陳國鋒

（中國鐵路通信信號(hào)上海工程集團(tuán)有限公司，上海, 200436）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路應(yīng)急通信中的應(yīng)用研究

陳國鋒

（中國鐵路通信信號(hào)上海工程集團(tuán)有限公司，上海, 200436）

在分析目前鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路應(yīng)急通信的特點(diǎn)及應(yīng)用方案進(jìn)行研究，并闡述應(yīng)用前景。

鐵路應(yīng)急；北斗；應(yīng)用

1 背景及意義

1.1 鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

早期的應(yīng)急通信依賴于鐵路沿線的通話柱，主要有117事故救援和靜止圖像傳輸，存在業(yè)務(wù)功能少、傳輸速度慢、傳輸效果差、傳輸不及時(shí)等問題，嚴(yán)重影響應(yīng)急搶險(xiǎn)及救援工作；目前隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)急通信投入的不斷加大，已有越來越多的新技術(shù)、新方案應(yīng)用于應(yīng)急通信領(lǐng)域，當(dāng)前的應(yīng)急通信系統(tǒng)已經(jīng)集語音、圖像、視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為一體，通信手段上也將有線接入和無線接入進(jìn)行融合，其中有線接入方式包括基于光纜和電纜的接入，無線接入方式又可分為寬帶無線接入、衛(wèi)星接入、GSM-R網(wǎng)絡(luò)及公眾移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接入，應(yīng)急通信技術(shù)已經(jīng)與現(xiàn)有的通信技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)。

但是從應(yīng)急通信的角度考慮，業(yè)務(wù)和通信手段的不斷豐富也帶來一些問題，主要表現(xiàn)在以下3方面。

1）應(yīng)急通信現(xiàn)場設(shè)備體積大，重量大，攜帶不方便，尤其在地震、洪水等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)。

2）應(yīng)急接入設(shè)備技術(shù)構(gòu)成復(fù)雜，很多現(xiàn)場接入設(shè)備配線數(shù)量多，接口種類多，現(xiàn)場需要配置的參數(shù)多，直接導(dǎo)致應(yīng)急現(xiàn)場開通時(shí)間長，對(duì)應(yīng)急通信技術(shù)人員要求高，不能充分體現(xiàn)應(yīng)急通信的快速效應(yīng)。

3）無線寬帶接入技術(shù)受環(huán)境影響因素較大。特別是當(dāng)車站無線接入與應(yīng)急現(xiàn)場無線接入?yún)^(qū)域內(nèi)存在明顯的障礙物時(shí)，可用接入距離縮短，無線接入的通道質(zhì)量將受到影響，可用帶寬顯著下降。

1.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r及趨勢

目前國家正在大力開展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，中國的北斗系統(tǒng)是一個(gè)分階段演進(jìn)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)計(jì)為中國軍、民用用戶提供定位，集團(tuán)用戶管理和精密授時(shí)服務(wù)。“九五”立項(xiàng)的“北斗一號(hào)”工程—雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，2000年10月31日發(fā)射第一顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”，同年12月21日發(fā)射了第二顆“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星”，構(gòu)成“北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”，標(biāo)志著我國擁有了自主研制的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。但是北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)屬于有源定位系統(tǒng)，系統(tǒng)容量有限，定位終端比較復(fù)雜，且其還屬于區(qū)域定位系統(tǒng)，目前只能為中國以及周邊地區(qū)提供定位服務(wù)。

目前，我國“北斗二代”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)正在規(guī)劃建設(shè)中。截止2012年底共發(fā)射18顆二代衛(wèi)星，建成北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，提供亞太地區(qū)服務(wù)能力，并按計(jì)劃于2020年左右建成由35顆衛(wèi)星組成的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

“北斗二代”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，除了具有同GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相同的定位、授時(shí)功能外，還具有短報(bào)文通信功能，能實(shí)時(shí)發(fā)送120 Byte的短報(bào)文信息。這使得“北斗二代”導(dǎo)航不同于其他類型的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，不單具有無源定位的能力，同時(shí)還具有實(shí)時(shí)通信的能力。

