（电路与系统专业论文）基于GPS的铁路信号记录器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

北京交通大学硕士学位论文 舅8 7 9 7 3 摘要 摘要 隧饕铁路的快速发展，列车速度不断提高。为了满足铁路安全运输的需 要，实现铁路运输安全、高效、正点的晷标，高速铁路列控系统要求地面设 备肉列车传送大量列控信息，枫车接号在铁路运输中发挥着越来越重要的作 用，对铁路信号设备状态维修的需求也随之目益追切。 论文首先对记录器的功能、具体实现方案、信号解调技术进行了研究， 讨论7 记录器在应髑王a x 籍的数据时存在的闯题，提出了利用g p s 提供列 车部分信息的方案。方案完成了g p s 与汜录器的信息融合，并透过投影交 换映射到平面上，直观的显示列车的运行状态。针对投影变换过程中的精度 这一核心问题，对高期投影和u t m 投影方法做了深入的研究，最后选取高 簸投影作为投影方式，并验证了投影的糖度。论文还针对p s 系统在实际 应用中存在的误差闯题做了分孝斥并采取了相应的补偿措施。 方案不仅解决了t a x 箱应用予记录器时存在的闫题，雨且扩展了记录 器的功能，使得记录器具有了列车运行实时动态跟踪的能力。经过实验测试 表明：g p s 提供信息的精度满足铁路现场的要求。 关键词；铁路信号记录器g p s 大地坐标系g i s 托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 w i t hm e d e v e l o p m e n to fr a i l w a y a i l dm eg r o w i n g 订a i ns p e e d ，t h e r e q u i r c m e n to fs a f c 姐n s p o r t a t i o na n dr a i l a g er e a l i z et h eo b j e c to fs a f 毫t y ，m o r c e m c i e n ta n do ns c h e d u l e ，t k 抒a i ne o n 韵ls y s t e m ( t c s ) r 锈m 咒s 由a 专t kt r a 呈n a c q u i r e sal a 鸩eo fi n f o m l a t i o n 矗o mt h eg r o u n de q u i p m e n t ，t h ec a bs i g n 蠢t u m s m o r ea n dm o r ei n l p o n a n ti n 恤er a i l a g e ，m e r e f o r et h er e q u i r e m e n to ft h e m a i m e n a n e eo f 也er a i l w a ys i g n a li sm o r 。a n dm o r cu r g e n t i nt h i sp a p e r ，j tj s 螽r s t 】ye x 翻o r e dt h a t 毛l l ef a j l w a yf e c o r d e r ，s 矗m c 西o n sa n d i t sc o m p r e h e n s i v e 印p r o a c ha l o n gw i md e m o d u l a t i o nm e m o do f r a i l s i g n a l s ，a n d i ti sa l s od i s c u s s e dt h a tt h ep r o b l e m so fr c c o r d e ro na p p l y i n gt h ed a t ao ft a x b o x 。an e wm 戎h o di sp 堪勤删d ，w h i c he a np v i d et h et 豫融c o f l 矗口l i n f o 肌a t i o nb yt h eg p s t h em e m o dc o m p l e t c si n f o 肭a t i o n 如s i o no fm et a x b o x a n dt l l e ( 押sa sw e l la sp r o j e c t i o nt r a n s f o m a t i o ni no r d e rt od i s p l a ys t a t u so f 扫a 主n s + w i 斑r e g a 砖t op 羚c i s i o no fp 划e c t i o n 姐n s 南r m a t i o n ，m e 矧t 孙rd o e sa m o r o u 班r e s e a r c ho ng a u s sp r o j e c t i o na 1 1 du t mp r o j e c t i o na n df i n a l l ys e l e c t s g a u s sp r o j e c t i o n ，a n dm o r c o v e r 血ep r e c i s i o no f p r o j e c t i o ni st e s t e d a “a s te r r o r