（交通信息工程及控制专业论文）基于DGPS技术的铁路车站调车作业监测系统设计.pdf

中文摘要 摘要： 本文的主要目的是解决目前编组站普遍存在的调车机日常作业情况无记录、 无监管，导致调车机使用效率不高以及车站查标工作手段落后，记录数据不准确 的问题。 首先，本文从技术和经济两方面论述了调车作业监测系统采用d g p s 技术方 案的可行性。在继承前人成果的基础上，介绍了g p s 技术、r f i d 技术和相关的铁 路背景知识。并根据市场上现有的产品和潜在用户的调研情况，确定了系统的需 求。 随后，本文提出了d g p s 车站调车作业监测系统的设计方案，包括设计目标、 设计原则、系统环境、系统软硬件结构等。其中系统硬件由中心监测系统、d g p s 基准站、d g p s 移动站、g p s 移动手持机组成。在此基础上，设计了主要由数据处 理模块、中央处理模块和功能模块组成的软件系统，并在理论上实现了g p s 定位 数据的采集、存储，地图匹配，作业计划匹配和告警等功能。 在说明了系统数据流图和数据结构之后，本文对系统无线通信方式、c a d 车 站站场地图到电子地图的转换、电子地图控件选择等关键问题做了详细的分析。 关键词：d g p s ：调车机；调车作业监测系统；定位精度；编组站 分类号：u 2 9 3 9 ；t p 3 0 2 1 i l ! 銮堑厶堂亟童堂笾逾塞曼s ! 歉要! a b s t r a c t a b s i r a c + i 。： 懿1 em a 纽舻零o s eo ft 赫s 镬s s e r 瞧t i o ni st os o l v e 幽ep r o b l e m st h a t 协es h u n t i n g l o c o m 砸v e si nm o s tm a r s h a l l i n gs t a t i o n sw i t hn or e c o r do rn 0s u p e r v i s i o ni nd a y t o * d a y o p e 斌i o n sc a u s e st h ei n e 接e i e n tu s eo f 吐l es l t i n gl o c o m o t i v e s ，鞣dt h eb e 毡n 馥艄d m e t h o do f t i l ec h e c k i n gt h es t a t i o n so p e r a t i n gs t a n d a l d sc a u s e si n a c c u r a t ed a t a f i r s t ，娃d i s c 珏s s e st h et e e 量l n i e a l 褫de c o n o m i cf e a s i b 遁t yf o rt 量l e 豳u n t i n gm o n i t o f i n g s y s t e mt ou s ed g p st e c h n o l o g y 0 nt h eb a s i so fi n h e r i t i n gt h ea c h i e v e m e n t so fr e s u l t s ， i ti 难r o d u c e s 也eg p s ，r f l d ，a n do t 狳rr e l a t e dr a i i w a yt e c b o l o g y 瞩em a r k 醴d e m a n d o ft h i s s y s t e mi sf i n a 王l ys e td o w nt h m u g hi n v e s t 垮a t i o na n dr e s e a r c hc o n c e m i n gi t s p o t e n t i a lu s e r sa n da v 矗i l a 班es i m 呈l a rp r o d u c t s 。 s u b s e q u c n t l y ，i tp r e s e n t st h ed e s i g no fd g p s _ b a s e ds h u i l t i n gm o n i t o r i n gs y s t e m ， i n e l u d i n gd e s i g i lo b j e c t i v e sa n dp 纛n c i p l e ，s y s t e ms o 慨镌a r d w a r ea n 蘸f e q 谢r c d e n v i r o n m e n t ，e t c t h es y s t e mh a r d w a r es 仃1 t u r ec o n s i s t so fc e n t e rm o n i t o r i n gs y s t e m ， d g p sb a s es t a t i o n ，d g p sm o b i l es t a t i o na n dg p sm o b i l eh a n d s e t o nt h i sb a s i s t h i s d i s s e r t a t i o nd e s i g n st h es o f t w a r es y s t e mw h i c hc o n s i s t so f 也ed a t a p m c e s s i n gm o d u l e ， t h ec e n t r a