【正文】 采用增加光纖直放站和漏泄電纜以及射頻直放站解決。青藏線 GSMR數(shù)字移動通信系統(tǒng)技術標準和實現(xiàn)的功能達到國際先進技術水平。 本論文研究的內容及意義 本論文設計了用 GPS的方案對列車進行定位，并結合 GSMR在鐵路上的應用，實現(xiàn)基站于列車進行雙向通信，并實現(xiàn)聯(lián)鎖列控一體化，全線區(qū)間不設傳統(tǒng)的軌道電路， 做到系統(tǒng)簡單、現(xiàn)場設備少，維護工作量小，具有集中監(jiān)測和智 能化特點。列車的高速行駛對監(jiān)控系統(tǒng)中列車的定位信息和列車于監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信提出了更高的要求。 第二章 關鍵技術介紹 定位技術 全球定位系統(tǒng) (Global Position System)GPS是以衛(wèi)星為基礎的授時與測距導航無線電導航定位系統(tǒng)，能為車輛、輪船等諸多移動站提供精確的三維坐標、速度和時間。根據(jù)幾何學理論，只要精確地測量該物體到三個人造衛(wèi)星間的距離，然后分別以這三顆衛(wèi)星為球心來做三個球面 (球的半徑為目標到衛(wèi)星的距離 )，球面的交點即為該物體的位置。 GPS系統(tǒng)主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設備部分組成。GPS衛(wèi)星共 24顆，由 2l顆工作衛(wèi)星和 3顆備用衛(wèi)星組成，衛(wèi)星分布在互成 60度的 6個軌道平面上，軌道傾角為 55度，每個軌道面上布設 4顆衛(wèi)星，軌道高度約 202021km。每顆 GPS工作衛(wèi)星都發(fā)出用于導航定位的信號， GPS用戶正是利用這些信號來進行工作的。空間星座部分可以提供星歷和時間信息、發(fā)射偽距和載波信號并提供其它輔助信息。根據(jù)GPS用戶的不同要求，所需的接收設備各異，其主要任務是接收并觀測衛(wèi)信號、記錄和處理數(shù)據(jù)、提供導航定位信息等。根據(jù) GPS用戶的要求不同， GPS接收機也許多不同的類型，一般可分為導航型、測量型和授時型。在測繪領域， GPS定位技術已用于建立高精度的大地測量控制網，測定地球動態(tài)參數(shù)；建立陸地及海洋大地 測量基準，進行高精度海陸聯(lián)測及海洋 測繪；檢測地球板塊運動狀態(tài)和地殼形變；在工程測量方面，已成為建立城市與工程控制網的主要手段；在精密工程的變形檢測方面，它也發(fā)揮著極其重要的作用；同時 GPS定位技術也用于測定航空航天攝影瞬間相機的位置，可在無地面控制或僅有少量地面控制點的情況下進行航測快速成圖，推動了地理信息系統(tǒng)及全球環(huán)境遙感監(jiān)測的技術迅速發(fā)展。自從 1970年 4月第一顆人造衛(wèi)星上天以來，我國已成功地發(fā)射了 30多顆不同類型的人造衛(wèi)星，從而為空間大地測量工 作的開展奠定了基礎。其中包括人衛(wèi)攝影儀、衛(wèi)星激光測距儀和多普勒接收機。 20世紀 80年代初，一些院校和科研單位已開始研究 GPS技術。 80年代中期，我國引進了 GPS接 收機，并將其用于各個領域，同時研究建立自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。 GSMR 技術 GSMR是從 GSM 網絡上發(fā)展起來的，作為中國鐵路新型的通信產品已經被廣泛的應用于中國鐵路通信系統(tǒng)中，比較典型的就是中國自主開發(fā)的青藏線鐵路通信的應用，為中國鐵路通信信號技術的發(fā)展提供了一個成功的范例。針對鐵路應用， GSMR系統(tǒng)還提供了功能尋址、基于位置尋址、組呼叫、廣播呼叫、緊急呼叫等特殊功能，具體可歸納為以下 9個方面： ，負責列車的位置和運行方向，主要任務是實現(xiàn)“大三角” (列車調度員、車站值班員、機車司機 )通信和“小三角”(車站值班員、機車司機、 運轉車長 )通信。 