陳德旺，魏天磊，侯 贊

（北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

目前，很多國(guó)家在研究數(shù)字軌道地圖技術(shù)，歐洲一些國(guó)家以及美國(guó)已經(jīng)在應(yīng)用GPS技術(shù)生成數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)方面進(jìn)行了一系列研究，并根據(jù)各個(gè)地區(qū)的不同情況提出了不同的數(shù)字軌道地圖的設(shè)計(jì)方法[1~2]。

我國(guó)青藏鐵路采用的ITCS列車控制系統(tǒng)包括車載地圖數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)含有線路描述數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和通信數(shù)據(jù)等內(nèi)容，利用數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的這些數(shù)據(jù)，產(chǎn)生虛擬信號(hào)機(jī)，減少地面設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車站無(wú)人值守[4]。

在軌道信息管理平臺(tái)方面，數(shù)字地圖可以通過(guò)多種平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，是列車控制系統(tǒng)中設(shè)備的重要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。將數(shù)字地圖的大量軌道位置信息存儲(chǔ)在嵌入式系統(tǒng)中，利用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，相比于其他實(shí)現(xiàn)方式，有體積小、重量輕、成本低和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)有效地提供列車定位信息。因此以嵌入式系統(tǒng)作為數(shù)字軌道地圖的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，將嵌入式技術(shù)和應(yīng)用于軌道交通的數(shù)字地圖技術(shù)進(jìn)行結(jié)合是基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）發(fā)展的趨勢(shì)，嵌入式技術(shù)可以為CBTC提供良好的技術(shù)支持。

1 數(shù)字軌道地圖的設(shè)計(jì)與生成

1.1 數(shù)字軌道地圖設(shè)計(jì)

數(shù)字軌道地圖的內(nèi)容包括3個(gè)部分：軌道線路數(shù)據(jù)、鐵路專用數(shù)據(jù)和地形環(huán)境數(shù)據(jù)。而數(shù)字軌道地圖的生成則分為5個(gè)步驟：線路測(cè)繪、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建、編譯、數(shù)據(jù)驗(yàn)證[4]。如圖1。

圖1 數(shù)字軌道地圖生成流程

1.2 軌道位置信息數(shù)據(jù)的測(cè)量及處理

本文利用NovAtel衛(wèi)星定位接收機(jī)測(cè)量彎道數(shù)據(jù)。接收機(jī)通過(guò)設(shè)置可以得到NMEA0183的定位數(shù)據(jù)，在眾多格式的信息中，通過(guò)對(duì)GPGGA格式的信息進(jìn)行截取，就可以獲得經(jīng)緯度等信息。以在北京交通大學(xué)主體育場(chǎng)內(nèi)通過(guò)NovAtel衛(wèi)星定位接收機(jī)接收到一些數(shù)據(jù)為例，在這些數(shù)據(jù)中，要提取的就是數(shù)據(jù)中間的緯度和經(jīng)度信息，并且要通過(guò)數(shù)據(jù)處理把這些經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)，以便生成數(shù)字軌道地圖。

經(jīng)緯度信息提取出來(lái)之后，存在經(jīng)緯度數(shù)據(jù)格式問(wèn)題，有度、度分、度秒3種，本實(shí)驗(yàn)獲取的GPGGA數(shù)據(jù)中經(jīng)緯度屬于[度.分.分]格式。如“39度57.0811分”。將本實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為[度.度]格式。轉(zhuǎn)換完畢后，得到經(jīng)緯度純度數(shù)數(shù)據(jù)。表1為前15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)緯度（純度數(shù)）。

表1 前15個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)經(jīng)緯度（純度數(shù)）

數(shù)字軌道地圖的生成依賴于軌道位置信息數(shù)據(jù)，通過(guò)衛(wèi)星定位測(cè)繪技術(shù)獲取。而GPS定位數(shù)據(jù)是基于WGS-84大地坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)[5]。要把地球表面上的物體和現(xiàn)象繪制到平面圖紙上，就必須解決球面與平面之間的矛盾。本文數(shù)據(jù)處理采用高斯—克呂格投影。原理是將依橢圓柱橫切于地球托球體上，以橢圓柱面與橢球表面的切線為中心經(jīng)線，然后根據(jù)一定的約束條件，將中央經(jīng)線兩側(cè)規(guī)定范圍內(nèi)的點(diǎn)投影到橢圓柱面上，從而得到點(diǎn)的高斯投影，如圖2。

設(shè)投影帶的主子午線經(jīng)度為L(zhǎng)0，地表P點(diǎn)的經(jīng)緯度為（L, B），其高斯平面坐標(biāo)為（x, y），則有高斯投影正算公式如下：

，a和b分別為地球橢球體的長(zhǎng)短半軸。

公式（3）中，X為子午線弧長(zhǎng)，公式中的參數(shù)值如下：

c0=636 744 9.145 823 4，c1=320 09.818 530 6，c2=133.959 889 7，c3=0.697 548 3，c4=0.003 934 1。

利用高斯投影計(jì)算公式，在MATLAB中編程進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，結(jié)果如表2。

表2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果

經(jīng)過(guò)MATLAB下編程的轉(zhuǎn)換，獲得了全部軌道位置信息數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)。并用MATLAB做圖，將軌道位置信息數(shù)據(jù)依次相連，即可獲得軌道線路的數(shù)字軌道地圖。

2 嵌入式數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

生成數(shù)字軌道地圖后，地圖的軌道位置信息數(shù)據(jù)需要合適的平臺(tái)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)管理軟硬件平臺(tái)整體架構(gòu)如圖3。

2.1 硬件架構(gòu)

圖3 軟硬件平臺(tái)架構(gòu)

