基于北斗差分定位技術(shù)的站場(chǎng)數(shù)字化系統(tǒng)

軒志偉，軒春青，程元濤，鞏慶民，牛文輝

（1. 河南藍(lán)信科技有限責(zé)任公司 藍(lán)信軌道交通安全裝備研發(fā)中心，鄭州 450001；2.鄭州成功財(cái)經(jīng)學(xué)院 信息工程系，鞏義 451200）

當(dāng)前我國(guó)鐵路運(yùn)輸處于高速發(fā)展時(shí)期，自動(dòng)化程度日益提高，鐵路運(yùn)載能力得到大幅提升。在支撐鐵路系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)展的眾多技術(shù)中，位置服務(wù)在列車(chē)運(yùn)行控制、調(diào)度指揮、安全預(yù)警等確保鐵路安全運(yùn)行的應(yīng)用系統(tǒng)中發(fā)揮極大的作用。國(guó)內(nèi)針對(duì)列車(chē)定位及防護(hù)的研究已取得很多重要的成果，主要是采用軌道電路、應(yīng)答器、里程計(jì)以及GPS定位等方式[1]；針對(duì)站場(chǎng)物理元素的定位服務(wù)尚未開(kāi)展，目前我國(guó)鐵路站場(chǎng)基本沒(méi)有數(shù)字化地圖[2]；準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)掌握列車(chē)、信號(hào)機(jī)、股道分布位置具有十分重要的意義，鐵路站場(chǎng)的數(shù)字化顯得越來(lái)越重要和實(shí)用[3]。站場(chǎng)數(shù)字化利用北斗技術(shù)對(duì)站場(chǎng)內(nèi)的股道、信號(hào)機(jī)、道岔等相關(guān)設(shè)備進(jìn)行精確定位，使用計(jì)算機(jī)將這些設(shè)備的位置信息與站場(chǎng)圖相匹配，將衛(wèi)星定位所得高維位置信息轉(zhuǎn)換為沿軌道的一維坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)圖的數(shù)字化[4]。機(jī)車(chē)車(chē)載設(shè)備通過(guò)獲取自身定位并使用GIS技術(shù)與站場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，與列車(chē)位置應(yīng)用系統(tǒng)形成有效交互，保證車(chē)輛在站場(chǎng)內(nèi)精準(zhǔn)運(yùn)行,為列車(chē)安全防護(hù)、調(diào)度、監(jiān)控等作業(yè)提供可靠保障[5-6]。本文基于北斗實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）載波相位差分定位技術(shù)，獲取站場(chǎng)信號(hào)機(jī)、道岔等物理元素的精準(zhǔn)位置，實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)數(shù)字化運(yùn)行管理系統(tǒng)的建立運(yùn)行與維護(hù)，為列車(chē)運(yùn)行控制、調(diào)車(chē)安全防護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)和保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于北斗差分定位技術(shù)的站場(chǎng)數(shù)字化系統(tǒng)主要由便攜式經(jīng)緯測(cè)量?jī)x、手持設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)等組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。經(jīng)緯測(cè)量?jī)x利用差分基站的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精準(zhǔn)定位。使用時(shí)，將天線放置在需要定位的設(shè)備上方，差分經(jīng)緯儀通過(guò)天線接收衛(wèi)星信號(hào)，解析出粗略的位置信息，將該信息發(fā)送給便攜設(shè)備和差分服務(wù)器；差分服務(wù)器通過(guò)判斷經(jīng)緯儀的基本位置，調(diào)用附近差分基站的位置信息，發(fā)送給便攜式設(shè)備，收到數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給經(jīng)緯儀。經(jīng)緯儀接收差分信息并結(jié)合自身位置信息，通過(guò)差分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，將最終的差分定位信息持續(xù)發(fā)送給手持便攜設(shè)備。利用手持設(shè)備的上位機(jī)軟件，加載站場(chǎng)圖，接收經(jīng)緯儀發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。在站場(chǎng)圖中選定對(duì)應(yīng)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)位置關(guān)聯(lián)。經(jīng)緯測(cè)量?jī)x通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與外部通信，可以使用無(wú)線的方式進(jìn)行通信，增強(qiáng)了系統(tǒng)使用的靈活性。預(yù)留移動(dòng)通信模塊接口，可以通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

經(jīng)緯測(cè)量?jī)x利用差分基站的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。主要由定位模塊、通信模塊、電源管理模塊以及狀態(tài)指示模塊等組成。采用電池供電，具備電池電量、通信狀態(tài)以及定位狀態(tài)的指示功能。具體架構(gòu)如圖2所示。

