陳家斌

(廣西天道信息技術(shù)有限公司，南寧 530028)

1 概述

動車組檢修庫一般采用金屬頂棚結(jié)構(gòu)，庫內(nèi)無專用的衛(wèi)星接收放大器、GSM-R無線基站（BTS），高級修驗收、檢修作業(yè)CIR設備受外界限制而無法進行全面排查試驗出潛在隱患，導致動車組出庫后，CIR設備語音、數(shù)據(jù)業(yè)務功能無法正常使用，GPS衛(wèi)星定位信號無法正常接收，是日常檢修驗收、排查隱患的困難問題。特別是當車頂天線出現(xiàn)故障，只能扣車返所并臨時申請更換動車組上線運行，給動車組檢測作業(yè)及動車組行車調(diào)度指揮造成嚴重干擾。

解決如何快速判斷是板件、天線（饋線）問題，是故障處理的關(guān)鍵。目前處理GSM-R信號故障只能通過測試天線駐波比判斷天饋線的好壞；處理GPS故障只能通過GPS天線測試儀表進行搜星測試，如搜星數(shù)無效情況下，處理人員只能通過跟車出庫到空曠場所獲取GPS信號，存在很大的設備安全隱患且效率低下。本文針對該問題，通過研究不同廠家生產(chǎn)的GPS模塊輸出電壓啟動前置放大電路原理，通過信號電流測試方法以及各天饋線的電氣特性，總結(jié)歸納出GPS模塊電壓測試法、通過式電流法及天線環(huán)阻測試法。庫檢作業(yè)可通過上述方法排查出板件、天線的故障隱患，從而減少CIR設備故障。

2 系統(tǒng)介紹

機車綜合無線通信設備（CIR）由主機、操作顯示終端（MMI）、送受話器、揚聲器、打印終端、機車數(shù)據(jù)采集編碼器、天線、合路器及各部連接電纜等組成。不同型號的動車組由于工程配置不一，CIR設備的組成也有差異。CIR設備連接示意如圖1所示，CIR原理如圖2所示。

圖1 CIR設備組成連接示意Fig.1 Components and connections of CIR equipment

圖2 CIR原理Fig.2 Block diagram of CIR principle

3 設備天線系統(tǒng)介紹

3.1 CIR設備GPS天線系統(tǒng)

CIR設備GPS信號接收功能實現(xiàn)主要是由CIR設備A子架總線板、GPS單元、天線單元組成，如圖3所示。

圖3 CIR設備GPS單元原理Fig.3 Schematic diagram of GPS unit of CIR equipment

CIR設備GPS信號接收過程中天線部分和GPS模塊（變頻器、信號通道）的信號流走向，如圖4所示。

圖4 CIR設備GPS信號接收原理Fig.4 Schematic diagram of the reception of GPS signals by CIR equipment

1）天線部分

GPS天線接收1 574 ～1 577 MHz 擴頻調(diào)制信號，通過天饋線提供工作電壓激活前置放大器，將GPS信號極微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為相應的電流，放大傳遞到變頻器。

2）變頻器及中頻放大器

經(jīng)過GPS前置放大器的信號仍然很微弱，為了使接收通道得到穩(wěn)定的高增益，采用變頻器把L頻段的射頻信號變成低頻信號。

3）信號通道

信號通道是GPS單元的核心部分，主要作用：搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；對廣播電文數(shù)據(jù)信號實行解擴，解調(diào)出廣播電文；進行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。

在相關(guān)通道電路中設有偽碼相位跟蹤環(huán)和載波相位跟蹤環(huán)，經(jīng)過解擴、解調(diào)得到導航電文。

3.2 GSM-R 語音及GSM-R 數(shù)據(jù)天線系統(tǒng)

CIR設備GSM-R 語音、GSM-R 數(shù)據(jù)天線采用無源天線，通過天線連接饋線與CIR設備主機語音、數(shù)據(jù)模塊相互連接，以傳導射頻通信信號，如圖5所示。

圖5 GSM-R語音信號接收原理Fig.5 Schematic diagram of the reception of GSM-R voice signals

4 技術(shù)特征

動車組CIR設備天饋線系統(tǒng)是由GSM-R 語音/GPS組合天線、GSM-R 數(shù)據(jù)/GPS組合天線、多頻帶天線及饋線組成。其中多頻帶天線接DHL-Ⅳ合路器輸出450 MHz（450 M電臺用）、800 MHz（LBJ用）、GSM-R（CIR設備語音用）。下面針對天饋線系統(tǒng)及測量方法進行簡述。

