武文平 王瑞峰

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

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GPS-ZigBee組合定位在現(xiàn)代有軌電車定位中的應用

武文平 王瑞峰

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,730070,蘭州∥第一作者,碩士研究生)

目前，現(xiàn)代有軌電車定位主要采用GPS(全球定位系統(tǒng))定位方式，在某些特殊地區(qū)其定位精度會受到影響,提出GPS-ZigBee(紫蜂協(xié)議)組合定位的方式定位來解決這一問題。并且提出使用聯(lián)邦卡爾曼濾波器對GPS定位數(shù)據(jù)和ZigBee定位數(shù)據(jù)進行濾波融洽，提高GPS-ZigBee定位組合的定位精度。結果表明,經(jīng)過融合濾波,GPS-ZigBee組合定位在提高現(xiàn)代有軌電車定位精度方面,比較原有的定位系統(tǒng)更具優(yōu)越性,使現(xiàn)代有軌電車定位系統(tǒng)的定位精度得到有效改善。

現(xiàn)代有軌電車; GPS-ZigBee組合定位; 定位精度; 聯(lián)邦卡爾曼濾波

Author′s address College of Automatic & Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,730070,Lanzhou,China

目前，現(xiàn)代有軌電車主要采用GPS(全球定位系統(tǒng))結合速度傳感器的方式進行定位。在城市高樓密集區(qū)、高架橋下、隧道里等地方，GPS信號受到干擾較大,現(xiàn)代有軌電車在這些地方甚至有可能接收不到GPS信號,導致定位誤差比較大,因此需要結合其他定位方式來實現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車的實時連續(xù)定位。ZigBee(紫蜂協(xié)議)技術具有高安全性、高可靠性、組網(wǎng)方便等諸多優(yōu)點,所以選取GPS-ZigBee組合定位方式。文獻[1]提出了一種基于ZigBee傳感器網(wǎng)絡和DGPS定位方式進行協(xié)同及數(shù)據(jù)交換的無縫定位方法,但是只是利用了ZigBee的通信功能對GPS信號進行傳輸與交互,并沒有綜合利用兩者在定位方面的優(yōu)勢進行歸集或數(shù)據(jù)的綜合處理[1]。文獻[2]提出了GPS與蜂窩網(wǎng)相結合的無縫定位,但是由于蜂窩網(wǎng)的定位精度較低,只能定位出物體的大概位置,會影響整個無縫定位系統(tǒng)的精度[2]。文獻[3]提出了TV-GPS融合技術實現(xiàn)無縫定位,但是提出的實施方案沒有用濾波算法或相關算法進行數(shù)據(jù)的平滑處理,定位效果不能得到保障[3]。文獻[4]提出了GPS和無線傳感器網(wǎng)絡融合定位算法,但是僅僅是通過權重等計算方式進行簡單的組合,其實時性較差[4]。

本文將GPS和ZigBee定位技術相結合,將兩者應用于現(xiàn)代有軌電車的定位系統(tǒng)中,形成組合定位。使用聯(lián)邦卡爾曼濾波器中對GPS定位數(shù)據(jù)和ZigBee定位數(shù)據(jù)進行融合,實現(xiàn)兩者的組合定位。在現(xiàn)代有軌電車運動過程中,當GPS信號受到遮擋或其他因素影響,現(xiàn)代有軌電車定位不準確時,可以對GPS和ZigBee各自采樣出來的點通過聯(lián)邦卡爾曼濾波進行濾波融合,使定位系統(tǒng)的效果能達到最優(yōu),有效提高GPS-ZigBee組合定位的定位精度[1]。

1 GPS和ZigBee技術

1.1 GPS定位技術

GPS是當今世界上應用最廣泛的全球精密導航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)[4]。GPS的系統(tǒng)包括三個部分:空間運行系統(tǒng)(由24顆衛(wèi)星組成)、地面監(jiān)控系統(tǒng)(包括1個主控站、5個監(jiān)控站和3個注入站)和用戶系統(tǒng)(GPS接收機)。

GPS的定位過程為:衛(wèi)星連續(xù)向地球發(fā)射經(jīng)過編碼調(diào)制的連續(xù)波無線電信號(信號中含有衛(wèi)星準確的發(fā)射信號時間和其空間位置),GPS接收機接收此無線電信號,測量信號的到達時間,計算衛(wèi)星和用戶之間的距離,然后用濾波法解算得到用戶的位置[5]。

