GPS技术在机车头灯自动寻迹中的应用
2.1.1 系统中央处理单元
采用Atmel公司的嵌入式CPU芯片AT91R40008，这是一款具有ARM7TDMI核的处理器，外围接口丰富，处理能力强，低功耗，具有两条主要总线：先进系统总线ASB（Advanced System Bus）和先进外围总线APB（Advanced Peripheral Bus）。它用于接收GPS接收机发来的数据、进行线路数据提取，线路算法计算和产生控制信号。
2.1.2GPS接收机
为简化整个系统的设计，采用了LBWXG1 JupiterGPS接收机，这款接收机的几个重要参数如下：同时跟踪12颗卫星，重新捕获时间小于2.0s，热启动时间小于18s，冷启动时间小于120s，速度精度为0.1m／s，定位精度小于15m（2dRMS），时间精度为1μs，加速度限制为4g，速度限制为950m／s，数据更新率为 1次／s，可连续更新，能够输出NMEA格式或者二进制格式数据。该型GPS接收机可以满足机车定位精度要求，用于接收卫星信号，向中央处理器传送数据。
2.1.3 电气控制模块
由专用的硬件电路组成，用于接收微处理器的控制信息，驱动步进电机控制机车头灯旋转。
整个系统解决方案分2个阶段。
第1阶段是GIS地图生成阶段。对于一条从来没有运行该系统的铁路线路来说，线路数据文件是不存在的，必须通过调用系统中线路采集程序生成GIS地图。首先，Jupiter GPS接收机通过GPS天线接收卫星信号，读取RMC数据，从中解算出机车移动终端的位置信息，就是提取机车当前位置的经度（Long）和纬度（Lat）数据，并以（Lat ，Long）的形式存储在存储器中。然后，采用样条插值拟合算法，优化线路数据。最后，重复以上二步，最终形成该条线路离散GIS地图，并保存在系统Flash中，作为系统参考地图。
第2阶段是系统控制阶段。当系统生成GIS参考地图后，就可以在该条线路上运行系统控制程序，控制机车头灯自动寻迹。当机车运行时，Jupiter GPS接收机接收卫星信号，通过RS232串口发送到中央控制单元MCU，MCU读取RMC数据，从中提取经度（Long）、纬度（Lat）和速度（Velocity）数据。然后，根据系统位置识别算法，识别出与GIS参考地图数据最接近的地理位置，从而判断机车前方是否进入弯道。若进入，则求解弯道的曲率半径及旋转步数，进而控制步进电机旋转。
2.3 机车头灯自动寻迹系统的软件构成
2.3.1 GPS数据的提取
日前，几乎所有GPS厂商都遵循美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）制定的NMEA-0183 version 2.01通信标准格式，所有数据信息以ASCII格式编码，输出语句达十多种，包括GGA、GSA、GSV、RMC、BIT、RID、ZCH等。这些定位数据语句不仅给出了位置、速度、时间等信息，而且指出当地的卫星接收情况。实际导航中，应读取GPS的空间定位数据时，可以根据需要每隔几秒钟更新一次数据。
Jupiter GPS接收机语句输出遵循串行通信协议，数据格式为8位数据位、l位起始位、l位停止位，无奇偶校验，并且可以根据需要选择传输速率。
图2 GPS数据提取流程图
机车头灯自动寻迹系统要求高精确度、高实时性和高可靠性，因此对于更新率应采用系统最小设定值：1s更新一次，并且在提取过程中只需要提取RMC数据，从中得到经度、纬度和速度数据，提取流程如图2所示。RMC数据设置包括时间、经度、纬度、高度、系统状况、速度、过程和日期等信息。RMC数据设置描述如表1所列，其数据设置示例如下：
＄GPRMC,185203,A,3339.7332,N,11751.7598,
W,0.000,121.7,160404,13.8,E*55
表1 RMC数据设置描述
2.3.2 GIS地图生成算法
该系统采用样条插值法。样条插值法克服了分段三次埃尔米特插值的弱点，它只需要在插值区间端点比拉格朗日插值多二个边界条件，就可以构造出插值函数，而且这类插值函数在插值节点处具有二阶导数连续，从而具有更好的光滑性。
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