電源管理模塊負(fù)責(zé)電源切換、電池充電、電量指示等功能；將電池或外部電源電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需電壓，給系統(tǒng)各個(gè)模塊供電。電源切換用于外界供電與電池之間的切換。主控制器模塊獲取各個(gè)模塊狀態(tài)，協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作；讀取定位模塊數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送出去，并接收外部信息進(jìn)行解析；讀取電池電量信息控制狀態(tài)指示燈工作。通信模塊用于和外部進(jìn)行信息交互，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸并能夠?qū)Χㄎ荒K的工作模式進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)還可在控制器的作用下通過(guò)無(wú)線與外部進(jìn)行信息交互。調(diào)試接口用于在試驗(yàn)階段輸出系統(tǒng)的調(diào)試信息。

圖2 經(jīng)緯測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)圖

3 模塊選型與接口電路設(shè)計(jì)

3.1 模塊選型

目前，GPS模塊自主定位精度已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高精度定位的需求， RTK定位技術(shù)是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，參考站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈將其觀測(cè)值和觀測(cè)站坐標(biāo)信息一起傳送給流動(dòng)站，流動(dòng)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自參考站的數(shù)據(jù)[7-8]，結(jié)合采集的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果[9]。為實(shí)現(xiàn)定位的準(zhǔn)確性，選用支持RTK技術(shù)的定位模塊，天寶BD930高精度定位模塊支持GPS、GLONASS、Galileo和北斗B1、B2、B3頻段，能夠接受差分基站數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)差分定位，內(nèi)置卡爾曼濾波PVT引擎，具有很快的RTK初始化速度，能迅速實(shí)現(xiàn)1～2 cm的定位精度。其對(duì)外接口包括4個(gè)UART口、1個(gè)網(wǎng)口和1個(gè)USB接口，便于開(kāi)發(fā)集成。

無(wú)線通信模塊是測(cè)試節(jié)點(diǎn)與手持設(shè)備之間通信的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)通信距離較近、數(shù)據(jù)量小，對(duì)功耗比較敏感?？紤]到成本和實(shí)際應(yīng)用環(huán)境[10]，系統(tǒng)中采用自主搭建數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)無(wú)線覆蓋進(jìn)行通信，具有使用靈活、搭建方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)。

表1對(duì)幾種常用的短距離無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，綜合考慮本系統(tǒng)在速度、距離和功耗等方面的設(shè)計(jì)要求，選用藍(lán)牙技術(shù)作為系統(tǒng)的通信技術(shù)。

選用串口透?jìng)魉{(lán)牙模塊與MCU之間進(jìn)行通信，模塊最高波特率可達(dá)到115 200 bps。最大發(fā)射功率為 4 dBm，接收靈敏度-85 dBm，利用板載 PCB 天線實(shí)現(xiàn) 10 m距離通信。接口能自適應(yīng) 3.3 V 或 5 V的 TTL 電平，使用靈活，可以根據(jù)需要使用AT指令更改模塊工作模式、串口波特率、設(shè)備名稱(chēng)以及PIN碼等參數(shù)。

表1 幾種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)比

3.2 接口電路設(shè)計(jì)

接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，在指令模式下接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令，對(duì)無(wú)線模塊的參數(shù)進(jìn)行更改等。藍(lán)牙模塊與定位模塊均支持標(biāo)準(zhǔn)UART接口協(xié)議，可與其他微控制器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。串口傳輸具有使用簡(jiǎn)單、控制方便、占用引腳少等優(yōu)點(diǎn)。故選用UART作為控制器與無(wú)線模塊和定位模塊之間的通信接口，如圖3所示。

圖3 無(wú)線模塊與控制器接口電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微控制器軟件采用C語(yǔ)言利用庫(kù)函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)，具有易讀性好，可移植性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括底層驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)即SMBUS驅(qū)動(dòng)、串口程序，應(yīng)用程序的編寫(xiě)等。便攜式設(shè)備中上位機(jī)采用C++ builder開(kāi)發(fā)。

