四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 謝京華

針對我國各型列車之間無實(shí)時(shí)視距測量手段，且缺乏有效輔助避撞手段的問題；提出一種基于DME/P和MSK技術(shù)的無線測距系統(tǒng)；分析其基本原理、系統(tǒng)組成、參數(shù)設(shè)計(jì)、處理流程，并通過在外場鐵路線上的試驗(yàn)測試，驗(yàn)證其作用距離和測距精度；結(jié)果表明，基于DME/P和MSK技術(shù)的無線測距系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于普通、快速、特快、動車、高鐵等各型列車之間的視距測量，輔助避免相互之間的碰撞。

隨著鐵路網(wǎng)的擴(kuò)展和縱橫交錯，越來越小的行車間隔以及不斷提高的列車速度，使軌道交通的安全性面臨巨大的挑戰(zhàn)，近年來的多次事故表明了目前我國的列車在運(yùn)行過程中缺乏完善的、具有連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的監(jiān)測手段，對于前后車輛的監(jiān)視缺乏更可靠的距離監(jiān)控措施，因此需要裝備獨(dú)立的輔助系統(tǒng)監(jiān)測列車之間的位置，給駕駛員提供預(yù)警，這就使得列車防相撞設(shè)備在鐵路市場上有著極大的需求。

本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，提出了一種基于DME/P和MSK技術(shù)的無線測距系統(tǒng)，以期解決我國普通、快速、特快、動車、高鐵等各型列車之間無實(shí)時(shí)視距測量手段，以及解決我國列車缺乏有效輔助避撞手段的問題；對于提高我國列車行車安全能力，降低事故發(fā)生概率具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 國內(nèi)外研究情況

2010年5月，德國航空航天中心研究人員在德國西部的一個(gè)軌道列車測試段首次演示了該機(jī)構(gòu)新研制的一種列車防撞系統(tǒng)。這種列車防撞系統(tǒng)使用了衛(wèi)星定位、雷達(dá)測速、立體成像等傳感技術(shù)和通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)列車之間自動交換位置、速度、行駛方向和載重量等信息。一旦系統(tǒng)判定兩輛火車有相撞危險(xiǎn)，它會及時(shí)提醒司機(jī)并幫助他找到合理的解決方案。該系統(tǒng)作為安全補(bǔ)充措施應(yīng)用于現(xiàn)有的鐵路線安全系統(tǒng)之中。

印度將于2013年在整個(gè)印度鐵路網(wǎng)絡(luò)中配裝一種列車防撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)從GPS衛(wèi)星系統(tǒng)獲取信號，用于位置更新，使用數(shù)據(jù)無線調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行信息交換，同時(shí)分析碰撞的可能性，采取及時(shí)剎車的自動應(yīng)用程序，防止危險(xiǎn)的發(fā)生，形成列車安全屏障。

國內(nèi)動車上安裝使用的都是CTCS系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中，主要通過軌道電路和應(yīng)答器來接收列車運(yùn)行信號。列車本身并不能知道前后車輛的具體情況，不與前后列車直接通信，所有行車狀態(tài)均由列車調(diào)度中心進(jìn)行信息下發(fā)。列車的防撞主要是采用基于區(qū)間的方式，通過地面色燈信號機(jī)顯示前面的區(qū)間是否空閑從而決定后面列車是否可以開進(jìn)區(qū)間。地面信號的控制都是通過軌道電路來實(shí)現(xiàn)的，通過軌道電路對鐵路區(qū)間的色燈信號機(jī)進(jìn)行控制，顯示不同的顏色。

綜上，國內(nèi)現(xiàn)有的避撞技術(shù)暫時(shí)無法直接獲取前后列車之間的相對距離，因此，在列車行駛過程中，對于前后車輛的運(yùn)行情況也就無法了解，而完全聽從調(diào)度中心的命令，依據(jù)鐵路上的色燈信號運(yùn)行。因此，一旦由于設(shè)備故障而出現(xiàn)調(diào)度問題，則存在極大的撞車隱患，將可能造成巨大的人身和財(cái)產(chǎn)損失?；诖?，本文提出一種新型的無線測距系統(tǒng)，將為列車的行車安全提供輔助的保障措施，進(jìn)一步保證列車運(yùn)行安全。

2 背景技術(shù)分析

2.1 測距技術(shù)

（1）偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻測距系統(tǒng)測距

偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻測距系統(tǒng)由測距機(jī)和應(yīng)答機(jī)兩部分組成，進(jìn)行測距時(shí)，測距機(jī)發(fā)射測距偽碼給應(yīng)答機(jī)，應(yīng)答機(jī)對接收的偽碼進(jìn)行捕獲與跟蹤，完成接收時(shí)鐘的再生，并以再生的時(shí)鐘發(fā)射應(yīng)答偽碼給測距機(jī)，測距機(jī)同樣對接收的偽碼進(jìn)行捕獲與跟蹤，通過發(fā)射偽碼幀與接收偽碼幀的時(shí)差進(jìn)行測距。

