陳德旺，魏天磊，侯 贊

（北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044）

目前，很多國家在研究數(shù)字軌道地圖技術，歐洲一些國家以及美國已經(jīng)在應用GPS技術生成數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)庫方面進行了一系列研究，并根據(jù)各個地區(qū)的不同情況提出了不同的數(shù)字軌道地圖的設計方法[1~2]。

我國青藏鐵路采用的ITCS列車控制系統(tǒng)包括車載地圖數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫含有線路描述數(shù)據(jù)、列車運行數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)等內(nèi)容，利用數(shù)據(jù)庫中保存的這些數(shù)據(jù)，產(chǎn)生虛擬信號機，減少地面設備，實現(xiàn)車站無人值守[4]。

在軌道信息管理平臺方面，數(shù)字地圖可以通過多種平臺實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)具有實時性和準確性的特點，是列車控制系統(tǒng)中設備的重要實現(xiàn)平臺。將數(shù)字地圖的大量軌道位置信息存儲在嵌入式系統(tǒng)中，利用嵌入式數(shù)據(jù)庫進行管理，相比于其他實現(xiàn)方式，有體積小、重量輕、成本低和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以實時有效地提供列車定位信息。因此以嵌入式系統(tǒng)作為數(shù)字軌道地圖的實現(xiàn)平臺，將嵌入式技術和應用于軌道交通的數(shù)字地圖技術進行結合是基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）發(fā)展的趨勢，嵌入式技術可以為CBTC提供良好的技術支持。

1 數(shù)字軌道地圖的設計與生成

1.1 數(shù)字軌道地圖設計

數(shù)字軌道地圖的內(nèi)容包括3個部分：軌道線路數(shù)據(jù)、鐵路專用數(shù)據(jù)和地形環(huán)境數(shù)據(jù)。而數(shù)字軌道地圖的生成則分為5個步驟：線路測繪、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建、編譯、數(shù)據(jù)驗證[4]。如圖1。

圖1 數(shù)字軌道地圖生成流程

1.2 軌道位置信息數(shù)據(jù)的測量及處理

本文利用NovAtel衛(wèi)星定位接收機測量彎道數(shù)據(jù)。接收機通過設置可以得到NMEA0183的定位數(shù)據(jù)，在眾多格式的信息中，通過對GPGGA格式的信息進行截取，就可以獲得經(jīng)緯度等信息。以在北京交通大學主體育場內(nèi)通過NovAtel衛(wèi)星定位接收機接收到一些數(shù)據(jù)為例，在這些數(shù)據(jù)中，要提取的就是數(shù)據(jù)中間的緯度和經(jīng)度信息，并且要通過數(shù)據(jù)處理把這些經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為平面坐標，以便生成數(shù)字軌道地圖。

經(jīng)緯度信息提取出來之后，存在經(jīng)緯度數(shù)據(jù)格式問題，有度、度分、度秒3種，本實驗獲取的GPGGA數(shù)據(jù)中經(jīng)緯度屬于[度.分.分]格式。如“39度57.0811分”。將本實驗中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為[度.度]格式。轉(zhuǎn)換完畢后，得到經(jīng)緯度純度數(shù)數(shù)據(jù)。表1為前15個數(shù)據(jù)點經(jīng)緯度（純度數(shù)）。

表1 前15個數(shù)據(jù)點經(jīng)緯度（純度數(shù)）

數(shù)字軌道地圖的生成依賴于軌道位置信息數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星定位測繪技術獲取。而GPS定位數(shù)據(jù)是基于WGS-84大地坐標系的數(shù)據(jù)[5]。要把地球表面上的物體和現(xiàn)象繪制到平面圖紙上，就必須解決球面與平面之間的矛盾。本文數(shù)據(jù)處理采用高斯—克呂格投影。原理是將依橢圓柱橫切于地球托球體上，以橢圓柱面與橢球表面的切線為中心經(jīng)線，然后根據(jù)一定的約束條件，將中央經(jīng)線兩側(cè)規(guī)定范圍內(nèi)的點投影到橢圓柱面上，從而得到點的高斯投影，如圖2。

設投影帶的主子午線經(jīng)度為L0，地表P點的經(jīng)緯度為（L, B），其高斯平面坐標為（x, y），則有高斯投影正算公式如下：

，a和b分別為地球橢球體的長短半軸。

公式（3）中，X為子午線弧長，公式中的參數(shù)值如下：

c0=636 744 9.145 823 4，c1=320 09.818 530 6，c2=133.959 889 7，c3=0.697 548 3，c4=0.003 934 1。

利用高斯投影計算公式，在MATLAB中編程進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，結果如表2。

表2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結果

經(jīng)過MATLAB下編程的轉(zhuǎn)換，獲得了全部軌道位置信息數(shù)據(jù)的平面坐標。并用MATLAB做圖，將軌道位置信息數(shù)據(jù)依次相連，即可獲得軌道線路的數(shù)字軌道地圖。

2 嵌入式數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)管理平臺的設計

生成數(shù)字軌道地圖后，地圖的軌道位置信息數(shù)據(jù)需要合適的平臺進行管理。數(shù)據(jù)管理軟硬件平臺整體架構如圖3。

2.1 硬件架構

圖3 軟硬件平臺架構

計算機作為開發(fā)平臺和主機，通過串口與嵌入式開發(fā)平臺S3C44B0的串口相連，將交叉編譯得到的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)傳送給嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)作為終端接收主機PC端傳送過來的數(shù)據(jù)并進行控制，通過串口給予主機計算機反饋，在主機PC端通過超級終端可以進行監(jiān)測和控制。

