GPS定位在车载补偿电容测试系统中的应用

颜海英，孔令富，李 林

（燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004）

1 引 言

UM71轨道电路每间隔100 m左右两轨间并接一个电容器，正常值为33μF，称为补偿电容。补偿电容是UM71轨道电路的重要组成部分，它的作用是改善轨道电路在调整状态和分流状态的传输特性，延长轨道电路的传输距离，确保钢轨中有足够的信号电流向机车发送信息。然而由于易受温度湿度以及人为因素的影响产生电容电特性参数漂移或接触不良，导致补偿电容老化、失效或丢失，最终影响铁路信号的正常传输，故需经常检查。

为满足铁路工务段对轨道电路检查的需求，在国内，铁路有关部门和一些研发机构开发了一些专用的轨道电路在线综合参数测试仪，典型产品有郑州麦科信电子技术有限公司的ME2000B轨道电路综合测试仪、北京博学宏业信息技术有限公司的WXY111B型通用测试仪等。该课题组也已研制了一种便携式UM71型无绝缘轨道电路测试系统[1]，通过对测量出来的补偿电容容值来判断其工作状态，以免影响列车的正常运行。但在实际使用中发现一些问题，因为需要对每个电容使用测试仪进行人工检测，费时费力，效率低，工作量大。为此，开发了新的轨道电路测试系统，系统中使用了先进的全球卫星导航定位系统来进行故障定位。新系统通过实验测试，取得了良好的测试效果。

补偿电容测试新系统进行实时采集时，把采集装置安装在机车上采集轨道电路信号，通过对测量数据处理和分析来进行故障检测，然后对检测结果进行定位，新系统中以车代人进行检测，使得检测更快、更安全，同时节省了人力资源。

2 车载补偿电容测试系统的总体设计

系统结构框图如图1所示，系统硬件包括感应线圈传感器、数据采集卡、GPS接收机、天线、电源和笔记本电脑等。铁路检测车的下方第一轮对前方装有感应线圈如图2所示，当列车运行，其第一轮对压上轨道电路时，传感器测得模拟信号，接着模拟信号经数据采集卡的模数转换，然后通过USB接口输入处理器。GPS接收机接收GPS信息，经RS232串行口传输给笔记本电脑。最后计算机USB接口和串口分别接收两种测量值。

图1 测试系统结构图

图2 UM71轨道电路构成

系统软件为用户提供友好的人机交互界面，其总体结构可分为3个层次：（1）底层设备驱动程序；（2）上层控制软件；（3）故障诊断程序，如图1所示。采集卡驱动程序是实现底层的数据采集和数据预处理的功能[2]，上层控制软件是控制采集的轨道电路数据和GPS数据的存储、显示等，这两个部分都是实时控制；故障诊断程序则是离线处理分析由前两个部分协作得到的采集数据文件，提取补偿电容故障信息。

3 GPS定位部分的详细设计

根据需要并处于成本的考虑，系统选择了已开发的车辆导航定位型接收机。这种类型的接收机一般采用C/A码伪距测量，虽然单点实时定位精度较低，文中定位经度为10m左右，但是因为电容间隔在100m左右，所以足够可以区分两个电容的位置。

3.1 与GPS接收机的通信

首先要完成GPS接收机与PC机的接口电路的设计，由于GPS接收机为CMOS电平，而计算机的串行口要求的是RS232电平，所以必须进行电平转换。其次，对GPS接收机进行系统设置，GPS接收机可以发送几十条组合信息，为节约接收时间，设置GTRMC包含系统所需信息的语句，屏蔽其他所有语句，并设置其数据输出格式为NMEA-0183标准格式，通信协议为全双工异步串行通信方式（波特率为9600，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶标志位）。

GPS接收机作为系统的重要组成单元，主要实现对其有用信息（包括经度、纬度、速度、定位标志位等信息）的提取，最后有效地利用这些信息解决系统的定位问题。系统利用Microsoft的MSComm控件实现对GPS接收机的通信，通过对MSComm控件的OnComm事件的响应，对RS232串口采用查询方式[3]。

3.2 GPS接收数据有用信息的提取[4-5]

采集系统只负责从串口接收GPS数据并将其存放于硬盘，这些信息必须通过程序预处理才能提取出有用的定位信息数据。文中的GPS接收机使用的是NMEA-0183的传输协议，对于通常的情况，定位数据如经纬度、速度、时间等均可以从“SGPRMC”帧中获取得到，例如：

