北斗衛星導航系統在鐵路應急通信中的應用研究

陳國鋒

（中國鐵路通信信號上海工程集團有限公司，上海, 200436）

北斗衛星導航系統在鐵路應急通信中的應用研究

陳國鋒

（中國鐵路通信信號上海工程集團有限公司，上海, 200436）

在分析目前鐵路應急通信系統發展趨勢的基礎上，對北斗衛星導航系統應用于鐵路應急通信的特點及應用方案進行研究，并闡述應用前景。

鐵路應急；北斗；應用

1 背景及意義

1.1 鐵路應急通信系統的現狀及發展趨勢

早期的應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，存在業務功能少、傳輸速度慢、傳輸效果差、傳輸不及時等問題，嚴重影響應急搶險及救援工作；目前隨著技術的進步和應急通信投入的不斷加大，已有越來越多的新技術、新方案應用于應急通信領域，當前的應急通信系統已經集語音、圖像、視頻、數據業務為一體，通信手段上也將有線接入和無線接入進行融合，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、衛星接入、GSM-R網絡及公眾移動通信網絡接入，應急通信技術已經與現有的通信技術發展水平相適應。

但是從應急通信的角度考慮，業務和通信手段的不斷豐富也帶來一些問題，主要表現在以下3方面。

1）應急通信現場設備體積大，重量大，攜帶不方便，尤其在地震、洪水等自然災害發生時。

2）應急接入設備技術構成復雜，很多現場接入設備配線數量多，接口種類多，現場需要配置的參數多，直接導致應急現場開通時間長，對應急通信技術人員要求高，不能充分體現應急通信的快速效應。

3）無線寬帶接入技術受環境影響因素較大。特別是當車站無線接入與應急現場無線接入區域內存在明顯的障礙物時，可用接入距離縮短，無線接入的通道質量將受到影響，可用帶寬顯著下降。

1.2 北斗衛星導航系統發展狀況及趨勢

目前國家正在大力開展衛星導航系統的建設，中國的北斗系統是一個分階段演進的衛星導航系統，設計為中國軍、民用用戶提供定位，集團用戶管理和精密授時服務。“九五”立項的“北斗一號”工程—雙星定位導航系統，2000年10月31日發射第一顆“北斗導航試驗衛星”，同年12月21日發射了第二顆“北斗導航試驗衛星”，構成“北斗一代衛星導航定位系統”，標志著我國擁有了自主研制的第一代衛星導航定位系統。但是北斗一代衛星導航系統屬于有源定位系統，系統容量有限，定位終端比較復雜，且其還屬于區域定位系統，目前只能為中國以及周邊地區提供定位服務。

目前，我國“北斗二代”衛星導航定位系統正在規劃建設中。截止2012年底共發射18顆二代衛星，建成北斗區域衛星導航系統，提供亞太地區服務能力，并按計劃于2020年左右建成由35顆衛星組成的北斗全球衛星導航系統。

“北斗二代”全球衛星導航系統，除了具有同GPS全球衛星導航系統相同的定位、授時功能外，還具有短報文通信功能，能實時發送120 Byte的短報文信息。這使得“北斗二代”導航不同于其他類型的全球衛星導航定位系統，不單具有無源定位的能力，同時還具有實時通信的能力。

1.3 基于北斗衛星導航系統鐵路應急通信的優勢

應急指揮的現有通信手段在大量終端使用時，通信流量成數量級的增長，信道將嚴重堵塞且易受外部信號干擾，通信受阻或無效。通過建立基于“北斗二代”衛星導航系統的鐵路應急通信系統，隨著自主衛星系統—北斗衛星導航系統的完善，各種北斗終端技術日益成熟，利用北斗具有短報文通信功能先天優勢，北斗系統將為應急通信系統的救援中心、調度中心和現場終端提供快速精確的位置、時間信息外，還將為現有應急指揮系統提供一道不受空間、天氣、地質條件等影響的通信信道。

2 應用方案

2.1 功能需求

北斗系統具有精密授時、精確定位、短報文通信3大功能，本文重點研究北斗系統在鐵路應急通信領域的應用，因此，重點關注北斗系統通信功能在鐵路行業中結合定位和授時數據的系統性應用。

北斗系統是導航定位系統，通信功能是一種輔助功能，因此不能像通信衛星那樣提供高帶寬的通信通道，很難滿足傳統意義上的多媒體應急通信模式。根據調研和分析，結合其他各行業的應用案例，我們認為北斗在鐵路的應急應用可分為2類。