1.3 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)鐵路應(yīng)急通信的優(yōu)勢

應(yīng)急指揮的現(xiàn)有通信手段在大量終端使用時(shí)，通信流量成數(shù)量級(jí)的增長，信道將嚴(yán)重堵塞且易受外部信號(hào)干擾，通信受阻或無效。通過建立基于“北斗二代”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的鐵路應(yīng)急通信系統(tǒng)，隨著自主衛(wèi)星系統(tǒng)—北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的完善，各種北斗終端技術(shù)日益成熟，利用北斗具有短報(bào)文通信功能先天優(yōu)勢，北斗系統(tǒng)將為應(yīng)急通信系統(tǒng)的救援中心、調(diào)度中心和現(xiàn)場終端提供快速精確的位置、時(shí)間信息外，還將為現(xiàn)有應(yīng)急指揮系統(tǒng)提供一道不受空間、天氣、地質(zhì)條件等影響的通信信道。

2 應(yīng)用方案

2.1 功能需求

北斗系統(tǒng)具有精密授時(shí)、精確定位、短報(bào)文通信3大功能，本文重點(diǎn)研究北斗系統(tǒng)在鐵路應(yīng)急通信領(lǐng)域的應(yīng)用，因此，重點(diǎn)關(guān)注北斗系統(tǒng)通信功能在鐵路行業(yè)中結(jié)合定位和授時(shí)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性應(yīng)用。

北斗系統(tǒng)是導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通信功能是一種輔助功能，因此不能像通信衛(wèi)星那樣提供高帶寬的通信通道，很難滿足傳統(tǒng)意義上的多媒體應(yīng)急通信模式。根據(jù)調(diào)研和分析，結(jié)合其他各行業(yè)的應(yīng)用案例，我們認(rèn)為北斗在鐵路的應(yīng)急應(yīng)用可分為2類。

1）日常監(jiān)測預(yù)警

借鑒其他行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鐵路的特點(diǎn)，監(jiān)測預(yù)警可以應(yīng)用在橋梁監(jiān)測預(yù)警、山體滑坡監(jiān)測預(yù)警、軌道路基監(jiān)測預(yù)警、隧道監(jiān)測預(yù)警、雷電監(jiān)測預(yù)警、列車接近預(yù)警等方面，都是小數(shù)據(jù)量的狀態(tài)報(bào)告監(jiān)測。這類小數(shù)據(jù)量的報(bào)告還可應(yīng)用在司機(jī)緊急情況報(bào)警、重大設(shè)備故障報(bào)警、車輛位置跟蹤等方面。

2）重特大事故現(xiàn)場應(yīng)急通信

北斗系統(tǒng)作為新的應(yīng)急通信手段，在地震、洪水等自然災(zāi)害破壞下且其他通信手段都失效的情況下，在能夠發(fā)送短消息報(bào)告事故狀況的基礎(chǔ)上，在北斗地面控制中心的協(xié)調(diào)和支持下，集中北斗的通道資源，還是可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的語音和靜圖傳送功能的。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體構(gòu)成示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為中心和前端設(shè)備兩部份。中心包括北斗應(yīng)急管理平臺(tái)和應(yīng)急服務(wù)器，北斗應(yīng)急管理平臺(tái)通過有線網(wǎng)絡(luò)與北斗地面控制中心通信，獲取地面控制中心的授權(quán)來管理前端設(shè)備，同時(shí)通過地面控制中心的通道與前端設(shè)備通信，中心放置一臺(tái)或數(shù)臺(tái)北斗終端用于有線網(wǎng)絡(luò)故障的情況下中心直接與前端設(shè)備通信；應(yīng)急中心服務(wù)器接收應(yīng)急數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型作相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)顯示或上報(bào)等功能，同時(shí)與既有應(yīng)急通信系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。

前端設(shè)備有多種應(yīng)用模式，可與既有應(yīng)急通信終端設(shè)備融合，共同完成應(yīng)急通信現(xiàn)場定位和數(shù)據(jù)傳輸；可作為單獨(dú)應(yīng)急手持終端，用于公務(wù)、電務(wù)、車務(wù)等發(fā)現(xiàn)問題和故障及時(shí)上報(bào)；還可安裝于機(jī)車上，實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)定位信息和車載設(shè)備報(bào)警信息的上傳。

