【正文】 間基站被兩端基站的電波覆蓋，一旦中間基站故障后，由兩端基站代替其工作，示意圖見(jiàn)圖 38： 總結(jié) 本論文設(shè)計(jì)了基于 GPS 和 GSMR技術(shù)的列車(chē)行車(chē)順序控制系統(tǒng)，針對(duì)區(qū)間和站內(nèi)對(duì)定位精確度要求的不同，分別設(shè)計(jì)了 GPS 和 GPS 結(jié)合軌道電路的定位方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)的定位。為避免 BTS故障造成的無(wú)線連接失效，方案設(shè)計(jì)中考慮采取以下措施： (1)BTS冗余配置：在鐵路沿線的無(wú)線覆蓋區(qū)域內(nèi)，每個(gè)車(chē)站的 BTS應(yīng)該是雙機(jī)熱備，如果工作的 BTS發(fā)生故障，備份 BTS就可以立即接替工作，對(duì)故障的 BTS隨即進(jìn)行維修，這樣就不會(huì)造成無(wú)線連接的中斷，雙機(jī)備份后，傳輸系統(tǒng)的可靠性可大大提高。 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(chē)安全的關(guān)鍵。 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。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。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)。 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)。 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(méi)有較好的模型來(lái)改正。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。 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。 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。將列車(chē)內(nèi) GPS接收機(jī)及相關(guān)定位方式生成的車(chē)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(chē)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。在通信發(fā)生故障時(shí)，車(chē)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。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(chē)載計(jì)算機(jī)，保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中?？蛙?chē)與貨車(chē)將使用不同的信號(hào)表示索引。隨著狀況的改變觸發(fā)一些功能或報(bào)警。 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)。列車(chē)的各項(xiàng)任務(wù)與可操作的列車(chē) ID相對(duì)應(yīng)。 2．列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù) 系統(tǒng)控制的每個(gè)運(yùn)行列車(chē)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)。 車(chē)載計(jì)算機(jī)中應(yīng)存儲(chǔ)如下幾類(lèi)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)。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 )。 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(kāi)關(guān)電源、蓄電池等配套設(shè)施 )。歐洲 GSMR采用的頻段是上行 (MS到 BTS)876— 880MHz，下行 (BTs到 MS)921925Ⅻ Z。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。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。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(lèi)型的軌道電路長(zhǎng)度不同。送、受電端的設(shè)備，都是通過(guò)引接線接向鋼軌的。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。為了減少軌條連接處的接觸電路，采用了軌端接續(xù)線。軌道電路使用電子設(shè)備時(shí)，一般都不需要限流器。根據(jù)軌道電路的類(lèi)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。軌道電路一般由送電端、鋼軌線路和受電端三部分組成。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(chē)運(yùn)行軌跡的基礎(chǔ)。這與在列車(chē)首尾各裝一臺(tái)接收機(jī)的方案并不沖突，在列車(chē)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(chē)首尾跟蹤定位，定位及檢校的同時(shí)實(shí)現(xiàn)列車(chē)完整性檢 測(cè)。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。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱(chēng)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。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。