(Global Positioning System，全球定位系统)，全称“导航卫星测时与测距全球定位系统”，是美国国防部于1973年11月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫星导航系统,于1994 年建成, 具有全天候、高精度、自动化、高效益、速度快和成本低等显著优点。GPS由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。GPS接收机通过接收卫星信号解算出自身的经纬度位置、速度, 以实现定位导航及定时的功能，成为目前世界上应用范围最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。我国GPS技术也在测量、海空导航、车辆监控调度、导弹制导、精密定位、动态观测、时间传递、速度测量等方面加以应用。

将GPS应用于铁路列车，最早的报道是1984年美国柏林顿北方铁路公司(Burlington Northern)和Rock well公司的合作。在80年代末期，开发出ARES(Advanced Railroad Electronic System)系统，并且已将GPS作为国家铁路标准精确定位系统[1]。目前，欧洲各国铁路正在加强利用GPS技术，并沿相应线路设置差分机站，使之与移动通信技术结合，以提高铁路的通过能力[2、3]。在我国，采用GPS、GIS、GSM和计算机等高新技术集成的RITS(铁路智能运输系统)技术，成功地研制出了铁路“GPS安全报警系统”，该系统已于2001年8月在我国第一条客运专项——秦沈客运铁路专线上交付使用。因此，GPS实时定位技术在铁路列车上的应用将越来越普及，而开发GPS在铁路列车上的应用具有广阔前景。

1 的可行性分析

在我国,机车头灯是不能旋转的，它被固定在机车头部。当机车进入弯道时，机车头灯照射的方向和铁轨线路相切，也就是说，机车头灯不能始终照射在轨道的中心线上。因此，机车在夜间高速行驶中带来了安全隐患。

GPS定位技术的工作原理是，GPS接收机从24颗在轨卫星中选出4颗最佳位置的卫星，卫星发出的时间信号好比一个精确的时钟信号，从而算出每个卫星的半径距离，再以卫星的位置利用三角定位原理定出机车的位置及高度。GPS接收机定位精度在50m以内，如果需要的话，加上后期优化算法处理过程，精确度可以更高，而采用DGPS技术后定位精度可达3m。可见GPS技术是一个高精度的定位技术。

铁路不同于公路，一辆确定的机车只在固定的某一段线路及某一时段上运行。通过装有GPS接收机的控制系统接收离散定位数据，可以高精度的模拟出该机车所经过的铁路轨迹，从而计算出该段线路所有弯道的起始位置、结束位置和曲率半径。当系统获得了以上数据，根据算法和控制指令，可以控制步进电机驱动头灯，使它始终照射在铁路中心线上。

2 系统整体解决方案

2.1 机车头灯自动寻迹系统的硬件构成

本系统使用ARM核微控制器作为控制中心，外围电路由GPS接收机、电气控制模块和Flash存储模块组成。硬件原理图如图1所示。

图1 机车头灯自动寻迹系统硬件原理图

2.1.1 系统中央处理单元

采用Atmel公司的嵌入式CPU芯片AT91R40008，这是一款具有ARM7TDMI核的处理器，外围接口丰富，处理能力强，低功耗，具有两条主要总线：先进系统总线ASB(Advanced System Bus)和先进外围总线APB(Advanced Peripheral Bus)。它用于接收GPS接收机发来的数据、进行线路数据提取，线路算法计算和产生控制信号。

2.1.2 GPS接收机

为简化整个系统的设计，采用了LBWXG1 Jupiter GPS接收机，这款接收机的几个重要参数如下：同时跟踪12颗卫星，重新捕获时间小于2.0s，热启动时间小于18s，冷启动时间小于120s，速度精度为0.1m/s，定位精度小于15m(2dRMS)，时间精度为1μs，加速度限制为4g，速度限制为950m/s，数据更新率为 1次/s，可连续更新，能够输出NMEA格式或者二进制格式数据。该型GPS接收机可以满足机车定位精度要求，用于接收卫星信号，向中央处理器传送数据。

2.1.3 电气控制模块

由专用的硬件电路组成，用于接收微处理器的控制信息，驱动步进电机控制机车头灯旋转。