基于等效阻抗模型的應(yīng)答器下行鏈路傳輸性能評(píng)估方法研究

李正交，蔡伯根,2，劉 江,2，陸德彪,2，朱林富，劉 浩

(1.北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.北京市電磁兼容與衛(wèi)星導(dǎo)航工程技術(shù)研究中心，北京 100044；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081； 4.北京交大思諾科技有限公司，北京 102206)

隨著中國(guó)軌道交通近十年的飛速發(fā)展，應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)(Balise Transmission System, BTS)被大量應(yīng)用于中國(guó)鐵路列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(Chinese Train Control System, CTCS)[1]，以鄭萬(wàn)高鐵湖北段為例，全長(zhǎng)287.187 km，需要采購(gòu)和使用地面應(yīng)答器近兩千臺(tái)。對(duì)2016年1月至2017年4月某動(dòng)車段近200臺(tái)列車的車載設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)引起的列車車載系統(tǒng)故障占比近30%[2]。目前，針對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的維護(hù)和檢修大多采用基于靜態(tài)數(shù)據(jù)的“定期修”模式和基于動(dòng)態(tài)檢測(cè)的“故障修”模式，很難滿足系統(tǒng)對(duì)進(jìn)一步提高信息傳輸可靠性和降低維護(hù)成本的需求。隨著新一代人工智能技術(shù)的發(fā)展，依據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行檢修的“狀態(tài)修”智能維護(hù)模式正在成為軌道交通行業(yè)革新的發(fā)展趨勢(shì)[3-4]。“狀態(tài)修”智能維護(hù)即在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能異常狀態(tài)或定量評(píng)價(jià)系統(tǒng)健康狀態(tài)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)的剩余壽命，并在此基礎(chǔ)上給出最優(yōu)維護(hù)方案，而實(shí)現(xiàn)智能維護(hù)的關(guān)鍵就是對(duì)系統(tǒng)性能狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。

近年來(lái)，部分學(xué)者已經(jīng)對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的性能評(píng)估方法展開(kāi)了相應(yīng)的研究。趙會(huì)兵等[5]給出了特定應(yīng)答器傳輸模塊(Balise Transmission Module, BTM)設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性可以用動(dòng)態(tài)作用距離、動(dòng)態(tài)作用時(shí)間、動(dòng)態(tài)接收能力、動(dòng)態(tài)處理能力等參數(shù)描述，且這些參數(shù)可以通過(guò)生成最弱應(yīng)答器及最強(qiáng)應(yīng)答器上行鏈路動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)、采集BTM輸出信息及狀態(tài)的方法進(jìn)行測(cè)試；李正交等[6]將BTM 報(bào)文層不能正確譯碼的概率作為系統(tǒng)可靠性評(píng)估的指標(biāo)，對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行定量評(píng)估；朱林富等[7]采用參數(shù)S表征應(yīng)答器內(nèi)部有多個(gè)獨(dú)立天線間的耦合磁通量大小，并對(duì)上行鏈路發(fā)射天線和射頻能量接收天線間的互感性能進(jìn)行仿真分析；梁迪等[8]深入分析了車載天線與地面應(yīng)答器之間能量和數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程,建立了應(yīng)答器 I/O 特性、射頻磁場(chǎng)分布、信號(hào)輻射模式等理論模型，給出了計(jì)算應(yīng)答器作用距離的一般步驟；趙林海等[9]針對(duì)應(yīng)答器下行鏈路信號(hào)傳輸過(guò)程進(jìn)行分析，提出應(yīng)答器感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)來(lái)表征電磁感應(yīng)強(qiáng)度。上述文獻(xiàn)主要針對(duì)BTS車載模塊或上行鏈路信號(hào)的傳輸特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，而針對(duì)BTS下行鏈路傳輸過(guò)程僅停留在傳輸過(guò)程建模層面，缺少性能的評(píng)估與分析。因此，本文將深入分析BTS下行鏈路傳輸過(guò)程，給出其等效阻抗模型，提出可供鐵路現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和分析的BTS下行鏈路傳輸性能評(píng)估指標(biāo)，為應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)開(kāi)展基于“狀態(tài)修”的智能維護(hù)模式提供更多的性能評(píng)估思路。