將擴(kuò)頻技術(shù)用于測距，能夠有效克服抗干擾性能差、測量距離受限、精度低、信號易被截獲的問題。影響擴(kuò)頻技術(shù)測距精度的因素主要有：偽隨機(jī)碼碼片的寬度，跟蹤偽隨機(jī)碼相位的準(zhǔn)確度，以及突出測距的時(shí)間。偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻測距技術(shù)更適合于測量條件苛刻的現(xiàn)代電子戰(zhàn)戰(zhàn)場中的軍事通信系統(tǒng)，如無人機(jī)系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、地面坦克瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。

（2）DME/P測距系統(tǒng)測距

DME/P，精密測距系統(tǒng)，其測距原理和常規(guī)二次雷達(dá)測距原理一樣：機(jī)載設(shè)備詢問，地面信標(biāo)應(yīng)答，機(jī)載設(shè)備接收到應(yīng)答信號后根據(jù)時(shí)間差計(jì)算出距離數(shù)據(jù)。

DME/P的精度通常在4～30m以內(nèi)，其測距的關(guān)鍵技術(shù)包括采用cos/cos2形狀的脈沖提高測距定時(shí)檢測精度；采用衰減延時(shí)比較法確定脈沖到達(dá)的時(shí)間，提高測量的精度，消除多路徑回波干擾等；采用導(dǎo)脈沖環(huán)技術(shù)消除由于環(huán)境溫度變化、器件老化和信號幅度強(qiáng)度變化所造成的測距誤差。

2.2 通信調(diào)制技術(shù)

（1）ASK

ASK（幅移鍵控），其載波幅度是隨著調(diào)制信號而變化的，其最簡單的形式是載波在二進(jìn)制調(diào)制信號控制下通斷，此時(shí)又可稱作開關(guān)鍵控法（OOK）。多電平MASK調(diào)制方式是一種比較高效的傳輸方式，但由于它的抗噪聲能力較差，尤其是抗衰落的能力不強(qiáng)，因而一般只適宜在恒參信道下采用。調(diào)幅技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來簡單，但容易受增益變化的影響，是一種低效的調(diào)制技術(shù)。

（2）BPSK

BPSK（二進(jìn)制相移檢控），把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的轉(zhuǎn)換方式之一，是利用偏離相位的復(fù)數(shù)波浪組合來表現(xiàn)信息監(jiān)控移向方式的一種，BPSK使用了基準(zhǔn)的正弦波和相位反轉(zhuǎn)的波浪，使一方為‘0’，另一方為‘1’，從而可以同時(shí)接收2值信息，由于最單純的鍵控移相方式雖然抗噪音較強(qiáng)，但傳輸效率差，所以常常使用利用4個(gè)相位的QPSK和利用8個(gè)相位的8PSK，但要求傳送途徑的信噪比低，其功率譜旁瓣占有能量大，要求很寬的帶寬。

（3）MSK

MSK（最小頻移鍵控），是FSK信號相位始終保持連續(xù)變化的一種特殊方式。MSK是一種既能提高頻帶利用率，又能改善頻譜特性的FSK改進(jìn)型的新型調(diào)制方式。

MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點(diǎn)是信號具有恒定的振幅，同時(shí)信號的功率譜在主瓣以外衰減較快，抗衰落性能好。MSK信號的功率主要集中在主瓣以內(nèi)。因此，MSK對帶寬要求較小，對相鄰信道的影響較小，可在窄帶中傳輸。MSK大量用于移動無線通信。目前，某外軍的戰(zhàn)術(shù)級地域通信網(wǎng)中的干線微波通信主要采用這種調(diào)制方式。

2.3 綜合分析

根據(jù)鐵路在列車運(yùn)行過程中對安全距離的要求，無線測距系統(tǒng)的測距誤差應(yīng)盡可能滿足均方根誤差值不大于10m；且作用距離不小于6km，發(fā)射功率不大于1w；同時(shí)所占頻譜應(yīng)盡可能窄，避免對相鄰頻道的干擾。

綜合對上述背景技術(shù)的分析，在測距技術(shù)方面，偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻測距技術(shù)具有精度高（可達(dá)5m）、抗干擾、抗噪音、抗多徑等特點(diǎn)，但是計(jì)算量大，而且采用的是擴(kuò)頻通信，需要較寬的頻譜資源，很難申請到；而采用DME/P測距技術(shù)進(jìn)行測距，其測距精度可達(dá)到4～30m，占用頻譜資源少，滿足對所占頻譜應(yīng)盡可能窄的要求，此外，通過采取陡前沿信號以及衰減延遲比較法等技術(shù)手段，可大大提高DME/P的測距精度，滿足鐵路在列車運(yùn)行過程中對測距精度的要求。