lp r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h ef 妇c t i o n a lm o d u l e s ，鞠dr e a l i z e sg p sp o s 雏o n i n g d a t ac o u e c t i o na n ds t o r a g e ，m a pm a t c h i n g ，o p e 删o nm a t c h i n ga n da l a r mf u l l c t i o n s t h e o r e t i c a l ly a f t e re x p l a i n i n gt l l es y s t e m sd a t as t r u c t u r ea 王1 dd a t an o wd i a g r a m ，m i sd i s s e n a t i o n a i l a i ”e st 圭l ek e yi s s u e so fs y s t e mw i e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e ，c o n v e r s i o n 蠹o me a d s t a t i o nm 印t oe l e c t r o n i cm 印，a n do p t i o n so fe l e c t m n i cm a pc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：d g p s ；s b 硼t i n gl o c o m o d v e ；s h u n t i n gm o n i t 砥n gs y s t e m ：p o s i t i o n i n g a c c l l r a c y ；m a r s h a l l i n gs t a t i o n c l a s s n o ；u 2 9 3 9 ：t p 3 0 2 j 致谢 本论文的工作是在我的导师徐悦老师和戴钢老师的悉心指导下完成的，两位 老师严谨的治学态度和科学的工作方法使我终身受益。老师平时对我提出的高标 准和严要求，使我能够以严谨而认真的科研态度从事科学研究工作；同时老师的 忘我敬业精神也将是我在以后的学习和工作过程中最好的榜样；不但如此，两位 老师还在生活上给予了我极大的关怀和帮助。在论文完成之际，衷心感谢三年来 徐悦老师和戴钢老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，朱国辉、白洁、王宇罡、陈帅、高菲等同学 对我从事的研究工作始终如一地给予了无私的配合和热情的帮助，本文的最终完 成也有他们很大的功劳，谢谒 。 我还要感谢多年来一直关心我的老师、同学和亲友，尤其是电子信息工程学 院0 4 电信网管班和网络管理研究中心北2 0 3 实验室的兄弟姐妹们，我不能没有他 们的支持。 我晟应当感谢的自然是我的父亲母亲，他们永远是我最峰实的后盾，无论遇 到什么困难，父母总是会站在我身后，峰定的支持我、鼓励我，我爱你们。 趣立 奎 适厶坐亟土堂缎迨塞缝途 l 绪论 1 1课题的背景和意义 l 。1 1背景 党的十六大提出：“信息化是我国加快实现工业化和现代化的必然选择。鼹持 以售惠纯带动工业纯，以工业诬捉避信患纯，走出一条秘技含量毫、经济效益好、 资源消耗低、环境污染少、入力资源优势得到充分发挥的新型工业化路子。”铰路 运输作为国民经济基础性产业，大力推进信息化，对于实现铁路跨越式发展具有 分重要懿黎义。 近些年束，铁路系统作为国民经济的重鬻环，正面临着严峻的考验，急需 ”创铁路改革新局面。铁路部门在不断强化优质服务和市场意识，狠抓服务质澄 黪曩黠，逐澎意识到魏襞想发震，不仅嚣要在产晶，设繁、羧务上谋求对篆，嚣 臆更应重视强化管理，大练内功，向管理要效益。只有不断提高自身管理水平， 才能进一步为促进铁路运输主业发展做出积极贡献。 1 1 2意义 铁路车戆笼其是缡缀漤是铁路基本豹瞧是竣重要懿袋产单疰，它黥主要矮务 怒对进入本站的大部分货物列车邂行解体和编组作业( 改编作业) ，它集中了岛运 输有关的各种技术设备，参与整个运输过程的备个作业环节，影响着整个铁路网 瓣透过戆力，是铁路运羧内都生产豹重要薹艨擎位。嚣懿，骞效蟪遮嗣车站各秘 技术设备，蹙保证完成运输任务，加速货物邀达，降低运输成本，提高劳动生产 率，有效地运用机车车辆的关键。车站调车机的工作质缝与车站技术作业效率、 终娃安全、孥骥躅转等骞着密甥豹联系。久翻螫馁过凝磺豹统诗，巍车辘戆金躅 转时间内，车辆在车站的作业与停留时间约占6 0 左右，而车辆在技术站的作此 与停留时间又占在站停留时间的6 0 左右，这些数字表明了优化车站的组织工作、 褥燕箕技本零平，茏冀跫改进璃车辍翁壤弼方法其毒极为篷要弱意义。 1 2 本文要解决的问题 j e 瘟 意适 杰堂亟 圭 堂健途塞缝盈 1 2 。l对调车毫琏像韭情况的分辑 调车作业是车站工作组织的中心环节，是铁路运输过程的重爱组成部分。良 好豹调车王捧组织对于车避蹶穰瓣宠成上缀下达豹调度工箨疆、班计划，按辩接 发列车，完成货物装卸和车辆检修任务，保持车站势然有序、高教的工作状态， 实现安全生产，降低运输成本起鬻关键的作用。 嚣馥，车弦调车终泣魏日常豢理工终存在不少瓣题，灞车 乍戴自动毙稷淡还 比较低；对调车杌的二【= 作不能实现实时、有效地监测，调车机工作数据不熊及时 准确采集、上报，导致调车现场在有人和无人监管的情况下调车机工作有很大的 不同。