基于DME/P和MSK技術(shù)的無線測距系統(tǒng)及其應用研究

四川九洲電器集團有限責任公司 謝京華

針對我國各型列車之間無實時視距測量手段，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)設計、處理流程，并通過在外場鐵路線上的試驗測試，驗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行過程中缺乏完善的、具有連續(xù)性和實時性的監(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，因此需要裝備獨立的輔助系統(tǒng)監(jiān)測列車之間的位置，給駕駛員提供預警，這就使得列車防相撞設備在鐵路市場上有著極大的需求。

本文從實際應用的角度出發(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時視距測量手段，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軌道列車測試段首次演示了該機構(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、雷達測速、立體成像等傳感技術(shù)和通信技術(shù)，可以實現(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，它會及時提醒司機并幫助他找到合理的解決方案。該系統(tǒng)作為安全補充措施應用于現(xiàn)有的鐵路線安全系統(tǒng)之中。

印度將于2013年在整個印度鐵路網(wǎng)絡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)器進行信息交換，同時分析碰撞的可能性，采取及時剎車的自動應用程序，防止危險的發(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)，在運行過程中，主要通過軌道電路和應答器來接收列車運行信號。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區(qū)間。地面信號的控制都是通過軌道電路來實現(xiàn)的，通過軌道電路對鐵路區(qū)間的色燈信號機進行控制，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行。因此，一旦由于設備故障而出現(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產(chǎn)損失。基于此，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，進一步保證列車運行安全。

2 背景技術(shù)分析

2.1 測距技術(shù)

（1）偽隨機碼擴頻測距系統(tǒng)測距

偽隨機碼擴頻測距系統(tǒng)由測距機和應答機兩部分組成，進行測距時，測距機發(fā)射測距偽碼給應答機，應答機對接收的偽碼進行捕獲與跟蹤，完成接收時鐘的再生，并以再生的時鐘發(fā)射應答偽碼給測距機，測距機同樣對接收的偽碼進行捕獲與跟蹤，通過發(fā)射偽碼幀與接收偽碼幀的時差進行測距。

將擴頻技術(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。影響擴頻技術(shù)測距精度的因素主要有：偽隨機碼碼片的寬度，跟蹤偽隨機碼相位的準確度，以及突出測距的時間。偽隨機碼擴頻測距技術(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)，如無人機系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、地面坦克瞄準系統(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)二次雷達測距原理一樣：機載設備詢問，地面信標應答，機載設備接收到應答信號后根據(jù)時間差計算出距離數(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檢測精度；采用衰減延時比較法確定脈沖到達的時間，提高測量的精度，消除多路徑回波干擾等；采用導脈沖環(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制調(diào)制信號控制下通斷，此時又可稱作開關(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，因而一般只適宜在恒參信道下采用。調(diào)幅技術(shù)實現(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，但傳輸效率差，所以常常使用利用4個相位的QPSK和利用8個相位的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改進型的新型調(diào)制方式。

MSK調(diào)制方式的突出優(yōu)點是信號具有恒定的振幅，同時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；同時所占頻譜應盡可能窄，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，偽隨機碼擴頻測距技術(shù)具有精度高（可達5m）、抗干擾、抗噪音、抗多徑等特點，但是計算量大，而且采用的是擴頻通信，需要較寬的頻譜資源，很難申請到；而采用DME/P測距技術(shù)進行測距，其測距精度可達到4～30m，占用頻譜資源少，滿足對所占頻譜應盡可能窄的要求，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：一是包絡恒定；二是具有最小功率譜占用率，同時還要求誤碼性能好。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。當這種信號經(jīng)過帶寬受限的信道后，頻譜失真導致信號包絡不再恒定，如經(jīng)過非線性電路后，會發(fā)生頻譜擴展現(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)實現(xiàn)無線測距系統(tǒng)。

3 無線測距系統(tǒng)總體設計

3.1 基本原理

無線測距系統(tǒng)工作于L波段，采用收發(fā)同頻設計，且嚴格控制頻譜寬度（不大于600kHz）；系統(tǒng)通過DME/P測距技術(shù)實現(xiàn)距離測量，即通過測量發(fā)射脈沖和應答脈沖之間的間隔計算出目標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)射脈沖和應答脈沖之間的時間間隔，τ為設備自身信號傳輸和處理延時。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備的影響，利于系統(tǒng)未來的推廣和應用。同時，系統(tǒng)在編碼設計上采用MSK進行編譯碼設計，可有效實現(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)設計的詢問、應答、廣播波形分別如圖1、圖2、圖3所示。其中，P1、P2、P3采用為標準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間間隔進行區(qū)分與判別。

圖1 詢問波形示意圖

圖2 應答波形示意圖

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、天線、顯控以及配套電纜。

系統(tǒng)在工作時，首先各收發(fā)主機接收顯控模塊的配置和命令信息。然后根據(jù)工作時序，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，同時記錄發(fā)射時刻；

周圍的設備在接收到該詢問信號后，經(jīng)接收通道處理后直接進行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；

詢問設備在接收到該應答信號后，經(jīng)接收通道處理后直接進行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標信息以確定接收時刻，同時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)主機的DSP進行距離解算和點跡濾波等處理；上述工作完成后，收發(fā)主機將結(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 試驗測試

截至2020年底，系統(tǒng)已在青藏線進行了三次系統(tǒng)性的外場試驗測試，通過對三次試驗采集的數(shù)據(jù)進行分析與計算評估，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)進行比較，充分驗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)可以實現(xiàn)對遠距離目標（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，同時所占頻譜約600kHz。各次試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(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，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、測距精度高、頻譜占據(jù)小、發(fā)射功率低的特點，并通過在外場鐵路線上的試驗測試驗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，進一步保證列車運行安全。