《基于北斗衛(wèi)星導航的無人駕駛列車自動定位系統(tǒng)設計》13000字（論文）

--1--PAGE2-引言我國鐵路的歷史由來已久，早在19世紀，我國就有了第一條營運鐵路，在中華民國修建了連通全國的三條主要干線，新中國成立后，為了休養(yǎng)生息，整頓戰(zhàn)爭廢墟，修建美好家園，我國鐵路有了長足的發(fā)展。隨著經濟全球化的進一步加深，我國作為負責任的大國，必須堅持多邊主義和深化改革，促進全球貿易的發(fā)展，高速列車作為貿易的強大載體，是不可缺少的，而且隨著我國的發(fā)展加快，居民的出行更加頻繁，無論是旅游、辦公、上學，高速列車帶給人們越來越多的便利，所以人們對于高速列車穩(wěn)、準、快及安全性的要求越來越高。無人駕駛被認為是未來交通出行的不二選擇，無人駕駛正快速融入人們的日常生活，正逐步改變人們對世界的認識，不僅體現(xiàn)在交通出行上，更體現(xiàn)在生活的方方面面，對我國人民追求高質量生活和發(fā)展具有不可估量的經濟價值。在有關進行無人駕駛的研究中，準確的車輛定位是絕對不可或缺的。目前，無人駕駛車輛廣泛采用以衛(wèi)星定位為主，和其他輔助方案相融合的定位方案，可以保證不同行駛條件下準確的定位。1.緒論1.1無人駕駛列車自動定位方法的研究背景及意義對于一個國家的進步和發(fā)展來說,鐵路的完善是舉足輕重的，它不但是基礎設施，更是國之重器、利器，對于我國的經濟的又穩(wěn)又快發(fā)展，人文交流和國家安全戰(zhàn)略具有舉足輕重的作用。"十三五"期間鐵路系統(tǒng)不斷完善。“四縱四橫”高速鐵路的主要框架按照預定計劃完成，“八縱八橫”高速鐵路和普通速度干線鐵路整裝待發(fā)，市間鐵路作為關鍵急速發(fā)展。我國繼續(xù)優(yōu)化全國公路網絡布局,提高鐵路網絡質量，不斷完善中西部地區(qū)公路網絡，不斷加強運輸樞紐及其相應基礎設施。到2021年，中國鐵路的總營業(yè)距離超過139000公里，包括高鐵35000公里。在第十三個五年規(guī)劃結束之前，將基本形成更加合理的布局，更廣、更整齊、更安全、更高效的鐵路網絡。為了應對鐵路運輸產業(yè)需求的增加，積極實施鐵路供給側的結構改革，持續(xù)提高運輸供給能力、服務質量和安全性。全面推進中國鐵路建設，不僅大大提高了鐵路網絡布局、服務水平和運載優(yōu)勢，還為經濟增長、結構調整和人民生活質量做出了巨大貢獻。從2020年開始受到新的冠狀肺炎的影響。鐵路實施以了“六個穩(wěn)定”和“六個保證”政策的中心，在所有方面努力促進正常工作，克服一切困難和危險，確保鐵路建設各個方面的有序發(fā)展，提供國內外的雙重周期戰(zhàn)略。并切實推進鐵路建設的全面推進，帶動鐵路投資。鐵路建設井然有序，科學合理。由于科學技術的發(fā)展日新月異，在高鐵上采用無人駕駛技術指日可待，無人駕駛列車的核心系統(tǒng)就是定位系統(tǒng)，它主要對列車大空間位置和小空間位置進行定位，再結合其它一些輔助系統(tǒng)可以實現(xiàn)安全無人駕駛。中國已進入高鐵時代，縮短了列車運行時間，以確保列車的正確配置，不僅從行車安全的角度來看，確定列車的位置可以及時準確地確定列車在目前線路上的位置，準確地確認鐵路是否科學、合理、整齊，保證其效率和最佳服務。傳統(tǒng)的列車布置方式昂貴，運行不好。因此,研究創(chuàng)新性的、綠色環(huán)保的、便宜的、可靠的列車定位是我國鐵路系統(tǒng)的重中之重。其中，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）能提供連續(xù)的導航和定位，且更準確，成本也較低。采用GNSS系統(tǒng)定位，能降低其他必要的輔助設備的數(shù)量，完全降低定位成本，而且準確性也不低。隨著GNSS定位的不斷深化和發(fā)展，GNSS定位技術已經成為列車的主要定位方法。1.2國內外列車定位技術研究現(xiàn)狀在列車的自主定位過程中，單個定位系統(tǒng)不能隨時跟蹤和顯示列車的運行狀態(tài)。因此,為了保證列車定位結果可靠，保證定位范圍廣，必須采用各種定位方法。如今采用以衛(wèi)星導航為主，以其他定位技術為輔助的方法，有著廣闊的前景。1.2.1基于多傳感器信息融合的列車定位技術對于列車的準確定位，單憑某一個系統(tǒng)來實現(xiàn)是遠遠不夠的，此時需要多種定位系統(tǒng)協(xié)調、協(xié)同來實現(xiàn)。當列車高速運行在復雜的環(huán)境或者極端天氣中時，衛(wèi)星所傳輸?shù)男盘柸菀妆淮驍?，因此由衛(wèi)星所確定的位置信息容易被干擾而產生波動，甚至會產生一定的錯誤和丟失，這在列車的正常行駛中是非常嚴重的，數(shù)據(jù)丟失或者發(fā)生錯誤會導致列車不能持續(xù)地、準確地接收此時此刻它的位置信息[1]。因此為了確保列車能夠獲得實時準確的位置信息，以防當衛(wèi)星信號等與列車定位直接相關的信息遭受干擾而丟失或者發(fā)生錯誤時，可以采用用多個傳感器信息相互融合的技術。將北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為為主要系統(tǒng)，其他定位系統(tǒng)作為輔助系統(tǒng)，可以北斗定位系統(tǒng)的優(yōu)勢和性能發(fā)揮的淋漓盡致,而且除此之外，通過刻苦鉆研，改良各個定位系統(tǒng)間的結構和算法，確保不同的定位系統(tǒng)的好處，并提高其可行性和可靠性。簡而言之，減少傳感器的系統(tǒng)故障,改良各個定位系統(tǒng)間的結構和算法，降低定位費用是技術設計的重點。1.2.2基于電子地圖匹配算法的列車定位技術電子地圖具有軌道特性，從電子地圖中可以確定列車每時每刻的位置，并通過顯示器監(jiān)控行車。