硕士论文基于通信的列车控制系统中定位技术的研究

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1、 86 / 86文档可自由编辑打印摘要随着高速铁路和城市轨道交通的蓬勃发展，对铁路运输的安全运行控制 提出了更高的要求，即铁路的信息化、智能化，如今计算机、通信技术的 高速发展，使得利用无线通信网络双向传递车、地间信息成为可能，基于 通信的列车控制系统（CBTC)成为列车控制系统的方展方向，而关于列车 定位则是基于通信的列车控制系统中的关键技术之一。为适应我国CBTC 的发展需要，论文对CBTC中关于列车的定位问题进行了研究。论文阐述了现有的各种列车定位方式，对比分析了卫星定位与里程计定 位的特点，提了基于GPS的列车定位系统该系统主要由车载定位子系 统、车站定位子系统及信息传输系统组成。其中

2、车载子系统主要实现定位 倌息的采集和显示，车站定位子系统主要实现列车位背信息的接收及处理， 而信息传输系统做为二者的连接桥梁，为定位信息提供无线传输通道论文主要研究了列车卫星定位信息的处理和车、地间定位信息的传递。 在车载定位子系统的设计中，提出了一种基于嵌入式Linux的设计方案， 设计了处理GPS和里程计信息的程序GPSSERVER,并且还设计了一个基 于QTE图形库的人机界面TRAINMM1。在车站定位了-系统的设计中，为了 使列车可以更好地在电子地图上显示，提出了一种电子地图匹配算法，并 对定位信息的接收和处理进行了软件设计。对于铁路运输系统来讲列车 实时位置信息通过无线网络在车与车、

3、车与车站控制中心之间传递，这将 为铁路运营的监控、调度及行车安全提供有力保障.最后，论文对系统的实时性和优越性进行了分析，并对所做工作进行了 总结，指出了进一步研究的方向s关键词：CBTC，列车定位，GPS,嵌入式Linux, GSM-R,无线通信AbstractAs the flourishing advancement of High-speed railway and Urban rail transportation, security-run control of train transportation including railway intelligentization an

4、d information should be paied more attention. Now computer technology and communication technology have fast progress which made it possible that we realize the transmit information between train and train station by applying wireless communication. So CBTC which is based on communication of train c

5、ontrol system inevitablely become the trend and the technology of train orientation will be the key technology for CBTC. In order to accommodate the development of CBTC in our country，the dissertation studies the key technologies about train orientation in CBTCThe dissertation expatiate all kinds of

6、 modes of train orientation which put forward train orientation system based on GPS comparing with the features of satellite orientatioi and Merter Device. The new orientation system is mainly composed of On-board orientation subsystem? station orientation subsystem and information transformation sy

7、stem. On-board orientation subsystem rea】ize the collection of orientation information and display and station orientation subsystem realize the receiving and procession of information about train position. At the same time information transformation system as the link bridge present the wireless tr

8、ansformation path for both of them we have mentioned.The dissertation study the processing of train satellite orientation and pass of orientation information between train and station. In the On-board orientation subsystem design, design scheme of embeded Linux is advanced and design the programme G

9、PSSERVER based on GPS and Meter Device information. The paper also design the man-computer interface TRAINMMI based on QTE figure library. In the design of station orientation subsystem, the new electronic map match arithmetic is put forward in order to display the position of train on electronic ma

10、p. For railway transportation system, the positon data transmission of wireless network between train and train or between train and station center will enhance the security of railway transformation and facilitate watch and attemperation.At last, the dissertation analyze the real-time performance a

11、nd of the system advantage and not only summarize what I have done for this new idea but also point out the derection of more studies.Key words: CBTC，train position, GPS, embedded Linux, GSM-R, wirless comunicaion第一章绪论1. 1基于通信的列车运行控制技术1. 1. 1列车运行控制技术现状自铁路信号出现后，很长时间以来人们一直用轨道电路作为媒体來传输 列车信息。我国现有的列车控制系统

12、主要是基于轨道电路的列车控制系统 (TBTC-Track Circuit Based Train Control)。该系统为保障行车安全，提高行 车效率发挥了巨大作用。轨道电路可以传输地面信息至车上及检测固定闭 塞分区的占用情况，但它还存一些问题：|1_21(1) 轨道电路传输的信息量有限，当列车控制系统要求有超速防护系统 ATP,列车自动控制系统ATC应用时这个制约尤为明显。而且在列车提速 后，地面向车上传送的信息不能仅限于停止、减速、通过，还应包含前车 位置、前车速度、前车工况、最大允许速度等大量信息。(2) 利用轨道电路很难实现车上至地面的信息传输，无法实现真正的闭 环控制。(3) 轨道

13、电路构成的自动闭塞系统，列车通过轨道电路只能判断闭塞分 区是否有车占用，无法判断列车在闭塞匿间的具体位置，造成了线路通过 能力的损失。(4) 轨道电路工作稳定性易受到环境影响，例如在我国的青藏线建设 中，这个问题就很突出。TBTC是一个非常可靠的列车控制系统，但是鉴于TBTC有如上所述的 缺点，自20世纪60年代起，世界各国相继涌现出了大批新型列车运行控 制系统及相关理论。为满足经济增长的需求，许多国家都在大力发展高速 铁路，我国也不例外。目前，我国还是客货车混跑，运输效率很有限，尤 其在东南部经济较发达地区和大的节假R期间，铁路运力不足凸现，而且 也不能很好的满足现在快节奏的工作、生活方式。