a n a l y s i si sg i v 髓t o g e t k r 埘也i t sc o 眦s 砷n 越n ge 锄p e n s 确o n ， a 】l 协a l l ，也i sn e wm e t h o ds o l v e s 也ee x i s t n gp r o b l e m so ft a xb o xw h i e h i sa p p l i e dt om er e c o r d e r ，a n dm a ti tc o n 打i b u t e sm o r ef h n c t i o n st om er e c o r d e li t i sf 如西b l ef o rm er e c o r d e rt o 跳h er e a l 。t i m es t a t u so f 衄i n s 。a n dt h et e s t i n 2 r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r 。c i s i o np r o v i d 靠b yt h eg p sc a ns a t i s 母t h ed e m a l l do f p r a c t i c a lr a i l 、v a y k e y 霄o r d ：镪ef a i l w a ys 主辨a lr e c o r d e r ，g p s ，n a t i o n a lg e o d e t i ec o o r d i n 如s y s t e m ， g i s 北京交通大学硕士学位论文 前害 1 。 阍题的提出 第一章前言 目前，我国干线铁路列车的遴魔不断提高，个别区段的车速已经接近发 达国家的水平，这对铁路信号设备，特别是枫车傣号系统提出了更高的要求， 颤保障铰路运输的安全移高藏。因藏，研究和开发一稀能够怼列车运行中梳 车信号系统的工作状态进行实时监测和记录，并能将信息及时向地面传送的 机车信号分桥记录系统就显德尤为必要。极车信号系统的信怠杰避嚣发码设 备逶遭钢辕传送绘税率，信号抟状态与裙应的缝灏信号辊霸发鹂设备稆互对 应，因此必须能够迅速准确地知道当前列车所在地理位置以找到相应的信号 枫。所以此系统必须簧解决列车定位数据的采集、数据匏实时传输等关涟技 术闷题。现存的铁路镑号记录系统鼢在机车运簿时，不阍断的记录帮分析轨 道电路的相关参数和机车信号的状态，捕捉机车信号和轨道电路的一些隐性 与瞬间故障，使维修人员更好斡掌糖设冬的动态运用帻况，为实瑷信号设备 的状态维修提供了畜莽j 可靠的条彳牛，并遥过移动遴讯方式，把车载终端定位数 据传输剿监控中心。这些数据信息部分需要通过w 箱获取，但传统机车 安全运弦监控装置即飘x 籀，为枫务专用，在用予电务时难兔存在誊许多 问题： ( 1 ) 管理因素，众所周知电务和机务目前还没有实现统管理，仍然 是嚣个体系，嚣此信息溱源共享还移在许多问题； ( 2 ) 箱的可靠性，扶目前来看，t a x 耩的可靠性述避未达到当箭 的要求： ( 3 ) 提供静售惑蠢疆，灵活性爱，出于1 姒禧主要是援供辍务所嚣参 北京交通大学硕士学位论文前言 数，困藏信息不对精，能提供的参数很肖鞭，丽置并没有统一规划信惑需求； 因此，研究新型的理想车载式分析记录系统以解决当前存在的问题便成 为当务之急。 本文中提出了以g p s 作为提供信息的一种方式，给铁路信号记录系统 审懿记秉器握爨售熬。g 鹅獒蠢定整戆痰高；鼹溺对凌短；霹激秀冬类瘸户 提供动态目标的三维位置、三维坐标、三维速度和时间信息；实时定位速度 捷；藐于撬瞧爱蠹姆，豫蜜镶强等霞轰f “。程爰g 掩翡将纛不汉霹戳更妊 的弥补秘箱的不足，而且进一步扩展了记录器的功能。新的系统可以通 过接受懿g 薹，s 售感遥蓬大缝鬟标交换囊瘸建反酸至l 乎瑟蛰上，也霹骏逶过 g p r s 广播列车的实时信息，利用这些宓时信息熨好的为高层监控、决策机 橡提供列车的运行状态，对列车实施动焱跟踪，为统一调配掺撂提供受好酶 保障。而且g p s 的公共服务系统提供了更为方便的服务平台，这对于改进 列车控制性能具有霪要的意义。 1 2g p s 导航系统的发展及应用现状 2 0 世纪5 0 年代末期，美翻开始研制用多普勒卫星定位技术进彳亍测速、 定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导艇系统( n n s s ) 。子午卫星导航系统 的闻毽，开剖了导航豹薪对代，揭开了卫星大地测量学的新篇章。7 0 年代 部分导航电文解密交付民用。自此卫星多普勒定位技术迅速兴起。子午卫星 导靛系统攘然籍导簸定莅稚翔了一个薪鹣发震除敬，但是它镪仍然存在篱一 魑明显的缺陷。卫鼠信号进行多普勒定位时，不仅观测时间长，而且既不能 连续、实瓣定篷、又不笺达到纛惩静定经精度，强噩萁应震受翻了较大羧裁。 为了实现全天候、全球性和商精度的逡续导航定位，第二代卫星导航系统 g p s 卫星全球定位系统蠖应运蠢生。 2 北京交通大学硕士学位论文 前言 g p s 计划白1 9 7 3 年起步，1 9 7 8 年首次发射卫星，1 9 9 4 年完成2 4 颗中、 高度圆轨道( m e o ) 卫星组网，共历时1 6 年、耗资1 2 0 亿美元。至今，已 先后发展了三代卫星，共发射了4 1 颗。