基于DGPS的組合定位系統研究與設計

劉 佳，楊志杰

（1. 中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

基于DGPS的組合定位系統研究與設計

劉 佳1，楊志杰2

（1. 中國鐵道科學研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081）

本文介紹一種基于DGPS、地面仿真平臺和應答器定位的組合定位技術，該技術提高了DGPS的定位精度。提出一種里程平滑算法，改善了DGPS在不利環境條件下的應用，現場試驗證明該組合定位系統能夠提高列車定位的精度、連續性與可靠性。

DGPS偽距定位；定位誤差；仿真平臺；里程平滑算法

GPS偽距差分技術（DGPS）是目前常用的高精度定位技術，廣泛用于車輛的導航與定位[1]，由于DGPS定位存在一定誤差，故很多試驗采用組合定位系統[2]，如GPS與慣性導航組合[3]、GPS與里程計定位組合[4]、地圖匹配算法[5]，但慣性導航組合與里程計需要額外的傳感器單元，成本較高且需要數據融合算法，增加了系統的復雜性。地圖匹配算法依賴于地圖匹配的處理，實時性和準確性受到一定的影響。此外，應答器定位為單一的點式定位，需要與其它定位技術相結合才能實現連續式定位。

列控系統動態仿真試驗利用地面仿真平臺、ATP、應答器傳輸模塊（BTM）、GPS定位模塊、地面應答器等模擬實際線路運行以及驗證車載設備及線路數據。整個仿真系統采用兩套速度測量系統：（1）列車速度傳感器系統，為ATP提供列車的速度信息；（2）DGPS速度系統，即動態定位系統，為地面仿真平臺的虛擬列車提供速度。由于地面仿真平臺模擬的是實際線路（如鄭西線）的列車運行情況，其速度由DGPS定位系統提供，當虛擬列車經過應答器時，把應答器數據通過GSM-R發送至實際列車的ATP，ATP將會判斷此報文的合理性，這就需要兩套速度系統的速度相對一致，誤差必須控制在一定范圍內。

本文利用地面仿真平臺與地面應答器對DGPS的定位進行修正、平滑與推算，有效的減少定位誤差，使得試驗過程中定位結果滿足列控系統的動態仿真需求。系統的結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

1 GPS偽距差分定位

1.1 偽距差分定位原理

GPS偽距差分定位（DGPS）是根據偽距觀測值做差解算，至少需要兩套GPS衛星接收機，分別安裝在運動載體和一個已知點位坐標的地面基準站上，運動載體上的稱為動態GPS接收機，地面基準站上的稱為基準站GPS接收機。

動態GPS接收機在測量偽距的同時，接收來自基準接收機的DGPS改正數，而改變它自己測得的偽距：

Xj、Yj、Zj_第j顆GPS衛星在時刻t的位置；Xk、Yk、Zk_GPS信號接收天線在時刻t的三維位置；t時刻動態GPS接收機測得的運動載體至第j顆GPS衛星的偽距；t時刻運動載體至第j顆GPS衛星的實際距離；dTrr_基準GPS接收機時鐘與GPS時系的時間偏差；dTkr_動態GPS接收機時鐘與GPS時系的時間偏差；基準站發送的DGPS改正數?？梢?，需要至少觀測4顆GPS衛星后才可列出4個如公式（1）的方程式，對其進行線性化求解，則知動態用戶在時元t的三維位置。

1.2 偽距差分的精度誤差

偽距差分GPS技術能顯著提高列車定位精度，其精度誤差（m）如表1所示。

2動態定位系統設計

2.1 定位系統硬件實現

基于DGPS的定位系統安裝于實際線路的列車上，可以分為4個部分，其結構如圖2所示。

（1）主處理器模塊。主處理器模塊采用AT91SAM9260工業級ARM9處理器，主處理器模塊實現對定位信息及應答器報文信息的處理。

（2）定位模塊。定位模塊包括動態GPS接收機OEMV-1與基準GPS接收機OEMV-1。OEMV-1定位模塊在DGPS下，定位精度為0.45 RMS，位置數據更新率為20 Hz（可選50 Hz），具備一個可控的PPS輸出和標記脈沖輸入。

表1 偽距定位與DGPS測量的精度誤差

圖2 基于DGPS的定位系統結構圖

（3）數據存儲模塊。數據存儲模塊用于存儲GPS接收機發出的定位信息，也可以記錄定位系統與其它系統之間的數據和日志。

（4）通信模塊。通信模塊完成系統中各模塊間的通信，即定位系統與RTU之間、定位系統與應答器報文處理模塊之間的通信。其中與RTU之間的通信為雙向通信：一方面RTU將地面仿真平臺的應答器數據發送至定位系統；另一方面RTU將定位系統的定位信息發送至地面仿真平臺。

（5）應答器報文處理模塊。應答器報文處理模塊完成應答器報文的解析、處理及與ATP的通信。

2.2 定位系統軟件實現

定位系統的軟件實現包括：（1）定位信息的采集，且將定位信息組幀為規定的格式發送至RTU，信息發送間隔為250 ms；（2）接收應答器報文，且將報文組幀為規定的格式發送至LEU，信息發送方式為觸發式；（3）當列車經過應答器時，利用應答器定位，更新糾正里程信息。軟件結構如圖3所示。

圖3 軟件結構框圖

由于定位信息的產生本身有一定的時間間隔，再加上經過GSM-R的傳輸，有一定的延時，如果地面仿真平臺不對定位信息進行平滑處理，會導致虛擬列車里程的跳變，如遇到應答器跳變大于5 m，虛擬列車直接跳過應答器，將導致車載ATP丟失應答器報文。

