鐵路北斗檢測認證實驗室建設方案研究

張吉峰，潘佩芬，王英杰，楊美皓

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

北斗衛星導航系統（簡稱：北斗系統）是我國重要的空間信息基礎設施，具備導航、定位、授時功能，并提供短報文通信服務。北斗系統已廣泛應用于交通運輸、海洋漁業、水文監測、氣象預報、地理測繪、森林防火、電力調度、救災減災、應急搜救等領域，產生了巨大的經濟和社會效益[1]。為保障行業應用質量，國內主要行業先后建設了北斗衛星導航產品質量檢測機構[2]。

北斗系統在我國鐵路行業已廣泛應用于鐵路勘察設計、工程建設、運營維護，鐵路北斗應用服務平臺具備高精度位置服務、短報文通信服務、授時及聯網設備管理等功能，為打造智能鐵路運輸體系提供衛星導航應用基礎平臺支撐[3]，在京張高鐵、浩吉鐵路等國家重大鐵路項目中發揮關鍵作用[4]。目前，鐵路北斗系統應用正逐步深化和拓展，但北斗產品質量良莠不齊，相關的鐵路標準體系和產品研發體系還不完善，應用試驗體系尚未形成。鐵路作為關系國計民生的國家戰略性基礎產業，亟需建設面向自身應用需求的鐵路北斗檢測認證實驗室（簡稱：鐵路北斗實驗室）。為此，借鑒國內其它行業衛星導航應用實驗室的建設經驗，開展鐵路北斗實驗室建設方案研究，為鐵路北斗應用質量提供基礎保障，促進北斗系統與鐵路應用的融合。

1 鐵路北斗實驗室建設目標及原則

1.1 建設目標

鐵路北斗實驗室建設應立足鐵路北斗應用需求，面向軌道交通行業，服務于中國高速鐵路走出去戰略，能夠在4 個方面為鐵路北斗應用提供基礎保障，即鐵路北斗應用產品試驗測試、鐵路北斗應用產品科研支撐、鐵路北斗應用系統檢測認證、鐵路北斗應用成果展示和推廣。

（1）系統試驗：實現鐵路衛星導航典型應用環境仿真，開展鐵路北斗應用綜合模擬試驗，為鐵路北斗應用產品提供功能及性能測試，驗證功能完整性，評價優化效果；模擬鐵路運營環境，支撐鐵路北斗應用設備測試及系統綜合仿真試驗，支持運營線路試點試驗、聯調聯試等。

（2）科研支撐：為軌道交通北斗產品研發和應用技術研究提供軟硬件資源，通過開展行業應用試驗，支持軌道交通北斗產品研發的項目論證，支持軌道交通北斗產品功能、性能標準與測試方法研究，推進軌道交通北斗應用的深化拓展。

（3）檢測認證：通過檢測資質認證，獲取軌道交通行業北斗產品檢測認證資質，為衛星導航產品鐵路行業準入提供權威認證服務；開展鐵路北斗產品的功能和性能檢測，包括接收信號類型、跟蹤衛星數、內部噪聲水平、接收數據質量、首次定位時間、靈敏度、定位精度及更新率、測速精度及更新率、失鎖重捕時間、單向定時精度、天線相位中心一致性等；提供環境試驗設備，開展衛星導航定位終端的環境適應性測試。

（4）展示推廣：提供鐵路北斗應用實驗室技術狀況展示、成果展示等，促進鐵路北斗應用成果推廣。

1.2 建設原則

鐵路北斗實驗室建設可按照開放性、經濟性、標準化設計原則，圍繞鐵路北斗應用需求，面向軌道交通行業，突出可擴展性、可重構能力和可配置能力，可靈活滿足多樣化測試要求，支持各類衛星信號制式；借鑒已有技術成果和工程經驗，采用先進成熟技術，提升平臺可靠性；采用模塊化、平臺化、網絡化、自動化設計，提升系統管理水平，滿足被測終端在研制、試驗及驗收等各類測試需求。