2. 列車自動控制 ( CTCS3/CTCS4)：利用 GSMR提供車地之間雙向安全數(shù)據(jù)傳輸通道，代替目前的軌道電路傳輸色燈信號，并通過 GSMR傳輸系統(tǒng)獲得由 GPS 或其他的定位服務提供的準確定位信息。如果操作不同步，會造成車廂間的擠壓 或拉鉤現(xiàn)象，影響運輸安全，因此本務機與補機之間需要實時傳遞控制命令。 4 .調度指令傳輸：調度命令是調度所里的調度員或車站值班員向轄區(qū)內的司機下達的書面命令。 5. 車次號傳輸與列車停穩(wěn)信息傳送：車次號傳送是鐵路實現(xiàn)運輸生產調度指揮現(xiàn)代化的重要一環(huán)，即要實現(xiàn)調度中心對移動體位置管理，首先要實現(xiàn)調度中心對列車的車次號自動跟蹤。 6 .列尾監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸：在列車行進當中，司機應當及時了解列車尾部的性能變化。通過 GSM R網絡，可以將這些列車尾部的數(shù)據(jù)傳送 到機車綜合通信設備，供司機查看。 7 .調車機車信號和監(jiān)控信息系統(tǒng)傳輸： GSMR調車機車信號和監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是提供調車機車信號和監(jiān)控信息傳輸通道，實現(xiàn)地面設備和多臺車載設備間的數(shù)據(jù)傳輸，存儲進入和退出調車模式的有關信息，構成鐵路站場通信系統(tǒng)重要組成部分。 9 .旅客業(yè)務：利用 GSMR數(shù)據(jù)通信業(yè)務，每列旅客列車都能與地面中心維持一條實時雙向數(shù)據(jù)傳輸通道，所有與旅客相關的移動信息服務數(shù)據(jù) (車 地和地 車 )都可以通過這條通道進行傳輸，為旅客提供優(yōu)質服務，增加旅客的舒適性。 GSM R 作為我國專門為滿足鐵路應用而開發(fā)的數(shù)字式無線通信系統(tǒng)，更具有適應鐵路運輸特點的優(yōu)勢，必將在鐵路運輸生產中發(fā)揮越來越重要的作用。 第三章 系統(tǒng)的定位 方案和數(shù)據(jù)通信設計 系統(tǒng)的總體結構如圖： 系統(tǒng)分為四個組成部分：分別是調度指揮中心，數(shù)據(jù)通信設備，車站分機系統(tǒng)及車載移動部分。 列車在運行過程中，由于線路、地形及其它情況的變化較大，不同的地方需要采用不同的定位方式。因此，在鐵路區(qū)間 GPS信號接收狀況良好的情況下，采用 GPS定位 。 下面分別對采用的定位方式進行描述。 當車載設備接收到 GPS定位信息后，通過接口傳送到車載嵌入式微機系統(tǒng)中，再通過無線通信系統(tǒng)傳入地面，隨后利用通信交換網傳到調度中心的主控中心計算機。具有很高的性價比和強有力的市場競爭力，其主 要性能特點如下： 并行 12通道，可同時接收 12顆衛(wèi)星 。其引腳接口功能示意圖如下： 其單片機控制系統(tǒng)的電路原理如下圖： 選用 GPS OEM板后，本系統(tǒng)中在每列車上安裝兩個 GPS OEM板，列車首部和尾部各一個。 GPS區(qū)間定位由天線單元和接收單元及車載傳輸單元三部分組成。其主要特性為： ① 32KB片內 Flash存儲器，具有在線可編程能力和保密功能； ② 512B片內 RAM； ③ 增強型串行通信口和串行外圍接口； ④ 支持 C語言。 GPS25LVS的通信波特率默認值為 4800， 1個起始位， 8個數(shù)據(jù)位， 1個停止位，無奇偶校驗。 NMEA0183是美國海洋電子協(xié)會為海用電子設備制定的標準格式，目前廣泛使用 。 