衛(wèi)星定位信息在機(jī)車無線通信領(lǐng)域應(yīng)用研究

李曉峰

（通號通信信息集團(tuán)上海有限公司，上海 200071）

1 概述

我國鐵路無線通信已從傳統(tǒng)的450 MHz模擬制式向GSM-R數(shù)字移動通信制式轉(zhuǎn)變，目前我國干線鐵路基本完成GSM-R網(wǎng)絡(luò)的改造，新建鐵路無線通信都按GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計(jì)和建設(shè)。在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中采用GPRS分組業(yè)務(wù)無線傳送，是我國鐵路無線調(diào)度通信的技術(shù)特點(diǎn)，如調(diào)度命令信息無線傳送、無線車次號校核信息傳送等都采用GPRS分組業(yè)務(wù)，未來LTE-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)用將為車地?zé)o線通信提供更大的數(shù)據(jù)量，為更多的業(yè)務(wù)運(yùn)用提供條件。

我國鐵路信息化建設(shè)，正在有序推進(jìn)，數(shù)據(jù)資源的運(yùn)用將越來越廣泛，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算是未來信息發(fā)展的必然趨勢，目前各鐵路局已基本完成數(shù)據(jù)網(wǎng)改造，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捰辛撕艽筇嵘瑸樾畔⒒\(yùn)用創(chuàng)造了條件。

目前，我國鐵路的機(jī)車和動車組基本裝備了機(jī)車綜合無線通信設(shè)備（以下簡稱CIR），列車行車無線調(diào)度通信采用兩種方式，在傳統(tǒng)的450 MHz無線列調(diào)區(qū)段， CIR通過內(nèi)置的450 MHz單元，采用450 MHz模擬通信制式與車站、調(diào)度進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)；在GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)段，CIR通過內(nèi)置的GSM-R話音單元和GSM-R數(shù)據(jù)單元，采用GSM-R數(shù)字移動通信制式與車站、調(diào)度進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)。

為滿足行車調(diào)度通信的運(yùn)用要求，CIR需根據(jù)當(dāng)前經(jīng)緯度信息，自動檢索衛(wèi)星定位信息數(shù)據(jù)庫，完成通信模式轉(zhuǎn)換，自動獲取行車調(diào)度通信需要的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。衛(wèi)星定位信息的線路數(shù)據(jù)庫檢索可采用分散處理和集中處理兩種技術(shù)方案，兩種方案各有特點(diǎn)，目前在用的CIR基本采用分散處理技術(shù)方案，實(shí)際運(yùn)用中，也發(fā)現(xiàn)一些問題。

2 線路數(shù)據(jù)庫分散處理技術(shù)方案

目前CIR的衛(wèi)星定位單元，基本采用全球定位系統(tǒng)（以下簡稱GPS）單模芯片，使用的有源衛(wèi)星定位天線，由衛(wèi)星定位單元供電。

衛(wèi)星定位單元內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)板載數(shù)據(jù)庫，用于存儲各運(yùn)行線路的相關(guān)數(shù)據(jù)，列車長交路跨區(qū)段運(yùn)行時(shí)，CIR衛(wèi)星定位單元依據(jù)運(yùn)行列車當(dāng)前的經(jīng)、緯度信息，自動檢索內(nèi)嵌數(shù)據(jù)庫，向主控制單元輸出相關(guān)行車所需的運(yùn)用信息，主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）CIR依據(jù)當(dāng)前獲取的經(jīng)、緯度信息，檢索數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先設(shè)定的切換點(diǎn)位置，CIR自動實(shí)現(xiàn)450 MHz與GSM-R不同工作模式、工作頻點(diǎn)的切換。

2）CIR運(yùn)行在450 MHz通信區(qū)段，衛(wèi)星定位單元根據(jù)當(dāng)前的位置信息，向主控制單元輸出450 MHz調(diào)度通信所需要的當(dāng)前線路和區(qū)段名稱、線路代碼、通信制式和通信頻率等信息。

3）CIR運(yùn)行在GSM-R通信區(qū)段，衛(wèi)星定位單元根據(jù)當(dāng)前的位置信息，向主控制單元輸出GSM-R調(diào)度通信所需要的當(dāng)前線路區(qū)段名稱、線路代碼，列車運(yùn)行前方各車站、當(dāng)前所在車站及后方車站的站名、值班臺電話號碼，當(dāng)前區(qū)段調(diào)度電話號碼等信息。

4）列車運(yùn)行途中，前方出現(xiàn)多條分岔線路，或兩條及以上運(yùn)行線路同向并行且距離較近，衛(wèi)星定位信息無法區(qū)分時(shí)，或多條并行線路共用GSM-R基站時(shí)，衛(wèi)星定位單元根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預(yù)先設(shè)定區(qū)域，向主控制單元和操作顯示終端（以下簡稱MMI）輸出運(yùn)行線路列表信息在MMI上顯示線路列表并語音提示，供司機(jī)選擇確認(rèn)。線路確認(rèn)后，CIR按指定的線路數(shù)據(jù)運(yùn)行。

