張吉峰，潘佩芬，王英杰，楊美皓

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：北斗系統(tǒng)）是我國(guó)重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施，具備導(dǎo)航、定位、授時(shí)功能，并提供短報(bào)文通信服務(wù)。北斗系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、海洋漁業(yè)、水文監(jiān)測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、地理測(cè)繪、森林防火、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急搜救等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1]。為保障行業(yè)應(yīng)用質(zhì)量，國(guó)內(nèi)主要行業(yè)先后建設(shè)了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)[2]。

北斗系統(tǒng)在我國(guó)鐵路行業(yè)已廣泛應(yīng)用于鐵路勘察設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)，鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)具備高精度位置服務(wù)、短報(bào)文通信服務(wù)、授時(shí)及聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理等功能，為打造智能鐵路運(yùn)輸體系提供衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用基礎(chǔ)平臺(tái)支撐[3]，在京張高鐵、浩吉鐵路等國(guó)家重大鐵路項(xiàng)目中發(fā)揮關(guān)鍵作用[4]。目前，鐵路北斗系統(tǒng)應(yīng)用正逐步深化和拓展，但北斗產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，相關(guān)的鐵路標(biāo)準(zhǔn)體系和產(chǎn)品研發(fā)體系還不完善，應(yīng)用試驗(yàn)體系尚未形成。鐵路作為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的國(guó)家戰(zhàn)略性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，亟需建設(shè)面向自身應(yīng)用需求的鐵路北斗檢測(cè)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室（簡(jiǎn)稱：鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室）。為此，借鑒國(guó)內(nèi)其它行業(yè)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，開展鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案研究，為鐵路北斗應(yīng)用質(zhì)量提供基礎(chǔ)保障，促進(jìn)北斗系統(tǒng)與鐵路應(yīng)用的融合。

1 鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)及原則

1.1 建設(shè)目標(biāo)

鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室建設(shè)應(yīng)立足鐵路北斗應(yīng)用需求，面向軌道交通行業(yè)，服務(wù)于中國(guó)高速鐵路走出去戰(zhàn)略，能夠在4 個(gè)方面為鐵路北斗應(yīng)用提供基礎(chǔ)保障，即鐵路北斗應(yīng)用產(chǎn)品試驗(yàn)測(cè)試、鐵路北斗應(yīng)用產(chǎn)品科研支撐、鐵路北斗應(yīng)用系統(tǒng)檢測(cè)認(rèn)證、鐵路北斗應(yīng)用成果展示和推廣。

（1）系統(tǒng)試驗(yàn)：實(shí)現(xiàn)鐵路衛(wèi)星導(dǎo)航典型應(yīng)用環(huán)境仿真，開展鐵路北斗應(yīng)用綜合模擬試驗(yàn)，為鐵路北斗應(yīng)用產(chǎn)品提供功能及性能測(cè)試，驗(yàn)證功能完整性，評(píng)價(jià)優(yōu)化效果；模擬鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境，支撐鐵路北斗應(yīng)用設(shè)備測(cè)試及系統(tǒng)綜合仿真試驗(yàn)，支持運(yùn)營(yíng)線路試點(diǎn)試驗(yàn)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試等。

（2）科研支撐：為軌道交通北斗產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用技術(shù)研究提供軟硬件資源，通過開展行業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)，支持軌道交通北斗產(chǎn)品研發(fā)的項(xiàng)目論證，支持軌道交通北斗產(chǎn)品功能、性能標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試方法研究，推進(jìn)軌道交通北斗應(yīng)用的深化拓展。

（3）檢測(cè)認(rèn)證：通過檢測(cè)資質(zhì)認(rèn)證，獲取軌道交通行業(yè)北斗產(chǎn)品檢測(cè)認(rèn)證資質(zhì)，為衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品鐵路行業(yè)準(zhǔn)入提供權(quán)威認(rèn)證服務(wù)；開展鐵路北斗產(chǎn)品的功能和性能檢測(cè)，包括接收信號(hào)類型、跟蹤衛(wèi)星數(shù)、內(nèi)部噪聲水平、接收數(shù)據(jù)質(zhì)量、首次定位時(shí)間、靈敏度、定位精度及更新率、測(cè)速精度及更新率、失鎖重捕時(shí)間、單向定時(shí)精度、天線相位中心一致性等；提供環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，開展衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端的環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試。

