基于GPS/航跡推算組合導航的列車(chē)防撞系統設計

摘要：針對同一軌道上列車(chē)防撞預警，采用GPS衛星定位和航跡推算實(shí)現組合定位，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳技術(shù)，可用于復雜軌道地理環(huán)境(隧道、森林、丘陵等)下的局域鐵路網(wǎng)行車(chē)安全管理。實(shí)驗測試表明系統能夠滿(mǎn)足應用要求。

0 引言

碰撞避免問(wèn)題是現代交通運輸領(lǐng)域的重要研究問(wèn)題，與人們的生活息息相關(guān)，在航空、航海、道路以及軌道交通領(lǐng)域均有很多的研究。如航空領(lǐng)域中的交通預警和避撞系統/自決策監督廣播系統TCAS/ADS—B;航海領(lǐng)域中的船舶自動(dòng)識別系統AIS;道路交通領(lǐng)域的車(chē)-車(chē)避撞系統C2C等。

道路交通、航空以及航海等領(lǐng)域都已經(jīng)有了較為成熟的防撞預警系統，相比之下，軌道交通領(lǐng)域的防撞預警系統研究起步較晚，開(kāi)發(fā)實(shí)際難度也較大。本文主要針對低速運行的貨運列車(chē)在復雜的軌道地理條件(隧道、森林、丘陵等)下運行，合理使用單片機技術(shù)、GPS衛星定位技術(shù)和航跡推算導航算法，設計出低成本的鐵路列車(chē)防撞系統。

1 系統總體介紹

列車(chē)防撞預警系統由定位系統、無(wú)線(xiàn)通信機制、決策系統以及報警裝置等部分組成。其系統結構圖如圖1所示。

系統啟動(dòng)后，首先將自身信息(實(shí)時(shí)位置、實(shí)時(shí)速度等)廣播到附近區域，同時(shí)接收所在區域中的其他裝有該系統的廣播信息。列車(chē)通過(guò)這些從其他列車(chē)接收到的信息，可以全面了解目前附近的交通狀況，若存在發(fā)生危險的可能則立即向列車(chē)員提供警告和建議，從而避免碰撞事故的發(fā)生。因此，該防撞預警系統主要有三個(gè)功能：①位置、速度等相關(guān)信息的獲取;②廣播并接收這些相關(guān)信息;③對這些信息進(jìn)行處理并檢測是否存在碰撞危險，若存在則發(fā)出報警信號。

2 組合導航系統

組合導航系統主要是為列車(chē)防撞預警系統提供可靠的位置信息、列車(chē)的實(shí)時(shí)定位信息對列車(chē)控制與系統進(jìn)行碰撞檢測有至關(guān)重要的作用。

2. 1 GPS全球衛星定位系統

GPS(Global Position System，全球衛星定位系統)定位的基本原理是根據高速運動(dòng)的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離交匯原理，確定待測點(diǎn)的位置。鐵路上已開(kāi)發(fā)成熟的自動(dòng)閉塞系統證實(shí)了GPS適用于列車(chē)定位，GPS定位不依賴(lài)于其他軌旁設備，只需一部高精度GPS終端接收機便能實(shí)現常規定位。但是GPS存在動(dòng)態(tài)響應能力差、易受電子干擾、信號容易被遮擋等缺點(diǎn)。如果GPS信號長(cháng)時(shí)間不能得到及時(shí)恢復，系統的誤差就不可避免隨時(shí)問(wèn)而積累。當列車(chē)行駛在GPS信號不好的隧道、森林中時(shí)，純粹的衛星定位將不能滿(mǎn)足系統要求。

2.2 DR航跡推算定位系統

DR(Dead Reckoning，航跡推算系統)是利用已知的載體初始位置，根據運動(dòng)載體在該點(diǎn)的航向、航速和航行時(shí)間，實(shí)時(shí)推算下一時(shí)刻的坐標位置的一種導航定位方法。它是一種自主式定位，其定位精度不會(huì )受到如電磁干擾、遮擋等外界因素的影響。但是，航跡推算系統不具有長(cháng)期的穩定性，必須每隔一段時(shí)間進(jìn)行誤差校正。本系統所使用的航跡推算系統類(lèi)似于車(chē)載里程儀，其構造和原理也大致相同，都是由一個(gè)磁電傳感器和一組貼在車(chē)輪上的磁片構成，車(chē)輪每旋轉一圈，磁電傳感器便產(chǎn)生一定數量的脈沖，通過(guò)對這些脈沖的計數，便知列車(chē)在這段時(shí)間的行程，在時(shí)刻的列車(chē)運行行程為

式中，n(t)為t時(shí)刻輸出的脈沖數：n(t)-n(t-1)即為本周期內的輸出脈沖數;M為車(chē)輪每轉一圈應該輸出的脈沖數;D為車(chē)輪直徑。

根據在t時(shí)刻的列車(chē)運行行程，可得列車(chē)的運行速度為

式中，τ為計數周期，當計數周期較小時(shí)，該速度可近似描述列車(chē)的瞬時(shí)速度。

2. 3 組合導航算法

當列車(chē)運行在隧道等衛星信號不好的情況下時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)記錄下最后一個(gè)GPS輸出的有效坐標，同時(shí)，DR系統以該點(diǎn)為坐標原點(diǎn)的地理坐標系(一般取東、北、天坐標系，滿(mǎn)足右手定則)作為航跡推算的參考坐標系，并取該點(diǎn)為其推算位置的起點(diǎn)，利用航向傳感器和DR系統可確定每一時(shí)刻車(chē)輛的位置：

式中，x(t)，y(t)是t時(shí)刻列車(chē)在參考坐標系下的位置;x(t-1)，y(t-1)是t-1時(shí)刻列車(chē)在參考坐標系下的位置;θ是測向速度與參考坐標系北向的夾角。在此，我們將隧道做一個(gè)合理地簡(jiǎn)化，在一般情況下我們認為隧道為直隧道。于是，可根據系統記錄下的最后一個(gè)GPS輸出的有效坐標結合列車(chē)的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行航跡推算：

式中，λ(t)、L(t)分別為航跡推算過(guò)程中列車(chē)的實(shí)時(shí)經(jīng)度和緯度;λ0、L0分別為起點(diǎn)經(jīng)緯度。

3 硬件設計

3.1 組合導航模塊

GPS定位具有長(cháng)期的穩定性，但定位不連續，航跡推算系統恰恰具有良好的短期穩定性，但必須每隔一段時(shí)間進(jìn)行定位誤差校正?？梢?jiàn)GPS定位和DR具有很強的互補性，本系統就是采用了GPS/DR組合定位系統，通過(guò)DR定位誤差補償，確保了列車(chē)在GPS信號丟失時(shí)仍能有效地確定列車(chē)的實(shí)時(shí)位置。組合定位系統結構圖如圖2所示。

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