基于北斗短報文的列車通信系統

蘭州交通大學自動控制研究所 甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室　楊　廳　陳光武　趙曉春

基于北斗短報文的列車通信系統

蘭州交通大學自動控制研究所 甘肅省高原交通信息工程及控制重點實驗室楊廳陳光武趙曉春

針對CTCS-3列控系統，分析了它的系統結構和列車控制命令的傳輸流程。通過介紹北斗衛星導航定位系統和北斗短報文的工作原理，提出了一種基于北斗短報文的列車通信系統。該系統能滿足在地面信號系統故障，無法為車載子系統傳輸控制命令時，實現在相互追蹤運行的列車間傳輸運行狀態信息，繼續保證列車安全運行的功能。該列車通信系統只需在原有車載子系統的基礎上加裝北斗終端來收發包含列車運行狀態信息的短報文即可。它不僅能為列車間通信提供一種新的方法，而且由于無需建設額外的地面設備，大大降低了系統建設成本。

CTCS-3；北斗短報文；列車通信系統；北斗終端

信號系統是軌道交通自動控制系統的核心，為保證列車的安全運行發揮了巨大作用。在現有的列車運行控制系統中，是通過軌道電路和GSM-R基站等地面設備在列車間傳輸運行狀態信息的，這使得列車運行控制系統極大地依賴于地面信號系統，一旦地面信號系統發生故障，它就無法保證列車的安全運行。如2011年7月23日，由于雷擊導致地面信號系統故障，致使甬溫線上發生重大列車追尾事故，造成了巨大人員傷亡和財產損失。此時，若是能為列車提供一種不依賴地面信號設備就能實現列車間通信的渠道，完成列車間運行狀態信息的交互，那么就能有效避免此類事故的發生。

1　CTCS-3列車運行控制系統

CTCS-3列控系統是一種基于無線通信的列車運行控制系統，包括地面設備和車載設備，如圖1所示［1］。地面設備主要包括：①RBC（Radio Block Center，無線閉塞中心）能根據軌道占用情況及進路狀態向所管轄范圍內的列車發出行車許可和列車控制信息；②GSM-R基站用來完成車-地間雙向、大容量的數據通信；③軌道電路用于軌道占用檢測和列車完整性檢查；④應答器用于傳輸各種線路數據、定位信息和臨時限速信息。車載設備主要包括：①BTM（Balise Transmission Module）用于接收應答器信息；②STM（Specific Transmission Module）用于接收軌道電路信息；③列車測速模塊用于檢測列車的實時速度，計算列車走行距離并結合應答器信息進行列車定位［2］；④車載安全計算機用于對輸入信息進行綜合邏輯運算，并生成目標距離模式曲線來控制列車運行；⑤GSM-R無線通信模塊用于發送列車的運行狀態信息，接收行車許可和其他控制命令。⑥人機界面用于向司機顯示列車的運行狀態信息和報警信息等。

圖1　CTCS-3列車運行控制系統結構

CTCS-3列控系統工作原理：列車通過GSM-R無線網絡向RBC發送列車位置和速度等信息，RBC根據車載設備發送的信息，結合車站聯鎖的進路信息和列控中心的臨時限速信息，計算列車追蹤距離，通過GSM-R無線網絡向列車發送行車許可，實現對列車運行的閉環控制。列控中心還能對列車運行狀態進行實時監控，向列車下達相應的調度命令，并根據車站聯鎖的進路信息和臨時限速信息控制有源應答器和軌道電路發碼，從而實現信息的傳遞。

由以上分析可知，現有的列控系統極大地依賴于地面信號系統的完整性。當地面設備癱瘓時，為了確保安全，列車將不得不降速運行，甚至緊急停車，直到故障排除為止，這勢必會影響線路的運行效率。

2　北斗衛星導航定位系統

截至2012年底，我國的“北斗二代”已經覆蓋了亞太地區，到2020年左右，中國將累計發射30余顆北斗導航衛星，建成覆蓋全球的北斗衛星導航定位系統［3］。目前，北斗二代衛星導航定位系統的定位精度可達10m，測速精度可達0.2m/s。除了具有與GPS相同的定位、導航和授時功能外，它還保留了“北斗一代”的通訊功能，能在公共通訊網絡中斷、沒有其他衛星通訊的情況下，繼續為用戶提供通信服務［4］。

北斗終端按照不同的業務服務模式，可分為RDSS終端和RNSS終端；按照用途可分為導航型終端、測量型終端、定時型終端和位置報告/短報文型終端。其中，RDSS終端可提供定位、導航、授時、位置報告和短報文通信的全部或部分功能。指揮管理型終端是指利用北斗RDSS業務接收其下屬用戶的定位信息和通訊信息的多用戶地址碼，一般具有用戶信息管理、通播、組播、單播、查詢、調閱、指揮調度和管理功能。

