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1.1研究背景…………………………………………………………………………………1

1.2国内外发展的现状………………………………………………………………………1

1.3本论文研究的内容和意义………………………………………………………………2

第二章主要关键技术………………………………………………………………………3

2.1GPS定位技术………………………………………………………………………………3

2.2GSM-R技术…………………………………………………………………………………4

2.2.1GSM-R系统介绍……………………………………………………………………4

2.2.2GSM-R的主要功能…………………………………………………………………4

第三章系统的定位方案和数据通信设计…………………………………………………6

3.1系统的总体结构…………………………………………………………………………6

3.2本系统的定位方案………………………………………………………………………6

3.2.1GPS在区间的定位…………………………………………………………………7

3.2.2GP在站内的定位…………………………………………………………………11

3.3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…………………………………………………………14

4.1GPS定位的主要误差及消除办法………………………………………………………14

4.2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。

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相邻列车之间的数据传输和控制。

全球定位系统（GlobalPositioningSystem,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

全球定位系统（GlobalPositionSystem）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。

2.2GSM-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。

2.2.1GSM-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、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。

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。

3.2.1GPS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NMEA01832.0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，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RTCMSC-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（1200～9600）；

环境工作温度:

-35C至+85C；

尺寸：

46.5×

69.8×

11.4mm；

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：

50—ohmMCX接头有源天线（5V）；

电源/数据口：

单排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GPSOEM板后，本系统中在每列车上安装两个GPSOEM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