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机车定位系统的研究毕业论文
摘要
机车定位系统问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。
各种机车定位系统已被广泛应用于工业和生活中设备，随着机车定位技术的不断发展，采用机车定位系统来提高工业生产及交通工具等的安全可靠行和精确的控制等方面，具有重大意义。
工业生产过程中，发生事故是难免的，在生产线自动控制系统设计中要注重各种安全保护功能的实现。
在列车、飞机等，有高速，载客量大等特点，其事故的危害性更大。
因此，在这类机车定位控制系统中，实现精确的实时动态定位是十分必要的。
本毕业课程设计阐述了现在比较流行的机车实时动态定位系统的意义，介绍了基于无线列调及GIS技术、ZigBee技术和GPS技术的实时动态定位系统的特性和要求，并根据要求对基于这些技术的一些案例进行分析，并通过分析阐述了系统的工作原理。
通过对这些现在常用的机车定位系统的剖析，论证了机车定位系统有很大的实际使用价值。
关键词：
机车定位无线列调GISZigBeeGPS
目录
摘要I
第1章无线列调及GIS技术的机车实时动态跟踪系统1
1.1基于无线列调技术的机车实时动态跟踪系统1
1.1.1无线列调技术简介1
1.1.2无线列调系统的功能和制式1
1.1.3铁路的无线列调系统2
1.2基于GIS技术的列车运行定位系统3
1.2.1GIS技术简介3
1.2.2列车定位系统3
1.2.3列车运行定位系统的组成4
第2章基于ZigBee无线传感网络的机车定位系统7
2.1ZigBee无线技术简介7
2.1.1ZigBee无线技术的概念7
2.1.2Zigbee的技术特点7
2.1.3Zigbee的自组织网8
2.1.4标准制定8
2.2基于ZigBee技术的无线消防报警定位系统8
2.2.1无线火灾报警系统8
2.2.2无线消防报普定位系统总体设计8
第3章基于GPS定位系统的机车定位系统12
3.1GPS原理概述12
3.1.1GPS技术简介12
3.1.2GPS的信号14
3.1.3导航信息14
3.1.4GPS的误差15
3.1.5GPS定位的基本原理15
3.1.6观测值16
3.1.7定位模式17
3.1.8运动状态17
3.1.9在汽车跟踪中的应用17
3.1.10GPS汽车跟踪器17
3.1.11GPS定位平台18
3.1.12使用注意事项18
3.1.13影响因素19
3.2GPS技术在机车头灯自动寻迹中的应用19
3.2.1机车头灯自动寻迹的可行性分析19
3.2.2系统整体解决方案20
3.2.3机车头灯自动寻迹系统的工作原理20
3.2.4机车头灯自动寻迹系统的软件构成21
致谢24
参考文献25
第1章无线列调及GIS技术的机车实时动态跟踪系统
1.1基于无线列调技术的机车实时动态跟踪系统
1.1.1无线列调技术简介
列车无线调度电话（简称无线列调）是重要的铁路行车通信设备，号称列车行车“三大件”之一，在保证列车正点运行、降低机车能耗、提高通过能力、通告险情、防止事故、救援抢险等各方面都具有重要的作用。
无线列调系统负责列车的位置和运行方向，其工作成员包括行车调度员、车站值班员、助理值班员、机车司机、运转车长等。
机车司机和运转车长（一般是客运）均处于运行的列车上，共同负责列车的运行。
在每个车站，有一名车站值班员和若干名助理值班员，负责本车站管辖范围内的列车运行。
助理值班员一般工作在室外，而车站值班员在车站室内操作指挥。
行车调度员位于调度所，一般一个调度所管理多个车站，因而行车调度员的管辖范围大于车站值班员的管辖范围。
1.1.2无线列调系统的功能和制式
无线列调系统的主要问题是解决“大三角”和“小三角”通信。
“大三角”通信是指行车调度员、车站值班员和机车司机之间的通信；“小三角”通信是指车站值班员、机车司机和运转车长之间的通信。
归纳起来有一下主要功能：
1、行车调度员按车次号个别呼叫司机并通话；
2、行车调度员能够对该调度区段内的所有机车进行全呼、通话，以及发出通告；
3、行车调度员可呼叫某个车站的车站值班员和该车站管辖范围内的所有司机，紧急情况下，行车调度员可优先与司机通话；
4、司机可呼叫当前所在调度区段的行车调度员；
5、紧急情况下，司机可向行车调度员发出紧急呼叫并通话；
6、司机呼叫行车调度员时，调度所设备能够存储机车呼入；
7、司机与临近机车司机之间可组呼通信；
8、相邻车站值班员之间可进行通话；
9、车站值班员、助理值班员、司机、运转车长之间可以通话；
10、调度总机、车载台和机车台具有录音功能或录音接口；
11、行车调度员向司机发送调度指令并在机车台显示，司机向行车调度员发送报告并在调度台显示，非话音信息由调度所设备和机车设备分别打印记录；
12、调度所设备、车站台和机车台之间具备双向数据传输功能，可以传送实时数据、短数据或报文数据；
13、调度所设备应具有人工转接铁路电话交换网的功能。
根据组网方式及设备功能的不同，铁路现有列车无线调度通信系统采用A、B、C三种制式完成上述功能。
三种制式均采用有线、无线相结合的组网方式，车站台和机车台、便携台之间的通信采用无线方式；调度台至车站台之间采用有线方式（数字电路或四线制音频话路）。
A制式的通信方式是：
调度员、车站值班员与司机之间采用双工通信方式；车站值班员、助理值班员、司机、运转车长之间采用半双工或单工通信方式；移动用户之间采用异频单工通话时，由车站台、区间中继设备转信。
B制式的通信方式分B1和B2两种。
B1制式：
