基于GPS的CIR卫星定位单元设计

徐程龙 田秀臣 韩赞东 熊道权

徐程龙:清华大学机械工程系 硕士研究生 100084 北京

田秀臣:北京世纪东方国铁科技股份有限公司 高级工程师100070 北京

韩赞东:清华大学机械工程系 副教授 100084 北京

熊道权:北京世纪东方国铁科技股份有限公司 高级工程师100070 北京

铁路无线调度通信对于铁路系统的安全运行有着至关重要的作用。以往我国铁路无线调度通信采用450 MHz模拟无线通信系统，这种通信方式的通信频点多、范围小，通话质量低，已经无法满足现代化高速铁路通信的需求。为了适应铁路信息化、数字化的建设步伐，我国从欧洲引进了GSMR数字无线通信系统。目前GSM-R网络还没有完全覆盖整个铁路运营区段，因此上述2种无线调度通信方式同时存在。机车综合无线通信设备 (以下简称CIR)是专门针对目前铁路调度通信需要而设计的通信设备，它兼容450 MHz模拟无线通信系统和GSM-R数字无线通信系统，可为机车与地面控制台之间的调度通信提供一个安全实时的双向通道。

铁道部规定在相应的铁路区段使用对应的通信方式，包括GSM-R方式和450 MHz中的不同通信频点。因此当机车在使用不同无线调度通信方式的铁路线上运行时，CIR要跳转到相应的通信方式。在行车过程中人工频繁的切换通信方式，增加了机车司机的工作量，分散了司机的注意力，严重影响行车安全。针对上述问题研制的CIR卫星定位单元，可以根据机车的当前位置信息来完成450 MHz和GSM-R这2种通信方式之间的自动切换，以及450 MHz通信频点的选择，从而提高列车运行的安全性。

1 总体设计

定位单元工作原理:依据接收的GPS卫星定位原始信息，定位机车的行车位置，进而确定机车当前使用的通信方式和相应信息，然后按照规定的通信协议，将通信信息组织成公用位置信息传递给上位机，从而实现通信方式的自动切换。

1.1 设计依据

以《GSM-R数字移动通信网设备技术规范 第二部分:机车综合无线通信设备 (V2.0)》中，对卫星定位单元的功能描述作为设计依据，具体要求如下。

1．具有输出卫星定位原始信息、公用位置信息的功能。卫星定位原始信息输出间隔不大于2 s，GPS数据格式采用NMEA-0183协议。公用位置信息中，时钟信息作为设备的标准时钟，设备的时钟校准周期不应大于10 min。

2．当卫星定位信息有效时，在GSM-R区段，模块应能输出前方、后方车站值班台以及本调度区段调度台的ISDN号码;在450 MHz区段，应能输出前方、后方车站值班台以及本调度区段调度台通信频点。

3．当卫星定位信息无法确定唯一的运行线路时，具有提示并手动选择运行线路的功能。

4．具有响应整机自检功能。

5．外部接口数据通信采用RS-422串行接口，双工通信方式，数据传输速率9600 b/s。

6．与主控单元的通信接口采用TTL电平，数据传输速率9600 b/s。

1.2 功能结构设计

针对功能要求设计了卫星定位单元的结构，如图1所示。各部分的功能描述如下。

图1 CIR卫星定位单元功能结构原理图

1．GPS接收机:接收卫星传送的卫星定位原始信息，信息包含机车当前经纬度和时间信息。

2．地理数据库:存放以经纬度为坐标划分的区间信息、通信模式转换点，同时包含区间对应的调度通信方式所包含的相关信息 (如通信频点、ISDN号码等)。

3．数据升级接口:外接U盘等存储设备，实现数据库和应用程序的更新。

4．原始信息接口:向外输出卫星定位原始信息。也可以向模块输入模拟的卫星定位原始信息，用作调试。

5．公用接口:向外输出公用位置信息。

6．上位机接口:模块与CIR主控单元之间的通信通道。

定位单元有模拟态和工作态2种工作状态。在调试过程中，向原始接口输入模拟卫星定位原始信息，模块工作在模拟态，此时GPS接收机接收的机车经纬度原始信息无效。在实际运行中，原始信息接口无原始信息输入，定位单元工作在工作态，CPU使用GPS接收机接收的卫星定位原始信息，原始信息接口同步输出卫星定位原始信息。

2 硬件设计

2.1 硬件总体设计

为实现图1所示的功能，设计了以AT91RM9200(ARM9)微处理器作为核心的嵌入式硬件系统，如图2所示。

图2 定位单元硬件结构图

该系统中AT91RM9200外接NAND FLASH和NOR FLASH作为存储单元，NAND FLASH用于存储数据库和应用程序，NOR FLASH用于存储操作系统相关软件。同时扩展SDRAM作为程序的运行空间。

