基于北斗卫星与惯性传感器组合导航技术的现代有轨电车定位终端设计

时间：2024-07-28

李进良，高俊杰

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081 3.中国铁路武汉局集团有限公司，武汉 430000）

现代有轨电车的准确定位是实现行车调度的基本参数。目前，针对现代有轨电车定位有多种方式。根据线路的特点，有的线路采用多普勒雷达进行车辆定位，有的线路采用传统的应答器进行车辆定位[1]。还有的线路采用全球定位系统（GPS）与公网模块进行车辆定位，此种定位方法是：根据联网信号基站位置，确定车辆所处的区域；通过网络下载GPS服务器上的“星历”数据包；GPS根据下载的数据包连接卫星，精准定位。以上几种定位方式的缺点是：成本高，无线定位信号易受遮挡或干扰，无法实现全线任意时间、任意位置进行定位的目的。采用GPS定位的终端成本低、精度高，但在隧道内或信号受遮挡时，无法精确定位。本文利用北斗卫星与惯性传感器组合导航技术，实现隧道内实时定位，较好地解决了GPS在隧道内定位的问题,适用于地面与隧道相结合的城市现代有轨电车线路。

1 终端总体设计

基于北斗卫星与惯性传感器组合导航技术的现代有轨电车定位终端主要由主控计算单元、北斗卫星与惯性传感器组合导航模块、通信模块以及电源4部分组成，如图1所示。

图1 终端结构图

1.1 主控计算单元

本单元处理器以STM32F030C8芯片为核心，与复位电路和晶振电路连接。内核：Cortex-M0 32-bit RISC；工作频率：48 MHz；存储资源：64 kbyte Flash ，8 kbyte SRAM；接口资源：2x SPI，2x USART，2x I2C，39x I/O；模数转换：1x ADC（12-bit/16通道）；定时器：5个普通定时器，1个高级定时器；调试下载：支持SWD接口的调试下载，支持IAP3。

1.2 组合导航模块

使用灵兔（LaneTo）2.0北斗卫星与惯性传感器组合导航模块，该模块内置6自由度微电子机械系统（MEMS）惯性传感器芯片，支持北斗卫星导航系统（BDS）与GPS 双模，充分利用卫星导航的定位信息与惯性器件（三轴陀螺与三轴加速度计）的相对角运动与线运动测量功能，使用多维扩展卡尔曼滤波技术及其它特定算法实现了在微小器件上的三维导航测姿功能。运行于该模块上的算法具有丰富的导航环境感知功能，有助于进一步提高导航性能以及匹配灵活的功耗模式。在地下封闭停车场、隧道、城市峡谷、高架桥等复杂场景保持全路段不间断导航输出。特别适用于需要穿越信号受遮挡路段的现代有轨电车使用。导航定位数据协议遵循卫星导航行业标准NMEA-0183。

模块采用在线标定技术，即每次上电后借助重力场信息和单维卡尔曼滤波技术估计零位偏置，并利用卫星导航信息加速滤波器收敛。灵兔2.0模块的快速在线标定技术不要求载体形式特殊轨迹或曲线，对于现代有轨电车在正常行驶状态下即可完成标定，从而使模块进入组合导航状态。

灵兔2.0模块的内部架构如图2所示。

图2 灵兔2.0架构图

1.3 通信模块

通信模块采用针对专业用户设计、适用于多种应用方式和安装方式的SRG3500车载台。它采用数字信号处理器（DSP）和线性射频（RF）功率放大器（PA），可满足“车载”和“固定”操作需求，提供两个外围设备接口（PEI），方便用户进行二次功能开发。

通过PEI1接口，用户可以使用AT（Attention）指令控制SRG3500主机发送数据[4]。利用该功能，STM32F030C8单片机接收组合导航模块输出的定位数据，经过处理，按需求打包上传到车辆位置服务器。从而使行车调度实时掌握全线所有车辆的位置信息。

1.4 电源

现代有轨电车采用DC750 V地面牵引馈电系统，为车载设备提供DC24 V辅助电源，波动范围±5%。电源允许宽输入范围（18～36 VDC），具有输入欠压保护、输出过压保护、输出过流保护、过温保护和短路保护等功能，提供DC1 500 V的高隔离耐压和150 W的输出功率。电源由防雷电路、浪涌电路、稳压电路和滤波电路4部分组成。

2 软件设计及运行测试

2.1 主控计算单元软件设计

STM32F030C8单片机软件使用KeilμVision4开发，C语言编程。主程序初始化包括STM32F030C8时钟初始化、串口初始化、I/O 初始化等[5]。主循环中，串口1采集组合导航模块输出的定位数据并进行解析，串口2连接SRG35000车载台，将采集到的、经过解析的数据通过专用无线集群发送到车辆位置服务器。若STM32F030C8单片机采集到数据，则驱动指示灯闪烁。主程序流程如图 3所示。

图3 主程序流程图