这不旋达嚣嚣耱铁路痿患像戆要求，不毙潢跫俊矮、毫效的运戆生产管理 的需要。我们非常迫切的需要一种新的管理工具来改变这种落后状况。 1 2 ，2霹奎耘王俸约改进 车站技术作业避程和能力是车站行车工作细则( 简称站细) 的重要组 戏帮分，它不毽是秘强车筵基磁王终、摆嚣车弦弱豢生产活动懿爨要技本文终， 而且也是编制列车编缀计划、列车运行囤、技术计划和运输方案的重要依据，它 还是车站技术设备改扩建的重要依据。 查定车涎毅本 筝娩遂翟翻能力( 逶鬻豫必奁耘) ，怒皴拳菇必须送行豹一磺基 础工作。当车站进行较大技术改造，列车组织方式发生变化，牵引定数发生变化， 车站作业缀织方法改变等情况时，都必须进行查标。通过作业过稷的查定，可以 踅热辩学豹缝绦各矮侮数，更燕会理毒效豹运蘑各项技术设备，鬈蒡l 更囊送戆劳 动组织方法，保证车站运输任务的完成。通过查定能力，可以摸清设备利用情况， 发现设备存在的薄弱环节，以便采取改进措施，满足逡输生产的需要。 嚣裁缝织一次擎鳐奁标工 萋，在写实黔毅嚣投蠢王终量豹大夺裁立若予专遵 写实小组，般需要几十人，实行三班制，笼论现场条件如何恶劣，必须实攀求 是、一丝不萄的如实漾点记录作蚍全过程，历时一般不应少于3 攫夜。写实阶段 宠液蜃，壤豢写实瓷辩，交备缝长按设定豹袭撂送嚣分类整理，汇蕊，霉蠢王缮 领导小组集中分析计算，初步拟定标准，通过研究调熬，最后确定标准。整个查 标过程，既耗费了大擞的人力、物力、财力，又难免会因为写实人员疲劳、疏忽 等因素导致帮分遮录数据不疆确，影确查标缝渠。我键震要一耱耨鹣工其采代替 这种传统的人工作业方式，提高爨标工作精度和工作效率。【4 】 1 3 可行性分褫 2 j e塞 蜜适 盔翌亟 土堂斑迨塞缝淦 1 3 1技零可纷性 g p s 信号从卫星传到地面接收机的过程中，带来了多种误差；另外由于人为 戆于抗，导致普通接收方式定位壤度不蠢，达不到车站调车辊豹定经精度要求。 为了解决这个问题，系统采用载波相位测量嫠分技术，解算出伪距改正数。载波 相位测量是测定g p s 载波信号在传播路程上的相位变化值，以确定信号传播的距 辩。若设l 跫鬟s 至接收鸯琏豹距鬻免p ，剩： p = ( n + o ) 式中凡一载波波长；n 一载波相位的整周部分；中一不足一周的相位小数部 分。 由于载波频率高( l l 1 5 7 5 4 2 m ，l 2 = 1 2 2 7 6 m h z ) ，波长短( 产1 9 0 5 c m ， 2 = 2 4 4 5 c m ) ，载波柏位测量的测量精度可以达到很高。目前，测地型g p s 接 收壤鼹载波稳位溺量赣波般为厘米缓，甚至毫米缀。 伪距改难数经调制精，通过无线方式向站内d g p s 接收机发射。这些伪躐改 萨数包括卫攫星历误差，电离层、对流层延迟误差等。由于各调车机安装的d g p s 接收辍与d g p s 基准站接收瓤挺叛毅只有凡公鹭羲曼遴，它爨足乎具有楣翳豹 伪距改正数，所以，车载d g p s 能测出很准确的即时位鬣( p p o s ) 。科 l + 3 2经济霹 亍瞧 l + 3 2 1成本分析 整个d g p s 车站谲率作韭益溯系统的投入主要分戳下几个方露： g p s 设备投入 包括g p s 接收机、天线等设备，系统按一个基准站，六个移动泌( 调车税) 醚黉，郎七台g p s 接收机，需8 万元左右。 r f i d 设备投入 包括射频卡、阕读嚣等设备，壤攥实际悸援决定设备选型，约鬻3 万元。 网络毯础投入 包括中心监测系统的网络设备、主机设备簿，需4 万元左右，也可利用既有 设鍪，降低投入。 数搦绎系统投入 根据实际情况决定数掘库软件的投入，也可使用免费的数掘库软件。 应援系统投入 3 丝壶銮遭厶堂亟 望焦途塞绪 诠 主要是系统的开发费用，预计1 0 万元左右。 系统维护投入 包括系统的长期维护管理，软硬件维护，人员投入等。 综上所述，整个系统的投入大概在2 5 万元左右。 1 3 2 2效益分析 使用本系统，效益主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 车站调度员能够实时掌握调车作业进度和现场状态信息。 ( 2 ) 记录调车机日常工作情况，使调车机的使用情况有案可查。 ( 3 ) 根据记录分析调车机运用情况，改进作业方法，提高工作效率，最终提 高车站能力。 ( 4 ) 为车站查标作业提供一种科学的手段，使记录准确，避免错误，还可降 低工作强度，改善查标工作人员劳动条件。 根据以上两个方面，可以得出结论，利用基于d g p s 技术的铁路车站调车作 业监测系统改进车站调车机的运用情况，经济合理，方案可行，可以进行下一步 的系统需求分析、设计研究工作。 4 宝塞丝厶堂亟堂位论塞查逑墼翅苤基型塑望l 2 本课题相关基础知识 2 1g p s 技术 2 1 1g p s 发展历史及现状 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n m gs y s t e m ) 简称g p s ，是美国在上世纪七十年 代初“子午仪卫星导航定位”技术上发展丽成的当今世界上精度最高的一种第二 代星基被动式无线电导航定位系统，可以全天候在全球范围( 陆地、海洋、航空 与航天) 内为移动目标和固定目标连续提供高精度的位置定位信息和精确时间信 息。1 9 7 3 年美国国防部批准成立联合计划局，正式展开对g p s 的论证和研究工作， 经历2 0 年、耗资3 0 0 多亿美元，1 9 8 6 年进入实用组网阶段，至1 9 9 4 年7 月，系 统全部完成。 