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正文內(nèi)容

基于gps定位技術(shù)的行車定位系統(tǒng)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-04-03 09:48 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 息語(yǔ) 句,意思為 UTC時(shí)間為 11時(shí) 46分 41秒,位置在北緯 30度,東經(jīng) 122度 ,普通 GPS定位方式,接收到 3顆衛(wèi)星,水平精度 ,天線離海平面高度 ,所在地離地平面高度 ,校驗(yàn)和為 4AH。 在單片機(jī)串口收到信息后,先判別是否為語(yǔ)句引導(dǎo)頭 “$” ,然后再接收信息內(nèi)容,在收到 “*” 字符 ASCⅡ 碼后再接收二個(gè)字節(jié)結(jié)束接收 ,然后根據(jù)語(yǔ)句標(biāo)識(shí)區(qū)分出信息類別以對(duì)收到 ASCⅡ 碼進(jìn)行處理顯示。注意在處理北京時(shí)間時(shí)應(yīng)在 UTC時(shí)間上加上 8小時(shí)才是準(zhǔn)確的北京時(shí),在超出 24小時(shí)時(shí)應(yīng)作減 24小時(shí)處理。串口中斷程序的處理流程如下圖 天線單元:由接收天線和前置放大器組成。其作用是把來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)能量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流量,并經(jīng)過(guò)前置放大器送入射頻部分進(jìn)行交換,以使接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤處理測(cè)量。 GPS接收機(jī)一般采用全向振子天線,小型螺旋天線和微帶天線,微帶天線是接收天線的主要發(fā)展方向。 接收單元:包括信號(hào)波道,存儲(chǔ)器,計(jì)算與顯示控制和電源部分。其中信號(hào)波道是核心部分,它把來(lái)自 GPS接收天線的衛(wèi)星信號(hào)隔離開來(lái),以便處理和測(cè)量。它不是簡(jiǎn)單的信號(hào)波道,由相應(yīng)的硬件和軟件組成,按照波道的工作原理,波道類型 可分為碼相關(guān)型波道,平方型波道和碼相位型波道。 車載傳輸單元: RS232通信接口,嵌入式微機(jī)系統(tǒng),車載顯示器,無(wú)線傳輸設(shè)備組成。嵌入式微機(jī)接收并處理 GPS信息,由無(wú)線傳輸設(shè)備傳輸及接收定位信息。 系統(tǒng)采用的是 GPS動(dòng)態(tài)定位,用 GPS接收機(jī)測(cè)定列車的運(yùn)行軌跡。列車上的 GPS接收機(jī)天線在跟蹤 GPS衛(wèi)星的過(guò)程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng),接收機(jī)用 GPS信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù) (瞬間三維位置和三維速度 )。 從原理上講, GPS觀測(cè)的是距離。通過(guò)所測(cè)量到的距離與位置之間的關(guān)系,反推出所要確定的位置在 WGS84坐標(biāo)中的三維坐標(biāo) 。 6PS系統(tǒng)采用高軌測(cè)距體制,以觀測(cè)站至 GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測(cè)量。為了獲得距離觀測(cè)量,主要采用兩種方法:一是測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)用戶接收機(jī)的傳播時(shí)間,即偽距測(cè)量;一是測(cè)量具有載波多普勒頻移的 GPS衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差,即載波相位測(cè)量。通過(guò)對(duì) 4顆或 4顆以上的衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行偽距或相位的測(cè)量即可推算出接收機(jī)的三維位置。 GPS接收機(jī)根據(jù)接收所選衛(wèi)星發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息和星鐘校正參數(shù)的時(shí)間,能算出接收機(jī)到衛(wèi)星的距離。