14、在此背景下，国家制定 了客货分运，发展高速列车的政策，这将对列车运行控制技术提出新的要 求。国内著名铁路信号专家汪希时教授在60年代提出了 “无线自动闭塞系 统”（即移动自动闭塞系统）的理论，指出利用无线传递车、地间双向大容 量信息的可能。随着通信技术（特别是移动通信技术)、计算机技术、控制 技术、可靠性理论、微电子技术的发展，以及信号工程技术人员对信息技 术的认可，使得利用无线通信网络传输车、地间双向信息真IH成为可能， 为实现“无线自动闭塞系统”奠定了基础。这种以无线通信作为车、地间 双向信息通道的列车控制系统，人们称之为基于通信的列车控制系CBTC (Communication Base

15、d Train Control)。CBTC受到了北美、欧洲、日本等一些经济发达国家的重视，具有代表 性的有北美的先进列车控制系统(ATCS)、欧洲的欧洲列车控制系统(ETCS)、 円本的计算机无线通信辅助列车控制系统(CARAT)和先进列车管理和通信 系统(ATACS)等。国外CBTC的发展，也为我国发展CBTC系统提供宝贵的经验为了 提高铁路运输效率，保障运输安全，我国一直对新的列车控制系统进行探 索和研究。目前，我国在借鉴欧洲ETCS的成功经验的基础上，研究适合 我国国情的中国列车控制系统(CTCS),并制定了 CTCS的技术规范。1. 1. 2 CBTC系统介绍1999 年 9 月，1E

16、EE 为 CBTC 制定了 第一个标准，IEEE Std 1474.1-1999, “IEEE Standard for Communications-Based Train Control(CBTC) Performance and Functional Requirements”，将CBTC定义为3Q】：利用高精度的列车定位 (不依赖于轨道电路)，双向连续、大容量的车一地数据通信，车载、地面 的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统。CBTC工作原理如图1 1所示，调度控制中心DCC(Dispatch Control Center)控制多个车站控制中心SCC (Station Con

17、trol Center),实现相邻SCC 之间的控制交接。SCC通过管辖范围内多基站BTS (Base Train Station)与覆 盖范围内的车载设备OBE(On Board Equipment)实时双向联系。各列车在区 段内运行时，通过全球定位系统(GPS)、查询应答器或里程计装置实现列车 位置和速度的测定。现以图中列车1和列车2为例，列车1的OBE利用无线通 过基站BTS将列车位置、速度信息发送给SCC1。SSC1通过BTS周期地将目 标位置、速度及线路参数等信息发送后行列车即列车2。列车2收到信息后， 根据列车1运行状态（位置、速度、工况）、线路参数（弯道、坡度等）、 本车运行状态

18、、列车参数（列车长度、牵引重量、制动性能等），采用车 上计算、地面（SCC)计算或是车上、地面同时计算，并根据铁路信号故 障一安全原则，以比较、选择的方式，预期列车在一个信息周期末的状态 能否满足列车追踪间隔的要求，从而确定合理的驾驶策略。21CBTC具有如下特点；21) 不依赖于轨道电路实现高精度的列车定位。2) 通过连续覆盖的车、地双向数据通信网络，实现列车的控制、状态信 息的传递，其信息量与传统列控系统相比显著增加。3) 通过道旁、车载安全处理器处理列车的状态和列车控制数据，可裉据 具体应用提供自动列车防护(ATP -Automatic Train Protection)自动列车驾 驶(

19、ATO -Automatic Train Operation)、自动列车监督(ATS-Automatic Train Supervision)、自动列车控制(ATC-Automatic Train Control)。CBTC的优点是显而易见的，主要有以下几点：21) 有利于实现移动闭塞(CBTC-MAS)，提高E间通过能力，真正构成列 车运行闭环控制系统。2) 通过车、地间双向信息的传输，实现对列车的闭环控制，从而大大降 低人为错误的影响，系统的可靠性更高。3) 减少沿线设备，设备主要集中于车站和机车上，减轻设备维护和管理 的工作强度，受环境影响小。4) 区段内所有运行列车的各种参数(如:列车

20、号、机车号、位置、速度、 工况、始发站、终到站、车辆数、载重量等）自动地发送给各种管理系统， 实现铁路信息化。5) SCC依据列车状态及前车状态，结合智能技术调整列车运行，获得 最佳的区间通过能力，减少列车在区段内运行时不必要的加速、制动，节 省燃料，增加旅客乘坐舒适度。6) CBTC的无线信道也可以用于铁路公务、机务、安全、卫生等多种信 息的传输，不需要再投资建立新的信息通道。1. 2 CBTC系统关键技术在实现CBTC系统时需要应用大量新技术和传感器，因为现在已经抛弃 轨道电路，而是使用无线通信，所以有必要了解被控制对象的现状和行为， 然后再加以控制。实现CBTC系统的关键技术很多，其中主

21、要有：11(1) 列车定位技术一确定被控列车在什么地方,以便形成移动闭塞区间(2) 列车、地面之间的双向通信技术一此通信不同于一般的通信，因为 它要传输的是高可靠性的重要数据t其内容涉及到生命财产安全，而且不 能拖延时间，因为列车一直处于动态运行之中。(3) 列车完整性检测一因为不使用轨道电路，所以一定要用一种新的技 术方法来测量列车是否中间分离，因为当后半截列车分开而失去控制能力 时，就有可能发生重大事故。1. 3列车定位技术列车的实时位置信息对于智能化的高速列车自动控制系统、货车信息动 态追踪系统、运输管理信息系统、行车安全保障体系和安全综合检测车都 非常重要。利用现代通讯技术在车与车、车

