列车调度通信系统毕业论文.doc

摘 要 铁路是一个国家国民经济运行的大动脉 通过信息技术增强铁路行业的竞争实力 是使其扭亏为盈 迎接新世界挑战的基础和前提 铁路是一个庞大的企业 包含了运 机 工 电 车辆等专业部门 各部门之间围绕铁路运输协同运作 为保证部门之间 信息畅通 指挥列车运行和编解列车 因此铁路需要一套完整的专用通信 列车开行时 为了避免撞车 需要实现行车顺序的控制 现在的信号系统是采用区 间信号实现这一目的 随着通信和计算机技术的发展 使得行车控制可以考虑新方法 利用卫星进行定位 通过无线通信方式进行列车与基站之间的数据传输和控制 本文根据GPS定位技术的特点设计了行车定位系统 结合GSM R与地面以及列车之 间传输列车位置动态数据 设计出一种新的行车顺序控制方法 以较低的成本达到安 全保障 提高行车效率 改善经营管理 并实现联锁列控一体化 全线区间不设传统 的轨道电路 做到系统简单 现场设备少 维护工作量小 具有集中监测和智能化特 点 通过本论文的研究 为在铁路系统中实现列车的精确定位做出了具有积极意识的 探索 关键字 GPS GSM R 列车调度通信 列车自动控制 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 11 1 研究背景研究背景 1 1 1 21 2 国内外发展状况国内外发展状况 2 2 1 31 3 本论文研究的内容及意义本论文研究的内容及意义 3 3 第二章第二章 关键技术介绍关键技术介绍 3 3 2 12 1 GPSGPS 定位技术定位技术 3 3 2 22 2 我国我国 GPSGPS 北斗定位在铁路应用的主要领域北斗定位在铁路应用的主要领域 4 4 2 32 3 GSM RGSM R 技术技术 6 6 2 3 1 GSM R 的系统结构 6 2 3 2 GSM R 主要功能 7 第三章第三章 系统的定位方案和数据通信设计系统的定位方案和数据通信设计 8 8 3 13 1 系统的总体结构系统的总体结构 8 8 3 23 2 本系统的定位方案本系统的定位方案 9 9 3 2 1 GPS 在区间的定位 9 3 2 2 GPS 在站内的定位 15 3 33 3 本系统的数据通信方案本系统的数据通信方案 1616 3 3 1 车载计算机储存文件 17 第四章第四章 系统的优化及安全措施系统的优化及安全措施 1818 4 14 1 GPSGPS 定位的主要误差及消除办法定位的主要误差及消除办法 1818 4 24 2 保证数据通信可靠的措施保证数据通信可靠的措施 2020 总结总结 2121 谢辞谢辞 2222 参考文献参考文献 2323 0 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 研究背景研究背景 铁路是我国国民经济运行的大动脉 通过信息技术增强铁路行业的竞争实力 是 使其扭亏为盈 迎接新世界挑战的基础和前提 铁路是一个庞大的企业 包含了运 机 工 电 车辆等专业部门 各部门之间 围绕铁路运输协同运作 为保证部门之间信息畅通 指挥列车运行和编解列车 因此 铁路需要一套完整的专用通信 列车开行时 为了避免撞车 需要实现行车顺序的控制 现在的信号系统是采用 区间信号实现这一目的 随着通信和计算机技术的发展 使得行车控制可以考虑新方 法 利用卫星进行定位 通过无线通信方式进行相邻列车之间的数据传输和控制 全球定位系统 Global Positioning System GPS 为列车监控系统提供列车的 位置信息 他是以卫星为基础的授时与测距导航无线电导航定位系统 能为列车等诸 多移动站提供精确的三维坐标 速度和时间 是一种最直接 最经济 最可靠和最成 熟的技术 伴随着列车的一次次提速 我国铁路整体装备水平正在逐步提高 铁路对 系统的安全性要求更高 高速行驶中的列车各项信息要及时准确的传达 铁路的安全 生产 指挥调度与铁路通信的服务越来越密不可分 采用 GPS 就可以很好的解决这个 问题 讲 GPS 技术运用于铁路 列车调度系统便可高度掌握列车的运行位置 便于跟 踪监测 根据机车行车路线的具体路况 将相应的调度命令 对司机进行路况语音提 示 这样将大大提高机车的安全性 并缓解司乘人员作业紧张程度 将机车的位置信 息及时发送给铁路养护维修人员 从而有力地保证人身安全 同时旅客也可以知道自 己所乘坐列车的确切位置和前方车站的有关信息 GSM R 是铁路专用数字移动通信标准 它已得到欧洲议会的通过 并已有超过30 个成员国参加 GSM R 的优点是它具有ISDN 特性 可支持众多应用 包括多媒体业 务和调度作业 另外 它在欧盟各国铁路间具有互操作性和开发性 能有效利用资源 包括频点和网络资源 便于推广应用和维护 降低成本等优势 