1）日常監測預警

借鑒其他行業的應用經驗，結合鐵路的特點，監測預警可以應用在橋梁監測預警、山體滑坡監測預警、軌道路基監測預警、隧道監測預警、雷電監測預警、列車接近預警等方面，都是小數據量的狀態報告監測。這類小數據量的報告還可應用在司機緊急情況報警、重大設備故障報警、車輛位置跟蹤等方面。

2）重特大事故現場應急通信

北斗系統作為新的應急通信手段，在地震、洪水等自然災害破壞下且其他通信手段都失效的情況下，在能夠發送短消息報告事故狀況的基礎上，在北斗地面控制中心的協調和支持下，集中北斗的通道資源，還是可以實現現場的語音和靜圖傳送功能的。

2.2 系統結構

系統總體構成示意如圖1所示。

圖1 系統構成示意圖

系統從結構上分為中心和前端設備兩部份。中心包括北斗應急管理平臺和應急服務器，北斗應急管理平臺通過有線網絡與北斗地面控制中心通信，獲取地面控制中心的授權來管理前端設備，同時通過地面控制中心的通道與前端設備通信，中心放置一臺或數臺北斗終端用于有線網絡故障的情況下中心直接與前端設備通信；應急中心服務器接收應急數據，根據數據類型作相應處理，實現顯示或上報等功能，同時與既有應急通信系統交換數據。

前端設備有多種應用模式，可與既有應急通信終端設備融合，共同完成應急通信現場定位和數據傳輸；可作為單獨應急手持終端，用于公務、電務、車務等發現問題和故障及時上報；還可安裝于機車上，實現車輛實時定位信息和車載設備報警信息的上傳。

2.3 實施方案

目前，國家正在大力推進北斗導航系統在交通、國土、農業、林業等行業的應用，北斗衛星導航系統在鐵路的應用也將是未來的必然趨勢，從應急通信應用角度考慮，應首先建立一套驗證示范系統，對北斗系統的各項功能、性能指標進行驗證和測試，優化應用方式，在驗證、完善的基礎上進行大規模推廣。

試驗系統可在路局設置北斗應急指揮中心，軟硬件要求成熟可靠。應急指揮中心提供定位信息、授時及短報文信息，完成信息管理、監控、顯示、分析、存儲及查詢，在與移動北斗終端通信的基礎上完成終端授權管理、狀態監控等功能。北斗應急中心通過地面網絡直接或間接接入北斗信息服務系統，滿足鐵路對系統功能、安全性、可靠性和運行性能的全面要求。

移動終端設備包括手持終端和車載終端，具有全天候的定位、授時和雙向報文通信功能，并有標準RS-232接口可采集工務、電務、車務等其他系統的應急信息，依托北斗系統全天候、全地域的覆蓋能力，實現跨地區、不間斷的實時信息交互能力。

3 結束語

北斗衛星導航系統是中國自主研發的衛星導航系統，具有定位、通信功能，是繼美國的GPS、俄羅斯的GLONASS之后，第3個趨于成熟的系統。與其他系統相比，其最大特點是具有獨一的短報文通信功能，通信功能再加上全天候、全地域的覆蓋能力，使得北斗衛星通信特別適合于鐵路應急通信領域，將來必有更廣闊的應用前景。

[1]唐金元，于潞，王思臣.北斗衛星導航定位系統應用現狀分析[J].全球定位系統，2008（2）：26-28.

[2]蘇蕊，劉曉娟.“北斗”衛星導航系統在鐵路行業中的應用[J].鐵路通信信號工程技術，2011（12）：28-30.

[3]北斗衛星導航系統發展報告（2.0版）.

圖2 測試驅動模塊接口交互圖

4 系統應用

相對于其他復雜的系統測試環境，以上方案的設計原則是：完全采用開放的標準協議實現系統功能接口，并綜合實物接口和模擬接口的優缺點，盡可能減低系統開發實施難度和環境建設的復雜度。該系統通過各項接口信息的配置，在實驗室CTCS-2環境下可以滿足以下各種基本測試需求：1）執行包括待機、部分監控、引導、調車、全監控、機信、目視在內的車載運行模式的靜態測試；2）各種模式之間的切換功能；3）人機界面的顯示功能；4）速度監控功能。從運行場景分析，該系統可以滿足以下基本場景的需求：1）模式轉換；2）接發車以及正、側線通過場景；3）區間運行場景；4）臨時限速場景；5）過分相場景；6）故障場景。表1通過一個設計實測的序列進行說明。

表1 全監控模式下防溜逸、速度監控以及設備故障的測試序列

以上測試案例中各步驟的測試結果均符合系統規范需求，從中可以看出，該測試系統方案對于系統開發、設備集成、現場維護等多種不同層次的測試業務提供了一種相對簡便的基礎方案。

（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）