基于GPS定位技术的行车定位系统毕业论文.doc

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1、基于GPS定位技术的行车定位系统摘 要铁路是一个国家国民经济运行的大动脉。通过信息技术增强铁路行业的竞争实力，是使其扭亏为盈、迎接新世界挑战的基础和前提。铁路是一个庞大的企业，包含了运、机、工、电、车辆等专业部门，各部门之间围绕铁路运输协同运作，为保证部门之间信息畅通，指挥列车运行和编解列车，因此铁路需要一套完整的专用通信。列车开行时，为了避免撞车，需要实现行车顺序的控制.现在的信号系统是采用区间信号实现这一目的。随着通信和计算机技术的发展，使得行车控制可以考虑新方法，利用卫星进行定位，通过无线通信方式进行列车与基站之间的数据传输和控制。本文根据GPS定位技术的特点设计了行车定位系统，结合GS

2、M-R与地面以及列车之间传输列车位置动态数据，设计出一种新的行车顺序控制方法，以较低的成本达到安全保障、提高行车效率、改善经营管理，并实现联锁列控一体化。全线区间不设传统的轨道电路，做到系统简单、现场设备少，维护工作量小，具有集中监测和智能化特点。通过本论文的研究，为在铁路系统中实现列车的精确定位做出了具有积极意识的探索。关键字: 铁路 GPS GSM-R 列车调度通信 列车自动控制ABSTRACTThe railway is the most important factor of the national economy. Through information technology to

3、 enhance the competitiveness of the rail industry is to turn around and meet new world challenges the basis and premise. Railway is a huge enterprise, including transportation, machine, industry, electricity, vehicles and other professional departments, between departments railway transport corporat

4、ely run around to ensure ministries information flow, command the train operation and codec the train, so railway need a complete set of special communication. When trains line, in order to avoid a collision, the order need to implement traffic control. The signal system is now used for this purpose

5、 the signal interval. As the communications and computer technology, makes the new method of traffic control can be considered, the use of satellite positioning, wireless communications for data transfer between adjacent train and control.Based on the characteristics of GPS positioning technology I

6、designed vehicle positioning system, with GSM-R and ground transfers between the train and the location of the train dynamic data, to design a new traffic control order, with a low cost to security, improve the driving efficiency, improve management, and realize the interlocking column accused of in

7、tegration. Do not set the traditional range interval track circuit, accomplish system is simple, field device less, maintenance small, it has small concentration monitoring and intelligent characteristics. Through this study, as in the railway system to achieve precise positioning of the train made

8、a positive sense of exploration.Key words: Railway GPS GSM-R Train dispatching communication Automatic train control目 录第一章 绪论 11.1研究背景 11.2国内外发展的现状 11.3本论文研究的内容和意义 2第二章 主要关键技术32.1GPS定位技术32.2GSM-R技术42.2.1GSM-R系统介绍 42.2.2GSM-R的主要功能 4第三章 系统的定位方案和数据通信设计 63.1系统的总体结构 63.2本系统的定位方案 63.2.1GPS在区间的定位73.2.2GP在站

9、内的定位113.3本系统的数据通信方案12 3.3.1车载计算机储存文件13第四章 系统的优化及安全措施 144.1GPS定位的主要误差及消除办法 144.2保证数据通信可靠的措施15总结 16谢辞 17参考文献 18第一章 绪论1.1研究背景铁路是我国国民经济运行的大动脉，通过信息技术增强铁路行业的竞争实力，是使其扭亏为盈、迎接新世界挑战的基础和前提。铁路是一个庞大的企业，包含了运、机、工、电、车辆等专业部门，各部门之间围绕铁路运输协同运作，为保证部门之间信息畅通，指挥列车运行和编解列车，因此铁路需要一套完整的专用通信。列车开行时，为了避免撞车，需要实现行车顺序的控制，现在的信号系统是采用区

10、间信号实现这一目的。随着通信和计算机技术的发展，使得行车控制可以考虑新方法，利用卫星进行定位，通过无线通信方式进行相邻列车之间的数据传输和控制。全球定位系统（Global Positioning System, GPS）为列车监控系统提供列车的位置信息。他是以卫星为基础的授时与测距导航无线电导航定位系统，能为列车等诸多移动站提供精确的三维坐标、速度和时间。是一种最直接、最经济、最可靠和最成熟的技术。伴随着列车的一次次提速，我国铁路整体装备水平正在逐步提高。铁路对系统的安全性要求更高，高速行驶中的列车各项信息要及时准确的传达，铁路的安全生产、指挥调度与铁路通信的服务越来越密不可分。采用GPS就可