目前，在轨工作卫星有2 8 颗，其中 还发射成功2 颗新型的2 r 型卫星，还将发射1 9 颗，总共耗资1 9 0 亿美元。 计划从2 0 0 3 年开始部署3 3 颗2 f 型卫星。此外，现在又开始了全改进型g p s 一3 的概念研究，以适应2 0 3 0 年未来的系统级要求。g p s 系统由美国国防 部运作。 g p s 是一个全球性、全天候、全天时、高精度的导航定位和时间传递系 统。空间部分由2 4 颗卫星组成，卫星高度2 0 1 8 2 千米，位于6 个倾角为5 5 度的轨道平面内，周期近1 2 小时。卫星用2 个l 波段频率发射单向测距信 号，区别不同卫星采用码分多址。它是一个军民两用系统，提供两个等级的 服务。即为军事用户提供l l ( 频率1 5 7 5 4 2 m h z ) 、l 2 ( 频率1 2 2 7 6 m h z ) 双频p 码测距、优于2 2 米的水平精度、2 7 7 米的垂直精度和1 0 0 纳秒的 授时精度( 条件：5 度仰角，p d o p = 6 ，2 s 或9 5 的精度，以下同) 的精密 定位服务，为其他用户提供l 1 单频c a 码测距加选择可用性( s a ) 人为 干扰的标准定位服务( s p s ) ，位置精度降低到1 0 0 米，授时精度降低到3 4 0 纳秒。为了提高导航精度、可用性和完整性，世界各地发展了各种差分系统。 美国政府为了加强其在全球导航市场的竞争力，已于2 0 0 0 年5 月1 日 午夜撤销对g p s 的s a 干扰技术，标准定位服务定位精度双频工作时实际 可提高到2 0 米、授时精度提高到4 0 纳秒，并承诺以后逐步增加两个民用频 率，即l 2 增加c a 码和民航安全专用的l 5 ( 频率1 1 7 6 m h z l ，希望以此来 抑制其他国家建立与其平行的另一个系统，并提倡以g p s 和美国政府的增 强系统作为国际使用的标准。 除了在军事领域的应用之外，近十余年来g p s 以其高精度的定位、测 速和定时功能现在更是在多个领域得到广泛的应用。例如：g p s 在大地控制 北京交通大学硕十学位论文 测量中的应用；g p s 在精密工程测量及变形监测中的应用；g p s 在航空摄 影中的应用；g p s 在线路勘测及隧道贯通测量中的应用；g p s 在地形、地 籍及房地产测量中的应用；g p s 在海洋测绘中的应用；g p s 在公安、交通 系统中的应用；g p s 在地球动力学级地震研究中心的应用；g p s 在气象信 息测量中的应用；g p s 在航空航海导航中的应用等。在民用中，目前，大地 测量、海上渔用、陆用导航以及车辆定位监控占有主要地位。在电力系统中， g p s 监视电力负荷状态、稳定交流电流频率及发电厂测定故障位置、实现各 变电站的同步校时等发挥着越来越重要的作用。八十年代末，g p s 定位技术 的广泛应用，使得g p s 技术很快应用到了车辆的定位与导航。利用g p s g i s ( 地理信息系统) 技术组建运输工具定位服务系统，是近年来新兴的前沿科 技应用。其相关技术的应用已有1 0 多年的历史，从技术引进、消化吸收、 应用研究，到现在已进入推广应用时期，其中交通运输是主要的应用领域。 1 3 研究g p s 系统的目的 利用g p s 在提供的实时信息可以完成以下目的： 1 a x 箱提供的信息用于电务有用信息只有1 7 个字节，分别是机务 时间、速度、里程、车补客货、车次等，远不能满足现代铁路运输 中对信号的需求，而利用g p s 提供的实时三维坐标、速度等信息可 以准确描绘出列车的行进路线，解决”箱因为信息不足带来的 不便，完善记录器的功能。 g p s 的公共服务性质更加方便的解决了由于1 敞箱在用于电务时， 因使用不便带来的诸多问题。 g p s g i s 的组合应用充分利用了两太系统的特点，将本系统用于列 车定位，向监控中心报告车的状态、位置等信息：监控中心的g i s 系统将显示车辆位置和状态；监控中心的工作人员可提供管理、调 4 北京交通大学硕土学位论文 前言 度、救援、报警等稚务，使车辆安全得到有效保证。 以g p s 导航系统为基础的铁路信号记录器将会以高的定位精度、快的 定位速度、方便豹镁糟及较低豹花费，成为铁路运输豹岿备设施，有卷非常 重要的意义。 1 4 本论文的盘要内容 本论文鹩主要工俸在对g p s 定位激理及关键技术分析的基础上，利用 空间技术完成对车载记录器需骚的信息的组合，进一步设计出适用于列车监 控、鼗据楚理系统静车载铁爨信号记录器，提出数攥憝理方粲、误差 嫠方 法，并进一步进行试验论证。本论文的主要内容： l ，裁富。瑟部分镑对健绞懿车载式记录器中鞑x 蓑靛不足，提出f 糕 用g p s 作为导航系统的方案，然后介绍g p s 导航系统的发展，最后说明了 研究g p s 嚣靛系统的疑的秽意义。 2 车载式信号记录器。介绍车载式记录器的系统构成、硬件组成、主要 功能及技术指标，为避一步与6 p s 系统融和做准备。 3 g p s 系统。这一部分，对g p s 酌系统组成、定位原理、差分定使系 统、g p s 模块的软硬件设计以及通信的实现作了详尽的介绍。 4 - 雾法。我帮分跫本章翁羹点，在糕髑g p s 翌簇信号鹃黼对，蒋接受的 信息经过处理转换成记录器所需信息，接受信息的换算办法，是几种地图投 影转换理涂在实际中鳃应委，魄鞍挠袋煮缭出了溪麓记录器帮襄车嚣遗掰零 舞的算法，利用投影原理，将刹车的实时状态投影到平面图上，动态跟踪列 举匏运行状态。 