GSM R是从GSM网络上发展起来的 作为中国铁路新型的通信产品已经被广泛的应 用于中国铁路通信系统中 比较典型的就是中国自主开发的青藏线铁路通信的应用 为中国铁路通信信号技术的发展提供了一个成功的范例 1 采用 GSM R 无线通信技术实现了信号安全信息车地双向传输 采用 GPS 和 EOT 设备 不 设轨道占用检查设备 实现了列车占用检查和完整性检查 采用 GPS 差分定位技术提高 了列车的定位精度 满足了高速行车和虚拟闭塞系统控制的安全需求 取消地面信号机 和区间轨道电路 实现了车站联锁和区间自动闭塞 全新的运输组织模式和维护管理方 式 实现了免维护 少维修的既定目标 1 21 2 国内外发展状况国内外发展状况 尽管有关铁路智能运输系统的概念是最近几年才提出的 但发达国家有关铁路智 能运输系统的研究已有 40 余年的历史了 并且在综合运营管理 列车运行自动控制 电子付费 紧急救援 安全监控等发面取得了很多成就 随着科学技术发展 定位技 术在交通运输领域的应用越来越广泛 目前可用的卫星定位系统有美国的 GPS 系统 俄罗斯的 Glonass 系统 我国自主研制的 北斗一号 导航系统 另外欧洲的伽利略 Galileo 卫星定位系统 目前针对铁路列车定位 隔火采用的方式有所不用 法国 ASTREE 系统采用多普勒雷达进行定位 北美 ARES PTC PTS 系统采用 GPS 进行定位 欧洲 ETCS 日本 CARAT 系统采用查询应答器和里程计进行定位 德国 LZBX 系统采用轨 间电缆进行定位 我国青藏线无线通信采用GSM R数字移动通信系统 可为铁路运输生产提供综合数 字移动通信平台 GSM R是目前欧洲铁路广泛使用的数字移动通信系统 中国铁路从 2003年开始引进GSM R系统 并把GSM R作为今后客运专线和京沪高速铁路无线通信解 决方案 青藏线是国内最先使用GSM R系统的铁路 2004年完成了西宁GSM R无线交换 中心和格尔木至不冻泉试验段GSM R工程 并于当年通过铁道部试验和测试 2006年青 藏线全线GSM R工程施工和Qos调试完成 青藏线GSM R数字移动通信系统在西宁和拉萨设无线交换中心 西宁 格尔木和拉 萨设网管中心 西宁设1套GSM R基站 站型S222 格尔木至拉萨沿线和车站新设GSM R 基站193处 站型O2 O1 构成双交换中心同站址冗余双网覆盖方案 弱场强区采用增 加光纤直放站和漏泄电缆以及射频直放站解决 青藏线GSM R数字移动通信系统能够实现列车控制系统 ITCS 数据传输 调度通 信 区间公务通信 工务 电务 供电 水电 机务 公安等专用通信业务 调度命 令和车次号传输以及其它铁路信息化 旅客列车服务信息 机车工况等铁路信息化等 的应用 青藏线GSM R数字移动通信系统技术标准和实现的功能达到国际先进技术水平 2 除了青藏铁路以外 我国的大秦铁路 胶济铁路以及合宁客运专线等也都相继采用了 GSM R系统 1 31 3 本论文研究的内容及意义本论文研究的内容及意义 本论文设计了用GPS的方案对列车进行定位 并结合GSM R在铁路上的应用 实现 基站于列车进行双向通信 并实现联锁列控一体化 全线区间不设传统的轨道电路 做到系统简单 现场设备少 维护工作量小 具有集中监测和智能化特点 目前 我国铁路正向高速发展 列车的高速行驶对监控系统中列车的定位信息和 列车于监控中心的数据通信提出了更高的要求 相信随着 GSM R 技术的完善和深入应 用 基于 GPS 技术以及 GSM R 通信技术的列车行车顺序控制系统在建立我国智能铁路 系统发面会有更加广泛的应用前景 第二章第二章 关键技术介绍关键技术介绍 2 12 1 GPSGPS 定位技术定位技术 全球定位系统 Global Position System GPS是以卫星为基础的授时与测距导航无 线电导航定位系统 能为车辆 轮船等诸多移动站提供精确的三维坐标 速度和时间 全球定位系统就是利用人造卫星来确定一个物体处在地球上的具体位置 根据几何学 理论 只要精确地测量该物体到三个人造卫星间的距离 然后分别以这三颗卫星为球 心来做三个球面 球的半径为目标到卫星的距离 球面的交点即为该物体的位置 这 就是GPS最基本的原理 GPS系统主要由空间星座部分 地面监控部分和用户设备部分组成 空间星座部分 GPS卫星共24颗 由2l颗工作卫星和3颗备用卫星组成 卫星分布在互成60度的6个轨道 平面上 轨道倾角为55度 每个轨道面上布设4颗卫星 轨道高度约202000km 卫星运 行周期为12小时 GPS每天24小时供世界范围的覆盖 每颗GPS工作卫星都发出用于导 航定位的信号 GPS用户正是利用这些信号来进行工作的 GPS卫星空问星座的分布保 障了在地球上任何地点 任何时刻至少有4颗卫星可供同时观测 