g p s 由三大子系统构成：即空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。 空间卫星系统 空间卫星系统由均匀分旆在6 个轨道平面上的2 4 颗( 其中3 颗为备用) 商轨 道卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为5 5 度，轨道平面间距6 0 度， 在每一轨道平面内，各卫星的问隔为9 0 度。g p s 空间卫星的这种分布方式，可以 保证在地球上的任何地点都能连续同步地观测到至少4 颗卫星，从而可提供三维 ( 经度、纬度、高度) 空间定位。 每颗卫星都配置有精度极高的原予钟( 3 0 万年误差仅为1 秒) 、伪随机码发生 器、导航文件存储器及收发信机。发信机在无线电波的l 波段的两个频道上 ( 1 5 7 5 4 2 m h z 及1 2 2 7 6 0 m h z ) 发射伪随机码扩频调制的无线电信号。导航电文 包括卫星的轨道参数、卫星星历、卫星星钟、电离层传播时延及时钟修正参数等 数据。 地面监控系统 地面监控系统由均匀分前j 在美国本土和三大洋的美军基地上的五个监测站、 一个主控站和三个数据注入站构成。这些子系统的功能是：对空间的卫星系统进 行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。 主控站是整个g p s 系统的核心，它的功能是为全系统提供时问基准；监视、 控制卫星的轨道：处理监测站送来的各种数据；编制各卫星星历；计算和修正时 钟误差及电离层对电波传播造成的偏差；当卫星失效时及时调用备用卫星等。 监测站负责对诸卫星进行连续跟踪和监视，测量每颗卫星的伪距和距离差， 熬塞窑旗叁堂塑堂篷论塞奎透壁担蒸塞蕉塾滋 袋集气象数援，著将鼹测鼗据转送绘主控羹遴行处理，五个篮控臻搀为乏久餐守 的数据采集中心。 数掘注入站负责在卫星飞经上空时将有关信息和指令发往卫星，并检验其输 入售息是否委雅。每颥翌星每天至少注入一次数据，受毅露魏数据必簇二天运行 掇供最新的腿星参数及时钟参数，并纠正卫星的姿态，确保g p s 系统处于良好的 工作状态。 翅户搂段系统 用户接收系统主要融g p s 卫星接收机和g p s 数据处理软件构成。g p s 卫星接 收机的基本结构是天线单元和接收雌元两部分。天线单元的主要作用是：当g p s 翌基扶建平线上舞起砖，襞攮获、跟踪里星，接牧敖丈g p s 整号。锻收摹元弱变 蒙作用是：汜录g p s 信号并对信号进行解调和滤波处理，还原出g p s 卫星发送的 鼯航电文，解求信号在站、星问的传播时间和泼波相位麓，实时地获得导航定位 数攘或采羁溺嚣楚理隽焱，获褥定纨、溺速、匙霹鼗摆。g p s 数据缝理敦转载主 裂功能是对g p s 接收机获取的卫星测量数据谶行“粗加工”、“预处理”，并对处理 结果进行计算、坐标转换及分析综合处理，解得测站的三维坐标，测体的坐标、 运动速疫、方淘及精确瓣捌。 需要说明的是，在2 0 0 0 年5 月以前，美阐为了自身的利益，防成非军事用户 和其他国家冉勺军事部门利用g p s 进行准确定位，其向全世界开放的只是定位精度 袋氮戆粳玛( 瑟c 疆强，定位误差程5 g l o e 添) ，瑟裹耩菠繇( 帮p 羁，定经精 度可达5 米以内) 不公歼，这一政策彼称为选择可用性( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t r s a ) 保护。为了抵消s a 保护带柬的误差，民用用户在需要更高精度的精确定位 游，一般采怒差分( 谬s ( d g p s ) 液零。 2 0 0 0 年5 月1 日美国停止对g p s 卫星实施s a 技术之后，大大掇高了单点定 位的三维位簧精度，已经可以达到1 5 米左右。如果采用藏分g p s 技术，精度更可 敬疆毫囊疆簇寒毅。 目前，以荚国的全球定位系统为代表的卫臌导航应用产业已成为国际公认的 八大无线产业之一，同时也是三大信息产业之。 我藿6 零s 应臻经遥逡足年豹袋装，取褥了长是熬遴多。趿丈缝溺耋鸯关兹主 裂部门和单饶几乎都有g p s 高精廉定位接收机。相当大部分的渔船和其他类型船 只安装了g p s 导航接收机。目前全闼有数百个车辆跟踪网络，入网车辆有几十万 辚( 主要是褥耱车赣) 。旋港霜集装籍码头、辘场缝瑟警骥、大型疆凝彩交溺鬟麓 领域g p s 技术都有十分懑要的应用。【6 j 【7 l 【8 1 2 。l ，2g 黔定位爨淫 6 e 鏖塞道厶堂亟堂僮逾塞奎送壁擅羞蕉趟塑迟 2 1 2 1 基本定位原理 g p s 卫星定位系统定位的基本原理是延时测距，通过测量四个已知位置上信 号传播的延迟时间，确定四个已知位置至用户的距离，根据这四个测量距离解算 出用户的三维位置和用户与己知位置的时i 日j 同步偏差。g p s 定位方式大体有两类： 单点g p s 定位和差分g p s 定位( d g p s ) 。单点g p s 定位原理就采用的观测量而 言，分为伪距法和载波相位法。前者主要用于导航定位，后者用于精密大地测量 和可确定整周期模糊度情况下的动态测量。 