22、与车站中心之间传递列车实时 位置信息，可以大范围地缩短行车间隔，可以为实现移动医间自动闭塞提 供有力保障从而大大提高铁路网的通过能力和行车安全。因此，实现列 车实时定位具有重要的现实意义。因为铁路运输系统必须是高可靠和安全的，所以对信号有特殊的要求， 目前已有的一些传统定位传感器主要有：里程计、应答器、雷达探测器、 惯性系统、轨道电路和电子计轴器等，它们有着各自的优缺点。w(1)查询一应答器作为定位应用的查询一应答器一般是无源的，即在铁路道路床中央，或 在路轨的某一侧的地面上装有应答器，它是无电源的，与此相应的在机车 上一侧或者中央安装一个査询器。应答器与查询器之间有相应的耦合电磁 感应场。查

23、询器在列车通过应答器时发射一个电脉冲，根据感应原理，该 脉冲在线路侧的接收器上触发一个编码脉冲，向列车发送位置信息。它的 特点是：定位精度比较高，可以达5m;但是要实现更多的定位信息，需要 大量的安装应答器.造成较大的成本，而且在无人烟区不利于设备的维护 和保养。(2) 里程计里程计是一种测定车轮在一定的时间内角差增量的传感器，车轮每转动 一周，就产生一定数量的数字脉冲，里程计记录这些数字脉冲来确定列车 行驰的速度和距离。它的主要缺点是：定位误差随时间积累，难以较长时 间的独立工作；当车轮磨损时，通过车轮直径获得里程数时误差较大。(3) 惯性系统惯性定位系统通过惯性元件（陀螺仪和加速度计等）感

24、应列车在运行过 程中的加速度，由计算机对输入的加速度进行两次积分，便可以得出该载 体在空间的位置变化。从而可以测定列车的位置、速度、加速度、行驶线 路的坡度和曲率等。它的缺点是造价比较高。(4) 无线测距定位系统无线测距定位系统在车上和沿线分别安装扩频无线电设备，通过测量车 上设备同道旁设备间无线电传播时间实现列车定位。定位精度与扩频信号 的频率有关，信号频率越高则定位精度越高。它的抗干扰能力较强，当无 线设备开始与车站进行通信时就可以知道列车的位置。它安装简单，只需 在车上安装天线和车载计算机，通过优化无线通信网络结构可实现很短间 隔的列车查询。(5) 轨道电路法轨道电路法将钢轨分割成不同的

25、区间实现对列车定位。在每个区间的始 端和终端加上发射与接收器件，构成一个信息传输回路。区段空闲时，信 息由发射端通过回路传输到接收端，接收端继电器吸起；当列车介入区段 时，轮对将两根钢轨短路，信息不能到达接收端，接收端继电器落下，达 到列车检测、定位的目的。它的缺点是_以轨道电路长度作为最下定位单 元，无法构成信息的连续传递，无法实现列车间的追踪和移动闭塞。(6) 卫星定位系统对于铁路的实时定位而言，卫星定位技术是一种新的手段。这方面使用 较为成熟的是美国的GPS系统，尤其是2000年5月，美国政府宣布SA政 策取消后，利用民用码可以达到30m的精度范围，如果采用差分DGPS则 可以达到3m5

26、m的定位精度。当然使用GPS也有着诸多的缺陷,例如GPS 北京交通大学硕十研究生学位论文机可能出现信号丢失的情况导致定位信息的不连续，而且受到美国政府 的控制。1. 4列车追踪技术现有的列车追踪技术主要就是指移动闭塞技术，此技术是建立在可以对 列车精确实时定位得基础上的。移动闭塞是一种新型的闭塞制式，而上面 介绍的基于通信的列车控制系统（CBTC)则是实现这种闭塞制式的技术手 段= 国际上已有不少城市开始采用这种新的技术对現有的城市轨道交通列 车控制系统进行更新。移动闭塞可以根据列车实际的速度和相对的速度来 调整闭塞分区的长度，尽可能缩小列车运行的间隔，提高行车密度。移动闭塞系统是一种区间不分

27、割、根据连续检测先行列车位置和速度进 行列车运行间隔控制的列车运行系统。这里指的连续检测并不是意味着一 定没有间隔点。在移动闭塞系统中，后续列车的速度曲线随着目标点的移 动而实时计算，后续列车到先行列车的保护段后部之间距离等于列车制动 距离加上列车制动反应时间内行驶过的距离151图12移动闭塞工作原理 要实现移动闭塞这种先进的列车追踪技术需要有无线数据通信网、车载 设备、车站控制中心等。其中，无线数据通信是移动闭塞实现的基础。通 过可靠的无线数据通信网，列车将位置、车次、列车长度、时间速度、制 动潜能和运行状况等信息以无线的方式发送给车站控制中心，车站控制中 心再以输入的方式向列车发送移动授权

28、。由此可见，移动闭塞和CBTC是紧 密相连的。移动闭塞系统具有如下一些特点：151线路没有固定的划分闭塞区间，列车间隔是动态的，并随前一列车的移动而移动；列车间隔是按后续列车在当前速度下所需的制动距离，加上安全裕 量计算得出，并据此对列车加以控制的，确保不追尾；制动的起点和终点是动态的，轨旁设备的数量与列车运行间隔关系 不大；可实现较小的列车运行间隔；5本文研究内容论文主要对列车定位这一 CBTC系统中的关键技术进行了研究，主要包 括利用卫星定位对列车精确定位和定位信息在车一地之间得传输。本文研 究的定位系统主要包括地面子系统、车载子系统及信息传输通道。重点讨 论了列车的定位技术和信息传输方法