而且卫星信号的传播 和接收不受天气影响 因此 GPS是一种全球性 全天候的连续实施定位系统 空间星 座部分可以提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号并提供其它辅助信息 GPS卫星 的地面监控部分是由分布在全球的5个地面站组成 其中包括卫星监测站 主控站和信 3 息注入站三大部分 完成中心控制系统 实现时间同步以及跟踪卫星进行定轨等功能 根据GPS用户的不同要求 所需的接收设备各异 其主要任务是接收并观测卫信号 记 录和处理数据 提供导航定位信息等 主要由GPS接收机硬件和数据处软件 以及微处 理机和终端设备组成 根据GPS用户的要求不同 GPS接收机也许多不同的类型 一般 可分为导航型 测量型和授时型 利用GPS可以进行海 陆 空 地的导航 导弹制导 大地测量和精密工程测量 时间传递和速度测量等 在测绘领域 GPS定位技术已用于建立高精度的大地测量控制 网 测定地球动态参数 建立陆地及海洋大地测量基准 进行高精度海陆联测及海洋 测绘 检测地球板块运动状态和地壳形变 在工程测量方面 已成为建立城市与工程 控制网的主要手段 在精密工程的变形检测方面 它也发挥着极其重要的作用 同时 GPS定位技术也用于测定航空航天摄影瞬间相机的位置 可在无地面控制或仅有少量地 面控制点的情况下进行航测快速成图 推动了地理信息系统及全球环境遥感监测的技 术迅速发展 建国后 我国的航天科技事业逐步建立和发展起来 己跻身世界先进水平的行列 成为空间强国之一 自从1970年4月第一颗人造卫星上天以来 我国已成功地发射了30 多颗不同类型的人造卫星 从而为空间大地测量工作的开展奠定了基础 20世纪70年 代后期 有关单位在理论研究的同时 引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器 其 中包括人卫摄影仪 卫星激光测距仪和多普勒接收机 根据多年的观测资料 实现了 全国天文大地网的整体平差 从而建立了1980年国家大地坐标系 并成功地进行了南 海群岛的联测定位 20世纪80年代初 一些院校和科研单位已开始研究GPS技术 20多 年来 测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面做了大量的工作 80年代中 期 我国引进了GPS接收机 并将其用于各个领域 同时研究建立自己的卫星导航系统 经过这些年的发展 我国的卫星导航用户设备市场化的条件日趋成熟 批量化用户群 体正在逐步形成 已进入应用行业高速发展的时期 2 22 2 我国我国 GPSGPS 北斗定位在铁路应用的主要领域北斗定位在铁路应用的主要领域 目前 我国铁路在列车行车安全 路沿线灾害及基础设施检测 础设施建设等领域 卫星导航系统应用技术的产品一般都采用 GPS 由于 GPS 系统完全受控于美国 而且一 直存在人为干扰 只有打破对 GPS 的单一依靠才能从战略上解决系统的安全性问题 全面提升基础支撑系统的安全性和可靠性 4 随着我国既有线列车提速和客运专线建设步伐加快 开展基于北斗卫星导航系统的 相关技术研究 研发具有自主知识产权的北斗卫星导航系统应用 为铁路行业提供全 面的技术支持和配套解决方案已具备基本条件 1 列车监控 调度管理系统 利用高精度卫星导航接收模块 通过实施动态差 分法 RTK 精密单点定位 P3 方法 结算得到精确三维坐标和运行速度 方向等 并通过数传电台或移动通信网路发送给控制中心 控制中心利用应用软件得到所需相 关数据 并将相应的调度信息发送给列车或调度人员 确保列车安全行驶并提高线路 的运输效率 2 铁路沿线地质灾害监测 铁路沿线地质灾害监测主要包括灾情监测 灾情分 析预报 综合信息服务平台等 3 铁路综合应急指挥调度 基于应急指挥终端和服务平台 通过救援人员的指 挥终端获取现场位置信息和险情信息 同时根据预案 决策支持等功能 提供指挥调 度信息 将指挥调度命令发送到救援人员携带的终端上 同时也可为公众提供灾 险情 信息服务 应急指挥终端具体功能包括卫星定位 移动通信 嵌入式 GIS 现场多模式 数据采集与上报 指挥调度命令接受 路径导航等功能 4 铁路关键基础设备监测 在桥梁 隧道 钢轨 路基 输电线等铁路基础设 施 以及需要监测地质灾害 滑坡 泥石流 沉降等 的每一个形变监测点上配置一 套基于北斗卫星导航系统的多频接收设备 并在远离监测点的合适位置 如稳固的基 岩 上建立基准点 根据这些观测点精确的三维坐标 通过建立安全监测模型 结合 形变矢量进行数学建模 分析总结 从而分析形变及其趋势 达到基础设备和地质灾 害监测的目的 5 铁路工程测量 利用北斗卫星导航系统在铁路基础建设期间 提供精确的工 程测量 