1 下行鏈路傳輸過(guò)程分析

1.1 應(yīng)答器傳輸性能的分析

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)是一種基于射頻識(shí)別技術(shù)RFID的點(diǎn)式列車定位系統(tǒng)，只有在列車通過(guò)地面應(yīng)答器時(shí)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)定位信息的無(wú)線傳輸。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)功能示意見(jiàn)圖1。

圖1 應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)功能示意

列車運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的下行鏈路信號(hào)和上行鏈路信號(hào)的傳輸極易受運(yùn)行條件、環(huán)境等因素影響，其傳輸性能將不可避免地發(fā)生變化[5-7, 10-11]。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)性能的變化可以看作系統(tǒng)性能退化的表現(xiàn)，嚴(yán)重的性能退化可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)最終的失效，進(jìn)而影響列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)性能變化的監(jiān)測(cè)和分析，本文以高速綜合檢測(cè)列車應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)為應(yīng)用背景，假設(shè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中應(yīng)答器傳輸模塊及車載天線性能恒定不變；根據(jù)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)鐵路現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，地面應(yīng)答器自身故障多為數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或硬件故障，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤多出現(xiàn)在新線路安裝調(diào)試期間，而硬件故障常見(jiàn)于自身受外力擊打損壞，如施工損傷、冰雪擊打、應(yīng)答器尾纜斷線等[12]，因此在高速綜合檢測(cè)列車對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)進(jìn)行周期性動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，可假設(shè)地面應(yīng)答器自身性能也恒定不變。根據(jù)上述假設(shè)，本文重點(diǎn)對(duì)列車運(yùn)行條件及環(huán)境引起的應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)性能變化過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。

列車運(yùn)行條件及環(huán)境主要通過(guò)影響應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)“A”接口性能進(jìn)而引起系統(tǒng)性能退化[6-7, 10-11]，為分析應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的性能變化過(guò)程，需要對(duì)系統(tǒng)“A”接口信號(hào)傳輸過(guò)程進(jìn)行建模分析。應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)“A”接口主要包括“A4”接口下行鏈路信號(hào)和“A1”接口上行鏈路信號(hào)，而上行鏈路信號(hào)的傳輸不僅受列車運(yùn)行條件及環(huán)境的影響，而且受下行鏈路信號(hào)本身特性的影響，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，本文主要對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)下行鏈路信號(hào)傳輸過(guò)程進(jìn)行建模分析。

1.2 下行鏈路傳輸性能分析

搭建應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)下行鏈路傳輸過(guò)程的簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖2，以地面應(yīng)答器中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立三維直角坐標(biāo)系O-XYZ，分別取與地面應(yīng)答器接收天線的EF邊和EH邊相平行的方向作為OX軸、OY軸，取與地面應(yīng)答器接收天線垂直向上的方向?yàn)镺Z軸，其中OX軸正方向?yàn)榱熊囘\(yùn)行方向。車載天線水平安裝，距地面應(yīng)答器接收天線垂直高度h保持不變。

圖2 BTS下行鏈路傳輸過(guò)程簡(jiǎn)化模型

設(shè)P0(x,y,h)為點(diǎn)P(x,y,0)在平面ABCD上的投影，P1為P0至AB邊的垂足。車載天線的尺寸為AB=CD=2la、BC=DA=2lb，地面應(yīng)答器接收天線的尺寸為EF=GH=2lc、FG=HE=2ld，車載天線中心點(diǎn)O1的坐標(biāo)為(x′,0,h)。設(shè)t=0時(shí)刻，列車運(yùn)行速度為v，車載天線中心點(diǎn)的水平位置為x0，則

x′=vt+x0

( 1 )