1）天線功能

指能有效輻射和接收電磁波，將傳輸線與空間或其他媒質(zhì)耦合起來的一種裝置。包括直接到傳輸線端口為止的所有匹配、平衡、移相或其他耦合裝置。

2）動車組天線位置用途

以動車組CRH-2A車型為例（從司機室位置起記1、2、3、4號位天線），如圖6所示。

圖6 CRH2A車型車頂天線示意Fig.6 Schematic diagram of CRH2A train top antennae

1號位，GSM-R 數(shù)據(jù)/GPS組合天線：GSM-R數(shù)據(jù)（使用頻率870～960 MHz ），連接CIR設備數(shù)據(jù)模塊；GPS天線（使用頻率1 574 ～1577 MHz），連接DMS設備GPS模塊。

2號位，GSM-R 語音/GPS組合天線：GSM-R頻率885 ～934 MHz，連接DMS設備GSM-R模塊；GPS天線（使用頻率1 574～1577 MHz），連接CIR設備GPS模塊。

3號位，多頻帶天線:下接合路器，分別有450 MHz、800 MHz、GSM-R輸出端口。450 MHz端口：457 ～469 MHz，連接CIR設備450 MHz單元；800 MHz端口：821～869 MHz，連接CIR設備LBJ單元；GSM-R端口：GSM-R 語音（使用頻率870～960 MHz ），連接CIR設備語音模塊。

4號位，LAIS天線: 800～5 800 MHz，連接LAIS設備。

3）天線類型、阻抗及工作頻段

GPS天線：有源天線；阻抗50 Ω；工作頻段1 575.42±1.023 MHz；耗電≤25 mA。

GSM-R 語音及GSM-R 數(shù)據(jù)天線：無源天線；阻抗50 Ω；工作頻段870～960 MHz。

5 測試方法及指標值

GPS天饋線系統(tǒng)由GPS模塊和GPS天線系統(tǒng)組成，處理故障時需對GPS模塊和GPS天線系統(tǒng)進行故障部分定位，才能更有效進行處理。

5.1 GPS天線系統(tǒng)測試方法

取國內(nèi)外不同廠家設備進行具體分析，CRH-2A、CRH-380A、CR300AF系 列 車 型 動 車 組GSM-R 數(shù)據(jù)/GPS組合天線、GSM-R 語音/GPS組合天線國內(nèi)外廠家分別以有泰興東盛通訊（國產(chǎn)）、SENCITY（進口）為例。

1）環(huán)阻測試法：在CIR主機擰下GPS天線TNC接頭，用電阻檔測試天線及饋線環(huán)阻，如圖7所示。泰興東盛設備合格范圍指標為2～7 MΩ；SENCITY設備合格范圍為56～75 Ω。

2）通過式電流法：因GPS天線是有源天線，利用TNC饋線頭外殼（屏蔽層）與GPS模塊天線端口外殼連接，萬用表直流電流檔表筆串聯(lián)接入電流表如圖8所示，與利用電流值判斷GPS天線是否正常。泰興東盛天線正常電流值為12～25 mA；SENCITY天線正常電流值為15～25 mA。3）GPS測試儀搜索衛(wèi)星法： GPS天線連接GPS測試儀，測試搜星數(shù)≥3。

圖8 GPS通過式電流測試示意Fig.8 Demonstration of the GPS through-currents test

5.2 GPS模塊測量方法

1) GPS模塊電壓測試法：GPS天線是有源天線，需要GPS模塊提供電壓給GPS天線前置放大電路工作。國內(nèi)不同廠家設備的技術(shù)指標有所區(qū)別，在測試判斷時應予以區(qū)分，廠家1CIR設備GPS模塊電壓≥3 V（直流），廠家2、廠家3CIR設備GPS模塊電壓≥5 V（直流），在GPS模塊TNC口測量電壓值在以上數(shù)值可判斷GPS模塊給天線前置放大電路工作電壓正常，重點檢查GPS天線。

2) 語音/數(shù)據(jù)天線代替法：如經(jīng)過重啟/復位GPS都無法正常工作，隨身未攜帶GPS測試儀和萬用表，可臨時借用語音/數(shù)據(jù)天線代替GPS天線，觀察GPS時間是否變黃（黃色正常，紅色代表不正常）。如GPS時間正常，代表GPS單元正常，入庫檢查GPS天線搜星情況。

5.3 GSM-R 數(shù)據(jù)、GSM-R 語音、多頻帶天線

1）環(huán)阻測試法：在CIR主機擰下數(shù)據(jù)、語音、多頻帶天線接頭，用電阻檔測試天線及饋線環(huán)阻。數(shù)據(jù)、語音、多頻帶天線環(huán)阻≤5 Ω。

