【文章內(nèi)容簡介】 息語 句，意思為 UTC時間為 11時 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 ，校驗和為 4AH。 在單片機串口收到信息后，先判別是否為語句引導頭 “$” ，然后再接收信息內(nèi)容，在收到 “*” 字符 ASCⅡ 碼后再接收二個字節(jié)結(jié)束接收 ,然后根據(jù)語句標識區(qū)分出信息類別以對收到 ASCⅡ 碼進行處理顯示。注意在處理北京時間時應在 UTC時間上加上 8小時才是準確的北京時，在超出 24小時時應作減 24小時處理。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。其作用是把來自衛(wèi)星的信號能量轉(zhuǎn)化為相應的電流量，并經(jīng)過前置放大器送入射頻部分進行交換，以使接收機對信號進行跟蹤處理測量。 GPS接收機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：包括信號波道，存儲器，計算與顯示控制和電源部分。其中信號波道是核心部分，它把來自 GPS接收天線的衛(wèi)星信號隔離開來，以便處理和測量。它不是簡單的信號波道，由相應的硬件和軟件組成，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，嵌入式微機系統(tǒng)，車載顯示器，無線傳輸設備組成。嵌入式微機接收并處理 GPS信息，由無線傳輸設備傳輸及接收定位信息。 系統(tǒng)采用的是 GPS動態(tài)定位，用 GPS接收機測定列車的運行軌跡。列車上的 GPS接收機天線在跟蹤 GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運動，接收機用 GPS信號實時測得運動載體的狀態(tài)參數(shù) (瞬間三維位置和三維速度 )。 從原理上講， GPS觀測的是距離。通過所測量到的距離與位置之間的關系，反推出所要確定的位置在 WGS84坐標中的三維坐標 。 6PS系統(tǒng)采用高軌測距體制，以觀測站至 GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量。為了獲得距離觀測量，主要采用兩種方法：一是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達用戶接收機的傳播時間，即偽距測量；一是測量具有載波多普勒頻移的 GPS衛(wèi)星載波信號與接收機產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。通過對 4顆或 4顆以上的衛(wèi)星同時進行偽距或相位的測量即可推算出接收機的三維位置。 GPS接收機根據(jù)接收所選衛(wèi)星發(fā)來的導航信息和星鐘校正參數(shù)的時間，能算出接收機到衛(wèi)星的距離。如果測量到三顆衛(wèi)星的距離，則分別以三顆衛(wèi)星發(fā)射時刻的衛(wèi)星 位置 (按發(fā)射的星歷參數(shù)確定 )為中心，根據(jù)測得的距離畫出三個球，其交點便是用戶的三維位置。但是由于接收機的本機鐘對星載原子鐘存在偏差，上面所測的距離并不能代表衛(wèi)星到接收機的真實距離，通常把這種距離稱為“偽距離’’ (簡稱偽距 )。 對第 1顆星來說，偽距 RI的表達式為： )( t s it u ict a icRiRI ??????? 式中 ?Ri 真距； ?c 光速； ??tai 信號傳播延時 ； ??tui 用戶鐘相對于 GPS時間的偏差； ??tsi 衛(wèi)星鐘相對于 GPS時間的偏差，可以依據(jù)衛(wèi)星導航電文求得，是一個已知數(shù)。 正因為用戶鐘與 GPS時間不能精確同步，故每次測量總會有一個固定的偏差，這種偏差使定位產(chǎn)生不定性。如果再測量一個到第 4顆衛(wèi)星的偽距，則這時由用戶鐘偏差造成的定位不定性就產(chǎn)生一個由 4個相交球面所圍成的誤差體積。從每個偽距測量中加上或減去這個固定值就消去了該固定體積，結(jié)果得到 4個球 面相交于一點，這就是用戶的三維位置。實際上，這只要觀測 4顆衛(wèi)星的偽距并接收衛(wèi)星的導航信息，算出 4個方程的解就可以得到。 GPS接收機對收到的衛(wèi)星信號，進行解碼或采用其它技術，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應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)星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可紀錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(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，因此只有在相對定位、并有一段連續(xù)觀測值時才能使用相位觀測值，而要達到優(yōu)于米級的定位精度，也只能采用相位觀測值。 