基于GPS的CIR衛星定位單元設計

徐程龍 田秀臣 韓贊東 熊道權

徐程龍:清華大學機械工程系 碩士研究生 100084 北京

田秀臣:北京世紀東方國鐵科技股份有限公司 高級工程師100070 北京

韓贊東:清華大學機械工程系 副教授 100084 北京

熊道權:北京世紀東方國鐵科技股份有限公司 高級工程師100070 北京

鐵路無線調度通信對于鐵路系統的安全運行有著至關重要的作用。以往我國鐵路無線調度通信采用450 MHz模擬無線通信系統，這種通信方式的通信頻點多、范圍小，通話質量低，已經無法滿足現代化高速鐵路通信的需求。為了適應鐵路信息化、數字化的建設步伐，我國從歐洲引進了GSMR數字無線通信系統。目前GSM-R網絡還沒有完全覆蓋整個鐵路運營區段，因此上述2種無線調度通信方式同時存在。機車綜合無線通信設備 (以下簡稱CIR)是專門針對目前鐵路調度通信需要而設計的通信設備，它兼容450 MHz模擬無線通信系統和GSM-R數字無線通信系統，可為機車與地面控制臺之間的調度通信提供一個安全實時的雙向通道。

鐵道部規定在相應的鐵路區段使用對應的通信方式，包括GSM-R方式和450 MHz中的不同通信頻點。因此當機車在使用不同無線調度通信方式的鐵路線上運行時，CIR要跳轉到相應的通信方式。在行車過程中人工頻繁的切換通信方式，增加了機車司機的工作量，分散了司機的注意力，嚴重影響行車安全。針對上述問題研制的CIR衛星定位單元，可以根據機車的當前位置信息來完成450 MHz和GSM-R這2種通信方式之間的自動切換，以及450 MHz通信頻點的選擇，從而提高列車運行的安全性。

1 總體設計

定位單元工作原理:依據接收的GPS衛星定位原始信息，定位機車的行車位置，進而確定機車當前使用的通信方式和相應信息，然后按照規定的通信協議，將通信信息組織成公用位置信息傳遞給上位機，從而實現通信方式的自動切換。

1.1 設計依據

以《GSM-R數字移動通信網設備技術規范 第二部分:機車綜合無線通信設備 (V2.0)》中，對衛星定位單元的功能描述作為設計依據，具體要求如下。

1．具有輸出衛星定位原始信息、公用位置信息的功能。衛星定位原始信息輸出間隔不大于2 s，GPS數據格式采用NMEA-0183協議。公用位置信息中，時鐘信息作為設備的標準時鐘，設備的時鐘校準周期不應大于10 min。

2．當衛星定位信息有效時，在GSM-R區段，模塊應能輸出前方、后方車站值班臺以及本調度區段調度臺的ISDN號碼;在450 MHz區段，應能輸出前方、后方車站值班臺以及本調度區段調度臺通信頻點。

3．當衛星定位信息無法確定唯一的運行線路時，具有提示并手動選擇運行線路的功能。

4．具有響應整機自檢功能。

5．外部接口數據通信采用RS-422串行接口，雙工通信方式，數據傳輸速率9600 b/s。

6．與主控單元的通信接口采用TTL電平，數據傳輸速率9600 b/s。

1.2 功能結構設計

針對功能要求設計了衛星定位單元的結構，如圖1所示。各部分的功能描述如下。

圖1 CIR衛星定位單元功能結構原理圖

1．GPS接收機:接收衛星傳送的衛星定位原始信息，信息包含機車當前經緯度和時間信息。

2．地理數據庫:存放以經緯度為坐標劃分的區間信息、通信模式轉換點，同時包含區間對應的調度通信方式所包含的相關信息 (如通信頻點、ISDN號碼等)。

3．數據升級接口:外接U盤等存儲設備，實現數據庫和應用程序的更新。

4．原始信息接口:向外輸出衛星定位原始信息。也可以向模塊輸入模擬的衛星定位原始信息，用作調試。

5．公用接口:向外輸出公用位置信息。

6．上位機接口:模塊與CIR主控單元之間的通信通道。

定位單元有模擬態和工作態2種工作狀態。在調試過程中，向原始接口輸入模擬衛星定位原始信息，模塊工作在模擬態，此時GPS接收機接收的機車經緯度原始信息無效。在實際運行中，原始信息接口無原始信息輸入，定位單元工作在工作態，CPU使用GPS接收機接收的衛星定位原始信息，原始信息接口同步輸出衛星定位原始信息。

2 硬件設計

2.1 硬件總體設計

為實現圖1所示的功能，設計了以AT91RM9200(ARM9)微處理器作為核心的嵌入式硬件系統，如圖2所示。

圖2 定位單元硬件結構圖

該系統中AT91RM9200外接NAND FLASH和NOR FLASH作為存儲單元，NAND FLASH用于存儲數據庫和應用程序，NOR FLASH用于存儲操作系統相關軟件。同時擴展SDRAM作為程序的運行空間。

