基于GPS的CIR衛(wèi)星定位單元設(shè)計

徐程龍 田秀臣 韓贊東 熊道權(quán)

徐程龍:清華大學(xué)機(jī)械工程系 碩士研究生 100084 北京

田秀臣:北京世紀(jì)東方國鐵科技股份有限公司 高級工程師100070 北京

韓贊東:清華大學(xué)機(jī)械工程系 副教授 100084 北京

熊道權(quán):北京世紀(jì)東方國鐵科技股份有限公司 高級工程師100070 北京

鐵路無線調(diào)度通信對于鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。以往我國鐵路無線調(diào)度通信采用450 MHz模擬無線通信系統(tǒng)，這種通信方式的通信頻點多、范圍小，通話質(zhì)量低，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化高速鐵路通信的需求。為了適應(yīng)鐵路信息化、數(shù)字化的建設(shè)步伐，我國從歐洲引進(jìn)了GSMR數(shù)字無線通信系統(tǒng)。目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)還沒有完全覆蓋整個鐵路運(yùn)營區(qū)段，因此上述2種無線調(diào)度通信方式同時存在。機(jī)車綜合無線通信設(shè)備 (以下簡稱CIR)是專門針對目前鐵路調(diào)度通信需要而設(shè)計的通信設(shè)備，它兼容450 MHz模擬無線通信系統(tǒng)和GSM-R數(shù)字無線通信系統(tǒng)，可為機(jī)車與地面控制臺之間的調(diào)度通信提供一個安全實時的雙向通道。

鐵道部規(guī)定在相應(yīng)的鐵路區(qū)段使用對應(yīng)的通信方式，包括GSM-R方式和450 MHz中的不同通信頻點。因此當(dāng)機(jī)車在使用不同無線調(diào)度通信方式的鐵路線上運(yùn)行時，CIR要跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的通信方式。在行車過程中人工頻繁的切換通信方式，增加了機(jī)車司機(jī)的工作量，分散了司機(jī)的注意力，嚴(yán)重影響行車安全。針對上述問題研制的CIR衛(wèi)星定位單元，可以根據(jù)機(jī)車的當(dāng)前位置信息來完成450 MHz和GSM-R這2種通信方式之間的自動切換，以及450 MHz通信頻點的選擇，從而提高列車運(yùn)行的安全性。

1 總體設(shè)計

定位單元工作原理:依據(jù)接收的GPS衛(wèi)星定位原始信息，定位機(jī)車的行車位置，進(jìn)而確定機(jī)車當(dāng)前使用的通信方式和相應(yīng)信息，然后按照規(guī)定的通信協(xié)議，將通信信息組織成公用位置信息傳遞給上位機(jī)，從而實現(xiàn)通信方式的自動切換。

1.1 設(shè)計依據(jù)

以《GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)設(shè)備技術(shù)規(guī)范 第二部分:機(jī)車綜合無線通信設(shè)備 (V2.0)》中，對衛(wèi)星定位單元的功能描述作為設(shè)計依據(jù)，具體要求如下。

1．具有輸出衛(wèi)星定位原始信息、公用位置信息的功能。衛(wèi)星定位原始信息輸出間隔不大于2 s，GPS數(shù)據(jù)格式采用NMEA-0183協(xié)議。公用位置信息中，時鐘信息作為設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，設(shè)備的時鐘校準(zhǔn)周期不應(yīng)大于10 min。

2．當(dāng)衛(wèi)星定位信息有效時，在GSM-R區(qū)段，模塊應(yīng)能輸出前方、后方車站值班臺以及本調(diào)度區(qū)段調(diào)度臺的ISDN號碼;在450 MHz區(qū)段，應(yīng)能輸出前方、后方車站值班臺以及本調(diào)度區(qū)段調(diào)度臺通信頻點。

3．當(dāng)衛(wèi)星定位信息無法確定唯一的運(yùn)行線路時，具有提示并手動選擇運(yùn)行線路的功能。

4．具有響應(yīng)整機(jī)自檢功能。

5．外部接口數(shù)據(jù)通信采用RS-422串行接口，雙工通信方式，數(shù)據(jù)傳輸速率9600 b/s。

6．與主控單元的通信接口采用TTL電平，數(shù)據(jù)傳輸速率9600 b/s。

1.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對功能要求設(shè)計了衛(wèi)星定位單元的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。各部分的功能描述如下。