（4）展示推廣：提供鐵路北斗應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室技術(shù)狀況展示、成果展示等，促進(jìn)鐵路北斗應(yīng)用成果推廣。

1.2 建設(shè)原則

鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室建設(shè)可按照開放性、經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則，圍繞鐵路北斗應(yīng)用需求，面向軌道交通行業(yè)，突出可擴(kuò)展性、可重構(gòu)能力和可配置能力，可靈活滿足多樣化測(cè)試要求，支持各類衛(wèi)星信號(hào)制式；借鑒已有技術(shù)成果和工程經(jīng)驗(yàn)，采用先進(jìn)成熟技術(shù)，提升平臺(tái)可靠性；采用模塊化、平臺(tái)化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)管理水平，滿足被測(cè)終端在研制、試驗(yàn)及驗(yàn)收等各類測(cè)試需求。

2 鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室主要功能及建設(shè)內(nèi)容

鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室應(yīng)具備系統(tǒng)試驗(yàn)、科研支撐、檢測(cè)認(rèn)證和展示推廣功能，建設(shè)內(nèi)容主要包括室外試驗(yàn)環(huán)境、室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境和應(yīng)用服務(wù)試驗(yàn)平臺(tái)。其中，室外試驗(yàn)環(huán)境提供典型應(yīng)用試驗(yàn)場(chǎng)景以支持鐵路北斗應(yīng)用系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境提供鐵路北斗產(chǎn)品室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)能力，應(yīng)用服務(wù)試驗(yàn)平臺(tái)為鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的研發(fā)提供軟硬件資源。

2.1 室外試驗(yàn)環(huán)境

室外試驗(yàn)環(huán)境建設(shè)包括基準(zhǔn)站環(huán)境、隧道覆蓋增強(qiáng)試驗(yàn)環(huán)境及典型應(yīng)用試驗(yàn)試驗(yàn)環(huán)境等。

（1）基準(zhǔn)站環(huán)境：包括鐵路北斗基準(zhǔn)站及配套設(shè)施設(shè)備，輸出衛(wèi)星導(dǎo)航觀測(cè)數(shù)據(jù)等信息，支撐鐵路北斗高精度位置服務(wù)應(yīng)用測(cè)試試驗(yàn)[5-6]。

（2）隧道覆蓋增強(qiáng)試驗(yàn)環(huán)境：包括基準(zhǔn)單元、中繼單元、播發(fā)天線等，實(shí)現(xiàn)遮蔽區(qū)域北斗信號(hào)覆蓋，支持鐵路遮蔽區(qū)域?qū)Ш綉?yīng)用試驗(yàn)[7]。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用試驗(yàn)環(huán)境：包括天線、接收機(jī)、供電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等，支持鐵路路基、橋隧等基礎(chǔ)設(shè)施形變監(jiān)測(cè)試驗(yàn)[8]。

（4）作業(yè)人員應(yīng)用試驗(yàn)環(huán)境：利用多功能便攜終端、北斗短報(bào)文終端等[9]，開展上道作業(yè)管理、輔助防護(hù)應(yīng)用、應(yīng)用試驗(yàn)。

（5）車載應(yīng)用試驗(yàn)環(huán)境：包括車載天線、車載設(shè)備等，用于鐵路北斗車載應(yīng)用試驗(yàn)，以及配合其它需要車載系統(tǒng)協(xié)同的試驗(yàn)。

（6）基礎(chǔ)支撐環(huán)境：包括服務(wù)器、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及測(cè)試軟件等，實(shí)現(xiàn)北斗應(yīng)用的系統(tǒng)級(jí)仿真試驗(yàn)[10]。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境

鐵路北斗室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境包括：模擬信號(hào)試驗(yàn)環(huán)境、對(duì)天靜態(tài)信號(hào)試驗(yàn)環(huán)境、接口綜合檢測(cè)試驗(yàn)環(huán)境、環(huán)境試驗(yàn)環(huán)境、電氣安全試驗(yàn)環(huán)境、輔助測(cè)試試驗(yàn)環(huán)境、時(shí)頻檢測(cè)校準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境、無線暗室試驗(yàn)環(huán)境、測(cè)試處理評(píng)估試驗(yàn)環(huán)境等。

（1）模擬信號(hào)試驗(yàn)環(huán)境：利用模擬的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航功能、性能有線并行自動(dòng)化檢測(cè)和計(jì)量檢定，支持衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、終端等入網(wǎng)指標(biāo)測(cè)試[11]。