圖3中平滑里程信息（1）的算法如圖4所示。

圖4中Mileage_GPS為解算DGPS定位系統發送的經緯度信息得到的里程值，此值為里程平滑算法的輸入；Mileage_Estimate為地面仿真平臺平滑后的里程值，為平滑算法的輸出；最高行駛速度視線路情況而定；定位信息間隔為250 ms；Delta_speed為列車從速度0最大加速至線路最高速度的速度變化在250 ms內的變化率；Speed_estimate為速度估計值，利用此值計算里程估計值。

圖4 里程平滑算法流程圖

3 動態仿真過程

3.1 仿真設置

動態仿真采用實車加地面的仿真方式，動態GPS接收機安裝在動車上，基準GPS接收機安裝在軌道邊的信號樓頂。仿真步驟如下（以仿真測試序列1為例）：

（1）地面仿真平臺創建仿真列車，模擬鄭西線路，如圖5所示。

a.鞏義南站辦理發車進路，洛陽南站辦理接車進路；b.仿真線路長度為51 km；c.最高允許運行速度80 km/h；d.地面仿真平臺通過GSM-R無線網與車載GPS動態接收機建立連接。

（2）試驗列車：ATP上電，進入C3目視模式，啟動列車。

（3）應答器數據與軌道電路數據通過GSM-R發送至車載ATP設備，列車位置信息由GPS接收機通過GSM-R發送至地面仿真平臺。

（4）列車DMI顯示C3目視模式轉為C3完全模式，最后停車轉為待機模式。

3.2 誤差分析及仿真結果

3.2.1 誤差分析

DGPS測量主要誤差為：接收機噪聲誤差、多路徑效應誤差、相對論效應誤差與地球自轉效應誤差。誤差的有關分析可以參考文獻[7]。

動態GPS接收機在測量偽距的同時，接收來自基準接收機的DGPS改正數，而改變它自己測得的偽距：

圖5 模擬鄭西線路圖

比較式（1）和式（2），采用DGPS測量，消弱了GPS衛星時鐘偏差、電離層時延、對流層時延引起的距離誤差，當動態GPS接收機與基準站距離在100 km以內時，可以認為：

由于當真實列車經過地面應答器時，通過接收應答器報文來實現定位里程的糾正，應答器定位的最大誤差[6]為：

在試驗過程中發現組合定位的最大誤差為3 m左右，由于應答器組的組內間距為5 m，此定位誤差不會影響應答器報文的發送，此外當列車接收到新的應答器數據，會將DGPS誤差及時修正。

3.2.2 仿真結果

動態試驗過程中，通過比較地面仿真平臺虛擬列車位置與實際列車的位置，可以得出系統總誤差的大小，如圖6所示，上面的虛線為未采用平滑算法，實線為經過地面仿真平臺平滑后的誤差大小?？梢姴捎闷交惴苡行У臏p少系統誤差。圖7為定位系統提供的里程數據誤差與經過平滑后的誤差，從圖中可以看出，經過平滑后，誤差顯著減小。

在列控系統仿真過程中，偽距差分的定位技術如不遇到信號的遮擋，可以滿足列控系統定位的需求，在信號被遮擋時，采用地面仿真平臺平滑算法，系統能在一定誤差范圍內連續穩定工作。如DGPS信號被遮擋發生在圖6中5 km位置處，在定位信號被遮擋這段時間內，采用地面仿真平臺單獨推算列車位置，直到DGPS信號恢復。ATP在此誤差范圍內能持續接收應答器報文，并由目視模式轉換為完全模式。

圖6 列控系統動態仿真過程總誤差

圖7 DGPS定位里程誤差及估計修正后的誤差

4 結束語

本文研究了一種基于DGPS、應答器定位與地面仿真平臺推算的組合導航系統，通過試驗證明，該系統克服了偽距差分定位的缺點，在定位的準確度與系統可靠性方面較單一的偽距差分定位有著顯著的改善。

[1] 王 軍，于洪喜，曹桂興.差分GPS定位技術[J].空間電子技術，2001（Z1）：107-110.

[2] 朱愛紅，李 博，楊 亮.高速列車定位技術與組合定位系統研究[J].中國鐵路，2013（5）：59-63.

[3] 劉 江，蔡伯根，唐 濤，等.基于GPS與慣性測量單元的列車組合定位系統[J].中國鐵道科學，2010，31（1）：124-128.

[4] 殷 琴，蔡伯根，王 劍，等.GPS/ODO列車組合定位系統[J].現代電子技術，2010（19）：168-171.

[5] Wei ShangGuan, Bai-gen Cai, Jian Wang.Research of Train Control System Special Database and Position Matching Algorithm[J].IEEE，2009(IV).

[6] ERTMS. Unisig Subset-036 FFFIS for Eurobalise[EB/OL]. 2010-01-01.

[7] 康四林，李語強.GPS定位中的誤差分析[J].天文研究與技術，2010，7（3）：224-229.

責任編輯 陳 蓉

Integrated Positioning System based on DGPS

LIU Jia1, YANG Zhijie2
( 1.China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China; 2.Signal&Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

This paper described an integrated technology based on DGPS, CTCS-3 simulation platform and balise positioning, through the integrated positioning technology to improve the positioning accuracy of DGPS, and proposed the Mileage Smoothing Algorithm to improve DGPS applications under adverse environmental conditions. The fi eld test demonstrated that the Integrated Train Positioning System could improve the accuracy of position, continuity and reliability.

DGPS pseudo-range positioning; positioning error; simulation platform; Mileage Smoothing Algorithm

U285∶TP39

A

1005-8451（2014）07-0001-05

2014-01-09

劉 佳，在讀碩士研究生；楊志杰，研究員。