基于铁路巡线的导航定位终端的设计

作者/ 张婷 姚金杰 高虹 中北大学 信息探测与处理技术重点实验室(山西 太原 030051)

摘要：卫星导航定位系统在不断地发展和完善，而导航定位系统的重要核心是终端。本文设计了以单片机ATmega128A为处理器、以惯性器件MPU6050和FLASH存储为核心的集成一体化的硬件接收机终端。应用GPS/北斗模块接收GPS/北斗卫星信号进行定位，应用微惯性测量单元获取终端姿态信息，并发送到单片机串口，经过处理存储至FLASH存储芯片。将该技术应用到铁路巡线的导航定位终端中，铁路巡视完成后，通过串口获取数据，再通过短报文远程发送至软件监控平台。经过测试，本系统能够稳定地得到终端的定位巡视信息。

引言

　　目前，铁路巡线仍存在作业难度大且管理不便，铁路巡线工人是否履行职责关乎到铁路运行安全。然而，铁路巡线属于室外作业，其工作情况很难考核，传统工作签到记录方法容易被伪造，且历史记录不易保存，很难对铁路巡道工的工作情况进行如实地考核和查证，在一定程度上会造成人员工作积极性和专业素质技能的下降。

　　针对上述问题，将卫星定位导航技术应用于铁路巡线将极大地方便铁路巡线的管理工作。本设计装置能够完成巡线人员和警犬的定位以及巡线轨迹存储等功能，其中定位精度能够达到1m，存储深度达2GB。

1 卫星导航系统的组成

　　卫星导航系统主要有全球定位系统(GPS)和北斗卫星导航系统两种，主要由空间卫星单元、地面控制单元和用户接收单元组成。地面控制单元是由主控站、地面控制站和监测站组成。用户接收单元为GPS或北斗定位终端。

　　北斗卫星导航系统是国产系统，采用三球交汇的测量原理，但实际上只用到了两颗卫星，其基本原理是以这两颗已知具体空间位置坐标的卫星为球心，以它们到用户的距离为半径画球，再以地球的地心为球心，以用户到地心的距离为半径画球，最后三个球必然相交于一点，这一点就是用户的位置。

2 系统设计

　　本文以GPS系统为主设计，同时也兼顾北斗定位系统的应用。

2.1 硬件设计

2.1.1 高精度GPS模块

　　接收卫星导航信号时，选用高精度GPS定位模块u-blox NEO-M8N，能够同时获取和跟踪不同的全球导航卫星(GNSS)系统并行接收GPS和GLONASS或北斗信号。适应于即使在GPS信号差的环境下都需要最高的可用性和准确性的高性能应用。由于 GPS/SBAS操作在晴空郊外条件下就可达到最佳定位，另外还配备了内置的智能自动切换功能，可根据GNSS卫星的可见性和可靠性，自动切换到单一GNSS操作模式。

　　该接收模块功耗低、重量轻、定位速度快，具有GNSS引擎，支持GPS和北斗通信，具有功耗低、导航精度高、费用低、支持并行数据处理、体积小巧等特点。除此之外，NEO-M8系列提供了高灵敏度和低电压供应下的最小反应时间，同时为价格敏感的应用做了优化，并且NEO-M8N也提供了更简单的RF射频集成，便于使用。

2.1.2 硬件模块的设计

　　方案中采用Atmel公司型号为ATmega128a的8位MCU，拥有128KB的系统内可编程Flash的RISC结构，可通过ISP实现系统内编程。

　　定位终端是整个系统的硬件基础，应具备以下功能：

　　(1)定位功能

　　铁路巡线工人工作的时候将该导航定位终端携带在身上，待完成工作之后，将获取的数据读出即可反映出巡逻的路线，这就要求双模定位终端能够接收到GPS和北斗的双模定位信息。