2.3 實(shí)施方案

目前，國家正在大力推進(jìn)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在交通、國土、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等行業(yè)的應(yīng)用，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路的應(yīng)用也將是未來的必然趨勢，從應(yīng)急通信應(yīng)用角度考慮，應(yīng)首先建立一套驗(yàn)證示范系統(tǒng)，對(duì)北斗系統(tǒng)的各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證和測試，優(yōu)化應(yīng)用方式，在驗(yàn)證、完善的基礎(chǔ)上進(jìn)行大規(guī)模推廣。

試驗(yàn)系統(tǒng)可在路局設(shè)置北斗應(yīng)急指揮中心，軟硬件要求成熟可靠。應(yīng)急指揮中心提供定位信息、授時(shí)及短報(bào)文信息，完成信息管理、監(jiān)控、顯示、分析、存儲(chǔ)及查詢，在與移動(dòng)北斗終端通信的基礎(chǔ)上完成終端授權(quán)管理、狀態(tài)監(jiān)控等功能。北斗應(yīng)急中心通過地面網(wǎng)絡(luò)直接或間接接入北斗信息服務(wù)系統(tǒng)，滿足鐵路對(duì)系統(tǒng)功能、安全性、可靠性和運(yùn)行性能的全面要求。

移動(dòng)終端設(shè)備包括手持終端和車載終端，具有全天候的定位、授時(shí)和雙向報(bào)文通信功能，并有標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口可采集工務(wù)、電務(wù)、車務(wù)等其他系統(tǒng)的應(yīng)急信息，依托北斗系統(tǒng)全天候、全地域的覆蓋能力，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、不間斷的實(shí)時(shí)信息交互能力。

3 結(jié)束語

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有定位、通信功能，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后，第3個(gè)趨于成熟的系統(tǒng)。與其他系統(tǒng)相比，其最大特點(diǎn)是具有獨(dú)一的短報(bào)文通信功能，通信功能再加上全天候、全地域的覆蓋能力，使得北斗衛(wèi)星通信特別適合于鐵路應(yīng)急通信領(lǐng)域，將來必有更廣闊的應(yīng)用前景。

[1]唐金元，于潞，王思臣.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].全球定位系統(tǒng)，2008（2）：26-28.

[2]蘇蕊，劉曉娟.“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2011（12）：28-30.

[3]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展報(bào)告（2.0版）.

圖2 測試驅(qū)動(dòng)模塊接口交互圖

4 系統(tǒng)應(yīng)用

相對(duì)于其他復(fù)雜的系統(tǒng)測試環(huán)境，以上方案的設(shè)計(jì)原則是：完全采用開放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能接口，并綜合實(shí)物接口和模擬接口的優(yōu)缺點(diǎn)，盡可能減低系統(tǒng)開發(fā)實(shí)施難度和環(huán)境建設(shè)的復(fù)雜度。該系統(tǒng)通過各項(xiàng)接口信息的配置，在實(shí)驗(yàn)室CTCS-2環(huán)境下可以滿足以下各種基本測試需求：1）執(zhí)行包括待機(jī)、部分監(jiān)控、引導(dǎo)、調(diào)車、全監(jiān)控、機(jī)信、目視在內(nèi)的車載運(yùn)行模式的靜態(tài)測試；2）各種模式之間的切換功能；3）人機(jī)界面的顯示功能；4）速度監(jiān)控功能。從運(yùn)行場景分析，該系統(tǒng)可以滿足以下基本場景的需求：1）模式轉(zhuǎn)換；2）接發(fā)車以及正、側(cè)線通過場景；3）區(qū)間運(yùn)行場景；4）臨時(shí)限速場景；5）過分相場景；6）故障場景。表1通過一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)測的序列進(jìn)行說明。

表1 全監(jiān)控模式下防溜逸、速度監(jiān)控以及設(shè)備故障的測試序列

以上測試案例中各步驟的測試結(jié)果均符合系統(tǒng)規(guī)范需求，從中可以看出，該測試系統(tǒng)方案對(duì)于系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)備集成、現(xiàn)場維護(hù)等多種不同層次的測試業(yè)務(wù)提供了一種相對(duì)簡便的基礎(chǔ)方案。

（收稿日期：2014-09-15）

Based on the analysis of the developing trend of the railway emergency communication system at present, the paper introduces the research on the features and the solution of applying the BeiDou navigation satellite system in railway emergency communication, and sets forth its application perspective.

railway emergency communication; BeiDou navigation satellite system; application

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.01.009

2013-01-06）