11、以很好的解决这个问题。讲GPS技术运用于铁路，列车调度系统便可高度掌握列车的运行位置，便于跟踪监测。根据机车行车路线的具体路况，将相应的调度命令，对司机进行路况语音提示。这样将大大提高机车的安全性，并缓解司乘人员作业紧张程度；将机车的位置信息及时发送给铁路养护维修人员，从而有力地保证人身安全；同时旅客也可以知道自己所乘坐列车的确切位置和前方车站的有关信息。GSM- R 是铁路专用数字移动通信标准, 它已得到欧洲议会的通过, 并已有超过30 个成员国参加。GSM- R 的优点是它具有ISDN 特性, 可支持众多应用, 包括多媒体业务和调度作业。另外, 它在欧盟各国铁路间具有互操作性和开发性,能有

12、效利用资源( 包括频点和网络资源) , 便于推广应用和维护、降低成本等优势。GSM-R是从GSM网络上发展起来的，作为中国铁路新型的通信产品已经被广泛的应用于中国铁路通信系统中，比较典型的就是中国自主开发的青藏线铁路通信的应用，为中国铁路通信信号技术的发展提供了一个成功的范例。采用GSM-R无线通信技术实现了信号安全信息车地双向传输;采用GPS和EOT设备,不设轨道占用检查设备,实现了列车占用检查和完整性检查;采用GPS差分定位技术提高了列车的定位精度,满足了高速行车和虚拟闭塞系统控制的安全需求;取消地面信号机和区间轨道电路,实现了车站联锁和区间自动闭塞;全新的运输组织模式和维护管理方式,实现

13、了免维护、少维修的既定目标.1.2国内外发展状况尽管有关铁路智能运输系统的概念是最近几年才提出的，但发达国家有关铁路智能运输系统的研究已有40余年的历史了，并且在综合运营管理、列车运行自动控制、电子付费、紧急救援、安全监控等发面取得了很多成就。随着科学技术发展，定位技术在交通运输领域的应用越来越广泛，目前可用的卫星定位系统有美国的GPS系统、俄罗斯的Glonass系统、我国自主研制的“北斗一号”导航系统，另外欧洲的伽利略（Galileo）卫星定位系统。目前针对铁路列车定位，隔火采用的方式有所不用，法国ASTREE系统采用多普勒雷达进行定位；北美ARES、PTC、PTS系统采用GPS进行定位；欧

14、洲ETCS、日本CARAT系统采用查询应答器和里程计进行定位；德国LZBX系统采用轨间电缆进行定位。我国青藏线无线通信采用GSM-R数字移动通信系统，可为铁路运输生产提供综合数字移动通信平台。GSM-R是目前欧洲铁路广泛使用的数字移动通信系统，中国铁路从2003年开始引进GSM-R系统，并把GSM-R作为今后客运专线和京沪高速铁路无线通信解决方案。青藏线是国内最先使用GSM-R系统的铁路，2004年完成了西宁GSM-R无线交换中心和格尔木至不冻泉试验段GSM-R工程，并于当年通过铁道部试验和测试。2006年青藏线全线GSM-R工程施工和Qos调试完成。青藏线GSM-R数字移动通信系统在西宁和拉

15、萨设无线交换中心,西宁、格尔木和拉萨设网管中心，西宁设1套GSM-R基站（站型S222）格尔木至拉萨沿线和车站新设GSM-R基站193处（站型O2+O1），构成双交换中心同站址冗余双网覆盖方案。弱场强区采用增加光纤直放站和漏泄电缆以及射频直放站解决。青藏线GSM-R数字移动通信系统能够实现列车控制系统（ITCS）数据传输、调度通信、区间公务通信（工务、电务、供电、水电、机务、公安等专用通信业务）、调度命令和车次号传输以及其它铁路信息化（旅客列车服务信息、机车工况等铁路信息化等）的应用。青藏线GSM-R数字移动通信系统技术标准和实现的功能达到国际先进技术水平。除了青藏铁路以外，我国的大秦铁路、胶