2 鐵路北斗實驗室主要功能及建設內容

鐵路北斗實驗室應具備系統試驗、科研支撐、檢測認證和展示推廣功能，建設內容主要包括室外試驗環境、室內試驗環境和應用服務試驗平臺。其中，室外試驗環境提供典型應用試驗場景以支持鐵路北斗應用系統級試驗，室內試驗環境提供鐵路北斗產品室內試驗檢測能力，應用服務試驗平臺為鐵路北斗應用服務平臺的研發提供軟硬件資源。

2.1 室外試驗環境

室外試驗環境建設包括基準站環境、隧道覆蓋增強試驗環境及典型應用試驗試驗環境等。

（1）基準站環境：包括鐵路北斗基準站及配套設施設備，輸出衛星導航觀測數據等信息，支撐鐵路北斗高精度位置服務應用測試試驗[5-6]。

（2）隧道覆蓋增強試驗環境：包括基準單元、中繼單元、播發天線等，實現遮蔽區域北斗信號覆蓋，支持鐵路遮蔽區域導航應用試驗[7]。

（3）基礎設施應用試驗環境：包括天線、接收機、供電設備、監控設備等，支持鐵路路基、橋隧等基礎設施形變監測試驗[8]。

（4）作業人員應用試驗環境：利用多功能便攜終端、北斗短報文終端等[9]，開展上道作業管理、輔助防護應用、應用試驗。

（5）車載應用試驗環境：包括車載天線、車載設備等，用于鐵路北斗車載應用試驗，以及配合其它需要車載系統協同的試驗。

（6）基礎支撐環境：包括服務器、存儲資源、網絡設備及測試軟件等，實現北斗應用的系統級仿真試驗[10]。

2.2 室內試驗環境

鐵路北斗室內試驗環境包括：模擬信號試驗環境、對天靜態信號試驗環境、接口綜合檢測試驗環境、環境試驗環境、電氣安全試驗環境、輔助測試試驗環境、時頻檢測校準試驗環境、無線暗室試驗環境、測試處理評估試驗環境等。

（1）模擬信號試驗環境：利用模擬的衛星信號進行衛星導航功能、性能有線并行自動化檢測和計量檢定，支持衛星導航模塊、終端等入網指標測試[11]。

（2）對天靜態信號試驗環境：為整個試驗環境提供對天靜態衛星導航信號，配合測試評估軟件對衛星導航終端產品相關功能、性能進行自動化檢測和計量檢定[12]。

（3）接口綜合檢測試驗環境：主要用于對衛星導航產品進行射頻接口、信息接口、電氣接口等3類接口進行協議測試，具備對鐵路北斗應用數據安全性測試、鐵路北斗應用服務平臺兼容性測試等測試能力。

（4）環境試驗環境：可進行衛星導航產品的高低溫、沙塵、霉菌、淋雨、鹽霧、沖擊、振動等環境適應性測試。

（5）電氣安全試驗環境：主要用于測試北斗導航產品電氣安全防護能力，包括抗電強度、絕緣電阻、泄漏電流、電磁輻射抗干擾度等。

（6）無線暗室試驗環境：對導航天線、一體機等衛星導航設備的功能、性能進行自動化檢測和計量檢定，可開展衛星導航抗干擾等性能測試。

（7）時頻檢測校準試驗環境：實現對衛星導航設備時頻性能的檢測，具備授時、校準等功能；同時，基于衛星共視技術，實現與原子時標國家計量基準UTC（NIM）時間同步精度優于10 ns[13]。

（8）輔助測試試驗環境：用于定期或不定期對整個試驗環境相關設備、信號進行功率、頻率、場強標校，為試驗測試提供必要的測試儀表設備支持，保證試驗環境檢測的準確性和可靠性。

（9）測試處理評估試驗環境：對整個測試環境進行統一集成控制、監視、數據存儲與分析處理。

2.3 應用服務試驗平臺

作為鐵路北斗應用服務平臺原型的研發試驗環境，應用服務試驗平臺可滿足其功能試驗、升級換代、研發驗證等需求，包括高精度位置服務、短報文通信服務、聯網設備管理、運營管理、門戶網站及平臺管理等功能模塊研發的測試試驗。

