全球定位系统是美国第二代卫星导航系统，从本世纪7 0 年代开始研 制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成。具有在海、陆、 空进行全方位实时三维定位与导航能力的新一代卫星定位与导航系统。 g p s 实施计划共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从 1 9 7 3 年到1 9 7 9 年，共发射了4 颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面 跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1 9 7 9 年到1 9 8 4 年，又陆续 发射了7 颗试验卫星，研制了各种用途的接收机。第三阶段为实用组网阶 段。1 9 9 3 年底。随着最后一颗g p s 工作卫星的升空，g p s 系统完全建成。 2 1 2g p s 系统的组成 g p s 系统由三大部分组成：空间部分一g p s 卫星星座：地面控制部分一 地面监控系统；用户设备部分一g p s 信号接收机。三者都有各自独立的功能 和作用，但又是有机的配合而缺一不可的整体系统【3 孙。 空间部分由2 1 颗工作卫星和3 颗备用卫星组成。工作卫星分布在六个 轨道面上，每个轨道面上有四颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的倾角 为5 5 。，各轨道平面升交点的赤经相差6 0 。，在相邻轨道上，卫星的升交 距角相差3 0 。轨道平均高度为2 0 3 0 0 k m ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分，因此，同一观测站上每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4 分钟。g p s 卫星在空间的分布，保证了在地球上的任何地点、任何时刻都至 少可以同时观测到4 颗卫星，并能保证良好定位解算精度的几何图形。g p s 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 卫星上装有原子钟、导航电文存储器、伪码发生器、微型计算机以及信号接 收、发送设备。卫星的主要功能是接收和存储来自地面监控站的导航信息， 接收并执行监控站的控制命令，提供高精度时间标准，进行必要的数据处理 并向用户实时发送定位、导航和时间信息。 ( 空间部分) ( 用户设备部分) ( 地面控制部分) 图2 - 1g p s 系统的组成 图2 2g p s 卫星星座 西南交通大学硕士研究生学仪论文第8 风 地面控制部分主要由分布在全球各地的五个地面站组成，包括主控撼、 整溅蘩纛壹| 鏊瑟注入蘩。主控蘩对筑褥筮控部分实行全瑟控制，其主要任务是 收集各监测站对g p s 卫星的全部观测数据，利用这些数据推算、编制每颗 g p s 卫星的星历、卫凝钟差和大气屡的修正参数等，并按一定格式转化为导 靛电文，以便由注入雅注入到卫爨瓣存髓器，露由卫星转发绘震户。楚测涟 是主控站赢接控制下韵数据自动采榘中心，收集卫星播发酌哿航电文信惑， 对卫星进行连续的监测，取得各项观测资料，同时还收集当她的气象数据。 注入站在姆颗卫星通j 建其上空时，在主控站的控制下，将主控站推算和编制 懿翌星麓掰、镑差、鼗靛毫文及圭控蘩戆指令等注入翌星，势受责整溅注入 到卫星的鼯航信息的藏确性。 用户设备部分主鬻由g p s 接收机、数据处理软件、微处理器及其终端 设备组成。鼹户设备部分对用户米说至关重簧，接收g p s 卫星发射瓣信 号，逶行变换、敖太耩处理，毅获褥菇要懿寻靛帮定缱信惑及参数，经避数 据处理完成导航和定能工作。g p s 应用中，用户直接接触的是用户部分，它 是用户最为关心的部分，其它两部分最终只有通过这一部分才能实现g p s 定经摹瑟鼍靛珐戆。 2 1 3g p s 系统的特点 g p s 卫星定位系统是利用卫星作为导航台的无线电定位系统，具有以下 a 个特熹： ( 1 ) 全球、全天候工作 g p s 爵航卫星距离地面高度约为2 0 3 0 0 k m ，处于近似圆轨道上，卫星数 匿较多且分布合理，地球上任何撼点都可以同步观测到至少4 颗卫星，从 丽褐成全球定位系统。