基于GSM-R的列車無線定位方法探索

胡 威

（廣梅汕鐵路責任有限公司惠州電務段，廣東惠州 516000）

基于GSM-R的列車無線定位方法探索

胡 威

（廣梅汕鐵路責任有限公司惠州電務段，廣東惠州 516000）

首先對當前常用的列車定位方法及其優缺點進行概述，指出列車無線定位是下一步需要發展的方向。然后對鐵路移動通信系統（GSM-R）作了介紹。提出一種基于GSM-R的列車無線定位方法，通過修改GSM-R部分協議內容達到目的，并對該方法的結構和具體實現作出說明。鑒于列車定位的重要性，將無線定位方法用于鐵路行業還有待于更多的實驗和檢驗。

鐵路運輸；CTCS-4；列車無線定位；GSM-R

1 列車定位方法概述

列車定位是指獲取運營中的列車所在線路上的位置，它是保障鐵路運輸安全和高效運營的關鍵。目前，我國鐵路系統主要使用的列車定位方式包括軌道電路、應答器定位等，他們使用得最為廣泛［1］。這兩種定位方式的優勢是設備使用穩定，維護經驗成熟，但是存在只能給出點式的位置信息。不能滿足連續高精度的定位要求以及需要沿路設置大量的軌旁設備、投資和維護費用巨大等缺陷。

隨著我國高速鐵路的發展，下一代中國列車運行控制系統CTCS-4是采用無線定位、地面取消軌道電路、完全基于無線傳輸信息的列車運行控制系統。

近年來，一些利用無線信號對列車定位的方式逐漸提出，有衛星定位如全球定位系統GPS和地面無線設施定位等［2］。衛星定位較高的精確度，能夠實現列車的連續定位，但存在性能會受到障礙物干擾、衛星設備自身運行不受鐵路運營方控制的弊端。再者我國鐵路不少隧道長度甚至超過10 km，屬于衛星盲區，不能滿足實時監控列車位置保證安全的要求，故無法單獨使用衛星定位作為列車定位系統。地面無線設施定位相當于把衛星搬移到地面，減少定位盲區，也具有定位精度較高的優勢。目前較為先進的擴頻無線電定位方式在地鐵基于通信的列車控制CBTC領域中受到廣泛應用。國鐵與地鐵相比，有點多線長的特點，照搬這一套系統并不合適，它需要單獨設置多個專用定位基站發送擴頻信號，同時還需要相應的專用車載設備，不利于最大化降低成本，同時還要考慮專用擴頻信號和現有鐵路移動通信系統的接口以及干擾問題。

2 GSM-R介紹

鐵路移動通信系統GSM-R是國際鐵路聯盟和歐洲電信標準協會專為歐洲鐵路無線移動通信開發的一種數字制鐵路指揮調度通信系統，它是一套成熟的系統，已經在歐洲鐵路上應用多年［3］。GSM-R是以移動業務交換中心為平臺的移動通信網絡和以固定用戶接入交換機為平臺的有線通信網絡的互聯互通，是移動通信網絡和有線通信網絡的結合體，是有線調度通信與無線調度通信的融合，實現站車通信一體化，從而形成現代化的調度通信、公務移動、信息傳輸、列車控制一體化的通信系統。

它是在GSM的基礎上增加相應的鐵路專用調度通信功能并對系統進行改進，其中包含增強的多優先級預占和強拆、語音組呼和語音廣播，并提供鐵路特有的調度業務，包括功能尋址、功能號表示、接入矩陣和基于位置的尋址；并以此作為信息化平臺，使鐵路部門用戶可以在此信息平臺上開發各種鐵路應用。

GSM-R系統借鑒公網GSM技術，保留了GSM的大體結構，使得從一開始GSM-R系統就是一個成熟可靠的系統。我國鐵路通信引入此技術后，已經大規模覆蓋新建高速鐵路、客運專線。為了滿足列車移動通信需要，GSM-R系統對路網做了很好地覆蓋，并且它還作為一種已存在的投資，利用該通信系統用作列車的無線定位載體是一個很好的選擇。

3 列車無線定位結構

鐵路本身的線形決定其無線通信覆蓋的基本特點是，范圍只限于鐵路站場及沿線的狹長地帶，因此，GSM-R一般宜采取鏈狀的組網結構和使用方向性天線。故選擇定位方式應考慮使用更少的定位參考點（鐵路沿線基站）的方式。《高速鐵路設計規范》中指出，無線覆蓋區設計應實現工程范圍內的鐵路作業區連續覆蓋［4］。

