李 慶

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

基于機車北斗衛(wèi)星、GPS雙模的CIR衛(wèi)星定位單元設(shè)計

李 慶

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

機車綜合無線通信設(shè)備(CIR)用于實現(xiàn)機車和調(diào)度臺之間的通信，衛(wèi)星定位單元是CIR的重要組成之一，通過雙模衛(wèi)星定位單元的系統(tǒng)架構(gòu)完成硬件和軟件設(shè)計?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，設(shè)計的雙模衛(wèi)星定位單元具有北斗衛(wèi)星、GPS衛(wèi)星雙套定位導(dǎo)航系統(tǒng)定位能力，具有更高的可靠性、穩(wěn)定性、精確性，滿足CIR的通信要求。

衛(wèi)星定位單元；機車綜合無線通信設(shè)備；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GPS是世界上第一個成熟、可供全民使用的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由28顆中高軌道衛(wèi)星組成，其中4顆為備用星，均勻地分布在6個等間隔的近圓軌道上，每個軌道分布4顆衛(wèi)星。GPS標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)空間信號的水平位置精度為13 m(95%)，垂直高度精度22 m(95%)，時間同步精度為40 ns(95%)[1-2]。

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在體制上，北斗與美國的GPS、俄羅斯的GLONASS和歐盟建設(shè)中的Galileo一樣，同屬于RNSS(Radio Navigation Satellite System)[3]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由3部分組成，分別為地面段、用戶段和空間段。地面段包括如主控站、監(jiān)測站和注入站等若干地面站，用戶段包括如北斗用戶端以及能兼容其他衛(wèi)星系統(tǒng)的終端，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供高質(zhì)量導(dǎo)航、定位以及授時服務(wù)，包括了授權(quán)服務(wù)和開放服務(wù)兩種方式。授權(quán)服務(wù)向有精度高、可靠性高的衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，提供速度測量、授時、定位與通信的服務(wù)以及系統(tǒng)的完好性信息。開放服務(wù)為全球免費提供速度測量、授時和定位服務(wù)，定位精度為10 m，測速精度為0.2 m/s，授時精度為10 ns[4]。北斗在2012 年年底已經(jīng)形成了區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，并正式開始向亞太地區(qū)提供全天候的區(qū)域?qū)Ш?、定位和授時服務(wù)[5]。

北斗衛(wèi)星和GPS有很多相似之處：相同的信號調(diào)制方式(CDMA)、相同的基本觀測量(碼偽距、載波相位)以及相當(dāng)?shù)姆?wù)性能，使得北斗和GPS可以進行組合定位[6]。

目前每臺機車安裝的機車綜合無線通信設(shè)備(CIR)的衛(wèi)星定位單元是采用美國GPS，GPS的所有權(quán)、控制權(quán)、運營權(quán)都屬于美國國防部，雖然免費向中國開放，但并不承諾保證使用，我國的CDMA網(wǎng)絡(luò)，曾經(jīng)因為美國GPS未授時，出現(xiàn)過癱瘓事件[7]。

CIR中的GPS單元包含GPS模塊、GPS數(shù)據(jù)庫和主控單元3個部分，GPS模塊實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的接收，單點定位接受C/A碼偽距的GPRMC格式數(shù)據(jù)；GPS數(shù)據(jù)庫包含各個車站進站和出站信號機的GPS位置坐標(biāo)點、車站名稱、車站電話號碼等信息；主控單元根據(jù)接收到的GPS數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的信息進行比對，然后輸出GPS公用信息。公用信息里包含前站、本站、后站的站名、電話號碼等信息內(nèi)容。CIR中的操作顯示終端(MMI)根據(jù)接收到的GPS公用信息進行相應(yīng)的顯示，提示司機進行操作[8]。

衛(wèi)星定位單元具有輸出衛(wèi)星定位原始信息、公用位置信息的功能[9]。衛(wèi)星定位原始信息輸出間隔不大于2s，GPS數(shù)據(jù)格式采用NMEA-0183協(xié)議；公用位置信息中，時鐘信息作為設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)時鐘，設(shè)備的時鐘校準(zhǔn)周期不應(yīng)大于10 min[10]。

從維護國家信息安全的角度出發(fā)，迫切需要研制北斗、GPS雙模的衛(wèi)星定位單元，二者互為冗余設(shè)備，可以使定位更可靠，精度更高，為全路機車提供安全可靠的產(chǎn)品。

1 既有產(chǎn)品的系統(tǒng)架構(gòu)

目前CIR上使用的衛(wèi)星定位單元都是通過GPS模塊串口直接與主控單元串口相連[11]，即GPS數(shù)據(jù)傳給主控單元，由主控單元進行后續(xù)經(jīng)緯度和時間的提取；前面板原始數(shù)據(jù)是GPS模塊直接發(fā)出，前面板公用數(shù)據(jù)是主控發(fā)出。