圖1 CIR衛(wèi)星定位單元功能結(jié)構(gòu)原理圖

1．GPS接收機(jī):接收衛(wèi)星傳送的衛(wèi)星定位原始信息，信息包含機(jī)車當(dāng)前經(jīng)緯度和時間信息。

2．地理數(shù)據(jù)庫:存放以經(jīng)緯度為坐標(biāo)劃分的區(qū)間信息、通信模式轉(zhuǎn)換點，同時包含區(qū)間對應(yīng)的調(diào)度通信方式所包含的相關(guān)信息 (如通信頻點、ISDN號碼等)。

3．?dāng)?shù)據(jù)升級接口:外接U盤等存儲設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序的更新。

4．原始信息接口:向外輸出衛(wèi)星定位原始信息。也可以向模塊輸入模擬的衛(wèi)星定位原始信息，用作調(diào)試。

5．公用接口:向外輸出公用位置信息。

6．上位機(jī)接口:模塊與CIR主控單元之間的通信通道。

定位單元有模擬態(tài)和工作態(tài)2種工作狀態(tài)。在調(diào)試過程中，向原始接口輸入模擬衛(wèi)星定位原始信息，模塊工作在模擬態(tài)，此時GPS接收機(jī)接收的機(jī)車經(jīng)緯度原始信息無效。在實際運(yùn)行中，原始信息接口無原始信息輸入，定位單元工作在工作態(tài)，CPU使用GPS接收機(jī)接收的衛(wèi)星定位原始信息，原始信息接口同步輸出衛(wèi)星定位原始信息。

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計

為實現(xiàn)圖1所示的功能，設(shè)計了以AT91RM9200(ARM9)微處理器作為核心的嵌入式硬件系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 定位單元硬件結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)中AT91RM9200外接NAND FLASH和NOR FLASH作為存儲單元，NAND FLASH用于存儲數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序，NOR FLASH用于存儲操作系統(tǒng)相關(guān)軟件。同時擴(kuò)展SDRAM作為程序的運(yùn)行空間。

2.2 通信接口設(shè)計

設(shè)計要求原始數(shù)據(jù)接口和公用數(shù)據(jù)接口與外界連接時，采用RS-422串行通信傳輸總線。同時GPS接收機(jī)與AT91RM9200之間，AT91RM9200的DEBUG接口與宿主機(jī)之間的通信，采用3線連接方式的RS-232串行通信傳輸總線。因此在設(shè)計的過程中分別用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3071和MAX3232實現(xiàn)TTL電平向RS-422、RS-232電平的轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個定位單元系統(tǒng)軟件的構(gòu)架如圖3所示。為了方便實現(xiàn)模塊功能，在硬件上移植了嵌入式操作系統(tǒng)。采用uboot作為bootloader，完成板級的初始化。移植linux 2.6作為嵌入式操作系統(tǒng)，采用ramdisk作為根文件系統(tǒng)。

3.2 地理數(shù)據(jù)庫

在設(shè)計過程中，鐵路部門只提供了每條鐵路線上離散點的經(jīng)緯度以及對應(yīng)的通信信息，如何利用這些信息定位機(jī)車的位置，進(jìn)而實現(xiàn)機(jī)車通信方式的切換，是本設(shè)計的重點和難點之一。

圖3 定位單元軟件結(jié)構(gòu)圖

利用鐵路沿線的離散點經(jīng)緯度和通信信息設(shè)計一個地理數(shù)據(jù)庫，其作用是為定位機(jī)車行車位置提供參照標(biāo)準(zhǔn)，同時提供通信方式所需要的信息(如通信頻點和ISDN號碼等)。

地理數(shù)據(jù)庫由若干文件夾組成，每條鐵路線對應(yīng)一個文件夾，該文件夾中包含2個文本文檔，分別對應(yīng)鐵路線的上行線路和下行線路。通過對文本文檔的讀取實現(xiàn)對地理數(shù)據(jù)庫的調(diào)用。

按照每條鐵路線上的車站進(jìn)站信號機(jī)和出站信號機(jī)的經(jīng)緯度，將鐵路線劃分為若干車站區(qū)間(包含站內(nèi)區(qū)間和站間區(qū)間)，同時用每條鐵路線內(nèi)的最大經(jīng)緯度和最小經(jīng)緯度表示鐵路線所在的線路區(qū)間。鐵路線區(qū)間的劃分如圖4所示。

