基于北斗衛(wèi)星與慣性傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)代有軌電車定位終端設(shè)計(jì)

李進(jìn)良，高俊杰

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司， 北京 100081 3.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，武漢 430000）

現(xiàn)代有軌電車的準(zhǔn)確定位是實(shí)現(xiàn)行車調(diào)度的基本參數(shù)。目前，針對(duì)現(xiàn)代有軌電車定位有多種方式。根據(jù)線路的特點(diǎn)，有的線路采用多普勒雷達(dá)進(jìn)行車輛定位，有的線路采用傳統(tǒng)的應(yīng)答器進(jìn)行車輛定位[1]。還有的線路采用全球定位系統(tǒng)（GPS）與公網(wǎng)模塊進(jìn)行車輛定位，此種定位方法是：根據(jù)聯(lián)網(wǎng)信號(hào)基站位置，確定車輛所處的區(qū)域；通過網(wǎng)絡(luò)下載GPS服務(wù)器上的“星歷”數(shù)據(jù)包；GPS根據(jù)下載的數(shù)據(jù)包連接衛(wèi)星，精準(zhǔn)定位。以上幾種定位方式的缺點(diǎn)是：成本高，無線定位信號(hào)易受遮擋或干擾，無法實(shí)現(xiàn)全線任意時(shí)間、任意位置進(jìn)行定位的目的。采用GPS定位的終端成本低、精度高，但在隧道內(nèi)或信號(hào)受遮擋時(shí)，無法精確定位。本文利用北斗衛(wèi)星與慣性傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)實(shí)時(shí)定位，較好地解決了GPS在隧道內(nèi)定位的問題,適用于地面與隧道相結(jié)合的城市現(xiàn)代有軌電車線路。

1 終端總體設(shè)計(jì)

基于北斗衛(wèi)星與慣性傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)的現(xiàn)代有軌電車定位終端主要由主控計(jì)算單元、北斗衛(wèi)星與慣性傳感器組合導(dǎo)航模塊、通信模塊以及電源4部分組成，如圖1所示。

圖1 終端結(jié)構(gòu)圖

1.1 主控計(jì)算單元

本單元處理器以STM32F030C8芯片為核心，與復(fù)位電路和晶振電路連接。內(nèi)核：Cortex-M0 32-bit RISC；工作頻率：48 MHz；存儲(chǔ)資源：64 kbyte Flash ，8 kbyte SRAM；接 口 資 源：2x SPI，2x USART，2x I2C，39x I/O；模數(shù)轉(zhuǎn)換：1x ADC（12-bit/16通道）；定時(shí)器：5個(gè)普通定時(shí)器，1個(gè)高級(jí)定時(shí)器；調(diào)試下載：支持SWD接口的調(diào)試下載，支持IAP3。

1.2 組合導(dǎo)航模塊

使用靈兔（LaneTo）2.0北斗衛(wèi)星與慣性傳感器組合導(dǎo)航模塊，該模塊內(nèi)置6自由度微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）慣性傳感器芯片，支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）與GPS 雙模，充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航的定位信息與慣性器件（三軸陀螺與三軸加速度計(jì)）的相對(duì)角運(yùn)動(dòng)與線運(yùn)動(dòng)測(cè)量功能，使用多維擴(kuò)展卡爾曼濾波技術(shù)及其它特定算法實(shí)現(xiàn)了在微小器件上的三維導(dǎo)航測(cè)姿功能。運(yùn)行于該模塊上的算法具有豐富的導(dǎo)航環(huán)境感知功能，有助于進(jìn)一步提高導(dǎo)航性能以及匹配靈活的功耗模式。在地下封閉停車場(chǎng)、隧道、城市峽谷、高架橋等復(fù)雜場(chǎng)景保持全路段不間斷導(dǎo)航輸出。特別適用于需要穿越信號(hào)受遮擋路段的現(xiàn)代有軌電車使用。導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)協(xié)議遵循衛(wèi)星導(dǎo)航行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183。