2）通過式功率計測試電壓駐波比法：在CIR主機擰下數(shù)據(jù)、語音、多頻帶天線接頭，串聯(lián)通過式功率計，另安排1人在MMI進行GPRS、語音（450 MHz、GSM-R）發(fā)射，測試電壓駐波比≤1.5。

6 故障現(xiàn)象及處理方法

1）GPS天線：接收不到標準時鐘、GPS定位信息公用信息（包括線路通信工作模式，相鄰車站相關(guān)信息）。

處理方法：首先用GPS測試儀搜索衛(wèi)星法測試搜星數(shù)，如搜星數(shù)正常，判斷GPS天線及饋線良好；如搜星數(shù)正常，但GPS尚不能正常工作，利用通過式電流法測試GPS模塊天線電流，如無電流值或過大說明GPS模塊電壓輸出異常，需更換GPS模塊；如搜不到衛(wèi)星數(shù)量，利用環(huán)阻測試法測試GPS天線環(huán)阻，環(huán)阻值為∞或0，說明GPS天線或連接饋線已損壞，需更換GPS天線或饋線。

語音/數(shù)據(jù)天線代替法：如經(jīng)過重啟/復位GPS都無法正常工作，隨身未攜帶GPS測試儀和萬用表，可臨時借用語音/數(shù)據(jù)天線代替GPS天線，觀察MMI顯示屏上GPS時間是否變黃（黃色正常，紅色代表不正常）。如GPS時間正常，代表GPS單元正常，入庫檢查GPS天線搜星情況。

2）GSM-R 數(shù)據(jù)天線：無法完成網(wǎng)絡注冊（MMI無顯示“G”），無法獲取IP，接收不了進路預告及調(diào)度命令。

處理方法（天線部分）：借用GSM-R 語音天線替換法，如功能試驗正常，說明數(shù)據(jù)模塊正常；通過式功率計測試電壓駐波比法，如駐波比大于1.5，說明天饋線指標不合格，需更換天線或饋線；利用環(huán)阻測試法測試天線饋線環(huán)阻，環(huán)阻＞5 Ω或處于開路，說明GSM-R數(shù)據(jù)天線或連接饋線已損壞，需更換GSM-R 數(shù)據(jù)天線或連接饋線。

利用功率計測試數(shù)據(jù)模塊發(fā)射功率33±2 dBm（1.3～3 W），如低于33±2 dBm，更換數(shù)據(jù)模塊。

3）GSM-R 語音天線：無法完成網(wǎng)絡注冊（MMI無顯示語音信號格數(shù)），不能進行語音調(diào)度通信、機車號及車次號注冊注銷功能。

處理方法（天線部分）：借用GSM-R 數(shù)據(jù)天線替換法，如功能試驗正常，說明語音模塊正常；通過式功率計測試電壓駐波比法，如駐波比大于1.5，說明天饋線指標不合格，需更換天線或饋線；利用環(huán)阻測試法測試天線饋線環(huán)阻，環(huán)阻＞5 Ω或處于開路，說明GSM-R 語音天線或連接饋線已損壞，需更換天線或連接饋線。

利用功率計測試語音模塊發(fā)射功率39±2 dBm（5～13 W），如低于39±2 dBm，更換語音模塊。

4）多頻帶天線：多頻帶天線接DHL-Ⅳ合路器輸出450 MHz（450 M電臺用）、800 MHz（LBJ用） 、GSM-R（CIR語音），運行中發(fā)現(xiàn)以上功能不正常。

處理方法（天線部分）：通過式功率計測試電壓駐波比法，如駐波比大于1.5，說明天饋線指標不合格，需更換天線或饋線；利用環(huán)阻測試法測試天線饋線環(huán)阻，環(huán)阻＞5 Ω或處于開路，說明多頻帶天線或饋線已損壞，需更換天線或連接饋線。

利用功率計測試450 M電臺發(fā)射功率，低功率發(fā)射為4.8～5.8 W），高功率發(fā)射為9～11 W，如低于正常值，更換CIR設備B子架。

7 結(jié)束語

據(jù)不完全統(tǒng)計，從2020年4月份該方法投入使用以來，輔助測試GSM-R天線及GPS模塊電氣特性200余次，查找出設備隱患故障15件以上，有效減少CIR設備線上故障的發(fā)生，保障了鐵路運輸?shù)陌踩珪惩ā?/p>