基于GPS的列車定位系統(tǒng)研究

陳士娟　劉韓仁　李曉彤　陳平芬　任秦萱　李江

摘?要：闡述了列車定位的必要性，提出了基于GPS的列車定位方式，對軌道地圖進(jìn)行了簡單敘述，著重討論了軌道定位的一種基本算法，并初步搭建了一種列車定位并實(shí)現(xiàn)的整體流程。

關(guān)鍵詞：列車定位;GPS;虛擬網(wǎng)絡(luò);軌道地圖;軌道定位技術(shù)

1 緒論

列車定位的目的是在任意時(shí)刻能夠準(zhǔn)確的判斷出列車所在位置、速度和正晚點(diǎn)等信息，為保證列車安全和自動(dòng)運(yùn)行創(chuàng)建基礎(chǔ)，也便于乘客更加精細(xì)地規(guī)劃行程，為乘客提供更加便捷的出行環(huán)境。GPS是一種全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠提供載體的經(jīng)緯度以及速度等信息，其誤差范圍為15m誤差圓。傳統(tǒng)的列車定位方法有：[1]軌道電路方法、電子記軸器法、測速定位法和查詢應(yīng)答器法等等，這幾類方法僅限于火車內(nèi)部系統(tǒng)使用，不對外開放，因此本文基于GPS定位系統(tǒng)，以列車軌道為參考基準(zhǔn)，提出了一種列車定位方式，并通過編寫軟件實(shí)現(xiàn)了部分功能。

2 軌道地圖數(shù)據(jù)研究

構(gòu)建電子地圖是研究列車軌道定位的基礎(chǔ)，其中利用大量實(shí)測GPS數(shù)據(jù)自動(dòng)生成軌道電子地圖是研究軌道地圖的一種主要方式，[2]一般情況下，軌道地圖數(shù)據(jù)庫由對象數(shù)據(jù)庫和軌跡數(shù)據(jù)庫組成，對象包括平交路口、限速標(biāo)志等相關(guān)點(diǎn)。

2.1 軌跡融合算法

對于原始GPS數(shù)據(jù)，由于系統(tǒng)本身誤差、電磁干擾、天氣、地段遮擋等因素，所以對于單次采集數(shù)據(jù)描述的軌跡而言，誤差較大，因此一般采用多次采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的方式，其原理圖如圖1所示：

常用的數(shù)據(jù)融合算法有Kalman等線性濾波算法，EKF、UKF和CKF等非線性濾波方法等。[3]

2.2 地圖曲線表示

目前電子地圖中經(jīng)常采用的方法有NURBS表示、Bézier曲線表示等，但是這類曲線表示方法必然造成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的增大，更重要的是相應(yīng)地圖匹配算法的復(fù)雜。不同于公路，鐵路軌道位置確定，且曲率半徑較大，[4]因此采用折現(xiàn)法近似曲線的方式，當(dāng)取值較密時(shí)，折線可以看作是近似曲線，其示意圖如圖2所示：

圖中，虛線為折線擬合路徑，由圖可以看出，當(dāng)曲率半徑較大時(shí)，折線擬合曲線更加接近，而直線可以看作是曲率半徑為無窮大的特殊曲線。

自己構(gòu)建電子地圖工作量大、成本高且周期長，因此在工程中使用商業(yè)或者開源地圖，以便于快速開發(fā)，本文選用開源地圖OpenStreetMap作為軌道地圖數(shù)據(jù)來源。

3 軌道定位技術(shù)研究

3.1 定位點(diǎn)軌道匹配

對于任何載體的GPS定位，由于存在誤差，所以不一定準(zhǔn)確定位在軌道上，為了減小定位誤差，將定位點(diǎn)先匹配到軌道上，由于將鐵路軌道近似為折線，因此匹配方法為將定位點(diǎn)投影到最近的直線上。投影過程如下所示：[5]