系統(tǒng)中 GPS接收機采用單點定位技術，即根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，用于列車的導航定位。這與在列車首尾各裝一臺接收機的方案并不沖突，在列車安裝兩臺的目的是對多套 GPS定位結(jié)果及性能進行數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)定位數(shù)據(jù)互檢校，而且可同時對列車首尾跟蹤定位，定位及檢校的同時實現(xiàn)列車完整性檢 測。 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，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)設置差分基準站，由 GPS接收到的定位信息經(jīng)過地圖匹配之后，由主控計算機判斷其匹配的精度，再結(jié)合軌道電路的信息進行精確定位。其中軌道電路是用來判斷站內(nèi)軌道的真實占用情況，差分 GPS信號則是精確顯示列車運行軌跡的基礎。軌道電路是利用鐵路線路的兩條鋼軌作導線，用以檢查有無列車、傳遞列車占用信息以及 其它信號信息的電氣回路。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，它的作用是保護電源設備，當軌道電路被機車車輛分路時，防止電流過大而損壞電源，并保證在列車占用軌道時，軌道繼電器能可靠地落下，對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備時，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的。也有不裝鋼軌絕緣的，這時根據(jù)軌道電流衰減到一定程度時即作為軌道電路的分界處。 受電端 (又稱繼電器端或終端 )的主要設備是軌道電路繼電器 (GJ)，用它接收軌道信號電流來反映軌道電路的工作狀態(tài)，電子軌道電路的接收設備一般都采用電子器件，其作用和軌道繼電器相同。送、受電端的設備，都是通過引接線接向鋼軌的。兩個絕緣節(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度。軌道電路的長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度不同。 本方案采用了先進的車輛導航技術，具有精度高、體積小和可靠性強及經(jīng)濟成本相對較低等特點。本組合導航系統(tǒng)可以迅速、準確、全天候、不間斷地提供定位、導航和實時信息。 GSMR系統(tǒng)很多技術借鑒了公網(wǎng)的 GSM技術，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。不僅如此，由于二者都可以工作在 900M頻段， 因此在無線網(wǎng)絡規(guī)劃方面也是基本相同的，GSM— R系統(tǒng)的規(guī)劃設計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)絡設計安裝。 GSM— R的基本特性已在鐵路網(wǎng)的 MORANE試驗中得到安裝、測試和驗證。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，設計本方案的數(shù)據(jù)通信方案如圖： 其中，通信服務器負責與通信子系統(tǒng)的協(xié)同 工作，通過通信接口進行站間信息交換，與終端的通信 (接受通信報文，下達調(diào)度指令等 )，另外還負責各種通信方式狀態(tài)的監(jiān)測，在必要的時候進行切換；無線交換中心 (MSC)設置在調(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、高頻開關電源、蓄電池等配套設施 )。無線交換機、基站控制器 (BSC)、各基站設備利用鐵路的光傳輸系統(tǒng)構(gòu)成 GSMR無線交換網(wǎng)。沿線各站、區(qū)間設基站 (含基站設備、鐵塔、接發(fā)設備、接口等 )。車載設備包括車載算機、 GPS接收機 (雙套 )、 GSMR車載電臺等。 車載計算機中應存儲如下幾類數(shù)據(jù)庫文件： 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設施不可變特性的數(shù)據(jù)，由線路拓撲和沿線基礎設施目標位置以及特性數(shù)據(jù)組成。 2．列車運行數(shù)據(jù) 系統(tǒng)控制的每個運行列車的特點都存儲在數(shù)據(jù)庫中，可作為用來觸發(fā)更新相應狀況的基礎數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)庫描述本次列車的固定信息，包含列車車長、軸重、機車號、車次號、客貨類型等執(zhí)行任務所必需的全部信息。列車的各項任務與可操作的列車 ID相對應。 3．通信數(shù)據(jù) 通信數(shù)據(jù)庫描述系統(tǒng)網(wǎng)絡每個位 置上能夠使用的各種通信系統(tǒng)的特點，旨在使運行的列車能夠以最高的效率與該系統(tǒng)的其它部分進行通信聯(lián)系。 