在通信調(diào)制技術(shù)方面，由于頻譜資源有限，因此對已調(diào)信號的要求包括：一是包絡(luò)恒定；二是具有最小功率譜占用率，同時(shí)還要求誤碼性能好。在數(shù)字通信中，無論是ASK、FSK、PSK、QPSK還是OQPSK信號，其碼元交替處的載波相位是不連續(xù)的，會發(fā)生突變，這在信號功率譜上會產(chǎn)生很大的旁瓣。當(dāng)這種信號經(jīng)過帶寬受限的信道后，頻譜失真導(dǎo)致信號包絡(luò)不再恒定，如經(jīng)過非線性電路后，會發(fā)生頻譜擴(kuò)展現(xiàn)象，易產(chǎn)生誤碼，從而影響通信質(zhì)量。所以結(jié)合實(shí)際綜合考慮，調(diào)制方式選取MSK。

因此，綜合上述分析，本文選取基于DME/P和MSK技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線測距系統(tǒng)。

3 無線測距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 基本原理

無線測距系統(tǒng)工作于L波段，采用收發(fā)同頻設(shè)計(jì)，且嚴(yán)格控制頻譜寬度（不大于600kHz）；系統(tǒng)通過DME/P測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)距離測量，即通過測量發(fā)射脈沖和應(yīng)答脈沖之間的間隔計(jì)算出目標(biāo)到測距儀之間的距離。測距公式為：

其中d為所測距離，c為光速，t為發(fā)射脈沖和應(yīng)答脈沖之間的時(shí)間間隔，τ為設(shè)備自身信號傳輸和處理延時(shí)。系統(tǒng)采用低發(fā)射功率（不大于30dBm）和高靈敏度接收技術(shù)（優(yōu)于-77dBm），避免對其他無線電設(shè)備的影響，利于系統(tǒng)未來的推廣和應(yīng)用。同時(shí)，系統(tǒng)在編碼設(shè)計(jì)上采用MSK進(jìn)行編譯碼設(shè)計(jì)，可有效實(shí)現(xiàn)前后兩輛列車之間的參數(shù)傳遞，且不占用過多的頻譜資源。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詢問、應(yīng)答、廣播波形分別如圖1、圖2、圖3所示。其中，P1、P2、P3采用為標(biāo)準(zhǔn)DME/P的cos/cos2波形：脈沖上升沿不超過1.2us；脈沖下降沿不超過2.5us；脈沖寬度3.5us±0.5us。P4、P5為碼速率250kHz的MSK調(diào)制信號。其中，P4脈沖包含車次、隨機(jī)延遲等信息；P5脈沖包含車次、車長等信息。各脈沖之間采用不同的時(shí)間間隔進(jìn)行區(qū)分與判別。

圖1 詢問波形示意圖

圖2 應(yīng)答波形示意圖

圖3 廣播波形示意圖

3.2 系統(tǒng)組成及工作流程

系統(tǒng)組成包括收發(fā)主機(jī)、天線、顯控以及配套電纜。

系統(tǒng)在工作時(shí)，首先各收發(fā)主機(jī)接收顯控模塊的配置和命令信息。然后根據(jù)工作時(shí)序，產(chǎn)生詢問編碼，經(jīng)發(fā)射通道送至天線端口并全向發(fā)射出去，同時(shí)記錄發(fā)射時(shí)刻；

周圍的設(shè)備在接收到該詢問信號后，經(jīng)接收通道處理后直接進(jìn)行AD采樣、數(shù)字下變頻、低通濾波等處理，然后判斷所接收信號是否有效，如有效則產(chǎn)生應(yīng)答編碼信號，經(jīng)發(fā)射通道送至天線端全向發(fā)射出去；

詢問設(shè)備在接收到該應(yīng)答信號后，經(jīng)接收通道處理后直接進(jìn)行AD采樣、數(shù)字下變頻、低通濾波等處理，通過衰減延遲比較獲取時(shí)標(biāo)信息以確定接收時(shí)刻，同時(shí)判別接收信號是否有效，如有效則觸發(fā)相關(guān)峰并完成譯碼，然后將有效結(jié)果送至收發(fā)主機(jī)的DSP進(jìn)行距離解算和點(diǎn)跡濾波等處理；上述工作完成后，收發(fā)主機(jī)將結(jié)果按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式送至顯控模塊，從而完成系統(tǒng)工作。

4 試驗(yàn)測試

截至2020年底，系統(tǒng)已在青藏線進(jìn)行了三次系統(tǒng)性的外場試驗(yàn)測試，通過對三次試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與計(jì)算評估，并以列車車載的高精度差分GPS數(shù)據(jù)作為真值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，充分驗(yàn)證了無線電測距系統(tǒng)的測量距離和測量精度。即通過采用DME/P和MSK技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)（大于6km）的視距測量，并獲得較高的測距精度（均方根誤差不大于6m）；且發(fā)射功率不大于1w，同時(shí)所占頻譜約600kHz。各次試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)束語：本文在分析國內(nèi)外列車防撞研究情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合DME/P和MSK技術(shù)的特點(diǎn)，描述了一種基于DME/P和MSK技術(shù)的無線測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有作用距離遠(yuǎn)、測距精度高、頻譜占據(jù)小、發(fā)射功率低的特點(diǎn)，并通過在外場鐵路線上的試驗(yàn)測試驗(yàn)證了其正確性和可用性，可為我國的各型列車提供輔助避撞手段，進(jìn)一步保證列車運(yùn)行安全。