雙接收北斗衛(wèi)星和GSM-R的動車定位方案研究

盛日興

（蘭州鐵路局蘭州電務(wù)段安全科，甘肅 蘭州 730050）

雙接收北斗衛(wèi)星和GSM-R的動車定位方案研究

盛日興

（蘭州鐵路局蘭州電務(wù)段安全科，甘肅 蘭州 730050）

伴隨現(xiàn)在鐵路的高速發(fā)展，高速列車的定位問題會嚴(yán)重影響列車的運行安全，因此要對高速列車進(jìn)行精確的定位，以確保列車高速安全的運行。原有的列車定位是基于軌道電路、交叉電纜回線、應(yīng)答器、記軸器、航位推算、GSM-R等單一或覆蓋定位方法不能完全保證現(xiàn)有高速列車的全方位定位安全。采用列車前后同時接受雙北斗衛(wèi)星和雙GSM-R的定位，再綜合車載陀螺儀、里程儀用融合算法來實現(xiàn)高速列車精確定位和實時運行安全。本文采用的兩種方法相融合方法提高高速列車定位精度，從而保證了列車的高速行車安全。

北斗衛(wèi)星；GSM-R；動車定位

在列車運行過程中保證高速列車運行安全，高精度的列車定位越來越重要，傳統(tǒng)列車定位方法成本高，且移動定位性能差，不能實現(xiàn)現(xiàn)代高速鐵路智能控制與高效調(diào)度，當(dāng)前研究的雙模GPS/北斗衛(wèi)星定位很大程度上提高了定位精度[1]，適應(yīng)未來鐵路發(fā)展潮流，而且現(xiàn)有的列車定位采用的GSM-R無線列車定位方法，由于現(xiàn)有高鐵速度的提高就需要快速準(zhǔn)確實現(xiàn)列車定位這就對GSM-R提出了挑戰(zhàn)。

因此本文結(jié)合現(xiàn)有的GSM-R鐵路定位系統(tǒng)[2]，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合了我國最新自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，提出了雙接收北斗導(dǎo)航和雙GPS-R的高速列車高精度定位系統(tǒng)。

1 雙接收GSM-R

本文在北斗和DR組合導(dǎo)航的基礎(chǔ)上用車載雙天線，里程計、陀螺儀，設(shè)計基于雙GSM-R并用融合算法[3]精確計算定位。GSM-R采用雙接收天線實現(xiàn)冗余可靠安全。當(dāng)前我國高速鐵路采用CRH型動車組[4]，CRH型車組編組一般是固定不變的，它與動力集中式和分散式列車是不同的，不可以隨便地增減車廂的數(shù)量。CRH型動車組標(biāo)準(zhǔn)使用8節(jié)車來組成一列車組，但是也可以把兩個車組合成一個編組。對于這樣標(biāo)準(zhǔn)的動車編組，本文就使用車載雙天線方案：在列車前端和尾端分別設(shè)置一個通信收發(fā)天線(Ant1和Ant2)，這兩個通信收發(fā)天線通過總線和CCS(CentralControlStation，中央控制站)相連接，受到控制站重點控制操作。動車組通過天線接入通信網(wǎng)絡(luò)，將動車的上行信息發(fā)送到CCS，再由CCS控制將所有的上行信息通過外部的動車車載天線發(fā)送到軌旁的基站中。動車車載雙天線接收到通信基站發(fā)送的下行信息后，CCS對收到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行處理，然后將信息轉(zhuǎn)發(fā)到動車內(nèi)，以形成地面的基站與動車組之間的信息交互。

因為安裝于動車頂端的車載雙天線距離相對較遠(yuǎn)，所以雙天線之間不受其相互影響，提高動車接收信號的質(zhì)量，消除近距離的天線干擾帶來的信號混亂保證信息正確。

本文基于交織站址冗余覆蓋方式，通過車載雙天線和虛擬小區(qū)協(xié)作進(jìn)行通信，當(dāng)一個天線正在切換時，另一個天線實時通信，保證通信不間斷從而實現(xiàn)了高可靠性、高安全性。

2 雙天線切換性能分析

若設(shè)相鄰兩個基站之間的距離是L，動車在越過原服務(wù)小區(qū)BSi時，在t時刻與BSi之間的距離為Xt時，那么動車天線接收信號的強度可用下式表示。

式中：K1是BSi的發(fā)射功率；K2是Hata模型中路徑損耗因子；ε（i）是陰影衰落因子，ε（i）：N（0，σ2）；ψ（i）為衰落影響。列車在行駛過程中，行駛即將交接的小區(qū)為BSj，因此動車車載接收目標(biāo)小區(qū)的信號質(zhì)量為式2所示∶

動車小區(qū)切換的條件在切換之前就要對接收的

信號質(zhì)量進(jìn)行平均值處理，旨在減少小區(qū)切換過程中產(chǎn)生的乒乓效應(yīng)[5]以及切換小區(qū)信息的誤判，并降低了信號衰落引起的信號起伏落差大的問題。本文使用加權(quán)平均進(jìn)行處理，即是∶

式中：St為列車在t時刻接收基站的信號強度；α為加權(quán)因子 (0＜α＜1）；St－Δt為前一次測量時刻t-△t計算的接收的信號強度的平均值t為測量小區(qū)信號質(zhì)量的時間間隔。

