基于二次雷達的列車輔助防護系統通信方法研究

楊麗麗 王延翠

摘要：目前，城市軌道車輛已逐漸開始二次雷達通信方法進行前、后列車距離檢測，并用于列車安全的輔助防護。本文針對二次雷達通信過程中目標識別準確性、信息交互的有序性和穩定性等問題進行技術分析，重點研究了采用天線背瓣抑制技術和車輛身份識別技術解決通信中虛假目標問題，采用頻帶隔離技術和通信數據時隙分配等技術解決通信干擾和穩定性等問題，最后，綜合應用上述關鍵技術提出了一種可行的雷達輔助防護系統通信方法。

關鍵詞：二次雷達? 時隙分配? 頻帶隔離? 身份識別? 隔離

中文分類號：U270.2?????????? 文獻標識碼：A

Abstract： At present， on urban rail vehicles， the secondary radar communication method has gradually begun to detect the distance between the front and rear trains， and also used for auxiliary protection of train safety. In this article， technical analysis is made on the accuracy of target identification， order and stability of information interaction in the communication process of secondary radar， and it focuses on the use of antenna back lobe suppression technology and vehicle identification technology to solve the problem of false targets in communication， and uses band isolation technology and communication data slot allocation technology to solve the problems of communication interference and stability. Finally， Based on the above key technologies， a feasible communication method of radar auxiliary protection system is proposed.

Key Words： Secondary radar; Time slot allocation; Band isolation;Identification; Isolation

軌道車輛的運行安全一般由列車自動防護系統（ATP）進行防護。近年來，在ATP被切除或不可用時，為了保證列車安全，提高列車的運營效率，常采用二次雷達等測距手段提供輔助的安全防護手段。在一些實際應用場景中，多個目標集中出現在可探測范圍內，從中快速精準辨別出防護目標并確保彼此間信息交互的穩定性是系統實現可靠輔助防護的關鍵。

曲越[1]、胡勁文[2]等提出基于多傳感器融合技術，采用視覺傳感器和激光雷達相結合的方法，識別道路邊界，限定前方車輛的檢測區域，進行列車運行限界內障礙物的檢測。電子科技大學的錢衛中[3]提出了一套RFID電子標簽進行列車定位和防撞的方法。

上述方法通過不同技術手段可在一定程度上解決目標識別的問題，但需增加視覺傳感器等相應硬件設備。本文從二次雷達技術應用問題出發，針對天線背瓣抑制技術、頻帶隔離技術、時隙分配技術等方面進行深入研究，提出一種有效的基于二次雷達的列車輔助防護系統通信方法。

1現存問題及技術難點分析

二次雷達工作時由詢問雷達發射電磁波，應答雷達接收到詢問電磁波后被觸發，繼而發射應答電磁波，詢問雷達根據接收到的應答電磁波，實現識辨，并根據發送和接收信號的時間間隔計算前后間距[4]。下面主要分析在實現目標的有效辨識中需要解決的問題。

目標識別準確性

在列車運行的過程中，不同的列車運行在不同方向上。在前后列車間采用基于二次雷達無線測距方式測量距離方案進行列車測距時，本車的監測范圍內可能存在多個目標，而部分目標和本車不在相同的運行方向上，雖然在探測范圍內無限接近，但不存在相撞的可能，不是真實的目標，為避免誤報故障，需要“目標”隊列中剔除。

同時，在本車的詢問數據幀搜索有限范圍內，當本車與“虛假目標”無限接近的過程中，“虛假目標”的“信號”強度越來越強，可能會影響相同軌道上“真實目標”對于本車發送的跟蹤數據幀的接收，造成通信誤碼率的提高。

數據交互穩定性和有序性

在采用二次雷達進行列車輔助防護的過程中，在雷達的追蹤范圍內，同一運行方向上也存在多個目標，在同一時刻，在本車的問詢數據幀范圍內，有多個跟蹤數據幀在“搶占資源”，可能會造成無線數據交互處于無序的狀態，每個通信周期中節點位置都是隨機的，導致數據問詢和應答的交互過程中時延，而帶來測距誤差[5]，楊玉釗[6]等人提出采用基于離散系統模型的卡爾曼濾波算法對數據進行濾波處理，但該方法并不能濾除脈沖時間較長的干擾問題。