如果測(cè)量到三顆衛(wèi)星的距離,則分別以三顆衛(wèi)星發(fā)射時(shí)刻的衛(wèi)星 位置 (按發(fā)射的星歷參數(shù)確定 )為中心,根據(jù)測(cè)得的距離畫出三個(gè)球,其交點(diǎn)便是用戶的三維位置。但是由于接收機(jī)的本機(jī)鐘對(duì)星載原子鐘存在偏差,上面所測(cè)的距離并不能代表衛(wèi)星到接收機(jī)的真實(shí)距離,通常把這種距離稱為“偽距離’’ (簡(jiǎn)稱偽距 )。 對(duì)第 1顆星來(lái)說(shuō),偽距 RI的表達(dá)式為: )( t s it u ict a icRiRI ??????? 式中 ?Ri 真距; ?c 光速; ??tai 信號(hào)傳播延時(shí) ; ??tui 用戶鐘相對(duì)于 GPS時(shí)間的偏差; ??tsi 衛(wèi)星鐘相對(duì)于 GPS時(shí)間的偏差,可以依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得,是一個(gè)已知數(shù)。 正因?yàn)橛脩翮娕c GPS時(shí)間不能精確同步,故每次測(cè)量總會(huì)有一個(gè)固定的偏差,這種偏差使定位產(chǎn)生不定性。如果再測(cè)量一個(gè)到第 4顆衛(wèi)星的偽距,則這時(shí)由用戶鐘偏差造成的定位不定性就產(chǎn)生一個(gè)由 4個(gè)相交球面所圍成的誤差體積。從每個(gè)偽距測(cè)量中加上或減去這個(gè)固定值就消去了該固定體積,結(jié)果得到 4個(gè)球 面相交于一點(diǎn),這就是用戶的三維位置。實(shí)際上,這只要觀測(cè) 4顆衛(wèi)星的偽距并接收衛(wèi)星的導(dǎo)航信息,算出 4個(gè)方程的解就可以得到。 GPS接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào),進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù),將調(diào)制在載波上的信息去掉后,就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言,載波相位應(yīng)被稱為載波拍頻相位,它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè),保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤,就可紀(jì)錄下相位的變化值,但開始觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的,起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的,即整周模糊 度,只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測(cè)值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相對(duì)定位、并有一段連續(xù)觀測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值,而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位精度,也只能采用相位觀測(cè)值。 系統(tǒng)中 GPS接收機(jī)采用單點(diǎn)定位技術(shù),即根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式,它只能采用偽距觀測(cè)量,用于列車的導(dǎo)航定位。這與在列車首尾各裝一臺(tái)接收機(jī)的方案并不沖突,在列車安裝兩臺(tái)的目的是對(duì)多套 GPS定位結(jié)果及性能進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)互檢校,而且可同時(shí)對(duì)列車首尾跟蹤定位,定位及檢校的同時(shí)實(shí)現(xiàn)列車完整性檢 測(cè)。 GPS在站內(nèi)的定位 在區(qū)間采用了 GPS定位,但是在車站,又存在特殊之處,車站的股道之間的線間距是四米左右,而根據(jù)鐵路的特點(diǎn),要求定位一定很精確才行,因此在車站定位方案采用差分 GPS+軌道電路法,在站內(nèi)設(shè)置差分基準(zhǔn)站,由 GPS接收到的定位信息經(jīng)過(guò)地圖匹配之后,由主控計(jì)算機(jī)判斷其匹配的精度,再結(jié)合軌道電路的信息進(jìn)行精確定位。