基于北斗差分定位技術的站場數字化系統

軒志偉，軒春青，程元濤，鞏慶民，牛文輝

（1. 河南藍信科技有限責任公司 藍信軌道交通安全裝備研發中心，鄭州 450001；2.鄭州成功財經學院 信息工程系，鞏義 451200）

當前我國鐵路運輸處于高速發展時期，自動化程度日益提高，鐵路運載能力得到大幅提升。在支撐鐵路系統運行發展的眾多技術中，位置服務在列車運行控制、調度指揮、安全預警等確保鐵路安全運行的應用系統中發揮極大的作用。國內針對列車定位及防護的研究已取得很多重要的成果，主要是采用軌道電路、應答器、里程計以及GPS定位等方式[1]；針對站場物理元素的定位服務尚未開展，目前我國鐵路站場基本沒有數字化地圖[2]；準確、實時掌握列車、信號機、股道分布位置具有十分重要的意義，鐵路站場的數字化顯得越來越重要和實用[3]。站場數字化利用北斗技術對站場內的股道、信號機、道岔等相關設備進行精確定位，使用計算機將這些設備的位置信息與站場圖相匹配，將衛星定位所得高維位置信息轉換為沿軌道的一維坐標系，實現站場圖的數字化[4]。機車車載設備通過獲取自身定位并使用GIS技術與站場數據進行匹配，與列車位置應用系統形成有效交互，保證車輛在站場內精準運行,為列車安全防護、調度、監控等作業提供可靠保障[5-6]。本文基于北斗實時動態（RTK）載波相位差分定位技術，獲取站場信號機、道岔等物理元素的精準位置，實現站場數字化運行管理系統的建立運行與維護，為列車運行控制、調車安全防護等提供科學依據和保障。

1 系統總體設計

基于北斗差分定位技術的站場數字化系統主要由便攜式經緯測量儀、手持設備和通信網絡等組成，系統總體架構如圖1所示。經緯測量儀利用差分基站的數據實現厘米級精準定位。使用時，將天線放置在需要定位的設備上方，差分經緯儀通過天線接收衛星信號，解析出粗略的位置信息，將該信息發送給便攜設備和差分服務器；差分服務器通過判斷經緯儀的基本位置，調用附近差分基站的位置信息，發送給便攜式設備，收到數據后轉發給經緯儀。經緯儀接收差分信息并結合自身位置信息，通過差分運算實現精準定位，將最終的差分定位信息持續發送給手持便攜設備。利用手持設備的上位機軟件，加載站場圖，接收經緯儀發送來的數據。在站場圖中選定對應的設備實現位置關聯。經緯測量儀通過網絡接口與外部通信，可以使用無線的方式進行通信，增強了系統使用的靈活性。預留移動通信模塊接口，可以通過移動通信網絡進行遠程操作。

圖1 系統架構圖

2 系統硬件設計

經緯測量儀利用差分基站的數據實現精準定位。主要由定位模塊、通信模塊、電源管理模塊以及狀態指示模塊等組成。采用電池供電，具備電池電量、通信狀態以及定位狀態的指示功能。具體架構如圖2所示。

電源管理模塊負責電源切換、電池充電、電量指示等功能；將電池或外部電源電壓轉換為系統所需電壓，給系統各個模塊供電。電源切換用于外界供電與電池之間的切換。主控制器模塊獲取各個模塊狀態，協調各個模塊工作；讀取定位模塊數據，通過無線模塊發送出去，并接收外部信息進行解析；讀取電池電量信息控制狀態指示燈工作。通信模塊用于和外部進行信息交互，可通過網絡接口與外部進行數據傳輸并能夠對定位模塊的工作模式進行設定。系統還可在控制器的作用下通過無線與外部進行信息交互。調試接口用于在試驗階段輸出系統的調試信息。

圖2 經緯測量儀結構圖

3 模塊選型與接口電路設計

3.1 模塊選型

目前，GPS模塊自主定位精度已經無法滿足高精度定位的需求， RTK定位技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，參考站通過數據鏈將其觀測值和觀測站坐標信息一起傳送給流動站，流動站通過數據鏈接收來自參考站的數據[7-8]，結合采集的GPS觀測數據，在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果[9]。為實現定位的準確性，選用支持RTK技術的定位模塊，天寶BD930高精度定位模塊支持GPS、GLONASS、Galileo和北斗B1、B2、B3頻段，能夠接受差分基站數據實現差分定位，內置卡爾曼濾波PVT引擎，具有很快的RTK初始化速度，能迅速實現1～2 cm的定位精度。其對外接口包括4個UART口、1個網口和1個USB接口，便于開發集成。

無線通信模塊是測試節點與手持設備之間通信的基礎。現場使用時通信距離較近、數據量小，對功耗比較敏感。考慮到成本和實際應用環境[10]，系統中采用自主搭建數據鏈路實現無線覆蓋進行通信，具有使用靈活、搭建方便，成本低的優點。