（2）對(duì)天靜態(tài)信號(hào)試驗(yàn)環(huán)境：為整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境提供對(duì)天靜態(tài)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，配合測(cè)試評(píng)估軟件對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航終端產(chǎn)品相關(guān)功能、性能進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)和計(jì)量檢定[12]。

（3）接口綜合檢測(cè)試驗(yàn)環(huán)境：主要用于對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品進(jìn)行射頻接口、信息接口、電氣接口等3類接口進(jìn)行協(xié)議測(cè)試，具備對(duì)鐵路北斗應(yīng)用數(shù)據(jù)安全性測(cè)試、鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)兼容性測(cè)試等測(cè)試能力。

（4）環(huán)境試驗(yàn)環(huán)境：可進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品的高低溫、沙塵、霉菌、淋雨、鹽霧、沖擊、振動(dòng)等環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試。

（5）電氣安全試驗(yàn)環(huán)境：主要用于測(cè)試北斗導(dǎo)航產(chǎn)品電氣安全防護(hù)能力，包括抗電強(qiáng)度、絕緣電阻、泄漏電流、電磁輻射抗干擾度等。

（6）無線暗室試驗(yàn)環(huán)境：對(duì)導(dǎo)航天線、一體機(jī)等衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備的功能、性能進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)和計(jì)量檢定，可開展衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾等性能測(cè)試。

（7）時(shí)頻檢測(cè)校準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境：實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備時(shí)頻性能的檢測(cè)，具備授時(shí)、校準(zhǔn)等功能；同時(shí)，基于衛(wèi)星共視技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與原子時(shí)標(biāo)國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)UTC（NIM）時(shí)間同步精度優(yōu)于10 ns[13]。

（8）輔助測(cè)試試驗(yàn)環(huán)境：用于定期或不定期對(duì)整個(gè)試驗(yàn)環(huán)境相關(guān)設(shè)備、信號(hào)進(jìn)行功率、頻率、場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)校，為試驗(yàn)測(cè)試提供必要的測(cè)試儀表設(shè)備支持，保證試驗(yàn)環(huán)境檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

（9）測(cè)試處理評(píng)估試驗(yàn)環(huán)境：對(duì)整個(gè)測(cè)試環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)一集成控制、監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析處理。

2.3 應(yīng)用服務(wù)試驗(yàn)平臺(tái)

作為鐵路北斗應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)原型的研發(fā)試驗(yàn)環(huán)境，應(yīng)用服務(wù)試驗(yàn)平臺(tái)可滿足其功能試驗(yàn)、升級(jí)換代、研發(fā)驗(yàn)證等需求，包括高精度位置服務(wù)、短報(bào)文通信服務(wù)、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理、運(yùn)營(yíng)管理、門戶網(wǎng)站及平臺(tái)管理等功能模塊研發(fā)的測(cè)試試驗(yàn)。

（1）支持該平臺(tái)高精度位置服務(wù)功能研發(fā)測(cè)試，包括基站管理、運(yùn)行監(jiān)控、服務(wù)發(fā)布、解算配置等。

（2）支持該平臺(tái)短報(bào)文通信服務(wù)功能研發(fā)測(cè)試，運(yùn)營(yíng)管理研發(fā)測(cè)試包括短報(bào)文終端單播、組播、通播和服務(wù)整體流程，服務(wù)功能測(cè)試包括位置實(shí)時(shí)監(jiān)控、北斗單播/通播/組播通信、位置管理、通信信息管理、報(bào)警列表、歷史信息查詢等。

（3）支持該平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理模塊研發(fā)測(cè)試，包括終端位置概覽、基準(zhǔn)站鏈路專題圖數(shù)據(jù)分析、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)專題圖數(shù)據(jù)分析、終端查詢列表等功能研發(fā)試驗(yàn)環(huán)境。

（4）支持該平臺(tái)運(yùn)營(yíng)管理功能模塊研發(fā)環(huán)境，包括短報(bào)文運(yùn)營(yíng)、高精度服務(wù)運(yùn)營(yíng)和消息中心。