1.2 ZigBee定位技術

ZigBee技術是一種新型的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術,它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案,在無線傳感網(wǎng)絡中有著非常廣闊的應用前景[6]。ZigBee協(xié)議是以IEEE 802.15.4無線通信協(xié)議標準為基礎,在IEEE 802.15.4定義的物理層(PHA)和介質(zhì)訪問控制層(MAC)之上,將網(wǎng)絡層和應用層進行標準化而形成的ZigBee標準。

2 GPS-ZigBee組合定位

現(xiàn)代有軌電車在進入GPS信號接收較差的區(qū)域時,使用GPS-ZigBee組合定位。盲節(jié)點(待定位節(jié)點)置于現(xiàn)代有軌電車的車載設備中,通過感應它的移動來實現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車的定位(ZigBee定位方式),進而實現(xiàn)現(xiàn)代有軌電車的組合定位?，F(xiàn)代有軌電車的定位過程如圖1所示。

圖1 現(xiàn)代有軌電車定位過程

2.1 組合定位原理

一般情況下,GPS定位方式和ZigBee定位方式的定位精度不同,兩者的數(shù)據(jù)格式也不同,而且加入ZigBee測量值后,對系統(tǒng)的定位精度也有影響。所以,要對兩種定位方式進行融合濾波計算。GPS-ZigBee組合定位的原理圖如圖2所示。

圖2 GPS-ZigBee組合定位原理圖

但是在現(xiàn)代有軌電車GPS-ZigBee組合定位系統(tǒng)中,由于其四周動態(tài)事物的影響,各天線增益在不同方向上會存在差異從而影響到GPS-ZigBee組合定位的精度[7]。本文以增加單個ZigBee測量值對定位系統(tǒng)的定位精度影響為例,作出如下理論分析。

令Hm-1，i,為從m顆衛(wèi)星中去掉第i顆衛(wèi)星(i=1,2,…,m)得到的m-1顆衛(wèi)星測量矩陣,Hm為增加一個ZigBee測量值后的觀測矩陣,增加的第i個ZigBee測量矢量為:hi=[exieyiezi0],exi、eyi、ezi分別為x、y、z方向上的第i個ZigBee測量值,兩者有如下關系[7]:

(1)

由Sherman-Morrison公式可得:

(2)

(3)

(4)

增加一個ZigBee測量值后,對減小FGDOP(幾何精度因子)值的貢獻為r,則有:

(5)

一般情況下,GPS定位設備和ZigBee定位設備的定位精度不同,在加入單個ZigBee量測值之后,系統(tǒng)定位誤差σx2為:

(6)

2.2 場景分析

假設現(xiàn)代有軌電車在筆直的道路上行駛,電車行駛區(qū)域內(nèi)的局部環(huán)境都各不相同。以某市現(xiàn)代有軌電車1號線為例,現(xiàn)代有軌電車的定位場景圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)代有軌電車定位場景圖

在城市高樓林立的地方、立交橋下以及隧道里等地方GPS信號接收較差,現(xiàn)代有軌電車甚至有可能接收不到GPS信號,因此使用ZigBee定位設備；在郊區(qū)、廣場周邊等比較空曠的地區(qū),GPS信號接收良好,就使用GPS定位設備；在兩區(qū)域交界的地方(即過渡地帶),使用GPS-ZigBee組合定位設備。

3 結果分析

GPS具有全天候、高效率、功能可靠性高等特點,但是GPS的定位精度受環(huán)境因素影響較大[9]。GPS系統(tǒng)的定位誤差影響因素較多,而且誤差較大,而采用GPS-ZigBee組合定位的方法就可以很大程度上降低定位誤差。圖4是三種定位方法在不同環(huán)境下成功率的比較。從圖4中可以看出,GPS定位在隧道里的成功率是最低的,而組合定位的方法可以適用于任何地區(qū)。

圖4 三種定位方法在不同環(huán)境下定位結果比較圖

選取該市現(xiàn)代有軌電車車載GPS一天的實時定位數(shù)據(jù),利用聯(lián)邦卡爾曼濾波算法進行處理。圖5是數(shù)據(jù)處理后的GPS-ZigBee組合定位與GPS單獨定位的定位誤差比較圖,從5圖中可以看出,GPS單獨定位的定位誤差在3～7 m之間,而GPS-ZigBee組合定位的定位誤差可減小至2 m以下。該圖反映了GPS-ZigBee組合定位的定位精度大大提高,可以滿足現(xiàn)代有軌電車的定位精度需求,實現(xiàn)其實時連續(xù)定位,為乘客不間斷地提供現(xiàn)代電車的具體位置,方便乘客出行。

