??? 摘 要： 針對目前火車機車監控系統" title="監控系統">監控系統中GPS定位精度" title="定位精度">定位精度低、抗遮蔽性差的問題，提出了一種基于GPS、ADXRS150微硅陀螺儀" title="微硅陀螺儀">微硅陀螺儀和機車速度傳感器的組合導航定位設計方案，建立了組合導航信息融合算法模型，給出了實驗結果數據。在實際應用中準確判斷了機車進站軌道，提高了定位精度，為機車的遠程監控提供了可靠的位置數據。
??? 關鍵詞： 全球定位系統? 微硅陀螺儀? 機車監控? 信息融合

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??? 從1997年至今我國鐵路實施了五次大提速，提速網絡基本覆蓋了全國主要地區，特快列車最高時速從120公里提高到了160～200公里。隨著機車運行速度的提高，對安全可靠性的要求也相應提高，這就需要對系統進行同步改造，加強監控措施，確保運行安全。行車安全監控是鐵路信息化總體規劃應用體系中的重要組成部分，是提高鐵路運輸安全保障能力的重要技術手段。組合導航定位技術在機車安全監控系統中的應用，可以解決單一GPS定位精度低、抗遮蔽性差的問題^[1]，實現機車運行軌跡的準確定位和進站軌道的準確判斷，為行車安全監控系統提供可靠的運行數據。
1 機車組合導航定位終端設計原理
??? 機車組合導航定位終端要求對GPS信息、陀螺儀信息、機車速度傳感信息" title="傳感信息">傳感信息進行融合處理，并將融合處理后的信息通過GPRS無線網絡傳輸到監控中心。同時，在本地采用大容量Flash存儲器，保存軌道線路的一些特征參數" title="特征參數">特征參數，該特征參數可以通過無線方式自動更新，確保軌道特征參數的實時性。終端通過對采集到的各種狀態信息進行融合處理，并和軌道特征參數進行比較，發出各種提示信號。終端原理圖如圖1所示。

??? 系統主控CPU為LPC2138，該CPU為ARM7內核^[2]，負責對各種信息的融合處理；GPS模塊采用GARMIN15 引擎板，在定位情況下，用于獲取機車所在位置的經度、緯度、海拔高度信息；ADXRS150微硅陀螺儀，用于獲取機車的角速度信息。AD574是12位A/D轉換芯片,用于對ADXRS150微硅陀螺儀輸出的模擬角速度信號進行采樣和量化；三星K9F5608 Flash用于存儲軌道的一些特征參數；電源管理模塊輸入為110V直流電源，輸出為12V、5V、3.3V電壓，為各模塊的正常工作提供穩定的電源。

2 組合定位信息的分析與處理
2.1 GPS定位信息
??? GARMIN15 GPS引擎板定位精度<15米(無干擾)，輸出數據格式為NMEA0183。該格式包含多種語句，其中GPRMC是最常用的語句，該語句說明了所在位置的經度、緯度、時間、海拔高度以及目前的速度等信息。其具體語句格式為：＄GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>?鄢hh。GPS引擎板每隔1秒鐘通過串口輸出一次數據，其串口波特率為9600bps。GPS在定位的情況下能夠提供非常準確的時間信息。
2.2 機車速度傳感信息
??? 目前機車上所配備的安全行駛記錄儀，通過RS485總線，以28 800bps 的傳輸速率，每隔20~40ms輸出相關機車狀態信息，其中包括了機車速度信息。由于該信息傳輸非常頻繁，因此在設計過程中，采用了單獨的MCU來采集、處理該信息，主控CPU通過I²C總線定時獲取機車的速度狀態信息，從而大大減輕了主控CPU的工作負荷。應用機車速度傳感信息在短時間內計算機車運行里程比較準確，但在長時間內，由于累積誤差的存在，將會帶來很大的偏差。
2.3 ADXRS150微硅陀螺儀信息
??? ADXRS150是一款角速度范圍為150°/s的MEMS角速度傳感器，集成在一個微小的芯片上。可提供精確的參考電壓和溫度輸出的補償技術，7mm×7mm×3mm微小體積的封裝^[3]。在ADXRS150微硅陀螺儀的實際使用過程中，為了獲得穩定可靠的角速度信息，需要合理解決以下幾方面問題：
??? (1)濾波器
??? 在機車運行過程中，其角速度變化比較緩慢，因此可以把其低通濾波器的通帶截止頻率設置得低一些，這樣可以消除一些高頻分量的影響。低通濾波器的通帶截止頻率可由下式計算：