電子地圖大幅度提高了列車位置的精度，因此可以修正北斗衛(wèi)星的航行方法和位置信息的偏差[1]。近年來，隨著技術的進步，地圖匹配算法得到了很大的發(fā)展，獲得了良好的定位成果。在將來，減少所需要匹配時間、數(shù)據(jù)間的重復、定位數(shù)據(jù)的誤差是電子地圖匹配方法優(yōu)化的重點。1.2.3基于無線傳感器網絡的輔助列車定位技術由于低成本、小布局、小維護、多自由，基于無線傳感器網絡的無線定位對列車的跟蹤和定位有很大的好處，且由技術人員來隨時革新。傳統(tǒng)上，軌道電路和應答器的定位模式不僅成本高，而且只可以在接地和車輛之間單向地傳遞信息。隨著以我國華為公司為領頭羊的5G技術的光速發(fā)展,無線傳感定位技術已經日漸完善、成熟，而且有能力自我修正。各種無線定位的基本算法和抗干擾措施將是以后大力研究的方向。1.2.4基于啟發(fā)式算法優(yōu)化的列車定位方法啟發(fā)式算法和最優(yōu)化算法是相呼應的，涉及生活中的各種學科及前沿理論、最具優(yōu)勢的理論模型和方法。比如神經網絡算法，它可以反映非線性映射關系，這是極其難以研究的，具有強穩(wěn)定性和高耐故障性，并且可以進行許多復雜的操作[2]。使用優(yōu)秀的算法，可以改進許多缺點，可以使事故的可能性最小化,例如偶發(fā)沖突、過密化后碰撞。最近這些年以來，在神經網絡算法、無線電定位技術的配合方面，取得了很高的造詣。1.3本文主要研究內容由于科學技術的發(fā)展日新月異，在高速列車上采用無人駕駛技術指日可待，無人駕駛列車的核心系統(tǒng)就是自動定位系統(tǒng)，它主要對列車大空間位置和小空間位置進行定位，再結合其它一些輔助系統(tǒng)可以實現(xiàn)安全無人駕駛。2.無人駕駛列車自動定位系統(tǒng)2.1研究背景目前，中國的鐵路交通安全主要由列車傳感器感應、機車信號和自動停止裝置保證。其基本原理是避免由地面和機車的信號設備相互沖突引起的交通事故。但是，在嚴重的自然災害、地上信號消失、無線通信裝置失效等極端情況下，容易形成點播命令盲區(qū)，導致列車運行中缺乏必要的保護。衛(wèi)星定位的使用可以解決上述問題?，F(xiàn)在，在鐵路的列車運行和災害監(jiān)視的重要領域，GPS一般用于程序產品中，包括衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用程序技術。然而，GPS系統(tǒng)完全由其他國家控制，即使使用常規(guī)GPS、其他衛(wèi)星定位和地面無線通信技術，也存在人的干擾，因此在嚴重自然災害的情況下，信息不能有效地反饋到控制中心。目前，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已應用于我國獨立研發(fā)的國家生活的各個方面。除了導航的基本功能外，還具有短消息通信功能。它可以通過衛(wèi)星和終端通過地面命令形成完整的命令系統(tǒng)。2.2全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)是由多個衛(wèi)星系統(tǒng)融合而成，它允許用戶獲得24小時,三維坐標,速度，時間信息，獨立的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)在提供所有動態(tài)實時信息方面起著重要作用。時間與時間和空間定位，知識工具和對象。它是國防和軍事發(fā)展的關鍵，是經濟發(fā)展和公共安全及服務的保障，是國家整體實力和國際競爭優(yōu)勢的重要標志和現(xiàn)代力量。2.3北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)2.3.1北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的發(fā)展歷程2020年7月31日，我國的北斗系統(tǒng)正式建成，建成即開通，中國人民的付出得到了應有的回報，體現(xiàn)了中國特色，其意義不亞于我國上世紀的“兩彈一星”。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國最重要的基礎設施之一，并且為全球用戶提供所有天候、所有時間，以及定位、導航和時序服務的。在北斗系統(tǒng)的建設和服務容量的開發(fā)中，有關產品已大量應用于交通運輸、海洋水利研究、天氣服務、能源電力、遠程教育、短時通訊、警務、民航、5G前沿領域，慢慢和人民的生產生活息息相關，為經濟的全球化、人類命運共同體、社會的前進注入一劑強心針。如圖2.1所示。本文主要研究在交通運輸方面的應用。在交通領域，北斗系統(tǒng)廣泛用于運輸路徑監(jiān)視、保證道路基礎設施的安全、管理港口、確定設施位置。截至2018年12月，在36個中心城市，約80000輛公共汽車，基本上所有在導航領域都用上了北斗，通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)我國將建立世界上最大的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)來駕駛車輛，有效提高監(jiān)控效率和公路交通安全水平。據(jù)統(tǒng)計，2017年主要道路交通事故數(shù)量、死亡人數(shù)、失蹤人數(shù)與2011年相比減少了50%。北斗系統(tǒng)應用領域如圖2.1所示。圖2.1北斗導航應用領域北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航服務，除此之外，北斗還有一個“特色功能”，就是地面短信通訊，就是即使沒有信號，只要有北斗終端，就可以發(fā)消息。