GPS技术在机车头灯自动寻迹中的应用

摘要 介绍GPS技术，分析机车头灯自动寻迹的可行性，重点阐述如何使用ARM微控制器来控制GPS接收机，实现机车头灯依照铁轨曲率自动旋转的整体解决方案，以及运用占先式多任务实时嵌入式操作系统μCOS-II实现控制的软件处理过程。

关键词GPS机车头灯自动寻迹 μCOS-II

引言

　　GPS（Global Positioning System，全球定位系统），全称“导航卫星测时与测距全球定位系统”，是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫星导航系统,于1994 年建成, 具有全天候、高精度、自动化、高效益、速度快和成本低等显著优点。GPS由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。GPS接收机通过接收卫星信号解算出自身的经纬度位置、速度, 以实现定位导航及定时的功能，成为目前世界上应用范围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。我国GPS技术也在测量、海空导航、车辆监控调度、导弹制导、精密定位、动态观测、时间传递、速度测量等方面加以应用。

　　将GPS应用于铁路列车，最早的报道是1984年美国柏林顿北方铁路公司（Burlington Northern）和Rock well公司的合作。在80年代末期，开发出ARES（Advanced Railroad Electronic System）系统，并且已将GPS作为国家铁路标准精确定位系统［1］。目前，欧洲各国铁路正在加强利用GPS技术，并沿相应线路设置差分机站，使之与移动通信技术结合，以提高铁路的通过能力［2、3］。在我国，采用GPS、GIS、GSM和计算机等高新技术集成的RITS（铁路智能运输系统）技术，成功地研制出了铁路“GPS安全报警系统”，该系统已于2001年8月在我国第一条客运专项——秦沈客运铁路专线上交付使用。因此，GPS实时定位技术在铁路列车上的应用将越来越普及，而开发GPS在铁路列车上的应用具有广阔前景。

1 机车头灯自动寻迹的可行性分析

　　在我国,机车头灯是不能旋转的，它被固定在机车头部。当机车进入弯道时，机车头灯照射的方向和铁轨线路相切，也就是说，机车头灯不能始终照射在轨道的中心线上。因此，机车在夜间高速行驶中带来了安全隐患。

　　GPS定位技术的工作原理是，GPS接收机从24颗在轨卫星中选出4颗最佳位置的卫星，卫星发出的时间信号好比一个精确的时钟信号，从而算出每个卫星的半径距离，再以卫星的位置利用三角定位原理定出机车的位置及高度。GPS接收机定位精度在50m以内，如果需要的话，加上后期优化算法处理过程，精确度可以更高，而采用DGPS技术后定位精度可达3m。可见GPS技术是一个高精度的定位技术。

　　铁路不同于公路，一辆确定的机车只在固定的某一段线路及某一时段上运行。通过装有GPS接收机的控制系统接收离散定位数据，可以高精度的模拟出该机车所经过的铁路轨迹，从而计算出该段线路所有弯道的起始位置、结束位置和曲率半径。当系统获得了以上数据，根据算法和控制指令，可以控制步进电机驱动头灯，使它始终照射在铁路中心线上。

2 系统整体解决方案

2.1 机车头灯自动寻迹系统的硬件构成

　　本系统使用ARM核微控制器作为控制中心，外围电路由GPS接收机、电气控制模块和Flash存储模块组成。硬件原理图如图1所示。

图1 机车头灯自动寻迹系统硬件原理图