另终萁工髂波段惫l 波羧，传播受魄离瑟、辩淡瑟 的影响缀少，气象因素及昼夜影响也很小，保诫了全球的实时导航与定位。 ( 2 ) 功能多、应用广 g p s 霹必各类用户连续遮提供动态嚣稼戆三续佼置、三绣速度秽时闽馈 息，可以拳j 用卫星通信和广播技术，构成一种舆有通信、导航定位、识别和 授时的多功能系统。广泛应用于定位导航、授时校频和高精度测量。 ( 3 ) 定位精度赢 g p s 卫星定链系绕胃骞效遗修曩霞抟疆繁寒靛误差，努舞，空溷技零、 信息处理、信号的最馕接收、精密时钟等各项先进技术都为卫星定位精度的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 提高提供了保障。目前g p s 系统单点实时定位精度可达5 1 0 m ，静态相对 定位精度可达l o 1 p p m ，测速精度为0 1 m s ，测时精度约为l o n s 。 ( 4 ) 实时定位速度快 g p s 全球定位系统，一般在一秒至数秒钟内便可完成一次定位、测速和 授时工作。如果采用美国军方高端产品，一秒钟可完成2 0 次定位、测速和 授时工作，这对高动态用户来说非常重要。 ( 5 ) 抗干扰性能好、保密性强 g p s 采用了数字通信特殊编码技术，即伪随机噪声技术，因而g p s 卫星 所发送的信号，具有良好的抗干扰性和保密性【3 3 】。 2 1 4 6 p s 系统的应用现状及前景 g p s 系统的建立为导航定位带来了根本性的技术变革，因其具有定位时 间短、定位精度高、实时性好、观测全天候、抗干扰性好、操作简单等一系 列优点，使得它在大地测量、航天航海、车辆定位导航、授时校频等诸多领 域得到了广泛应用，并展现了极其广阔的应用前景。 ( 1 ) 6 p s 应用于定位导航 主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。例如： 1 船舶远洋导航和进港引水 2 飞机航路引导和进场降落 3 汽车自主导航 4 地面车辆跟踪和城市智能交通管理 5 紧急救生 6 个人旅游及野外探险 7 个人通讯终端( 与手机，p d a ，电子地图等集成一体) ( 2 ) g p s 应用于授时校频 1 电力、邮电、通讯等网络的时间同步 2 准确时间的授入 3 准确频率的授入 ( 3 ) g p s 应用于高精度测量 1 各种等级的大地测量，控制测量 2 道路和各种线路放样 3 水下地形测量 4 地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 5 g i s 应用 6 工程机械( 轮胎吊，推土机等) 控制 7 精细农业 随着g p s 系统应用的不断深入，它的不足之处也逐渐显露出来。g p s 存 在的主要问题有：g p s 空间星座组成不能满足高纬度地区定位导航的需要， 在一些中纬度地区也存在每天2 0 分钟左右的观测盲区，这属于卫星覆盖率 问题：g p s 定位对空通视的要求限制了在动态定位导航中的应用，受高大建 筑物、隧道、立交桥、树木等地面物体的反射和遮蔽等影响，接收到的卫星 信号存在严重的多经效应，有时会形成g p s 定位盲区【3 4 0 7 1 。 应用g p s 和g l o n a s s 进行联合定位导航( 即所谓双星系统定位导航) 和使用其它附加定位手段扩展g p s 功能成为g p s 应用研究的热点。g p s 和 g l o n a s s 乃至同n a v s a t 的联合无论从卫星覆盖量上还是从实时定位精度上 都是对g p s 有益的补充。同时，和惯性导航系统、航位推算定位、地图匹 配、信号标杆等定位导航技术有效结合可以实现g p s 定位位置的校正，还 可以弥补g p s 观测盲区的缺陷【3 8 。4 3 1 。 