5）衛(wèi)星定位單元為CIR的其他功能單元提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信息，供各功能單元同步校時(shí)。

這種衛(wèi)星定位信息數(shù)據(jù)庫分散處理的技術(shù)方案，經(jīng)過前期不斷地修改和完善，基本滿足當(dāng)前CIR的實(shí)際運(yùn)用要求，但通過近幾年的實(shí)際運(yùn)用，也發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

1）衛(wèi)星定位單元采用單模GPS芯片，在GPS定位信息無效時(shí)，衛(wèi)星定位單元的功能失效，影響CIR的正常運(yùn)用。

2）衛(wèi)星定位信息線路數(shù)據(jù)庫分散保存在CIR的衛(wèi)星定位單元存儲器中，而CIR設(shè)備又安裝在不同的機(jī)車上，新線路的增加以及既有線路的改造調(diào)整，都需要對衛(wèi)星定位單元線路數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，對分散在各段機(jī)車上的線路數(shù)據(jù)庫逐臺升級，工作量大，維護(hù)不便。

3）各鐵路局之間機(jī)車調(diào)撥頻繁，CIR基本跟著機(jī)車調(diào)撥，即使在同一路局內(nèi)部，機(jī)車分屬不同的機(jī)務(wù)段、動車也隸屬不同的動車段管理，導(dǎo)致衛(wèi)星定位單元線路數(shù)據(jù)庫升級工作的跟蹤維護(hù)困難。

4）增加或修改支線數(shù)據(jù)、聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)以及動車走行線的數(shù)據(jù)等，都需要更新衛(wèi)星定位單元的線路數(shù)據(jù)庫，線路數(shù)據(jù)庫的頻繁升級，帶來線路數(shù)據(jù)庫版本管理難題，尤其是貨運(yùn)機(jī)車，入庫時(shí)間不定，現(xiàn)場抓車難，升級周期長，出現(xiàn)當(dāng)前版本還未升級完成，又發(fā)布了新版本的線路數(shù)據(jù)庫，使現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫版本很難統(tǒng)一。

5）目前各生產(chǎn)企業(yè)CIR設(shè)備的衛(wèi)星定位單元，所使用的線路數(shù)據(jù)庫內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完全統(tǒng)一，現(xiàn)場升級維護(hù)的工裝和方法也不一致，更新維護(hù)方法不盡相同，升級維護(hù)管理的難度大。

6）由于機(jī)車運(yùn)行交路不固定，各機(jī)車CIR衛(wèi)星定位單元的線路數(shù)據(jù)庫版本不統(tǒng)一，可能會影響到實(shí)際運(yùn)用，出現(xiàn)跑該交路的機(jī)車，線路數(shù)據(jù)不完整。

7）目前長交路運(yùn)行的機(jī)車越來越多，因運(yùn)行線路（或區(qū)段）隸屬不同的鐵路局，當(dāng)出現(xiàn)線路數(shù)據(jù)庫需要修改時(shí)，不同鐵路局之間需要協(xié)調(diào)，同步完成困難，會對實(shí)際運(yùn)用產(chǎn)生影響。

8）衛(wèi)星定位單元板載線路數(shù)據(jù)庫容量受限，難以進(jìn)一步提高衛(wèi)星定位信息的精度, 不便于以后的發(fā)展。

9）由于衛(wèi)星定位信息線路數(shù)據(jù)庫分散存儲在各機(jī)車上，未能實(shí)現(xiàn)資源共享，無法為其他鐵路應(yīng)用業(yè)務(wù)提供衛(wèi)星定位的相關(guān)信息，也不利于長期發(fā)展。

針對衛(wèi)星定位信息線路數(shù)據(jù)庫分散處理存在的問題，鐵路總公司也組織各鐵路局用戶、各生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行了研究，并提出相關(guān)解決措施，如：統(tǒng)一接口定義，規(guī)范衛(wèi)星定位信息數(shù)據(jù)庫的升級方法等。但由于數(shù)據(jù)庫分散在各機(jī)車上、更新維護(hù)工作量大、更新周期長、數(shù)據(jù)庫版本管理困難等問題依然存在，為解決以上問題，可以研究探索采用衛(wèi)星定位信息線路數(shù)據(jù)庫集中處理的技術(shù)方案。