設(shè)μ0為真空磁導(dǎo)率，I為通過(guò)車載天線的電流，點(diǎn)Q1(xq1,yq1)、Q2(xq2,yq2)、Q3(xq3,yq3)、Q4(xq4,yq4)分別為AB邊、CD邊、BC邊、AD邊上的任意點(diǎn)。則由畢奧·薩伐爾定律分別計(jì)算AB、BC、CD、DA四個(gè)邊在任意點(diǎn)P(x,y,0)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的Z軸分量BZ(x,y)的數(shù)學(xué)模型為[9]

( 2 )

在自由空間中不考慮環(huán)境因素的情況下，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律知，地面應(yīng)答器接收天線動(dòng)態(tài)感應(yīng)電壓Uev(x′)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

( 3 )

式中：f0=27.095 MHz；q為地面應(yīng)答器接收天線諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向總是阻礙磁通量的變化(楞次定律)。

根據(jù)式( 1 )～式( 3 )可知，當(dāng)BTM性能及車載天線參數(shù)、地面應(yīng)答器性能參數(shù)恒定不變時(shí)，地面應(yīng)答器接收天線動(dòng)態(tài)感應(yīng)電壓與下行鏈路信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度是衡量BTS下行鏈路傳輸性能的兩個(gè)重要參數(shù)[9, 13]，然而鐵路現(xiàn)場(chǎng)不易或不可能對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)和分析，因而無(wú)法直接評(píng)估BTS下行鏈路傳輸性能的變化，因此本文提出了基于等效阻抗模型的方法對(duì)BTS下行鏈路傳輸性能進(jìn)行評(píng)估。

2 下行鏈路傳輸性能評(píng)估方法

2.1 下行鏈路等效阻抗模型

為研究應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)下行鏈路傳輸性能與系統(tǒng)阻抗的關(guān)系，根據(jù)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)車載天線與地面應(yīng)答器接收天線的電磁感應(yīng)耦合原理，應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)下行鏈路信號(hào)傳輸過(guò)程可以看作互感系數(shù)為M的互感電路，其等效阻抗模型見(jiàn)圖3[10, 13-15]。

圖3 下行鏈路傳輸過(guò)程等效阻抗模型

根據(jù)基爾霍夫電壓定律知，當(dāng)車載天線經(jīng)過(guò)地面應(yīng)答器時(shí)，下行鏈路信號(hào)傳輸過(guò)程等效電路滿足

( 4 )

Ur=(Rr+jωLr)I0+jωMI1

( 5 )

式中:Up為車載天線的總電壓;Ur為車載天線等效電路中端子1與端子2間的電壓;ω為車載天線輸入信號(hào)角頻率;R1、C1為車載天線匹配電阻和電容;Rr、Lr為車載天線本身的固有電阻和電感;I0、I1分別為流經(jīng)車載天線和地面應(yīng)答器射頻能量接收天線的電流。理想情況下，當(dāng)車載天線阻抗與輸入信號(hào)阻抗匹配時(shí)，車載天線輸出功率最大，即回路處于純阻性狀態(tài)，滿足

( 6 )

根據(jù)基爾霍夫電壓定律知，當(dāng)車載天線經(jīng)過(guò)地面應(yīng)答器時(shí)，地面應(yīng)答器等效電路滿足

jωMI0+(Rt+jωLt)I1+ZtI1=0

( 7 )

式中:Zt為地面應(yīng)答器等效電路中端子3與端子4間的等效阻抗，包括阻抗匹配電路、整流電路和負(fù)載阻抗Zld；Rt、Lt為地面應(yīng)答器射頻能量接收天線本身的固有電阻和電感。

根據(jù)定義可知，車載天線輸入阻抗Z0表達(dá)式為

( 8 )