2 2 g p s 定位原理 g p s 系统采用高轨测距体制，以观测站至g p s 卫星之间的距离作为基本 观测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量g p s 卫星发 射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；另一是测量具有 载波多普勒频移的g p s 卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的 相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快而采用载波相位 观测量定位精度最高。通过空间卫星实时向地面上的用户发送无线电磁信 号，信号中含有卫星导航电文和卫星到用户的距离等信息，由卫星导航电文 可计算出卫星在观测时刻的w g s 一8 4 坐标。这样，在用户接收机和空间卫星 构成的空间多面体中，接收机和卫星是空间多面体的不同顶点，应用空间解 析几何知识可以确定接收机在w g s - 8 4 坐标系中的位景坐标，实现对地面目 标的定位和导航【4 ”。 2 2 1 g p s 定位的坐标、时间系统 2 2 1 1g p 8 定位的坐标系统 g p s 定位主要采用两种坐标系：空间固定坐标系( 天球坐标系) 和地球 固定坐标系( 地球坐标系) 。天球坐标系与地球自转无关，便于描述卫星在 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 太空的位置和状态：地球坐标系随同地球自转，可看作固定在地球上的坐标 系，便于描述地面物体的空间位置。 g p s 定位应用的天球坐标系为协议天球坐标系，定义为：以地球质心为 原点0 ，x 轴指向春分点，z 轴指向协议北极，y 轴与x 、z 轴垂直并构成右 手系。春分点和协议北极按国际大地测量学协会( i a g ) 和国际天文学联合 会( i a u ) 的联合规定“j 2 0 0 0 0 ”。 g p s 定位应用的地球坐标系为w g s 一8 4 坐标系，它是一种近似协议地球 坐标系，定义为：以w g s 一8 4 规定的地球质心为原点0 ，x 轴为w g s 一8 4 零 子午面和w g s 一8 4 赤道面的交线，z 轴指向国际时间局( b i h ) 定义的协议北 地极( c t p ) 方向，y 轴与x 、z 轴垂直并构成右手系。w g s 一8 4 规定的地心 同b i h 定义的地心有细微区别，这导致w g s 一8 4 系统的零子午面和赤道面与 b i h 零子午面和赤道面平行但不重合，所以w g s 一8 4 坐标系是一种近似的协 议地球坐标系。 g p s 定位还用到卫星轨道平面直角坐标系，该坐标系以地球质心为原点 0 ，x 轴指向卫星轨道近地点，y 轴与x 轴垂直并构成右手系。 2 2 1 2g p s 定位的时间系统 g p s 的时间系统( g p s 时) 是原予时的一种，g p s 就是用它来精密测定 卫星信号的传播时间。它的单位是“秒”，定义为“位于海平面的铯原子 c s ”3 基态两个超精细能级间跃迁辐射震荡9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 周所持续的时间”。 g p s 时与国际原子时的起点不同，g p s 时比国际原子时要滞后1 9 个单位。 g p s 时与世界协调时在1 9 8 0 年1 月6 日0 时规定为相同，随时间的积累， 两者间的时间差为秒的整数倍，关系式为： g p s 时= 世界协调时+ 1 秒n 一1 9 秒 其中，n 为自然数【4 5 1 。 2 2 2 g p s 定位的原理 g p s 的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信 息，用户接收到这些信息后，经过计算得出接收机的三维位置、三维方向以 及运动速度和时间信息。 2 2 2 1 g p 8 卫星信号和观测值 g p s 定位导航系统属于无线电定位导航系统，为了满足用户定位精度和 实时定位导航及军事保密的要求，g p s 卫星信号采用了组合码调制技术。即 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 将卫星导航电文( 称为基带信号) 经伪随机码扩频成为组合码，再对l 频 段的载波进行b p s k 调制。