定位精度已經達到分米、厘米級別[3]。北斗系統(tǒng)事關我國命脈，黨中央高度重視，穩(wěn)步推進北斗系統(tǒng)的建設分三步走：第一步,建設北斗一號系統(tǒng)。在黨中央的領導下，在1994年啟動“九·五計劃”，開始一步步建設北斗的征程，但是道路是曲折的，在首先集中力量解決了“快捕精”的技術難題后，在2000年，發(fā)射2顆衛(wèi)星，采用有源定位體制，對中國國家主要部門提供服務；2003年發(fā)射第3顆衛(wèi)星,優(yōu)化性能。北斗一號如圖2.2所示。圖2.2北斗一號系統(tǒng)第二步,建設北斗二號系統(tǒng)。北斗一號的成功建設，為我國繼續(xù)研制北斗二號探明的前路，在2005年,我國著手北斗二號建設，但道路并不平坦，“原子鐘”作為北斗的心臟是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為準確的時間的準確定位的前提，但任何困難都難不倒偉大的中國人民，經過齊心協(xié)力，“原子鐘”問題順利解決;2007-2012年,我國成功發(fā)射14顆衛(wèi)星，補齊北斗二號無源系統(tǒng)。為亞太地區(qū)提供服務，在2008北京奧運會和汶川地震中發(fā)揮了巨大作用，不愧為國之重器。北斗二號如圖2.3所示。圖2.3北斗二號系統(tǒng)第三步,建設北斗三號系統(tǒng)。英勇的北斗人并沒有停止探索的腳步，2009年，北斗三號的建設開始啟動，但困難也伴隨而來，美國和歐洲并不同意我們在他們的地區(qū)建設地面站，沒辦法，英雄的北斗團隊經過刻苦攻關，終得突破，“墨間鏈路”橫空出世；2020年，我國將55顆衛(wèi)星發(fā)射組網，全面建成北斗三號系統(tǒng)，向全球提供服務。至此，我國北斗工程圓滿成功！北斗三號如圖2.4所示。圖2.4北斗三號系統(tǒng)2021再起航，北斗人努力奮進，到2035年，中國將建設完善從室內到天空，從九天到五洋，全方位，廣領域的北斗體系，為人類探索未知世界，奔向星辰大海做出中國貢獻。2.3.2北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的結構北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由三大部分組成：空間部分、地面控制部分和用戶終端部分。地面控制部分由主控站、注入站和監(jiān)測站三部分組成。主控制站是控制中心，其主要任務是收集觀測站的原始數(shù)據(jù)、協(xié)調系統(tǒng)、預測衛(wèi)星小時誤差，注入站受主控制站控制，進行衛(wèi)星導航通信，協(xié)調信息，并在廣泛的范圍內輸入微分信息。此外，注入站應向主控制點發(fā)送信號，并隨時報告其工作情況。監(jiān)測站配備精密銫表及設備，其主要任務是確保連續(xù)跟蹤、觀察、接收和傳遞導航信號，為主控制站提供觀測數(shù)據(jù)。用戶終端部分可通過衛(wèi)星信號接收器履行具體職能。但北斗系統(tǒng)沒有完整的用戶終端產品生產線和高品質的市場鏈。因此，改進中國科研機構和大學用戶終端的高精度解決算法和相關技術的研究是非常重要的。2.3.3北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位原理北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)通過測量衛(wèi)星至用戶接收機的偽距，利用三球交匯的幾何原理實現(xiàn)定位。如圖所示，N1,N2,N3分別是北斗衛(wèi)星，用戶終端在地面上，那么可以假設，用戶終端與衛(wèi)星N1通過測量，他們之間相距X1，則用戶終端肯定在球面M1上，M1半徑為X1,中心為衛(wèi)星，即N1；以此類推，如果用戶終端與衛(wèi)星N2之間相距X2，則用戶終端肯定在球M2上，M2半徑為X2,中心為衛(wèi)星，即N2；以此類推，如果用戶終端與衛(wèi)星N3之間相距X3，則用戶終端肯定在球M3上，M3半徑為X3,中心為衛(wèi)星，即N3。若用戶終端同時在球面M1上、M2上，則其必在MI和M2的交線B1上。同理，若用戶終端與球面M2、M3相關，則其必在M2和M3的交線B2上。根據(jù)三球交匯原理，如果用戶終端和M1、M2、M3都相關，那么它就是B1和B2的交點上[2]。根掘三顆衛(wèi)星的位置坐標，就可以推算出用戶終端的位置坐標,如圖2.5所示。圖2.5北斗衛(wèi)星定位原理圖2.3.4北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的優(yōu)勢及前景展望(1)北斗應用的優(yōu)勢：它具有定位和通信功能，不需要其他通信系統(tǒng)的支持，而全球定位系統(tǒng)只能起到定位作用；北斗系統(tǒng)覆蓋了中國及其鄰國和地區(qū)，將北斗導航定位系統(tǒng)和衛(wèi)星增強系統(tǒng)這兩個資源整合在一起，特別適合北斗導航、定位系統(tǒng)和用戶數(shù)據(jù)傳輸，不僅對中國，而且對鄰近國家也有貢獻，它適用于獨立型、安全、可靠性、穩(wěn)定、強大的保密性和關鍵部門，可用于豐富其應用程序。(2)北斗系統(tǒng)的功能特點：快速定位，確保用戶在服務區(qū)24小時和實時定位，定位精度符合全球定位系統(tǒng)；短報文溝通，可同時傳送至120個漢語信息；精密度很高，可以提高到20ns。