將式( 4 )～式( 7 )代入式( 8 )得

( 9 )

由上式可知，地面應(yīng)答器通過(guò)互感來(lái)影響車載天線輸入阻抗[14]，可以用反映阻抗ZR表示為

(10)

根據(jù)互感系數(shù)M的定義知

(11)

式中：S為地面應(yīng)答器下行鏈路信號(hào)接收天線所圍成的面積。

由式( 9 )可知，當(dāng)BTM性能及車載天線參數(shù)、地面應(yīng)答器性能參數(shù)恒定不變時(shí)，應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)車載天線的輸入阻抗Z0僅與互感系數(shù)M相關(guān)。而Z0可以被實(shí)時(shí)測(cè)量[16]，因此可以通過(guò)測(cè)量Z0來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)BTS下行鏈路傳輸性能的評(píng)估。

2.2 等效阻抗的測(cè)量與校正

根據(jù)RFID系統(tǒng)實(shí)時(shí)阻抗測(cè)量方法以及地面應(yīng)答器阻抗測(cè)量方法[14, 16]，可在列車通過(guò)地面應(yīng)答器時(shí)，測(cè)量車載天線輸入端S11參數(shù)，再通過(guò)誤差校正方式來(lái)計(jì)算等效阻抗模型中車載天線輸入阻抗。

車載天線輸入阻抗Z0為

(12)

其中，S11參數(shù)定義如下

(13)

式中：b1為車載天線輸入端的反射波；a1為車載天線輸入端的入射波。

由于測(cè)量環(huán)境很難達(dá)到嚴(yán)格的電磁屏蔽標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致在測(cè)量過(guò)程中引入各種不必要的誤差，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量得到的反射系數(shù)(ΓM)與真實(shí)的反射系數(shù)(S11并不相等。測(cè)量誤差可分為漂移誤差、隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，而系統(tǒng)誤差主要來(lái)源于定向器件的方向性、源和負(fù)載匹配、傳輸和反射跟蹤，系統(tǒng)誤差可以通過(guò)校準(zhǔn)消除[17]。本文基于六參數(shù)雙端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)系統(tǒng)誤差模型，建立車載天線單端口系統(tǒng)誤差模型[16-17]，見(jiàn)圖4。

圖4 車載天線單端口系統(tǒng)誤差模型

圖4中有三種系統(tǒng)誤差：e00為方向性誤差、e11為源匹配誤差、e01、e10分別為入射端和反射端的頻率響應(yīng)反射跟蹤誤差。

通過(guò)圖4可知，系統(tǒng)測(cè)量得到的反射系數(shù)ΓM與三種系統(tǒng)誤差和車載天線真實(shí)反射系數(shù)Γc間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，根據(jù)梅森增益公式分析單端口系統(tǒng)誤差模型可知

(14)

式中：S11M為S11測(cè)量值；Δ為信號(hào)流圖的特征式；n為從源節(jié)點(diǎn)至匯節(jié)點(diǎn)前向通道總數(shù)；Tk為第k條前向通路的傳輸；Δk為第k條前向通路特征式的余因子式。Δe為

Δe=e00e11-e10e01

(15)

根據(jù)式(14)可知，車載天線真實(shí)反射系數(shù)Γc可以表示為

(16)

式中：Ar、φr為反射波的幅值和相位；Ai、φi為入射波的幅值和相位。

為計(jì)算e00、e11和Δe三個(gè)未知數(shù)，可分別測(cè)量開(kāi)路、短路、50 Ω匹配負(fù)載三種典型負(fù)載情況下車載天線的反射系數(shù)ΓM1、ΓM2和ΓM3，得到方程組如下

(17)

其中，Γ1=ΓOPEN=1，Γ2=ΓSHORT=-1，Γ3=Γ50Ω=0。

根據(jù)e00、e11和Δe的求解結(jié)果，結(jié)合式(16)即可計(jì)算系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)后車載天線輸入阻抗的真實(shí)測(cè)量值。