3　北斗短報文工作原理

北斗衛星導航定位系統不僅能像GPS一樣進行無源定位（即被動接收衛星發來的信號），還能實現有源定位，在用戶終端之間以及用戶終端與指揮管理型終端之間提供每次最多120個漢字的短報文通訊服務，每個終端都有唯一的ID號，且短報文通信都需要經過地面中心站來進行轉發［5］。

如圖2所示，北斗短報文的通信流程可以分為5個步驟：①發送方終端（如用戶1）從北斗衛星接收到符合NMEA-0183標準的導航電文，并對報文進行解析獲得該終端的位置、速度等信息；②發送方終端將包含發送方ID號、接收方ID號、位置信息和其他表示特定含義的通訊申請信號進行加密后通過衛星轉發給地面中心站；③地面中心站接收通訊申請信號；④地面中心站對接收到的通訊申請信號進行解密、處理和再加密后，再將通訊申請信號加入到出站廣播電文中，經衛星廣播給接收方終端［6］；⑤接收方終端接收出站信號，并對出站電文進行解調、解密，從而獲取短報文通訊信息，至此就完成了一次短報文通信。

接收方終端在接收到短報文信息時，還應及時發出視覺、聲響等提示信息，并在用戶終端上顯示出報文發送方ID號、發送時間、發送方位置信息和其他表示特定含義的報文信息。

圖2　北斗短報文工作原理

4　基于北斗短報文的列車通信系統

如圖3所示，基于北斗短報文的列車通信系統能獨立于現有的地面信號系統進行工作，通過車載子系統對列車的各種運行狀態進行實時采集，將這些信息按指定格式封裝成數據包，再以短報文的形式發送給同線路、同方向追蹤運行的相鄰的列車，使后行列車能實時掌握前行列車的運行狀態［7］。

該數據包中應包含以下信息：前行列車用戶終端ID號、前行列車車次號、后行列車用戶終端ID號、后行列車車次號、報文發送時間、前行列車的速度、前行列車的坐標信息、坐標信息對應的線路公里標數據、列車的運行方向和數據包校驗信息。

后行列車對接收到的數據包進行拆封、校驗后，得到前行列車車次號、運行速度和前行列車在線路上所處的公里標位置信息，然后將前行列車的速度和位置信息輸入車載安全計算機來計算與前行列車之間的距離和目標距離模式曲線，并按照目標距離模式曲線對本列車的運行速度進行監督和調整。當列車運行速度超過目標距離模式曲線所規定的速度時，及時發出警報來提示司機采取相應的制動措施，從而保證列車的安全運行［8］。

此外，在行車指揮中心還設置了一套指揮管理級的北斗定位終端，其作用在于：①接收管轄線路上所有列車發送的包含運行狀態信息的短報文，實現對線路上所有列車運行狀態的實時監控；②當列車發生故障或其他緊急事件時，接收列車發送的求救信息；③向指定列車發送包含臨時限速命令、調度命令和其他控制命令的短報文信息來實現行車指揮中心對線路上列車的控制和調度功能。

圖3　基于北斗短報文的列車通信系統工作原理

5　結語

本文提出的基于北斗短報文的列車通信系統能夠在沒有地面信號系統的情況下，解決列車之間以及列車與行車指揮中心之間無法通信的問題。通過收發包含列車運行狀態信息的短報文，使后行列車與前行列車保持安全制動距離，從而保證列車追蹤運行的安全和高效；同時，也使行車指揮中心能夠掌握全線列車的運行情況，為列車調度和實施救援提供了便利。

北斗短報文通信目前還存在以下不足：

1）當衛星信號被遮擋時，就無法完成短報文的通信，因此該系統還只能作為車載子系統通信的備用方法；

2）與定位功能相類似，短報文通訊功能的傳輸時延約為0.5秒，通訊的最高頻率為1Hz，離車載子系統對通信實時性的要求還存在一定差距。

［1］高云波.一種基于模糊邏輯的CTCS-3級列控系統越區切換算法［J］.蘭州交通大學學報，2014，33（6）：27-32.

［2］劉鋒.基于通信的列車控制模式下的列車定位新技術［J］.城市軌道交通研究，2012，15（4）：48-53.

［3］劉基余.北斗衛星導航系統的現況與發展［J］.遙測遙控，2013（3）：1-3.

［4］中國衛星導航定位協會.衛星導航定位與北斗系統應用［M］.北京：測繪出版社，2015.

［5］黃穎，唐小明，黃水生，等.林業野外巡護采集信息北斗短報文編碼設計及應用［J］.中南林業科技大學學報，2014，34（8）：107.

［6］谷軍霞，王春芳，宋之光.北斗短報文通信信道性能測試與統計分析［J］.氣象科技，2015，43（3）：458-463.

［7］張炯韜.北斗衛星導航系統在鐵路應急通信中的應用研究［J］.鐵路通信信號工程技術，2013，10（6）：11-12.

［8］楊廳.使用北斗短報文通信的列車防追尾系統.［P］.中國專利：CN205365641U，2016-07-06.