基于DGPS的組合定位系統(tǒng)研究與設(shè)計

劉 佳，楊志杰

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081）

基于DGPS的組合定位系統(tǒng)研究與設(shè)計

劉 佳1，楊志杰2

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081）

本文介紹一種基于DGPS、地面仿真平臺和應(yīng)答器定位的組合定位技術(shù)，該技術(shù)提高了DGPS的定位精度。提出一種里程平滑算法，改善了DGPS在不利環(huán)境條件下的應(yīng)用，現(xiàn)場試驗(yàn)證明該組合定位系統(tǒng)能夠提高列車定位的精度、連續(xù)性與可靠性。

DGPS偽距定位；定位誤差；仿真平臺；里程平滑算法

GPS偽距差分技術(shù)（DGPS）是目前常用的高精度定位技術(shù)，廣泛用于車輛的導(dǎo)航與定位[1]，由于DGPS定位存在一定誤差，故很多試驗(yàn)采用組合定位系統(tǒng)[2]，如GPS與慣性導(dǎo)航組合[3]、GPS與里程計定位組合[4]、地圖匹配算法[5]，但慣性導(dǎo)航組合與里程計需要額外的傳感器單元，成本較高且需要數(shù)據(jù)融合算法，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。地圖匹配算法依賴于地圖匹配的處理，實(shí)時性和準(zhǔn)確性受到一定的影響。此外，應(yīng)答器定位為單一的點(diǎn)式定位，需要與其它定位技術(shù)相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)式定位。

列控系統(tǒng)動態(tài)仿真試驗(yàn)利用地面仿真平臺、ATP、應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）、GPS定位模塊、地面應(yīng)答器等模擬實(shí)際線路運(yùn)行以及驗(yàn)證車載設(shè)備及線路數(shù)據(jù)。整個仿真系統(tǒng)采用兩套速度測量系統(tǒng)：（1）列車速度傳感器系統(tǒng)，為ATP提供列車的速度信息；（2）DGPS速度系統(tǒng)，即動態(tài)定位系統(tǒng)，為地面仿真平臺的虛擬列車提供速度。由于地面仿真平臺模擬的是實(shí)際線路（如鄭西線）的列車運(yùn)行情況，其速度由DGPS定位系統(tǒng)提供，當(dāng)虛擬列車經(jīng)過應(yīng)答器時，把應(yīng)答器數(shù)據(jù)通過GSM-R發(fā)送至實(shí)際列車的ATP，ATP將會判斷此報文的合理性，這就需要兩套速度系統(tǒng)的速度相對一致，誤差必須控制在一定范圍內(nèi)。

本文利用地面仿真平臺與地面應(yīng)答器對DGPS的定位進(jìn)行修正、平滑與推算，有效的減少定位誤差，使得試驗(yàn)過程中定位結(jié)果滿足列控系統(tǒng)的動態(tài)仿真需求。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 GPS偽距差分定位

1.1 偽距差分定位原理

GPS偽距差分定位（DGPS）是根據(jù)偽距觀測值做差解算，至少需要兩套GPS衛(wèi)星接收機(jī)，分別安裝在運(yùn)動載體和一個已知點(diǎn)位坐標(biāo)的地面基準(zhǔn)站上，運(yùn)動載體上的稱為動態(tài)GPS接收機(jī)，地面基準(zhǔn)站上的稱為基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)。

動態(tài)GPS接收機(jī)在測量偽距的同時，接收來自基準(zhǔn)接收機(jī)的DGPS改正數(shù)，而改變它自己測得的偽距：

Xj、Yj、Zj_第j顆GPS衛(wèi)星在時刻t的位置；Xk、Yk、Zk_GPS信號接收天線在時刻t的三維位置；t時刻動態(tài)GPS接收機(jī)測得的運(yùn)動載體至第j顆GPS衛(wèi)星的偽距；t時刻運(yùn)動載體至第j顆GPS衛(wèi)星的實(shí)際距離；dTrr_基準(zhǔn)GPS接收機(jī)時鐘與GPS時系的時間偏差；dTkr_動態(tài)GPS接收機(jī)時鐘與GPS時系的時間偏差；基準(zhǔn)站發(fā)送的DGPS改正數(shù)。可見，需要至少觀測4顆GPS衛(wèi)星后才可列出4個如公式（1）的方程式，對其進(jìn)行線性化求解，則知動態(tài)用戶在時元t的三維位置。

1.2 偽距差分的精度誤差

偽距差分GPS技術(shù)能顯著提高列車定位精度，其精度誤差（m）如表1所示。

2動態(tài)定位系統(tǒng)設(shè)計

2.1 定位系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

基于DGPS的定位系統(tǒng)安裝于實(shí)際線路的列車上，可以分為4個部分，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）主處理器模塊。主處理器模塊采用AT91SAM9260工業(yè)級ARM9處理器，主處理器模塊實(shí)現(xiàn)對定位信息及應(yīng)答器報文信息的處理。