29、，对相关的软件部分做了设计。关于 列车位置信息的采集主要是使用了卫星定位、里程计及查询一应答器等装 置，采集到的位置信息除了在车载显示设备上做出显示外，还将此信息利 用无线网络发送到地面控制中心，车站则利用相关的电子地图匹配算法实 时显示列车的位置，并且将经过处理的信息传到后续列车中去。关于车载 子系统的设计提出一种基于嵌入式Linux操作系统的设计方案，并针对此 系统设计了相关的应用程序。定位信息还需要在车一地间实时传递，所以 本文也对其相应的软件做了设计。本文共分为六章，各章内容安排大致如下所述。第-章：本章介绍了列控技术和列车定位技术的相关内容，包括工作原 理和系统组成等。第二章：本章是

30、介绍关于卫星定位原理及其在列车上的应用，重点论述 了 GPS的原理和应用。第三章：本章对地面、车载子系统及信息传输系统做了必要的阐述。第四章：本章主要对车载子系统的定位信息的接收和显示做了软件设 计，还介绍了和车站控制信息通信的相关内容。第五章：本章主要论述了车站控制中心对列车信息的处理以及和列车之 间的通信，重点论述了电子地图的匹配算法以及和列车通信的软件设计。第六章：本章对本文定位系统的实时性和优越性做了一些分析，最后对 论文进行了总结，指出了下一步的研究方向。第二章卫星定位在列车定位中的应用随着卫星定位技术的不断成熟，定位精度也越来越高，这将为列车的定 位提供一种新的位置测量手段。本章将

31、介绍GPS的定位原理、地图的投影 方法以及GPS在铁路的应用。2. 1卫星定位系统概述卫星定位在军事领域里使用较多，例如用来给导弹、飞机等导航等，很 多国家都花了大量的人力、物力搞自己的卫星定位系统。其中有前苏联的 GLONASS (Global Navigation Satellite System)、美国的 GPS(Global Positioning System)、欧洲的伽利略卫星定位系统、以及我国的北斗星双星 定位和开始筹建的北斗二代等。这么多的国家热衷与此，可见卫星定位的 重要性。近来，卫星定位技术使用越来越广泛，随着该技术的不断成熟和 发展，卫星定位的应用领域已经迅速扩大，列车定

32、位当然也包括在这其中。 本论文所讨论的卫星定位系统主要是用GPS定位技术，因为GPS是目前最 完善和应用最广泛的卫星定位技术。2. 2 GPS卫星定位系统GPS 即全球定位系统是英文 Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 的字头缩写词 NAVSTAR/GPS 的简称。 它是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994 年全面建成，此系统具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能 力。GPS定位系统由三大部分组成，即由GPS卫星组成的空间部分、由若 干地面站组成的控制部分和

33、以接收机为主体的广大用户部分，三者有各自 独立的功能和作用，但又是有机地配合和缺一不可的整体系统。16(1)空间部分空间部分由GPS卫星组成，覆盖全球上空的GPS卫星星座，必须保证 在各处能实时观测到高度15以上的4颗卫星。目前，GPS工作卫星星座 共有24颗卫星，均匀分布在倾角55的6个轨道上，即各轨道升交点（与 赤道交点）之间的角距为60 ,每个轨道上均匀分布4颗卫星，相邻轨道 之间的卫星还要彼此叉幵40 ,以保证全球覆盖的要求。Simplified Representation of Nominal GPS Constellation图24 GPS星座示意图w GPS工作卫星重达HOOk

34、g，设计寿命7.5年，卫星上装备了无线收发两 用机、原子钟、计算机等装备。每颗卫星以两个L波段频率发射载波无线 电信号，其中L1为1575.42MH乙波L2为1227.60MHZ，波长约为24cm。 在L载波上测距用P码（精码）和C/A码(粗搜索码)。C/A码是供民用 的标准定位服务，P码只供美国军方和授权用户使用。此外，在载波上还调 制了 50bit/s的数据导航电文，内容包括：卫星星历、电离层模型系数、状 态信息、时间信息和星钟偏差以及漂移信息等sGPS卫星采取多种编号识别系统，通常采用的编号是PRN数（伪随即 噪声数)，由各卫星的导航电文获知。GPS工作卫星离地高度是20200km, 运

35、行周期为12个恒星时，因此，完整的工作卫星星座保证在全球各处可以 随时观测到48颗高度在15以上的卫星，若要求高度仅在10。和5以上 时，分别可观测到412颗卫星。(2)控制部分控制部分负责监控全球定位系统的工作,包括主控站、监控站和注入站。 主控站：卫星控制中心，位于科罗拉多普林斯附近的Fakcm空军基地， 其任务是收集各个监控站送来的跟踪数据，计算卫星轨道和钟差参数并发 送至各注入站，转发至各个卫星。主控站本身还是监控站，可以诊断卫星 的工作状态，进行调整。监控站：共有5个，除了主控站外，同时还在太平洋、印度洋、大西洋 的三个岛屿上装备了 P码接收机和精密原子钟，随所接收到的卫星进行连 续