既有衛(wèi)星定位單元系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 既有衛(wèi)星定位單元系統(tǒng)框圖

這種系統(tǒng)架構(gòu)就決定了定位單元的功能是為主控單元和原始數(shù)據(jù)口提供GPS模塊的原始數(shù)據(jù)信息、為主控單元到公用數(shù)據(jù)口提供通路；同時，也限制了雙模衛(wèi)星定位單元給主控定位數(shù)據(jù)需要與既有定位單元的定位數(shù)據(jù)相同。

定位單元電源是通過96pin引腳5 V取電，無電源冗余設(shè)計。

2 雙模衛(wèi)星定位單元的系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到需要將GPS+BD2雙模模塊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為原來GPS模塊格式的數(shù)據(jù)，雙模衛(wèi)星定位單元增加了一個MCU微控制器AVR，用來進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。上電后AVR進行GPS+BD2雙模模塊的初始化任務(wù)，模塊正常發(fā)送的定位數(shù)據(jù)經(jīng)AVR轉(zhuǎn)換后發(fā)給主控單元、未轉(zhuǎn)換的定位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到前面板的原始數(shù)據(jù)端口；來自主控的公用數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到前面板公用數(shù)據(jù)端口。安裝結(jié)構(gòu)保持與現(xiàn)有產(chǎn)品相同，這樣一來就可以完全地替換原來的衛(wèi)星定位單元。

雙模衛(wèi)星定位單元系統(tǒng)框圖如2所示。

圖2 雙模衛(wèi)星定位單元系統(tǒng)框圖

通過Mode Select撥碼開關(guān)進行單GPS定位、單BD2定位、GPS+BD2聯(lián)合定位3種工作模式切換。除了硬件設(shè)計，雙模定位單元也要進行嵌入式軟件設(shè)計，主要是串口數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和模式切換。電源方面雙模衛(wèi)星定位單元采用96pin引腳12 V和5 V雙引電，最大限度提供電源供給。

3 軟件設(shè)計

主要包括軟件功能設(shè)計、輸入輸出設(shè)計、數(shù)據(jù)流向設(shè)計、應(yīng)用算法、軟件架構(gòu)等。

(1)功能

基于C語言的嵌入式軟件采用分層結(jié)構(gòu)化設(shè)計，主要功能包括：初始化AVR片內(nèi)資源，包括I/O口、定時器、看門狗、2個串口、中斷設(shè)置等；初始化1擴5串口擴展芯片GM8125；初始化BD+GPS雙模衛(wèi)星定位模塊；將來自雙模定位模塊的定位信息轉(zhuǎn)發(fā)給主控單元和前面板原始數(shù)據(jù)口，轉(zhuǎn)發(fā)給主控單元時會根據(jù)情況進行協(xié)議轉(zhuǎn)換；將來自主控單元的公用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到前面板公用數(shù)據(jù)口；每秒通過AVR升級串口輸出轉(zhuǎn)發(fā)統(tǒng)計信息。

(2)輸入和輸出

輸入：BD+GPS雙模模塊的串口數(shù)據(jù)輸入；主控單元公用數(shù)據(jù)輸入。

輸出：向主控單元轉(zhuǎn)發(fā)定位數(shù)據(jù)；向雙模定位模塊發(fā)送設(shè)置命令數(shù)據(jù)；向原始數(shù)據(jù)口轉(zhuǎn)發(fā)定位數(shù)據(jù)；向公用數(shù)據(jù)口轉(zhuǎn)發(fā)公用數(shù)據(jù)；向AVR升級串口每秒輸出轉(zhuǎn)發(fā)統(tǒng)計信息數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)流向(圖3)

注：①來自主控單元的公用數(shù)據(jù)；②發(fā)向主控單元的定位信息數(shù)據(jù)；③來自雙模定位模塊的定位信息數(shù)據(jù)；④發(fā)向雙模定位模塊的設(shè)置命令數(shù)據(jù)；⑤發(fā)向原始數(shù)據(jù)口的定位信息數(shù)據(jù)；⑥發(fā)向公用數(shù)據(jù)口的公用數(shù)據(jù)；⑦發(fā)向AVR升級口的轉(zhuǎn)發(fā)統(tǒng)計信息數(shù)據(jù)圖3 數(shù)據(jù)流向

(4)應(yīng)用算法

根據(jù)雙模定位模塊輸出信息包含BCC校驗數(shù)據(jù)，在協(xié)議轉(zhuǎn)換后要重新進行BCC校驗生成。

BCC：(Block Check Character/信息組校驗碼)，也是常說的異或校驗方法。從第一個字節(jié)到最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)一個一個地按位進行異或運算，最后生成一個8位校驗數(shù)據(jù)。最后拆轉(zhuǎn)為2個ASCII數(shù)據(jù)傳送。

