鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中國(guó)鐵路通信信號(hào)股份有限公司 / 郭永泉

一、坐標(biāo)系及天線姿態(tài)測(cè)量機(jī)制

（一）坐標(biāo)系

天線的傾角是由天線自身坐標(biāo)系與地球地理坐標(biāo)系的夾角來(lái)表示的。

地球地理坐標(biāo)系：坐標(biāo)系的原點(diǎn)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(biāo)系：坐標(biāo)系的原點(diǎn)為天線的質(zhì)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(cè)方向，X軸方向是沿天線上下方向。

由于天線的自身坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系都以天線的質(zhì)點(diǎn)為原點(diǎn)，那么通過(guò)兩個(gè)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，可以表示天線的方向角和俯仰角。當(dāng)天線繞自身坐標(biāo)系的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，自身坐標(biāo)系的X軸方向與地理坐標(biāo)系的X軸方向形成的夾角為方向角。當(dāng)天線繞自身X軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，自身坐標(biāo)系得Z軸方向與地理坐標(biāo)系的Z軸方向形成的夾角為俯仰角。

（二）角度測(cè)量與姿態(tài)融合

天線角度測(cè)量可以通過(guò)陀螺儀傳感器進(jìn)行檢測(cè)。陀螺儀測(cè)量天線坐標(biāo)系繞各個(gè)軸向的角速度，通過(guò)角速度與時(shí)間的積分，得到各個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，陀螺儀的采樣頻率越高，積分計(jì)算的準(zhǔn)確度也越高。而在靜止?fàn)顟B(tài)，陀螺儀的積分計(jì)算會(huì)產(chǎn)生積累誤差，形成角度漂移，這時(shí)需要加入加速度傳感器，通過(guò)積分再得到角度，減少漂移影響。同時(shí)引入濾波算法，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，增加加速度傳感器計(jì)算數(shù)據(jù)的權(quán)重，而在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，增加陀螺儀傳感器計(jì)算數(shù)據(jù)的權(quán)重，最終達(dá)到高精度測(cè)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(shí)際計(jì)算中，使用四元數(shù)表示姿態(tài)融合結(jié)算，即由三個(gè)實(shí)數(shù)及一個(gè)虛數(shù)組成，便于數(shù)據(jù)處理，而在處理結(jié)束后，使用歐拉角進(jìn)行表示，即方向角、俯仰角和橫滾角，便于統(tǒng)計(jì)記錄。

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

（一）系統(tǒng)構(gòu)成

鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用姿態(tài)融合傳感技術(shù)、通信技術(shù)和后臺(tái)管理技術(shù)，可長(zhǎng)期或者實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵路鐵塔上的GSM-R天線的姿態(tài)角度，并通過(guò)通信模塊統(tǒng)一上傳到后臺(tái)服務(wù)器，方便監(jiān)控室實(shí)時(shí)觀察和長(zhǎng)期跟蹤GSM-R天線姿態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)天線的精確監(jiān)測(cè)，高效規(guī)范。

整個(gè)系統(tǒng)由兩部分組成，包括天線角度測(cè)試儀部分和后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。天線角度測(cè)試儀利用高性能姿態(tài)傳感器，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)定位、gprs遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)回傳等功能。單片機(jī)作為主控單元，采集并處理姿態(tài)和定位信息，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在測(cè)試儀的顯示屏上，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)通信上傳到后臺(tái)服務(wù)器，電源為各個(gè)模塊供電。

后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通信服務(wù)器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，最終在web界面上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并在顯示界面進(jìn)行用戶(hù)交互，整個(gè)流程標(biāo)準(zhǔn)化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

（二）stm32F103rct6最小系統(tǒng)

天線角度測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和正常運(yùn)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(diào)試接口、顯示接口和復(fù)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(zhuǎn)換為3.3V，達(dá)到高精度、高紋波抑制比、低噪聲、高響應(yīng)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(shí)鐘頻率，是程序運(yùn)行和控制處理的時(shí)鐘信號(hào)。這里選擇8MHz的無(wú)源晶振，結(jié)合內(nèi)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(shí)鐘和模式引腳。復(fù)位電路復(fù)位芯片程序，低電平有效。調(diào)試接口作為USART接口，串口輸出調(diào)試程序。顯示接口是SPI接口的OLED，進(jìn)行信息的顯示。

（三）姿態(tài)測(cè)量芯片

MPU6050 陀螺儀模塊是一種姿態(tài)傳感器模塊，能同時(shí)檢測(cè)三軸加速度、三軸陀螺儀的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。MPU6050 芯片內(nèi)部支持?jǐn)?shù)字運(yùn)動(dòng)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(jìn)行濾波計(jì)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(zhuǎn)換成天線測(cè)量所需的方向角和俯仰角，由于頻率可以達(dá)到200HZ，適合鐵塔的高精度和動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)用場(chǎng)景。