計(jì)算機(jī)作為開發(fā)平臺(tái)和主機(jī)，通過(guò)串口與嵌入式開發(fā)平臺(tái)S3C44B0的串口相連，將交叉編譯得到的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)傳送給嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)作為終端接收主機(jī)PC端傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行控制，通過(guò)串口給予主機(jī)計(jì)算機(jī)反饋，在主機(jī)PC端通過(guò)超級(jí)終端可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

2.2 軟件平臺(tái)

PC端建立Linux的交叉編譯環(huán)境cygw in，在Linux環(huán)境下將嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uClinux和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite進(jìn)行編譯，生成嵌入式系統(tǒng)可以識(shí)別的二進(jìn)制文件（鏡像文件），利用嵌入式系統(tǒng)的armboot將其載入嵌入式開發(fā)板運(yùn)行。

3 嵌入式操作系統(tǒng)μClinux的移植

μClinux是一款免費(fèi)開源的操作系統(tǒng)，適用于多種嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)。

3.1 下載μClinux源碼

到http://www.μClinux.org/網(wǎng)站下載μClinux源碼。本文用的是μClinux20031103.tgz版本，將獲得的源碼壓縮包μClinux20031103.tgz解壓，并在目錄下生成μClinux-dist的文件夾，這個(gè)文件夾就是要進(jìn)行編譯的μClinux操作系統(tǒng)文件夾。

3.2 編譯操作系統(tǒng)內(nèi)核

生成操作系統(tǒng)文件后，進(jìn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核的編譯。內(nèi)核是操作系統(tǒng)的內(nèi)部核心程序，它向外部提供對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備的核心管理調(diào)用。而編譯內(nèi)核的目的主要是改變內(nèi)核的默認(rèn)選項(xiàng)，編譯內(nèi)核有3個(gè)指令可以使用，可以用其中的任意一個(gè)進(jìn)行編譯。3個(gè)指令如下：

（1）#make con fig（基于文本的最為傳統(tǒng)的配置界面，不推薦使用）。

（2）#make menuconfig（基于文本選單的配置界面，字符終端下推薦使用）。

（3）#make xconfig（基于圖形窗口模式的配置界面，Xw indow下推薦使用）。

本文采用make menuconfig命令進(jìn)行編譯。當(dāng)內(nèi)核的編譯工作完成之后，會(huì)在/μClinux-dist/images目錄下看到3個(gè)文件：linux-bootram.bin，linuxbootrom.bin和rom fs.img。linux-bootram.bin和linux-bootrom.bin是要得到的可以燒寫在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的文件，linux-bootram.bin可以燒寫到嵌入式系統(tǒng)的SDRAM里運(yùn)行，linux-bootrom.bin可以燒寫在flash里運(yùn)行。經(jīng)過(guò)以上步驟，就獲得了編譯好的鏡像文件并且將其燒寫到嵌入式系統(tǒng)里運(yùn)行。

當(dāng)命令行出現(xiàn)之后，操作系統(tǒng)已經(jīng)啟動(dòng)。在命令行中，可以用熟悉的ls等命令查看嵌入式系統(tǒng)中μClinux的情況并進(jìn)行操作。這樣，操作系統(tǒng)μClinux就在S3C44B0的嵌入式平臺(tái)上移植完畢。

4 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite的移植

本文使用的是SQLite-2.8.15.tar.gz版本，到Linux下的vi編輯器來(lái)對(duì)μClinux和SQLite進(jìn)行編輯，編輯以下3個(gè)文件對(duì)內(nèi)核設(shè)置進(jìn)行修改：μ Cli-nux-dist/user/Makefile ；μClinux-dist/config/Configure.help； μClinux-dist/config/config.in。

在對(duì)SQLite的修改中，修改或添加以下4個(gè)文件，可以完成SQLite在μClinux下的編譯：

SQLite/main.mk （修改）；

SQLite/Makefile （添加）；

SQLite/src/os.c （修改）；

SQLite/src/shell.c （修改）。

修改的具體步驟本文不再贅述，通過(guò)對(duì)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)匹配于嵌入式系統(tǒng)S3C44B0和操作系統(tǒng)μClinux的修改，即可進(jìn)行編譯。編譯過(guò)程中，在make menuconfig的user app lication部分可以看到μClinux內(nèi)核中剛添加的Database→菜單，如圖4，進(jìn)入并選擇SQLite，保存退出后按原先的步驟重新編譯內(nèi)核。

對(duì)SQLite的修改完成后，uClinux中已經(jīng)加入了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，再次編譯，在μClinuxdist/images下面就有編譯生成的rom fs文件系統(tǒng)了，這個(gè)就是需要的包含有SQLite的rom fs，可以燒寫在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行。在板子上也可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行“select * from”操作。經(jīng)過(guò)如上過(guò)程，即完成了SQLite的移植[7]。通過(guò)以上編譯和移植的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了ARM 7+μClinux+SQLite的嵌入式數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本論文分析數(shù)字軌道地圖的作用和組成部分，給出GPS數(shù)據(jù)的測(cè)量和處理方法，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)字軌道地圖的嵌入式數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)嵌入式操作系統(tǒng)μC linux和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite在基于ARM 7的嵌入式開發(fā)板S3C44B0上的移植，完成軟硬件平臺(tái)搭建，利用ARM 7+μClinux+SQLite的組合建立數(shù)字軌道地圖的嵌入式數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，為數(shù)字軌道地圖的實(shí)現(xiàn)提供了重要的基礎(chǔ)。嵌入式數(shù)字軌道地圖數(shù)據(jù)管理平臺(tái)體積小、成本低、運(yùn)行速度快，具有重要應(yīng)用價(jià)值。在此平臺(tái)基礎(chǔ)上，可為深入開展精確而且可靠的列車衛(wèi)星定位算法等研究提供有力的技術(shù)支持。

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