模塊采用在線標(biāo)定技術(shù)，即每次上電后借助重力場(chǎng)信息和單維卡爾曼濾波技術(shù)估計(jì)零位偏置，并利用衛(wèi)星導(dǎo)航信息加速濾波器收斂。靈兔2.0模塊的快速在線標(biāo)定技術(shù)不要求載體形式特殊軌跡或曲線，對(duì)于現(xiàn)代有軌電車在正常行駛狀態(tài)下即可完成標(biāo)定，從而使模塊進(jìn)入組合導(dǎo)航狀態(tài)。

靈兔2.0模塊的內(nèi)部架構(gòu)如圖2所示。

圖2 靈兔2.0架構(gòu)圖

1.3 通信模塊

通信模塊采用針對(duì)專業(yè)用戶設(shè)計(jì)、適用于多種應(yīng)用方式和安裝方式的SRG3500車載臺(tái)。它采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和線性射頻（RF）功率放大器（PA），可滿足“車載”和“固定”操作需求，提供兩個(gè)外圍設(shè)備接口（PEI），方便用戶進(jìn)行二次功能開發(fā)。

通過PEI1接口，用戶可以使用AT（Attention）指令控制SRG3500主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)[4]。利用該功能，STM32F030C8單片機(jī)接收組合導(dǎo)航模塊輸出的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，按需求打包上傳到車輛位置服務(wù)器。從而使行車調(diào)度實(shí)時(shí)掌握全線所有車輛的位置信息。

1.4 電源

現(xiàn)代有軌電車采用DC750 V地面牽引饋電系統(tǒng)，為車載設(shè)備提供DC24 V輔助電源，波動(dòng)范圍±5%。電源允許寬輸入范圍（18～36 VDC），具有輸入欠壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、過溫保護(hù)和短路保護(hù)等功能，提供DC1 500 V的高隔離耐壓和150 W的輸出功率。電源由防雷電路、浪涌電路、穩(wěn)壓電路和濾波電路4部分組成。

2 軟件設(shè)計(jì)及運(yùn)行測(cè)試

2.1 主控計(jì)算單元軟件設(shè)計(jì)

STM32F030C8單片機(jī)軟件使用KeilμVision4開發(fā)，C語言編程。主程序初始化包括STM32F030C8時(shí)鐘初始化、串口初始化、I/O 初始化等[5]。主循環(huán)中，串口1采集組合導(dǎo)航模塊輸出的定位數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，串口2連接SRG35000車載臺(tái)，將采集到的、經(jīng)過解析的數(shù)據(jù)通過專用無線集群發(fā)送到車輛位置服務(wù)器。若STM32F030C8單片機(jī)采集到數(shù)據(jù)，則驅(qū)動(dòng)指示燈閃爍。主程序流程如圖 3所示。

圖3 主程序流程圖

2.2 運(yùn)行測(cè)試

以北京現(xiàn)代有軌電車西郊線香山到巴溝的運(yùn)行測(cè)試為例，沿線信號(hào)覆蓋情況如圖4所示，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖4 西郊線沿線信號(hào)覆蓋圖

圖4中：紅色為參考標(biāo)準(zhǔn)；綠色表示有北斗信號(hào)覆蓋；藍(lán)色表示無北斗信號(hào)覆蓋，使用慣性傳感器導(dǎo)航。

表1 運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

由表1可知：按照衛(wèi)星定位導(dǎo)航的行業(yè)統(tǒng)計(jì)方法，50%的數(shù)據(jù)誤差為2.17 m，1-sigma（67%）的數(shù)據(jù)誤差為3.11 m，高于1-sigma（67%）誤差10 m的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)束語

本車載終端通過北斗衛(wèi)星和慣性傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)確定有軌電車的位置，解決了隧道無衛(wèi)星信號(hào)，車輛無法定位的問題，保證了車輛定位的連續(xù)性，對(duì)正線行車調(diào)度提供了安全保障。

隨著北斗衛(wèi)星在我國(guó)的廣泛推廣，以及北斗衛(wèi)星和慣性傳感器組合導(dǎo)航技術(shù)的不斷改進(jìn)，定位精度、安全性和保密性也將不斷提高，該技術(shù)將會(huì)得到更多的應(yīng)用。