經(jīng)緯測(cè)量?jī)x軟件運(yùn)行在經(jīng)緯儀內(nèi)的控制器中，實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)和差分?jǐn)?shù)據(jù)的獲取以及與上位機(jī)通信等功能。MCU與各個(gè)外設(shè)之間采用獨(dú)立串口進(jìn)行通信，保證各個(gè)模塊之間互不干擾。通過(guò)串口2讀取GPS模塊的位置信息；利用SMBUS協(xié)議，獲取電池電量、電流等參數(shù)信息，解析后控制電源指示燈提示電量信息；微控制器對(duì)位置和電量信息進(jìn)行合理編碼后通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送給上位機(jī)；并接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，識(shí)別后發(fā)送給GPS模塊，使GPS模塊實(shí)現(xiàn)差分定位。上位機(jī)對(duì)接收到的電池信息和位置信息進(jìn)行解析處理。微控制器作為控制中心對(duì)各外設(shè)模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理，收集分析處理各外部設(shè)備狀態(tài)信息，精簡(jiǎn)外設(shè)模塊的任務(wù)量。

常用的單片機(jī)應(yīng)用程序架構(gòu)主要有3種：順序執(zhí)行法、時(shí)間片輪詢(xún)法以及操作系統(tǒng)；其中順序執(zhí)行法比較簡(jiǎn)單，適用于實(shí)時(shí)性，并行性要求不太高的場(chǎng)景，對(duì)于較復(fù)雜的應(yīng)用程序，該方法不利于升級(jí)維護(hù)和代碼優(yōu)化。操作系統(tǒng)具備任務(wù)管理等功能，便于管理任務(wù)，但是比較復(fù)雜，移植麻煩，需要使用許可證。時(shí)間片輪詢(xún)法是將定時(shí)器封裝成最小時(shí)間片，為各個(gè)任務(wù)分配不同的時(shí)間來(lái)執(zhí)行任務(wù)。在一個(gè)函數(shù)延時(shí)的時(shí)候去執(zhí)行其他函數(shù)，充分利用CPU時(shí)間，與操作系統(tǒng)有些類(lèi)似，任務(wù)之間采用全局變量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。本系統(tǒng)采用時(shí)間片輪詢(xún)法，具體架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 嵌入式軟件流程圖

設(shè)計(jì)軟件時(shí)要確定每一個(gè)任務(wù)的具體執(zhí)行時(shí)間，為每個(gè)任務(wù)劃分合理的時(shí)間片，保證每一任務(wù)都能在該執(zhí)行的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行而不能影響其他任務(wù)。為保證任務(wù)的運(yùn)行速度，要謹(jǐn)慎使用延時(shí)函數(shù)。

上位機(jī)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，用戶(hù)可以通過(guò)其獲取整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。采用C++ builder設(shè)計(jì)，運(yùn)行在便攜式設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)的功能有參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等功能。軟件的功能框圖如圖5所示。參數(shù)設(shè)置是對(duì)通信模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便同經(jīng)緯儀進(jìn)行通信；數(shù)據(jù)采集能夠打開(kāi)站場(chǎng)圖、選擇物理元素并接收經(jīng)緯測(cè)量?jī)x發(fā)來(lái)的定位數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理主要能夠完成經(jīng)緯度與具體物理元素的匹配、位置信息轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。在狀態(tài)欄中展示需要打點(diǎn)的元素?cái)?shù)量和已打過(guò)點(diǎn)的元素?cái)?shù)量。

圖5 上位機(jī)軟件功能圖

5 系統(tǒng)搭建與功能測(cè)試驗(yàn)證

為了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試，搭建出差分基站完成對(duì)測(cè)試區(qū)間的覆蓋，將經(jīng)緯測(cè)量?jī)x天線固定在被測(cè)位置上方，打開(kāi)經(jīng)緯儀與手持設(shè)備，二者通過(guò)無(wú)線自動(dòng)建立連接。手持設(shè)備調(diào)用應(yīng)用程序，打開(kāi)站場(chǎng)圖接收位置信息。選定該位置信息在站場(chǎng)圖上對(duì)應(yīng)的元素，完成位置信息與物理元素的匹配，如圖6所示。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠完成位置信息的采集、傳輸與保存等功能，且定位精準(zhǔn)通信鏈路通暢，能夠很好地實(shí)現(xiàn)物理元素位置定位及匹配功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)站場(chǎng)信息化的需求，將北斗差分定位技術(shù)與站場(chǎng)圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)了便攜式經(jīng)緯測(cè)量?jī)x、通信網(wǎng)絡(luò)以及上位機(jī)軟件。搭建基于北斗差分定位技術(shù)的定位系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、數(shù)據(jù)傳輸、位置匹配關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，操作方便，能夠達(dá)到使用要求。

圖6 上位機(jī)測(cè)試界面