上述语句中包含了坐标（大地经纬度）、速度、时间（UTC时间）、卫星数目、差分状态等信息。文中通过搜寻“SGPRMC”来判断是否是一帧数据的帧头，在对帧头的类别进行识别后再通过对逗号个数的计数来判断出当前正在处理的是哪一种参数，并做出相应的处理。所以在对GPS数据进行解帧处理时，找到第一个以“SGPRMC”开头的语句时，先通过有效位判断此语句是否有效，若有效则提取经度、纬度保存到数组变量DGPS（见表1），若无效继续查找后续的以“SGPRMC”开头的语句。

表1 DGPS数据结构

4 GPS信息在故障定位中的应用

4.1 定位原理

GPS卫星定位系统能提供全天候、连续、实时的高精度导航参数，实现三维定位，并可提供精确的时间信息。应用GPS定位系统进行定位有多种实现方式，该文选择以GPS提供的给定坐标系下的经度、纬度进行直接定位[6]。

GPS信息主要用于对故障补偿电容进行定位，然后根据定位信息对相关补偿电容进行维护。为了进行定位，首先在采集数据时采用预先设定的数据存储结构（每写入一定字节的轨道电路数据接着写入设定字节的GPS数据），每段GPS数据对其前面的一段轨道电路进行定位。如果查找到的故障补偿电容在第n次写入的轨道电路数据里，那么其定位信息就是第n次写入的GPS信息里提取出来的经纬度[7]。

如图3所示，对分离后的轨道电路数据进行滤波、平滑等处理得到数据集DTRACK[8]，结构如表2所示。DTRACK作为故障诊断程序的输入[9]，输出检测结果集，具体用一个采样点来代表每个补偿电容，在第三部分中对GPS有用信息提取得到数据集DGPS（结构如表1所示），在DGPS中查找这个采样点对应的经纬度，一起保存到结构如表3所示的变量S中。

图3 故障诊断流程图

表2 DTRACK数据结构

表3 诊断结果表格显示

4.2 实验分析

首先使用车载UM71轨道电路补偿电容测试系统从西安蔡家坡到眉县采集轨道电路数据和GPS数据，然后对这段实际测量数据进行如图3所示的故障诊断，输出如表3所示的补偿电容的信息，表中每行代表一个补偿电容的信息（包括序号、采样值、纬度、经度和有无故障标识）。表格显示一段轨道电路区间电容检测结果，说明这个轨道电路区间共安装了9个补偿电容，而且检测结果显示均无故障，不需要进行维护，若为故障电容则最后一项值为“0”，然后根据经纬度信息对补偿电容进行维护。通过相关铁路部门提供的数据显示该次测试结果完全正确，即所测轨道电路区间补偿电容全无故障。

虽然实验结果给出的经度和纬度的数据只在小数点后第三位或第四位才有变化（如表3所示），但是根据地球经度每相差一度实际距离相差111.32 km和纬度每相差一度实际相差111.13km等相关理论，通过高斯坐标变换公式，计算出每两个补偿电容之间的距离为100 m左右，和实际距离基本符合。由于系统不需要计算出相邻两个补偿电容距离，因此在这具体算法不在阐述。

5 结束语

该文介绍了用GPS卫星定位系统解决车载轨道电路补偿电容测试系统的定位问题，实际测试表明，系统效果比较理想，解决了原便携式测试系统沿线测试每个电容费时费力的问题。虽然新系统也存在新的问题，如穿越隧道等地段时GPS信号丢失，系统无法正常工作。但GPS技术有很大的发展潜力，未来系统可利用经纬度信息直接定位并结合数据库处理检测的数据，可使检测系统多媒体化，使定位图形化、直观化。

[1] 张成刚，孔令富.基于MSP430的轨道电路在线测试系统设计与实现[J].电子技术应用，2007（9）：85-86.

[2] 杨 申，陈 伟.基于无线USB的数据采集系统[J].仪器仪表学报，2004，25（4）：515-518.

[3] 公丕波，郝金明，朱伟刚，等.GPS接收机与PC机间串口通信的实现[J].海洋测绘，2005（3）：35-37.

[4]李拥军.GPS定位系统中数据读取和坐标的转换铁路[J].计算机应用，2005，14（4）：43-45.

[5]张 健，张 惠.GPS接收机检定方法的实验研究[J].计量与测试技术，2009，36（8）：37-38.

[6] 高 伟，晏 磊，徐绍铨，等.GPS天线相位中心偏差对GPS 高程的影响及改正研究[J].仪器仪表学报，2007，28（11）2052-2058.

[7] 单庆晓，陈建云，钟小鹏，等.基于数据文件读取的GPS信号模拟技术[J].电子测量与仪器学报，2009，23（5）：79-84.

[8]李 琦，赵京城.吸波材料反射率测试曲线平滑方法[J].电子测量技术，2007，30（12）：10-12.

[9]徐绍铨，吴祖仰.大地测量学[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2000.