3.無人駕駛列車自動定位系統(tǒng)的軟硬件3.1硬件接收機和軟件接收機硬件接收機和軟件接收機的區(qū)別如圖3.1所示。圖3.1硬件接收機和軟件接收機的區(qū)別3.2軟件定位接收機3.2.1研究背景GNSS系統(tǒng)是由GPS(全球定位系統(tǒng))，Glonass,Galileo和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，還有與之對應的強化系統(tǒng)組成，特點和優(yōu)勢很明顯，比如整時性、準確度高、而且很可靠，截至2021年，已經比較全面的應用于事關我國發(fā)展、前途和命運的許多關鍵領域，并且憑借其良好的性能和美麗的價格深受我國人民的喜歡。衛(wèi)星定位接收機可以在它的觀測區(qū)域內接收到許多關鍵性的位置信號，位置信號是由相關系統(tǒng)內的衛(wèi)星發(fā)出的，當幾個衛(wèi)星信號出現(xiàn)一定程度的關聯(lián)時，既可以用相關的解算軟件并通過解調及一系列復雜的位置運算算出結果，最終為使用者和終端提供對應的位置信息及導航。全球主要的軟件定位接收機的解算軟件以及處理的算法逐年不斷進步，不斷更新，這是因為基于北斗及其它的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的由衛(wèi)星發(fā)出的信號也隨著技術的發(fā)展不斷出現(xiàn)新的型號,并且隨著衛(wèi)星信號的改進與發(fā)展，除了接收機的軟件系統(tǒng)和算法程序以外，它的硬件系統(tǒng)及其設計結構也要有相應的改變，這樣才能在衛(wèi)星信號的發(fā)射和接收機的信號接收及其處理之間越來越默契，運算位置的結果也越來越精確，但是改變接收機的硬件系統(tǒng)和結構很大程度上會給技術人員、設計者以及終端用戶帶來一定程度的麻煩。因此，一種新型的方法和機器被發(fā)覺和探討出來了，即接收機不改變硬件,通過更迭和升級軟件實現(xiàn)性能升級，增強其信號接收效果，即軟件接收機,這已經成為接收機現(xiàn)代化設計中的一個發(fā)展方向。在裝備衛(wèi)星定位的列車定位系統(tǒng)中，列車的實時位置、運行速度和其他信息可以通過將衛(wèi)星接收器接收到的各種衛(wèi)星信號進行調算來得出。但是衛(wèi)星信號在越來越復雜的列車運行環(huán)境中越來越難以處理且不滿足運行所需的穩(wěn)定性和準確性，固對接收機的性能和結構要求越來越高，既要滿足在較短時間內計算出列車位置，而且推算出的結果要準確可靠，這樣有利于列車的安全和平穩(wěn)運行。完好性指標對結果的可靠性提出更高的要求，即衛(wèi)星信號的可靠性是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)服務質量的一個重要標準，完好性指標意味著該系統(tǒng)能夠及時地發(fā)出故障警報。完好性是指當衛(wèi)星定位誤差過大，超過了我們設置的一個最大值時，能不能探測和消除這些超過期望的誤差。那么在實際定位中，我們應該怎么來評估完好性呢？最常用的辦法就是評估信息是否可靠，為了準確的評估，必須改進信號處理模式、硬件結構。但改變硬件是極其不方便的，我們不能想到，優(yōu)化一次接收機性能就要把接收機“大卸八塊”，把硬件結構通通換掉，消耗大量人力不說，確實難以實現(xiàn)，所以只升級軟件和算法是一個需要借鑒的方向。在列車定位系統(tǒng)中,使用軟件接收機實行故障監(jiān)測，這樣的話，可以使其正常穩(wěn)定運行，起到了監(jiān)測火車位置信息是否正確的作用，也實現(xiàn)了邏輯實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)調整和升級，降低整個列車系統(tǒng)的成本，使整個列車控制系統(tǒng)既靈活性又具有獨立性。推動使用北斗衛(wèi)星導航對未來的列車運行控制系統(tǒng)提出更高的要求，例如實現(xiàn)更安全的目標，有效和經濟地控制火車運行。3.2.2發(fā)展現(xiàn)狀我們都知道，接收機的定位性能是完全可以提高的，在提高的過程中需要使用各種各樣的語言的算法來對其設計和優(yōu)化，那么這就對CPU的要求非常高了，使用的CPU必須同時具備很強的運算和儲存能力，基于上述對軟件接收機的高規(guī)格和嚴要求，使得目前的大多數(shù)軟件接收機多是利用強大PC機的CPU進行運算調整，這樣就可以在暫時不對硬件做出高要求的情況下，直接研究軟件接收器的高性能算法，并為嵌入式系統(tǒng)提供理論和思想基礎。嵌入式系統(tǒng)與PC機相比而言，雖然運算能力、速度和儲存容量大大不如PC機，這就使得嵌入式算法需要在算法和計算量上下功夫，需要開發(fā)出更復雜的算法和更龐大的計算量。然而，他們更靈活，成本更低，易于安裝，這有助于衛(wèi)星定位軟件接收器的實際應用。本篇分析了目前的研究狀況基于PC和嵌入式平臺的程序接收器，按從國外到國內，從以前到現(xiàn)在的順序排列。（1）基于PC的衛(wèi)星定位接收機研究現(xiàn)狀美國的導航系統(tǒng)開發(fā)早，比較成熟，上世紀90年代Cliffordkelley博士設計的GPS軟件接收機為開山鼻祖；2009年丹麥GPS中心造出了能在PC或DSP上運行軟件，從而實現(xiàn)定位的接收機；2013年JAVIER等學者研究了雙星座軟件接收機，并取得了成果；芬蘭學者設計出了定位誤差很低的北斗軟件接收機；Loctronix公司的研究了GNSS軟件接收機，有能力接收且處理多種GNSS信號，實現(xiàn)定位。2009年北京航空航天大學的JIN等開發(fā)了性能強悍，成本較低，可以在能夠在奔騰的CPU上進行位置解算的接收機；2010年復旦大學的趙晉研究出了北斗二代接收機，此接收機與前者相比，更先進，實用，親民，采用的架構基于“硬件模擬前端＋FPGA＋PC”；2012年電子科技大學的羅正平用C語言實現(xiàn)了衛(wèi)星信號處理，當然，這是基于模塊化的思想，模塊化的思想有助于我們提高效率和準確度，穩(wěn)定性高，程序開源，方便借鑒[4]。