雙接收北斗衛(wèi)星和GSM-R的動(dòng)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(dòng)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(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響列車的運(yùn)行安全，因此要對(duì)高速列車進(jìn)行精確的定位，以確保列車高速安全的運(yùn)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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)高速列車精確定位和實(shí)時(shí)運(yùn)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(dòng)車定位

在列車運(yùn)行過(guò)程中保證高速列車運(yùn)行安全，高精度的列車定位越來(lái)越重要，傳統(tǒng)列車定位方法成本高，且移動(dòng)定位性能差，不能實(shí)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(lái)鐵路發(fā)展潮流，而且現(xiàn)有的列車定位采用的GSM-R無(wú)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(shí)現(xiàn)列車定位這就對(duì)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(guó)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(jì)、陀螺儀，設(shè)計(jì)基于雙GSM-R并用融合算法[3]精確計(jì)算定位。GSM-R采用雙接收天線實(shí)現(xiàn)冗余可靠安全。當(dāng)前我國(guó)高速鐵路采用CRH型動(dòng)車組[4]，CRH型車組編組一般是固定不變的，它與動(dòng)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(dòng)車組標(biāo)準(zhǔn)使用8節(jié)車來(lái)組成一列車組，但是也可以把兩個(gè)車組合成一個(gè)編組。對(duì)于這樣標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)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(gè)通信收發(fā)天線(Ant1和Ant2)，這兩個(gè)通信收發(fā)天線通過(guò)總線和CCS(CentralControlStation，中央控制站)相連接，受到控制站重點(diǎn)控制操作。動(dòng)車組通過(guò)天線接入通信網(wǎng)絡(luò)，將動(dòng)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(guò)外部的動(dòng)車車載天線發(fā)送到軌旁的基站中。動(dòng)車車載雙天線接收到通信基站發(fā)送的下行信息后，CCS對(duì)收到的數(shù)據(jù)先進(jìn)行處理，然后將信息轉(zhuǎn)發(fā)到動(dòng)車內(nèi)，以形成地面的基站與動(dòng)車組之間的信息交互。

因?yàn)榘惭b于動(dòng)車頂端的車載雙天線距離相對(duì)較遠(yuǎn)，所以雙天線之間不受其相互影響，提高動(dòng)車接收信號(hào)的質(zhì)量，消除近距離的天線干擾帶來(lái)的信號(hào)混亂保證信息正確。

本文基于交織站址冗余覆蓋方式，通過(guò)車載雙天線和虛擬小區(qū)協(xié)作進(jìn)行通信，當(dāng)一個(gè)天線正在切換時(shí)，另一個(gè)天線實(shí)時(shí)通信，保證通信不間斷從而實(shí)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(gè)基站之間的距離是L，動(dòng)車在越過(guò)原服務(wù)小區(qū)BSi時(shí)，在t時(shí)刻與BSi之間的距離為Xt時(shí)，那么動(dòng)車天線接收信號(hào)的強(qiáng)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(guò)程中，行駛即將交接的小區(qū)為BSj，因此動(dòng)車車載接收目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量為式2所示∶

動(dòng)車小區(qū)切換的條件在切換之前就要對(duì)接收的

信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行平均值處理，旨在減少小區(qū)切換過(guò)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(hào)衰落引起的信號(hào)起伏落差大的問(wèn)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(shí)刻接收基站的信號(hào)強(qiáng)度；α為加權(quán)因子 (0＜α＜1）；St－Δt為前一次測(cè)量時(shí)刻t-△t計(jì)算的接收的信號(hào)強(qiáng)度的平均值t為測(cè)量小區(qū)信號(hào)質(zhì)量的時(shí)間間隔。

如果在兩次測(cè)量信號(hào)質(zhì)量的時(shí)間間隔內(nèi)動(dòng)車的運(yùn)行速度V變化較小時(shí)，則動(dòng)車行駛的距離可表示為∶

動(dòng)車在行駛的過(guò)程中，當(dāng)查詢到的從基站傳來(lái)信號(hào)質(zhì)量滿足切換的條件時(shí)，就可以進(jìn)行切換，那么在t時(shí)刻，列車開(kāi)始切換的概率可表示為∶