(5)軟件架構(gòu)

軟件從邏輯上分為如下3層。

①硬件、底層服務(wù)層：基于AVR硬件的中斷處理、I/O檢測與控制；

②基礎(chǔ)服務(wù)層：串口數(shù)據(jù)的收發(fā)控制、服務(wù)類函數(shù)等；

③應(yīng)用層：命令處理、模式監(jiān)測、各功能的實現(xiàn)等。

4 實驗驗證

(1)靜態(tài)

在完成硬件、軟件設(shè)計后制作完成單元樣板，經(jīng)過單板調(diào)試、整機系統(tǒng)測試(將CIR中的衛(wèi)星定位單元GPS用單元樣板替代制成實驗整機)、電磁兼容性測試等室內(nèi)靜態(tài)地面實驗[12]。

選取一實驗點的經(jīng)緯度信息：3 946.115 4，N，11 620.791 8，E作為基準(zhǔn)，分別測試GPS單獨、北斗單獨、GPS+北斗聯(lián)合的定位信息，如表1所示。

表1 3種定位模式經(jīng)緯度記錄

最靠近該值的是GPS+北斗聯(lián)合定位，其次是GPS，最后是北斗。測試證明實驗整機功能正常，性能穩(wěn)定，可以進行整機動態(tài)上車試驗。

(2)動態(tài)

試驗線路選擇既有包西線，整機安裝在既有機車上進行試驗。線路自新豐編組站起始，經(jīng)蒲城東、西社、北塬、黃陵南、洛川東、富縣東、甘泉北、延安，到延安北結(jié)束。通過實際線路測試，驗證包括北斗+GPS雙模衛(wèi)星定位單元代替原CIR衛(wèi)星定位單元的可行性；北斗+GPS雙模衛(wèi)星定位單元和單獨北斗定位或單獨GPS定位的準(zhǔn)確性；單獨北斗定位能否為機車的安全、穩(wěn)定運行提供準(zhǔn)確的定位信息。表2為3種定位模式數(shù)據(jù)記錄。

表2 3種定位模式數(shù)據(jù)記錄(摘要)

5 分析對比

(1)北斗+GPS聯(lián)合定位、單獨北斗定位、單獨GPS定位3種定位方式都能滿足定位、授時的需要；

(2)比較性能、準(zhǔn)確性等方面，效果最好的是北斗+GPS聯(lián)合定位，其次是單獨GPS定位，最后是單獨北斗定位；

(3)由3種定位方式的原始數(shù)據(jù)的對比，可以看出北斗+GPS雙模衛(wèi)星定位的準(zhǔn)確性更好，是單獨北斗定位和單獨GPS定位的修正；

(4)通過隧道時，3種定位方式的定位都失效；

(5)從隧道出來后，最先恢復(fù)定位的是北斗+GPS雙模衛(wèi)星定位，其次是單獨GPS定位，最后是單獨北斗定位。

6 結(jié)論

通過3趟車的實際線路測試，結(jié)論如下：

(1)北斗+GPS雙模衛(wèi)星定位單元可以代替原CIR衛(wèi)星定位單元正常運行；

(2)北斗+GPS雙模衛(wèi)星定位單元從性能、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性等方面均優(yōu)于單獨北斗定位或單獨GPS定位，可以作為優(yōu)先選擇模式；單獨北斗衛(wèi)星定位雖然在熱啟動定位時間上不及GPS定位快，但實際使用中也依舊能夠為機車提供準(zhǔn)確、穩(wěn)定的位置信息和時鐘信息，使用北斗衛(wèi)星單獨定位依舊可以順利完成運輸任務(wù)。

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CIR Satellite Positioning Unit Design Based on Dual-mode of Locomotive CNSS and GPS

LI Qing

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co. Ltd.， Xi’an 710043， China)

The cab integrated radio communication device (CIR) is designed to fulfill the communication between the train and the dispatching station. The satellite positioning unit is one of the important parts of CIR. The design of the hardware and software of the unit is conducted with a dual mode positioning unit system architecture. Field experiment results show that the designed dual mode positioning unit has the combined functions in navigation system positioning of both CNSS and GPS satellite. It has higher reliability， stability， accuracy， and satisfies the requirements of CIR communication.

Satellite positioning unit; CIR (cab integrated radio communication device); CNSS (Compass Navigation Satellite System); GPS (global position system)

2015-07-10；

2015-07-14

中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司科研課題(院科2013-28)

李 慶(1969—)，男，高級工程師，1992年畢業(yè)于西安交通大學(xué)工業(yè)電氣自動化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:thliqing@126.com。

1004-2954(2015)11-0114-03

U285.21+1； TN925+.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.11.027