由于鐵路現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法使用三種典型負(fù)載直接對(duì)BTS車載天線輸入端口進(jìn)行系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)，可以參考地面應(yīng)答器阻抗測(cè)量過(guò)程中的誤差校準(zhǔn)方法[14]，使用一個(gè)與地面應(yīng)答器具有相同特性且負(fù)載可變的參考環(huán)來(lái)輔助校準(zhǔn)，待系統(tǒng)誤差校準(zhǔn)完成后，將參考環(huán)替換成地面應(yīng)答器再進(jìn)行阻抗測(cè)量，而此時(shí)測(cè)量得到的阻抗是地面應(yīng)答器的阻抗即反映阻抗ZR_Meas，因此車載天線輸入阻抗的校正結(jié)果Z0_Eval為阻抗測(cè)量結(jié)果加上車載天線阻抗和參考環(huán)阻抗，其表達(dá)式如下

Z0_Eval=ZR_Meas+ZAnt+Zloop

(18)

式中：ZAnt車載天線阻抗；Zloop為參考環(huán)阻抗。

3 測(cè)量驗(yàn)證與仿真分析

3.1 傳輸性能評(píng)估方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于等效阻抗模型的應(yīng)答器下行鏈路傳輸性能評(píng)估方法的準(zhǔn)確性和可行性，參考UNISIG SUBSET-085規(guī)范[14]中地面應(yīng)答器阻抗測(cè)量系統(tǒng)，使用示波器代替網(wǎng)絡(luò)分析儀搭建一套車載天線輸入阻抗測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖5 車載天線輸入阻抗測(cè)量系統(tǒng)

圖5中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生27.095 MHz的下行鏈路能量信號(hào)，車載天線采用UNISIG SUBSET-085規(guī)范中專用的測(cè)試天線，通過(guò)示波器和雙向耦合器對(duì)車載天線輸入端的入射波和反射波進(jìn)行測(cè)量，使用功率計(jì)對(duì)測(cè)試天線發(fā)射功率進(jìn)行測(cè)量。

靜態(tài)測(cè)試：選取某公司縮小尺寸地面應(yīng)答器進(jìn)行靜態(tài)輸入阻抗測(cè)試。車載天線相對(duì)于地面應(yīng)答器的位置坐標(biāo)為[X=0,Y=0,Z=220 mm]，在測(cè)量過(guò)程中兩者相對(duì)位置保持不變，信號(hào)源發(fā)送固定幅度信號(hào)，通過(guò)調(diào)整射頻功率放大器的放大倍數(shù)，不斷改變車載天線發(fā)送功率。新方法與UNISIG SUBSET-085規(guī)范[14]中的測(cè)量方法對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 新方法與UNISIG SUBSEF-085測(cè)量方法結(jié)果對(duì)比

表1中，阻抗模誤差|Zerror|與阻抗角誤差argZerror計(jì)算公式為

(19)

(20)

由表1可知，新方法所得的阻抗模誤差、阻抗角誤差均小于1%，新方法測(cè)量得到的車載天線輸入阻抗能夠滿足性能分析對(duì)準(zhǔn)確性的要求，而兩者誤差是由測(cè)量設(shè)備的漂移誤差和隨機(jī)誤差無(wú)法消除且時(shí)刻變化引起，測(cè)量誤差隨著車載天線發(fā)送功率增大而減小，新測(cè)量方法將更加準(zhǔn)確。靜態(tài)測(cè)試時(shí)，車載天線發(fā)送功率與下行鏈路信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度為增函數(shù)關(guān)系[14]，而根據(jù)表1的測(cè)量結(jié)果可知，當(dāng)車載天線與地面應(yīng)答器相對(duì)位置固定時(shí)，車載天線發(fā)送功率與輸入阻抗的模之間也滿足增函數(shù)關(guān)系，因此可以使用輸入阻抗的模來(lái)間接分析下行鏈路信號(hào)的性能。

