GPS技術在機車頭燈自動尋跡中的應用

摘要 介紹GPS技術，分析機車頭燈自動尋跡的可行性，重點闡述如何使用ARM微控制器來控制GPS接收機，實現(xiàn)機車頭燈依照鐵軌曲率自動旋轉(zhuǎn)的整體解決方案，以及運用占先式多任務實時嵌入式操作系統(tǒng)μCOS-II實現(xiàn)控制的軟件處理過程。

關鍵詞 GPS 機車頭燈 自動尋跡 μCOS-II

引言

　　GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)），全稱“導航衛(wèi)星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，是美國國防部于1973年11月授權開始研制的海陸空三軍共用的美國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng),于1994 年建成, 具有全天候、高精度、自動化、高效益、速度快和成本低等顯著優(yōu)點。GPS由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶接收機三大部分組成。GPS接收機通過接收衛(wèi)星信號解算出自身的經(jīng)緯度位置、速度, 以實現(xiàn)定位導航及定時的功能，成為目前世界上應用范圍最廣泛、實用性最強的全球精密授時、測距、導航、定位系統(tǒng)。我國GPS技術也在測量、?？諏Ш?、車輛監(jiān)控調(diào)度、導彈制導、精密定位、動態(tài)觀測、時間傳遞、速度測量等方面加以應用。

　　將GPS應用于鐵路列車，最早的報道是1984年美國柏林頓北方鐵路公司（Burlington Northern）和Rock well公司的合作。在80年代末期，開發(fā)出ARES（Advanced Railroad Electronic System）系統(tǒng)，并且已將GPS作為國家鐵路標準精確定位系統(tǒng)［1］。目前，歐洲各國鐵路正在加強利用GPS技術，并沿相應線路設置差分機站，使之與移動通信技術結合，以提高鐵路的通過能力［2、3］。在我國，采用GPS、GIS、GSM和計算機等高新技術集成的RITS（鐵路智能運輸系統(tǒng)）技術，成功地研制出了鐵路“GPS安全報警系統(tǒng)”，該系統(tǒng)已于2001年8月在我國第一條客運專項——秦沈客運鐵路專線上交付使用。因此，GPS實時定位技術在鐵路列車上的應用將越來越普及，而開發(fā)GPS在鐵路列車上的應用具有廣闊前景。

1 機車頭燈自動尋跡的可行性分析

　　在我國,機車頭燈是不能旋轉(zhuǎn)的，它被固定在機車頭部。當機車進入彎道時，機車頭燈照射的方向和鐵軌線路相切，也就是說，機車頭燈不能始終照射在軌道的中心線上。因此，機車在夜間高速行駛中帶來了安全隱患。

　　GPS定位技術的工作原理是，GPS接收機從24顆在軌衛(wèi)星中選出4顆最佳位置的衛(wèi)星，衛(wèi)星發(fā)出的時間信號好比一個精確的時鐘信號，從而算出每個衛(wèi)星的半徑距離，再以衛(wèi)星的位置利用三角定位原理定出機車的位置及高度。GPS接收機定位精度在50m以內(nèi)，如果需要的話，加上后期優(yōu)化算法處理過程，精確度可以更高，而采用DGPS技術后定位精度可達3m?？梢奊PS技術是一個高精度的定位技術。

　　鐵路不同于公路，一輛確定的機車只在固定的某一段線路及某一時段上運行。通過裝有GPS接收機的控制系統(tǒng)接收離散定位數(shù)據(jù)，可以高精度的模擬出該機車所經(jīng)過的鐵路軌跡，從而計算出該段線路所有彎道的起始位置、結束位置和曲率半徑。當系統(tǒng)獲得了以上數(shù)據(jù)，根據(jù)算法和控制指令，可以控制步進電機驅(qū)動頭燈，使它始終照射在鐵路中心線上。

2 系統(tǒng)整體解決方案

2.1 機車頭燈自動尋跡系統(tǒng)的硬件構成

　　本系統(tǒng)使用ARM核微控制器作為控制中心，外圍電路由GPS接收機、電氣控制模塊和Flash存儲模塊組成。硬件原理圖如圖1所示。

圖1 機車頭燈自動尋跡系統(tǒng)硬件原理圖