（2）嵌入式硬件結構的軟件接收機研究現(xiàn)狀那么怎么可以讓軟件接收機能耗低，成本低，性能較好的數(shù)字信號處理器上運行呢？在2001年，AKOS等選用一種性能較為卓越，成本較為低廉的新型芯片，即TMS320C6201DSP芯片，這是一種不錯的核心處理器，由TexasInstryments公司設計并且生產，即把軟件接收機代碼代入到此處理器上進行定位；2006年，美國CORNELL大學設計了一臺新型的軟件接收機，這基于DSP平臺，核心處理器芯片為TMA320C6416DSP芯片，同樣由前一個公司生產，具體實現(xiàn)步驟為：RF前端接收信號，先對其進行處理，比如數(shù)據(jù)采樣，然后由DSP芯片和軟件完成最終工作。在靜態(tài)環(huán)境下，可定位誤差小于5m[4]?；贒SP的軟件接收機如圖3.2所示。DSPDSP芯片圖3.2基于DSP的軟件接收機結構圖3.2.3軟件接收機結構與原理研究人員將一種理念通過設計，設入衛(wèi)星定位接收機，即“軟件無線電”，在衛(wèi)星定位接收機中使用ADC(analogtodigitalconverter)，先把衛(wèi)星所發(fā)射的特殊信號數(shù)字化,這部分在極其靠近天線的地方就可完成，然后來處理數(shù)字信號，這部分在所設計的軟件中完成，最終實現(xiàn)位置信息轉換，進而實現(xiàn)定位。（1）軟件接收機的結構衛(wèi)星定位軟件接收機主要是由天線模塊、射頻模塊以及基帶信號處理模塊組成[5]。其各模塊關系如圖3.3所示。電源天線模塊電源天線模塊射頻模塊射頻模塊信號處理信息處理信號處理信息處理基帶單元基帶單元顯控單元顯控單元圖3.3北斗定位接收機組成①天線模塊：完成終端對衛(wèi)星無線信號的接收，可從貨架成品中選擇。②射頻模塊：完成接收機對接收到的信號的下變頻，有成品可供選擇。③基帶單元：完成對衛(wèi)星導航信號的捕獲、解算信息、測出偽距算?；鶐卧煞譃樾盘柼幚砟K和信息處理模塊。信號處理模塊算得上是基帶單元的基礎部分，在基礎部分當中，主要完成對所接受到的信號進行采樣與捕捉，然后再對其進行解算，分析。信息處理單元可以說是基帶單元的大腦部分，在這里完成數(shù)據(jù)的處理和交換，當然最主要的任務還是報告衛(wèi)星的運行狀態(tài)，由于它是以衛(wèi)星歷書等為前提，所以有著很高的準確性，無愧“大腦”稱號；接下來它就要完成另一部分工作，即把信號處理模塊輸出的導航電文，進行進一步處理，求出星歷，解算終端當前的位置等參數(shù)?；鶐卧捎肁D+FPGA+DSP的架構。軟件接收機平臺示意圖圖如圖3.4所示。圖3.4軟件接收機平臺示意圖基帶單元架構示意圖如圖3.5所示。ROM晶振RROM晶振ROMDSPFDSPFPGAA/D轉換北斗北斗中頻SHUZISSHUZIS數(shù)字SHU接口接口圖3.5基帶單元硬件及功能框圖AD：處理中頻信號，并傳送給FPGA；FPGA：對處理后的信號進行下變頻、解調、同步；DSP：對六路相關數(shù)據(jù)進行讀取、追蹤、計算，然后算出偽距、導航電文、衛(wèi)星位置、接收機位置等。(2)軟件接收機的原理衛(wèi)星發(fā)射L電磁波，由天線模塊將電磁波轉換為電信號，這部分算是處理信號的前沿部分，固信號轉換的準確性也是很重要的；然后射頻前端對射頻信號進行放大，把信號放大有利于下變頻以及后面的處理，進行信號放大算是正式處理信號的開始，必須按一定的標準進行放大；然后產生中頻信號，目前大多是北斗中頻，也有的是北斗和GPS中頻；然后將中頻信號數(shù)字化，這部分自然就要在A/D轉換模塊中完成,最終將數(shù)字化后的信號傳給處理部分，這部分算是中轉部分，起著承上啟下的作用；基帶數(shù)字信號處理部分計算出用戶位置信息，完成這一部分，那么信號處理就算完成，處理完的數(shù)據(jù)必須準確，這就要求這幾部分之間的配合精度必須非常高。軟件接收機載體不同，處理器就不同，如果基于PC，一般由CPU完成；如果是基于嵌入式平臺，就由主芯片完成。3.2.4軟件接收機具有如下特點：(1)更好的通用性軟件接收機射頻前端部分使用硬件結構，其他部分功能由軟件實現(xiàn)。由于傳統(tǒng)的接收機的設計及使用需要很多不同規(guī)格的硬件，因此對比兩者，后者比前者更通用，可以和多種類、多頻率的信號相匹配。(2)更好的定位性能以前的接收機都是用硬件ASIC(applicationspecificintegratedcircuit)，實現(xiàn)信號處理功能的，但是話說回來，由于硬件成本高，當遇到復雜的算法和程式時無法很好的處理，反之，軟件接收機算法雖然復雜，但是可以通過軟件來完成，這樣就省去了大量的人力物力，人們可以將精力放在優(yōu)化算法上、設計更完美的軟件上，最終提高接收機在多信號、抗干擾等方面的性能。(3)更容易實現(xiàn)性能升級硬件接收機主要采用ASIC芯片，來進行接收信號和其他工作，那么需要得到高性能定位就必須對硬件進行改造,對硬件改造就只能重新改造芯片，這樣的話成本高，周期長，研發(fā)慢。而軟件接收機只需要改進算法，需要實現(xiàn)更大變化的話就改變軟件，這樣就提高接收機的功能。