3 線路數(shù)據(jù)庫集中處理的可行性

數(shù)據(jù)庫集中處理，是指將衛(wèi)星定位信息的線路數(shù)據(jù)庫設(shè)置在地面服務(wù)器中，各鐵路局可在地面數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中增設(shè)一臺衛(wèi)星定位信息應(yīng)用服務(wù)器（以下簡稱GIS），在服務(wù)器中處理各機(jī)車CIR所需列車行車調(diào)度通信的相關(guān)信息，衛(wèi)星定位單元功能進(jìn)一步弱化，僅輸出衛(wèi)星定位的經(jīng)緯度原始信息。

相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和完善，為衛(wèi)星定位信息數(shù)據(jù)庫集中處理創(chuàng)造了條件；各鐵路局已基本完成地面數(shù)據(jù)網(wǎng)的改造，大幅度提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘删€鐵路已基本完成GSM-R網(wǎng)絡(luò)的改造，新建鐵路都采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)，保障GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。

全路機(jī)車和動車組基本裝備了CIR，并配置GSM-R通信單元，為車地之間定位信息數(shù)據(jù)傳輸創(chuàng)造條件。

雙模定位技術(shù)的運(yùn)用，可提高衛(wèi)星定位單元的可靠性。為保障衛(wèi)星定位信息的運(yùn)用安全，可優(yōu)先選用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱BDS），在CIR衛(wèi)星定位單元內(nèi)部采用BDS和GPS雙模芯片，同時(shí)接收BDS和GPS兩路衛(wèi)星定位信息。正常情況下，衛(wèi)星定位單元優(yōu)先輸出有效的BDS定位信息，當(dāng)BDS信息失效時(shí)，輸出GPS定位信息作為應(yīng)急定位使用。

增加GIS服務(wù)器后, 地面GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 增加GIS后的GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

4 線路數(shù)據(jù)庫集中處理的工作原理

按照鐵路總公司GSM-R相關(guān)技術(shù)條件的規(guī)定，鐵路行車調(diào)度信息、鐵路設(shè)施維護(hù)管理信息、旅客服務(wù)信息以及其他服務(wù)信息均可采用GPRS分組業(yè)務(wù)傳送。無線調(diào)度通信使用的調(diào)度命令信息、無線車次號校核信息、列車啟動和停穩(wěn)信息等，都已采用GPRS傳輸，并在地面設(shè)置GPRS接口服務(wù)器（簡稱GRIS），與各機(jī)車的CIR通信。同樣可在地面增設(shè)一臺GIS服務(wù)器，與CIR通信，處理CIR行車所需要的相關(guān)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)信息。

各鐵路局GIS服務(wù)器，存儲本局管內(nèi)的各條線路的相關(guān)衛(wèi)星定位應(yīng)用數(shù)據(jù)信息，包含各線路經(jīng)緯度、公里標(biāo)、小區(qū)和位置區(qū)代碼、線路名稱、區(qū)段名稱、線路代碼、工作模式號、相關(guān)各車站名稱、車站值班臺電話號碼、當(dāng)前行車調(diào)度臺的電話號碼、以及線路列表等信息，為CIR運(yùn)行提供信息服務(wù)，流程如下。

1）CIR加電開機(jī)后，主控制單元控制GSM-R話音單元、GSM-R數(shù)據(jù)單元完成GSM-R網(wǎng)絡(luò)注冊；控制GSM-R話音單元完成車次號功能號和機(jī)車號功能號注冊；控制GSM-R數(shù)據(jù)單元完成PDP激活，并獲取IP地址后，向GROS申請當(dāng)前GRIS的IP地址和當(dāng)前GIS的IP地址。

2）CIR獲取到當(dāng)前GIS的IP地址后，如果衛(wèi)星定位信息有效，則向GIS發(fā)送當(dāng)前的經(jīng)、緯度信息，GIS根據(jù)經(jīng)、緯度信息檢索數(shù)據(jù)庫；如果需選線，則向CIR返回線路列表信息。否則，向CIR返回當(dāng)前的線路和區(qū)段名稱、工作模式以及與行車相關(guān)的調(diào)度、車站信息。

3）CIR主控制單元接到線路列表信息后，轉(zhuǎn)發(fā)至MMI，同時(shí)向GIS發(fā)送應(yīng)答信息；MMI顯示線路列表信息，并語音提示司機(jī)選擇運(yùn)行線路；指定運(yùn)行線路后，CIR保存當(dāng)前線路代碼信息。

4）CIR在經(jīng)過進(jìn)、出站信號機(jī)需要GIS發(fā)送當(dāng)前位置信息，包括經(jīng)緯度、線路代碼、公里標(biāo)等信息。

5）CIR最多不超過30 s，定時(shí)向GIS發(fā)送當(dāng)前位置信息，包括經(jīng)緯度、線路代碼、公里標(biāo)等信息。

6）GIS接收到CIR發(fā)送的位置信息，進(jìn)行線路數(shù)據(jù)庫檢索，并向CIR返回當(dāng)前的線路和區(qū)段名稱、工作模式以及與行車相關(guān)的調(diào)度、車站信息。