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。 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)。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(huà)出三個(gè)球，其交點(diǎn)便是用戶的三維位置。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。 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。 從原理上講， GPS觀測(cè)的是距離。 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(chē)的運(yùn)行軌跡。 車(chē)載傳輸單元： RS232通信接口，嵌入式微機(jī)系統(tǒng)，車(chē)載顯示器，無(wú)線傳輸設(shè)備組成。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(kāi)來(lái)，以便處理和測(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。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。 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(lèi)別以對(duì)收到 ASCⅡ 碼進(jìn)行處理顯示。不同的語(yǔ)句中傳送不同的信息，如 GPGGA語(yǔ)句中傳送的格式為： $GPGGA,1,2,3,4,5,6,7,8,9,M,10,M,11,12*hhCRLF 傳送的信息說(shuō)明如下： $GPGGA： 起始引導(dǎo)符及語(yǔ)句格式說(shuō)明（本句為 GPS定位數(shù)據(jù)） 1 UTC時(shí)間，時(shí)時(shí)分分秒秒格式 2 緯度，度度分分 .分分分分格式（第一位是零也將傳送） 3 緯度半球， N或 S（北緯或南緯） 4 經(jīng)度，度度分分 .分分分分格式（第一位零也將傳送） 5 經(jīng)度半球， E或 W（東經(jīng)或西經(jīng)） 6 GPS質(zhì)量指示， 0=方 位無(wú)法使用， 1=非差分 GPS獲得方位， 2=差分方式獲得方位（ DGPS）， 6=估計(jì)獲得 7 使用衛(wèi)星數(shù)量，從 00到 12（第一個(gè)零也將傳送） 8 水平精確度， 9 天線離海平面的高度， M 指單位米 10 大地水準(zhǔn)面高度， M 指單位米 11 差分 GPS數(shù)據(jù)期限（ RTCM SC104），最后設(shè)立 RTCM傳送的秒數(shù)量（如無(wú) DGPS為 0） 12 差分參考基站標(biāo)號(hào)，從 0000到 1023（首位 0也將傳送 。由于該格式為ASCII碼字符串，比較直觀和易于處理，在許多高級(jí)語(yǔ)言中都可以直接進(jìn)行判別、分離，以提取用戶所需要的數(shù)據(jù)。通常使用 NMEA0183格式輸出，數(shù)據(jù)代碼為 ASCII碼字符。 系統(tǒng)采用 12MHZ晶振，串口方式 1接收 GPS信息， P0口和 P2口用于七段共陽(yáng) LED顯示接口，可以輪流顯示實(shí)時(shí)時(shí)間、緯度、經(jīng)度及其它 GPS信息數(shù)據(jù)。其結(jié)構(gòu)如圖 32所示 (下圖僅列出一個(gè) GPS接收機(jī)，另一個(gè)亦通過(guò) RS232接口接入車(chē)載微機(jī) )： 單片機(jī)采用華邦 W78E516B，該芯片具有在系統(tǒng)下載編程功能，修改調(diào)試程序十分方便。分別由 RS232通信接口接入車(chē)載嵌入式微機(jī)系統(tǒng)中。定位時(shí)間：重捕 ＜ 2sec，熱 啟 動(dòng)為 15sec，冷 啟 動(dòng) 45sec，自動(dòng)搜索 90sec； 定位精度： 15mRMS/差分時(shí) ＜ 5m； 可接收實(shí)時(shí)差分信號(hào)用于精確定位，信號(hào)格式為 RTCM SC104，波特率自適應(yīng) ； 1PPS秒脈沖信號(hào)輸出，精度指標(biāo)高達(dá) 106秒 ； 雙串口（ TTL）輸出，波特率可由軟件設(shè)置 (1200～ 9600)； 環(huán)境工作 溫度 :35C至 +85C； 尺寸： ； 重量： 31g； 輸入電壓： +/5%；靈敏度： 166Dbw； 后備電源：板置 3V鋰電池 (10年壽命 )； 功耗： 1W； 天線接口： 50— ohm MCX接頭有源天線 (5V)； 電源 /數(shù)據(jù)口：?jiǎn)闻?12插針 。 本課題在設(shè)計(jì)系統(tǒng)區(qū)間定位時(shí)，選用了 GPS25LVS系列 OEM板 ，它 采用單一 5V供電，內(nèi)置保護(hù)電池， RS23 TTL兩種電平自動(dòng)輸出 NMEA 0183 (ASCII字符型 )語(yǔ)句，是目前應(yīng)用最廣泛的 GPS接收處理板，能滿足各種導(dǎo)航和授時(shí)領(lǐng)域的需求。 GPS在區(qū)間的定位 在本系統(tǒng)方案中，鐵路線路區(qū)間列車(chē)采用 GPS進(jìn)行定位，可在列車(chē)上面安裝兩套 GPS接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定位，將 GPS接收機(jī)安裝在列車(chē)頭部和尾部，這樣有助于對(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(chē)首尾跟蹤定位，定位及檢校的同時(shí)實(shí)現(xiàn)列車(chē)完整性檢測(cè)。在車(chē)站戰(zhàn)線內(nèi)，使用 GPS+軌道電路實(shí)現(xiàn)列車(chē)的定位。因此在 設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案時(shí)，針對(duì)鐵路線路的具體情況，既要考慮定位的精度，又要考慮實(shí)現(xiàn)定位的經(jīng)濟(jì)成本，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)有效的定位目的。