動(dòng)態(tài)測(cè)試：選取某公司縮小尺寸地面應(yīng)答器進(jìn)行動(dòng)態(tài)輸入阻抗測(cè)試，由于鐵路現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)答器動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)無(wú)法對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)重新進(jìn)行誤差校正，因此僅對(duì)X=0處進(jìn)行誤差校正，在X≠0處仍采用X=0時(shí)的誤差校正函數(shù)進(jìn)行誤差校正。車載天線相對(duì)于地面應(yīng)答器的起始位置坐標(biāo)為[X=0,Y=0,Z=220 mm]，在測(cè)量過(guò)程中信號(hào)源發(fā)送固定幅度信號(hào)，射頻功率放大器的放大倍數(shù)保持不變，不斷改變車載天線與地面應(yīng)答器間的X軸的相對(duì)位置。動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 車載天線輸入阻抗的動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果

由圖6可知，在動(dòng)態(tài)測(cè)試過(guò)程中，隨著車載天線與地面應(yīng)答器相對(duì)距離的增加，造成車載天線發(fā)送功率減小，進(jìn)而引起下行鏈路信號(hào)磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，但動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果顯示，車載天線輸入阻抗的模與車載天線發(fā)送功率滿足減函數(shù)關(guān)系，此結(jié)果與靜態(tài)測(cè)試結(jié)果正好相反，造成此結(jié)果的原因是動(dòng)態(tài)測(cè)試并未對(duì)所有測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)誤差校正，在X≠0處測(cè)量的輸入阻抗，仍采用X=0處的誤差校正函數(shù)進(jìn)行誤差校正，相當(dāng)于將不同測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的未經(jīng)誤差校正的輸入阻抗按照X=0處的誤差校正函數(shù)做了一次函數(shù)映射，從而得到圖6的測(cè)試結(jié)果。動(dòng)態(tài)測(cè)試更符合現(xiàn)場(chǎng)地面應(yīng)答器的實(shí)際工作過(guò)程，上述結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)測(cè)量的車載天線輸入阻抗的模可以間接分析下行鏈路信號(hào)的傳輸性能。

3.2 下行鏈路傳輸性能分析

在列車運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的下行鏈路信號(hào)的傳輸性能極易受到運(yùn)行條件、環(huán)境等因素的影響，可以通過(guò)變換車地相對(duì)位置、列車運(yùn)行速度、空間環(huán)境介質(zhì)等影響因素，來(lái)仿真分析車載天線輸入阻抗的變化，由于仿真過(guò)程不存在測(cè)量誤差，無(wú)需誤差校正，因此車載天線發(fā)送功率與輸入阻抗模之間會(huì)滿足增函數(shù)關(guān)系。

假設(shè)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)車載天線尺寸為la=187 mm、lb=218 mm，地面應(yīng)答器接收天線尺寸為lc=100 mm、ld=195 mm，真空磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7，車載天線電流I=0.48 A，下行鏈路信號(hào)頻率f0=27.095 MHz，車載天線與地面應(yīng)答器初始相對(duì)安裝高度h=220 mm。且t=0時(shí)刻，車載天線中心點(diǎn)的水平位置x0=-1.3 m，仿真時(shí)長(zhǎng)100 ms。

仿真實(shí)驗(yàn)1：改變車地的相對(duì)位置；假設(shè)列車以100 km/h的速度通過(guò)空間環(huán)境無(wú)雜質(zhì)的地面應(yīng)答器，以車載天線與地面應(yīng)答器的相對(duì)位移X、相對(duì)高度h為變量，仿真在不同的車地相對(duì)位置下，車載天線輸入阻抗的模見(jiàn)圖7。