（1）支持該平臺高精度位置服務功能研發測試，包括基站管理、運行監控、服務發布、解算配置等。

（2）支持該平臺短報文通信服務功能研發測試，運營管理研發測試包括短報文終端單播、組播、通播和服務整體流程，服務功能測試包括位置實時監控、北斗單播/通播/組播通信、位置管理、通信信息管理、報警列表、歷史信息查詢等。

（3）支持該平臺聯網設備管理模塊研發測試，包括終端位置概覽、基準站鏈路專題圖數據分析、基礎設施監測專題圖數據分析、終端查詢列表等功能研發試驗環境。

（4）支持該平臺運營管理功能模塊研發環境，包括短報文運營、高精度服務運營和消息中心。

（5）為該平臺系統管理模塊提供研發試驗環境，支持平臺數據維護、門戶數據維護研發試驗。

3 系統總體結構及網絡設計

3.1 系統總體結構

國家鐵道試驗中心作為國家級科技創新平臺，擁有40 多個專業實驗室。利用國家鐵道試驗中心的既有科技創新資源，在室內試驗環境、室外試驗環境、應用服務試驗平臺3 個方面開展鐵路北斗實驗室的建設，實驗室系統總體結構如圖1 所示。

3.2 網絡設計

鐵路北斗實驗室網絡結構，如圖2 所示。實驗室環境下可采用無線和有線2 種傳輸方式，將試驗數據傳輸至測試處理評估試驗環境。北斗鐵路地基增強基準站試驗環境、北斗鐵路隧道覆蓋增強試驗環境和固定基礎設施監測設備可利用既有光纖鏈路進行有線數據傳輸。作業人員手持終端等便攜試驗設備、車載試驗設備通過3G/4G/5G 公網鏈路實現數據上傳。考慮試驗系統安全性，服務器及存儲設備部署于辦公網隔離區（DMZ，DeMilitarized Zone），操作終端設備部署于辦公網終端接入區，試驗設備配置終端密碼模塊提供數據安全防護；試驗數據通過實驗室網絡安全設備傳輸至實驗室試驗系統，由其完成試驗數據的處理分析和評估。

3.3 虛擬化計算環境設計

圖1 鐵路北斗檢測認證實驗室總體結構

圖2 鐵路北斗實驗室網絡結構示意

鐵路北斗實驗室主要設備包括服務器、存儲、網絡安全平臺設備等，其中，服務器設備按用途分為應用服務器、存儲服務器、數據庫服務器、接口服務器等，安全平臺設備包括實驗室網絡安全平臺設備與其它系統間的安全設備。為兼顧系統性能、穩定性、可擴展性、安全性要求以及資源利用率，實驗室業務應用可采用虛擬化計算環境進行部署，如圖3 所示。各類服務器采用物理服務器+虛擬化軟件配置進行部署，根據業務需求動態創建、釋放虛擬化資源池內的各種資源（網絡、存儲和計算資源等）。

圖3 虛擬化計算環境架構示意

4 關鍵技術

（1）鐵路北斗產品檢測技術[14]：針對鐵路北斗應用行業需求，綜合考慮人、機、料、法、環、測等因素，兼顧產品的通用性、專用性、應用復雜性，開發完善的鐵路北斗產品檢測技術，基于準確、可靠的檢測數據，提供科學、公正的產品檢測報告。

（2）時間同步技術：綜合運用衛星授時、衛星共視、網絡時間同步等技術，結合鐵路時鐘同步應用需求，實現時頻檢測校準試驗環境標準時間溯源，與原子時標國家計量基準UTC（NIM）保持納秒級時間同步。

（3）網絡安全技術：運用入侵檢測、漏洞掃描、內外網隔離、數據加密、訪問控制、身份認證等技術，增強實驗室網絡魯棒性和數據安全性。

5 結束語

鐵路北斗實驗室是鐵路北斗應用基礎支撐設施，是確保鐵路北斗應用質量的重要保障。面向鐵路北斗應用需求，針對鐵路行業應用特點，依托鐵路既有科技創新資源，綜合運用北斗產品檢測技術、時間同步技術、網絡安全技術、虛擬化技術等，研究鐵路北斗實驗室建設方案，明確實驗室主要功能及建設內容，提出實驗室系統總體結構及網絡與虛擬化計算環境設計，可為實驗室建設任務的實施提供參考。