铁路GSM-R智能天线定位及姿态监测系统设计与实现

中国铁路通信信号股份有限公司 / 郭永泉

一、坐标系及天线姿态测量机制

（一）坐标系

天线的倾角是由天线自身坐标系与地球地理坐标系的夹角来表示的。

地球地理坐标系：坐标系的原点为地球表面，Z轴方向是地球重力的方向，X轴为地理经线的切线方向，Y轴为地理纬线的切线方向。

天线自身坐标系：坐标系的原点为天线的质心，Z轴方向是天线垂直于天线表面方向，Y轴方向是沿天线两侧方向，X轴方向是沿天线上下方向。

由于天线的自身坐标系和地理坐标系都以天线的质点为原点，那么通过两个坐标系的旋转转换，可以表示天线的方向角和俯仰角。当天线绕自身坐标系的Z轴转动时，自身坐标系的X轴方向与地理坐标系的X轴方向形成的夹角为方向角。当天线绕自身X轴转动时，自身坐标系得Z轴方向与地理坐标系的Z轴方向形成的夹角为俯仰角。

（二）角度测量与姿态融合

天线角度测量可以通过陀螺仪传感器进行检测。陀螺仪测量天线坐标系绕各个轴向的角速度，通过角速度与时间的积分，得到各个轴转动的角度。在运动状态下，陀螺仪的采样频率越高，积分计算的准确度也越高。而在静止状态，陀螺仪的积分计算会产生积累误差，形成角度漂移，这时需要加入加速度传感器，通过积分再得到角度，减少漂移影响。同时引入滤波算法，静止状态时，增加加速度传感器计算数据的权重，而在运动状态，增加陀螺仪传感器计算数据的权重，最终达到高精度测量的目的。这种采用陀螺仪和加速度传感器共同得到角度的处理算法就是姿态融合。在实际计算中，使用四元数表示姿态融合结算，即由三个实数及一个虚数组成，便于数据处理，而在处理结束后，使用欧拉角进行表示，即方向角、俯仰角和横滚角，便于统计记录。

二、铁路GSM-R智能天线定位及姿态监测系统

（一）系统构成

铁路GSM-R智能天线定位及姿态监测系统，采用姿态融合传感技术、通信技术和后台管理技术，可长期或者实时监测铁路铁塔上的GSM-R天线的姿态角度，并通过通信模块统一上传到后台服务器，方便监控室实时观察和长期跟踪GSM-R天线姿态，进行统一管理，实现天线的精确监测，高效规范。

整个系统由两部分组成，包括天线角度测试仪部分和后台监测系统。天线角度测试仪利用高性能姿态传感器，结合当前先进的物联网技术，实现定位、gprs远程数据回传等功能。单片机作为主控单元，采集并处理姿态和定位信息，数据实时显示在测试仪的显示屏上，同时将数据通过通信上传到后台服务器，电源为各个模块供电。

后台监测系统。通信服务器通过互联网将测试数据进行收集，并进行处理和存储，最终在web界面上进行显示，实现长期和实时的监测，并在显示界面进行用户交互，整个流程标准化。系统结构示意图如图1所示。

图1 系统构成图

（二）stm32F103rct6最小系统

天线角度测试仪采用stm32F103rct6（F103）为主控芯片。F103是ST公司基于Cortex-M3核心的32 位微控制器，LQFP-64封装，主频72MHz，FLASH容量是256KB，RAM容量是48K。F103芯片要想进行数据处理和正常运行，需要搭建最小系统，包括LDO电源电路、晶振电路、下载端口、调试接口、显示接口和复位电路等。LDO电源电路是为微处理器供电，F103的工作电压是3.3V，为满足稳定电源输入的目的，采用ME6211电源芯片，将5V转换为3.3V，达到高精度、高纹波抑制比、低噪声、高响应的低压差线性稳压，为微处理器供电。晶振电路为微控制器提供时钟频率，是程序运行和控制处理的时钟信号。这里选择8MHz的无源晶振，结合内部锁相环PLL，提供72MHz主频。下载端口是向芯片下载程序的接口，包括数据输入、数据输出、时钟和模式引脚。复位电路复位芯片程序，低电平有效。调试接口作为USART接口，串口输出调试程序。显示接口是SPI接口的OLED，进行信息的显示。