主要是坐标 信息 6 重点货物跟踪 利用北斗卫星导航系统实现对重要货物运输物资 车辆的定 位跟踪 7 人员定位 利用北斗卫星导航系统实现对铁路关键工作及工作人员的定位跟 踪 为使铁路行业有效引入北斗卫星导航系统奠定技术基础 应进行有关的研究和 实验 形成必要的技术方案和技术建议 为相关部门决策提供支持依据 并尽快形成 其在行车安全 灾害及基础设施监测 基础设施建设等领域应用的技术标准或规范 5 建议 全面提高既有铁路运行效率和安全性 彻底改变过度依赖美国 GPS 的问题 彻底消除安全隐患 确保人民财产安全 2 32 3 GSM RGSM R 技术技术 GSM R是从GSM 网络上发展起来的 作为中国铁路新型的通信产品已经被广泛的应 用于中国铁路通信系统中 比较典型的就是中国自主开发的青藏线铁路通信的应用 为中国铁路通信信号技术的发展提供了一个成功的范例 2 3 1 GSM R 的系统结构 GSM R系统一般由7个子系统组成 交换子系统 SSS 基站子系统 BSS 通用分 组无线业务子系统 GPRS 移动智能网子系统 IN 固定用户接入交换机子系统 FAS 运行与维护子系统 OMC 及终端子系统 其示意图如下 图2 1 GSM R系统结构示意图 6 2 3 2 GSM R 主要功能 GSM R系统不仅可以提供语音业务 而且可以提供数据业务 智能业务 针对铁路 应用 GSM R系统还提供了功能寻址 基于位置寻址 组呼叫 广播呼叫 紧急呼叫等 特殊功能 具体可归纳为以下9个方面 1 列车调度通信列车调度通信是重要的铁路行车通信系统 负责列车的位置和运 行方向 主要任务是实现 大三角 列车调度员 车站值班员 机车司机 通信和 小三角 车站值班员 机车司机 运转车长 通信 列车调度通信系统主要由 NSS BSS OSS FAS 调度台 车站台 机车综合通信设备 手持台等构成 系统构 成如图2 所示 2 列车自动控制 CTCS3 CTCS4 利用GSM R提供车地之间双向安全数据传输通 道 代替目前的轨道电路传输色灯信号 并通过GSM R传输系统获得由GPS 或其他的定 位服务提供的准确定位信息 3 机车同步控制 重载列车需要多个机车牵引 在牵引过程中 本务机车和补机 机车之间需要同步操作 也就是说要尽可能同时加速 减速和制动 如果操作不同步 会造成车厢间的挤压或拉钩现象 影响运输安全 因此本务机与补机之间需要实时传 递控制命令 该业务可实现本务机与补机之间信息的交换和传递 4 调度指令传输 调度命令是调度所里的调度员或车站值班员向辖区内的司机下 达的书面命令 基于GSM R通信系统的调度命令 采用GPRS 数据传输方式 实现在机 车号和IP间建立对应关系 调度所里的调度员或车站值班员在工作台编辑调度命令并 发送 TDCS根据调度命令中的机车号查找到对应的目的IP地址 将调度命令从无线列 调车站台发送出去 通过GSM R网络传到机车综合通信设备 机车就能收到调度命令 5 车次号传输与列车停稳信息传送 车次号传送是铁路实现运输生产调度指挥现 代化的重要一环 即要实现调度中心对移动体位置管理 首先要实现调度中心对列车 的车次号自动跟踪 基于GSM R电路交换技术 或GPRS技术 的数据采集传输应用系统 可实现GSM R车次号传输与列车停稳信息的数据传输 保证铁路运输管理和行车安全性 6 列尾监控数据传输 在列车行进当中 司机应当及时了解列车尾部的性能变化 列尾监控系统可以提供列尾风压数值 电池电压情况 主风管风压情况等等 通过 GSM R网络 可以将这些列车尾部的数据传送到机车综合通信设备 供司机查看 基 于GSM R的列尾监控系统采用GPRS数据传输方式 实现车头和列尾之间的数据传输 7 7 调车机车信号和监控信息系统传输 GSM R调车机车信号和监控系统的主要功 能是提供调车机车信号和监控信息传输通道 实现地面设备和多台车载设备间的数据 传输 存储进入和退出调车模式的有关信息 构成铁路站场通信系统重要组成部分 8 区间移动公 工 务通信及紧急救援移动服务 使用GSM R作业手持台代替区间 通话柱 可满足紧急救援 应急抢险通信指挥的需要 方便灵活 同时还可实现区间 作业人员的移动通信 9 旅客业务 利用GSM R数据通信业务 每列旅客列车都能与地面中心维持一条 实时双向数据传输通道 所有与旅客相关的移动信息服务数据 车 地和地 车 都可 以通过这条通道进行传输 为旅客提供优质服务 增加旅客的舒适性 如购票服务 预定服务 时刻表信息以及与公网通信等 GSM R 作为我国专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系统 更具有适应 铁路运输特点的优势 必将在铁路运输生产中发挥越来越重要的作用 可以预见在不 久的将来 