16、济铁路以及合宁客运专线等也都相继采用了GSM-R系统。1.3本论文研究的内容及意义本论文设计了用GPS的方案对列车进行定位，并结合GSM-R在铁路上的应用，实现基站于列车进行双向通信，并实现联锁列控一体化，全线区间不设传统的轨道电路，做到系统简单、现场设备少，维护工作量小，具有集中监测和智能化特点。目前，我国铁路正向高速发展。列车的高速行驶对监控系统中列车的定位信息和列车于监控中心的数据通信提出了更高的要求。相信随着GSM-R技术的完善和深入应用，基于GPS技术以及GSM-R通信技术的列车行车顺序控制系统在建立我国智能铁路系统发面会有更加广泛的应用前景。第二章 关键技术介绍2.1GPS定位技术

17、 全球定位系统(Global Position System)GPS是以卫星为基础的授时与测距导航无线电导航定位系统，能为车辆、轮船等诸多移动站提供精确的三维坐标、速度和时间。全球定位系统就是利用人造卫星来确定一个物体处在地球上的具体位置。根据几何学理论，只要精确地测量该物体到三个人造卫星间的距离，然后分别以这三颗卫星为球心来做三个球面(球的半径为目标到卫星的距离)，球面的交点即为该物体的位置。这就是GPS最基本的原理。GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。空间星座部分。GPS卫星共24颗，由2l颗工作卫星和3颗备用卫星组成，卫星分布在互成60度的6个轨道平面上，轨道倾

18、角为55度，每个轨道面上布设4颗卫星，轨道高度约202000km。卫星运行周期为12小时，GPS每天24小时供世界范围的覆盖。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号，GPS用户正是利用这些信号来进行工作的。GPS卫星空问星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星可供同时观测，而且卫星信号的传播和接收不受天气影响，因此，GPS是一种全球性、全天候的连续实施定位系统。空间星座部分可以提供星历和时间信息、发射伪距和载波信号并提供其它辅助信息。GPS卫星的地面监控部分是由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站三大部分，完成中心控制系统、实现时间同步以及跟踪

19、卫星进行定轨等功能。根据GPS用户的不同要求，所需的接收设备各异，其主要任务是接收并观测卫信号、记录和处理数据、提供导航定位信息等。主要由GPS接收机硬件和数据处软件，以及微处理机和终端设备组成。根据GPS用户的要求不同，GPS接收机也许多不同的类型，一般可分为导航型、测量型和授时型。利用GPS可以进行海、陆、空、地的导航，导弹制导，大地测量和精密工程测量，时间传递和速度测量等。在测绘领域，GPS定位技术已用于建立高精度的大地测量控制网，测定地球动态参数；建立陆地及海洋大地测量基准，进行高精度海陆联测及海洋测绘；检测地球板块运动状态和地壳形变；在工程测量方面，已成为建立城市与工程控制网的主要手

20、段；在精密工程的变形检测方面，它也发挥着极其重要的作用；同时GPS定位技术也用于测定航空航天摄影瞬间相机的位置，可在无地面控制或仅有少量地面控制点的情况下进行航测快速成图，推动了地理信息系统及全球环境遥感监测的技术迅速发展。建国后，我国的航天科技事业逐步建立和发展起来，己跻身世界先进水平的行列，成为空间强国之一。自从1970年4月第一颗人造卫星上天以来，我国已成功地发射了30多颗不同类型的人造卫星，从而为空间大地测量工作的开展奠定了基础。20世纪70年代后期，有关单位在理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。其中包括人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测资料，实

21、现了全国天文大地网的整体平差，从而建立了1980年国家大地坐标系，并成功地进行了南海群岛的联测定位。20世纪80年代初，一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。20多年来，测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面做了大量的工作。80年代中期，我国引进了GPS接收机，并将其用于各个领域，同时研究建立自己的卫星导航系统。经过这些年的发展，我国的卫星导航用户设备市场化的条件日趋成熟，批量化用户群体正在逐步形成，已进入应用行业高速发展的时期。2.2 GSM-R 技术GSM-R是从GSM 网络上发展起来的，作为中国铁路新型的通信产品已经被广泛的应用于中国铁路通信系统中，比较典型的就是中国自主开发