5 嘏4 试结果及其误差分析。对g p s 系统在应用中存在的误莲做出分析， 指如误差索源以及对误差做出棚应的补倦方法，芳对误差於偿方法的合理性 做了铡试，分析研究了试验结采。 s 北京交通大学硕士学位论文 6 系统进一步的研究方向。在对测试结果进行分析研究的基础上，指出 系统存在的不足，提出了更为理想的系统方案，作为今后的研究方向。 北京交通大学硕士学位论文车载信号记录器 第二章车载信号记录器 机车信号是提高运输效率，保证行车安全的重要行车设备。随着铁路运 输向重载、高速、高密度发展，机车信号在铁路运输中发挥着越来越重要的 作用，对铁路信号设备状态维修的呼声也随之日益强烈。而状态维修就要求 信号维修人员时刻掌握设备的运用状态，但是现有的维修检测手段根本不具 备这些条件。维修人员只能通过人工添乘和访问机车乘务员了解情况，对全 面掌握机车信号设备的运用质量以及故障的查找、分析、处理十分困难。尤 其是地面发码设备点多线长，受各种因素影响，情况非常复杂。为了实时掌 握机车信号和轨道电路的动态运用情况，进一步提高机车信号设备的运用质 量，方便现场对设备故障的分析处理，最大限度的压缩故障延时，研究和开 发机车信号记录分析系统就成为一个重要课题。该系统在机车运行时，不问 断地测试、记录和分析机车信号与轨道电路的相关参数，捕捉机车信号和轨 道电路的一些隐性与瞬间故障，使维修人员掌握设备的动态运用情况，为实 现信号设备的状态维修提供了有利可靠的条件。 2 1 系统构成 论文中提到的记录器在现有记录器的基础上添加了g p s 和g p r s ，并通 过a r m 负责整个系统的协调控制。记录器结构框图如下图2 一l 所示： 7 北京交通大学硕士学位论文 车载信号记录器 图2 1 结构框图 从2 1 图中可以看出输入信号分为模拟和数字信号输入两种，输出则通 过同步通信接口传送到数据存储单元( 手持式转录器) 内，然后再将该数据 通过u s b 接口传送到地面离线分析平台上。 2 1 1 模拟量输入部分 信号输入采集部分框图如图2 2 所示： 图2 2 模拟信号输入 模拟量输入采集部分由信号隔离器、增益调节放大器、抗混叠滤波器和 模数转换等电路组成。其中信号隔离采用b b 公司生产的i s 0 1 2 4 隔离放大 8 北京交通大学硕士学位论文 车载信号记录器 器，抗漏叠滤波器栗用m a x i m 公司生产的凇x 2 9 3 开关电源滤波器，模数转 换采弼m a x i 醚公司鲞三产的淞x 1 3 2 21 4 经著行模数转换器。 由感应器输入的轨道电路信号经隔离放大隔离采集后送入增益调节放 大器，适当放大后的傣号经过抗混爨滤波器滤波艨送人模数转换器，模数转 换器将耩叛信号转换必数字狺号送入数字信号她理系统进行娥理。 2 1 1 2 数字信号的输入部分 数字信号的输入债息来自于t a x 箱、g p s 定位模块和开关震采集模块， 主要包含以下几方面内容：1 列牮运行方向；2 机车感应嚣信号；3 机 车售号瑟敏度谖苓；4 运 亍医段辘遴电路毒l 式设定；5 ，其它嚣要蘧开关蕊 设定的内容。 开关量的信息输入方式采用传统的5 0 v 开关爨电流型光电隔离方式，从 蘑使努器于挠戆影翡簿为最蘸。 2 1 3 数字信号处理系统部分 数字信号处理系统由中央处璞器、数字信弩处理器、数撵存储器、程序 存储器、传输存储器、时钟复位电路及控制电路簿组成。 中央处理器采用a 脯公司鸵l p c 2 2 l o ，负责熬个系统的协调控裁。数字 信号箍避器采用美国德娴仪嚣公司生产的3 2 位浮点处理器硼s 3 2 0 v c 3 3 ，数 据存储器采用快速1 2 8 k 3 2 位动态存储器i s 6 l l v 2 5 6 1 6 ，程序存储器采用美国 a 醚d 公霹生产的电可攘除可编程存髓器2 9 f o l o ，传输存储器袋熙台湾i 酣 公司生产的双端口存储器i 霹7 l v 3 2 ( i 阻7 1 3 4 ) ，复位及看门狗采用美国i m p 公司生产的i m p 7 0 5 ，实时钟采用美圈d a l l a s 公司生产的d s l 2 c 8 8 7 ，其它译 码、时詹秘控制电路由美国a t 般i 公镯生产豹可缡稷逻辑器 譬a 豫1 5 0 8 统一 9 北柬交通大学颤士学位论文车载信蟹记录器 完成。 中央戆理器控制整个系统辨闾工作。其一，摸叛输入信号通道黼p 芯片 处理后，继果经由双口r 删送入a l m ，由a 枞负责数据的输如、存储等操作。 其二，通过1 a x 箱、米脉冲输入信号或g p s 等外围设备记录设备工作状态、 辕道电路参数溅试、机车逮疫和健爨等极车运行参数等一些辖助倍感。其三， 将信号通道g p r s 广播，对机车实时动态良踪；其翻，控制u s b 和网络端口 与主整瓤遴行逶绩。 数字信号处理器是记录器的运算核心，它的功能是对采样信号进行时域 秘颓域豹并行楚毽，紧接羲参考对域结采对频域结粱进行照瑗，将簸理后静 结果通过置信度确认后将结果由传输存储器送回。 2 1 4 车栽信号记录器的连接 遣接方式如图2 3 ： 2 1 5 软件结梅 图2 - 3 车载信号记录嚣连线幂意匿 摄7 芯电缆 艨1 日芯电缆 从功能上包含记录模块、转录模块和离线分奉斥横块三部分。 ( 1 ) 记录模块 l 娃 北京交通大学硕士学位论文 车载信号记录器 实时记录视车运行过程中机车信号设备每次扁动、变灯、故障等状态发 生时的关键数据信息，以及地丽轨道电路的相关参数。 ( 2 ) 转录模块 该模块可以控制数据转录嚣和车载信号记录器以及地蕊离线分析平台 进行数摇游双囱同步通信。 ( 3 ) 离线分析模块 该模块采瑁了( + 语言以w i b d o w s 系统作为爝户开发界面迸矛亍设计开 发，可对举载信号记录器记录的数据信息进行回放驻示、分析判断以及统计、 抒霉，鼓灏了麓橇车售号设备在磋车运行遗程孛静信号蒋簦、解玛、上灯等 情况，为机车信号车藏接收设备及地面发码设备的故障分析处理提供了极大 熬方便。 2 2 数据信息的记录 1 对移频、u m 。7 1 、交流计数和通用式机车信号运行状态进行实时记 录，记录黥数据蓿慰翔下： ( 1 ) 移频：4 信息、8 信息及1 8 信息移频的中心频、低频、幅值； g u 终7 l ：巾一0 蔟、氮频、箍鬣； ( 3 ) 交流计数：2 5 王z 、s o h z 、7 5 k 交流计数频率、脉冲、间隔、幅 馕、鼹期； ( 4 ) 轨道电路5 0 h z 的不平衡电压。 2 记祭援车信号输出瞧“趣爨”售号。 3 记泶机车信号输出给机务“机车运行监控记录装置”的点灯信号。 4 。记添器露接救戮熬感残器信息遴季亍独立译蕊，著将结聚予班记蒙。 1 】 北京交通大学硕十学位论文 车载信号记录器 5 记录上电时间、复位原因以及自检故障信息。 6 记录以上信息发生的时间。 2 3 数据信息的转录 通过车载信号记录器的同步通信接口，将车载信号记录器记录的数据传 送到手持式转录器内，然后再将该数据通过u s b 接口传送到地面离线分析 平台上。 2 4 数据信息的分析 2 4 1 原始记录数据的转换 地面离线分析平台利用机务“机车运行监控记录装置的数据，将记录的 电务数据转换为该平台需要的回放文件格式，为后期的静态分析提供依据。 2 4 2 数据信息的回放 在后期静态分析时，可以通过离线分析软件调出经过转换的文件进行数 据回放，软件会显示出车载信号记录器记录的所有数据信息的曲线。软件还 设有主、副游标，可以根据需要进行精确的定位观察。 2 4 3 数据分析 1 通过数据信息的回放，可显示出机车信号设备在运行过程中的工作状 态，通过离线分析软件可对故障区段( 地面) 和设备( 车载) 的数据信息进 行分析，从而准确判断故障处所、原因等。该分析软件还可对5 0 h ：不平衡 1 2 北京交通人学硕士学位论文车载信号记录器 干扰电压进行定量分析。 2 谱线查看。分析软件提供了谱线查看功能，当移频、u m 一7 l 信号不正 常或变灯时才出谱线，否则不出谱线。交流计数不出谱线，但软件提供了交 流计数的变灯数据。 2 4 4 数据的统计、打印 在回放过程中，还可进行不合格数据的统计、打印。在设定好不合格数 据的统计标准后，进行预览打印，可弹出信号故障表，打印故障信息。 此外，还可以对不合格信号的图形进行打印。 2 5 主要技术条件及指标 1 与机车信号主机间的接口安全可靠，隔离性能良好。记录器的任何故 障均不会影响机车信号设备的正常工作，符合故障一安全原则。 2 车载信号记录器有效记录存储时间= 4 0 小时，掉电不丢失已记录的数 据。 3 可反复记录，寿命= 1 0 6 。 4 适应的环境条件： a 温度：2 5 + 5 5 ： b 相对湿度：不大于9 0 ( 2 5 ) ： c 大气压力7 4 8 1 0 6 k p a ( 相当于海拔高度2 5 0 0 米以下) ： d 振动频率为l 5 0 h z ，振动加连续幅值不大于1 0 m s 2 ： e 冲击加速度峰值不大于3 0 l i l s 2 。 5 开关量包括： 机车信号灯信息； 北京交通大学硕十学位论文车载信号记录嚣 机车信号输掇的其能辅助信恩； 6 感应毫匿精度：小于o | l m v 。 7 频率精度： 载频：小于l 酝；低频：小于o l 也。 & 交流计数信号翁弱：渖阀隔毽精度：小于l m s 。 9 功率：不大于3 5 w 。 2 6 频谱分析及谖鬟技术 2 6 1h 慢处理和z 量f r 、i 鞭啊技术 采用复数f f r 技术作为制式识别的基础，冀优势是可以把在时域中不可 分离的信号在频域中分离出来，甚鬻把混入有用频段内的干扰信号频谱剔除 出去( 瑟滤波实震楚耱露壤熬楚蘧方法，只熊戆信号接频段分裁，囊不笺 按频谱分离) 。当确认菜一频段存在有用信号时，则进一步利用z f f r 技术进 行处理，菸作用是有限艘地放大和缁化某段感兴趣的频谱，使谱分辨率达到设 定蕊要求。按照奈奎聚将( n y q h i s l ) 定莲蓬嚣慕撵，可瑷铩诞不丢失有爱蕊 号的信息。因此，灵活运用z h 强技术，完全可以满足分辨率的要求。 交流计数信息的时域特征要比频域更明显，采用的另个主要技术是 l f 玎，它楚疆鼍戆邀运算。先采麓f f 譬鼓零，羧照要塞实嚣鼹售号弱菝域 滤波，将不需要的频谱彻底删除。再采用i n 叮技术将信号再变换到时域。 此方法非常适合于处理交流计数信号。 霉癸浚鞠静是，褒进行z f f t 遮簿翡，必然会包含l f 科，霆释会遘行 频域滤波。 北京交通大学硕士学位论文车载信号记录器 2 6 2 抗混叠滤波器设计 为防止信号频谱产生混叠，在信号采样前必须要进行硬件的抗混叠滤 波。