圖5 不同定位方式的定位結果比較圖

[10]可以將定位精度分為四個等級,如表1所示[10]。

表1 定位精度等級評估表

根據(jù)表1所列出的定位精度等級評估標準,對GPS定位和GPS-ZigBee組合定位作出比較。表2列出了比較的結果。

從表2中可看出,GPS-ZigBee組合定位的定位精度遠遠高于GPS單獨定位精度。借助聯(lián)邦卡爾曼濾波算法,GPS-ZigBee組合定位方案很大程度上提高了現(xiàn)代有軌電車定位系統(tǒng)整體的定位精度,與單獨使用GPS定位設備相比,現(xiàn)代有軌電車的定位精度提高了近70%。

表2 GPS定位與GPS-ZigBee組合定位精度比較表

4 結語

本文提出了一種基于聯(lián)邦卡爾曼濾波方法的GPS-ZigBee組合定位的方法,充分結合了GPS定位精度相對較高、實時連續(xù)定位和ZigBee定位設備網(wǎng)絡容量較大、定位精度也很高、頻段較靈活等特點,有效地解決了GPS在某些惡劣環(huán)境下(隧道、城市高樓密集區(qū)等)定位精度受到限制的問題。該定位方法具有定位精度較高、可用性較強等優(yōu)點,并且具有很廣闊的應用前景,實現(xiàn)了現(xiàn)代有軌電車的實時精確定位,能夠提供更準確的定位信息,可以有效地保障現(xiàn)代有軌電車的運行安全,能在一定程度上改善城市軌道交通的運營水平,緩解交通狀況。

參考文獻

[1] 黃一杰,陳佳品,李振波.基于Zigbee的GPS相對定位技術[J].微機計算機信息,2008,24(31):224.

[2] 王視環(huán).蜂窩網(wǎng)與GPS相結合的手機混合技術——GPSOne[J].信息與電子工程,2004,2(3):238.

[3] 田安紅,周非,付乘彪.TV-GPS技術融合實現(xiàn)無縫定位分析[J].寬帶網(wǎng)絡,2009,33(8):54.

[4] 武昊然.GPS和無線傳感網(wǎng)絡融合定位算法研究[J].計算機仿真,2009,26(11):145.

[5] 王權.全球定位系統(tǒng)(GPS)定位原理及應用[J].中國計算機用戶,1996(7):5.

[6] 青島東合信息技術公司.ZigBee開發(fā)技術及實踐[M].西安:西安電子工業(yè)大學出版社,2014.

[7] 李程,錢松容.射頻識別動態(tài)定位方法[J].通信學報,2013,34(4):144.

[8] 米根鎖,羅淼,牛彥霞.混沌微粒群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法在城市有軌電車定位中的應用[J].鐵道學報,2015,37(6):67.

[9] 張威奕,陳秀萬,李穎,等.基于GPS和ZigBee融合的無縫定位方法研究[J].寧夏大學學報(自然科學版),2013,34(1):40.

[10] WELLENHOF B H,LICHTENEGGWR H,COLLINS I.Global positioning system:theory and practice [M].4st ed.Springer-Verlag,Michigan,1997.Journal of South China University of Technology.

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Application of GPS/ZigBee Integrated Positioning System in Modern TramWU Wenping, WANG Ruifeng

At present, modern tram often uses GPS positioning system, but the positoning accuracy is affected in some special areas. To solve this problem, a plan to adopt GPS/ZigBee integrated positioning is proposed, because the positioning accuracy could be increased by using Federal Kalman filter to integrate GPS and ZigBee positioning data. The result reveals that GPS/ZigBee integrated positioning has more advantages than the original positioning system in increasing the accuracy of modern tram's positioning. Consequently, it can enhance the accuracy of modern tram positioning system and improve the modern tram operation.

modern tram; GPS-ZigBee integrated positioning; positioning accuracy; Federated Kalman filter

*甘肅省自然科學基金(1310RJZA046)

U 482.1; TN926+.23; P 228.4

10.16037/j.1007-869x.2016.05.031

2015-12-08)