基于DME/P和MSK技術的無線測距系統及其應用研究

四川九洲電器集團有限責任公司 謝京華

針對我國各型列車之間無實時視距測量手段，且缺乏有效輔助避撞手段的問題；提出一種基于DME/P和MSK技術的無線測距系統；分析其基本原理、系統組成、參數設計、處理流程，并通過在外場鐵路線上的試驗測試，驗證其作用距離和測距精度；結果表明，基于DME/P和MSK技術的無線測距系統可廣泛應用于普通、快速、特快、動車、高鐵等各型列車之間的視距測量，輔助避免相互之間的碰撞。

隨著鐵路網的擴展和縱橫交錯，越來越小的行車間隔以及不斷提高的列車速度，使軌道交通的安全性面臨巨大的挑戰，近年來的多次事故表明了目前我國的列車在運行過程中缺乏完善的、具有連續性和實時性的監測手段，對于前后車輛的監視缺乏更可靠的距離監控措施，因此需要裝備獨立的輔助系統監測列車之間的位置，給駕駛員提供預警，這就使得列車防相撞設備在鐵路市場上有著極大的需求。

本文從實際應用的角度出發，提出了一種基于DME/P和MSK技術的無線測距系統，以期解決我國普通、快速、特快、動車、高鐵等各型列車之間無實時視距測量手段，以及解決我國列車缺乏有效輔助避撞手段的問題；對于提高我國列車行車安全能力，降低事故發生概率具有十分重要的現實意義。

1 國內外研究情況

2010年5月，德國航空航天中心研究人員在德國西部的一個軌道列車測試段首次演示了該機構新研制的一種列車防撞系統。這種列車防撞系統使用了衛星定位、雷達測速、立體成像等傳感技術和通信技術，可以實現列車之間自動交換位置、速度、行駛方向和載重量等信息。一旦系統判定兩輛火車有相撞危險，它會及時提醒司機并幫助他找到合理的解決方案。該系統作為安全補充措施應用于現有的鐵路線安全系統之中。

印度將于2013年在整個印度鐵路網絡中配裝一種列車防撞系統。該系統從GPS衛星系統獲取信號，用于位置更新，使用數據無線調制解調器進行信息交換，同時分析碰撞的可能性，采取及時剎車的自動應用程序，防止危險的發生，形成列車安全屏障。

國內動車上安裝使用的都是CTCS系統，在運行過程中，主要通過軌道電路和應答器來接收列車運行信號。列車本身并不能知道前后車輛的具體情況，不與前后列車直接通信，所有行車狀態均由列車調度中心進行信息下發。列車的防撞主要是采用基于區間的方式，通過地面色燈信號機顯示前面的區間是否空閑從而決定后面列車是否可以開進區間。地面信號的控制都是通過軌道電路來實現的，通過軌道電路對鐵路區間的色燈信號機進行控制，顯示不同的顏色。

綜上，國內現有的避撞技術暫時無法直接獲取前后列車之間的相對距離，因此，在列車行駛過程中，對于前后車輛的運行情況也就無法了解，而完全聽從調度中心的命令，依據鐵路上的色燈信號運行。因此，一旦由于設備故障而出現調度問題，則存在極大的撞車隱患，將可能造成巨大的人身和財產損失。基于此，本文提出一種新型的無線測距系統，將為列車的行車安全提供輔助的保障措施，進一步保證列車運行安全。

2 背景技術分析

2.1 測距技術

（1）偽隨機碼擴頻測距系統測距

偽隨機碼擴頻測距系統由測距機和應答機兩部分組成，進行測距時，測距機發射測距偽碼給應答機，應答機對接收的偽碼進行捕獲與跟蹤，完成接收時鐘的再生，并以再生的時鐘發射應答偽碼給測距機，測距機同樣對接收的偽碼進行捕獲與跟蹤，通過發射偽碼幀與接收偽碼幀的時差進行測距。