36、的P码伪距跟踪测量，并将每隔1.5s的结果数据传到主控站。北京交通大学硕士研究生学位论文注入站：共有3个。主要功能是将主站发送来得卫星星历和钟差信息， 每天一次地注入到卫星上的存储器钟。如果注入站因故障无法注入星的数 据，存储器也能具备长达14天的预报功能。当然此时的定位精度也随之降 低不少。(3)用户部分用户部分就是用户的GPS接收终端机。GPS信号接收机的任务是：能 够捕获按一定卫星高度截止角的所选择的待测卫星的信号，跟踪这些卫星 的运行，对接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信 号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文， 实时地计算出测量点三维

37、位置，甚至是三维速度和时间。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。 对于陆地，海洋和空间的广大用户，只要拥有能够接收、跟踪、变换和测 量GPS信号的接收设备，就可以在任何时候用GPS信号导航定位测量。GPS主要为美国军方服务，军方用户导航型接收机可为飞机、舰艇和战 车以及野外人员的定位。十多年来，导航型接收机已广泛应用于交通等领 域，更为突出的是相位接收机的问世这种接收机用于精密相对定位。GPS 接收机的种类虽然多，但它的结构基本一致。3 GPS定位的基本观测量及定位原理2. 3. 1 GPS定位的基本观测量GPS卫星信号含有多种定位信息根据不同的要求可以从中获得不同

38、的 观测量。对于测地型接收机，一般可得到一下两类观测量：伪距和载波相 位。有的接收机还可以给出载波相位变化率。7131(1)码相位伪距观测量码相位伪距观测量是指通过测量得到的卫星信号从发射时刻到接收机 接收时刻之间的时延，然后再乘以光速得到的距离观测量。传播时间由接 收机内部码跟踪环路通过比较卫星时钟产生的测距码和接收机复制的结构 完全一致的测距码之间的相关数据，直至达到最大的相关系系数得到。由 于测距码分别根据发送卫星的时钟和接收机的时钟产生，而两个始终都不 可避免存在时钟误差（简称钟差），另外，由于电离层和对流参延迟的影响， 因而伪距观测量并不完全等于卫星与接收机之间的集合距离。观测量方程

39、 的一般形式为：P = P + dT) dp + dion 十 dtrop + ep (3-1)式中，p -伪距观测值（m)/?站、星间的几何距离（m)C光速（m/s)dT, dT-分别为卫星和接收机钟差（s)dim ,-分别为电离层和对流层的延迟量（m)卫星轨道误差（m)sp 伪距观测暈噪声（m)(2)载波相位观测量载波相位观测量是接收机测量得到的卫星信号的载波相位与同一测量 时刻接收机产生的载波相位的差值a由于测量相位差的精度高于测量时间 差的精度，故相位测量精度高于伪距测量精度，即相位测量具有低噪声的 特点6但相位观测量只能测出不足一周的小数部分，整数部分通过积分多 普勒得到，历元1的整

40、数部分未知.因而相位观测量只相当于卫星与接收 机之间的部分距离观测量。观测量方程如下： = f(dT +dT)-N 山 dion + d(rop +dp) + s, (3-2)C式中，伞载波相位观测値（周）/载波频率（周/秒）八一载波相位的整周模糊度（周）%-载波相位观测量噪声相位观测量的主要优点是：具有低噪声，大小约为信号波长的1%,同 时，对多路径误差不敏感，故高精度定位中都釆用相位观测量o但要利用 相位观测量得到高精度的动态定位结果，必须正确求得初始相位模糊度N 的值。N是一个未知的整数，且接收机至每一颗卫星之间的相位观测量中 北京交通火学硕士研究生学位论文均含有这样一个未知的互不相关的

41、整数值。如果观测过程中不存在周跳， 则N是不交的常数，而在动态定位中，由于信号的遮蔽，载体的加速以及 大的电离层活动的影响，周跳往往不可避免。因此，除非己妥善解决了周 跳的探测与修复问题，否则，在定位过程中，必须要求对卫星信号保持连 续的跟踪。2. 3. 2 GPS定位原理导航星系统是无源测距系统。在无源测距系统中，用户通过比较接收到 的卫星发射的信号和本地参考信号，测量传播延时。若卫星时钟和用户时 钟同步，那么卫星时钟和用户时钟同步，否则说明存在时钟延时，而且延 时的时间和卫星到用户间的距离成正比。其实，卫星系统的定位原理比较简单，下面的公式说明了怎样得到用户 的位置的。(Z - Xi)2

42、+ (r - y;)2 + (Z - Zl)2 = (Rt Cb)2(i - 1,2,3,4) (3-3)其中，弋，yif 2；分别是第颗卫星的三维坐标，由GPS卫星以50HZ的速 度向全球不间断广播，y，Z是接收机的位置，化是传播距离A为校准时钟偏差，c是光速，是用户到卫星的伪距。于是得到了四个方程，这四个方程对于四个未知数义,V, Z, 一般说都有唯一的解,由此可以得到接收机精确的位置参数信息。从上面的方程也可以看出，为 什么说接收机一定要接收到四个以上的卫星信号才能对用户准确的定位。定位系统除了为用户提供三个位置坐标及精确时间外，还可以提供三个 速度分量，这是通过测量电波载频的多普勒频移

