基于GPS的列車定位系統研究

陳士娟　劉韓仁　李曉彤　陳平芬　任秦萱　李江

摘?要：闡述了列車定位的必要性，提出了基于GPS的列車定位方式，對軌道地圖進行了簡單敘述，著重討論了軌道定位的一種基本算法，并初步搭建了一種列車定位并實現的整體流程。

關鍵詞：列車定位;GPS;虛擬網絡;軌道地圖;軌道定位技術

1 緒論

列車定位的目的是在任意時刻能夠準確的判斷出列車所在位置、速度和正晚點等信息，為保證列車安全和自動運行創建基礎，也便于乘客更加精細地規劃行程，為乘客提供更加便捷的出行環境。GPS是一種全球、全天候連續導航定位系統，能夠提供載體的經緯度以及速度等信息，其誤差范圍為15m誤差圓。傳統的列車定位方法有：[1]軌道電路方法、電子記軸器法、測速定位法和查詢應答器法等等，這幾類方法僅限于火車內部系統使用，不對外開放，因此本文基于GPS定位系統，以列車軌道為參考基準，提出了一種列車定位方式，并通過編寫軟件實現了部分功能。

2 軌道地圖數據研究

構建電子地圖是研究列車軌道定位的基礎，其中利用大量實測GPS數據自動生成軌道電子地圖是研究軌道地圖的一種主要方式，[2]一般情況下，軌道地圖數據庫由對象數據庫和軌跡數據庫組成，對象包括平交路口、限速標志等相關點。

2.1 軌跡融合算法

對于原始GPS數據，由于系統本身誤差、電磁干擾、天氣、地段遮擋等因素，所以對于單次采集數據描述的軌跡而言，誤差較大，因此一般采用多次采集，并進行數據融合的方式，其原理圖如圖1所示：

常用的數據融合算法有Kalman等線性濾波算法，EKF、UKF和CKF等非線性濾波方法等。[3]

2.2 地圖曲線表示

目前電子地圖中經常采用的方法有NURBS表示、Bézier曲線表示等，但是這類曲線表示方法必然造成數據存儲量的增大，更重要的是相應地圖匹配算法的復雜。不同于公路，鐵路軌道位置確定，且曲率半徑較大，[4]因此采用折現法近似曲線的方式，當取值較密時，折線可以看作是近似曲線，其示意圖如圖2所示：

圖中，虛線為折線擬合路徑，由圖可以看出，當曲率半徑較大時，折線擬合曲線更加接近，而直線可以看作是曲率半徑為無窮大的特殊曲線。

自己構建電子地圖工作量大、成本高且周期長，因此在工程中使用商業或者開源地圖，以便于快速開發，本文選用開源地圖OpenStreetMap作為軌道地圖數據來源。

3 軌道定位技術研究

3.1 定位點軌道匹配

對于任何載體的GPS定位，由于存在誤差，所以不一定準確定位在軌道上，為了減小定位誤差，將定位點先匹配到軌道上，由于將鐵路軌道近似為折線，因此匹配方法為將定位點投影到最近的直線上。投影過程如下所示：[5]

設某一定位點m，坐標為（xm，ym），投影到a（xa，ya），b（xb，yb）兩點的直線，投影點為n（xn，yn），載體實際位置為點k（xk，yk），投影示意圖如圖3所示：

圖中，直線ab的方程為：

直線mn的方程為：

其中，k1=yb-yaxb-xa，k2=-xb-xayb-ya

將式聯合得：

xn=ym-ya+k1xa-k1xmk1-k2

yn=ym+k2xn-k2xm

因此可以求出點位點m投影到直線ab上的投影點，投影后誤差從mk縮小為nk。

3.2 最短距離搜索算法

為了得到節3.1的投影坐標，必須在當前數據庫中找出定位點m的最近點a和次近點b，從而進行軌道匹配，顯然次近點b在最近點a的前一個軌道點或者后一個軌道點，因此算法的主要工作為搜索出距離定位點m的最近點a的坐標。為了能夠快速定位，不在全局數據庫進行搜索，本文搭建基于虛擬網格的快速定位方法，[6]具體方法如下：搭建以0.1經緯度為刻度的虛擬網格，對于定位點m，先快速索引到所在網格，然后進行遍歷搜索出最短路徑的點。示意圖如圖4所示：

對于任意定位定m，先確定其經緯度網格區間，然后對所在網格區間軌道點進行逐一進行遍歷，從而找出最小值。

4 整體實現研究

為了實現列車GPS定位系統，提出了基于單片機和通信模塊的列車定位實現方式，[7]整體架構示意圖如圖5為：

其中，終端設備主要由GPS模塊及天線、通信模塊、處理器、顯示器和軟件平臺等構成。

GPS模塊通過天線接受到衛星信號，處理器通過串口發送到GSM模塊，GSM通過短消息的方式將數據傳送給軟件平臺，軟件平臺對數據進行處理，并按照第3節軌道定位法進行軌道匹配，計算并顯示列車所在位置和速度等信息，并預估下一站到站時間等。終端設備的總體框架如圖6所示：

因此，對于整體實現而言，主要工作為GPS數據的獲取、單片機調試和軟件平臺的實現。

參考文獻：

[1]金青，黃翌虹.GPS與軌道運輸列車定位[J].微計算機信息：測控儀表自動化，2004（3）：116.

[2]高桂桂，蔡伯根.列車監控系統專用電子地圖自動生成算法的研究[J].鐵道學報，2006，28（1）：63-67.

[3]蔡伯根.低成本列控系統的列車組合定位理論與方法[D].北京交通大學，2010.

[4]Saab S S.A map matching approach for train positioning.I.Development and analysis[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2002，49（2）：467-475.

[5]基于GPS與軌道信息的地圖匹配列車定位算法.

[6]殷燕如，劉金樂.基于GPS列車定位系統的快速地圖匹配算法研究[J].鐵道通信信號，2011，47（11）：60-62.

[7]胡小剛，鄧中亮.基于單片機的GPS車載終端設計[J].微型機與應用，2004，23（2）：24-26.