武文平 王瑞峰

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

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GPS-ZigBee組合定位在現(xiàn)代有軌電車(chē)定位中的應(yīng)用

武文平 王瑞峰

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

目前，現(xiàn)代有軌電車(chē)定位主要采用GPS(全球定位系統(tǒng))定位方式，在某些特殊地區(qū)其定位精度會(huì)受到影響,提出GPS-ZigBee(紫蜂協(xié)議)組合定位的方式定位來(lái)解決這一問(wèn)題。并且提出使用聯(lián)邦卡爾曼濾波器對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)和ZigBee定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波融洽，提高GPS-ZigBee定位組合的定位精度。結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)融合濾波,GPS-ZigBee組合定位在提高現(xiàn)代有軌電車(chē)定位精度方面,比較原有的定位系統(tǒng)更具優(yōu)越性,使現(xiàn)代有軌電車(chē)定位系統(tǒng)的定位精度得到有效改善。

現(xiàn)代有軌電車(chē); GPS-ZigBee組合定位; 定位精度; 聯(lián)邦卡爾曼濾波

Author′s address College of Automatic & Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,730070,Lanzhou,China

目前，現(xiàn)代有軌電車(chē)主要采用GPS(全球定位系統(tǒng))結(jié)合速度傳感器的方式進(jìn)行定位。在城市高樓密集區(qū)、高架橋下、隧道里等地方，GPS信號(hào)受到干擾較大,現(xiàn)代有軌電車(chē)在這些地方甚至有可能接收不到GPS信號(hào),導(dǎo)致定位誤差比較大,因此需要結(jié)合其他定位方式來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車(chē)的實(shí)時(shí)連續(xù)定位。ZigBee(紫蜂協(xié)議)技術(shù)具有高安全性、高可靠性、組網(wǎng)方便等諸多優(yōu)點(diǎn),所以選取GPS-ZigBee組合定位方式。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和DGPS定位方式進(jìn)行協(xié)同及數(shù)據(jù)交換的無(wú)縫定位方法,但是只是利用了ZigBee的通信功能對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行傳輸與交互,并沒(méi)有綜合利用兩者在定位方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行歸集或數(shù)據(jù)的綜合處理[1]。文獻(xiàn)[2]提出了GPS與蜂窩網(wǎng)相結(jié)合的無(wú)縫定位,但是由于蜂窩網(wǎng)的定位精度較低,只能定位出物體的大概位置,會(huì)影響整個(gè)無(wú)縫定位系統(tǒng)的精度[2]。文獻(xiàn)[3]提出了TV-GPS融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫定位,但是提出的實(shí)施方案沒(méi)有用濾波算法或相關(guān)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的平滑處理,定位效果不能得到保障[3]。文獻(xiàn)[4]提出了GPS和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)融合定位算法,但是僅僅是通過(guò)權(quán)重等計(jì)算方式進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合,其實(shí)時(shí)性較差[4]。

本文將GPS和ZigBee定位技術(shù)相結(jié)合,將兩者應(yīng)用于現(xiàn)代有軌電車(chē)的定位系統(tǒng)中,形成組合定位。使用聯(lián)邦卡爾曼濾波器中對(duì)GPS定位數(shù)據(jù)和ZigBee定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)兩者的組合定位。在現(xiàn)代有軌電車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,當(dāng)GPS信號(hào)受到遮擋或其他因素影響,現(xiàn)代有軌電車(chē)定位不準(zhǔn)確時(shí),可以對(duì)GPS和ZigBee各自采樣出來(lái)的點(diǎn)通過(guò)聯(lián)邦卡爾曼濾波進(jìn)行濾波融合,使定位系統(tǒng)的效果能達(dá)到最優(yōu),有效提高GPS-ZigBee組合定位的定位精度[1]。

1 GPS和ZigBee技術(shù)

1.1 GPS定位技術(shù)

GPS是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)[4]。GPS的系統(tǒng)包括三個(gè)部分:空間運(yùn)行系統(tǒng)(由24顆衛(wèi)星組成)、地面監(jiān)控系統(tǒng)(包括1個(gè)主控站、5個(gè)監(jiān)控站和3個(gè)注入站)和用戶(hù)系統(tǒng)(GPS接收機(jī))。