43、而获得的伪距变换率通 过如下方程得到：(3-4)0-4,.) +0-y) +(2-Zsi)这里，xSf ysi) Zsi和a：。.，ysi，2。.分别是第i颗卫星的速度和位置，p是伪距变化量，0是光速，X，z和Ar分别是待求量，当接收到四颗卫 星信号的时候，就可以建立一个方程组，分别求得四个未知量，义，_y，z 就是我们所需要的三维速度信息。2. 4 GPS中的坐标转换问题2. 4, 1各种坐标系(1)地心直角坐标7图2_2地心直角坐标系卫星在空间空间运行的轨迹称为轨道，利用卫星进行定位必须把卫星 轨道和地球联系起来，使卫星和用户处在同一坐标系中。地心直角坐标系又称空间直角坐标系。如图2 3所

44、示，它是以地球的 地心0为原点，XOY平面在赤道面上，0X正指向格林尼治子午线与赤道 的交点，0Z轴指向地球北极，与地球极轴重合。该坐标系与地球紧密结合 在一起，随地球旋转而转动。(2)大地坐标系从微观上来说地球并非圆球体，而是近似椭球体，其极半径约为 6357Km,赤道半径约为6378Km，相差约21 Km，地球表面凹凸不平。为了得到较高的精确度，在定位时必须用与地球最吻合的椭球体来代替 地球，并取椭球面和大地基准面之间高度差的平方和最小。这个椭球称为 参考椭球或基准椭球。大地水准面是指假想的无潮汐、无温差、无风、无 盐的海面。在地球上任一点P的大地水准面高度是指该点大地水准面与基 准椭球面

45、之间的距离。P点的海拔高度是指该点实际地形与大地水准面之间的距离。地球上某一点用大地坐标或地理坐标来表示，即用经度、纬度与高度表 示。大地坐标的基准圈是赤道。通过格林尼治天文台的地球子午线称为0 经度线，它与赤道的交点是大地坐标的起算点。地球任意一点的经度， 就是以格林尼治子午线与该点子午线之间所截的赤道短弧所对的球心角， 常用S表示。经度的计算是以格林尼治子午线算起，向东与向西都是0 180 向东称为东经，用E来表示；向西称为西经，用W表示。地球上任意一点的纬度是以赤道为基准,子午线在该点的法线与赤道面 的交角为该点的纬度，用L表示。在图24中，P点的纬度是指PO与OK 的夹角。纬度从赤道算

46、起，向北与向南都是090。向赤道以北称为北 纬，用N表示；向赤道以南称为南纬，用S表示。地面上任意一点的高度H指该点的实际地形与基准椭球面之间的距离，即H = N + h(3-5)式中，N为大地水准面高度，h为海拔高度。2. 4. 2坐标转换地球上任意一点可用空间直角坐标(X, Y，Z)和地理坐标沐X, /)来表示，它们之间可进行相互计算。由地理坐标转换为空间直角坐标遵循如 下规则6X - (/ + ) COS COS Y -(H + E) cos X丄 wZ(efbsin3e,tg ( P_eWT)式中：P = (x2 + y2)2. 4. 3地图的投影在数学中，投影（Project)的含义

47、是指建立两个点集间一一对应的映射 关系。同样，在地图学中，地图投影就是指建立地球表面上的点与投影平 面上点之间的一一对应关系。地图投影的基本问题就是利用一定的数学法 则把地球表面上的经纬线网表示到平面上。凡是地理信息系统就必然要考 虑到地图投影，地图投影的使用保证了空间信息在地域上的联系和完整性， 在各类地理信息系统的建立过程中，选择适当的地图投影系统是首先要考 虑的问题。由于地球椭球体表面是曲面，而地图通常是要绘制在平面图纸 上，因此制图时首先要把曲面展为平面，然而球面是个不可展的曲面，即 把它直接展为平面时，不可能不发生破裂或褶皱。若用这种具有破裂或褶 皱的平面绘制地图，显然是不实际的，所

48、以必须釆用特殊的方法将曲面展 开，使其成为没有破裂或褶皱的平面。161地图投影的变形地图投影的方法很多，用不同的投影方法得到的经纬线网形式不同。用 地图投影的方法将球面展为平面，虽然可以保持图形的完整和连续，但它 们与球面上的经纬线网形状并不完全相似。这表明投影之后，地图上的经 纬线网发生了变形，因而根据地理坐标展绘在地图上的各种地面事物，也 必然随之发生变形。这种变形使地面事物的几何特性（长度、方向、面积) 受到破坏。主要由如下几种类型：长度变形地图上的经纬线长度与地球仪上的经纬线长度特点并不完全相同，地图 上的经纬线长度并非都是按照同一比例缩小的，这表明地图上具有长度变 形。面积变形由于地

49、图上经纬线网格面积与地球仪经纬线网格面积的特点不同，在地 图上经纬线网格面积不是按照同一比例缩小的，这表明地图上具有面积变 形。角度变形是指地图上两条所夹的角度不等于球面上相应的角度，只有中央经线和 各纬线相交成直角，其余的经线和纬线均不成直角相交，而在地球仪上经 线和纬线处处都成直角相交，这表明地图上有了角度变形。地图投影的分类地图投影的种类很多，由于分类的标志不同，分类方法就不同。从使用 地图的角度出发，需要了解下述几种分类。按变形性质地图投影可以分为三类：等角投影、等积投影和任意投影。等角投影等角投影在一点上任意方向的长度比都相等，但在不同地点长度比是不 同的，即不同地点上的变形椭圆大小

