中國鐵路通信信號股份有限公司 / 郭永泉

一、坐標系及天線姿態(tài)測量機制

（一）坐標系

天線的傾角是由天線自身坐標系與地球地理坐標系的夾角來表示的。

地球地理坐標系：坐標系的原點為地球表面，Z軸方向是地球重力的方向，X軸為地理經(jīng)線的切線方向，Y軸為地理緯線的切線方向。

天線自身坐標系：坐標系的原點為天線的質心，Z軸方向是天線垂直于天線表面方向，Y軸方向是沿天線兩側方向，X軸方向是沿天線上下方向。

由于天線的自身坐標系和地理坐標系都以天線的質點為原點，那么通過兩個坐標系的旋轉轉換，可以表示天線的方向角和俯仰角。當天線繞自身坐標系的Z軸轉動時，自身坐標系的X軸方向與地理坐標系的X軸方向形成的夾角為方向角。當天線繞自身X軸轉動時，自身坐標系得Z軸方向與地理坐標系的Z軸方向形成的夾角為俯仰角。

（二）角度測量與姿態(tài)融合

天線角度測量可以通過陀螺儀傳感器進行檢測。陀螺儀測量天線坐標系繞各個軸向的角速度，通過角速度與時間的積分，得到各個軸轉動的角度。在運動狀態(tài)下，陀螺儀的采樣頻率越高，積分計算的準確度也越高。而在靜止狀態(tài)，陀螺儀的積分計算會產(chǎn)生積累誤差，形成角度漂移，這時需要加入加速度傳感器，通過積分再得到角度，減少漂移影響。同時引入濾波算法，靜止狀態(tài)時，增加加速度傳感器計算數(shù)據(jù)的權重，而在運動狀態(tài)，增加陀螺儀傳感器計算數(shù)據(jù)的權重，最終達到高精度測量的目的。這種采用陀螺儀和加速度傳感器共同得到角度的處理算法就是姿態(tài)融合。在實際計算中，使用四元數(shù)表示姿態(tài)融合結算，即由三個實數(shù)及一個虛數(shù)組成，便于數(shù)據(jù)處理，而在處理結束后，使用歐拉角進行表示，即方向角、俯仰角和橫滾角，便于統(tǒng)計記錄。

二、鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)構成

鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，采用姿態(tài)融合傳感技術、通信技術和后臺管理技術，可長期或者實時監(jiān)測鐵路鐵塔上的GSM-R天線的姿態(tài)角度，并通過通信模塊統(tǒng)一上傳到后臺服務器，方便監(jiān)控室實時觀察和長期跟蹤GSM-R天線姿態(tài)，進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)天線的精確監(jiān)測，高效規(guī)范。

整個系統(tǒng)由兩部分組成，包括天線角度測試儀部分和后臺監(jiān)測系統(tǒng)。天線角度測試儀利用高性能姿態(tài)傳感器，結合當前先進的物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)定位、gprs遠程數(shù)據(jù)回傳等功能。單片機作為主控單元，采集并處理姿態(tài)和定位信息，數(shù)據(jù)實時顯示在測試儀的顯示屏上，同時將數(shù)據(jù)通過通信上傳到后臺服務器，電源為各個模塊供電。

后臺監(jiān)測系統(tǒng)。通信服務器通過互聯(lián)網(wǎng)將測試數(shù)據(jù)進行收集，并進行處理和存儲，最終在web界面上進行顯示，實現(xiàn)長期和實時的監(jiān)測，并在顯示界面進行用戶交互，整個流程標準化。系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構成圖

（二）stm32F103rct6最小系統(tǒng)

天線角度測試儀采用stm32F103rct6（F103）為主控芯片。F103是ST公司基于Cortex-M3核心的32 位微控制器，LQFP-64封裝，主頻72MHz，F(xiàn)LASH容量是256KB，RAM容量是48K。F103芯片要想進行數(shù)據(jù)處理和正常運行，需要搭建最小系統(tǒng)，包括LDO電源電路、晶振電路、下載端口、調試接口、顯示接口和復位電路等。LDO電源電路是為微處理器供電，F(xiàn)103的工作電壓是3.3V，為滿足穩(wěn)定電源輸入的目的，采用ME6211電源芯片，將5V轉換為3.3V，達到高精度、高紋波抑制比、低噪聲、高響應的低壓差線性穩(wěn)壓，為微處理器供電。晶振電路為微控制器提供時鐘頻率，是程序運行和控制處理的時鐘信號。這里選擇8MHz的無源晶振，結合內部鎖相環(huán)PLL，提供72MHz主頻。下載端口是向芯片下載程序的接口，包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出、時鐘和模式引腳。復位電路復位芯片程序，低電平有效。調試接口作為USART接口，串口輸出調試程序。顯示接口是SPI接口的OLED，進行信息的顯示。

（三）姿態(tài)測量芯片

MPU6050 陀螺儀模塊是一種姿態(tài)傳感器模塊，能同時檢測三軸加速度、三軸陀螺儀的運動數(shù)據(jù)。MPU6050 芯片內部支持數(shù)字運動處理器，可以將加速度和陀螺儀傳感器得到的加速度和角速度數(shù)據(jù)進行濾波計算和融合解算處理數(shù)據(jù)。芯片支持I2C接口。F103微控制器可以直接讀取輸出姿態(tài)解算的四元數(shù)，并將四元數(shù)轉換成天線測量所需的方向角和俯仰角，由于頻率可以達到200HZ，適合鐵塔的高精度和動態(tài)變化的應用場景。