另外，由于數據的無序狀態，可能導致部分“真實目標”無法進入通信隊列，造成通信的失敗。還可能導致前車對后車的測距誤差增大，甚至數據跳變和中斷。問詢數據和跟蹤數據交互的有序性和穩定性是通信中需要解決的另一個問題。

2關鍵技術研究

2.1 天線背瓣抑制技術

在采用二次雷達進行測距的應用中，一般在列車的車頭、車尾均會安裝一套防護系統，假設列車方向為“前向”，那么車頭安裝問詢設備、車頭安裝應答設備。如前文1.1部分所述，在二次雷達數據交互的過程中，跟蹤數據幀存在多種“虛假目標”的情況，其中本車車頭的詢問機和車尾的應答機天線背瓣互為“虛假目標”。

車頭詢問機發射信號時，其主要信號通過天線主瓣向前發射，但也有部分能量通過天線背瓣向后發射。車尾應答機天線主瓣信號發射方向與列車運動方向相反，接收來自后面車輛的信號，但其天線背瓣也會接收到本車頭詢問機天線背瓣發射來詢問信號，這些信號都是“虛假目標”。為了避免這種情況，需要在天線設計上合理設置天線背瓣的增益[7]，根據線路的衰減，使到達接收機的信號功率小于信號的接收靈敏度，從而“切斷”本車頭尾雷達天線通信鏈路，杜絕彼此間通信干擾。

2.2 車輛身份識別技術

為了區分本車與目標車輛是否相同的運行方向，顏光宇[8]提出采用角度對齊的路徑生長法進行軌道限界檢測，在二次雷達通信中，本車、目標車通信數據中應包括軌道標識，該軌道標識包括但不限于是車輛的上、下行信息，或者是本車輛所行駛的軌道編號，或是本車的行駛方向標識，如上行還是下行等，或者是運行中列車的運行位置信息[9]。

如圖1所示，在二次雷達交互的過程中，車輛1的車頭配置問詢設備，車輛1可以與車輛2、車輛3及車輛4車尾的應答設備進行通信。因車輛1和車輛處于相同的軌道，具有相同的軌道標識碼，車輛1發送的問詢數據幀中標識碼可以正確地被車輛2接收和解析，并生成正確的應該幀。車輛3及車輛4收到車輛1的問詢數據后，發現其中的軌道標識碼與其自身存儲的并不一致。因此，不予應答。

基于此，可以實現與車輛2的正常通信而不受車輛3及車輛4的干擾。

2.3 頻帶隔離技術

為了避免二次雷達通信過程中數據交互的無序狀態，可以采用按時間節點和順序進行通信的方法，即頻帶隔離技術，曹廣琦[10]提出在航空TCAS系統中對于特定的目標采用不同的頻點（模式）進行問詢和應答。頻帶隔離技術簡單描述為，不同股道上的車輛使用不同的頻點通信，實現不同股道上車輛在頻帶上的徹底隔離，從而減少干擾對象數量。

以圖2為例，在二次雷達通信的過程中發送數據和接收數據共設置4個頻點，車輛1以及車輛2之間可以采用頻點1以及頻點3進行通信，車輛1利用頻點1向車輛2發送信號，并利用頻點3接收車輛2的信號;相應地，車輛2與車輛1采用收、發頻段相反。車輛3與車輛4的通信過程類似。

同樣，當處于另一條軌道的兩列車車輛3和車輛4采用二次雷達進行通信時，可以采用與上行車輛完全不同的頻點。下行軌道上發送及應答的數據不能被上行軌道上的車輛1和車輛2所識別，同樣，上行軌道的數據也不能被下行軌道所識別。從而可以避免不同軌道上數據交互影響通信質量。

2.4 通信數據時隙分配技術

時隙分配技術，即將固定的通信監測周期劃分為多個時隙，每個時隙針對一個目標對象進行數據交互，從而確保多個目標的通信有序性和穩定性。對于多個的應答目標，本車可以在每個通信周期中的不同時隙發送對于不同車輛的問詢數據幀，在同一時刻本車僅能接收到一個目標車輛的應答數據。如此，本車在與每個特定目標進行通信時，可以不受其他車輛的應答信號的干擾，保證與每個車輛的穩定通信。

