基于GPS/航跡推算組合導(dǎo)航的列車防撞系統(tǒng)設(shè)計
摘要:針對同一軌道上列車防撞預(yù)警,采用GPS衛(wèi)星定位和航跡推算實現(xiàn)組合定位,通過無線數(shù)傳技術(shù),可用于復(fù)雜軌道地理環(huán)境(隧道、森林、丘陵等)下的局域鐵路網(wǎng)行車安全管理。實驗測試表明系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)用要求。
本文引用地址:http://cafeforensic.com/article/201808/387037.htm0 引言
碰撞避免問題是現(xiàn)代交通運輸領(lǐng)域的重要研究問題,與人們的生活息息相關(guān),在航空、航海、道路以及軌道交通領(lǐng)域均有很多的研究。如航空領(lǐng)域中的交通預(yù)警和避撞系統(tǒng)/自決策監(jiān)督廣播系統(tǒng)TCAS/ADS—B;航海領(lǐng)域中的船舶自動識別系統(tǒng)AIS;道路交通領(lǐng)域的車-車避撞系統(tǒng)C2C等。
道路交通、航空以及航海等領(lǐng)域都已經(jīng)有了較為成熟的防撞預(yù)警系統(tǒng),相比之下,軌道交通領(lǐng)域的防撞預(yù)警系統(tǒng)研究起步較晚,開發(fā)實際難度也較大。本文主要針對低速運行的貨運列車在復(fù)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(jī)技術(shù)、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)和航跡推算導(dǎo)航算法,設(shè)計出低成本的鐵路列車防撞系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體介紹
列車防撞預(yù)警系統(tǒng)由定位系統(tǒng)、無線通信機(jī)制、決策系統(tǒng)以及報警裝置等部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
系統(tǒng)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(qū)域,同時接收所在區(qū)域中的其他裝有該系統(tǒng)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(fā)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(fā)生。因此,該防撞預(yù)警系統(tǒng)主要有三個功能:①位置、速度等相關(guān)信息的獲取;②廣播并接收這些相關(guān)信息;③對這些信息進(jìn)行處理并檢測是否存在碰撞危險,若存在則發(fā)出報警信號。
2 組合導(dǎo)航系統(tǒng)
組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要是為列車防撞預(yù)警系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行碰撞檢測有至關(guān)重要的作用。
2. 1 GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)
GPS(Global Position System,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù),采用空間距離交匯原理,確定待測點的位置。鐵路上已開發(fā)成熟的自動閉塞系統(tǒng)證實了GPS適用于列車定位,GPS定位不依賴于其他軌旁設(shè)備,只需一部高精度GPS終端接收機(jī)便能實現(xiàn)常規(guī)定位。但是GPS存在動態(tài)響應(yīng)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(fù),系統(tǒng)的誤差就不可避免隨時問而積累。當(dāng)列車行駛在GPS信號不好的隧道、森林中時,純粹的衛(wèi)星定位將不能滿足系統(tǒng)要求。
2.2 DR航跡推算定位系統(tǒng)
DR(Dead Reckoning,航跡推算系統(tǒng))是利用已知的載體初始位置,根據(jù)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(biāo)位置的一種導(dǎo)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(tǒng)不具有長期的穩(wěn)定性,必須每隔一段時間進(jìn)行誤差校正。本系統(tǒng)所使用的航跡推算系統(tǒng)類似于車載里程儀,其構(gòu)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(gòu)成,車輪每旋轉(zhuǎn)一圈,磁電傳感器便產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖,通過對這些脈沖的計數(shù),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(shù):n(t)-n(t-1)即為本周期內(nèi)的輸出脈沖數(shù);M為車輪每轉(zhuǎn)一圈應(yīng)該輸出的脈沖數(shù);D為車輪直徑。
根據(jù)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(shù)周期,當(dāng)計數(shù)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(dǎo)航算法
當(dāng)列車運行在隧道等衛(wèi)星信號不好的情況下時,系統(tǒng)會自動記錄下最后一個GPS輸出的有效坐標(biāo),同時,DR系統(tǒng)以該點為坐標(biāo)原點的地理坐標(biāo)系(一般取東、北、天坐標(biāo)系,滿足右手定則)作為航跡推算的參考坐標(biāo)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(tǒng)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(biāo)系下的位置;x(t-1),y(t-1)是t-1時刻列車在參考坐標(biāo)系下的位置;θ是測向速度與參考坐標(biāo)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(rèn)為隧道為直隧道。于是,可根據(jù)系統(tǒng)記錄下的最后一個GPS輸出的有效坐標(biāo)結(jié)合列車的實時位置進(jìn)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(jīng)度和緯度;λ0、L0分別為起點經(jīng)緯度。
3 硬件設(shè)計
3.1 組合導(dǎo)航模塊
GPS定位具有長期的穩(wěn)定性,但定位不連續(xù),航跡推算系統(tǒng)恰恰具有良好的短期穩(wěn)定性,但必須每隔一段時間進(jìn)行定位誤差校正??梢奊PS定位和DR具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性,本系統(tǒng)就是采用了GPS/DR組合定位系統(tǒng),通過DR定位誤差補(bǔ)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
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