假设t 时刻在地面待测点上安置g p s 接收机，可以测定g p s 信号到达接收机 的时间t ，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程 式： ( ( x l x ) 2 + ( y l y ) 2 + ( z l z ) 2 】1 陀+ c ( v t l v t o ) = d l f ( x 2 一x ) 2 + ( y 2 一y ) 2 + ( z 2 z ) 2 ”2 + c ( v t 2 一v t o ) = d 2 【( x 3 一x ) 2 + ( y 3 一y ) 2 + ( z 3 z ) 2 “2 + c ( v 3 一v t o ) = d 3 【( x 4 一x ) 2 + ( y 4 一y ) 2 + ( z 4 一z ) 勺“2 + c ( v f 4 一v t o ) = d 4 上述四个方程式中待测点坐标x ，y ，z 和v 。为未知参数，其中d i = c t i ( i = l ， 2 ，3 ，4 ) 。d i ( i - 1 ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 到接收机之 问的测码伪距。t i ( 诗1 ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星l 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的信 号到达接收机所经历的时间传播时延。c 为g p s 信号的传播速度( 即光速) 。 四个方程式中各个参数意义如下： x ，y ，z 为待测点坐标的空间直角坐标。x i ，y i ，z i ( i = l ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫 星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。 v i ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的钟差，由 卫星星历提供。v 。为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x ，y ，z 和接收机的钟差v t o 。【9 】 2 1 2 2 差分定位原理 根掘差分g p s 基准站发送的信息方式可将差分g p s 定位分为三类，即：位置 差分、伪距差分和相位差分。这三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。 位置差分原理 这是一种最简单的差分方法，任何一种g p s 接收机均可改装和组成这种差分 系统。 7 j t 塞交道厶堂亟堂焦途塞奎逯题担羞基型翅迟 安装在基准站上的g p s 接收机观测4 颗卫星后便可进行三维定位，解算出基 准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、s a 影响、大气影响、多径效应以 及其他误差，解算出的坐标与基准站的己知坐标是不一样的，存在误差。基准站 利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进 行改币。 最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫 星轨道误差、s a 影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和 用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在1 0 0 k m 以内的情况。 伪距差分原理 伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分g p s 接收机均采 用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的r ，i ms c 1 0 4 也采用了这种技术。 在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含 有误差的测量值加以比较。利用一个a b 滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然 后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。 最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位 精度。 与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距 离的增加又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基 准站之间的距离对精度有决定性影响。 载波相位差分原理 测地型接收机利用g p s 卫星载波相位进行的静态基线测量获得了很高的精度 ( 1 0 4 1 0 ) 。但为了可靠地求解出相位模糊度，要求静止观测一两个小时或更长 时问。这样就限制了在工程作业中的应用。于是探求快速测量的方法应运而生。 例如，采用整周模糊度快速逼近技术( f a r a ) 使基线观测时问缩短到5 分钟，采 用准动态( s t o pa 1 1 dg o ) ，往返重复设站( r e o c c u p a t i o n ) 和动态( k i n e m a t i c ) 来提 高g p s 作业效率。这些技术的应用对推动精密g p s 测量起了促进作用。