將擴頻技術用于測距，能夠有效克服抗干擾性能差、測量距離受限、精度低、信號易被截獲的問題。影響擴頻技術測距精度的因素主要有：偽隨機碼碼片的寬度，跟蹤偽隨機碼相位的準確度，以及突出測距的時間。偽隨機碼擴頻測距技術更適合于測量條件苛刻的現代電子戰戰場中的軍事通信系統，如無人機系統、衛星系統、地面坦克瞄準系統等。

（2）DME/P測距系統測距

DME/P，精密測距系統，其測距原理和常規二次雷達測距原理一樣：機載設備詢問，地面信標應答，機載設備接收到應答信號后根據時間差計算出距離數據。

DME/P的精度通常在4～30m以內，其測距的關鍵技術包括采用cos/cos2形狀的脈沖提高測距定時檢測精度；采用衰減延時比較法確定脈沖到達的時間，提高測量的精度，消除多路徑回波干擾等；采用導脈沖環技術消除由于環境溫度變化、器件老化和信號幅度強度變化所造成的測距誤差。

2.2 通信調制技術

（1）ASK

ASK（幅移鍵控），其載波幅度是隨著調制信號而變化的，其最簡單的形式是載波在二進制調制信號控制下通斷，此時又可稱作開關鍵控法（OOK）。多電平MASK調制方式是一種比較高效的傳輸方式，但由于它的抗噪聲能力較差，尤其是抗衰落的能力不強，因而一般只適宜在恒參信道下采用。調幅技術實現起來簡單，但容易受增益變化的影響，是一種低效的調制技術。

（2）BPSK

BPSK（二進制相移檢控），把模擬信號轉換為數字值的轉換方式之一，是利用偏離相位的復數波浪組合來表現信息監控移向方式的一種，BPSK使用了基準的正弦波和相位反轉的波浪，使一方為‘0’，另一方為‘1’，從而可以同時接收2值信息，由于最單純的鍵控移相方式雖然抗噪音較強，但傳輸效率差，所以常常使用利用4個相位的QPSK和利用8個相位的8PSK，但要求傳送途徑的信噪比低，其功率譜旁瓣占有能量大，要求很寬的帶寬。

（3）MSK

MSK（最小頻移鍵控），是FSK信號相位始終保持連續變化的一種特殊方式。MSK是一種既能提高頻帶利用率，又能改善頻譜特性的FSK改進型的新型調制方式。

MSK調制方式的突出優點是信號具有恒定的振幅，同時信號的功率譜在主瓣以外衰減較快，抗衰落性能好。MSK信號的功率主要集中在主瓣以內。因此，MSK對帶寬要求較小，對相鄰信道的影響較小，可在窄帶中傳輸。MSK大量用于移動無線通信。目前，某外軍的戰術級地域通信網中的干線微波通信主要采用這種調制方式。

2.3 綜合分析

根據鐵路在列車運行過程中對安全距離的要求，無線測距系統的測距誤差應盡可能滿足均方根誤差值不大于10m；且作用距離不小于6km，發射功率不大于1w；同時所占頻譜應盡可能窄，避免對相鄰頻道的干擾。

綜合對上述背景技術的分析，在測距技術方面，偽隨機碼擴頻測距技術具有精度高（可達5m）、抗干擾、抗噪音、抗多徑等特點，但是計算量大，而且采用的是擴頻通信，需要較寬的頻譜資源，很難申請到；而采用DME/P測距技術進行測距，其測距精度可達到4～30m，占用頻譜資源少，滿足對所占頻譜應盡可能窄的要求，此外，通過采取陡前沿信號以及衰減延遲比較法等技術手段，可大大提高DME/P的測距精度，滿足鐵路在列車運行過程中對測距精度的要求。