車(chē)載移動(dòng)設(shè)備上接收到的列車(chē)定位信息，以及車(chē)站分機(jī)子系統(tǒng)獲取的車(chē)站列車(chē)上運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)數(shù)據(jù)通信設(shè)備傳送到調(diào)度中心，由調(diào)度中心主控計(jì)算機(jī)處理后，將實(shí)時(shí)信息以可視化方式反饋給調(diào)度員、車(chē)站分機(jī)及車(chē)載微機(jī)及其他相關(guān)人員，為其提供決策依據(jù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，必將建成覆蓋全路各線的 GSMR網(wǎng)絡(luò)。如購(gòu)票服務(wù)、預(yù)定服務(wù)、時(shí)刻表信息以及與公網(wǎng)通信等。 8 .區(qū)間移動(dòng)公 (工 )務(wù)通信及緊急救援移動(dòng)服務(wù)：使用 GSMR作業(yè)手持臺(tái)代替區(qū)間通話柱，可滿足緊急救援、應(yīng)急搶險(xiǎn)通信指揮的需要，方便靈活；同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)區(qū)間作業(yè)人員的移動(dòng)通信?；?GSM R的列尾監(jiān)控系統(tǒng)采用 GPRS數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)車(chē)頭和列尾之間的數(shù)據(jù)傳輸。列尾監(jiān)控系統(tǒng)可以提供列尾風(fēng)壓數(shù)值，電池電壓情況，主風(fēng)管風(fēng)壓情況等等?；?GSMR電路交換技術(shù) (或 GPRS技術(shù) )的數(shù)據(jù)采集傳輸應(yīng)用系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)GSMR車(chē)次號(hào)傳輸與列車(chē)停穩(wěn)信息的數(shù)據(jù)傳輸，保證鐵路運(yùn)輸管理和行車(chē)安全性?；?GSMR通信系統(tǒng)的調(diào)度命令，采用 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)在機(jī)車(chē)號(hào)和IP間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，調(diào)度所里的調(diào)度員或車(chē)站值班員在工作臺(tái)編輯調(diào)度命令并發(fā)送，TDCS根據(jù)調(diào)度命令中的機(jī)車(chē)號(hào)查找到對(duì)應(yīng)的目的 IP地址，將調(diào)度命令從無(wú)線列調(diào)車(chē)站臺(tái)發(fā)送出去，通過(guò) GSMR網(wǎng)絡(luò)傳到機(jī)車(chē)綜合通信設(shè)備，機(jī)車(chē)就能收到調(diào)度命令。該業(yè)務(wù)可實(shí)現(xiàn)本務(wù)機(jī)與補(bǔ)機(jī)之間信息的交換和傳遞。 ：重載列車(chē)需要多個(gè)機(jī)車(chē)牽引，在牽引過(guò)程中，本務(wù)機(jī)車(chē)和補(bǔ)機(jī)機(jī)車(chē)之間需要同步操作，也就是說(shuō)要盡可能同時(shí)加速、減速和制動(dòng)。列車(chē)調(diào)度通信系統(tǒng)主要由 NSS、 BSS、 OSS、FAS、調(diào)度臺(tái)、車(chē)站臺(tái)、機(jī)車(chē)綜合通信設(shè)備、手持臺(tái)等構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖 2 所示。 GSMR的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) GSMR系統(tǒng)一般由 7個(gè)子系統(tǒng)組成：交換子系統(tǒng) (SSS)、基站子系統(tǒng) (BSS)、通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)子系統(tǒng) (GPRS)、移動(dòng)智能網(wǎng)子系統(tǒng) (IN)、固定用戶接入交換機(jī)子系統(tǒng) (FAS)、運(yùn)行與維護(hù)子系統(tǒng) (OMC)及終端子系統(tǒng)，其示意圖如下： GSMR系統(tǒng)不僅可以提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)，而且可以提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，智能業(yè)務(wù)。經(jīng)過(guò)這些 年的發(fā)展， 我國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備市場(chǎng)化的條件日趨成熟，批量化用戶群體正在逐步形成，已進(jìn)入應(yīng)用行業(yè)高速發(fā)展的時(shí)期。 20多年來(lái)，測(cè)繪工作者在 GPS定位基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面做了大量的工作。根據(jù)多年的觀測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)天文大地網(wǎng)的整體平差，從而建立了 1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系，并成功地進(jìn)行了南海群島的聯(lián)測(cè)定位。 20世紀(jì) 70年代后期，有關(guān)單位在理論研究的同時(shí)，引進(jìn)并試制成功了各種人造衛(wèi)星觀測(cè)儀器。 建國(guó)后，我國(guó)的航天科技事業(yè)逐步建立和發(fā)展起來(lái)，己躋身世界先進(jìn)水平的行列，成為空間強(qiáng)國(guó)之一。 利用 GPS可以進(jìn)行海、陸、空、地的導(dǎo)航