4.無人駕駛列車自動定位系統(tǒng)與C++4.1GNSS系統(tǒng)的時間基準與轉換在列車行駛中，尤其是未來的無人駕駛列車，絕對準確可靠的定位，導航是不可或缺的，定位和導航要可靠，那么時間系統(tǒng)很重要，因為時間系統(tǒng)是GNSS系統(tǒng)有效工作的準繩。從自己的國情和安全出發(fā)，當今全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)都有時間系統(tǒng)，雖然他們之間相互獨立，相互之間有差異，這種差異一般是比較穩(wěn)定的。北斗時間系統(tǒng)(BDT)采用UTC作為基準，此基準是完全可靠的，因為這是中國國家授時中心權威發(fā)布的，兩者之間雖然有一定的偏差，但這種差異是極小的并且可以糾正，BDT的起始點與UTC是一致的，都起始于2006.1.1的0：00，BDT和UTC的偏差在1us以內。4.2用C++實現(xiàn)坐標轉換截至目前，我國的北斗采用的是CGCS-2000坐標系，其以地心地固（ECCF）坐標系為基準。在此我們可以用C++實現(xiàn)坐標轉換，即輸入笛卡爾簡單坐標，可轉換為大地坐標和地平坐標。(1)用C++實現(xiàn)坐標轉換的頭文件代碼#ifndef_坐標轉換_H#define_坐標轉換_H#include<beidou>//CGCS-2000北斗坐標參數(shù)constdoubleL=6378137.0;constdoublebianrate=1/298.257223563;constdouble德爾塔=0.0000001;typedefstructDikaerZuoBiaoXi{ doublex; doubley; doublez;}Dikaer;typedefDikaer*Dikaer2;//DikaerZuoBiaoXitypedefstructDadiZuoBiaoXi{ double經度; double緯度; double高;}Dadi;typedefDadi*Dadi2;//DadiZuoBiaoXitypedefstructDipingZuoBiaoXi{ double距離北; double距離東; double距離上;}Diping;typedefDiping*Diping2;//ZhanXinDiPingXianZuoBiaoXitypedefstructZhanXinDiPingXianZuoBiaoXi{ double范圍; double方位角; double海拔高度;}ZhanXinDiPing;typedefZhanXinDiPing*ZhanXinDiPing2;//ZhanXinDiPingXianZuoBiaoXi//DikaerZuoBiaoToDadiZuoBiaovoidDikaerToDadi(Dadi2DM,Dikaer2ZH, doubledBanchangzhou,doubledBianrate);//DM：PointToDadi2；//ZH：PointToDikaer2；//dBanchangzhou：Banchangzhou；//dBianrate：Bianrate。//DadiZuoBiaoToDikaerZuoBiaovoidDadiToDikaer(Dikaer2ZH,Dadi2DM, doubledBanchangzhou,doubledBianrate);//ZH：PointToDikaer2；//DM：PointToDadi2；//dBanchangzhou：Banchangzhou；//dBianrate：Bianrate。//DikaerZuoBiaoToZhanxindipingZuoBiaovoidDikaerToZhanxindiping(Dadi2ZB, Dikaer2ZH, Dikaer2ZH2, doubledBanchangzhou, doubledBianrate);//ZB：PointToZhanxindiping；//DM：PointTODikaer；//ZH2：TheDikaerOfPointToZhanxin；//dBanchangzhou：Banchangzhou；//dBianrate：Bianrate。//ZhanXinDiPingZuoBiaoToZhanXinDiPing2ZuoBiaovoidZhanXinDiPingToZhanXinDiPing2(ZhanXinDiPing2ZH2,ZhanXinDiPingZB);//ZH2：PointToZhanXinDiPing2；//ZB：PointToZhanXinDiPing；//ZhanXinDiPing2ZuoBiaoToZhanXinDiPingZuoBiaovoidZhanXinDiPing2ToZhanXinDiPing(ZhanXinDiPingZB,ZhanXinDiPing2ZB2);//ZB：PointToZhanXinDiPing；//ZB2：PointToZhanXinDiPing2；#endif(2)用C++實現(xiàn)坐標轉換的源文件代碼#include"坐標轉換.h"#include<zuobiao>#include<shuju>usingnamespacestd;voidDikaerToDadi(Dadi2DM,Dikaer2ZH,doubledBanchangzhou,doubledBianrate){ doublee2; e2=2*dBianrate-dBianrate*dBianrate; DM->經度=atan(ZH->y/ZH->x); doubleM,K,K1=0,P,P1; P1=atan(ZH->z/sqrt(ZH->x*ZH->x+ZH->y*ZH->y)); while(1) { M=sqrt(1-e2*sin(X1)*sin(X1)); K1=dBanchangzhou/M; P=atan((ZH->z+K1*e2*sin(X1))/sqrt(ZH->x*ZH->x+ZH->y*ZH->y)); if(fabs(X-X1)<德爾塔) break; else