GPS的定位過(guò)程為:衛(wèi)星連續(xù)向地球發(fā)射經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制的連續(xù)波無(wú)線(xiàn)電信號(hào)(信號(hào)中含有衛(wèi)星準(zhǔn)確的發(fā)射信號(hào)時(shí)間和其空間位置),GPS接收機(jī)接收此無(wú)線(xiàn)電信號(hào),測(cè)量信號(hào)的到達(dá)時(shí)間,計(jì)算衛(wèi)星和用戶(hù)之間的距離,然后用濾波法解算得到用戶(hù)的位置[5]。

1.2 ZigBee定位技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種新型的短距離、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是一種介于無(wú)線(xiàn)標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案,在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中有著非常廣闊的應(yīng)用前景[6]。ZigBee協(xié)議是以IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),在IEEE 802.15.4定義的物理層(PHA)和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)之上,將網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化而形成的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。

2 GPS-ZigBee組合定位

現(xiàn)代有軌電車(chē)在進(jìn)入GPS信號(hào)接收較差的區(qū)域時(shí),使用GPS-ZigBee組合定位。盲節(jié)點(diǎn)(待定位節(jié)點(diǎn))置于現(xiàn)代有軌電車(chē)的車(chē)載設(shè)備中,通過(guò)感應(yīng)它的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車(chē)的定位(ZigBee定位方式),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車(chē)的組合定位?，F(xiàn)代有軌電車(chē)的定位過(guò)程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代有軌電車(chē)定位過(guò)程

2.1 組合定位原理

一般情況下,GPS定位方式和ZigBee定位方式的定位精度不同,兩者的數(shù)據(jù)格式也不同,而且加入ZigBee測(cè)量值后,對(duì)系統(tǒng)的定位精度也有影響。所以,要對(duì)兩種定位方式進(jìn)行融合濾波計(jì)算。GPS-ZigBee組合定位的原理圖如圖2所示。

圖2 GPS-ZigBee組合定位原理圖

但是在現(xiàn)代有軌電車(chē)GPS-ZigBee組合定位系統(tǒng)中,由于其四周動(dòng)態(tài)事物的影響,各天線(xiàn)增益在不同方向上會(huì)存在差異從而影響到GPS-ZigBee組合定位的精度[7]。本文以增加單個(gè)ZigBee測(cè)量值對(duì)定位系統(tǒng)的定位精度影響為例,作出如下理論分析。

令Hm-1，i,為從m顆衛(wèi)星中去掉第i顆衛(wèi)星(i=1,2,…,m)得到的m-1顆衛(wèi)星測(cè)量矩陣,Hm為增加一個(gè)ZigBee測(cè)量值后的觀(guān)測(cè)矩陣,增加的第i個(gè)ZigBee測(cè)量矢量為:hi=[exieyiezi0],exi、eyi、ezi分別為x、y、z方向上的第i個(gè)ZigBee測(cè)量值,兩者有如下關(guān)系[7]:

(1)

由Sherman-Morrison公式可得:

(2)

(3)

(4)

增加一個(gè)ZigBee測(cè)量值后,對(duì)減小FGDOP(幾何精度因子)值的貢獻(xiàn)為r,則有:

(5)

一般情況下,GPS定位設(shè)備和ZigBee定位設(shè)備的定位精度不同,在加入單個(gè)ZigBee量測(cè)值之后,系統(tǒng)定位誤差σx2為:

(6)

2.2 場(chǎng)景分析

假設(shè)現(xiàn)代有軌電車(chē)在筆直的道路上行駛,電車(chē)行駛區(qū)域內(nèi)的局部環(huán)境都各不相同。以某市現(xiàn)代有軌電車(chē)1號(hào)線(xiàn)為例,現(xiàn)代有軌電車(chē)的定位場(chǎng)景圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)代有軌電車(chē)定位場(chǎng)景圖

在城市高樓林立的地方、立交橋下以及隧道里等地方GPS信號(hào)接收較差,現(xiàn)代有軌電車(chē)甚至有可能接收不到GPS信號(hào),因此使用ZigBee定位設(shè)備；在郊區(qū)、廣場(chǎng)周邊等比較空曠的地區(qū),GPS信號(hào)接收良好,就使用GPS定位設(shè)備；在兩區(qū)域交界的地方(即過(guò)渡地帶),使用GPS-ZigBee組合定位設(shè)備。