圖4 鐵路線區(qū)間劃分

文本文檔按照一定的格式組織存儲線路名稱、經(jīng)緯度表示的線路區(qū)間，以及線路中各個車站區(qū)間的通信信息。車站區(qū)間的通信信息包含車站所在線路名稱、線路代碼、通信模式代碼、調(diào)度臺號碼、車站名稱、車站代碼、車站電話號碼、站內(nèi)區(qū)間、站間區(qū)間、模式切換點等。

由于我國鐵路縱橫交錯，實際鐵路線存在交叉、平行等特殊狀況，不同線路中的車站區(qū)間會產(chǎn)生重合，因此數(shù)據(jù)庫中還包含特殊線路區(qū)間，在地理數(shù)據(jù)庫中有相應(yīng)的文件夾。特殊線路區(qū)間信息由以經(jīng)緯度表示的特殊線路區(qū)間和其中所包含的鐵路線的信息組成。

3.3 定位算法設(shè)計

定位算法是整個應(yīng)用程序的核心。以鐵路線中的車站區(qū)間作為數(shù)據(jù)元素節(jié)點，以車站區(qū)間通信信息組成元素作為數(shù)據(jù)項。采用單向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對符合機(jī)車當(dāng)前位置信息的節(jié)點進(jìn)行管理。通過對鏈表的增減節(jié)點操作，確定行車區(qū)間以及對應(yīng)通信方式等相關(guān)信息。模塊定位算法基本流程如圖5所示。

圖5 定位算法基本流程圖

首先將機(jī)車當(dāng)前位置經(jīng)緯度和數(shù)據(jù)庫包含的鐵路線的線路區(qū)間進(jìn)行比較，確定機(jī)車可能所處的鐵路線，然后再將經(jīng)緯度信息與鐵路線中的車站區(qū)間對比，確定機(jī)車所在的車站區(qū)間。將符合條件的車站區(qū)間信息制作成節(jié)點加入到單向鏈表。

如果單向鏈表中的節(jié)點數(shù)唯一，則得到的區(qū)間就是機(jī)車所在車站區(qū)間;如果不唯一，那么機(jī)車一定處于特殊線路區(qū)間。將特殊線路區(qū)間中包含的鐵路線名稱制作成特殊線路列表，通過CIR人機(jī)交互界面讓機(jī)車司機(jī)進(jìn)行選擇。模塊根據(jù)司機(jī)選擇結(jié)果對單向鏈表進(jìn)行節(jié)點刪減，從而得到機(jī)車所在車站區(qū)間。

由機(jī)車當(dāng)前運(yùn)行車站區(qū)間可以得到車站的前后站，以及相應(yīng)的通信方式等信息。模塊將相關(guān)信息按照通信協(xié)議組織成公用位置信息傳遞給CIR主控單元，實現(xiàn)通信方式的切換。

3.4 主程序設(shè)計

由于篇幅有限，在此主要介紹主程序的結(jié)構(gòu)和功能。主程序的流程圖如圖6所示。

圖6 主程序結(jié)構(gòu)功能圖

主程序首先初始化全局變量，創(chuàng)建并初始化鏈表，然后啟動4個線程。這4個線程的作用表述如下:①讀取GPS線程用于讀取GPS衛(wèi)星定位原始信息，并從中提取出經(jīng)緯度和時間等信息;②通信線程用于模塊和主機(jī)之間的信息傳遞;③特殊線路選擇線程用于在列車處于特殊線路區(qū)間時，調(diào)用地理數(shù)據(jù)庫中特殊區(qū)間包含的多條線路信息，并組織成特殊線路表供及機(jī)車司機(jī)選擇;④監(jiān)控線程用于監(jiān)視系統(tǒng)是否接受GPS原始信息和發(fā)送公用信息，如果否，則重啟系統(tǒng)。

線程啟動后會進(jìn)入循環(huán)，在循環(huán)中根據(jù)經(jīng)緯度確定行車區(qū)間，然后組織上傳給CIR主機(jī)的公用信息。

4 結(jié)束語

該衛(wèi)星定位單元已經(jīng)經(jīng)過現(xiàn)場測試，并應(yīng)用于京滬高鐵、京廣線等鐵路線路，實踐證明，該單元可以滿足CIR的使用要求，運(yùn)行安全可靠。

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