基于GPS/航跡推算組合導航的列車防撞系統設計

摘要：針對同一軌道上列車防撞預警，采用GPS衛星定位和航跡推算實現組合定位，通過無線數傳技術，可用于復雜軌道地理環境(隧道、森林、丘陵等)下的局域鐵路網行車安全管理。實驗測試表明系統能夠滿足應用要求。

0 引言

碰撞避免問題是現代交通運輸領域的重要研究問題，與人們的生活息息相關，在航空、航海、道路以及軌道交通領域均有很多的研究。如航空領域中的交通預警和避撞系統/自決策監督廣播系統TCAS/ADS—B;航海領域中的船舶自動識別系統AIS;道路交通領域的車-車避撞系統C2C等。

道路交通、航空以及航海等領域都已經有了較為成熟的防撞預警系統，相比之下，軌道交通領域的防撞預警系統研究起步較晚，開發實際難度也較大。本文主要針對低速運行的貨運列車在復雜的軌道地理條件(隧道、森林、丘陵等)下運行，合理使用單片機技術、GPS衛星定位技術和航跡推算導航算法，設計出低成本的鐵路列車防撞系統。

1 系統總體介紹

列車防撞預警系統由定位系統、無線通信機制、決策系統以及報警裝置等部分組成。其系統結構圖如圖1所示。

系統啟動后，首先將自身信息(實時位置、實時速度等)廣播到附近區域，同時接收所在區域中的其他裝有該系統的廣播信息。列車通過這些從其他列車接收到的信息，可以全面了解目前附近的交通狀況，若存在發生危險的可能則立即向列車員提供警告和建議，從而避免碰撞事故的發生。因此，該防撞預警系統主要有三個功能：①位置、速度等相關信息的獲取;②廣播并接收這些相關信息;③對這些信息進行處理并檢測是否存在碰撞危險，若存在則發出報警信號。

2 組合導航系統

組合導航系統主要是為列車防撞預警系統提供可靠的位置信息、列車的實時定位信息對列車控制與系統進行碰撞檢測有至關重要的作用。

2. 1 GPS全球衛星定位系統

GPS(Global Position System，全球衛星定位系統)定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離交匯原理，確定待測點的位置。鐵路上已開發成熟的自動閉塞系統證實了GPS適用于列車定位，GPS定位不依賴于其他軌旁設備，只需一部高精度GPS終端接收機便能實現常規定位。但是GPS存在動態響應能力差、易受電子干擾、信號容易被遮擋等缺點。如果GPS信號長時間不能得到及時恢復，系統的誤差就不可避免隨時問而積累。當列車行駛在GPS信號不好的隧道、森林中時，純粹的衛星定位將不能滿足系統要求。

2.2 DR航跡推算定位系統

DR(Dead Reckoning，航跡推算系統)是利用已知的載體初始位置，根據運動載體在該點的航向、航速和航行時間，實時推算下一時刻的坐標位置的一種導航定位方法。它是一種自主式定位，其定位精度不會受到如電磁干擾、遮擋等外界因素的影響。但是，航跡推算系統不具有長期的穩定性，必須每隔一段時間進行誤差校正。本系統所使用的航跡推算系統類似于車載里程儀，其構造和原理也大致相同，都是由一個磁電傳感器和一組貼在車輪上的磁片構成，車輪每旋轉一圈，磁電傳感器便產生一定數量的脈沖，通過對這些脈沖的計數，便知列車在這段時間的行程，在時刻的列車運行行程為

式中，n(t)為t時刻輸出的脈沖數：n(t)-n(t-1)即為本周期內的輸出脈沖數;M為車輪每轉一圈應該輸出的脈沖數;D為車輪直徑。

根據在t時刻的列車運行行程，可得列車的運行速度為

式中，τ為計數周期，當計數周期較小時，該速度可近似描述列車的瞬時速度。

2. 3 組合導航算法

當列車運行在隧道等衛星信號不好的情況下時，系統會自動記錄下最后一個GPS輸出的有效坐標，同時，DR系統以該點為坐標原點的地理坐標系(一般取東、北、天坐標系，滿足右手定則)作為航跡推算的參考坐標系，并取該點為其推算位置的起點，利用航向傳感器和DR系統可確定每一時刻車輛的位置：

式中，x(t)，y(t)是t時刻列車在參考坐標系下的位置;x(t-1)，y(t-1)是t-1時刻列車在參考坐標系下的位置;θ是測向速度與參考坐標系北向的夾角。在此，我們將隧道做一個合理地簡化，在一般情況下我們認為隧道為直隧道。于是，可根據系統記錄下的最后一個GPS輸出的有效坐標結合列車的實時位置進行航跡推算：

式中，λ(t)、L(t)分別為航跡推算過程中列車的實時經度和緯度;λ0、L0分別為起點經緯度。

3 硬件設計

3.1 組合導航模塊

GPS定位具有長期的穩定性，但定位不連續，航跡推算系統恰恰具有良好的短期穩定性，但必須每隔一段時間進行定位誤差校正?？梢奊PS定位和DR具有很強的互補性，本系統就是采用了GPS/DR組合定位系統，通過DR定位誤差補償，確保了列車在GPS信號丟失時仍能有效地確定列車的實時位置。組合定位系統結構圖如圖2所示。

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