7）CIR根據(jù)GIS返回的信息，自動進(jìn)行工作模式的切換，在MMI上顯示線路和區(qū)段名稱、工作模式、調(diào)度和車站的相關(guān)信息，供司機(jī)行車運(yùn)用。

8）當(dāng)GIS發(fā)現(xiàn)列車位置已經(jīng)超出其管轄的范圍時(shí)，自動向GROS發(fā)送目標(biāo)GIS的IP地址更新請求，GROS向CIR返回目標(biāo)GIS的IP地址。

9）CIR收到更新目標(biāo)GIS的IP地址后，向新的GIS報(bào)告列車位置信息，與新GIS建立通信聯(lián)系。

衛(wèi)星定位信息線路數(shù)據(jù)庫集中處理，將有利于線路數(shù)據(jù)庫的版本管理，方便用戶對線路數(shù)據(jù)庫維護(hù)和管理。

1）各鐵路局只需將驗(yàn)證后的線路數(shù)據(jù)加載到地面GIS中，各機(jī)車CIR可直接調(diào)用，與CIR的衛(wèi)星定位單元無關(guān)。

2）后期線路數(shù)據(jù)的增加、修改等維護(hù)，僅需要在GIS服務(wù)器上進(jìn)行，大大減少維護(hù)工作量。

3）在GIS側(cè)增加、修改線路數(shù)據(jù)庫，效率比較高，調(diào)整及驗(yàn)證速度快。

4）將線路數(shù)據(jù)集中存儲在GIS中，安全可控，便于鐵路局的管理。

5）衛(wèi)星定位單元采用BDS和GPS雙模芯片，可靠性高，僅需輸出原始經(jīng)緯度信息，提高了不同生產(chǎn)企業(yè)衛(wèi)星定位單元的互換性，維護(hù)成本降低。

6）線路數(shù)據(jù)集中存儲在GIS中，維護(hù)部門不需要考慮跨局運(yùn)行機(jī)車CIR的線路數(shù)據(jù)制作與加載問題，任何修改僅在相關(guān)鐵路局內(nèi)部進(jìn)行，無需通知CIR生產(chǎn)企業(yè)重新編輯修改線路數(shù)據(jù)庫。

7）GIS運(yùn)行速度快、存儲容量大，能存儲更高精度的線路數(shù)據(jù)信息，可進(jìn)一步提高衛(wèi)星定位的精度。

8）若雙模芯片的衛(wèi)星定位單元也出現(xiàn)故障，還可通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)號和位置區(qū)號進(jìn)行粗略定位，輸出相關(guān)行車需要的信息，能進(jìn)一步弱化故障，保障行車安全。

9）隨著鐵路信息化的全面推進(jìn)，大數(shù)據(jù)運(yùn)用水平的提高，衛(wèi)星定位信息數(shù)據(jù)庫不斷完善，GIS也可為鐵路其他專業(yè)提高運(yùn)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享。

目前，我國部分既有線路還在采用傳統(tǒng)的450 MHz模擬通信制式，由于缺少車地之間的傳輸通道，無法與地面GIS建立通信聯(lián)系；但在450 MHz通信區(qū)段，采用廣播式呼叫通信，僅需要知道通信制式和頻率，可使用MMI內(nèi)部配置的線路列表，司機(jī)通過手動方式，人工選擇對應(yīng)運(yùn)行線路來實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)束語

根據(jù)工信部《關(guān)于加強(qiáng)450-470 MHz頻段管理的通知》和《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)450-470 MHz頻段管理的通知》的要求，從2012年4月1日起，工信部將停止對含有450-470 MHz頻段無線電發(fā)射設(shè)備的型號核準(zhǔn)，不再辦理已取得含有該頻段無線電發(fā)射設(shè)備型號核準(zhǔn)證書, 按照國家無委的統(tǒng)一規(guī)劃，450-470 MHz的20 MHz頻段已劃分給LTE，鐵路450 MHz模擬制式的列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)，將逐步被GSM-R鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)替代。GSM-R分布式基站和GSM-R數(shù)字光纖直放站的技術(shù)越來越成熟，價(jià)格也越來越低，既有線路450 MHz車站設(shè)備，壽命后期將逐步改造成GSM-R網(wǎng)絡(luò)；無論采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)還是未來建設(shè)LTE-R網(wǎng)絡(luò)，都為衛(wèi)星定位信息線路數(shù)據(jù)庫集中處理創(chuàng)造了條件，設(shè)置GIS是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，既可以實(shí)現(xiàn)資源共享，又能大幅度提高運(yùn)用維護(hù)水平。

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