但是，上 述这些作业方式都是事后进行数掘处理，不能实时提交成果和实时评定成果质量， 很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。 差分g p s 的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了导航、水下 测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、伪距差分相位平滑等技术己成功地用 于各种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术载波相位差分技术。载波 相位差分技术又称为r 1 1 k 技术( r e a l t i m ek i n e m a t i c ) ，是建立在实时处理两个测站 的载波相位摹础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。 b 立蛮道叁堂亟堂位途塞奎送壁担羞基亘| ! | 塑迟 与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信 息一同传送给用户站。用户站接收g p s 卫星的载波相位与来自基准站的载波相位， 并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。 实现载波相位差分g p s 的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分 相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐 标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准r t k 技术，后者为真正的r t k 技术。忡i 【7 j 州 2 1 2 3g p s 定位精度与主要误差 g p s 定位精度定义 精度：表示一个量的观测值与其真实值接近程度，一般以其误差予以描述。 对于g p s 卫星定位和导航而言，精度直观概括为所测定的载体的航位点和实际点 之日j 的误差值，即真实点和测量点之间的距离值。一般情况下多用以下的几种方 法进行定量表达。 均方根差( r m s ：r o o tm e a ns q u a r ee r r o r ) ：又称为中误差，它的探测概率用 置信椭圆或置信椭球来表述，置信椭圆用于二维定位，椭圆圆心是真实值坐标， 椭圆的长短半轴分别表示二维位置坐标误差的标准差( 经度方向o x 和纬度方向 o ，) ，两个轴具有独立的误差概率，如果标准差取为一倍标准差( 1 d ) ，则胃信率为 o 6 8 3 ，取二倍标准差( 2 0 ) ，则置信率为o 9 5 5 ，也就是说总测量值次数的6 8 3 或9 5 5 落入到该椭圆内，一般文献多以( 1 a ) 为主。置信椭圆两个轴不等长，一 般使用较为繁琐，所以实际中二维定位精度使用距离均方根差代替置信椭圆表示。 距离均方根差( d r m s ：d i s t a i l c er o o tm e a l ls q u a r ee n d r ) ：距离均方根差是 置信椭圆长短半轴的平方和的平方根，表示如下： d r m s = ( + ) 彪 距离均方根差几何表示就是一个圆，落入该圆误差范围内的概率不是常数， 当魂吼取不同值时，概率值在o 6 3 2 一o 6 8 3 之间变化，距离均方根差又叫做圆径 向误差。 圆概率误差( c e p ：c i r c u l a re r t d rp m b a b i l i t y ) ：圆概率误差和距离均方根差形 式上有些类似，都是用圆表示误差区域，但是测量值落入圆概率误差范围内的概 率是常数，这点和均方根差是一样的。c e p 的含义是以在接收天线真实位置为圆 心的圆内，有5 0 的测量值落入其中，具体表示如下： c e p = 0 5 9 ( a x + 唧) 当置信概率为o 9 5 时，圆概率误差用符号r 9 5 表示如下： 9 e 壅窒垣厶堂亟堂垃迨塞查逯壁塑苤基础翅迟 r 9 5 = 1 2 2 7 2 ( o 。+ 仉) 当置信概率为o 9 9 时，圆概率误差用符号r 9 9 表示如下： r 9 9 二= 1 5 2 2 2 ( o x + o 。) 导航界较为广泛使用圆概率误差来描述定位精度，在车辆导航和定位领域中 绝大多数是二维定位，而对三维位置而言，则可用球概率误差来表示。具体各类 接收机对于产品的指杯如何定义，则要查看使用手册，而各类误差之1 1 日j 可以进行 换算。 表1g p s 定位谡筹的相关系数 r m sr m s2 d r m sr m s ( 1 d ) c e p ( 2 d ) r 9 5 ( 2 d ) s e p ( 3 d ) ( 2 d )( 2 d ) ( 3 d ) r m s lo 4 4 o 5 3 0 9 11 11 1 o 8 8 ( 1 d ) 11 2 2 12 42 5 2 oc e p ( 2 d ) r m s l 1 7 2 o 2 1 1 7 ( 2 d ) 11 21 20 9 6 r 9 5 ( 2 d ) 2 d r m s l1 1o 8 3 ( 2 d ) r m s lo 7 9 ( 3 d ) 1s e p ( 3 d ) 如已知r m s ( 3 d ) 为6 m ，求c e p ( 2 d ) ，查表得系数为2 5 ，则c e p ( 2 d ) = 6 2 5 = 2 4 m 。 