22、的青藏线铁路通信的应用，为中国铁路通信信号技术的发展提供了一个成功的范例。2.2.1 GSM-R的系统结构GSM-R系统一般由7个子系统组成：交换子系统(SSS)、基站子系统(BSS)、通用分组无线业务子系统(GPRS)、移动智能网子系统(IN)、固定用户接入交换机子系统(FAS)、运行与维护子系统(OMC)及终端子系统，其示意图如下：2.2.2GSM-R主要功能GSM-R系统不仅可以提供语音业务，而且可以提供数据业务，智能业务。针对铁路应用，GSM-R系统还提供了功能寻址、基于位置寻址、组呼叫、广播呼叫、紧急呼叫等特殊功能，具体可归纳为以下9个方面：1.列车调度通信列车调度通信是重要的铁路行

23、车通信系统，负责列车的位置和运行方向，主要任务是实现“大三角”(列车调度员、车站值班员、机车司机)通信和“小三角”(车站值班员、机车司机、运转车长)通信。列车调度通信系统主要由NSS、BSS、OSS、FAS、调度台、车站台、机车综合通信设备、手持台等构成，系统构成如图2 所示。2. 列车自动控制( CTCS3/CTCS4)：利用GSM-R提供车地之间双向安全数据传输通道，代替目前的轨道电路传输色灯信号，并通过GSM-R传输系统获得由GPS 或其他的定位服务提供的准确定位信息。3.机车同步控制：重载列车需要多个机车牵引，在牵引过程中，本务机车和补机机车之间需要同步操作，也就是说要尽可能同时加速、

24、减速和制动。如果操作不同步，会造成车厢间的挤压或拉钩现象，影响运输安全，因此本务机与补机之间需要实时传递控制命令。该业务可实现本务机与补机之间信息的交换和传递。4 .调度指令传输：调度命令是调度所里的调度员或车站值班员向辖区内的司机下达的书面命令。基于GSM-R通信系统的调度命令，采用GPRS 数据传输方式，实现在机车号和IP间建立对应关系，调度所里的调度员或车站值班员在工作台编辑调度命令并发送，TDCS根据调度命令中的机车号查找到对应的目的IP地址，将调度命令从无线列调车站台发送出去，通过GSM-R网络传到机车综合通信设备，机车就能收到调度命令。5. 车次号传输与列车停稳信息传送：车次号传送

25、是铁路实现运输生产调度指挥现代化的重要一环，即要实现调度中心对移动体位置管理，首先要实现调度中心对列车的车次号自动跟踪。基于GSM-R电路交换技术(或GPRS技术)的数据采集传输应用系统，可实现GSM-R车次号传输与列车停稳信息的数据传输，保证铁路运输管理和行车安全性。6 .列尾监控数据传输：在列车行进当中，司机应当及时了解列车尾部的性能变化。列尾监控系统可以提供列尾风压数值，电池电压情况，主风管风压情况等等。通过GSM- R网络，可以将这些列车尾部的数据传送到机车综合通信设备，供司机查看。基于GSM- R的列尾监控系统采用GPRS数据传输方式，实现车头和列尾之间的数据传输。7 .调车机车信号

26、和监控信息系统传输：GSM-R调车机车信号和监控系统的主要功能是提供调车机车信号和监控信息传输通道，实现地面设备和多台车载设备间的数据传输，存储进入和退出调车模式的有关信息，构成铁路站场通信系统重要组成部分。8 .区间移动公(工)务通信及紧急救援移动服务：使用GSM-R作业手持台代替区间通话柱，可满足紧急救援、应急抢险通信指挥的需要，方便灵活；同时还可实现区间作业人员的移动通信。9 .旅客业务：利用GSM-R数据通信业务，每列旅客列车都能与地面中心维持一条实时双向数据传输通道，所有与旅客相关的移动信息服务数据(车- 地和地- 车)都可以通过这条通道进行传输，为旅客提供优质服务，增加旅客的舒适性

27、。如购票服务、预定服务、时刻表信息以及与公网通信等。GSM- R 作为我国专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系统，更具有适应铁路运输特点的优势，必将在铁路运输生产中发挥越来越重要的作用。可以预见在不久的将来，必将建成覆盖全路各线的GSM-R网络。第三章 系统的定位方案和数据通信设计3.1系统的总体结构 系统的总体结构如图：系统分为四个组成部分：分别是调度指挥中心，数据通信设备，车站分机系统及车载移动部分。车载移动设备上接收到的列车定位信息，以及车站分机子系统获取的车站列车上运行状态通过数据通信设备传送到调度中心，由调度中心主控计算机处理后，将实时信息以可视化方式反馈给调度员、车站分机及车