50、不同。等积投影定义为某一微分面积投影前后保持相等，亦即其面积比为h即在投影 平面上任意一块面积与椭球面上相应的面枳相等，即面积变形等于零。3)等距投影在任意投影上，长度、面积和角度都有变形，它既不等角又不等积。但 是在任意投影中，有一种比较常见的等距投影，定义为沿某一特定方向的 距离，投影前后保持不变，即沿着该特定方向长度比为1。它们之间的关系是：在等积投影上不能保持等角特性，在等角投影上不 能保持等积特性；在任意投影上不能保持等角和等积的特性；等积投影的 形状变形比较大，等角投影的面积变形比较大。按照构成方法，可以把地图投影分为两大类：几何投影和非几何投影。 其中几何投影主要有方位投影、圆柱

51、投影、圓锥投影，投影原理细下图所 。图24各种几何投影|6非几何投影是指不借助几何面，根据某些条件用数学解析法确定球面与 平面之间点与点的函数关系在这类投影中，一般按经纬线形状又分伪方 位投影、伪圆柱投影、伪圆锥投影、多圆锥投影。(3)地图投影的选择地图投影选择得是否恰当，直接影响地图的精度和使用价值。这里所讲 的地图投影选择，主要指中、小比例尺地图，编制小区域大比例尺地图， 无论采用什么投影，变形都是很小的，选择制图投影时，主要要考虑以下因素：制图区域的范围、形状和地理 北京交通大学硕士研究生学位论文位置，地图的用途、出版方式及其他特殊要求等，其中制图区域的范围、 形状和地理位置是主要因素。

52、在本文论述的系统中，关于电子地图的制作，最好是使等变形线与制图 区域的轮廓形状基本一致，以便减少图上变形。在绘制铁路中使用的电子 地图时，也要根据地图的比例，所覆盖的范围等实际情况选择合适的地图 投影方法，使其获得更高的精度和使用价值。5 GPS定位技术在列控系统中的应用5. 1 GPS在CBTC中的应用分析在前面所叙述的基于通信的列控系统中，列车的位置信息对整个列控系 统起着至关重要的作用。这里主要讨论GPS的定位方法。GPS提供的定位信息可以传递给车站控制中心，进而提供给列车调 度中心（如第一章图1-1所示)，有了这个信息，调度中心就可以在精确的 电子地图上显示出各个列车的实时位置，供列车

53、调度工作人员参考。有了列车的GPS信息，分别传给车站控制中心，车站计算机计算完 毕后将两车间隔距离、速度等信息传给它的后车，为列车的驾驶员制定驾 驶策略提供准确的参考。在车站的时候，利用差分法GPS定位可以达到很高的精度，所以利 用此定位信息，可以使车站工作人员了解到列车的占用股道情况和列车出、 进站情况。在列车的车头和车尾同时装上GPS卫星定位系统，这样可以为列车 的完整性检测提供一种新的测量手段。5. 2我国GPS在铁路应用现状八十年代初，我国一些院校和科研单位开始研究GPS技术。从八十年代 中期，我国引进GPS接收机，并应用与各个领域。同时着手研究建立我国 自己的卫星导航系统。九十年代幵

54、始全球定位系统技术发展十分迅速，特 别式进入九十年代末期以来，其应用技术取得了前所未有的重大进展。在铁路运输方面，近年来，卫星导航、数据传输等先进技术也逐步应用 与铁路运输。1S)当前，以GPS为基础的列车监控导航系统正在世界上的一 些国家推广应用，我国部分列车也应用了此类系统。在列车监控导航系统 中，列车上的GPS接收机通过安装在车厢外的天线接收GPS卫星信号，实 时测定列车的位置和运行速度，同时列车上的状态监控和检测装置测得油、 水温度、燃料数量、曲轴箱质力、机车适应性等数据。这些数据经过列车 的计算机处理后，通过信息传输系统送到铁路列车控制中心，控制中心根 据运行情况和各列列车位置、运行

55、速度和列车其他状况，向列车以及有关 车站发布控制或执行命令。随着我国铁路运输管理信息系统的日趋完善，整个系统通过计算机网 络，GPS定位系统，可实时收集全路客车、机车、车辆集装箱的动态信息, 实现追踪管理。只要输入某一车辆的车种、车型、车号，瞬时可从数万公 里铁路线上运行的列车中把它找到，得知该车在什么地方运行或停在什么 站。近年来，我国已经建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨等永久性的 GPS跟踪站，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务，致 力与我国自主的广域差分GPS方案的建立，参与全球导航卫星系统(GNSS) 和GPS增强系统(WAAS)的筹建。同时，我国以着手在双星定位系统

56、一北 斗一代的基础上，提出了发展北斗二代的发展规划。随着我国自己的卫星 导航系统的健全，能够自主研发高性能的包括GPS在内的卫星接收装置， 可以预见卫星定位导航技术应用将正向更广、更深的方向发展。81第三章列车定位系统构成目前铁路正在向高速化迈进，基于通信的列车控制系统也从理论研究走 到了逐步实施，对于列车的准确定位及完整性检测将显得尤为重要。经过 上章关于GPS的介绍，本章将重点介绍一个由车载、车站、通信网络组成 的列车定位系统的结构，并对各子系统做了必要的阐述和设计。1系统概述本文讨论的列车定位系统是以CBTC为基础的，虽然只是关于列车定位 的，但是定位也是为列车的控制服务的，所以定位系统