必将建成覆盖全路各线的GSM R网络 第三章第三章 系统的定位方案和数据通信设计系统的定位方案和数据通信设计 3 13 1 系统的总体结构系统的总体结构 系统的总体结构如图 8 图3 1 系统的总体结构示意图 系统分为四个组成部分 分别是调度指挥中心 数据通信设备 车站分机系统及 车载移动部分 车载移动设备上接收到的列车定位信息 以及车站分机子系统获取的 车站列车上运行状态通过数据通信设备传送到调度中心 由调度中心主控计算机处理 后 将实时信息以可视化方式反馈给调度员 车站分机及车载微机及其他相关人员 为其提供决策依据 3 23 2 本系统的定位方案本系统的定位方案 列车在运行过程中 由于线路 地形及其它情况的变化较大 不同的地方需要采用 不同的定位方式 因此在设计系统方案时 针对铁路线路的具体情况 既要考虑定位 的精度 又要考虑实现定位的经济成本 以达到经济有效的定位目的 因此 在铁路 区间GPS信号接收状况良好的情况下 采用GPS定位 在车站战线内 使用GPS 轨道电路 实现列车的定位 下面分别对采用的定位方式进行描述 3 2 1 GPS 在区间的定位 在本系统方案中 铁路线路区间列车采用GPS进行定位 可在列车上面安装两套 GPS接收机来实现系统定位 将GPS接收机安装在列车头部和尾部 这样有助于对多套 9 GPS定位结果及性能进行数据融合 实现定位数据互检校 而且可同时对列车首尾跟踪 定位 定位及检校的同时实现列车完整性检测 当车载设备接收到GPS定位信息后 通过接口传送到车载嵌入式微机系统中 再通 过无线通信系统传入地面 随后利用通信交换网传到调度中心的主控中心计算机 本课题在设计系统区间定位时 选用了GPS25 LVS系列OEM板 它采用单一5V供电 内置保护电池 RS232 TTL两种电平自动输出NMEA 0183 2 0格式 ASCII字符型 语句 是目前应用最广泛的GPS接收处理板 能满足各种导航和授时领域的需求 具有很高的 性价比和强有力的市场竞争力 其主要性能特点如下 并行12通道 可同时接收12颗卫星 定位时间 重捕 2sec 热 启 动为15sec 冷 启 动45sec 自动搜索90sec 定位精度 15mRMS 差分时 5m 可接收实时差分信 号用于精确定位 信号格式为RTCM SC 104 波特率自适应 1PPS秒脉冲信号输出 精 度指标高达10 6秒 双串口 TTL 输出 波特率可由软件设置 1200 9600 环境工 作温度 35C至 85C 尺寸 46 5 69 8 11 4mm 重量 31g 输入电压 5 0VDC 5 灵敏度 166Dbw 后备电源 板置3V锂电池 10年寿命 功耗 1W 天线接口 50 ohm MCX接头有源天线 5V 电源 数据口 单排12插针 其引脚接口功能示意图 如下 图3 2 GPS25 LVS版引脚接口功能示意图 其单片机控制系统的电路原理如下图 10 图3 3 其单片机控制系统电路原理图 选用 GPS OEM 板后 本系统中在每列车上安装两个 GPS OEM 板 列车首部和尾部各一 个 分别由 RS232 通信接口接入车载嵌入式微机系统中 GPS 区间定位由天线单元和接 收单元及车载传输单元三部分组成 其结构如图 3 2 所示 下图仅列出一个 GPS 接收机 另一个亦通过 RS232 接口接入车载微机 11 图3 4 系统GPS区间定位的构成 单片机采用华邦W78E516B 该芯片具有在系统下载编程功能 修改调试程序十分 方便 其主要特性为 32KB片内Flash存储器 具有在线可编程能力和保密功能 512B片内RAM 增强型串行通信口和串行外围接口 支持C语言 系统采用12MHZ晶振 串口方式1接收GPS信息 P0口和P2口用于七段共阳LED显示 接口 可以轮流显示实时时间 纬度 经度及其它GPS信息数据 GPS25 LVS的通信波特率默认值为4800 1个起始位 8个数据位 1个停止位 无 奇偶校验 通常使用NMEA 0183格式输出 数据代码为ASCII码字符 NMEA 0183是美国 海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式 目前广泛使用V2 0版本 由于该格式 为ASCII码字符串 比较直观和易于处理 在许多高级语言中都可以直接进行判别 分 离 以提取用户所需要的数据 GPS25 LVS系列OEM板可输出12句语句 分别是 GPGGA GPGSA GPGSV GPRMC GPVTG LCGLL LCVTG PGRME PGRMF PGRMT PGRMV 12 GPGLL 不同的语句中传送不同的信息 如GPGGA语句中传送的格式为 GPGGA M M hh 传送的信息说明如下 GPGGA 起始引导符及语句格式说明 