采用这种格式不仅提高了系统定位导航的精度， 而且使系统具有很高的抗干扰能力和极强的保密性能。 g p s 可提供给用户的有四种观测值：由码相位观测得到的伪距：由载波 相位观测得到的伪距：由积分多普勒计数得到的伪距差：由干涉法测量得到 的时间延迟。后两种观测量不但观测设备复杂、昂贵，数据处理也相对困 难，因此在g p s 定位中广泛使用前两种观测量。 g p s 卫星信号包含三种信号分量一载波信号、测距码和数据码，由此分 别获得载波相位观测值、码伪距观测值和导航电文。 g p s 的信号分量都是在同一个基本频率f o = 1 0 2 3 m h z 的控制下产生的， 取l 波段的两种不同频率的电磁波为载波，即： 厶载波，其频率为 = 1 5 4 xf o = 1 5 7 5 4 2 m h z ，波长为1 9 0 3 c m ； 三，载波，其频率为 = 1 2 0 x 兀：1 2 2 7 6 0 m h z ，波长为2 4 4 2 c m 。 卫星发射的信号包含两种具有不同性质和精度的测距码：c h 码和p 码。c a 码精度较低，称为粗码，结构公开，可供广大用户使用；p 码精度 较高，称为精码，但结构不公开，专供美国军方及得到特许的用户使用。 测距码是利用相关技术获得的，卫星发射的测距码伪随机信号受卫星时 钟控制。用户接收机内产生的测距码伪随机信号受接收机本地时钟控制，由 接收机复制，在结构、初始码序列( 亦称码相位) 上与卫星发射的测距码伪 随机信号完全相同。相关接收时，接收机通过内部时间延时器进行机内码的 相移，使机内码相位同接收的卫星码相位对齐，达到最大相关。这样就得到 被接收的卫星测距码码相位，同时也得到卫星信号的发射时刻，码相位是时 间的唯一函数。通过上述方式，接收机便完成了测距码的跟踪和延时锁定， 获得参照接收机时钟的传播延时，延时乘以光速得到距离观测值。由于卫星 时钟和接收机时钟不严格同步以及大气延时等影响，得到的距离观测值并非 卫星与接收机间的真实空间直线距离，因而被称为伪距观测值。 载波在测距码相关锁定后，利用复制码解调技术或平方解调技术将测距 码信息剔除，获得载波相位。结合接收机内的参考相位，用相位锁定环进行 接收载波相位的测定。当且仅当接收机信号的参考相位和观测到的载波相位 相同时，才可实现相位的锁定。相位锁定意味着卫星发射时刻载波相位的获 取，结合图2 3 ，有关系式o ，= o 。同测距码一样，接收机初始时刻的参 考相位o ，。和卫星初始载波相位一致，所以巾。与中，。之差包含有卫星到接收 机的距离信息，由此得载波相位观测值中。= o 。一m 。因为尽管接收机 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 初始时刻的参考相位西。和卫星载波初始相位一致，但却无法确定其间关于 2n 整数倍数的相差，所以实际测量得到的载波相位观测值中。同真实值相 比差一个整数倍数n ，n 就是g p s 载波相位观测值中的整周模糊度。接收机 在相位锁定后，载波相位观测值发生变化的整周数会被自动累计，因而在同 一锁定观测过程中n 保持不变。 ( 瓦卫星发射时刻) 一一。i i j j j 澳4 2 5 码码序列” 八- 州桃蛾 不变 ( a t i = a t 2 ) ( r o 接收机内部初始时刻)( 耳l 接收机锁定时刻) j对齐 ： 图2 - 3 码和载波相位的传播与接收 码伪距观测值和载波相位观测值都是关于距离信息的观测值，但载波相 位观测值有整周模糊度问题。这使得伪码观测值在应用上较载波相位观测值 容易，具体表现为码伪距观测值的定位解算模型要简单些。另一方面，载波 的波长远小于测距码的波长，这样载波相位观测值比码伪距观测值精度更 高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 导航电文包括卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、 大气折射修正、遥测码及由c h 码捕获p 码等导航信息，它是利用g p s 进 行导航和定位的数据基础。导航电文具有已知的固定格式，可编制专用的电 文解算软件获取。 