表1對幾種常用的短距離無線傳輸技術進行對比，綜合考慮本系統在速度、距離和功耗等方面的設計要求，選用藍牙技術作為系統的通信技術。

選用串口透傳藍牙模塊與MCU之間進行通信，模塊最高波特率可達到115 200 bps。最大發射功率為 4 dBm，接收靈敏度-85 dBm，利用板載 PCB 天線實現 10 m距離通信。接口能自適應 3.3 V 或 5 V的 TTL 電平，使用靈活，可以根據需要使用AT指令更改模塊工作模式、串口波特率、設備名稱以及PIN碼等參數。

表1 幾種短距離無線傳輸技術對比

3.2 接口電路設計

接口電路實現數據傳輸，在指令模式下接收上位機發來的命令，對無線模塊的參數進行更改等。藍牙模塊與定位模塊均支持標準UART接口協議，可與其他微控制器之間進行數據傳輸。串口傳輸具有使用簡單、控制方便、占用引腳少等優點。故選用UART作為控制器與無線模塊和定位模塊之間的通信接口，如圖3所示。

圖3 無線模塊與控制器接口電路

4 系統軟件設計

微控制器軟件采用C語言利用庫函數進行編寫，具有易讀性好，可移植性強的優點。設計主要內容包括底層驅動開發即SMBUS驅動、串口程序，應用程序的編寫等。便攜式設備中上位機采用C++ builder開發。

經緯測量儀軟件運行在經緯儀內的控制器中，實現定位數據和差分數據的獲取以及與上位機通信等功能。MCU與各個外設之間采用獨立串口進行通信，保證各個模塊之間互不干擾。通過串口2讀取GPS模塊的位置信息；利用SMBUS協議，獲取電池電量、電流等參數信息，解析后控制電源指示燈提示電量信息；微控制器對位置和電量信息進行合理編碼后通過無線模塊發送給上位機；并接收上位機發來的差分數據，識別后發送給GPS模塊，使GPS模塊實現差分定位。上位機對接收到的電池信息和位置信息進行解析處理。微控制器作為控制中心對各外設模塊進行統一管理，收集分析處理各外部設備狀態信息，精簡外設模塊的任務量。

常用的單片機應用程序架構主要有3種：順序執行法、時間片輪詢法以及操作系統；其中順序執行法比較簡單，適用于實時性，并行性要求不太高的場景，對于較復雜的應用程序，該方法不利于升級維護和代碼優化。操作系統具備任務管理等功能，便于管理任務，但是比較復雜，移植麻煩，需要使用許可證。時間片輪詢法是將定時器封裝成最小時間片，為各個任務分配不同的時間來執行任務。在一個函數延時的時候去執行其他函數，充分利用CPU時間，與操作系統有些類似，任務之間采用全局變量進行數據傳遞。本系統采用時間片輪詢法，具體架構如圖4 所示。

圖4 嵌入式軟件流程圖

設計軟件時要確定每一個任務的具體執行時間，為每個任務劃分合理的時間片，保證每一任務都能在該執行的時間內運行而不能影響其他任務。為保證任務的運行速度，要謹慎使用延時函數。

上位機軟件是整個系統的控制中心，用戶可以通過其獲取整個系統的工作狀態并對系統進行控制。采用C++ builder設計，運行在便攜式設備上，實現的功能有參數設置，數據采集和數據處理等功能。軟件的功能框圖如圖5所示。參數設置是對通信模塊的參數進行設置，以便同經緯儀進行通信；數據采集能夠打開站場圖、選擇物理元素并接收經緯測量儀發來的定位數據；數據處理主要能夠完成經緯度與具體物理元素的匹配、位置信息轉換以及數據存儲等功能。在狀態欄中展示需要打點的元素數量和已打過點的元素數量。

圖5 上位機軟件功能圖

5 系統搭建與功能測試驗證

為了對整個系統的功能進行測試，搭建出差分基站完成對測試區間的覆蓋，將經緯測量儀天線固定在被測位置上方，打開經緯儀與手持設備，二者通過無線自動建立連接。手持設備調用應用程序，打開站場圖接收位置信息。選定該位置信息在站場圖上對應的元素，完成位置信息與物理元素的匹配，如圖6所示。經過多次試驗，該系統能夠完成位置信息的采集、傳輸與保存等功能，且定位精準通信鏈路通暢，能夠很好地實現物理元素位置定位及匹配功能。

6 結束語

根據站場信息化的需求，將北斗差分定位技術與站場圖進行關聯，設計了便攜式經緯測量儀、通信網絡以及上位機軟件。搭建基于北斗差分定位技術的定位系統，對系統功能進行測試驗證，實現精準定位、數據傳輸、位置匹配關聯和數據存儲等功能。試驗結果表明，系統性能穩定，操作方便，能夠達到使用要求。

圖6 上位機測試界面