3 結(jié)果分析

GPS具有全天候、高效率、功能可靠性高等特點(diǎn),但是GPS的定位精度受環(huán)境因素影響較大[9]。GPS系統(tǒng)的定位誤差影響因素較多,而且誤差較大,而采用GPS-ZigBee組合定位的方法就可以很大程度上降低定位誤差。圖4是三種定位方法在不同環(huán)境下成功率的比較。從圖4中可以看出,GPS定位在隧道里的成功率是最低的,而組合定位的方法可以適用于任何地區(qū)。

圖4 三種定位方法在不同環(huán)境下定位結(jié)果比較圖

選取該市現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)載GPS一天的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù),利用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法進(jìn)行處理。圖5是數(shù)據(jù)處理后的GPS-ZigBee組合定位與GPS單獨(dú)定位的定位誤差比較圖,從5圖中可以看出,GPS單獨(dú)定位的定位誤差在3～7 m之間,而GPS-ZigBee組合定位的定位誤差可減小至2 m以下。該圖反映了GPS-ZigBee組合定位的定位精度大大提高,可以滿(mǎn)足現(xiàn)代有軌電車(chē)的定位精度需求,實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)連續(xù)定位,為乘客不間斷地提供現(xiàn)代電車(chē)的具體位置,方便乘客出行。

圖5 不同定位方式的定位結(jié)果比較圖

[10]可以將定位精度分為四個(gè)等級(jí),如表1所示[10]。

表1 定位精度等級(jí)評(píng)估表

根據(jù)表1所列出的定位精度等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),對(duì)GPS定位和GPS-ZigBee組合定位作出比較。表2列出了比較的結(jié)果。

從表2中可看出,GPS-ZigBee組合定位的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GPS單獨(dú)定位精度。借助聯(lián)邦卡爾曼濾波算法,GPS-ZigBee組合定位方案很大程度上提高了現(xiàn)代有軌電車(chē)定位系統(tǒng)整體的定位精度,與單獨(dú)使用GPS定位設(shè)備相比,現(xiàn)代有軌電車(chē)的定位精度提高了近70%。

表2 GPS定位與GPS-ZigBee組合定位精度比較表

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于聯(lián)邦卡爾曼濾波方法的GPS-ZigBee組合定位的方法,充分結(jié)合了GPS定位精度相對(duì)較高、實(shí)時(shí)連續(xù)定位和ZigBee定位設(shè)備網(wǎng)絡(luò)容量較大、定位精度也很高、頻段較靈活等特點(diǎn),有效地解決了GPS在某些惡劣環(huán)境下(隧道、城市高樓密集區(qū)等)定位精度受到限制的問(wèn)題。該定位方法具有定位精度較高、可用性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),并且具有很廣闊的應(yīng)用前景,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代有軌電車(chē)的實(shí)時(shí)精確定位,能夠提供更準(zhǔn)確的定位信息,可以有效地保障現(xiàn)代有軌電車(chē)的運(yùn)行安全,能在一定程度上改善城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)水平,緩解交通狀況。

參考文獻(xiàn)

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服務(wù)熱線(xiàn) 021—51030704

Application of GPS/ZigBee Integrated Positioning System in Modern TramWU Wenping, WANG Ruifeng

At present, modern tram often uses GPS positioning system, but the positoning accuracy is affected in some special areas. To solve this problem, a plan to adopt GPS/ZigBee integrated positioning is proposed, because the positioning accuracy could be increased by using Federal Kalman filter to integrate GPS and ZigBee positioning data. The result reveals that GPS/ZigBee integrated positioning has more advantages than the original positioning system in increasing the accuracy of modern tram's positioning. Consequently, it can enhance the accuracy of modern tram positioning system and improve the modern tram operation.

modern tram; GPS-ZigBee integrated positioning; positioning accuracy; Federated Kalman filter

*甘肅省自然科學(xué)基金(1310RJZA046)

U 482.1; TN926+.23; P 228.4

10.16037/j.1007-869x.2016.05.031

2015-12-08)