表2 - 1g p s 卫星导航电文描述 时间参数 f o p l 口l 、d 2 、口3 开普勒轨道元素 石 p 毛 q 。 m o 摄动参数 q a n ， c 驴c v c c 删、c 阼 c 护c i c 星历参数参考时刻 星钟参数参考时刻 星钟差多项式改正参数 卫星轨道长半轴平方根 卫星轨道偏心率 f 。时刻的轨道倾角 ，。时刻的升交点赤经 近地点角距 ，。时刻平近点角 升交点赤经变化率 平动差 轨道倾角变化率 升交点幅角正、余弦摄动改正系数 轨道半径正、余弦摄动改正系数 轨道倾角正、余弦摄动改正系数 2 2 2 26 p s 卫星位置计算 利用g p s 定位和导航，不管何种接收机、何种精度和何种用途，必须 首先计算卫星的位置。g p s 卫星位置是时间的函数，应用导航电文给出的卫 星参数可以计算出g p s 卫星在星历有效期间内任一时刻的w g s - 8 4 坐标，然 后根据卫星的位置和观测量计算测点的位置。 1 计算卫星运行的平均角速度n 地球引力常数：g m = = 3 9 8 6 0 0 5 x1 0 1 4 m 3 s 2 地球自转角速度：a - 9 = 7 。e 2 9 2 1 1 5 1 4 6 7 x1 0r a d s 圆轨道的平均角速度：= 4 6 m a 3 = ( 口) 3 ( 2 一1 ) 利用导航电文中的平均速度修正量a 玎，求得卫星运行的平均角速度 为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 n = n o + a n( 2 - 2 ) 2 计算归化时刻 g p s 卫星的轨道参数是相对于参考时间t 。而言的，这就是说电文中给出 的轨道参数是基准时间f 。的值。为求出观测时刻f 的轨道参数，必须求出观 测时刻相对于基准时刻的差值，即 “= ，一，呻 ( 2 3 ) 式中，。称为相对于f 。的归化时刻，但应考虑到一周( 6 0 4 8 0 0 s ) 的开始或 结束。即当，女 3 0 2 4 0 0 s 时，t k 应减去6 0 4 8 0 0 s ；当“ + a p t + a p ， ( 2 - 2 4 ) 式中只是接收机f 位置坐标( x ，、f 、z j ) 和卫星_ ，位置坐标( x ，、y l 、 z ，) 的函数 只= 4 ( x - x 。) 2 + ( f y ) 2 + ( z 。一z ) 2 ( 2 2 4 ) 视卫星位置( x 、y 、z ) 为精确已知，将( 2 2 4 ) 在接收机近似坐标 ( x f o 、f 。、互。) 处作泰勒级数展开，保留至一阶项，代入( 2 2 3 ) 有： l 。l = 只；- ( s m ? 甩? ) l6 rl + c ( 国，一国) + a p r + a p ， ( 2 2 5 ) l 露。j 式中： 只；= ( x m x ) 2 + ( r o y ) 2 + ( z m z ) 2 s = ( x 一x f o ) 刷 m = ( y 一) 刷 n ? = ( z 一z o ) 尉 上式即伪距观测方程的线性化形式，该方程在g p s 动态定位导航中有着广 泛的应用。方程中的a p t 、p ，通过对流层改正模型和电离层改正模型可以 计算出来，国，由导航电文给出的卫星钟差模型也可以计算出来。这样，方 程中有四个待定参数砑、弼、彪，、国，。由多元方程组求解条件知：同步 观测少于4 颗卫星时将得到形如( 2 2 5 ) 的不定方程组，方程组维数小于待 定未知数个数，方程组不可求解；同步观测正好4 颗卫星时将得到形如( 2 2 5 ) 的4 维方程组，方程组维数等于待定未知数个数，方程组联立采用代入 法可唯一确定观测时刻接收机坐标位置；同步观测多于4 颗卫星时将得到 形如( 2 - 2 5 ) 的超定方程组，方程组维数大于待定未知数个数，采用最小二 乘法求解可唯一确定观测时刻接收机坐标位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 动态定位时，g p s 接收机必须同步观测到4 颗以上的卫星才能够实现接 收机位置的确定：静态定位时，由于接收机坐标位置保持不变，即使不能同 步观测到4 颗卫星，也可以通过观测历元( 观测次数) 的增加实现接收机 的定位。 2 载波