（三）姿态测量芯片

MPU6050 陀螺仪模块是一种姿态传感器模块，能同时检测三轴加速度、三轴陀螺仪的运动数据。MPU6050 芯片内部支持数字运动处理器，可以将加速度和陀螺仪传感器得到的加速度和角速度数据进行滤波计算和融合解算处理数据。芯片支持I2C接口。F103微控制器可以直接读取输出姿态解算的四元数，并将四元数转换成天线测量所需的方向角和俯仰角，由于频率可以达到200HZ，适合铁塔的高精度和动态变化的应用场景。

（四）A9G通信和定位导航

A9G是一款完整的四频 GSM/GPRS+GPS 模块，使用RDA8955作为控制芯片。模块内部集成了GSM/GPRS等协议栈，能提供串口，F103可以直接进行GPRS、GPS等信息传输功能。支持物联网卡，通过AT命令，搭建TCP/IP透传，将采集定位信息、方向角和俯仰角等数据上传到后台服务器，远端实时查看铁塔信息。模块有29个I/O口通过排针引出，功能强大，适合铁塔监测和环境检测等应用场景。外围电路的设计是GSM模块应用中最重要的环节，包括电源设计、开关电路设计SIM卡设计、ADC参考设计和天线设计。

三、铁路GSM-R智能天线定位及姿态监测系统软件设计

（一）软件架构

监测系统按照层次结构划分，可以分为三层结构，这三层分别为控制与处理层、通信层和Web端显示层。控制与处理层，用于硬件的数据采集和处理，包括姿态传感器采集模块、北斗定位数据处理模块、OLED显示器模块、定时器逻辑处理模块和ADC数据采集模块；通信层，用于硬件与后台Web端数据的交互，包括通信初始化模块、TCP/IP链接模块和通信数据发送模块；Web端显示层，用于用户界面的操作和显示，包括数据接收和存储单元、系统登录模块、铁塔信息数据模块、实时监测模块、历史告警模块和趋势分析和展示模块。

图2 系统结构图

（二）嵌入式软件功能实现

嵌入式软件是在单片机中运行的程序，主要进行数据采集和通信，使用C语言编程语言实现。

程序启动后，首先初始化各模块配置及其引脚设置，检查通信模块启动正常、设备链路配置，若无法上网，提示重启。当运行正常，启动定时器，按照各模块的采集频率进行数据采集。通过I2C协议从姿态传感器中读取俯仰角和偏航角，通过usart协议读取北斗数据及解析定位和时间，通过GPIO采集电池电量，通过spi协议在oled显示各模块数据，向全局变量数组存储数据。同时，根据按键和定时器触发发送终端，将将姿态数据、定位信息转为字符数组，通过AT命令向后台服务器发送数据。当所有任务完成后，记录日志，完成一次数据采集和发送任务。

程序测试流程图如图3。

图3 系统架构图

四、系统综合监控平台实现

铁路GSM-R智能天线定位及姿态监测系统，可以实时监测回传数据，大幅减少监测的人工成本，并提高数据的可靠性、实时性；同时可以自动定位铁塔并且保存监测历史，进行统计分析。

天线角度测试仪，利用高性能姿态传感器，结合当前先进的物联网技术，实现天线俯仰角、横滚角的测量，定位以及gprs远程数据回传等功能。

后端管理平台，通信服务器通过互联网将测试数据进行收集，并进行处理和存储，最终在web界面上进行显示，实现长期和实时的监测，并在显示界面进行用户交互，整个流程标准化系统。

图4 监测平台测试界面

本系统具有以下特点，实现对GSM-R天线角度的精准管理：

（一）集成高精度陀螺仪、加速度计数据融合输出。内部结合动态结算与动态卡尔曼滤波算法，实现精确的动态状态数据。

（二）采用北斗定位设备，对铁塔监测位置进行采集，方便后期维护管理。

（三）采用gprs数据上传，低功耗、低延时。

（四）采用后台数据库统一管理，将多处进出场的数据统一上传，统一后台管理。

五、结语

铁路GSM-R智能天线定位及姿态监测系统，是一套高性能姿态测试系统。该系统利用当前先进的物联网技术，结合定位、GPRS远程数据回传，可有效实时、长期监测铁路GSM-R天线姿态。该系统采用三轴加速度+三轴陀螺仪的六轴传感器芯片为核心，利用数字运动处理器硬件加速引擎（DMP），输出高准确度的姿态解算数据。综合监控平台在郑州铁路局日常维护和施工中应用，得到了施工企业和铁路局的好评和认可。