（四）A9G通信和定位導(dǎo)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(nèi)部集成了GSM/GPRS等協(xié)議棧，能提供串口，F(xiàn)103可以直接進(jìn)行GPRS、GPS等信息傳輸功能。支持物聯(lián)網(wǎng)卡，通過(guò)AT命令，搭建TCP/IP透?jìng)鳎瑢⒉杉ㄎ恍畔?、方向角和俯仰角等?shù)據(jù)上傳到后臺(tái)服務(wù)器，遠(yuǎn)端實(shí)時(shí)查看鐵塔信息。模塊有29個(gè)I/O口通過(guò)排針引出，功能強(qiáng)大，適合鐵塔監(jiān)測(cè)和環(huán)境檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景。外圍電路的設(shè)計(jì)是GSM模塊應(yīng)用中最重要的環(huán)節(jié)，包括電源設(shè)計(jì)、開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)SIM卡設(shè)計(jì)、ADC參考設(shè)計(jì)和天線設(shè)計(jì)。

三、鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）軟件架構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照層次結(jié)構(gòu)劃分，可以分為三層結(jié)構(gòu)，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(shí)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(tái)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(hù)界面的操作和顯示，包括數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)單元、系統(tǒng)登錄模塊、鐵塔信息數(shù)據(jù)模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、歷史告警模塊和趨勢(shì)分析和展示模塊。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（二）嵌入式軟件功能實(shí)現(xiàn)

嵌入式軟件是在單片機(jī)中運(yùn)行的程序，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信，使用C語(yǔ)言編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

程序啟動(dòng)后，首先初始化各模塊配置及其引腳設(shè)置，檢查通信模塊啟動(dòng)正常、設(shè)備鏈路配置，若無(wú)法上網(wǎng)，提示重啟。當(dāng)運(yùn)行正常，啟動(dòng)定時(shí)器，按照各模塊的采集頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過(guò)I2C協(xié)議從姿態(tài)傳感器中讀取俯仰角和偏航角，通過(guò)usart協(xié)議讀取北斗數(shù)據(jù)及解析定位和時(shí)間，通過(guò)GPIO采集電池電量，通過(guò)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(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，根據(jù)按鍵和定時(shí)器觸發(fā)發(fā)送終端，將將姿態(tài)數(shù)據(jù)、定位信息轉(zhuǎn)為字符數(shù)組，通過(guò)AT命令向后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)所有任務(wù)完成后，記錄日志，完成一次數(shù)據(jù)采集和發(fā)送任務(wù)。

程序測(cè)試流程圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

四、系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回傳數(shù)據(jù)，大幅減少監(jiān)測(cè)的人工成本，并提高數(shù)據(jù)的可靠性、實(shí)時(shí)性；同時(shí)可以自動(dòng)定位鐵塔并且保存監(jiān)測(cè)歷史，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

天線角度測(cè)試儀，利用高性能姿態(tài)傳感器，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天線俯仰角、橫滾角的測(cè)量，定位以及gprs遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)回傳等功能。

后端管理平臺(tái)，通信服務(wù)器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，最終在web界面上進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并在顯示界面進(jìn)行用戶(hù)交互，整個(gè)流程標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)。

圖4 監(jiān)測(cè)平臺(tái)測(cè)試界面

本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)GSM-R天線角度的精準(zhǔn)管理：

（一）集成高精度陀螺儀、加速度計(jì)數(shù)據(jù)融合輸出。內(nèi)部結(jié)合動(dòng)態(tài)結(jié)算與動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波算法，實(shí)現(xiàn)精確的動(dòng)態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（二）采用北斗定位設(shè)備，對(duì)鐵塔監(jiān)測(cè)位置進(jìn)行采集，方便后期維護(hù)管理。

（三）采用gprs數(shù)據(jù)上傳，低功耗、低延時(shí)。

（四）采用后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理，將多處進(jìn)出場(chǎng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳，統(tǒng)一后臺(tái)管理。

五、結(jié)語(yǔ)

鐵路GSM-R智能天線定位及姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一套高性能姿態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用當(dāng)前先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合定位、GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)回傳，可有效實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)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(yùn)動(dòng)處理器硬件加速引擎（DMP），輸出高準(zhǔn)確度的姿態(tài)解算數(shù)據(jù)。綜合監(jiān)控平臺(tái)在鄭州鐵路局日常維護(hù)和施工中應(yīng)用，得到了施工企業(yè)和鐵路局的好評(píng)和認(rèn)可。