　　(2)FLASH存储功能

　　目标手持多模定位终端可通过FLASH存储芯片将巡线过程中接收到的定位信息保存，待铁路巡线结束后，将数据回传至上位机，然后通过短报文发送给中心监测平台。

　　按照定位终端的需求，本系统主要分为三大模块，即北斗惯组定位模块、MCU控制模块和FLASH存储模块，其总体工作框图如图2所示。

　　MCU控制模块是整个硬件系统的核心部分，主要负责完成以下工作：

　　(1)读取卫星导航所定位的位置信息，并将其有用的信息进行提取;

　　(2)对提取的信息进行相关的数据处理，将处理后的数据传送到FALSH模块上存储。

　　GPS模块实现卫星导航数据的接收，在Vcc供给电压端和芯片接地端用到了两个直流板上型电感L1、L2，主要目的是为了抑制电磁干扰。

　　惯组电路模块实现了其在信号不佳或没有信号情况下的定位或导航。

　　本设计采用的是MT29F16G08ABABAWPITB系列FLASH存储器，直接连接到AVR的MCU上，主要用来存放GPS/北斗芯片接收到的定位数据。

　　考虑到装置的工作环境需要电源电压稳定与可靠，本设计采用稳压NCV1117DT50T5G系列芯片，这是低压差正电压稳压器，具有较高精度，能够提供一个超过1.0A的输出电流。具有内部保护特点，包括输出电流限制，安全工作区补偿并支持热关。该系列也具有很好的通用性，且使用范围非常广泛。

2.2 软件设计

　　本系统的软件设计主要是北斗数据采集处理。首先北斗定位模块开始工作，接收到位置信息，然后对接收到的信息进行数据处理，最后只输出经纬度等系统所需要的信息，将处理后的数据传输给MCU控制模块。MCU将收到的经纬度等信息传输给存储模块。

　　从定位模块所接收到的NMEA语句信息中提取经度、纬度等数据。本终端所用定位芯片可接收许多格式的语句，由NMEA0183协议可以看出，RMC格式的语句是包含完整的数据信息的、数据量最小的定位信息。因此，在该设计中，选择$GNRMC语句来提供双模定位信息，$GNRMC语句的字段表示为：

　　$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*<13>

　　其中，<3>,<4>,<5>,<6>代表了系统所需要的经纬度信息，因此，在数据处理中就是要提取出这四个字段的内容。

　　要使双模定位模块只输出$GNRMC语句，需要对其进行数据处理，本设计采用数组的方式来存储数据，首先判断串口收到的数据格式是否为$GNRMC，若不是$GNRMC，则接收的数据错误;若是$GNRMC，则接受的数据正确。接收到$GNRMC时，开始存储定位所要的数据，$GNRMC字段是以“，”分隔的，判断定位是否有效，是看第二个“，”后收到的数据，若是“A”，则定位有效，开始接收之后的经纬度等数据;若是“N”，则定位无效，重新接收数据。将接收到的有用信息提取并保存到数组中，最后接收到“*”终止符时，说明本次数据接收完毕。北斗/GPS双模定位模块的数据处理基本流程图如图8所示。

3 接收测试

　　验证接收终端模块时，主要完成的任务是获取目标的位置信息，如图9所示。定位测试后就要对活动轨迹的显示进行测试，可以使监控人员更直观地了解目标的动态，需要在地图上实时地显示目标所走过的轨迹，如图10所示为监控目标的活动轨迹。从图中可以很直观地看到目标行走的轨迹，这便有利于监控人员掌握铁路巡线员巡线状态。

4 总结

　　本文采用GPS/北斗模块和MCU设计了基于铁路巡线的卫星导航定位终端，完成了铁路巡线监测装置的硬件电路设计，给出了此装置中几个重要的模块电路原理图，提供了定位终端软件的基本流程，并对整体功能进行了测试。实验表明，系统的性能稳定，基本实现了所设定的功能要求，具有一定的应用推广前景。

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第48页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。