本句为GPS定位数据 UTC时间 时时分分秒秒格式 纬度 度度分分 分分分分格式 第一位是零也将传送 纬度半球 N或S 北纬或南纬 经度 度度分分 分分分分格式 第一位零也将传送 经度半球 E或W 东经或西经 GPS质量指示 0 方位无法使用 1 非差分GPS获得方位 2 差分方式获得方位 DGPS 6 估计获得 使用卫星数量 从00到12 第一个零也将传送 水平精确度 0 5到99 9 天线离海平面的高度 9999 9到9999 9米 M 指单位米 大地水准面高度 999 9到9999 9米 M 指单位米 差分GPS数据期限 RTCM SC 104 最后设立RTCM传送的秒数量 如无DGPS为0 差分参考基站标号 从0000到1023 首位0也将传送 如无DGPS为0 语句结束标志符 hh 从 开始的所有ASCII码的校验和 此项在GPS25 LVS板中不传送 此项在GPS25 LVS板中不传送 OEM板输出的信息可在PC机的超级中端中显示 也可在GARMIN公司提供的GPSCFG EXE设 置软件中显示 如在PC机上看到的实时接收GPGGA语句为 GPGGA 114641 3002 3232 N 12206 1157 E 1 03 12 9 53 2 M 11 6 M 4A 这是一条GPS定位数据信息语句 意思为UTC时间为11时46分41秒 位置在北纬30度 2 3232分 东经122度6 1157分 普通GPS定位方式 接收到3颗卫星 水平精度12 9米 天线离海平面高度53 2米 所在地离地平面高度11 6米 校验和为4AH 在单片机串口收到信息后 先判别是否为语句引导头 然后再接收信息内容 13 在收到 字符ASC 码后再接收二个字节结束接收 然后根据语句标识区分出信息类 别以对收到ASC 码进行处理显示 注意在处理北京时间时应在UTC时间上加上8小时才 是准确的北京时 在超出24小时时应作减24小时处理 串口中断程序的处理流程如下 图 图3 5 串口中断程序流程图 天线单元 由接收天线和前置放大器组成 其作用是把来自卫星的信号能量转化 为相应的电流量 并经过前置放大器送入射频部分进行交换 以使接收机对信号进行 跟踪处理测量 GPS接收机一般采用全向振子天线 小型螺旋天线和微带天线 微带天 线是接收天线的主要发展方向 接收单元 包括信号波道 存储器 计算与显示控制和电源部分 其中信号波道 是核心部分 它把来自GPS接收天线的卫星信号隔离开来 以便处理和测量 它不是简 单的信号波道 由相应的硬件和软件组成 按照波道的工作原理 波道类型可分为码 相关型波道 平方型波道和码相位型波道 车载传输单元 RS232通信接口 嵌入式微机系统 车载显示器 无线传输设备组成 嵌入式微机接收并处理GPS信息 由无线传输设备传输及接收定位信息 系统采用的是GPS动态定位 用GPS接收机测定列车的运行轨迹 列车上的GPS接收 机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动 接收机用GPS信号实时测得运动载体 14 的状态参数 瞬间三维位置和三维速度 从原理上讲 GPS观测的是距离 通过所测量到的距离与位置之间的关系 反推出 所要确定的位置在WGS84坐标中的三维坐标 6PS系统采用高轨测距体制 以观测站至 GPS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GPS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 一是测量具 有载波多普勒频移的GPS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 通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接 收机的三维位置 GPS接收机根据接收所选卫星发来的导航信息和星钟校正参数的时间 能算出接收机到卫星的距离 如果测量到三颗卫星的距离 则分别以三颗卫星发射时 刻的卫星位置 按发射的星历参数确定 为中心 根据测得的距离画出三个球 其交点 便是用户的三维位置 但是由于接收机的本机钟对星载原子钟存在偏差 上面所测的 距离并不能代表卫星到接收机的真实距离 通常把这种距离称为 伪距离 简称伪 距 对第1颗星来说 伪距RI的表达式为 tsituictaicRiRI 式中 真距 Ri 光速 c 信号传播延时 tai 用户钟相对于GPS时间的偏差 tui 卫星钟相对于GPS时间的偏差 可以依据卫星导航电文求得 是一个已 tsi 知数 正因为用户钟与GPS时间不能精确同步 故每次测量总会有一个固定的偏差 这种 偏差使定位产生不定性 如果再测量一个到第4颗卫星的伪距 