式中：Γ是動(dòng)車車載接收到兩個(gè)相鄰切換通信基站的信號(hào)強(qiáng)度的差；H是滿足動(dòng)車組與基站之間最底信號(hào)強(qiáng)度的閾值。

在本文中，切換發(fā)動(dòng)可定義為動(dòng)車雙天線查詢到滿足切換小區(qū)的條件后，開(kāi)始向目標(biāo)基站進(jìn)行切換操作；切換完成可表示為動(dòng)車已經(jīng)完成目標(biāo)基站的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入的過(guò)程；切換中斷是表示動(dòng)車與目標(biāo)地面基站間的通信沒(méi)有成功切換，導(dǎo)致動(dòng)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(hào)質(zhì)量更高，而且首次定位時(shí)間短加上其短報(bào)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(shí)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(hào)差，因此采用北斗和GSM-R結(jié)合的組合定位方法實(shí)現(xiàn)相互互補(bǔ)的定位[6]。

在列車頭尾各裝一個(gè)北斗衛(wèi)星接收器，車頭的衛(wèi)星接收機(jī)接收到至少2個(gè)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(cè)距信號(hào)強(qiáng)弱，同時(shí)也要記錄著接收機(jī)接收到測(cè)距信號(hào)的時(shí)刻，接收信號(hào)時(shí)刻時(shí)間減去發(fā)射信號(hào)時(shí)刻的時(shí)間等于信號(hào)的傳播時(shí)間，信號(hào)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(zhǎng)度，因此可以以此距離為半徑進(jìn)行畫圓。同樣的方法對(duì)其他的衛(wèi)星進(jìn)行距離換算，得到至少兩個(gè)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(hào)比較多時(shí)，那么定位將會(huì)更加準(zhǔn)確。尤其是本文還有列車尾部的衛(wèi)星接收機(jī)，則尾部的接收機(jī)同樣和頭部的接收機(jī)共同工作實(shí)現(xiàn)定位，但是頭尾會(huì)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(guò)總線通信計(jì)算，那么車頭和車尾的定位差為此列車的定長(zhǎng)，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(hào)，實(shí)際上就是把微弱的信號(hào)在地面加強(qiáng)傳送到移動(dòng)的機(jī)車上，實(shí)際上增強(qiáng)接收機(jī)的接收能力，采用的輔助定位方法為利用現(xiàn)場(chǎng)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(lái)傳送到車載計(jì)算機(jī)里，并使用信息融合算法進(jìn)行融合分析計(jì)算得到最精確的定位信息。

利用輔助的衛(wèi)星定法，移動(dòng)接收機(jī)不用時(shí)刻追蹤衛(wèi)星信號(hào)，可以很大程度節(jié)省功耗，輔助定位只要同步偽隨機(jī)噪聲碼，就可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的定位，并且不需要把得知衛(wèi)星信號(hào)信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)換算出來(lái)其最精確位置信息。收集現(xiàn)場(chǎng)資料可以得出各個(gè)定位方法的定位精度見(jiàn)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(dòng)車運(yùn)行的精確定位，防止因?yàn)槎ㄎ徊涣蓟蛄熊囋谲壍郎蟻G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(duì)列車進(jìn)行調(diào)度指揮，提高列車在區(qū)間的優(yōu)化和運(yùn)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(wú)線定位系統(tǒng)GSM-R的定位原理的基礎(chǔ)上，將我國(guó)最

新研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)與GSM-R系統(tǒng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了高精確度的列車實(shí)時(shí)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(shí)保證了鐵路運(yùn)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(dòng)定位技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)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(hào)融合算法研究[J].控制與決策,2012,27(5)∶646-651.

[4]張曙光.CRH1型動(dòng)車組[M].中國(guó)鐵道出版社，北京：2008.

[5]李朝暉,劉文政.怎樣消除移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的乒乓位置更新效應(yīng)[J].無(wú)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(yùn)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(dòng)定位平臺(tái)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(shí)現(xiàn)[D].北京：交通大學(xué),2013.

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