列車無線定位方式上可以利用定位信息的到達時間差（Time Difference Of Arrival，TDOA）。TDOA是指同時接收到兩個不同發射機所發射的信號之間的差值。因為傳播時間的相減，不需要接收機與發射機之間時間同步，僅需要多個發射機之間時間同步，降低了網絡系統復雜度，更易于工程實現。TDOA描述的接收機可能位置，是在到達兩個發射機的等時間差值曲線上，根據計算表達式，這個曲線是雙曲線的半邊。

構造列車無線定位結構，如圖1所示，由主、輔定位基站與觀測列車組成，由兩個定位基站發射特定的定位信息，觀測列車根據定位信息的TDOA生成到達時差曲線，與列車行進路線有唯一交點，即為列車待估計位置。

圖1 墓干網絡的列車定位的系統模型

圖1 墓干網絡的列車定位的系統模型

4 列車無線定位方法

分析GSM-R現有的網絡協議內容，通過一些修改，設計一種具體的列車無線定位實現方法［5］。

移動臺（列車）開機后，根據GSM-R系統一般流程進行網絡選擇和小區選擇。移動臺鎖定在一個小區上后，該小區即為服務小區。選定服務小區的基站為主定位基站。

根據GSM-R規范，不管是處于任何模式下，移動臺都會不停地通過廣播信道BCCH或者慢速隨路控制信道SACCH監聽服務小區的系統信息SI和基站識別碼BSIC，其中SI類型2和5包含鄰區廣播信道的載頻號。移動臺周期性地測量每個鄰區廣播信道載頻信號的場強。

根據測量的鄰區信號場強，移動臺利用空閑時隙再同步到其中強度最大的小區，進一步對同步信道SCH譯碼，得到該小區的BSIC。選定該小區的基站為輔定位基站。

當列車運行過程中服務小區發生重選、切換時，或僅當發現鄰區廣播信道信號場強強度順序發生變化時，重新選定主、輔定位基站。在沒有選定新的定位基站之前，對列車定位仍使用原來的定位基站。

在上述步驟中，對鄰站SCH譯碼時即同步到該站物理TDMA幀中的時隙TS0，移動臺記錄兩個定位基站之間TS0之間的相對時間差（Relative Time Difference，RTD）。

接入突發脈沖序列AB包含41 bit（0100101101 111111100110101010001111000）的同步序列和36 bit的編碼數據。其中編碼數據是由8 bit的申請服務類型和隨機參考碼及6 bit的BSIC經卷積組成。

在這里定義一種新的定位請求類型——定位請求，利用GSM-R系統保留的（01111111）編碼，不需要另外分配信道。

移動臺通過隨機接入信道RACH在TS0向主定位基站發送申請服務類型為定位請求的接入突發脈沖。緊接著移動臺調到輔定位基站的控制信道（廣播信道）載頻，延時RTD（即延時到輔定位基站的TS0）發送另一個定位請求。

兩個定位基站分別根據本地的同步序列計算出定位請求信號的到達時間（Time Of Arrival，TOA），由兩個TOA的差值TDOA和該BSIC的基站位置里程確定一條單邊雙曲線，即到達時差曲線。再根據列車的聯鎖進路信息或者列車所處區間的線路號，得到列車行進曲線，最后通過計算實現列車定位。根據列車控制系統對定位頻度的要求，在整數個TDMA幀（如100個，約0.5 s）的TS0上周期性地重復以上兩個步驟。

5 結論

在鐵路高速化的今天，如何縮小列車的追蹤間隔成為一個新的研究方向。在CTCS-4中提出的依靠無線對列車定位尚未明確具體的實施方式以及定位載體。本文探索一種在不大量增加設備復雜度的前提下，利用鐵路現有通信設施GSM-R對列車進行無線定位的方法，以獲取列車的實時位置，對鐵路減少投資和高效運營有積極意義。

［1］鄭福林.幾種列車定位系統性能比較分析［J］.鐵道技術監督，2010，38（6）：52-53.

［2］薛玲媛.列車定位系統中通信技術的應用探討［J］.中國新通，2009（11）：41-44.

［3］吳昊，鐘章隊.GSM-R業務及在中國鐵路的應用［J］.移動通信，2007（8）：18-22.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB10020 高速鐵路設計規范（試行）［S］.2009.

［5］李翠然，謝健驪，胡威，等.LTE-R的無線列車定位方法研究［J］.鐵道學報，2015（7）：15-19.

The paper summarizes advantages and disadvantages of existing train positioning methods and puts forward that train wireless positioning will be the developing trend with the introduction of GSM-R system. It explores a train wireless positioning method based on modifi cation of partial GSM-R protocol and explains the structure and implementation of the method. In view of the signifi cance of train positioning， train wireless positioning method should be further tested and verifi ed.

railway transportation； CTCS-4 train control system； train wireless positioning； GSM-R

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.05.007

（2016-05-10）