（5）為該平臺(tái)系統(tǒng)管理模塊提供研發(fā)試驗(yàn)環(huán)境，支持平臺(tái)數(shù)據(jù)維護(hù)、門戶數(shù)據(jù)維護(hù)研發(fā)試驗(yàn)。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心作為國(guó)家級(jí)科技創(chuàng)新平臺(tái)，擁有40 多個(gè)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。利用國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心的既有科技創(chuàng)新資源，在室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境、室外試驗(yàn)環(huán)境、應(yīng)用服務(wù)試驗(yàn)平臺(tái)3 個(gè)方面開展鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可采用無線和有線2 種傳輸方式，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸至測(cè)試處理評(píng)估試驗(yàn)環(huán)境。北斗鐵路地基增強(qiáng)基準(zhǔn)站試驗(yàn)環(huán)境、北斗鐵路隧道覆蓋增強(qiáng)試驗(yàn)環(huán)境和固定基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)設(shè)備可利用既有光纖鏈路進(jìn)行有線數(shù)據(jù)傳輸。作業(yè)人員手持終端等便攜試驗(yàn)設(shè)備、車載試驗(yàn)設(shè)備通過3G/4G/5G 公網(wǎng)鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳?？紤]試驗(yàn)系統(tǒng)安全性，服務(wù)器及存儲(chǔ)設(shè)備部署于辦公網(wǎng)隔離區(qū)（DMZ，DeMilitarized Zone），操作終端設(shè)備部署于辦公網(wǎng)終端接入?yún)^(qū)，試驗(yàn)設(shè)備配置終端密碼模塊提供數(shù)據(jù)安全防護(hù)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備傳輸至實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)系統(tǒng)，由其完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析和評(píng)估。

3.3 虛擬化計(jì)算環(huán)境設(shè)計(jì)

圖1 鐵路北斗檢測(cè)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室總體結(jié)構(gòu)

圖2 鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室主要設(shè)備包括服務(wù)器、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)安全平臺(tái)設(shè)備等，其中，服務(wù)器設(shè)備按用途分為應(yīng)用服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、接口服務(wù)器等，安全平臺(tái)設(shè)備包括實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)安全平臺(tái)設(shè)備與其它系統(tǒng)間的安全設(shè)備。為兼顧系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、安全性要求以及資源利用率，實(shí)驗(yàn)室業(yè)務(wù)應(yīng)用可采用虛擬化計(jì)算環(huán)境進(jìn)行部署，如圖3 所示。各類服務(wù)器采用物理服務(wù)器+虛擬化軟件配置進(jìn)行部署，根據(jù)業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、釋放虛擬化資源池內(nèi)的各種資源（網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和計(jì)算資源等）。

圖3 虛擬化計(jì)算環(huán)境架構(gòu)示意

4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）鐵路北斗產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)[14]：針對(duì)鐵路北斗應(yīng)用行業(yè)需求，綜合考慮人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等因素，兼顧產(chǎn)品的通用性、專用性、應(yīng)用復(fù)雜性，開發(fā)完善的鐵路北斗產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)，基于準(zhǔn)確、可靠的檢測(cè)數(shù)據(jù)，提供科學(xué)、公正的產(chǎn)品檢測(cè)報(bào)告。

（2）時(shí)間同步技術(shù)：綜合運(yùn)用衛(wèi)星授時(shí)、衛(wèi)星共視、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步等技術(shù)，結(jié)合鐵路時(shí)鐘同步應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻檢測(cè)校準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間溯源，與原子時(shí)標(biāo)國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)UTC（NIM）保持納秒級(jí)時(shí)間同步。

（3）網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)：運(yùn)用入侵檢測(cè)、漏洞掃描、內(nèi)外網(wǎng)隔離、數(shù)據(jù)加密、訪問控制、身份認(rèn)證等技術(shù)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)魯棒性和數(shù)據(jù)安全性。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室是鐵路北斗應(yīng)用基礎(chǔ)支撐設(shè)施，是確保鐵路北斗應(yīng)用質(zhì)量的重要保障。面向鐵路北斗應(yīng)用需求，針對(duì)鐵路行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)，依托鐵路既有科技創(chuàng)新資源，綜合運(yùn)用北斗產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)、時(shí)間同步技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、虛擬化技術(shù)等，研究鐵路北斗實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案，明確實(shí)驗(yàn)室主要功能及建設(shè)內(nèi)容，提出實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)與虛擬化計(jì)算環(huán)境設(shè)計(jì)，可為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)任務(wù)的實(shí)施提供參考。