（四）A9G通信和定位導航

A9G是一款完整的四頻 GSM/GPRS+GPS 模塊，使用RDA8955作為控制芯片。模塊內部集成了GSM/GPRS等協(xié)議棧，能提供串口，F(xiàn)103可以直接進行GPRS、GPS等信息傳輸功能。支持物聯(lián)網(wǎng)卡，通過AT命令，搭建TCP/IP透傳，將采集定位信息、方向角和俯仰角等數(shù)據(jù)上傳到后臺服務器，遠端實時查看鐵塔信息。模塊有29個I/O口通過排針引出，功能強大，適合鐵塔監(jiān)測和環(huán)境檢測等應用場景。外圍電路的設計是GSM模塊應用中最重要的環(huán)節(jié)，包括電源設計、開關電路設計SIM卡設計、ADC參考設計和天線設計。

三、鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

（一）軟件架構

監(jiān)測系統(tǒng)按照層次結構劃分，可以分為三層結構，這三層分別為控制與處理層、通信層和Web端顯示層?？刂婆c處理層，用于硬件的數(shù)據(jù)采集和處理，包括姿態(tài)傳感器采集模塊、北斗定位數(shù)據(jù)處理模塊、OLED顯示器模塊、定時器邏輯處理模塊和ADC數(shù)據(jù)采集模塊；通信層，用于硬件與后臺Web端數(shù)據(jù)的交互，包括通信初始化模塊、TCP/IP鏈接模塊和通信數(shù)據(jù)發(fā)送模塊；Web端顯示層，用于用戶界面的操作和顯示，包括數(shù)據(jù)接收和存儲單元、系統(tǒng)登錄模塊、鐵塔信息數(shù)據(jù)模塊、實時監(jiān)測模塊、歷史告警模塊和趨勢分析和展示模塊。

圖2 系統(tǒng)結構圖

（二）嵌入式軟件功能實現(xiàn)

嵌入式軟件是在單片機中運行的程序，主要進行數(shù)據(jù)采集和通信，使用C語言編程語言實現(xiàn)。

程序啟動后，首先初始化各模塊配置及其引腳設置，檢查通信模塊啟動正常、設備鏈路配置，若無法上網(wǎng)，提示重啟。當運行正常，啟動定時器，按照各模塊的采集頻率進行數(shù)據(jù)采集。通過I2C協(xié)議從姿態(tài)傳感器中讀取俯仰角和偏航角，通過usart協(xié)議讀取北斗數(shù)據(jù)及解析定位和時間，通過GPIO采集電池電量，通過spi協(xié)議在oled顯示各模塊數(shù)據(jù)，向全局變量數(shù)組存儲數(shù)據(jù)。同時，根據(jù)按鍵和定時器觸發(fā)發(fā)送終端，將將姿態(tài)數(shù)據(jù)、定位信息轉為字符數(shù)組，通過AT命令向后臺服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。當所有任務完成后，記錄日志，完成一次數(shù)據(jù)采集和發(fā)送任務。

程序測試流程圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)架構圖

四、系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺實現(xiàn)

鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測回傳數(shù)據(jù)，大幅減少監(jiān)測的人工成本，并提高數(shù)據(jù)的可靠性、實時性；同時可以自動定位鐵塔并且保存監(jiān)測歷史，進行統(tǒng)計分析。

天線角度測試儀，利用高性能姿態(tài)傳感器，結合當前先進的物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)天線俯仰角、橫滾角的測量，定位以及gprs遠程數(shù)據(jù)回傳等功能。

后端管理平臺，通信服務器通過互聯(lián)網(wǎng)將測試數(shù)據(jù)進行收集，并進行處理和存儲，最終在web界面上進行顯示，實現(xiàn)長期和實時的監(jiān)測，并在顯示界面進行用戶交互，整個流程標準化系統(tǒng)。

圖4 監(jiān)測平臺測試界面

本系統(tǒng)具有以下特點，實現(xiàn)對GSM-R天線角度的精準管理：

（一）集成高精度陀螺儀、加速度計數(shù)據(jù)融合輸出。內部結合動態(tài)結算與動態(tài)卡爾曼濾波算法，實現(xiàn)精確的動態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（二）采用北斗定位設備，對鐵塔監(jiān)測位置進行采集，方便后期維護管理。

（三）采用gprs數(shù)據(jù)上傳，低功耗、低延時。

（四）采用后臺數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，將多處進出場的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳，統(tǒng)一后臺管理。

五、結語

鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，是一套高性能姿態(tài)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用當前先進的物聯(lián)網(wǎng)技術，結合定位、GPRS遠程數(shù)據(jù)回傳，可有效實時、長期監(jiān)測鐵路GSM-R天線姿態(tài)。該系統(tǒng)采用三軸加速度+三軸陀螺儀的六軸傳感器芯片為核心，利用數(shù)字運動處理器硬件加速引擎（DMP），輸出高準確度的姿態(tài)解算數(shù)據(jù)。綜合監(jiān)控平臺在鄭州鐵路局日常維護和施工中應用，得到了施工企業(yè)和鐵路局的好評和認可。