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??? 其中：R_out=180kλ，已經集成在ADXRS150微硅陀螺儀內部，結合機車運行實際狀況^[4]，外接C_out=47nF。

??? (2)零點漂移
??? ADXRS150微硅陀螺儀在運行過程中，中心零點會隨著時間變換而發生漂移，因此需要對零點進行準確校正^[5]。通過判斷GPS信息和機車速度傳感信息，可以確定機車是否處于靜止狀態。一旦機車處于靜止狀態，則啟動零點校正程序，確定零點模擬電壓，在實際運行過程中，就可以消除零位偏差。

2.4 數據融合處理
??? (1)定位數據包結構
??? #UTPM，<時間>，<經度>，<緯度>，，<機車速度>，<陀螺儀角速度>，<慣性導航時間>，<狀態與判決條件>，
??? (2)GPS定位情況下位置信息處理
??? 根據狀態與判決條件，可以判斷目前GPS是否定位，在確認GPS定位的情況下，數據包中的經度、緯度信息有效。
??? (3)GPS未定位情況下位置信息處理
??? 在GPS未定位的情況下，將啟動慣性導航，應用機車速度傳感信息計算運行里程。設機車速度信息采樣時間間隔為T_avr，i時刻的運行速度為v_i，則運行里程為：

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??? 慣性導航起點位置用經度和緯度標注，由于在本地保存了軌道經度和緯度信息，結合鐵路公里標，S可以直接轉化為經度和緯度信息。同時，監控中心結合軌道電子地圖，也可以對該數據進行處理和顯示。
??? (4)軌道判斷
??? 在機車進站時，GPS信號可能會收到遮蔽影響，即使GPS正常工作，但由于軌道間距比較小，要判斷機車所在軌道還是有難度，因此，需要通過陀螺儀來獲取軌道弧度數據。根據弧度和角速度之間的關系：

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??? 在t₁到t₂時間段內，總的弧度計算公式為：

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??? 設陀螺儀的采樣間隔為T，則使用分段線性化來計算該積分：

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??? 其中n為t₂時刻的角速度，m為t₁時刻的角速度。(m-n)T為求和時間長度，該求和時間長度依據軌道參數進行智能調整。在該終端的Flash中，已經保存了軌道線路參數(包括道岔處的弧度信息)，將計算所得的θ₁和道岔處的弧度信息做比較，就可以判斷出機車進入的具體軌道。

3 測試數據及結果分析
??? ADXRS150微硅陀螺儀輸出角速度信號經過A/D轉換后，再轉換為弧度。其前面的正號代表順時針轉動，負號表示逆時針旋轉。結合目前所在位置的軌道參數，對機車所在軌道進行判斷，并與GPS方位角進行了對照分析。
??? 測試位置為：北緯22度57分4728秒，東經108度21分0413秒，當前機車速度為49.5km/h，對機車穿越道岔時段時數據進行了分析，如圖2、圖3所示。

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??? 該測試數據說明，機車在該位置順時針方向轉動行駛，通過查詢本地Flash中的數據，準確判斷了機車在道岔處所選擇的軌道。
??? 基于GPS、陀螺儀、機車速度傳感器的組合定位技術，解決了單一GPS定位的缺陷，提高了定位精度，結合中心電子地圖，準確判斷了機車進站軌道。在測試和試運行中，取得了明顯的效果，為機車的實時監控和安全預警提供了可靠的軌道位置數據。
參考文獻
[1] 張超，柳健，田金.GPS/INS在火車安全告警系統中的應用.華中科技大學學報(自然科學版)，2005，33(7)：29-31.
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[4] 曾慶華，張為華.iMEMS速率陀螺芯片在MAV飛行控制系統中應用研究.測控技術，2004，23(2)：68-70.
[5] 潘金艷，徐苛杰，蔣軍彪等.一種微硅陀螺的動態校零方法.壓電與聲光，2006，28(1)：123-126.