28、载微机及其他相关人员，为其提供决策依据。3.2本系统的定位方案 列车在运行过程中，由于线路、地形及其它情况的变化较大，不同的地方需要采用不同的定位方式。因此在设计系统方案时，针对铁路线路的具体情况，既要考虑定位的精度，又要考虑实现定位的经济成本，以达到经济有效的定位目的。因此，在铁路区间GPS信号接收状况良好的情况下，采用GPS定位;在车站战线内，使用GPS+轨道电路实现列车的定位。下面分别对采用的定位方式进行描述。3.2.1 GPS在区间的定位在本系统方案中，铁路线路区间列车采用GPS进行定位，可在列车上面安装两套GPS接收机来实现系统定位，将GPS接收机安装在列车头部和尾部，这样有助于对多

29、套GPS定位结果及性能进行数据融合，实现定位数据互检校，而且可同时对列车首尾跟踪定位，定位及检校的同时实现列车完整性检测。 当车载设备接收到GPS定位信息后，通过接口传送到车载嵌入式微机系统中，再通过无线通信系统传入地面，随后利用通信交换网传到调度中心的主控中心计算机。 本课题在设计系统区间定位时，选用了GPS25-LVS系列OEM板，它采用单一5V供电，内置保护电池，RS232、TTL两种电平自动输出NMEA 0183 2.0格式(ASCII字符型)语句，是目前应用最广泛的GPS接收处理板，能满足各种导航和授时领域的需求。具有很高的性价比和强有力的市场竞争力，其主要性能特点如下：并行12通道

30、，可同时接收12颗卫星;定位时间：重捕2sec，热 启 动为15sec，冷 启 动45sec，自动搜索90sec；定位精度：15mRMS/差分时5m；可接收实时差分信号用于精确定位，信号格式为RTCM SC-104，波特率自适应；1PPS秒脉冲信号输出，精度指标高达10-6秒；双串口（TTL）输出，波特率可由软件设置(12009600)；环境工作温度:-35C至+85C；尺寸：46.569.811.4mm；重量：31g；输入电压：5.0VDC+/-5%；灵敏度：-166Dbw；后备电源：板置3V锂电池(10年寿命)；功耗：1W；天线接口：50ohm MCX接头有源天线(5V)；电源/数据口：单

31、排12插针。其引脚接口功能示意图如下：其单片机控制系统的电路原理如下图：选用GPS OEM板后，本系统中在每列车上安装两个GPS OEM板，列车首部和尾部各一个。分别由RS232通信接口接入车载嵌入式微机系统中。GPS区间定位由天线单元和接收单元及车载传输单元三部分组成。其结构如图3-2所示(下图仅列出一个GPS接收机，另一个亦通过RS232接口接入车载微机)：单片机采用华邦W78E516B，该芯片具有在系统下载编程功能，修改调试程序十分方便。其主要特性为： 32KB片内Flash存储器，具有在线可编程能力和保密功能； 512B片内RAM； 增强型串行通信口和串行外围接口； 支持C语言。 系统

32、采用12MHZ晶振，串口方式1接收GPS信息，P0口和P2口用于七段共阳LED显示接口，可以轮流显示实时时间、纬度、经度及其它GPS信息数据。GPS25-LVS的通信波特率默认值为4800，1个起始位，8个数据位，1个停止位，无奇偶校验。通常使用NMEA-0183格式输出，数据代码为ASCII码字符。NMEA-0183是美国海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式，目前广泛使用V2.0版本。由于该格式为ASCII码字符串，比较直观和易于处理，在许多高级语言中都可以直接进行判别、分离，以提取用户所需要的数据。GPS25-LVS系列OEM板可输出12句语句，分别是GPGGA，GPGSA，GPGSV

33、，GPRMC，GPVTG，LCGLL，LCVTG，PGRME，PGRMF，PGRMT，PGRMV，GPGLL。不同的语句中传送不同的信息，如GPGGA语句中传送的格式为：$GPGGA,M,M,*hh传送的信息说明如下：$GPGGA： 起始引导符及语句格式说明（本句为GPS定位数据） UTC时间，时时分分秒秒格式 纬度，度度分分.分分分分格式（第一位是零也将传送） 纬度半球，N或S（北纬或南纬） 经度，度度分分.分分分分格式（第一位零也将传送） 经度半球，E或W（东经或西经） GPS质量指示，0=方位无法使用，1=非差分GPS获得方位，2=差分方式获得方位（DGPS），6=估计获得 使用卫星数量