另一方面，各种信号的频段不尽相同，因而处理时的实际采样率也不同。 在降低采样率作进一步处理时，还需进行软件的抗混叠滤波，我们采用f m ( 有限脉冲响应) 滤波器，它的优点是其输出必然收敛。 2 6 3 噪声、泄漏消除技术 谱分析技术中很重要的一点是，如何解决泄漏和噪声的问题。频谱细化 后，并不是简单的一条谱线，而是一簇谱线。为提取有用频谱，必须把残留 的泄漏频谱剔除。工频谐波干扰是影响信号频谱的主要原因之一，也是造成 现场无码区段乱上灯的重要根源。由于工频基波、谐波有其特定的谱结构， 因此，我们可以利用噪声、泄漏消除技术，将其去除。 2 6 4 模式识别技术 由于地面轨道电路设备自身的性能、道床和钢轨的传输特性、列车运行 中振动等因素，机车接收到的信号并不是标准的信号，经常会产生频率漂移、 幅度抖动、结构失真等现象。在经过处理后，也不可能恢复到理想的状态， 简单地对号入座。这样，要准确判断出信号，必须有一套完善的判别方法。 我们的原则是，既要尽可能容忍信号的畸变和失真，又要保证安全，不能错 判。模式识别技术在一维到多维、置信度和相似度等方面都有相应的算法， 科学合理地利用这些算法，有助于对信号的识别。同时，我们在点灯管理模 块中，还灵活采用了预测算法、统计算法、惯性算法等。 北京交通大学硕上学位论文车载信号记录器 2 7 变灯信息记录技术 为了既减少存储量又能充分反映信号的整个变化过程，解决大容量数据 不宜转储的矛盾，我们采取了把稳定信号与突变信号予以不同对待的技术， 平滑数据少存储，变化数据加大存储量，把整个变化过程完整的记录下来， 记录信息包括变灯过程中移频、u m 一7 1 的谱线、频率、幅度以及交流计数 码形的脉冲间隔等参数。为我们分析机车信号掉码、乱上码的原因，提供了 可靠的依据。 2 8 同步通信和u s b 通信技术 1 同步通信技术( s v n c h r o n o u sc b 衄u n i c a t i o n ) 由于机车信号与轨道电路的动态测试、记录和分析系统需要有大量数据 可靠的传输，而且对同步的要求非常的高，所以选择了同步通信的方式。 2 u s b 通信技术 由于外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因此，u s b 总线 技术应运而生。u s b ，全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 即通用串行总线) ，是一 种快速的灵活的连接各种外设的接口。本系统可利用它实现更快的将信息从 转录器传输到离线分析平台，第一时间进行在线分析，提高效率。 2 9 记录信息的定位技术 车载信号记录器在工作过程中不可能有人工干预，因此定位技术就成为 轨道电路及机车信号车载式记录分析系统推广使用的关键。做到时间和机务 “机车运行监控记录装置”的基本同步。 采用g p s 定位技术中的数据可以通过无线网络传输，实时掌握列车的 北京交通大举硕士学位论_ 兜 车载信号记录嚣 运行状悫，对列车运行的轨迹进行建位，通过地圈投影转换可以将信息配合 电子魂强直接反获到平西坐标国土，为建面指挥系统提供更为有效静实对信 息，对列车的的整体调配、救援、报警等服务，使车辆安全得列有效保证。 桃率入库采集毯瞧务数据蜃，遴过与枧务“橇享运行整控记录装置”以及 g p s 中的数据配合，邀而准确地找出各个时闻的速度、里程、信号机名和桶 关参数，在屏幕上相应的位置给出信号机名称及有关检测数据，方便及时的 对设蘩戆运爰状态进行判酝，方便赦障鲍分褥、套找秘处理，稷大缝方便了 电务人摄的使用。 1 7 北京交通大学硕士学位论文全球定位系统( g p s ) 第三章全球定位系统( g p s ) g p s 系统是美豳国防部研制的全球性、全天候、连续的卫星无线电导 航系统，受震户搓珙实嚼豹三缝缎嚣、三维遮发鞠毫穰瘦豹辩阕售惠，楚 当前最先进的精密卫星导航定位系统。g p s 系统的建立为测绘工作提供了 崭新的定位测量手段。1 9 9 4 年2 4 颗卫星全部进入预定轨道，系统全面投 入委露运行。 3 1g p s 系统概述 钟s ( n a v i g a t i o n 溉i t 自嘲i 端s y s 搬n ) 系统溉由空闽卫登撼座、地面酃 分和用户设备三部分组成，全天候鼹夜发送高耩艘、连续的、定时的定位和 定时信惑。可啦提鼍建蕊类定位服务：基于褪玛( g a d e ) 豹标准定位骚务 和基于精码( p c o d e ) 的精确定位服务。定位是接收机的位鬣怒一系列卫擞 伪距的炎点，可以用凹颗卫星来确定目标的三维嫩标和时间。 3 1 重空闻卫星罄庭 空间卫星星座如圈3 一l 所示由分布在6 个 遥逶软邋露土鼢2 l + 3 ( 备爱卫星) 颗至星缝残。 卫星轨嫩相对于地球轨道面的倾角为5 5 度，各 轨道平颟姻互夹角为6 0 度，每一轨道上均匀分 布4 鬏受覆，在辕道上麴运彳亍灞鬻怒1 2 潼星对， 高度约为2 0 2 0 0 公里。 卫艨发射两个频率的载波无线魄信号l l 图3 - lg p s _ _ e 星星 和泣，在l l ( 1 5 7 5 + 4 2 m 珏z ，波长约为1 9 e m ) 盼载波上调铡有1 0 2 3 m 羊z 1 8 北京交通走学硕上学位论文 全球定位系统( g p s ) 的伪随机噪声( p r n ) 码( 称粗捕获码或c 缓鹳) 帮1 0 ，2 3 m 王z 的p r n 以 及5 的i 镪韵导航电文；在1 2 ( 1 2 2 7 6 m 轻，波长约为2 4 c m ) 藏波谲翻有糖 码( 又叫p 码) 和导航电文。