在通信調制技術方面，由于頻譜資源有限，因此對已調信號的要求包括：一是包絡恒定；二是具有最小功率譜占用率，同時還要求誤碼性能好。在數字通信中，無論是ASK、FSK、PSK、QPSK還是OQPSK信號，其碼元交替處的載波相位是不連續的，會發生突變，這在信號功率譜上會產生很大的旁瓣。當這種信號經過帶寬受限的信道后，頻譜失真導致信號包絡不再恒定，如經過非線性電路后，會發生頻譜擴展現象，易產生誤碼，從而影響通信質量。所以結合實際綜合考慮，調制方式選取MSK。

因此，綜合上述分析，本文選取基于DME/P和MSK技術實現無線測距系統。

3 無線測距系統總體設計

3.1 基本原理

無線測距系統工作于L波段，采用收發同頻設計，且嚴格控制頻譜寬度（不大于600kHz）；系統通過DME/P測距技術實現距離測量，即通過測量發射脈沖和應答脈沖之間的間隔計算出目標到測距儀之間的距離。測距公式為：

其中d為所測距離，c為光速，t為發射脈沖和應答脈沖之間的時間間隔，τ為設備自身信號傳輸和處理延時。系統采用低發射功率（不大于30dBm）和高靈敏度接收技術（優于-77dBm），避免對其他無線電設備的影響，利于系統未來的推廣和應用。同時，系統在編碼設計上采用MSK進行編譯碼設計，可有效實現前后兩輛列車之間的參數傳遞，且不占用過多的頻譜資源。

系統設計的詢問、應答、廣播波形分別如圖1、圖2、圖3所示。其中，P1、P2、P3采用為標準DME/P的cos/cos2波形：脈沖上升沿不超過1.2us；脈沖下降沿不超過2.5us；脈沖寬度3.5us±0.5us。P4、P5為碼速率250kHz的MSK調制信號。其中，P4脈沖包含車次、隨機延遲等信息；P5脈沖包含車次、車長等信息。各脈沖之間采用不同的時間間隔進行區分與判別。

圖1 詢問波形示意圖

圖2 應答波形示意圖

圖3 廣播波形示意圖

3.2 系統組成及工作流程

系統組成包括收發主機、天線、顯控以及配套電纜。

系統在工作時，首先各收發主機接收顯控模塊的配置和命令信息。然后根據工作時序，產生詢問編碼，經發射通道送至天線端口并全向發射出去，同時記錄發射時刻；

周圍的設備在接收到該詢問信號后，經接收通道處理后直接進行AD采樣、數字下變頻、低通濾波等處理，然后判斷所接收信號是否有效，如有效則產生應答編碼信號，經發射通道送至天線端全向發射出去；

詢問設備在接收到該應答信號后，經接收通道處理后直接進行AD采樣、數字下變頻、低通濾波等處理，通過衰減延遲比較獲取時標信息以確定接收時刻，同時判別接收信號是否有效，如有效則觸發相關峰并完成譯碼，然后將有效結果送至收發主機的DSP進行距離解算和點跡濾波等處理；上述工作完成后，收發主機將結果按規定的數據格式送至顯控模塊，從而完成系統工作。

4 試驗測試

截至2020年底，系統已在青藏線進行了三次系統性的外場試驗測試，通過對三次試驗采集的數據進行分析與計算評估，并以列車車載的高精度差分GPS數據作為真值數據進行比較，充分驗證了無線電測距系統的測量距離和測量精度。即通過采用DME/P和MSK技術可以實現對遠距離目標（大于6km）的視距測量，并獲得較高的測距精度（均方根誤差不大于6m）；且發射功率不大于1w，同時所占頻譜約600kHz。各次試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果

結束語：本文在分析國內外列車防撞研究情況的基礎上，結合DME/P和MSK技術的特點，描述了一種基于DME/P和MSK技術的無線測距系統，該系統具有作用距離遠、測距精度高、頻譜占據小、發射功率低的特點，并通過在外場鐵路線上的試驗測試驗證了其正確性和可用性，可為我國的各型列車提供輔助避撞手段，進一步保證列車運行安全。