（2）定位模塊。定位模塊包括動態(tài)GPS接收機(jī)OEMV-1與基準(zhǔn)GPS接收機(jī)OEMV-1。OEMV-1定位模塊在DGPS下，定位精度為0.45 RMS，位置數(shù)據(jù)更新率為20 Hz（可選50 Hz），具備一個可控的PPS輸出和標(biāo)記脈沖輸入。

表1 偽距定位與DGPS測量的精度誤差

圖2 基于DGPS的定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（3）數(shù)據(jù)存儲模塊。數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲GPS接收機(jī)發(fā)出的定位信息，也可以記錄定位系統(tǒng)與其它系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)和日志。

（4）通信模塊。通信模塊完成系統(tǒng)中各模塊間的通信，即定位系統(tǒng)與RTU之間、定位系統(tǒng)與應(yīng)答器報文處理模塊之間的通信。其中與RTU之間的通信為雙向通信：一方面RTU將地面仿真平臺的應(yīng)答器數(shù)據(jù)發(fā)送至定位系統(tǒng)；另一方面RTU將定位系統(tǒng)的定位信息發(fā)送至地面仿真平臺。

（5）應(yīng)答器報文處理模塊。應(yīng)答器報文處理模塊完成應(yīng)答器報文的解析、處理及與ATP的通信。

2.2 定位系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

定位系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)包括：（1）定位信息的采集，且將定位信息組幀為規(guī)定的格式發(fā)送至RTU，信息發(fā)送間隔為250 ms；（2）接收應(yīng)答器報文，且將報文組幀為規(guī)定的格式發(fā)送至LEU，信息發(fā)送方式為觸發(fā)式；（3）當(dāng)列車經(jīng)過應(yīng)答器時，利用應(yīng)答器定位，更新糾正里程信息。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖

由于定位信息的產(chǎn)生本身有一定的時間間隔，再加上經(jīng)過GSM-R的傳輸，有一定的延時，如果地面仿真平臺不對定位信息進(jìn)行平滑處理，會導(dǎo)致虛擬列車?yán)锍痰奶儯缬龅綉?yīng)答器跳變大于5 m，虛擬列車直接跳過應(yīng)答器，將導(dǎo)致車載ATP丟失應(yīng)答器報文。

圖3中平滑里程信息（1）的算法如圖4所示。

圖4中Mileage_GPS為解算DGPS定位系統(tǒng)發(fā)送的經(jīng)緯度信息得到的里程值，此值為里程平滑算法的輸入；Mileage_Estimate為地面仿真平臺平滑后的里程值，為平滑算法的輸出；最高行駛速度視線路情況而定；定位信息間隔為250 ms；Delta_speed為列車從速度0最大加速至線路最高速度的速度變化在250 ms內(nèi)的變化率；Speed_estimate為速度估計值，利用此值計算里程估計值。

圖4 里程平滑算法流程圖

3 動態(tài)仿真過程

3.1 仿真設(shè)置

動態(tài)仿真采用實(shí)車加地面的仿真方式，動態(tài)GPS接收機(jī)安裝在動車上，基準(zhǔn)GPS接收機(jī)安裝在軌道邊的信號樓頂。仿真步驟如下（以仿真測試序列1為例）：

（1）地面仿真平臺創(chuàng)建仿真列車，模擬鄭西線路，如圖5所示。

a.鞏義南站辦理發(fā)車進(jìn)路，洛陽南站辦理接車進(jìn)路；b.仿真線路長度為51 km；c.最高允許運(yùn)行速度80 km/h；d.地面仿真平臺通過GSM-R無線網(wǎng)與車載GPS動態(tài)接收機(jī)建立連接。

（2）試驗(yàn)列車：ATP上電，進(jìn)入C3目視模式，啟動列車。

（3）應(yīng)答器數(shù)據(jù)與軌道電路數(shù)據(jù)通過GSM-R發(fā)送至車載ATP設(shè)備，列車位置信息由GPS接收機(jī)通過GSM-R發(fā)送至地面仿真平臺。

（4）列車DMI顯示C3目視模式轉(zhuǎn)為C3完全模式，最后停車轉(zhuǎn)為待機(jī)模式。

3.2 誤差分析及仿真結(jié)果

3.2.1 誤差分析

DGPS測量主要誤差為：接收機(jī)噪聲誤差、多路徑效應(yīng)誤差、相對論效應(yīng)誤差與地球自轉(zhuǎn)效應(yīng)誤差。誤差的有關(guān)分析可以參考文獻(xiàn)[7]。