调度员与司机之间采用双工通讯方式；车站值班员、助理值班员、司机、运转车长之间采用双工、半双工、单工方式；移动用户之间采用异频单工通话时，由车站台、区间中继设备转信。
B2制式：
调度员、车站值班员与司机之间采用半双工通信方式；车站值班员、助理值班员、司机、运转车长之间采用单工通信方式；移动用户之间采用异频单工通话时，有车站台转信。
C制式通信方式：
调度员、车站值班员、助理值班员、司机、运转车长之间的通话采用单工方式。
1.1.3铁路的无线列调系统
（1）调度总机：
调度总机是列车无线调度通信系统中的地面固定设备，设置在调度所，通过四线制有线线路与车站台连接。
（2）车站电台：
B制式车站台是专门为铁路车站设计的通信设备。
该设备采用了最新技术，操作简便，具有很多的专用功能。
（3）便携式车站电台：
便携式车站设备，主要用于与机车电台、车站电台及手持台进行通话。
便携台可通过内置电池供电（电池容量为12安时），在无外接电源的情况下，可保证正常工作8小时以上,电池电量不足时有声光提示；便携台可用专用的外接充电电源对内置电池充电，电池充满后充电器有相应提示。
此外，便携台还设有按键及指示灯，便于测试和使用。
（4）通用机车台：
本电台是通用式无线列调机车电台，它兼容B、C制式机车台的所有工作模式。
安装在列车机车上，供司机使用。
可用于机车与调度、车站、其它机车、车长之间通信联系。
利用GPS全球卫星定位系统，按机车的运行位置，适时控制机车电台的通信方式的变更，使之改变到与地面通信设备一致的工作模式上，从而实现与地面通信设备正常通信的目的。
当机车在GPS的弱场区（如山区或隧道内）运行时，不能通过GPS定位来进行工作模式的切换，该电台可以通过人工选择通信模式，保证机车可以与地面通信设备进行正常通信。
1.2基于GIS技术的列车运行定位系统
1.2.1GIS技术简介
地理信息系统（GIS）技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术，在资源与环境应用领域中，它发挥着技术先导的作用。
GIS技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。
随着我国铁路的不断发展和提速,对运行列车进行实时定位和调度变得越来越重要。
为此开发了列车运行定位系统,采用GPS定位和GSM等先进新技术,提高了数话兼容无线列调和定位的功能和可靠性,使我国的无线列调的功能和作用加强,在系统技术上登上了一个新的台阶。
1.2.2列车定位系统
它是一种集全球卫星定位技术（GPS）、地理信息技术（GIS）和现代GSM通信技术于一体的高科技系统。
它将列车的动态位置（经度、纬度）、时间、状态等信息,实时地通过GSM传送至监控中心站,而后在具有地理信息查询功能的电子地图上进行移动目标的显示,并可以对列车的位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询,为调度管理提供了可视化依据。
列车定位监控系统的结构如图1-1所示列车通过配备的GPS接收机获取当前的位置、时间等信息,并把列车当前运行的状态信息通过GSM通信链路向监控中心站发送列车当前位置和状态信息;在监控中心站,接收机接收各次列车或各子监控中心的信息,有系统监控软件对信息进行处理,通过通信控制器送往电子地图,显示监控区域内各次列车的运行轨迹。
系统由监控软件实现状态监控,并可利用GSM对各次列车进行调度指挥,这样就实现了对各次列车的定位监控管理。
列车定位监
控系统的功能:
（1）列车车次、地点位置信息的实时数据传输;
（2）调度指令、机车报告信息的短数据传输;
图1-1列车运行定位系统示意图
（3）机车工况、运况信息的长数据传输;
（4）调度选站呼、全呼机车,并可向机车发通告;
（5）机车紧急呼叫调度并通话;
（6）监控中心可以对全局或全国范围内的所有运行列车进行监控和调度。
1.2.3列车运行定位系统的组成
（1）车载设备构成：
GPS列车监控系统的车载设备包括定位装置、数据传输装置、显示、语音接口等,如图1-2,其功能主要是传输列车车次、位置实时信息、列车状况、机车工况等数据信息。
在电子地图上显示本次列车的实际位置和相关参数,到达下一车站时,可提示司机与车站联系。
图1-2车载设备组成
（2）列车定位技术实现：
列车定位装置采用GPS差分技术和INU（Ini-tialNavigatingUnit）组合的方法。
GPS差分技术的精度可以达到+10m,由车载设备接收GPS卫星发来的信号并解算出定位信息。
INU（此处为角速度传感器、陀螺仪和车速传感器）的信号能够保证定位的连续性,使得GPS接受基因卫星跟踪不到或卫星数不够时系统仍能定位。
GPS接收机和INU工作完全是自动切换,利用INU进行航位推算以GPS的定位数据作为起始位置。
航位推算的基本原理如图1-3所示由于列车的运动可以看作是在二维平面（X,Y）上的运动,如果已知列车的起始位置和初始方位角（与北向的夹角,顺时针为正）,再通过实时测量列车行驶的距离和方位角的变化,就可以推算出列车下一时刻的位置。
图1-3航位推算图
数据传输装置利用GSM和GSMMODEM组合的方式,实现短信息的安全、可靠传输。
显示器用于显示对列车导航的相关信息;语音接口实现监控中心与司机或列车长进行通话。
（3）定位系统的通信组网：
我国目前已建成了覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网,是我国公众陆地移动通信网的主要方式。