则这时由用户钟偏差造 成的定位不定性就产生一个由4个相交球面所围成的误差体积 从每个伪距测量中加上 或减去这个固定值就消去了该固定体积 结果得到4个球面相交于一点 这就是用户的 三维位置 实际上 这只要观测4颗卫星的伪距并接收卫星的导航信息 算出4个方程 的解就可以得到 GPS接收机对收到的卫星信号 进行解码或采用其它技术 将调制在载波上的信息 去掉后 就可以恢复载波 严格而言 载波相位应被称为载波拍频相位 它是收到的 15 受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差 一般在 接收机钟确定的历元时刻量测 保持对卫星信号的跟踪 就可纪录下相位的变化值 但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的 起始历元的相位整数也 是不知道的 即整周模糊度 只能在数据处理中作为参数解算 相位观测值的精度高 至毫米 但前提是解出整周模糊度 因此只有在相对定位 并有一段连续观测值时才 能使用相位观测值 而要达到优于米级的定位精度 也只能采用相位观测值 系统中GPS接收机采用单点定位技术 即根据一台接收机的观测数据来确定接收机 位置的方式 它只能采用伪距观测量 用于列车的导航定位 这与在列车首尾各装一 台接收机的方案并不冲突 在列车安装两台的目的是对多套GPS定位结果及性能进行数 据融合 实现定位数据互检校 而且可同时对列车首尾跟踪定位 定位及检校的同时 实现列车完整性检测 3 2 2 GPS 在站内的定位 在区间采用了GPS定位 但是在车站 又存在特殊之处 车站的股道之间的线间距 是四米左右 而根据铁路的特点 要求定位一定很精确才行 因此在车站定位方案采 用差分GPS 轨道电路法 在站内设置差分基准站 由GPS接收到的定位信息经过地图匹 配之后 由主控计算机判断其匹配的精度 再结合轨道电路的信息进行精确定位 其 中轨道电路是用来判断站内轨道的真实占用情况 差分GPS信号则是精确显示列车运行 轨迹的基础 轨道电路是利用铁路线路的两条钢轨作导线 用以检查有无列车 传递 列车占用信息以及其它信号信息的电气回路 轨道电路一般由送电端 钢轨线路和受 电端三部分组成 送电端 又称电源端或始端 由轨道电源和限流器等组成 根据轨道电路的类型不 同 轨道电源可以用铅蓄电池浮充供电 或其它直流电源 也可以用轨道变压器或信 号发生器供电 限流器一般可以用电阻器或电抗器构成 它的作用是保护电源设备 当轨道电路被机车车辆分路时 防止电流过大而损坏电源 并保证在列车占用轨道时 轨道继电器能可靠地落下 对某些交流轨道电路而言 它还兼有相位调整的功效 轨 道电路使用电子设备时 一般都不需要限流器 钢轨线路是由轨条 轨端接续线 又称 轨端连接线或导接线 和钢轨绝缘等组成 为了减少轨条连接处的接触电路 采用了轨 端接续线 钢轨绝缘安装于轨道电路分界处 是为了分隔或划分轨道回路而装设的 也有不装钢轨绝缘的 这时根据轨道电流衰减到一定程度时即作为轨道电路的分界处 16 受电端 又称继电器端或终端 的主要设备是轨道电路继电器 GJ 用它接收轨道 信号电流来反映轨道电路的工作状态 电子轨道电路的接收设备一般都采用电子器件 其作用和轨道继电器相同 送 受电端的设备 都是通过引接线接向钢轨的 两个绝 缘节之间的钢轨线路 即从送电端到受电端之间 称为轨道电路的控制区段 也就是 轨道电路的长度 轨道电路的长度要受到轨道电路工作状态的制约 各种类型的轨道 电路长度不同 本方案采用了先进的车辆导航技术 具有精度高 体积小和可靠性强及经济成本 相对较低等特点 本组合导航系统可以迅速 准确 全天候 不间断地提供定位 导 航和实时信息 3 33 3 本系统的数据通信方案本系统的数据通信方案 GSM R系统很多技术借鉴了公网的GSM技术 保留了GSM的大体结构 使得从一开始 GSM R系统就是一个成熟可靠的系统 它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验 不 仅如此 由于二者都可以工作在900M频段 因此在无线网络规划方面也是基本相同的 GSM R系统的规划设计也可借助于己成熟的GSM系统工具 可以方便快捷地为用户提供 网络设计安装 GSM R的基本特性已在铁路网的MORANE试验中得到安装 测试和验证 欧洲GSM R采用的频段是上行 MS到BTS 876 880MHz 下行 BTs到MS 921 925 Z 我 国GSM R采用的频段是上行 MS到BTS 885 889Hz 下行 BTS到MS 930 934MHz 基于以上特点 设计本方案的数据通信方案如图 17 图3 6 系统数据通信方案图 其中 通信服务器负责与通信子系统的协同工作 