g p s 定位主要误差分析 在g p s 定位中，影响定位精度的主要误差来源于以下三个方面： ( 1 ) 空间卫星的误差 主要是卫星时钟误差、卫星星历误差和卫星设备延迟误差。 卫星时钟误差 g p s 测量定位实质上是一个测时一测距定位系统。从而，g p s 测量定位精度 与时钟误差密切相关。为此，g p s 测量均以g p s 时间系统为统一标准，该时间系 统由g p s 地面监控系统确定和保持。为了保证卫星时钟的高精度，各g p s 卫星均 装置高精度的原予钟，但它们与g p s 标准时之间仍存在有偏差和漂移。其偏差总 量在o 1 一l m s 以内，由此引起的等效距离误差将达3 0 3 0 0 k m ，因此，必须予以 精确的修正。经过钟差改正后，由此引起的等效距离误差将不超过6 米。 卫星星历误差 g p s 卫星导航电文中的广播星历是一种外推的预报星历。由于卫星在实际运 l o e 宝窑适厶堂亟堂僮迨塞奎逯壁担差垄趟筮迟 行中受多种摄动力的复杂影响，故预报星历必然有误差，一般估计由星历计算的 卫星位置的误差为2 0 一4 0 m ，随着摄动力模型和定轨技术改进，工作卫星的位置 精度可能会提高到5 1 0 m ，g p s 测量定位是以卫星位置作为已知的基准值，来确 定待定点的位胃，因此，广播星历的误差严重的影响定位精度。卫星坐标误差引 起的距离误差约等于卫星各坐标误差的平均值。因此，单点绝对定位精度受星历 误差的严重影响。另外，星历误差是一种系统性误差，不可能通过多次重复观测 来消除，所以，研究消除星历误差的影响，是当前应用g p s 的一个重要课题。 ( 2 ) 信号传播中的主要误差 信号传播中的误差主要有电离层传播延迟、对流层传播延迟误差和多路径效 应误差。 电离层的延迟误差 电离层是高度位于5 0 1 0 0 0 k m 之间的大气层。由于太阳的强辐射，电离层中 的部分气体分子将被电离而形成大量自由的电子和正离子。当电磁波信号穿过电 离层时，传播速度会发生变化，所以信号传播时间乘以真空中的传播速度c 就不 等于信号的实际传播距离，从而引起测距误差。此误差称之为电离层延迟误差。 电磁波在电离层中产生的各种延迟都与电磁波传播路径上的电子总量有关。电离 层中的电子密度是变化的，它与太阳黑子活动状况、地球上地理位置的不同、季 节变化和不同时l 日j 有关。据有关资料分析，电离层电子密度白天约为夜间的5 倍， 一年中，冬季为夏季的4 倍，太阳黑子活动最激烈时可为最小时的4 倍。 对于电离层延迟的影响，可以在导航电文中提供电离层改萨模型，该模型一 般用于单频接收机，用目自u 所提供的模型可将电离层延迟影响减少7 5 ，或者利 用双频接收机减少电离层延迟。 对流层的传播延迟误差 对流层是高度为4 0 k m 以下的大气层。由于其离地面近，所以大气密度较电离 层的密度大，且大气状念随地面的气候变化而变化。电磁波通过对流层时，传播 速度将受剑大气折射率影响而产生变化，从而引起传播延迟。 减少对流层折射对电磁波延迟的主要方法是实测地区气象资料，利用模型进 行改正，这样可减少对流层9 2 一9 3 的误差。或者利用相对定位的方法也可满足 要求。 多路径效应误差 在实际的g p s 测量中，接收机天线除接收直接来自卫星方向的信号外还接收 到其它物体反射回来的信号。因此，接收的信号是直射波和反射波产生干涉后的 组合信号。由于直射波和各反射波路径不同，从而使信号变形产生测量误差，称 为多路径效应误差。 飙壅銮巍叁堂亟堂焦途塞奎潺堑叠熬羹熊翅遮 在实际测塞串应注慧采数适当鹣疆麓叛削弱多鼹经效旋熬影镌，圭要方法窍： 观测站的地址应选择在檎被较好的地方，要避免邻近有大面积的平静水面，不鬻 选在山坡上，要离开建筑物；天线的下面可以设置一个半径大于4 0 c m 的抑径板， 戳疆挡爱射波；臻毂爹l 天线设诗为恚凌疆极化必线，对莰瓣波寿撩剿 錾臻， ( 3 ) 接收杌的有关误差 接收机的主要误差趄测距码的分辨误差和测量噪声。分辨误差取决于码元的 瓷建，逶露认为可这码元宪瘦兹l ，l o ，毽她，p 璐霾e 趣秘躲分辫误麓分剩隽0 3 m 和3 o m ；测髓噪声涉及的因素较多，主要取决于接收机质璧、信号黼质( 码特性、 调制方式、信噪比等) 和码元宽度簿。一般估计p 码的测擞噪声为l 。5 m 左右，e a 鼹为7 0 m 是右。揍牧_ 揆i 镑差在定霰孛 筝秀靖定参数隶瓣，魏楚霹不予蹶及。 s a 政策的取消 2 0 0 0 年5 月1 日下午，美国政府发布政府文告，宣布自2 0 0 0 年5 月1 日午夜 开始取滇s a 教蓑。s a 黢策懿嚣豹跫降繇嚣黪诲矮户g p s 定位定对鹣壤凄，这 政策7 f 始干1 9 9 0 年3 周2 5 同，由于这一政策的实施，民用定位的精度大幅度降 低，在9 5 的时间内，水平定位的精度为1 0 0 m ，高程定能的精度为1 4 0 m ，定时的 精度为3 # s ，g p s 系统翡霹始设谤并不包含s a 政策。7 e 年鼗豹镑始试验殓较， 笈现c ，a 码实际定位的精度远远超过系统设计的不好予1 0 0 m 的精躞，为此，美国 网防部对标准定位服务( s p s ) 采用了e 技术和s 技术，故意降低卫撼钟和轨道的 赣度，蓑 # 姆诲蘧户錾定位耩度鬻至1 0 0 m 。s a 袭策联溪麓，至星镑鞠软道教入建 误差消除，标准定位服务提供的定位精度回到3 0 m 左右的水平，s a 政策的取消， 大大提高了单机定位的稽度，导航测量不必采用差分的方式，一般的城市和乡树 豹车辆完全露爨采弼攀撬模式送行簿靛。 