如果在兩次測量信號質(zhì)量的時間間隔內(nèi)動車的運行速度V變化較小時，則動車行駛的距離可表示為∶

動車在行駛的過程中，當(dāng)查詢到的從基站傳來信號質(zhì)量滿足切換的條件時，就可以進(jìn)行切換，那么在t時刻，列車開始切換的概率可表示為∶

式中：Γ是動車車載接收到兩個相鄰切換通信基站的信號強度的差；H是滿足動車組與基站之間最底信號強度的閾值。

在本文中，切換發(fā)動可定義為動車雙天線查詢到滿足切換小區(qū)的條件后，開始向目標(biāo)基站進(jìn)行切換操作；切換完成可表示為動車已經(jīng)完成目標(biāo)基站的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入的過程；切換中斷是表示動車與目標(biāo)地面基站間的通信沒有成功切換，導(dǎo)致動車與目標(biāo)基站通訊中斷。

3 雙接收北斗衛(wèi)星

北斗衛(wèi)星由于定位衛(wèi)星軌道的分布的不同，因此其在高遮蔽區(qū)的信號質(zhì)量更高，而且首次定位時間短加上其短報文通信功能，所以更加適用于現(xiàn)代高速鐵路大范圍集中控制管理與調(diào)度，然而在實際中列車可能受森林、沙漠、橋隧、涵洞、山體和建筑物的影響等從而導(dǎo)致部分區(qū)域接收衛(wèi)星信號差，因此采用北斗和GSM-R結(jié)合的組合定位方法實現(xiàn)相互互補的定位[6]。

在列車頭尾各裝一個北斗衛(wèi)星接收器，車頭的衛(wèi)星接收機接收到至少2個衛(wèi)星的定位信息，接收器必須記錄接收到衛(wèi)星發(fā)射的測距信號強弱，同時也要記錄著接收機接收到測距信號的時刻，接收信號時刻時間減去發(fā)射信號時刻的時間等于信號的傳播時間，信號的傳播速度是已定的值，兩者相乘就得到衛(wèi)星距離列車前端的距離長度，因此可以以此距離為半徑進(jìn)行畫圓。同樣的方法對其他的衛(wèi)星進(jìn)行距離換算，得到至少兩個圓，則圓的相交處就是此車頭的位置，而且接收到的衛(wèi)星的信號比較多時，那么定位將會更加準(zhǔn)確。尤其是本文還有列車尾部的衛(wèi)星接收機，則尾部的接收機同樣和頭部的接收機共同工作實現(xiàn)定位，但是頭尾會有定位差，如果列車行走在直線軌道上，車頭和車尾可以通過總線通信計算，那么車頭和車尾的定位差為此列車的定長，且可以輔助檢查列車的完整性，達(dá)到意想不到的效果。

4 北斗衛(wèi)星和GSM-R融合

輔助定位法[7]為在衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域內(nèi)布置靜止的基站以輔助衛(wèi)星的接收器接收信號，實際上就是把微弱的信號在地面加強傳送到移動的機車上，實際上增強接收機的接收能力，采用的輔助定位方法為利用現(xiàn)場的基站并由GSM-R發(fā)送校正信息提高定位精度，而且在CRH列車上裝設(shè)有陀螺儀和里程儀，還有應(yīng)答器接收線圈，把他們的信息融合起來傳送到車載計算機里，并使用信息融合算法進(jìn)行融合分析計算得到最精確的定位信息。

利用輔助的衛(wèi)星定法，移動接收機不用時刻追蹤衛(wèi)星信號，可以很大程度節(jié)省功耗，輔助定位只要同步偽隨機噪聲碼，就可以實現(xiàn)高靈敏度的定位，并且不需要把得知衛(wèi)星信號信息，通過計算機換算出來其最精確位置信息。收集現(xiàn)場資料可以得出各個定位方法的定位精度見表1[8]。

從表1列舉的定位方法比較可以知道利用雙北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、雙GSM-R、陀螺儀和里程儀、航位推算等融合提高動車運行的精確定位，防止因為定位不良或列車在軌道上丟失發(fā)生碰撞，有效地保證了行車安全，提高了列車的可靠性，而且有利于對列車進(jìn)行調(diào)度指揮，提高列車在區(qū)間的優(yōu)化和運行效率。

5 結(jié)論

本文主要介紹了雙接受GSM-R和雙接受北斗衛(wèi)星的在列車定位的定位原理，并在原有的鐵路無線定位系統(tǒng)GSM-R的定位原理的基礎(chǔ)上，將我國最

新研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)相結(jié)合實現(xiàn)了高精確度的列車實時定位。由文中的結(jié)果得出使用基于這兩種定位系統(tǒng)組合技術(shù)不僅僅可以保證高速列車的精確定位，同時保證了鐵路運輸系統(tǒng)的安全可靠。

表1 定位方法比較

[1]郭昊.北斗/GPS雙模衛(wèi)星定位解算方法研究[D].北京交通大學(xué),北京：2015.

[2]羅維平,王東,吳雨川,等.智能交通系統(tǒng)中基于GSM網(wǎng)絡(luò)的移動定位技術(shù)[J].計算機工程,2007,33（23)∶246-248.

[3]姜宇,金晶,張迎春,等.基于HHT的多MEMS陀螺信號融合算法研究[J].控制與決策,2012,27(5)∶646-651.

[4]張曙光.CRH1型動車組[M].中國鐵道出版社，北京：2008.

[5]李朝暉,劉文政.怎樣消除移動通信網(wǎng)絡(luò)中的乒乓位置更新效應(yīng)[J].無線通信技術(shù),2004,13(3)∶42-46.

[6]高青,馬煦,瞿穩(wěn)科等.“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在智能鐵路運輸系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù),2006,46(4)∶128-131.

[7]張昊.移動定位平臺和位置管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：郵電大學(xué),北京：2006.

[8]劉琳.北斗/GPS雙模差分定位技術(shù)的研究及實現(xiàn)[D].北京：交通大學(xué),2013.

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