高精度定位手持终端的研发

作者：洪世宽 黄泽志 赵一鹏 刘策 来源：《中国新通信》 2018年第12期

【摘要】 铁路作业人员在铁轨维护时，极其容易出现危险状况。由于不能确定作业人员的位置，其工作效率极其低下。如何利用现代通信信息技术保障工作人员的安全，同时提高人员调度工作效率，是铁路系统技术人员一直努力的目标。本文介绍了一种基于手持终端的高精度定位设备，采用北斗/GPS 双模卫星定位技术实现了铁路作业人员的精准定位，从而保障作业人员的人身安全。除此之外本文还提出了手持终端的高精度优化方案，对接千寻服务器, 使用RTD 技术，达到亚米级卫星定位。

【关键词】千寻跬步 伪距差分定位 GSM 通信 双模卫星定位

一、引言

1.1 现状火车铁轨运维状况

及时发现火车运行时铁轨的潜在问题是避免事故发生的先决条件，所以对火车铁轨的维护工作就显得至关重要。当铁轨运维员在对铁轨进行维护的时候，要时刻关注火车的运行状况，稍有疏忽的情况，就有可能发生生命安全事故。而且一般火车轨道由多条通道组成，在众多的车道记忆起每个车道在规定时间点经过何种路段，这是一个繁杂的工作。目前铁轨运维员在运维铁轨的时候，判断来车情况，基本上根据个人主观观测来判断，具有很大的个人因素，并且容易出现误判的情况。如果发现火车铁轨出现问题，故障位置的精准定位也是一个难题。

1.2 预期结果及应用前景

本文所介绍的手持机一旦在铁路运维层面投入使用，其利用卫星定位、语音提醒、振动提示的技术手段，辅助铁路运维员及时掌握临近火车的运行情况，预防可能出现的安全隐患，从而达到人-车- 路的和谐统一，实现从传统的被动安全接受模式向现代的主动安全服务模式的转型。铁轨运维人员的生命安全也得到了极大的保障。

同时将个人因素带来的误判大大降低，提高工作效率，也有利于铁路服务站对作业人员的调配。

本文所介绍的手持机其米级定位精度正在向亚米级定位精度优化，对接千寻服务器，采用千寻跬步服务提供的伪距差分定位，扩大差分服务范围，提高定位精度。

二、铁路手持终端的设计

2.1 手持机功能构造

手持机基于STM32F407 开发平台，采用台湾联发科技推出的多功能通信定位芯片MC20 进行定位与通信功能，使用WM8978 语音芯片进行语音播放功能，同时配上了微型振动电机，在语音播报的同时，进行振动提醒。手持机实时定位更新当前所在位置，并把当前的定位信息传送到铁路内网上。

1）火车靠进报警功能：

铁路内网在接收到手持机传来的位置数据后，进行判断。检测在铁轨维护员附近是否存在正在行驶的列车。若发现有火车正在靠进，通过语音芯片进行报警提示。

同样的，如果能确定其他车道有车通过，与铁轨运维员不在同一轨道。语音提示铁轨运维员不必离开铁轨，大大提高工作效率。

2）铁轨故障保修功能：

当发现铁轨出现重大故障时，可通过手持机上报故障信息到铁路内网。铁路内网接受到故障信息后，及时调度附近运行火车路线，变换火车运行车道。并派遣专门人员对发生故障的铁轨进行抢修。

3）远程互联作用：

信息传递。多个工作人员可进行互相交流。

4）高精度优化：

手持机采用UM220-III H 芯片，对接千寻跬步服务，达到亚米级的定位精度。

2.2 手持机硬件设计

由于手持机对于体积和大小以及抗干扰能力的要求，在设计电路时，使用了四层电路板，将手持机的空间划分为上下两层，下层的空间主要安放电池，上层电路板用于实现手持机终端的各个模块及芯片的功能，上层电路板涵盖的器件有用于调控各个芯片模块运作的主芯片

STM32f407VET6，用于生成语音信号的语音芯片WM8978，提高语音芯片功率的功率芯片MCP4012，用于数据传输的数传模块，以及用于存储语音信息的flash 芯片MT29F8G08，对电池充放电起保护作用的电源管理芯片TP4056，提高电池电量利用率的升降压芯片TPS63020，用于插接SIM 卡的卡槽，用于器件供电开断的器件三极管，用于接受GPS/ 北斗定位信息的UM220-H，用于上层板和下层板通信的20 针接插件，对UM220-H 的电源起控制作用的三极管和用于指示相关信息的发光二极管。

对电源高效率利用这一功能是依赖下层电路板实现的，升降压芯片TPS6302 的升降压零间隔使的电池电压即使降到3.0V 以下也能给3.3V 的主芯片供电，三极管的利用使得主芯片可以根据外界的需求灵活断开或开启各个模块的用电。

2.3 手持终端的软件设计

手持机终端的核心功能是精确的位置定位，因此程序的编写应围绕这个核心来展开。

在本文中把GSM 通讯将MC20 采集的GPS/BD 数据传输到铁路内网进行显示。

MC20 模块中的GSM 通迅的使用实际上是主芯片与GPRS 模块的一个交互过程，这个交互过程需要通过AT 指令集来完成，进而控制GPRS 模块与监控平台建立TCP 连接上传和接收数据。

手持机整体的数据流向，GSM/GPRS 通信模块与服务器建立TCP/IP 连接以保证数据上传与下发的可靠性，主芯片通过串口来发送AT 指令来控制通信模块的运作。北斗/GPS双模定位部分模块实时的向主芯片发送定位数据，主芯片收到后按规则发送和存储，同样主芯片也是通过串发送指令来控制定位模块运行。

三、铁路手持机的高精度优化

3.1 伪距差分技术基本概念

伪距差分定位（Differential positioning with GPS），简称DGPS。踏实利用两台或两台以上的接收机，一台安置在坐标已知的参考站（基准站），利用基准站上的观测值，计算差分改正数，将差分改正数实时播发给其它流动站户，用以改正流动站伪距观测值，进而实时确定流动坐标的一种实时定位技术。

3.2 伪距差分技术基本思想

位置差分改正数计算公式：

根据（1）（2）中确定的思想，我们可知伪距差分定位是根据基准站的精确定位坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星在每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数。将其传输到流动站接收机来改正测量的伪距，提高定位精度。基准站伪距公式：

四、对接千寻跬步服务手持机的高精度定位依赖于千寻位置提供的伪距差分定位服务，获取差分数据，采用了和芯星通公司针对车载市场推出的BDS/GPS 双模定位模块UM220-III H。数据传输方面，采用NMEA-0183UNICORE 格式传输伪距观测数据, 采用RTCM3.2 格式传输差分改正信息。差分数据输入UM220-III H 芯片后，可以通过NMEA 里面GGA 第6 及第11 个字段判断差分状态: