陳家斌

(廣西天道信息技術(shù)有限公司，南寧 530028)

1 概述

動(dòng)車組檢修庫(kù)一般采用金屬頂棚結(jié)構(gòu)，庫(kù)內(nèi)無(wú)專用的衛(wèi)星接收放大器、GSM-R無(wú)線基站（BTS），高級(jí)修驗(yàn)收、檢修作業(yè)CIR設(shè)備受外界限制而無(wú)法進(jìn)行全面排查試驗(yàn)出潛在隱患，導(dǎo)致動(dòng)車組出庫(kù)后，CIR設(shè)備語(yǔ)音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能無(wú)法正常使用，GPS衛(wèi)星定位信號(hào)無(wú)法正常接收，是日常檢修驗(yàn)收、排查隱患的困難問(wèn)題。特別是當(dāng)車頂天線出現(xiàn)故障，只能扣車返所并臨時(shí)申請(qǐng)更換動(dòng)車組上線運(yùn)行，給動(dòng)車組檢測(cè)作業(yè)及動(dòng)車組行車調(diào)度指揮造成嚴(yán)重干擾。

解決如何快速判斷是板件、天線（饋線）問(wèn)題，是故障處理的關(guān)鍵。目前處理GSM-R信號(hào)故障只能通過(guò)測(cè)試天線駐波比判斷天饋線的好壞；處理GPS故障只能通過(guò)GPS天線測(cè)試儀表進(jìn)行搜星測(cè)試，如搜星數(shù)無(wú)效情況下，處理人員只能通過(guò)跟車出庫(kù)到空曠場(chǎng)所獲取GPS信號(hào)，存在很大的設(shè)備安全隱患且效率低下。本文針對(duì)該問(wèn)題，通過(guò)研究不同廠家生產(chǎn)的GPS模塊輸出電壓?jiǎn)?dòng)前置放大電路原理，通過(guò)信號(hào)電流測(cè)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(cè)試法、通過(guò)式電流法及天線環(huán)阻測(cè)試法。庫(kù)檢作業(yè)可通過(guò)上述方法排查出板件、天線的故障隱患，從而減少CIR設(shè)備故障。

2 系統(tǒng)介紹

機(jī)車綜合無(wú)線通信設(shè)備（CIR）由主機(jī)、操作顯示終端（MMI）、送受話器、揚(yáng)聲器、打印終端、機(jī)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(hào)的動(dòng)車組由于工程配置不一，CIR設(shè)備的組成也有差異。CIR設(shè)備連接示意如圖1所示，CIR原理如圖2所示。

圖1 CIR設(shè)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(shè)備天線系統(tǒng)介紹

3.1 CIR設(shè)備GPS天線系統(tǒng)

CIR設(shè)備GPS信號(hào)接收功能實(shí)現(xiàn)主要是由CIR設(shè)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(shè)備GPS單元原理Fig.3 Schematic diagram of GPS unit of CIR equipment

CIR設(shè)備GPS信號(hào)接收過(guò)程中天線部分和GPS模塊（變頻器、信號(hào)通道）的信號(hào)流走向，如圖4所示。

圖4 CIR設(shè)備GPS信號(hào)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(kuò)頻調(diào)制信號(hào)，通過(guò)天饋線提供工作電壓激活前置放大器，將GPS信號(hào)極微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，放大傳遞到變頻器。

2）變頻器及中頻放大器

經(jīng)過(guò)GPS前置放大器的信號(hào)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(hào)變成低頻信號(hào)。

3）信號(hào)通道

信號(hào)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(duì)廣播電文數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)行解擴(kuò)，解調(diào)出廣播電文；進(jìn)行偽距測(cè)量、載波相位測(cè)量及多普勒頻移測(cè)量。

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

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

CIR設(shè)備GSM-R 語(yǔ)音、GSM-R 數(shù)據(jù)天線采用無(wú)源天線，通過(guò)天線連接饋線與CIR設(shè)備主機(jī)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)模塊相互連接，以傳導(dǎo)射頻通信信號(hào)，如圖5所示。

圖5 GSM-R語(yǔ)音信號(hào)接收原理Fig.5 Schematic diagram of the reception of GSM-R voice signals

4 技術(shù)特征

動(dòng)車組CIR設(shè)備天饋線系統(tǒng)是由GSM-R 語(yǔ)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(tái)用）、800 MHz（LBJ用）、GSM-R（CIR設(shè)備語(yǔ)音用）。下面針對(duì)天饋線系統(tǒng)及測(cè)量方法進(jìn)行簡(jiǎn)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(lái)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(dòng)車組天線位置用途

以動(dòng)車組CRH-2A車型為例（從司機(jī)室位置起記1、2、3、4號(hào)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(hào)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(shè)備數(shù)據(jù)模塊；GPS天線（使用頻率1 574 ～1577 MHz），連接DMS設(shè)備GPS模塊。

2號(hào)位，GSM-R 語(yǔ)音/GPS組合天線：GSM-R頻率885 ～934 MHz，連接DMS設(shè)備GSM-R模塊；GPS天線（使用頻率1 574～1577 MHz），連接CIR設(shè)備GPS模塊。

3號(hào)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(shè)備450 MHz單元；800 MHz端口：821～869 MHz，連接CIR設(shè)備LBJ單元；GSM-R端口：GSM-R 語(yǔ)音（使用頻率870～960 MHz ），連接CIR設(shè)備語(yǔ)音模塊。

4號(hào)位，LAIS天線: 800～5 800 MHz，連接LAIS設(shè)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(yǔ)音及GSM-R 數(shù)據(jù)天線：無(wú)源天線；阻抗50 Ω；工作頻段870～960 MHz。

5 測(cè)試方法及指標(biāo)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(shí)需對(duì)GPS模塊和GPS天線系統(tǒng)進(jìn)行故障部分定位，才能更有效進(jìn)行處理。

5.1 GPS天線系統(tǒng)測(cè)試方法

取國(guó)內(nèi)外不同廠家設(shè)備進(jìn)行具體分析，CRH-2A、CRH-380A、CR300AF系 列 車 型 動(dòng) 車 組GSM-R 數(shù)據(jù)/GPS組合天線、GSM-R 語(yǔ)音/GPS組合天線國(guó)內(nèi)外廠家分別以有泰興東盛通訊（國(guó)產(chǎn)）、SENCITY（進(jìn)口）為例。

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

2）通過(guò)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(wàn)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(cè)試儀搜索衛(wèi)星法： GPS天線連接GPS測(cè)試儀，測(cè)試搜星數(shù)≥3。

圖8 GPS通過(guò)式電流測(cè)試示意Fig.8 Demonstration of the GPS through-currents test

5.2 GPS模塊測(cè)量方法

1) GPS模塊電壓測(cè)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(guó)內(nèi)不同廠家設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)有所區(qū)別，在測(cè)試判斷時(shí)應(yīng)予以區(qū)分，廠家1CIR設(shè)備GPS模塊電壓≥3 V（直流），廠家2、廠家3CIR設(shè)備GPS模塊電壓≥5 V（直流），在GPS模塊TNC口測(cè)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(diǎn)檢查GPS天線。

2) 語(yǔ)音/數(shù)據(jù)天線代替法：如經(jīng)過(guò)重啟/復(fù)位GPS都無(wú)法正常工作，隨身未攜帶GPS測(cè)試儀和萬(wàn)用表，可臨時(shí)借用語(yǔ)音/數(shù)據(jù)天線代替GPS天線，觀察GPS時(shí)間是否變黃（黃色正常，紅色代表不正常）。如GPS時(shí)間正常，代表GPS單元正常，入庫(kù)檢查GPS天線搜星情況。

5.3 GSM-R 數(shù)據(jù)、GSM-R 語(yǔ)音、多頻帶天線

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

2）通過(guò)式功率計(jì)測(cè)試電壓駐波比法：在CIR主機(jī)擰下數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、多頻帶天線接頭，串聯(lián)通過(guò)式功率計(jì)，另安排1人在MMI進(jìn)行GPRS、語(yǔ)音（450 MHz、GSM-R）發(fā)射，測(cè)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(cè)試儀搜索衛(wèi)星法測(cè)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(guò)式電流法測(cè)試GPS模塊天線電流，如無(wú)電流值或過(guò)大說(shuō)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(cè)試法測(cè)試GPS天線環(huán)阻，環(huán)阻值為∞或0，說(shuō)明GPS天線或連接饋線已損壞，需更換GPS天線或饋線。

語(yǔ)音/數(shù)據(jù)天線代替法：如經(jīng)過(guò)重啟/復(fù)位GPS都無(wú)法正常工作，隨身未攜帶GPS測(cè)試儀和萬(wàn)用表，可臨時(shí)借用語(yǔ)音/數(shù)據(jù)天線代替GPS天線，觀察MMI顯示屏上GPS時(shí)間是否變黃（黃色正常，紅色代表不正常）。如GPS時(shí)間正常，代表GPS單元正常，入庫(kù)檢查GPS天線搜星情況。

2）GSM-R 數(shù)據(jù)天線：無(wú)法完成網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)（MMI無(wú)顯示“G”），無(wú)法獲取IP，接收不了進(jìn)路預(yù)告及調(diào)度命令。

處理方法（天線部分）：借用GSM-R 語(yǔ)音天線替換法，如功能試驗(yàn)正常，說(shuō)明數(shù)據(jù)模塊正常；通過(guò)式功率計(jì)測(cè)試電壓駐波比法，如駐波比大于1.5，說(shuō)明天饋線指標(biāo)不合格，需更換天線或饋線；利用環(huán)阻測(cè)試法測(cè)試天線饋線環(huán)阻，環(huán)阻＞5 Ω或處于開(kāi)路，說(shuō)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(jì)測(cè)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(yǔ)音天線：無(wú)法完成網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)（MMI無(wú)顯示語(yǔ)音信號(hào)格數(shù)），不能進(jìn)行語(yǔ)音調(diào)度通信、機(jī)車號(hào)及車次號(hào)注冊(cè)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(yàn)正常，說(shuō)明語(yǔ)音模塊正常；通過(guò)式功率計(jì)測(cè)試電壓駐波比法，如駐波比大于1.5，說(shuō)明天饋線指標(biāo)不合格，需更換天線或饋線；利用環(huán)阻測(cè)試法測(cè)試天線饋線環(huán)阻，環(huán)阻＞5 Ω或處于開(kāi)路，說(shuō)明GSM-R 語(yǔ)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(jì)測(cè)試語(yǔ)音模塊發(fā)射功率39±2 dBm（5～13 W），如低于39±2 dBm，更換語(yǔ)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(tái)用）、800 MHz（LBJ用） 、GSM-R（CIR語(yǔ)音），運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)以上功能不正常。

處理方法（天線部分）：通過(guò)式功率計(jì)測(cè)試電壓駐波比法，如駐波比大于1.5，說(shuō)明天饋線指標(biāo)不合格，需更換天線或饋線；利用環(huán)阻測(cè)試法測(cè)試天線饋線環(huán)阻，環(huán)阻＞5 Ω或處于開(kāi)路，說(shuō)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(jì)測(cè)試450 M電臺(tái)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(shè)備B子架。

7 結(jié)束語(yǔ)

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