根据以上分析，现将各主要误整所引起的伪距测量误差，列予下表： 表2 伪距测量的主瑟误差 彦号误差源锈鼯误差 一、空间卫麒p 码( m )c a 码( m ) l 卫星时钟钟麓及稳定性a l 3 o3 o p f 2 星星历误麓锨 5 o5 0 二、信号传播 3 电离层延迟a 3 2 。o5 o l o o 4 辩滤层延迟龇 1 o 1 o 5 多路径效应a s 1 o1 0 三、接收机 6 分辫误差 o - 33 o b 宝銮适厶堂亟翌僮迨塞奎逯壁担苤基趟塾迟 7 测量噪声0 7 1 57 0 总误差： o = ( 0 1 2 + 0 2 2 + 田2 + 砰+ 0 5 2 + 0 6 2 6 51 0 9 一1 3 9 + a 7 2 ) 尼 从表中可以看出，p 码伪距测量误差为6 5 m 左右，c a 码伪距测量误差为1 0 9 1 3 9 m ( 距离均方根差d r m s ) ，若位置定位精度( p d o p ：p o s i t i o nd i l u t i o no f p r e c i s i o n ) 为2 5 3 o ，则定位点精度的距离均方根差d b m s 为： p 码：d r m s p = p d o p d r m s = 1 6 2 1 9 5 m c a 码：d r m s p = p d o p d r m s = 2 7 2 5 3 2 7 m 所以伪距测量的标称精度，p 码为1 6 m ，c ，a 码为3 0 m 。1 1 0 j 2 1 3g p s 技术在铁路方面的应用 在铁路测量中的应用 在铁路实际测量工作中，主要应用g p s 的静态和动态两大功能。静态功能是 通过接收到的卫星信息，确定地面某点的三维坐标。动态功能是通过卫星系统， 把已知的三维坐标点位，实地放样地面上。随着r t k 技术的不断完善，g p s 技术 被应用在铁路测量的初测和定测阶段。初测的主要任务是根据图上选定的线路布 设初测导线和水准点，并施测1 ：2 0 0 0 带状地形图。定测是根掘仞测导线点和水准 点，将初步设计在图纸上的线路测设到实地上，并结合现场情况确定线路的位置。 g p s 定位技术以其精度高、速度快、费用省、操作简便等优良特性被广泛应用于 铁路测量中，特别是在铁路的初测阶段， 尽合理，但其精度却足以满足规范要求。 图纸上已经设计好的线路走向及桥、涵、 尽管铁路为线形工程，使得g p s 网形不 而定测，就是运用g p s 的动态功能，把 隧道等工点，实地放样到地面上。目前 在青藏铁路建设中我国首次在铁路工程勘测、施工中运用g p s 的动态功能进行定 测。经过多次的复测验证，g p s 技术定线测量的精度可以完全满足铁路建设的精 度要求。这一新技术的应用可以大大节省人的体力，在保证勘测质量的前提下， 保证勘测工作如期完成。 在铁路铺轨作业中的应用 铁路铺轨作业在安全上可谓空白，进行铺轨作业的机车除一台无线电话外， 没有任何安全装备。由于正常行车组织系统( 如机车信号，地面信号，监控装置、 列车调度系统等) 均没建立起来，铺轨作业中往往都是大区间，站场间双向运行， 行车调度完全依靠传统的无线对讲机进行行车指挥。虽然有施工封锁，但由于安 全保障系数小，经常容易发生挤分，脱线，追尾、撞车等事故。应用g p s 后，机 b 塞銮道厶堂亟堂僮趁塞奎逯壁揎苤基趟塾迟 车装备的g p s “车载终端”通过不断接收g p s 信息，实时计算出列车的位置和速 度，并将定位信息、速度信息，时问信息及其他信息传递给调度中心的g p s 监控 中心。计算机通过“地理信息系统”( g l s ) 将列车的实时位置显示在电子地图上， 这样指挥中心就对区间和站场中的列车一目了然。再根据要求发出调度指令或近 距离列车的报警信号，实现铺轨作业的机车语音通信与g p s 报警的双保险功能， 保证铺轨作业的有序可控。站场调车作业与此相似。 在救援列车上的应用 在救援列车和机车上安装g p s “车载终端”后，当机车出现故障或发生事故 后，将信息传递给调度中心或救援列车的g p s 监控中心。计算机通过g i s 将事故 列车和救援列车的实时位置显示在电子地图上，通过g p s 定位和监控管理系统可 以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息 和报警目标，规划出最优援助方案，并以报警声光提醒乘务员进行应急。当救援 列车进行救援时，以往虽然有防护设备( 响墩等) ，但也经常发生撞车事故( 尤其 在恶劣气候下，如大雾等) ，不但不能及时救援，反而扩大了事故。安装g p s 后就 可以将救援列车和事故列车的实时位置、速度、机车号等信息实时传送到调度中 心，并可得到接近距离数据和报警信号提示等，使救援工作准确及时，并提高了 安全系数。 在高速安全保障中的应用 我凼铁路第五次大提速中，京广线客车最高运行速度可达1 7 0 k 1 l l 。为确保列 车高速行驶安全，在牵引机车上安装采用最新通信技术的g p s 全球定位系统、无 线通信列车调度系统和无线车次号系统，两种通信系统的联合构成g p s 安全报警 系统，使列车在高速行驶的条件下通信联络畅通、定位准确，大大提高了高速铁 路行车的安全性。 在铁路物流中的应用 g p s 计算机管理信息系统可以通过g p s 和计算机网络实时收集全路列车，机 车、车辆、集装箱及所运货物的动态信息，实现列车及货物的追踪管理