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gps定位系统论文gps定位系统 论文GPS/ODO列车组合定位系统摘 要:阐述一种利用多传感器融合技术来提高定位精度和可靠度的方法。将GPS定位技术引入到现有的基于里程计的列车定位方法中,降低里程计单独定位时的误差。分析了数据信息的同步问题并利用GPS接收机的秒脉冲信号实现数据信息的同步。当GPS信号短暂失锁时,采用里程计单独定位,GPS信号一旦重获就对里程计定位误差进行修正,从而提高列车定位系统的定位性能。现场实验结果证明该列车定位系统能够以一种简单的方法提高列车定位系统的精度、可靠度和连续性。 关键词:融合定位系统; 卡尔曼滤波; 里程计; GPS定位系统 Abstract: An efficient method to improve the position accuracy and reliability with the multi-sensor fusion position technology is elaborated. The global positioning system(GPS) is introduced into the train position method based on existing odometer(ODO), which can reduce the position error. The problem of data synchronization is analyzed. The data synchronization is realized with the PPS signal of GPS receiver. When GPS signals suffer from blockage for a short time, an odometer is used separately to position. Once GPS signals is regained, the error caused by the odometer position is corrected to improve the position performance of the train position system. The experimental results demonstrate that the train position system can improve the train precision accuracy, reliability and continuity with a simple method. Keywords: integrated positioning system; Kalman filter; odometer; global position system 0 引 言 列车定位是列车运行控制系统的重要组成部分, 准确、及时地获取列车位置信息,是列车安全、有效运行地保障。随着列车技术的发展,传统的列车定位技术已经远远不能满足如今的列车定位的需要。经典的列车控制系统主要通过轨旁设备获得列车位置和其他控制信息。然而,这种定位系统的缺点是后期维护工作量大、维护成本高,不支持线路的动态交通配置变化等1。传感器融合技术采用多种传感器的组合方式,利用不同传感器的优势,取长补短,从而提高系统的自主性、可靠性和定位精度等,这也正是采用多传感器融合方法实现列车定位的原因。 全球卫星定位系统(GPS)定位范围广、精度高,但是GPS也有其致命的弱点,如动态性能差、容易发生信号遮挡和干扰等2。里程计列车定位系统(ODO)没有数据冗余,不会增加数据处理及通信的额外负担,其缺点容易导致累计误差3:计数误差(空转、打滑、滑行、蠕滑);轮径磨耗。对它们进行数据融合,构成GPS/ODO列车组合定位系统,充分发挥各定位子系统的优点,得到高精度、高可靠性的列车定位系统。 本文中利用“当前”统计模型Kalman滤波算法,将里程计和GPS组合,设计GPS/ODO组合定位系统。当短时间内接收不到GPS卫星信号时,里程计单独提供导航定位信息;当GPS信号重新获得后,GPS测量信息不断校正里程计定位系统,从而有效地减少里程计定位系统的积累误差。同时对所设计的组合定位系统进行实地测试,以验证该系统的有效性。 1 系统设计 1.1 系统硬件实现 GPS/ODO组合定位系统可以分成五个部分,即主处理器模块、定位模块、数据存储模块、通信模块以及参考定位系统。其系统结构如图1所示。 图1 GPS/ODO组合系统结构图 (1) 主处理器模块 主处理器模块选用AT91SAM9260核心板,MC9260核心板采用AT91SAM9260工业级ARM9处理器。主处理器模块实现传感器信息的同步、解算和数据融合处理。 (2) 定位模块 定位模块包括GPS定位接收机、里程计。GPS定位接收机选用Novatel SuperStar 接收机。该接收机可输出可调的精度为50 ns(典型值)的1 PPS秒脉冲信号4。里程计选择用了欧姆龙公司生产的小型旋转编码器E6B2-CWZ6C。定位模块用于为定位系统提供传感器信息。 (3) 数据存储模块 数据记录板卡用于存储GPS接收机和里程计发出的定位信息,也用来记录定位系统与其他系统之间的数据和日志。 (4) 通信模块 通信模块完成系统中各模块间的通信功能,实现数据传递。 (5) 参考定位模块 设计参考定位系统是为了对该系统的定位性能进行评估测试,实际的定位系统不包括该参考系统。参考系统选用差分GPS接收机Navcom SF2050。 1.2 系统软件实现 GPS/ODO组合定位系统的实现包括GPS和里程计原始信息采集,对原始信息进行解算和对定位数据的融合处理。为此,系统软件可以分为定位信息采集和定位信息处理两部分。软件平台采用模块化的设计方法,根据不同的定位需求和硬件平台结构对软件平台进行灵活的配置,实现系统的可裁减性、可扩充性和重用性等要求。软件系统的功能模块如图2所示。 对图2中各个软件模块的功能说明如表1所示。 2 传感器信息同步分析及实现 在多传感器组合定位系统中,必须保证传感器向处理器提供的定位信息在时间上是同步的。经过同步之后再对数据进行形态滤波,从而降低信号噪声干扰5。本系统中主要用到GPS和ODO两种传感器,它们之间涉及到时间同步的问题,即GPS/ODO间的同步。 4.2 连续性与可用性 目前国内外关于组合导航连续性与可用性的研究主要集中于当GPS处于完全失锁或者信号丢失的情况下,导航系统的工作精度和工作时间。GNSS/ODO组合导航系统的优势在于,当发生GPS失锁时,单独使用ODO也可以保证列车在一定时间内保证一定精度的定位。 图7 GPS失锁5 s时定位误差 对于连续性与可用性的测试是当GPS出现故障的情况下,系统能够在一定精度下连续工作的时间。如图7所示为仿真了5 s的GPS失锁后定位误差。GPS失锁发生在图中第300 s处,在失锁后的一段时间内,使用ODO单独定位,直到GPS重新发送定位信息。从图7可看出,失锁5 s后,最大的定位误差为035 m。 5 结 语 本文研究了一种基于GPS/ODO的低成本、较小型的组合导航系统,通过对两传感器数据的同步处理提高定位的精度和可靠性。并经过在北京铁路局三家店站进行现场验证,验证结果证明该系统的克服了各自的缺点,在定位精度和可靠性方面较单一的导航系统有着明显的改善。 参考文献 1ERNEST Petr, MAZL Roman, et al. Train locator using inertial sensors and odometer C/2004 IEEE Intelligent Vehicles Symposium. Parma, Italy: University of Parma, 2004: 157-164. 2BEVLY David M, RYU Jihan, et al. Integrating INS sensors with GPS measurements for continuous estimation of vehicle sideslip, roll and tire cornering stiffness J. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2006, 7(4): 483-493. 3SEYR Martin, JAKUBEK Stefan. Proprioceptive navigation, slip estimation and slip control for autonomous wheeled mobile robots J. IEEE, Robotics, Automation and Mechatronics, 2006, 4(2): 109-114. 4NovAtel Inc. Superstar II user guide M. USA: NovAtel Inc., 2005. 5LAXMINARAYANA G, SHARMA Murthy. High precision navigation control with integrated INS/GPS systemJ. IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security, 2009(9): 89-95. 6王少伟.多传感器信息融合的列车测速定位实验平台的研究D.北京:北京交通大学,2006. 7CAI Bai-gen, WANG Jian, YIN qin. A GNSS based slide and slip detection method for train positioning C/APCIP 2009. S.l.: APCIP, 2009. 8GREJNER-BRZEZINSKA Dorota A, TOTH Charles. GPS/INS/PL/TLS integration supporting navigation of geophysical sensors for unexploded ordnance detection and discriminationC.13th FIG Symposium on Deformation Mwasurement and Analysis. LISBON: LNEC, 2008: 326-331. 9方鹏.GPS/INS