通过通信接口进行站间信息交 换 与终端的通信 接受通信报文 下达调度指令等 另外还负责各种通信方式状态 的监测 在必要的时候进行切换 无线交换中心 MSC 设置在调度监控中心内 含位置 寄存器 监控管理终端 配线柜 交流配电屏 高频开关电源 蓄电池等配套设施 无线交换机 基站控制器 BSC 各基站设备利用铁路的光传输系统构成GSM R无线交 换网 沿线各站 区间设基站 含基站设备 铁塔 接发设备 接口等 车载设备包 括车载算机 GPS接收机 双套 GSM R车载电台等 3 3 1 车载计算机储存文件 车载计算机中应存储如下几类数据库文件 1 线路描述数据线路描述数据包含全线起始和结束位置 股道数 区间位置等概 要性 数据 该数据描述铁路沿线和基础设施不可变特性的数据 由线路拓扑和沿线基 础设施目标位置以及特性数据组成 2 列车运行数据 系统控制的每个运行列车的特点都存储在数据库中 可作为用来触发更新相应状 况的基础数据 该数据库描述本次列车的固定信息 包含列车车长 轴重 机车号 18 车次号 客货类型等执行任务所必需的全部信息 列车的各项任务与可操作的列车ID 相对应 3 通信数据 通信数据库描述系统网络每个位置上能够使用的各种通信系统的特点 旨在使运 行的列车能够以最高的效率与该系统的其它部分进行通信联系 4 固定设备状况数据库 该数据库包含固定设备或受这些设备控制的其它设备状况的有关数据 利用该数 据库向行车管理人员显示该系统及其组成部分的当前状态 随着状况的改变触发一些 功能或报警 5 信号表示索引 将所有会用到的信号表示 其所包含的具体限速要求都在这个表中列出 供软件 计算限速时取用 客车与货车将使用不同的信号表示索引 6 临时限速文件 该文件描述当前区域的临时限速指令 这些指令由调度员从调度中心发出 经由 通信管理服务器发送至车载计算机 保存在数据库中 使用最新的临时限速文件与车 载计算机进行校验检查 校验失败则进行更新 在通信发生故障时 车载计算机可以 实施缺省临时限速 缺省临时限速值可以由用户来定义 系统的数据传输方案为 使用GSM R系统以及调度中心局域网 将列车内GPS接收 机及相关定位方式生成的车载动态位置信息利用GSM R系统的无线传输方式传到设于车 站的GSM R基站 基站利用GSM R网络把信息传到调度中心通信服务器 调度中心通 信服务器则通过局域网与MSC进行数据传输 MSC通过局域网把数据传到调度中心主控 计算机 反之亦然 车站相关信息是GSM R网络传到调度中心通信服务器 随后传到主 控计算机 第四章第四章 系统的优化及安全措施系统的优化及安全措施 4 14 1 GPSGPS 定位的主要误差及消除办法定位的主要误差及消除办法 影响测量精度的主要误差按性质可分为 1 偶然误差 主要包括多路径效应 仪器构造引起的误差和观测误差 2 系统误差 主要有轨道误差 钟差及大气折射误差等 19 按来源可以分为 1 与GPS卫星有关的误差 轨道误差 相对论效应 卫星钟差 2 与信号传播有关的误差 对流层折射 电离层折射 多路径效应 3 与接收设备有关的误差 观测误差 天线相位中心偏差 接收机钟差 4 其他误差 地球旋转影响 地球固体潮影响 地面基准误差 SA频率抖动 在这些误差源中 地球旋转影响 地球固体潮影响等误差经模型化改正后 剩余 残差对短基线的影响可以忽略 短基线平差一般采用双差相位观测模型 根据基线两 端的相关性原理 可完全消除相对论效应 卫星钟差和接收机钟差的影响 双差模型 对大气折射和卫星轨道误差也有很好的减弱作用 SA政策在2000年己取消 即使有 SA 在双差模型下也能得到很好消除 多路径效应引起的误差 随着反射物距离的增加衰减很快 这就使得多路径效应 的测站相关性很弱 即使很短的基线 两站间多路径影响差异也很大 站间求差方法 对多路径误差的消除作用不大 且没有较好的模型来改正 因而 多路径效应己成为 影响高精度 短基线进一步提高精度的最大的制约因素 图4 1 多路径反射示意图 GPS卫星从约2万公里高空向地面发射电磁波 地面接收机的天线可以收到这种信 号并跟踪GPS卫星完成定位或导航任务 但是GPS发射的电磁波信号并不是一条条的直 线信号而是向四面八方的 地面上接收机周围必定有一些其他的物体 这些物体或多 或少要反射GPS信号 因此 接收机天线不但收到了沿最小光程路径来的GPS直达信号 也会收到经各种反射物反射后到达接收机天线的信号 这两种经不同路径到达接收机 20 天线的信号会产生叠加 成为一种新的复合信号 这种复合信号与直达信号相比会产 生路径延迟和相位延迟 从而对定位结果产生影响 这就是多路径效应现象 如图3 8为多路径反射示意图 a代表一次反射方式 b代表直射方式 C代表地面反射方式 d 代表多次反射方式 要削弱