其中軌道電路是用來(lái)判斷站內(nèi)軌道的真實(shí)占用情況,差分 GPS信號(hào)則是精確顯示列車運(yùn)行軌跡的基礎(chǔ)。軌道電路是利用鐵路線路的兩條鋼軌作導(dǎo)線,用以檢查有無(wú)列車、傳遞列車占用信息以及 其它信號(hào)信息的電氣回路。軌道電路一般由送電端、鋼軌線路和受電端三部分組成。 送電端 (又稱電源端或始端 )由軌道電源和限流器等組成。根據(jù)軌道電路的類型不同,軌道電源可以用鉛蓄電池浮充供電 (或其它直流電源 ),也可以用軌道變壓器或信號(hào)發(fā)生器供電。限流器一般可以用電阻器或電抗器構(gòu)成,它的作用是保護(hù)電源設(shè)備,當(dāng)軌道電路被機(jī)車車輛分路時(shí),防止電流過(guò)大而損壞電源,并保證在列車占用軌道時(shí),軌道繼電器能可靠地落下,對(duì)某些交流軌道電路而言,它還兼有相位調(diào)整的功效。軌道電路使用電子設(shè)備時(shí),一般都不需要限流器。鋼軌線路是由軌條、軌端 接續(xù)線 (又稱軌端連接線或?qū)Ы泳€ )和鋼軌絕緣等組成。為了減少軌條連接處的接觸電路,采用了軌端接續(xù)線。鋼軌絕緣安裝于軌道電路分界處,是為了分隔或劃分軌道回路而裝設(shè)的。也有不裝鋼軌絕緣的,這時(shí)根據(jù)軌道電流衰減到一定程度時(shí)即作為軌道電路的分界處。 受電端 (又稱繼電器端或終端 )的主要設(shè)備是軌道電路繼電器 (GJ),用它接收軌道信號(hào)電流來(lái)反映軌道電路的工作狀態(tài),電子軌道電路的接收設(shè)備一般都采用電子器件,其作用和軌道繼電器相同。送、受電端的設(shè)備,都是通過(guò)引接線接向鋼軌的。兩個(gè)絕緣節(jié)之間的鋼軌線路 (即從送電端到受電端之間 ), 稱為軌道電路的控制區(qū)段,也就是軌道電路的長(zhǎng)度。軌道電路的長(zhǎng)度要受到軌道電路工作狀態(tài)的制約,各種類型的軌道電路長(zhǎng)度不同。 本方案采用了先進(jìn)的車輛導(dǎo)航技術(shù),具有精度高、體積小和可靠性強(qiáng)及經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較低等特點(diǎn)。本組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以迅速、準(zhǔn)確、全天候、不間斷地提供定位、導(dǎo)航和實(shí)時(shí)信息。 GSMR系統(tǒng)很多技術(shù)借鑒了公網(wǎng)的 GSM技術(shù),保留了 GSM的大體結(jié)構(gòu),使得從一開始GSMR系統(tǒng)就是一個(gè)成熟可靠的系統(tǒng),它的絕大多數(shù)軟硬件都已在現(xiàn)網(wǎng)中得到檢驗(yàn)。不僅如此,由于二者都可以工作在 900M頻段, 因此在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面也是基本相同的,GSM— R系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)也可借助于己成熟的 GSM系統(tǒng)工具,可以方便快捷地為用戶提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)安裝。 GSM— R的基本特性已在鐵路網(wǎng)的 MORANE試驗(yàn)中得到安裝、測(cè)試和驗(yàn)證。歐洲 GSMR采用的頻段是上行 (MS到 BTS)876— 880MHz,下行 (BTs到 MS)921925Ⅻ Z。我國(guó)GSMR采用的頻段是上行 (MS到 BTS)885— 889Hz,下行 (BTS到 MS)930934MHz。 基于以上特點(diǎn),設(shè)計(jì)本方案的數(shù)據(jù)通信方案如圖: 其中,通信服務(wù)器負(fù)責(zé)與通信子系統(tǒng)的協(xié)同 工作,通過(guò)通信接口進(jìn)行站間信息交換,與終端的通信 (接受通信報(bào)文,下達(dá)調(diào)度指令等 ),另外還負(fù)責(zé)各種通信方式狀態(tài)的監(jiān)測(cè),在必要的時(shí)候進(jìn)行切換;無(wú)線交換中心 (MSC)設(shè)置在調(diào)度監(jiān)控中心內(nèi) (含位置寄存器、監(jiān)控管理終端、配線柜、交流配電屏、高頻開關(guān)電源、蓄電池等配套設(shè)施 )。