粗捕获弼可用于地耩废测距并过渡到精捕获码， 糖码可弼于精密铡距。磊者仅供美爨及箕同盟鹣攀事部门稻极少数获准静民 孺部门使用，蓠者降低精度商全髓界开藏，我潮瘸户使用静( 蹬s 系统接收 到的数据属于前者。而且美国为了限制非同盟国和民用部门的使用，人为加 入干扰，降低定位精度。不过，黢予国薅；稠国内米那个方瑶的原因，已予 2 0 年5 月1 强起中止对卿- s 实施s a ( s e l c c 菇v c a v a i l a b n 娃v ) 干扰，使粥 民用精度提高了1 0 倍，大大提高了其应用范围和产业化水平。 3 。1 2 地面蓝控部分 地颟监控部分包括5 个监控站、3 个上行注入站和1 个主控站。主控站 竣在美豢本释罗整多豹联合空越筑嚣中心s c o s ，霹逢瑟装控部分实麓全 面控制。其主要任务遐收集、处理本站和每个监控站收至的全部资料，编算 出每颗卫星的星历和g p s 时间系统，将预测的卫屡星历、钟麓、状态数据 强及大气僮摇改歪编案l 成导靛毫文转送蘩注入懿。主控菇还受黉绸正卫星鹣 轨道偏离，必要时调皮卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星。另外还负责 监测整个地面监测系统的工作，检验注入给卫星的导航电文，般测卫星是否 蒋导藏魄文发送绘臻户。 三个上行注入站分别设在大西洋的阿森松岛，印度洋的迪戈加西亚岛和 太平洋的卡瓦加兰。其主要任务是在每颗卫星运行至上空时把这类的导航数 据瓿主羧戆靛摇令输入餮翌萎。每天送行3 次每次注入1 4 天瓣鬟历，著楚 卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。此外，注入站熊自动向主控 站发射信号，每分钟报告一次自己的工作情况。 簦灏滋涂了瘟予主羟繁器三个注入戆之羚懿4 个站之癸，逐有在夏藏夷 1 q 北京交通大学硕士学位论文仝球定位系统( g p s ) 设立了一个监测站。监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据，包 括g p s 用户接收机、原子钟、以及收集当地气象数据的传感器和进行数据 初步处理的计算机。 3 1 3 用户设备部分 用户设备部分主要由主机、接收天线和电源三部分组成。主机的核心是 信道电路、基带信号处理电路和中央处理器。在专业用软件的控制下进行伪 距和多普勒测量；接收每颗所测卫星播发的导航电文；存储全部卫星的日程 表、机内计算机按所测卫星在观测时刻的位置和速度，并依据所得的伪距和 多普勒观测值计算接收机的位置和速度；方便的输入接收机的初始位置，选 择工作模式和输出导航结果。 3 2g p s 定位系统的原理及应用 测绘学中有测距交会确定点位的方法。与其相似，无线电导航定位系统、 卫星激光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理确定点位。 将无线电信号发射台从地面搬到卫星上，组成一个卫星导航定位系统、， 应用无线电测绘交会原理，便可以有三个以上地面已知点( 控制站) 交汇出 卫星的位置，反之利用三个以上卫星的已知空问位置又可以交汇处地面未知 点( 用户接收机) 的位置这便是g p s 卫星定位的基本原理。 g p s 卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。 用户用g p s 接收机在某一时刻同时接收三颗以上的g p s 卫星信号，测量出 测站点( 接收机天线中心) p 至三颗以上g p s 卫星的距离并解出该时刻g p s 接收机的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站p 的位置。如图3 2 ， 设在此时刻t j 在测站点p 用g p s 接收机同时测得p 点至三颗g p s 卫星s ， 北京交通大学硕士学位论文全球定位系统( g p s ) s ：，s ，的距离p ，p ：，岛，通过g p s 电文解译出该时刻三颗卫星的三维坐标 分别为( 石，l ，z ) ，j = 1 ，2 ，3 。用距离交会的方法求解p 点的三维坐标 ( x ，y ，z ) 的观测方程为 p ? 墨( j x 1 ) 2 + ( y y 1 ) 2 + ( z z 1 ) 2 p ：= 峭一x 2 ) 2 + 一】，2 ) 2 + ( z z2 ) 2( 3 1 ) p ；= ( x x 3 ) 2 + ( 】，一l ，3 ) 2 + ( z z3 ) 2 p 图3 2g p s 卫星定位原理 在g p s 定位中，g p s 卫星是高速运动的卫星，其坐标值随时间快速变 化着。需要实时的由g p s 卫星信号测量出测站及卫星之间的距离，实时的 由卫星的导航电文解出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。依据测距的原 理，其定位原理与方法主要有伪距法定位，载波相位测量定位以及差分g p s 定位等。