57、是属于列控系统的 部分。本文讨论的定位系统则CBTC众多功能的一些子功能实现。1. 1列车定位要求在CBTC系统中，以基于无线通信实施连续速度监督的列车控制系统， 以移动闭塞的方式运营。以无线通信链路（如GSM-R)作为地面和列车间 的通信手段，而查询应答器作为点式传输设备，主要提供地点参考信息。 车站控制中心向列车提供信息，并通过唯一的识别手段了解列车运行状况 19】。其中列车的位置信息处理是列控的核心问题之一。定位系统与列车运行 控制系统的其它子系统相互独立，并能检测和报告本身发生的失效和故障。 对列车的定位信息有如下要求：41连续性。为了可以对列车实时控制，要求定位系统的信息可以有不 间

58、断的能力。通用性。定位信息除了要不间断地发给列车控制系统，还要有良好 的通用性，就是要良好的空间覆盖能力，无论列车运行在什么样地理环境 里，定位信息都不能中断。精确性。精确性是不言而喻的，它也是列车实现可靠性和安全性控 制的前提基础。列车定位的精确性主要是两个方面，一是在同一轨道上的 纵向位置精确性，二是在不同轨道之间要实现轨道间的横向定位精确性。CBTC是一个庞大的系统，而本文设计的系统则是该系统中与定位功能 相关的部分，主要功能包括可以提供每列车的唯一标识，了解每列列车运行情况，包括列车的 位置和速度，还可以将此信息传到车站中心去，经过处理后传到后车；可以为调度中心提供列车位置信息；地面接

59、收到列车位置、速度信息后，可以进一步计算形成列车控制 命令与列车进行双向信息传递；车载设备上可以显示相关信息。虽然本文所设计的系统并没有实现速度曲线的自动控制，但是这个定位 系统传来的位置和速度信息将为列车的自动控制做好了准备。1. 2列车定位系统的组成本文将CBTC中具有定位功能的车载、地面及传输定位信息的网络传输 部分抽象出来，将其定义为列车定位系统，它实际为基于通信的列车控制 系统的一个部分。列车定位系统的组成如下图所示。地面DMI计算模块通信模块通信模块图3 1列车定位系统的组成 车载定位子系统利用定位装置采集位置信息，一方面车载MMI将显示此 信息，另一方面将此信息通过通信模块打包发

60、送到车站控制中心。车站定 位子系统接收到信息后，通过计算模块对此信息进行处理，一方面送到地 面MMI显示，另一方面形成控制命令利用通信模块发到后续列车。后续列 车收到此信息在车载MMI进行显示，为驾驶员提供参考。关于车载和地面的软件相关的设计是本文的重点。关于地面部分软件设 计主要涉及到通信模块和定位相关的电子地图匹配算法设计。如图3 1所 示地面的通讯进程和本机的显示进程用共享内存的方式通信，而车载和车 站中心之间使用无线网络通信。由于地面使用Windows操作系统，而车载 部分使用嵌入式Linux操作系统，所以应用层面的程序都可以使用socket API网络编程。车载部分则主要涉及到通信模

61、块，还有一个可以读取GPS 数据的程序（在后面的章节中称之为GPSSERVER),当然车载LCD屏上还 应该将与列车行驶相关的信息显示出来（在后面的章节中称之为北京交通大学硕士研究生学位论文TRAINMMI).本文后面章节将详细介绍车站、车载的相关软件设计3. 2车载定位子系统3. 2. 1车载设备组成本节主要介绍具有如上所说功能的车载模块的组成=如果按前面功能分 析一个完整的车载设备应该具有下图所示的功能模块。图3_2完整车载模块设备结构 上面是一个完整的车载设备应该具有的功能模块，但是作者的时间有 限，并不能把它完全实现，提出这个框图只是为了有个整体的概念。本论 文主要是完成GPS定位模块

62、、通信模块和显示模块这些与定位相关的设计。图3-3 GPS、GPRS、LCD模块连接图 本文设计的车载定位子系统主要是利用GPS、里程计传感器和应答器作 为定位数据的采集装置采集来的数据经过处理后（处理过程将在第四章 介绍），利用GPRS无线模块在无线网络中将数据传递给车站控制中心，车 站控制中心将此信息数据计算后传给后面的列车和总的列车调度中心。该 车载设备具有利用GPS定位的功能，而且当数据处理后还具有无线发送和 接收该信息的功能。如33图所示，本文中央处理器选择三星的S3C2410,这是一款具有 ARM9内核的嵌入式芯片。GPS和GPRS通过串口用标准的RS232通信标 准和中央处理器S

63、3C2410的数据的传递，因为S3C2410集成了 LCD控制 器，直接可以接LCD, FLASH是用来装操作系和应用程序以及一些函数库 如本次设计用的QTE嵌入式GUI图形库。采集的一些数据也要保存在 FLASH的文件系统中。系统中还将有供查询数据的服务器，随时准备接收 来自不同的客户端连接。车载设备将采用基于嵌入式Linux系统来开发， 具体设计过程将在后面的章节详细介绍，嵌入式操作系统选择ARM-Linuxo 下面是本文设计所需的硬件介绍：S3C2410S3C2410是韩国三星公司生产的基于ARM920T内核的16/32位RISC 嵌入式微处理器。它主要是面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用 ARM920T核由ARM9TDM1、存储管理单元（MMU)和高速缓存三部分组 成。其中，MMU可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址和16KB 数据高速Cache组成。ARM920T有两个内部协处理器:CP14和 用于调试控制，CP15用于存储系统控制以及测试控制。S3C24I0的资源包括；1个LCD控制器（支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏)SDRAM控制器3个通道的UART4个通道的DMA4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟8通道的10位ADC触摸屏接口/2S总线接口2个USB主机接口，1个USB设备接口2个SM接口SD接口和MMC卡接口