3雷達輔助防護系統通信方法應用

3.1 天線設計方法

在工程化應用中，天線的結構設計非常關鍵，可通過接收天線的外形結構設計，保證詢問機和應答機上的天線背瓣衰減值（絕對值大小）大于預設值，保證車尾的應答機無法接收到自車車頭的詢問機發送的信號。

在工程化設計中，利用金屬物體對二次雷達信號的屏蔽作用，可以在二次雷達詢問機和/或應答機上的平面天線陣列后面增加金屬屏蔽板，理論上說，該金屬屏蔽板的長度需要超出平面天線陣列的長度約1.5倍波長，也就是說，金屬屏蔽板需要包圍天線陣列，讓天線陣列的主瓣輻射效果達到最優，隔離背瓣信號，以減少天線輻射信號的繞射。

3.2 列車雷達通信交互過程

在實際工程化應用中，可結合前文所述關鍵技術設計進行列車通信組網，大致流程如下：

（1）利用車輛身份識別的方法，識別車輛是否在同一軌道上;

（2）采用頻帶隔離技術去除非同軌目標車輛通信干擾;

（3）采用時隙分配技術保持同軌多目標車輛之間的穩定通信。

假設車輛1、車輛2及車輛3位于同一軌道。

首先，車輛1采用頻點1在第一時隙向車輛2發送問詢數據1，采用頻點3接收車輛2的應答數據，第一時隙的問詢數據包括車輛2的軌道標識;車輛1繼續采用頻點1在第二時隙發送問詢數據2，采用頻點3接收車輛3的應答數據，問詢數據2包含車輛3的軌道標識。

在數據交互的過程中，車輛1是在不同的時隙分別與車輛2及車輛3進行通信，在同一個時隙里，僅會有一個目標進行應答，即車輛1在第一時隙發送的問詢數據幀，僅收到車輛2反饋應答，此時，車輛3由于未收到問詢，也不會應答。同樣，車輛1與車輛3通信時，也不會收到車輛2的應答。如此，提高了問詢數據和跟蹤數據交互的有序性和穩定性，進而可以提高車輛行駛時的安全性。

4結語

采用二次雷達測距技術進行列車輔助防撞的應用中，針對在通信的小范圍區域內可能存在車車之間的發射信號相互干擾，使設備無法通信，最終造成防護手段失效的問題，本文提供了基于頻帶隔離、時隙分配的通信方法及具體設計建議，后續將根據以上方法進行工程化應用，并在實際測試中不斷進行完善。

參考文獻

[1]曲越.城軌列車非接觸式障礙物檢測系統的研究[D].北京：北京交通大學，2017.

[2]JW Hu，BY Zheng，C Wang，et al.Asurvey onmulti-sensor fusion based obstacle detection for intelligent ground vehicles in off-road environments[J].Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering，2020，21（5）：675-692.

[3]錢衛中.基于RFID的列車自動記點（防撞）系統技術與開發[D].成都：電子科技大學，2014.

[4]宋丹，劉登.基于二次雷達技術的地鐵防撞預警系統研究[J].鐵路通信信號工程技術，2019，16（4）：53-57.

[5]盧從慧，李玉書，吳樂南.二次雷達異步干擾抑制[J].電波科學學報，2014，29（6）：1081-1087.

[6]楊玉釗，鄭良廣.卡爾曼濾波在列車防撞預警系統中的應用[J].電子設計工程，2020，28（18）：56-59.

[7]李大偉.受限空間電波覆蓋特性的研究[D].北京：北京交通大學，2016.

[8]顏光宇.軌道交通障礙物檢測方法研究[D].成都：電子科技大學，2019.

[9]李四輝，蔡伯根，劉江，等.基于時序分析的列車接近預警方法[J].鐵道學報，2015（10）：60-67.

[10]曹廣琦.某型號TCAS測試設備軟件設計[D].成都：電子科技大學，2020.

作者簡介：楊麗麗（1983—），女，碩士，高級工程師，主要從事動車組網絡控制系統集成設計及智能化技術應用研究。

3194501908271