GPS25LVS系列 OEM板可輸出 12句語句，分別是 GPGGA， GPGSA，GPGSV， GPRMC， GPVTG， LCGLL， LCVTG， PGRME， PGRMF， PGRMT， PGRMV， GPGLL。如無 DGPS為 0） * 語句結束標志符 hh 從 $開始的所有 ASCII碼的校驗和 CR 此項在 GPS25LVS板中不傳送 LF 此項在 GPS25LVS板中不傳送 OEM板輸出的信息可在 PC機的超級中端中顯示，也可在 GARMIN公司提供的 置軟件中顯示，如在 PC機上看到的實時接收 GPGGA語句為： $GPGGA,114641,N,E,1,03,M,M,*4A 這是一條 GPS定位數(shù)據(jù)信息語 句，意思為 UTC時間為 11時 46分 41秒，位置在北緯 30度，東經 122度 ，普通 GPS定位方式，接收到 3顆衛(wèi)星，水平精度 ，天線離海平面高度 ，所在地離地平面高度 ，校驗和為 4AH。注意在處理北京時間時應在 UTC時間上加上 8小時才是準確的北京時，在超出 24小時時應作減 24小時處理。其作用是把來自衛(wèi)星的信號能量轉化為相應的電流量，并經過前置放大器送入射頻部分進行交換，以使接收機對信號進行跟蹤處理測量。 接收單元：包括信號波道，存儲器，計算與顯示控制和電源部分。它不是簡單的信號波道，由相應的硬件和軟件組成，按照波道的工作原理，波道類型 可分為碼相關型波道，平方型波道和碼相位型波道。嵌入式微機接收并處理 GPS信息，由無線傳輸設備傳輸及接收定位信息。列車上的 GPS接收機天線在跟蹤 GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運動，接收機用 GPS信號實時測得運動載體的狀態(tài)參數(shù) (瞬間三維位置和三維速度 )。通過所測量到的距離與位置之間的關系，反推出所要確定的位置在 WGS84坐標中的三維坐標 。為了獲得距離觀測量，主要采用兩種方法：一是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達用戶接收機的傳播時間，即偽距測量；一是測量具有載波多普勒頻移的 GPS衛(wèi)星載波信號與接收機產生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。 GPS接收機根據(jù)接收所選衛(wèi)星發(fā)來的導航信息和星鐘校正參數(shù)的時間，能算出接收機到衛(wèi)星的距離。但是由于接收機的本機鐘對星載原子鐘存在偏差，上面所測的距離并不能代表衛(wèi)星到接收機的真實距離，通常把這種距離稱為“偽距離’’ (簡稱偽距 )。 正因為用戶鐘與 GPS時間不能精確同步，故每次測量總會有一個固定的偏差，這種偏差使定位產生不定性。從每個偽距測量中加上或減去這個固定值就消去了該固定體積，結果得到 4個球 面相交于一點，這就是用戶的三維位置。 GPS接收機對收到的衛(wèi)星信號，進行解碼或采用其它技術，將調制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。一般在接收機鐘確定的歷元時刻量測，保持對衛(wèi)星信號的跟蹤，就可紀錄下相位的變化值，但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊 度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。 系統(tǒng)中 GPS接收機采用單點定位技術，即根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀測量，用于列車的導航定位。 GPS在站內的定位 在區(qū)間采用了 GPS定位，但是在車站，又存在特殊之處，車站的股道之間的線間距是四米左右，而根據(jù)鐵路的特點，要求定位一定很精確才行，因此在車站定位方案采用差分 GPS+軌道電路法，在站內設置差分基準站，由 GPS接收到的定位信息經過地圖匹配之后，由主控計算機判斷其匹配的精度，再結合軌道電路的信息進行精確定位。