2.2 通信接口设计

设计要求原始数据接口和公用数据接口与外界连接时，采用RS-422串行通信传输总线。同时GPS接收机与AT91RM9200之间，AT91RM9200的DEBUG接口与宿主机之间的通信，采用3线连接方式的RS-232串行通信传输总线。因此在设计的过程中分别用电平转换芯片MAX3071和MAX3232实现TTL电平向RS-422、RS-232电平的转换。

3 软件设计

3.1 软件结构设计

整个定位单元系统软件的构架如图3所示。为了方便实现模块功能，在硬件上移植了嵌入式操作系统。采用uboot作为bootloader，完成板级的初始化。移植linux 2.6作为嵌入式操作系统，采用ramdisk作为根文件系统。

3.2 地理数据库

在设计过程中，铁路部门只提供了每条铁路线上离散点的经纬度以及对应的通信信息，如何利用这些信息定位机车的位置，进而实现机车通信方式的切换，是本设计的重点和难点之一。

图3 定位单元软件结构图

利用铁路沿线的离散点经纬度和通信信息设计一个地理数据库，其作用是为定位机车行车位置提供参照标准，同时提供通信方式所需要的信息(如通信频点和ISDN号码等)。

地理数据库由若干文件夹组成，每条铁路线对应一个文件夹，该文件夹中包含2个文本文档，分别对应铁路线的上行线路和下行线路。通过对文本文档的读取实现对地理数据库的调用。

按照每条铁路线上的车站进站信号机和出站信号机的经纬度，将铁路线划分为若干车站区间(包含站内区间和站间区间)，同时用每条铁路线内的最大经纬度和最小经纬度表示铁路线所在的线路区间。铁路线区间的划分如图4所示。

图4 铁路线区间划分

文本文档按照一定的格式组织存储线路名称、经纬度表示的线路区间，以及线路中各个车站区间的通信信息。车站区间的通信信息包含车站所在线路名称、线路代码、通信模式代码、调度台号码、车站名称、车站代码、车站电话号码、站内区间、站间区间、模式切换点等。

由于我国铁路纵横交错，实际铁路线存在交叉、平行等特殊状况，不同线路中的车站区间会产生重合，因此数据库中还包含特殊线路区间，在地理数据库中有相应的文件夹。特殊线路区间信息由以经纬度表示的特殊线路区间和其中所包含的铁路线的信息组成。

3.3 定位算法设计

定位算法是整个应用程序的核心。以铁路线中的车站区间作为数据元素节点，以车站区间通信信息组成元素作为数据项。采用单向链表的数据结构对符合机车当前位置信息的节点进行管理。通过对链表的增减节点操作，确定行车区间以及对应通信方式等相关信息。模块定位算法基本流程如图5所示。

图5 定位算法基本流程图

首先将机车当前位置经纬度和数据库包含的铁路线的线路区间进行比较，确定机车可能所处的铁路线，然后再将经纬度信息与铁路线中的车站区间对比，确定机车所在的车站区间。将符合条件的车站区间信息制作成节点加入到单向链表。

如果单向链表中的节点数唯一，则得到的区间就是机车所在车站区间;如果不唯一，那么机车一定处于特殊线路区间。将特殊线路区间中包含的铁路线名称制作成特殊线路列表，通过CIR人机交互界面让机车司机进行选择。模块根据司机选择结果对单向链表进行节点删减，从而得到机车所在车站区间。

由机车当前运行车站区间可以得到车站的前后站，以及相应的通信方式等信息。模块将相关信息按照通信协议组织成公用位置信息传递给CIR主控单元，实现通信方式的切换。

3.4 主程序设计

由于篇幅有限，在此主要介绍主程序的结构和功能。主程序的流程图如图6所示。

图6 主程序结构功能图

主程序首先初始化全局变量，创建并初始化链表，然后启动4个线程。这4个线程的作用表述如下:①读取GPS线程用于读取GPS卫星定位原始信息，并从中提取出经纬度和时间等信息;②通信线程用于模块和主机之间的信息传递;③特殊线路选择线程用于在列车处于特殊线路区间时，调用地理数据库中特殊区间包含的多条线路信息，并组织成特殊线路表供及机车司机选择;④监控线程用于监视系统是否接受GPS原始信息和发送公用信息，如果否，则重启系统。

线程启动后会进入循环，在循环中根据经纬度确定行车区间，然后组织上传给CIR主机的公用信息。

4 结束语

该卫星定位单元已经经过现场测试，并应用于京沪高铁、京广线等铁路线路，实践证明，该单元可以满足CIR的使用要求，运行安全可靠。

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