34、，从00到12（第一个零也将传送） 水平精确度，0.5到99.9 天线离海平面的高度，-9999.9到9999.9米M 指单位米 大地水准面高度，-999.9到9999.9米M 指单位米 差分GPS数据期限（RTCM SC-104），最后设立RTCM传送的秒数量（如无DGPS为0） 差分参考基站标号，从0000到1023（首位0也将传送。如无DGPS为0）* 语句结束标志符hh 从$开始的所有ASCII码的校验和 此项在GPS25-LVS板中不传送 此项在GPS25-LVS板中不传送OEM板输出的信息可在PC机的超级中端中显示，也可在GARMIN公司提供的GPSCFG.EXE设置软件中显示，如

35、在PC机上看到的实时接收GPGGA语句为： $GPGGA,114641,3002.3232,N,12206.1157,E,1,03,12.9,53.2,M,11.6,M,*4A这是一条GPS定位数据信息语句，意思为UTC时间为11时46分41秒，位置在北纬30度2.3232分，东经122度6.1157分，普通GPS定位方式，接收到3颗卫星，水平精度12.9米，天线离海平面高度53.2米，所在地离地平面高度11.6米，校验和为4AH。在单片机串口收到信息后，先判别是否为语句引导头“$”，然后再接收信息内容，在收到“*”字符ASC码后再接收二个字节结束接收,然后根据语句标识区分出信息类别以对收到A

36、SC码进行处理显示。注意在处理北京时间时应在UTC时间上加上8小时才是准确的北京时，在超出24小时时应作减24小时处理。串口中断程序的处理流程如下图天线单元：由接收天线和前置放大器组成。其作用是把来自卫星的信号能量转化为相应的电流量，并经过前置放大器送入射频部分进行交换，以使接收机对信号进行跟踪处理测量。GPS接收机一般采用全向振子天线，小型螺旋天线和微带天线，微带天线是接收天线的主要发展方向。接收单元：包括信号波道，存储器，计算与显示控制和电源部分。其中信号波道是核心部分，它把来自GPS接收天线的卫星信号隔离开来，以便处理和测量。它不是简单的信号波道，由相应的硬件和软件组成，按照波道的工作原

37、理，波道类型可分为码相关型波道，平方型波道和码相位型波道。车载传输单元：RS232通信接口，嵌入式微机系统，车载显示器，无线传输设备组成。嵌入式微机接收并处理GPS信息，由无线传输设备传输及接收定位信息。系统采用的是GPS动态定位，用GPS接收机测定列车的运行轨迹。列车上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时测得运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。从原理上讲，GPS观测的是距离。通过所测量到的距离与位置之间的关系，反推出所要确定的位置在WGS84坐标中的三维坐标。6PS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获

38、得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。GPS接收机根据接收所选卫星发来的导航信息和星钟校正参数的时间，能算出接收机到卫星的距离。如果测量到三颗卫星的距离，则分别以三颗卫星发射时刻的卫星位置(按发射的星历参数确定)为中心，根据测得的距离画出三个球，其交点便是用户的三维位置。但是由于接收机的本机钟对星载原子钟存在偏差，上面所测的距离并不能代表卫星到接收机的

39、真实距离，通常把这种距离称为“伪距离(简称伪距)。对第1颗星来说，伪距RI的表达式为：式中 真距； 光速； 信号传播延时； 用户钟相对于GPS时间的偏差； 卫星钟相对于GPS时间的偏差，可以依据卫星导航电文求得，是一个已知数。正因为用户钟与GPS时间不能精确同步，故每次测量总会有一个固定的偏差，这种偏差使定位产生不定性。如果再测量一个到第4颗卫星的伪距，则这时由用户钟偏差造成的定位不定性就产生一个由4个相交球面所围成的误差体积。从每个伪距测量中加上或减去这个固定值就消去了该固定体积，结果得到4个球面相交于一点，这就是用户的三维位置。实际上，这只要观测4颗卫星的伪距并接收卫星的导航信息，算出4个

40、方程的解就可以得到。GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可纪录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度，也只能采用相位观