無(wú)線交換機(jī)、基站控制器 (BSC)、各基站設(shè)備利用鐵路的光傳輸系統(tǒng)構(gòu)成 GSMR無(wú)線交換網(wǎng)。沿線各站、區(qū)間設(shè)基站 (含基站設(shè)備、鐵塔、接發(fā)設(shè)備、接口等 )。車載設(shè)備包括車載算機(jī)、 GPS接收機(jī) (雙套 )、 GSMR車載電臺(tái)等。 車載計(jì)算機(jī)中應(yīng)存儲(chǔ)如下幾類數(shù)據(jù)庫(kù)文件: 1.線路描述數(shù)據(jù)線路描述數(shù)據(jù)包含全線起始和結(jié)束位置、股道數(shù)、區(qū)間位置等概要性 數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)描述鐵路沿線和基礎(chǔ)設(shè)施不可變特性的數(shù)據(jù),由線路拓?fù)浜脱鼐€基礎(chǔ)設(shè)施目標(biāo)位置以及特性數(shù)據(jù)組成。 2.列車運(yùn)行數(shù)據(jù) 系統(tǒng)控制的每個(gè)運(yùn)行列車的特點(diǎn)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,可作為用來(lái)觸發(fā)更新相應(yīng)狀況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)描述本次列車的固定信息,包含列車車長(zhǎng)、軸重、機(jī)車號(hào)、車次號(hào)、客貨類型等執(zhí)行任務(wù)所必需的全部信息。列車的各項(xiàng)任務(wù)與可操作的列車 ID相對(duì)應(yīng)。 3.通信數(shù)據(jù) 通信數(shù)據(jù)庫(kù)描述系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)每個(gè)位 置上能夠使用的各種通信系統(tǒng)的特點(diǎn),旨在使運(yùn)行的列車能夠以最高的效率與該系統(tǒng)的其它部分進(jìn)行通信聯(lián)系。 4.固定設(shè)備狀況數(shù)據(jù)庫(kù) 該數(shù)據(jù)庫(kù)包含固定設(shè)備或受這些設(shè)備控制的其它設(shè)備狀況的有關(guān)數(shù)據(jù)。利用該數(shù)據(jù)庫(kù)向行車管理人員顯示該系統(tǒng)及其組成部分的當(dāng)前狀態(tài)。隨著狀況的改變觸發(fā)一些功能或報(bào)警。 5.信號(hào)表示索引 將所有會(huì)用到的信號(hào)表示,其所包含的具體限速要求都在這個(gè)表中列出,供軟件計(jì)算限速時(shí)取用??蛙嚺c貨車將使用不同的信號(hào)表示索引。 6.臨時(shí)限速文件 該文件描述當(dāng)前區(qū)域的臨時(shí)限速指令。這些指令由調(diào)度員從調(diào)度中心發(fā)出,經(jīng)由 通信管理服務(wù)器發(fā)送至車載計(jì)算機(jī),保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。使用最新的臨時(shí)限速文件與車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行校驗(yàn)檢查,校驗(yàn)失敗則進(jìn)行更新。在通信發(fā)生故障時(shí),車載計(jì)算機(jī)可以實(shí)施缺省臨時(shí)限速,缺省臨時(shí)限速值可以由用戶來(lái)定義。 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案為:使用 GSMR系統(tǒng)以及調(diào)度中心局域網(wǎng)。將列車內(nèi) GPS接收機(jī)及相關(guān)定位方式生成的車載動(dòng)態(tài)位置信息利用 GSMR系統(tǒng)的無(wú)線傳輸方式傳到設(shè)于車站的 GSM— R基站,基站利用 GSM— R網(wǎng)絡(luò)把信息傳到調(diào)度中心通信服務(wù)器,調(diào)度中心通信服務(wù)器則通過(guò)局域網(wǎng)與 MSC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, MSC通過(guò)局域網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳到調(diào)度 中心主控計(jì)算機(jī),反之亦然。