X1=X; } DM->緯度=X; K=dBanchangzhou/sqrt(1-e2*sin(DM->緯度)*sin(DM->緯度)); DM->高=sqrt(ZH->x*ZH->x+ZH->y*ZH->y)/cos(X)-K;}//DadiZuoBiaoToDikaerZuoBiaovoidDadiToDikaer(Dikaer2ZH,Dadi2DM,doubledBanchangzhou,doubledBianrateening){ doublee2; doubleO; e2=2*dBianrateening-dBianrateening*dBianrateening; O=dBanchangzhou/sqrt(1-e2*sin(DM->緯度)*sin(DM->緯度)); ZH->x=(O+DM->高)*cos(DM->緯度)*cos(DM->緯度); ZH->y=(O+DM->高)*cos(DM->緯度)*sin(DM->經度); ZH->z=(O*(1-e2)+DM->高)*sin(DM->緯度);}//DikaerZuoBiaoToZhanxindipingZuoBiaovoidDikaerToZhanxindiping(ZhanXinDiPing2ZB,Dikaer2ZH,Dikaer2ZHCenter,doubledBanchangzhou,doubledBianrate){ doubledx,dy,dz; dx=ZH->x-ZHCenter->x; dy=ZH->y-ZHCenter->y; dz=ZH->z-ZHCenter->z; DadiJU; JU=(Dadi2)malloc(sizeof(Dadi)); DikaerToDadi(JU,ZHCenter,dBanchangzhou,dBianrate); ZB->距離北=-sin(JU->緯度)*cos(JU->經度)*dx-sin(JU->緯度)*sin(JU->經度)*dy+cos(JU->緯度)*dz; ZB->距離東=-sin(JU->經度)*dx+cos(JU->經度)*dy; ZB->距離上=cos(JU->緯度)*cos(JU->longitude)*dx+cos(JU->緯度)*sin(JU->經度)*dy+sin(JU->緯度)*dz; free(JU);}//ZhanXinDiPingZuoBiaoToZhanXinDiPing2ZuoBiaovoidZhanXinDiPingToZhanXinDiPing2(ZhanXinDiPing2ZBp,ZhanXinDiPingZB){ ZBp->范圍=sqrt(ZB->距離北*ZB->距離北+ZB->距離東*ZB->距離東+ZB->距離上*ZB->距離上); ZBp->方位角=atan(ZB->距離東/ZB->距離北); ZBp->海拔高度=asin(ZB->距離上/ZBp->范圍);}//ZhanXinDiPing2ZuoBiaoToZhanXinDiPingZuoBiaovoidZhanXinDiPing2ToZhanXinDiPing(ZhanXinDiPingZB,ZhanXinDiPing2ZBp){ ZB->northing=ZBp->范圍*cos(ZBp->海拔高度)*cos(ZBp->方位角); ZB->easting=ZBp->范圍*cos(ZBp->海拔高度)*sin(ZBp->方位角); ZB->upping=ZBp->范圍*sin(ZBp->海拔高度);(3)用C++實現(xiàn)坐標轉換的main函數(shù)代碼#include"坐標轉換.h"#include<zuobiaozhuanhuan>usingnamespacestd;intmain(){//Dikaer(x,y,z)DikaerZuoBiao;DikaerZhongxinZuoBiao;//DadiZuoBiaoXiDadiZuoBiaoXiA;DadiZuoBiaoXiB;//ZhanXinDiPingC;//ZhanXinDiPing2D;//Dikaer;//BanchangzhoudoubledBanchangzhou=6378137.0;//BianratedoubledBianrate=1/298.257223563;cout<<"請輸入笛卡爾坐標\n";cin>>ZuoBiao.x>>ZuoBiao.y>>ZuoBiao.z;if(ZuoBiao.x==0){ ZuoBiao.x==1e-6;}DikaerToDadi(&A,&ZuoBiao,dBanchangzhou,dBianrate);cout<<"轉換為大地坐標高度:"<<A.height<<"維度:"<<A.latitude<<"經度:"<<A.longitude<<"\n";cout<<"請輸入笛卡爾中心坐標\n";cin>>ZhongxinZuoBiao.x>>ZhongxinZuoBiao.y>>ZhongxinZuoBiao.z; if(ZhongxinZuoBiao.x==0){ ZhongxinZuoBiao.x==1e-6; } DikaerToZhanXinDiPing(&B,&ZuoBiao,&ZhongxinZuoBiao,dBanchangzhou,dBianrate);cout<<"轉換為站心地平坐標距離北:"<<B.距離北：<<"距離東:"<<B.距離東<<"距離上:"<<B.距離上<<"\n"; system("pause"); return0;}(4)用C++實現(xiàn)坐標轉換的運行結果如圖4.1所示。圖4.2用C++實現(xiàn)坐標轉換的運行結果4.3用C++實現(xiàn)4顆衛(wèi)星的定位4.3.1用C++實現(xiàn)4顆衛(wèi)星定位的代碼前面談到，既然各個國家的定位系統(tǒng)有差異，那么所采用的時間準繩就有一定的差異，但是在全球化的今天，單憑一家的定位系統(tǒng)在地球上做到精準定位確實是由些吃力的，那么我們就可以考慮將不同國家的定位系統(tǒng)之間相互協(xié)調，相互合作，這樣得到的位置信息就很全面了，但是不同國家的準繩不同，這時候用接收機協(xié)調多個系統(tǒng)就必須考慮這個問題。