2.2 軟件平臺

PC端建立Linux的交叉編譯環(huán)境cygw in，在Linux環(huán)境下將嵌入式實時操作系統(tǒng)uClinux和嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite進行編譯，生成嵌入式系統(tǒng)可以識別的二進制文件（鏡像文件），利用嵌入式系統(tǒng)的armboot將其載入嵌入式開發(fā)板運行。

3 嵌入式操作系統(tǒng)μClinux的移植

μClinux是一款免費開源的操作系統(tǒng)，適用于多種嵌入式系統(tǒng)平臺。

3.1 下載μClinux源碼

到http://www.μClinux.org/網(wǎng)站下載μClinux源碼。本文用的是μClinux20031103.tgz版本，將獲得的源碼壓縮包μClinux20031103.tgz解壓，并在目錄下生成μClinux-dist的文件夾，這個文件夾就是要進行編譯的μClinux操作系統(tǒng)文件夾。

3.2 編譯操作系統(tǒng)內(nèi)核

生成操作系統(tǒng)文件后，進行操作系統(tǒng)內(nèi)核的編譯。內(nèi)核是操作系統(tǒng)的內(nèi)部核心程序，它向外部提供對計算機設備的核心管理調(diào)用。而編譯內(nèi)核的目的主要是改變內(nèi)核的默認選項，編譯內(nèi)核有3個指令可以使用，可以用其中的任意一個進行編譯。3個指令如下：

（1）#make con fig（基于文本的最為傳統(tǒng)的配置界面，不推薦使用）。

（2）#make menuconfig（基于文本選單的配置界面，字符終端下推薦使用）。

（3）#make xconfig（基于圖形窗口模式的配置界面，Xw indow下推薦使用）。

本文采用make menuconfig命令進行編譯。當內(nèi)核的編譯工作完成之后，會在/μClinux-dist/images目錄下看到3個文件：linux-bootram.bin，linuxbootrom.bin和rom fs.img。linux-bootram.bin和linux-bootrom.bin是要得到的可以燒寫在嵌入式系統(tǒng)中運行的文件，linux-bootram.bin可以燒寫到嵌入式系統(tǒng)的SDRAM里運行，linux-bootrom.bin可以燒寫在flash里運行。經(jīng)過以上步驟，就獲得了編譯好的鏡像文件并且將其燒寫到嵌入式系統(tǒng)里運行。

當命令行出現(xiàn)之后，操作系統(tǒng)已經(jīng)啟動。在命令行中，可以用熟悉的ls等命令查看嵌入式系統(tǒng)中μClinux的情況并進行操作。這樣，操作系統(tǒng)μClinux就在S3C44B0的嵌入式平臺上移植完畢。

4 嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的移植

本文使用的是SQLite-2.8.15.tar.gz版本，到Linux下的vi編輯器來對μClinux和SQLite進行編輯，編輯以下3個文件對內(nèi)核設置進行修改：μ Cli-nux-dist/user/Makefile ；μClinux-dist/config/Configure.help； μClinux-dist/config/config.in。

在對SQLite的修改中，修改或添加以下4個文件，可以完成SQLite在μClinux下的編譯：

SQLite/main.mk （修改）；

SQLite/Makefile （添加）；

SQLite/src/os.c （修改）；

SQLite/src/shell.c （修改）。

修改的具體步驟本文不再贅述，通過對SQLite數(shù)據(jù)庫匹配于嵌入式系統(tǒng)S3C44B0和操作系統(tǒng)μClinux的修改，即可進行編譯。編譯過程中，在make menuconfig的user app lication部分可以看到μClinux內(nèi)核中剛添加的Database→菜單，如圖4，進入并選擇SQLite，保存退出后按原先的步驟重新編譯內(nèi)核。

對SQLite的修改完成后，uClinux中已經(jīng)加入了嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite，再次編譯，在μClinuxdist/images下面就有編譯生成的rom fs文件系統(tǒng)了，這個就是需要的包含有SQLite的rom fs，可以燒寫在嵌入式系統(tǒng)上運行。在板子上也可以對數(shù)據(jù)庫進行“select * from”操作。經(jīng)過如上過程，即完成了SQLite的移植[7]。通過以上編譯和移植的過程，實現(xiàn)了ARM 7+μClinux+SQLite的嵌入式數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)管理平臺。

5 結束語

本論文分析數(shù)字軌道地圖的作用和組成部分，給出GPS數(shù)據(jù)的測量和處理方法，并實現(xiàn)了數(shù)字軌道地圖的嵌入式數(shù)據(jù)管理平臺的軟硬件設計。通過嵌入式操作系統(tǒng)μC linux和嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite在基于ARM 7的嵌入式開發(fā)板S3C44B0上的移植，完成軟硬件平臺搭建，利用ARM 7+μClinux+SQLite的組合建立數(shù)字軌道地圖的嵌入式數(shù)據(jù)管理平臺，為數(shù)字軌道地圖的實現(xiàn)提供了重要的基礎。嵌入式數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)管理平臺體積小、成本低、運行速度快，具有重要應用價值。在此平臺基礎上，可為深入開展精確而且可靠的列車衛(wèi)星定位算法等研究提供有力的技術支持。

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