車站相關(guān)信息是 GSMR網(wǎng)絡(luò)傳到調(diào)度中心通信服務(wù)器,隨后傳到主控計(jì)算機(jī)。 第四章 系統(tǒng)的優(yōu)化及安全措施 影響測(cè)量精度的主要誤差按性質(zhì)可分為: (1)偶然誤差:主要包括多路徑效應(yīng)、儀器構(gòu)造引起的誤差和觀測(cè)誤差; (2)系統(tǒng)誤差:主要有軌道誤差、鐘差及大氣折射誤差等。 按來(lái)源可以分為: (1)與 GPS衛(wèi)星有關(guān)的誤差:軌道誤差、相對(duì)論效應(yīng)、衛(wèi)星鐘差; (2)與信號(hào)傳播有關(guān)的誤差:對(duì)流層折射、電離層折射、多路徑效應(yīng); (3)與接收設(shè)備有 關(guān)的誤差:觀測(cè)誤差、天線相位中心偏差、接收機(jī)鐘差: (4)其他誤差:地球旋轉(zhuǎn)影響、地球固體潮影響、地面基準(zhǔn)誤差、 SA頻率抖動(dòng)。 在這些誤差源中,地球旋轉(zhuǎn)影響、地球固體潮影響等誤差經(jīng)模型化改正后,剩余殘差對(duì)短基線的影響可以忽略。短基線平差一般采用雙差相位觀測(cè)模型,根據(jù)基線兩端的相關(guān)性原理,可完全消除相對(duì)論效應(yīng)、衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差的影響。雙差模型對(duì)大氣折射和衛(wèi)星軌道誤差也有很好的減弱作用。 SA政策在 2021年己取消,即使有 SA,在雙差模型下也能得到很好消除。 多路徑效應(yīng)引起的誤差,隨著反射物距離的增加衰減很快 ,這就使得多路徑效應(yīng)的測(cè)站相關(guān)性很弱,即使很短的基線,兩站間多路徑影響差異也很大,站間求差方法對(duì)多路徑誤差的消除作用不大,且沒有較好的模型來(lái)改正。因而,多路徑效應(yīng)己成為影響高精度、短基線進(jìn)一步提高精度的最大的制約因素。 GPS衛(wèi)星從約 2萬(wàn)公里高空向地面發(fā)射電磁波,地面接收機(jī)的天線可以收到這種信號(hào)并跟蹤 GPS衛(wèi)星完成定位或?qū)Ш饺蝿?wù)。但是 GPS發(fā)射的電磁波信號(hào)并不是一條條的直線信號(hào)而是向四面八方的,地面上接收機(jī)周圍必定有一些其他的物體,這些物體或多或少要反射 GPS信號(hào)。因此,接收機(jī)天線不但收到了沿最小光程路 徑來(lái)的 GPS直達(dá)信號(hào),也會(huì)收到經(jīng)各種反射物反射后到達(dá)接收機(jī)天線的信號(hào)。這兩種經(jīng)不同路徑到達(dá)接收機(jī)天線的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生疊加,成為一種新的復(fù)合信號(hào)。這種復(fù)合信號(hào)與直達(dá)信號(hào)相比會(huì)產(chǎn)生路徑延遲和相位延遲,從而對(duì)定位結(jié)果產(chǎn)生影響,這就是多路徑效應(yīng)現(xiàn)象。如圖 3— 8為多路徑反射示意圖, a代表一次反射方式; b代表直射方式; C代表地面反射方式: d代表多次反射方式。 要削弱多路徑效應(yīng)對(duì)接收信號(hào)的干擾,通常的辦法是采用特制的天線,以達(dá)到消除或減弱多路徑影響。天線制造上采用的抗多路徑技術(shù)主要有: (1)采用右旋極化天線,削弱左旋信號(hào)的 接收強(qiáng)度; (2)底部安裝抑徑板,隔斷反射物反射的低于天線的多路徑信號(hào); (3)采用扼流圈天線,阻斷較低高度角的衛(wèi)星信號(hào)和多路徑信號(hào); (4)采用組合天線,提高組合天線主瓣增益,降低旁瓣增益,減弱多路徑影響; (5)零位自適應(yīng)天線,通過(guò)調(diào)節(jié)自適應(yīng)天線的零增益方向與最大多路徑干擾方向一致來(lái)減小等效反射系數(shù),實(shí)現(xiàn)抗多路徑。 通信部分的可靠性,特別是無(wú)線通信部分的可靠性是保證行車安全的關(guān)鍵。在 GSMR系統(tǒng)中,無(wú)線交換中心 (MSC)與車載設(shè)備無(wú)線連接中斷,主要是由于 GSM— R的無(wú)線 連接失效,即移動(dòng)臺(tái) (MS)與基站 (BTS)的連接中斷,可能是 MS或 BTS發(fā)生了故障,其中 BTS故障的
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