動態(tài)GPS接收機(jī)在測量偽距的同時，接收來自基準(zhǔn)接收機(jī)的DGPS改正數(shù)，而改變它自己測得的偽距：

圖5 模擬鄭西線路圖

比較式（1）和式（2），采用DGPS測量，消弱了GPS衛(wèi)星時鐘偏差、電離層時延、對流層時延引起的距離誤差，當(dāng)動態(tài)GPS接收機(jī)與基準(zhǔn)站距離在100 km以內(nèi)時，可以認(rèn)為：

由于當(dāng)真實(shí)列車經(jīng)過地面應(yīng)答器時，通過接收應(yīng)答器報文來實(shí)現(xiàn)定位里程的糾正，應(yīng)答器定位的最大誤差[6]為：

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)組合定位的最大誤差為3 m左右，由于應(yīng)答器組的組內(nèi)間距為5 m，此定位誤差不會影響應(yīng)答器報文的發(fā)送，此外當(dāng)列車接收到新的應(yīng)答器數(shù)據(jù)，會將DGPS誤差及時修正。

3.2.2 仿真結(jié)果

動態(tài)試驗(yàn)過程中，通過比較地面仿真平臺虛擬列車位置與實(shí)際列車的位置，可以得出系統(tǒng)總誤差的大小，如圖6所示，上面的虛線為未采用平滑算法，實(shí)線為經(jīng)過地面仿真平臺平滑后的誤差大小。可見采用平滑算法能有效的減少系統(tǒng)誤差。圖7為定位系統(tǒng)提供的里程數(shù)據(jù)誤差與經(jīng)過平滑后的誤差，從圖中可以看出，經(jīng)過平滑后，誤差顯著減小。

在列控系統(tǒng)仿真過程中，偽距差分的定位技術(shù)如不遇到信號的遮擋，可以滿足列控系統(tǒng)定位的需求，在信號被遮擋時，采用地面仿真平臺平滑算法，系統(tǒng)能在一定誤差范圍內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定工作。如DGPS信號被遮擋發(fā)生在圖6中5 km位置處，在定位信號被遮擋這段時間內(nèi)，采用地面仿真平臺單獨(dú)推算列車位置，直到DGPS信號恢復(fù)。ATP在此誤差范圍內(nèi)能持續(xù)接收應(yīng)答器報文，并由目視模式轉(zhuǎn)換為完全模式。

圖6 列控系統(tǒng)動態(tài)仿真過程總誤差

圖7 DGPS定位里程誤差及估計修正后的誤差

4 結(jié)束語

本文研究了一種基于DGPS、應(yīng)答器定位與地面仿真平臺推算的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)克服了偽距差分定位的缺點(diǎn)，在定位的準(zhǔn)確度與系統(tǒng)可靠性方面較單一的偽距差分定位有著顯著的改善。

[1] 王 軍，于洪喜，曹桂興.差分GPS定位技術(shù)[J].空間電子技術(shù)，2001（Z1）：107-110.

[2] 朱愛紅，李 博，楊 亮.高速列車定位技術(shù)與組合定位系統(tǒng)研究[J].中國鐵路，2013（5）：59-63.

[3] 劉 江，蔡伯根，唐 濤，等.基于GPS與慣性測量單元的列車組合定位系統(tǒng)[J].中國鐵道科學(xué)，2010，31（1）：124-128.

[4] 殷 琴，蔡伯根，王 劍，等.GPS/ODO列車組合定位系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（19）：168-171.

[5] Wei ShangGuan, Bai-gen Cai, Jian Wang.Research of Train Control System Special Database and Position Matching Algorithm[J].IEEE，2009(IV).

[6] ERTMS. Unisig Subset-036 FFFIS for Eurobalise[EB/OL]. 2010-01-01.

[7] 康四林，李語強(qiáng).GPS定位中的誤差分析[J].天文研究與技術(shù)，2010，7（3）：224-229.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Integrated Positioning System based on DGPS

LIU Jia1, YANG Zhijie2
( 1.China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2.Signal&Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

This paper described an integrated technology based on DGPS, CTCS-3 simulation platform and balise positioning, through the integrated positioning technology to improve the positioning accuracy of DGPS, and proposed the Mileage Smoothing Algorithm to improve DGPS applications under adverse environmental conditions. The fi eld test demonstrated that the Integrated Train Positioning System could improve the accuracy of position, continuity and reliability.

DGPS pseudo-range positioning; positioning error; simulation platform; Mileage Smoothing Algorithm

U285∶TP39

A

1005-8451（2014）07-0001-05

2014-01-09

劉 佳，在讀碩士研究生；楊志杰，研究員。