它提供多种业务,主要有话音业务、短消息业务、数据业务等,选择那一种业务传送GPS列车定位数据对整个系统的性能有很大的关系。
在列车运行定位系统中选择了它的短消息、数据业务。
GSM的短消息业务分为两种:
点对点短消息业务和短消息小区广播业务。
点对点短消息业务能够使GSM数字移动通信网的用户可以发出或接收长度有限（不超过140个字节）的数字或文字消息,并且短消息的收发不影响通话,可以保证列车运行时的数话兼容;短消息业务可以使网络端知道被叫方是否已经收到短消息,如果传送失败,被叫方没有回答确切消息,网络一侧会保留所传的消息,一旦网络发现被叫方能被叫通时,消息能被重发以确保被叫方能收到。
短消息每次限制在140个字节以内,这对实时传输列车的定位数据来讲是足够的。
当监控调度中心需要列车在运行中的实时位置信息、列车运况、机车工况等数据信息时,由于数据量比较大,可选用GSM的数据业务一起发送到监控中心站,对于GSM的数据业务作为查询模式时的通信方案。
在确定GSM的业务后,监控中心通过GSM通信网与移动或静止中的列车进行通话、短息传输。
（4）调度中心监控软件：
监控软件的主要功能是对每一局内或全国范围内运行的列车进行监控和调度,统计每时刻车辆和线路的情况。
具有强大的地图及GIS软件功能:
完全数字化的地图,如图1-4,包含精确的路网信息、点状要素、面状要素和详细的属性信息。
地图的无级放大、缩小、恢复和拖动。
中国地图与当地各地图之间的任意转换,每图各层之间的转换,地名模糊查询等,管理功能强大,操作及为方便。
图1-4调度中心电子地图
具有数据库管理及查询打印功能,采用SQLSERVER7.0大型数据库管理列车资料数据库,报警数据库,终端操作数据库,系统参数库等。
第2章基于ZigBee无线传感网络的机车定位系统
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
2.1ZigBee无线技术简介
2.1.1ZigBee无线技术的概念
蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。
借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。
在此之前Zigbee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为Zigbee。
简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。
Zigbee数传模块类似于移动网络基站。
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。
而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。
每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接
2.1.2Zigbee的技术特点
ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。
作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：
（1）低功耗:
由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。
据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
（2）成本低：
ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。
低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
（3）时延短:
通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。
因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。
（4）网络容量大：
一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。
（5）可靠:
采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。
MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
如果传输过程中出现问题可以进行重发。
（6）安全：
ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
2.1.3Zigbee的自组织网
ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？
举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。
而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。
因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。
这就是自组织网。
2.1.4标准制定
ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：
IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。
ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。
V1.0版本已经发布。
其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。
由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。
完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。
每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。
ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
2.2基于ZigBee技术的无线消防报警定位系统
消防一直是关系社会安定和公众安全的重要问题。
随着现代化城市布局的扩大和经济的发展,建筑物内人口的增加,煤气、家用电器设备和公用电器设备使用中出现的可燃气体泄露、电气设备过载、过热、短路等不安全因素,均具有火灾隐患,重特大火灾发生几率呈上升趋势。
现代火灾已呈现出立体化、复杂化、多样化的趋势,对人民的生命和财产造成很大的威胁和损失。
2.2.1无线火灾报警系统
无线火灾报警系统与传统的有线系统的区别在于:
前者是通过无线信号而不是用导线将各个装置连成一个系统,这就使得硬件系统的安装简单而快速,最大限度减少对客户的干扰和对建筑物的破坏。
无线火灾报警系统借助于无线电信号而不是导线传输数据,并用电池为系统组件提供工作电源。
当传感器监测到异常信号,短波无线电在1秒之内将所得数据传送到控制面板,由天线完成系统的主要输入输出。
如今,几乎所有布线连接的电器装置都可以改由无线电信号来控制,同时随着电器元件的成本、自动化装配成本的下降,无线火灾报警系统的成本也随之大幅度降低,并且随着系统整体性能的提高,无线火灾报警系统在很多情况下与有线系统相比,无论是在性能上还是价格上,都具有相当大的竞争力,同时由于安装速度快,对建筑物损毁小,无线火灾报警系统的优势日趋明显,应用场所日益广泛,其潜在市场正在被打开。
2.2.2无线消防报普定位系统总体设计
ZigBee协调器、中继器（路由器）和终端设备以边缘为星型的网状拓扑方式连接。
当网络中某处物理位置发生火警时,其附近传感器节点感测到火警并将其通过网络传播出去;进入火灾现场的消防人员随身携带嵌入了无线模块的移动装置,视为网络中的移动节点,它通过向其周围固定安装的位置已知的节点发送测量命令消息,接收到消息的节点通过其中所包含的信息可为位置未知的移动节点估算出所在位置。
网络协调器可将网络信息传送到PC中,从而可了解网络节点工作情况以及消防人员的位置。
（一）硬件总体设计方案
根据国内无线频谱管理相关规定,基于ZigBee标准的产品只能选择2.4GHz频段的器件。
目前已经推出了MCU与RF集成的“射频SoC”。
例如Chipcon公司2006年第一季度推出的CC2431,它由2.4GHzDSSS射频收发器核心和增强型工业标准的8位8051微控制器组成,是目前世界上仅有的带有128K闪存的8051内核的ZigBee无线单片机,并带有定位跟踪引擎。
从本设计的功能要求和性能指标来看,此类器件无疑是非常理想的选择:
低复杂度,低功耗,低速率,体积小,并能同时方便地满足组网和定位的需要。
但是经过市场调研后发现,“物美”却不“价廉”,无论是芯片还是开发工具都价格不菲。
出于符合要求又兼顾成本的综合考虑,经过对不同方案的研究和对比,决定还是采用独立MCU与RF器件的硬件架构。
MCU采用Microchip公司的PIC18LF2620,它是8位微控制器,低电压供电,28个管脚包含3组双向1/0,中断和定时器资源都很丰富,并且很容易将程序功能扩展移植到40脚的PIC18LF4620。
RF采用Chipeon公司的Ce2500,它的工作频带范围为2400~2483.5GHz,采用0.18微米CMOS工艺,外形小,需要的外部元件数量少,而且价格十分低廉,低电压供电,高接收灵敏度,属于超低成本ZigBeeRF芯片。
其余的器件比如传感器、串口通信器件等,以及必要外围器件如LED,均考虑了体积与功耗因素。
（二）软件总体设计
要组建一个基于ZigBee技术的无线消防报警定位系统,首先要对数据进行采集和处理,例如环境感测数据;然后要实现节点间的通信,才能将获得的信息从一个节点传送到其他节点;最后要进行组网以及定位估计,才能最终实现一个自组织网络并对移动未知节点进行定位。
1、数据采集与传输
这一部分主要包括传感器信息的采集、所使用的几种通信方式、数据传输机制。
传感器信息的采集,其实就是处理传感器和微控制器的接口。
传感器将采集来的模拟量转换成数字量,送进微控制器;微控制器根据所得数据进行相应处理。
IEEE802.15.4规定所有的通信是基于包的。
在数据通信部分,RF芯片已经对一些功能例如CCA、LQI、同步字探测、地址校验、自动CRC等给予了硬件支持,这些减少了软件设计时对于数据包形成和接收检验的工作量。
本设计是采用非信标使能的网状拓扑结构,它的通信机制在IEEE802.15.4规范中有详细的定义和说明,设计时应按照规范,采用无时隙的CSM/CA算法,实现设备到协调器、协调器到设备以及对等实体之间的可靠数据传输。
系统信息汇集在网络协调器。
协调器通过RS-232串口可与监控主机进行通信,从而可在PC上更直观和方便地了解网络
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