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基于GPS的列车定位系统研究

范文

陈士娟　刘韩仁　李晓彤　陈平芬　任秦萱　李江

摘?要：阐述了列车定位的必要性，提出了基于GPS的列车定位方式，对轨道地图进行了简单叙述，着重讨论了轨道定位的一种基本算法，并初步搭建了一种列车定位并实现的整体流程。

关键词：列车定位;GPS;虚拟网络;轨道地图;轨道定位技术

1 绪论

列车定位的目的是在任意时刻能够准确的判断出列车所在位置、速度和正晚点等信息，为保证列车安全和自动运行创建基础，也便于乘客更加精细地规划行程，为乘客提供更加便捷的出行环境。GPS是一种全球、全天候连续导航定位系统，能够提供载体的经纬度以及速度等信息，其误差范围为15m误差圆。传统的列车定位方法有：[1]轨道电路方法、电子记轴器法、测速定位法和查询应答器法等等，这几类方法仅限于火车内部系统使用，不对外开放，因此本文基于GPS定位系统，以列车轨道为参考基准，提出了一种列车定位方式，并通过编写软件实现了部分功能。

2 轨道地图数据研究

构建电子地图是研究列车轨道定位的基础，其中利用大量实测GPS数据自动生成轨道电子地图是研究轨道地图的一种主要方式，[2]一般情况下，轨道地图数据库由对象数据库和轨迹数据库组成，对象包括平交路口、限速标志等相关点。

2.1 轨迹融合算法

对于原始GPS数据，由于系统本身误差、电磁干扰、天气、地段遮挡等因素，所以对于单次采集数据描述的轨迹而言，误差较大，因此一般采用多次采集，并进行数据融合的方式，其原理图如图1所示：

常用的数据融合算法有Kalman等线性滤波算法，EKF、UKF和CKF等非线性滤波方法等。[3]

2.2 地图曲线表示

目前电子地图中经常采用的方法有NURBS表示、Bézier曲线表示等，但是这类曲线表示方法必然造成数据存储量的增大，更重要的是相应地图匹配算法的复杂。不同于公路，铁路轨道位置确定，且曲率半径较大，[4]因此采用折现法近似曲线的方式，当取值较密时，折线可以看作是近似曲线，其示意图如图2所示：

图中，虚线为折线拟合路径，由图可以看出，当曲率半径较大时，折线拟合曲线更加接近，而直线可以看作是曲率半径为无穷大的特殊曲线。

自己构建电子地图工作量大、成本高且周期长，因此在工程中使用商业或者开源地图，以便于快速开发，本文选用开源地图OpenStreetMap作为轨道地图数据来源。

3 轨道定位技术研究

3.1 定位点轨道匹配

对于任何载体的GPS定位，由于存在误差，所以不一定准确定位在轨道上，为了减小定位误差，将定位点先匹配到轨道上，由于将铁路轨道近似为折线，因此匹配方法为将定位点投影到最近的直线上。投影过程如下所示：[5]

设某一定位点m，坐标为（xm，ym），投影到a（xa，ya），b（xb，yb）两点的直线，投影点为n（xn，yn），载体实际位置為点k（xk，yk），投影示意图如图3所示：

图中，直线ab的方程为：

直线mn的方程为：

其中，k1=yb-yaxb-xa，k2=-xb-xayb-ya

将式联合得：

xn=ym-ya+k1xa-k1xmk1-k2

yn=ym+k2xn-k2xm

因此可以求出点位点m投影到直线ab上的投影点，投影后误差从mk缩小为nk。

3.2 最短距离搜索算法

为了得到节3.1的投影坐标，必须在当前数据库中找出定位点m的最近点a和次近点b，从而进行轨道匹配，显然次近点b在最近点a的前一个轨道点或者后一个轨道点，因此算法的主要工作为搜索出距离定位点m的最近点a的坐标。为了能够快速定位，不在全局数据库进行搜索，本文搭建基于虚拟网格的快速定位方法，[6]具体方法如下：搭建以0.1经纬度为刻度的虚拟网格，对于定位点m，先快速索引到所在网格，然后进行遍历搜索出最短路径的点。示意图如图4所示：

对于任意定位定m，先确定其经纬度网格区间，然后对所在网格区间轨道点进行逐一进行遍历，从而找出最小值。

4 整体实现研究

为了实现列车GPS定位系统，提出了基于单片机和通信模块的列车定位实现方式，[7]整体架构示意图如图5为：

其中，终端设备主要由GPS模块及天线、通信模块、处理器、显示器和软件平台等构成。

GPS模块通过天线接受到卫星信号，处理器通过串口发送到GSM模块，GSM通过短消息的方式将数据传送给软件平台，软件平台对数据进行处理，并按照第3节轨道定位法进行轨道匹配，计算并显示列车所在位置和速度等信息，并预估下一站到站时间等。终端设备的总体框架如图6所示：

因此，对于整体实现而言，主要工作为GPS数据的获取、单片机调试和软件平台的实现。

参考文献：

[1]金青，黄翌虹.GPS与轨道运输列车定位[J].微计算机信息：测控仪表自动化，2004（3）：116.

[2]高桂桂，蔡伯根.列车监控系统专用电子地图自动生成算法的研究[J].铁道学报，2006，28（1）：63-67.

[3]蔡伯根.低成本列控系统的列车组合定位理论与方法[D].北京交通大学，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与轨道信息的地图匹配列车定位算法.

[6]殷燕如，刘金乐.基于GPS列车定位系统的快速地图匹配算法研究[J].铁道通信信号，2011，47（11）：60-62.

[7]胡小刚，邓中亮.基于单片机的GPS车载终端设计[J].微型机与应用，2004，23（2）：24-26.

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