設(shè)某一定位點(diǎn)m，坐標(biāo)為（xm，ym），投影到a（xa，ya），b（xb，yb）兩點(diǎn)的直線，投影點(diǎn)為n（xn，yn），載體實(shí)際位置為點(diǎn)k（xk，yk），投影示意圖如圖3所示：

圖中，直線ab的方程為：

直線mn的方程為：

其中，k1=yb-yaxb-xa，k2=-xb-xayb-ya

將式聯(lián)合得：

xn=ym-ya+k1xa-k1xmk1-k2

yn=ym+k2xn-k2xm

因此可以求出點(diǎn)位點(diǎn)m投影到直線ab上的投影點(diǎn)，投影后誤差從mk縮小為nk。

3.2 最短距離搜索算法

為了得到節(jié)3.1的投影坐標(biāo)，必須在當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中找出定位點(diǎn)m的最近點(diǎn)a和次近點(diǎn)b，從而進(jìn)行軌道匹配，顯然次近點(diǎn)b在最近點(diǎn)a的前一個(gè)軌道點(diǎn)或者后一個(gè)軌道點(diǎn)，因此算法的主要工作為搜索出距離定位點(diǎn)m的最近點(diǎn)a的坐標(biāo)。為了能夠快速定位，不在全局?jǐn)?shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索，本文搭建基于虛擬網(wǎng)格的快速定位方法，[6]具體方法如下：搭建以0.1經(jīng)緯度為刻度的虛擬網(wǎng)格，對于定位點(diǎn)m，先快速索引到所在網(wǎng)格，然后進(jìn)行遍歷搜索出最短路徑的點(diǎn)。示意圖如圖4所示：

對于任意定位定m，先確定其經(jīng)緯度網(wǎng)格區(qū)間，然后對所在網(wǎng)格區(qū)間軌道點(diǎn)進(jìn)行逐一進(jìn)行遍歷，從而找出最小值。

4 整體實(shí)現(xiàn)研究

為了實(shí)現(xiàn)列車GPS定位系統(tǒng)，提出了基于單片機(jī)和通信模塊的列車定位實(shí)現(xiàn)方式，[7]整體架構(gòu)示意圖如圖5為：

其中，終端設(shè)備主要由GPS模塊及天線、通信模塊、處理器、顯示器和軟件平臺(tái)等構(gòu)成。

GPS模塊通過天線接受到衛(wèi)星信號，處理器通過串口發(fā)送到GSM模塊，GSM通過短消息的方式將數(shù)據(jù)傳送給軟件平臺(tái)，軟件平臺(tái)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并按照第3節(jié)軌道定位法進(jìn)行軌道匹配，計(jì)算并顯示列車所在位置和速度等信息，并預(yù)估下一站到站時(shí)間等。終端設(shè)備的總體框架如圖6所示：

因此，對于整體實(shí)現(xiàn)而言，主要工作為GPS數(shù)據(jù)的獲取、單片機(jī)調(diào)試和軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]金青，黃翌虹.GPS與軌道運(yùn)輸列車定位[J].微計(jì)算機(jī)信息：測控儀表自動(dòng)化，2004（3）：116.

[2]高桂桂，蔡伯根.列車監(jiān)控系統(tǒng)專用電子地圖自動(dòng)生成算法的研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2006，28（1）：63-67.

[3]蔡伯根.低成本列控系統(tǒng)的列車組合定位理論與方法[D].北京交通大學(xué)，2010.

[4]Saab S S.A map matching approach for train positioning.I.Development and analysis[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，49（2）：467-475.

[5]基于GPS與軌道信息的地圖匹配列車定位算法.

[6]殷燕如，劉金樂.基于GPS列車定位系統(tǒng)的快速地圖匹配算法研究[J].鐵道通信信號，2011，47（11）：60-62.

[7]胡小剛，鄧中亮.基于單片機(jī)的GPS車載終端設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2004，23（2）：24-26.