4．固定設備狀況數(shù)據(jù)庫 該數(shù)據(jù)庫包含固定設備或受這些設備控制的其它設備狀況的有關數(shù)據(jù)。利用該數(shù)據(jù)庫向行車管理人員顯示該系統(tǒng)及其組成部分的當前狀態(tài)。隨著狀況的改變觸發(fā)一些功能或報警。 5．信號表示索引 將所有會用到的信號表示，其所包含的具體限速要求都在這個表中列出，供軟件計算限速時取用。客車與貨車將使用不同的信號表示索引。 6．臨時限速文件 該文件描述當前區(qū)域的臨時限速指令。這些指令由調(diào)度員從調(diào)度中心發(fā)出，經(jīng)由 通信管理服務器發(fā)送至車載計算機，保存在數(shù)據(jù)庫中。使用最新的臨時限速文件與車載計算機進行校驗檢查，校驗失敗則進行更新。在通信發(fā)生故障時，車載計算機可以實施缺省臨時限速，缺省臨時限速值可以由用戶來定義。 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接收機及相關定位方式生成的車載動態(tài)位置信息利用 GSMR系統(tǒng)的無線傳輸方式傳到設于車站的 GSM— R基站，基站利用 GSM— R網(wǎng)絡把信息傳到調(diào)度中心通信服務器，調(diào)度中心通信服務器則通過局域網(wǎng)與 MSC進行數(shù)據(jù)傳輸， MSC通過局域網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳到調(diào)度 中心主控計算機，反之亦然。車站相關信息是 GSMR網(wǎng)絡傳到調(diào)度中心通信服務器，隨后傳到主控計算機。 第四章 系統(tǒng)的優(yōu)化及安全措施 影響測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、儀器構(gòu)造引起的誤差和觀測誤差； (2)系統(tǒng)誤差：主要有軌道誤差、鐘差及大氣折射誤差等。 按來源可以分為： (1)與 GPS衛(wèi)星有關的誤差：軌道誤差、相對論效應、衛(wèi)星鐘差； (2)與信號傳播有關的誤差：對流層折射、電離層折射、多路徑效應； (3)與接收設備有 關的誤差：觀測誤差、天線相位中心偏差、接收機鐘差： (4)其他誤差：地球旋轉(zhuǎn)影響、地球固體潮影響、地面基準誤差、 SA頻率抖動。 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模型，根據(jù)基線兩端的相關性原理，可完全消除相對論效應、衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的影響。雙差模型對大氣折射和衛(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的測站相關性很弱，即使很短的基線，兩站間多路徑影響差異也很大，站間求差方法對多路徑誤差的消除作用不大，且沒有較好的模型來改正。因而，多路徑效應己成為影響高精度、短基線進一步提高精度的最大的制約因素。 GPS衛(wèi)星從約 2萬公里高空向地面發(fā)射電磁波，地面接收機的天線可以收到這種信號并跟蹤 GPS衛(wèi)星完成定位或?qū)Ш饺蝿铡５?GPS發(fā)射的電磁波信號并不是一條條的直線信號而是向四面八方的，地面上接收機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。因此，接收機天線不但收到了沿最小光程路 徑來的 GPS直達信號，也會收到經(jīng)各種反射物反射后到達接收機天線的信號。這兩種經(jīng)不同路徑到達接收機天線的信號會產(chǎn)生疊加，成為一種新的復合信號。這種復合信號與直達信號相比會產(chǎn)生路徑延遲和相位延遲，從而對定位結(jié)果產(chǎn)生影響，這就是多路徑效應現(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。 要削弱多路徑效應對接收信號的干擾，通常的辦法是采用特制的天線，以達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主要有： (1)采用右旋極化天線，削弱左旋信號的 接收強度； (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； (3)采用扼流圈天線，阻斷較低高度角的衛(wèi)星信號和多路徑信號； (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)零位自適應天線，通過調(diào)節(jié)自適應天線的零增益方向與最大多路徑干擾方向一致來減小等效反射系數(shù)，實現(xiàn)抗多路徑。 通信部分的可靠性，特別是無線通信部分的可靠性是保證行車安全的關鍵。在 GSMR系統(tǒng)中，無線交換中心 (MSC)與車載設備無線連接中斷，主要是由于 GSM— R的無線 連接失效，即移動臺 (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