41、测值。系统中GPS接收机采用单点定位技术，即根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，用于列车的导航定位。这与在列车首尾各装一台接收机的方案并不冲突，在列车安装两台的目的是对多套GPS定位结果及性能进行数据融合，实现定位数据互检校，而且可同时对列车首尾跟踪定位，定位及检校的同时实现列车完整性检测。3.2.2 GPS在站内的定位在区间采用了GPS定位，但是在车站，又存在特殊之处，车站的股道之间的线间距是四米左右，而根据铁路的特点，要求定位一定很精确才行，因此在车站定位方案采用差分GPS+轨道电路法，在站内设置差分基准站，由GPS接收到的定位信息经过地图匹配之后，由主控

42、计算机判断其匹配的精度，再结合轨道电路的信息进行精确定位。其中轨道电路是用来判断站内轨道的真实占用情况，差分GPS信号则是精确显示列车运行轨迹的基础。轨道电路是利用铁路线路的两条钢轨作导线，用以检查有无列车、传递列车占用信息以及其它信号信息的电气回路。轨道电路一般由送电端、钢轨线路和受电端三部分组成。送电端(又称电源端或始端)由轨道电源和限流器等组成。根据轨道电路的类型不同，轨道电源可以用铅蓄电池浮充供电(或其它直流电源)，也可以用轨道变压器或信号发生器供电。限流器一般可以用电阻器或电抗器构成，它的作用是保护电源设备，当轨道电路被机车车辆分路时，防止电流过大而损坏电源，并保证在列车占用轨道时，

43、轨道继电器能可靠地落下，对某些交流轨道电路而言，它还兼有相位调整的功效。轨道电路使用电子设备时，一般都不需要限流器。钢轨线路是由轨条、轨端接续线(又称轨端连接线或导接线)和钢轨绝缘等组成。为了减少轨条连接处的接触电路，采用了轨端接续线。钢轨绝缘安装于轨道电路分界处，是为了分隔或划分轨道回路而装设的。也有不装钢轨绝缘的，这时根据轨道电流衰减到一定程度时即作为轨道电路的分界处。受电端(又称继电器端或终端)的主要设备是轨道电路继电器(GJ)，用它接收轨道信号电流来反映轨道电路的工作状态，电子轨道电路的接收设备一般都采用电子器件，其作用和轨道继电器相同。送、受电端的设备，都是通过引接线接向钢轨的。两个

44、绝缘节之间的钢轨线路(即从送电端到受电端之间)，称为轨道电路的控制区段，也就是轨道电路的长度。轨道电路的长度要受到轨道电路工作状态的制约，各种类型的轨道电路长度不同。本方案采用了先进的车辆导航技术，具有精度高、体积小和可靠性强及经济成本相对较低等特点。本组合导航系统可以迅速、准确、全天候、不间断地提供定位、导航和实时信息。3.3本系统的数据通信方案GSM-R系统很多技术借鉴了公网的GSM技术，保留了GSM的大体结构，使得从一开始GSM-R系统就是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验。不仅如此，由于二者都可以工作在900M频段，因此在无线网络规划方面也是基本相同的，GSMR

45、系统的规划设计也可借助于己成熟的GSM系统工具，可以方便快捷地为用户提供网络设计安装。GSMR的基本特性已在铁路网的MORANE试验中得到安装、测试和验证。欧洲GSM-R采用的频段是上行(MS到BTS)876880MHz，下行(BTs到MS)921-925Z。我国GSM-R采用的频段是上行(MS到BTS)885889Hz，下行(BTS到MS)930-934MHz。基于以上特点，设计本方案的数据通信方案如图：其中，通信服务器负责与通信子系统的协同工作，通过通信接口进行站间信息交换，与终端的通信(接受通信报文，下达调度指令等)，另外还负责各种通信方式状态的监测，在必要的时候进行切换；无线交换中心(MSC)设置在调度监控中心内(含位置寄存器、监控管理终端、配线柜、交流配电屏、高频开关电源、蓄电池等配套设施)。无线交换机、基站控制器(BSC)、各基站设备利用铁路的光传输系统构成GSM-R无线交换网。沿线各站、区间设基站(含基站设备、铁塔、接发设备、接口等)。车载设备包括车载算机、GPS接收机(双套)、GSM-R车载电台等。3.3.1车载计算机储存文件车载计算机中应存储如下几类数据库文件：1线路描述数据线路描述数据包含全线起始和结束位置、股道数、区间位置等概要