然而在接收機協(xié)調多個系統(tǒng)的實際操作中，并不做時間系統(tǒng)的轉換，因為那確實有些復雜，把功夫放在轉換上會消耗不必要的資源，而且轉換也會有一定的誤差，既然這樣，那么技術人員索性直接把不同系統(tǒng)之間的時間差提取出來，當作未知數(shù)進行求解，命名為“接收機鐘差”，用此方法不僅可以求出未知數(shù)，而且可以降低誤差，真的是一舉兩得。(1)坐標基準與轉換的C++代碼如下：#include<zuobiao>#include<jizhun>#include<zhuanhuan>usingnamespacestd;#defineLIGHT_SPEED300000000voidGetInput(vector<vector<double>>&diff);doubleCalculateRes(vector<double>res,vector<double>diff);voidtrain(vector<double>&res,vector<vector<double>>diff);voidBackForward(vector<double>&res,vector<double>diff,doubleloss,doublelearningRate=5e-17);voidPrintRes(vector<double>res);voidCheck(vector<double>res,vector<vector<double>>diff);intmain(){vector<vector<double>>diff;vector<double>res={100000,-100000,400000,100000};GetInput(diff);train(res,diff);PrintRes(res);//Check(res,diff); system("PAUSE");return0;}doubleCalculateRes(vector<double>res,vector<double>diff){doublex2=(res[0]-diff[0])*(res[0]-diff[0]);doubley2=(res[1]-diff[1])*(res[1]-diff[1]);doublez2=(res[2]-diff[2])*(res[2]-diff[2]);doublet2=(res[3]-diff[3])*(res[3]-diff[3]);returnx2+y2+z2-t2;}voidGetInput(vector<vector<double>>&diff){for(inti=0;i<4;i++){vector<double>point;cout<<"請輸入第"<<i+1<<"個衛(wèi)星坐標:";doubletemp;cin>>temp;point.push_back(temp);cin>>temp;point.push_back(temp);cin>>temp;point.push_back(temp);cout<<"請輸入第"<<i+1<<"個衛(wèi)星發(fā)射時刻和接受時刻的時間間隔t:";cin>>temp;point.push_back(temp*LIGHT_SPEED);diff.push_back(point);}}voidtrain(vector<double>&res,vector<vector<double>>diff){doubleloss;inttimes=10000;for(intepoh=0;epoh<times;epoh++){for(intj=0;j<diff.size();j++){doublepredict=CalculateRes(res,diff[j]);doubleloss=predict-0;BackForward(res,diff[j],loss);//cout<<"epoh"<<epoh*4+j<<":predict="<<predict<<",loss="<<loss<<endl;}}}voidBackForward(vector<double>&res,vector<double>diff,doubleloss,doublelearningRate){for(inti=0;i<res.size();i++){//cout<<(res[i]-diff[i])*loss*learningRate<<endl;if(i!=res.size()-1)res[i]=res[i]-2*(res[i]-diff[i])*learningRate*loss;elseres[i]=res[i]+2*(res[i]-diff[i])*learningRate*loss;}}voidPrintRes(vector<double>res){printf("\n預測的用戶位置：(");printf("%.3lf",res[0]);printf(",");printf("%.3lf",res[1]);printf(",");printf("%.3lf",res[2]);printf(")\n");printf("預測的時鐘差是：%.3lf\n",res[3]/LIGHT_SPEED);}voidCheck(vector<double>res,vector<vector<double>>diff){printf("\n驗算:\n");for(inti=0;i<diff.size();i++){doubleleft,right;left=diff[i][3];right=sqrt((diff[i][0]-res[0])*(diff[i][0]-