对于待定点来说，根据其运动状态可将g p s 定位分为静态定位和 动态定位。静态定位又叫绝对定位指的是由于接受机的位置固定不动，就可 以进行大量的重复观测，所以静态定位可靠性强，定位精度高，在大地测量、 工程测量中得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。若以两台g p s 接收机分别置于两个固定不变的待定点上，通过一定时间的观测，可以确定 0 誊交遴大学颤圭学盥论文全球定整系统( 氆s ) 两个待定点之间的相对能鬣，又叫相对定位。动态定位指的是至少一台接收 机处于运动状态，测定的是各观测时刻运动中的接收机的点位( 绝对和相对 点位) 。露蘸，导航型盼g p s 接受枫可以说楚一种广义的动态定健，它除了 要求涎定动点豹实嚣佼鼗势，一羧还要塞溺寇运动载薄茛获态参数，翔速度、 时间和方位等。 利用接收到的卫星信号( 测距码) 或载波相位，均可进行静态定位。实 际艨用中。为了减弱卫缀轨道误差、卫星钟蔻、接收机钟差以及电离层和对 滚艨戆辑麓误差靛影黥，零采翅载渡摆整漤测疆懿鑫穆线缝缀合蹲# 差分毽) 作为鼹察值，获得两煮闺的g p s 基线良薰( 郄坐标差) 。 3 3g p s 差分定位系统 s 定整孛，存程豢三罄分误差：一楚多套揍羧莰荚煮谟蓑，魏：卫星 钟谈茬、星历误差；二怒传播延时误差，如：嘏离层误差、对流鼷溪差；三 是接收机固有误差，如：内部噪声、通道延时、多路径效应。采用麓分定位 可以究全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误差( 视基准站至用户 的题离) 。 藏分g p s 可分为攀纂准鳐差分、其鸯多个基准菇约蜀部送域麓分和广 域麓分三种类型，本文主鼹针对目前应用最为广泛的单站g p s 系统作详细 的介绍。 单站的g p s 差分按纂准站发送的信息方式来分，可分为位鼹差分、伪 蹉蓑分窝载滚稳健差分三秘，萁工终疆理大羧鞠圃。 1 饿置差分原理 设基准站的精密坐桥融知( 戤，k ，z 。) ，夜基准站上的g p s 接收机测出 的坐标为：x ，y ，z ( 包含轨道误差、时钟误夔、s a 影响、大气影响) 多 北京交通大学硕士学位论文全球定位系统( g p s ) 路径效应及其他误差) ，即可按下式求出改正数为： 醚= x n x y = k y( 3 2 ) 越= z o z 基准站用数据链，将这些改正参数发送出去，用户接收机在解算时加上 改正数： x p = xp 一醢 = 0 一a 】， ( 3 3 ) z p zp 一监 其中x ：、巧、z ：为用户接收机自身观测结果，x 矿匕、z ，未经过改正 后的坐标。 顾及用户接收机位置改正制的瞬间变化，上式可进一步改写成为： x p = z p + 艋+ d ( 麟) 西o f o ) 0 。0 + l ，+ d ( y ) 出p f o ) ( 3 4 ) z p ；z p + a z + d ( a z ) ，d f ( f f o ) 其中r 。为校正的有效时刻。 这样，经过改正后的用户坐标就失去了基准站与用户站共同的误差。这 种方法的优点是：计算简单，适用于各种型号的g p s 接收机；缺点是：基 准站与用户必须观测同一组卫星，这在近距离可以做到，但距离较远时很慢 满足。故位置差分只适用于1 0 0 k m 以内。 2 伪距差分原理 这是一种应用最广的差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已 知的坐标( 盖。，k ，z 。) 和测出的各卫星的地心坐标( j ，】，z ，) ，按下式 求出每颗卫星每一时刻到基准站的真正距离r j ： r = ( x 一j 。) 2 + ( 1 ，7 一k ) 2 + ( z 一z o ) 2( 3 5 ) 1 北京交通夫学硕士学位论室全球定位系统( g p s ) 箕伪距必瘫，剐伪躐改正数为 印= 露7 一“( 3 * 6 ) 其变化率为 d p l = 审l & o 、 基准站将p 和和发送给用户，用户在测出的伪距p 上加改正，求出经改 正磊戆魏距： p ；( f ) ；p7 p ) + 印7 0 ) + 印7 p 一)( 3 ，8 ) 并按下式计算坐标： p ；一( x 一盖，) 2 + 移7 一o ) 2 + 辑一z ，) 2 + c x ( 盘+ k ) ( 3 9 ) 萁孛鑫为镑差，致麓搂毂瓤噪声。 伪躐差分的优点：綦准站提供所有卫星的改正数，用户接收机观测四颗 任意卫鼷，就可以竞戚定位。因摄供的是肇t 和和改正数，可满足 r k m s e - 1 0 4 标准( 潮际海事无线嘏委员会) ；缺点是：差分耩度随基准站 到用户的距离增加而降低。 3 载波稳住差分厥矮 位鬟箍分和伪距煮分，都能满嫩米级定位精魔，已广泛成用于导航、水 下测量替。而载波相像差分，可使实时三维定位精度达到厘米级。 载波鞠位差分技术又髂r t k ( r e a l 墨翔e 磁# e 搬鑫l e ) 鼓术，是实对照瑾 两个测站载波相位观测爨的差分办法。载波相位麓分方法分为两类，一类是 修正法，另一类是差分法。所谓修藏法，即将基准站的载波相位修正至发送 给用户，改歪鼹户接收到载波稳经，褥鼹求坐振。鹱诿差分法瑟蹩将基准蘩 北京交通大学硕十学位论文 全球定位系统( g p s ) 采集的载波相位发送给用户，进行求差，解算