2.2 通信接口設計

設計要求原始數據接口和公用數據接口與外界連接時，采用RS-422串行通信傳輸總線。同時GPS接收機與AT91RM9200之間，AT91RM9200的DEBUG接口與宿主機之間的通信，采用3線連接方式的RS-232串行通信傳輸總線。因此在設計的過程中分別用電平轉換芯片MAX3071和MAX3232實現TTL電平向RS-422、RS-232電平的轉換。

3 軟件設計

3.1 軟件結構設計

整個定位單元系統軟件的構架如圖3所示。為了方便實現模塊功能，在硬件上移植了嵌入式操作系統。采用uboot作為bootloader，完成板級的初始化。移植linux 2.6作為嵌入式操作系統，采用ramdisk作為根文件系統。

3.2 地理數據庫

在設計過程中，鐵路部門只提供了每條鐵路線上離散點的經緯度以及對應的通信信息，如何利用這些信息定位機車的位置，進而實現機車通信方式的切換，是本設計的重點和難點之一。

圖3 定位單元軟件結構圖

利用鐵路沿線的離散點經緯度和通信信息設計一個地理數據庫，其作用是為定位機車行車位置提供參照標準，同時提供通信方式所需要的信息(如通信頻點和ISDN號碼等)。

地理數據庫由若干文件夾組成，每條鐵路線對應一個文件夾，該文件夾中包含2個文本文檔，分別對應鐵路線的上行線路和下行線路。通過對文本文檔的讀取實現對地理數據庫的調用。

按照每條鐵路線上的車站進站信號機和出站信號機的經緯度，將鐵路線劃分為若干車站區間(包含站內區間和站間區間)，同時用每條鐵路線內的最大經緯度和最小經緯度表示鐵路線所在的線路區間。鐵路線區間的劃分如圖4所示。

圖4 鐵路線區間劃分

文本文檔按照一定的格式組織存儲線路名稱、經緯度表示的線路區間，以及線路中各個車站區間的通信信息。車站區間的通信信息包含車站所在線路名稱、線路代碼、通信模式代碼、調度臺號碼、車站名稱、車站代碼、車站電話號碼、站內區間、站間區間、模式切換點等。

由于我國鐵路縱橫交錯，實際鐵路線存在交叉、平行等特殊狀況，不同線路中的車站區間會產生重合，因此數據庫中還包含特殊線路區間，在地理數據庫中有相應的文件夾。特殊線路區間信息由以經緯度表示的特殊線路區間和其中所包含的鐵路線的信息組成。

3.3 定位算法設計

定位算法是整個應用程序的核心。以鐵路線中的車站區間作為數據元素節點，以車站區間通信信息組成元素作為數據項。采用單向鏈表的數據結構對符合機車當前位置信息的節點進行管理。通過對鏈表的增減節點操作，確定行車區間以及對應通信方式等相關信息。模塊定位算法基本流程如圖5所示。

圖5 定位算法基本流程圖

首先將機車當前位置經緯度和數據庫包含的鐵路線的線路區間進行比較，確定機車可能所處的鐵路線，然后再將經緯度信息與鐵路線中的車站區間對比，確定機車所在的車站區間。將符合條件的車站區間信息制作成節點加入到單向鏈表。

如果單向鏈表中的節點數唯一，則得到的區間就是機車所在車站區間;如果不唯一，那么機車一定處于特殊線路區間。將特殊線路區間中包含的鐵路線名稱制作成特殊線路列表，通過CIR人機交互界面讓機車司機進行選擇。模塊根據司機選擇結果對單向鏈表進行節點刪減，從而得到機車所在車站區間。

由機車當前運行車站區間可以得到車站的前后站，以及相應的通信方式等信息。模塊將相關信息按照通信協議組織成公用位置信息傳遞給CIR主控單元，實現通信方式的切換。

3.4 主程序設計

由于篇幅有限，在此主要介紹主程序的結構和功能。主程序的流程圖如圖6所示。

圖6 主程序結構功能圖

主程序首先初始化全局變量，創建并初始化鏈表，然后啟動4個線程。這4個線程的作用表述如下:①讀取GPS線程用于讀取GPS衛星定位原始信息，并從中提取出經緯度和時間等信息;②通信線程用于模塊和主機之間的信息傳遞;③特殊線路選擇線程用于在列車處于特殊線路區間時，調用地理數據庫中特殊區間包含的多條線路信息，并組織成特殊線路表供及機車司機選擇;④監控線程用于監視系統是否接受GPS原始信息和發送公用信息，如果否，則重啟系統。

線程啟動后會進入循環，在循環中根據經緯度確定行車區間，然后組織上傳給CIR主機的公用信息。

4 結束語

該衛星定位單元已經經過現場測試，并應用于京滬高鐵、京廣線等鐵路線路，實踐證明，該單元可以滿足CIR的使用要求，運行安全可靠。

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