圖7 |Z0_Eval|在不同車地相對(duì)位置的對(duì)比分析

圖8 |Z0_Eval|在不同車地相對(duì)位置的特征對(duì)比

為定量分析不同車地相位置對(duì)車載天線輸入阻抗模的影響，選取最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏態(tài)、峰度共計(jì)六個(gè)參數(shù)作為特征值[18]，對(duì)圖7主瓣區(qū)坐標(biāo)X1至坐標(biāo)X2間的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖8。

仿真實(shí)驗(yàn)2：改變列車運(yùn)行速度；假設(shè)列車分別以100、150、200、250、300、350、400、450、500 km/h的速度通過(guò)空間環(huán)境無(wú)雜質(zhì)的地面應(yīng)答器，車載天線與地面應(yīng)答器相對(duì)安裝高度h=220 mm，仿真在不同的列車運(yùn)行速度下，車載天線輸入阻抗模見(jiàn)圖9，其主瓣區(qū)輸入阻抗模的六項(xiàng)特征對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 |Z0_Eval|在不同列車運(yùn)行速度的對(duì)比分析

圖10 |Z0_Eval|在不同列車運(yùn)行速度的特征對(duì)比

圖9中，X軸為仿真采樣點(diǎn)數(shù)，Y軸為不同的列車運(yùn)行速度，右側(cè)Z軸代表車載天線輸入阻抗模。

仿真實(shí)驗(yàn)3：改變空間環(huán)境介質(zhì)；假設(shè)列車以100 km/h的速度通過(guò)表面有雜質(zhì)的地面應(yīng)答器，車載天線與地面應(yīng)答器相對(duì)安裝高度h=220 mm，仿真在損耗介質(zhì)衰減因子α分別為0、0.05、0.1、0.5、1時(shí)[10]，車載天線輸入阻抗模見(jiàn)圖11，其主瓣區(qū)輸入阻抗模的特征對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖11 |Z0_Eval|在不同空間損耗介質(zhì)的對(duì)比分析

圖12 |Z0_Eval|在不同空間損耗介質(zhì)的特征對(duì)比

根據(jù)上述三個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：①車載天線輸入阻抗模的包絡(luò)曲線與地面應(yīng)答器接收天線接收到的磁通量包絡(luò)曲線的變化趨勢(shì)一致，可以表征下行鏈路傳輸性能的變化；②車地相對(duì)位置、空間環(huán)境介質(zhì)的改變會(huì)引起車載天線輸入阻抗模的包絡(luò)曲線的變化，可通過(guò)對(duì)包絡(luò)曲線主瓣區(qū)最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等特征參數(shù)的分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)下行鏈路傳輸性能的評(píng)估；③列車運(yùn)行速度的改變會(huì)引起車載天線輸入阻抗模的包絡(luò)曲線的變化，可以通過(guò)對(duì)包絡(luò)曲線主瓣區(qū)采樣點(diǎn)數(shù)等特征參數(shù)的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)下行鏈路傳輸性能的評(píng)估。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于等效阻抗模型，提出一種適用于鐵路現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與評(píng)估下行鏈路傳輸性能的新方法，引入車載天線輸入阻抗模曲線主瓣區(qū)的六項(xiàng)特征參數(shù)，對(duì)不同列車運(yùn)行條件和環(huán)境下車載天線輸入阻抗模進(jìn)行分析，驗(yàn)證車載天線輸入阻抗對(duì)監(jiān)測(cè)和評(píng)估下行鏈路傳輸性能的有效性。本文所提方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)下行鏈路傳輸性能的監(jiān)測(cè)和分析，但僅基于下行鏈路傳輸性能的狀態(tài)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的在線智能維護(hù)，后續(xù)需要結(jié)合上行鏈路傳輸性能監(jiān)測(cè)和分析結(jié)果，采用大數(shù)據(jù)與人工智能的方法，對(duì)應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)下行與上行傳輸性能進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)與分析，來(lái)真正實(shí)現(xiàn)基于“狀態(tài)修”的應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)健康管理。