軌道電路是利用鐵路線路的兩條鋼軌作導線，用以檢查有無列車、傳遞列車占用信息以及 其它信號信息的電氣回路。 送電端 (又稱電源端或始端 )由軌道電源和限流器等組成。限流器一般可以用電阻器或電抗器構成，它的作用是保護電源設備，當軌道電路被機車車輛分路時，防止電流過大而損壞電源，并保證在列車占用軌道時，軌道繼電器能可靠地落下，對某些交流軌道電路而言，它還兼有相位調整的功效。鋼軌線路是由軌條、軌端 接續(xù)線 (又稱軌端連接線或導接線 )和鋼軌絕緣等組成。鋼軌絕緣安裝于軌道電路分界處，是為了分隔或劃分軌道回路而裝設的。 受電端 (又稱繼電器端或終端 )的主要設備是軌道電路繼電器 (GJ)，用它接收軌道信號電流來反映軌道電路的工作狀態(tài)，電子軌道電路的接收設備一般都采用電子器件，其作用和軌道繼電器相同。兩個絕緣節(jié)之間的鋼軌線路 (即從送電端到受電端之間 )， 稱為軌道電路的控制區(qū)段，也就是軌道電路的長度。 本方案采用了先進的車輛導航技術，具有精度高、體積小和可靠性強及經濟成本相對較低等特點。 GSMR系統(tǒng)很多技術借鑒了公網的 GSM技術，保留了 GSM的大體結構，使得從一開始GSMR系統(tǒng)就是一個成熟可靠的系統(tǒng)，它的絕大多數(shù)軟硬件都已在現(xiàn)網中得到檢驗。 GSM— R的基本特性已在鐵路網的 MORANE試驗中得到安裝、測試和驗證。我國GSMR采用的頻段是上行 (MS到 BTS)885— 889Hz，下行 (BTS到 MS)930934MHz。無線交換機、基站控制器 (BSC)、各基站設備利用鐵路的光傳輸系統(tǒng)構成 GSMR無線交換網。車載設備包括車載算機、 GPS接收機 (雙套 )、 GSMR車載電臺等。該數(shù)據(jù)描述鐵路沿線和基礎設施不可變特性的數(shù)據(jù)，由線路拓撲和沿線基礎設施目標位置以及特性數(shù)據(jù)組成。該數(shù)據(jù)庫描述本次列車的固定信息，包含列車車長、軸重、機車號、車次號、客貨類型等執(zhí)行任務所必需的全部信息。 3．通信數(shù)據(jù) 通信數(shù)據(jù)庫描述系統(tǒng)網絡每個位 置上能夠使用的各種通信系統(tǒng)的特點，旨在使運行的列車能夠以最高的效率與該系統(tǒng)的其它部分進行通信聯(lián)系。利用該數(shù)據(jù)庫向行車管理人員顯示該系統(tǒng)及其組成部分的當前狀態(tài)。 5．信號表示索引 將所有會用到的信號表示，其所包含的具體限速要求都在這個表中列出，供軟件計算限速時取用。 6．臨時限速文件 該文件描述當前區(qū)域的臨時限速指令。使用最新的臨時限速文件與車載計算機進行校驗檢查，校驗失敗則進行更新。 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案為：使用 GSMR系統(tǒng)以及調度中心局域網。車站相關信息是 GSMR網絡傳到調度中心通信服務器，隨后傳到主控計算機。 按來源可以分為： (1)與 GPS衛(wèi)星有關的誤差：軌道誤差、相對論效應、衛(wèi)星鐘差； (2)與信號傳播有關的誤差：對流層折射、電離層折射、多路徑效應； (3)與接收設備有 關的誤差：觀測誤差、天線相位中心偏差、接收機鐘差： (4)其他誤差：地球旋轉影響、地球固體潮影響、地面基準誤差、 SA頻率抖動。短基線平差一般采用雙差相位觀測模型，根據(jù)基線兩端的相關性原理，可完全消除相對論效應、衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差的影響。 SA政策在 2021年己取消，即使有 SA，在雙差模型下也能得到很好消除。因而，多路徑效應己成為影響高精度、短基線進一步提高精度的最大的制約因素。但是 GPS發(fā)射的電磁波信號并不是一條條的直線信號而是向四面八方的，地面上接收機周圍必定有一些其他的物體，這些物體或多或少要反射 G