基于雙模式導航系統(tǒng)的動車組關(guān)鍵數(shù)據(jù)無線傳輸保障方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高速動車組無線通訊保障方法領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙模式導航系 統(tǒng)的動車組關(guān)鍵數(shù)據(jù)無線傳輸保障方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于衛(wèi)星導航定位的列車方位動態(tài)信息是保障動車組安全運行的重要信息之一， 除了向動車組提供精準定位、速度計算和列車授時等服務(wù)以外，通過衛(wèi)星定位并獲取頭車 和尾車的即時位置信息，還可以判斷出頭車和尾車的速度以及二者間距是否變化、運行方 向和速度是否一致，藉此確認列車運行中的完整性情況。在綜合考慮列車速度和制動距離 之后，還可以通過計算確定在頭車之前和尾車之后分別設(shè)定合理的安全距離范圍，從而使 得列車形成一個移動的閉塞區(qū)間，其它車輛或設(shè)施需保證禁止進入此閉塞區(qū)間，以確保行 車安全。再者，通過將列車方位動態(tài)信息與鐵路沿線的電子地圖進行整合，還能向列車提供 智能化控制車速的依據(jù)，使列車途經(jīng)平交道口及彎道等位置時主動進行預先降速或提速， 避免事故及交通堵塞的發(fā)生。此外，列車方位動態(tài)信息所包含的車速信息是判定列車當前 時速的重要依據(jù)，車載智能控制系統(tǒng)可以依據(jù)該車速信息對列車當前是否超速以及可能超 速的狀態(tài)進行診斷和預判，向駕駛員發(fā)出不同程度的報警或智能化地及時調(diào)整列車牽引和 制動控制策略。
[0003] 然而，國內(nèi)現(xiàn)有獲取列車方位動態(tài)信息所依賴的衛(wèi)星導航定位的系統(tǒng)均為美國全 球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem，GPS)，而我國自主研發(fā)的中國北斗衛(wèi)星導航系 統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)則尚未在高鐵動車組的實時定位和相關(guān)服 務(wù)領(lǐng)域展開應(yīng)用。
[0004] 除了受到GPS全球定位系統(tǒng)潛在的使用費用和諸多服務(wù)條款約束外，GPS全球定 位系統(tǒng)與BDS北斗導航系統(tǒng)相比還存在以下明顯劣勢：
[0005] 首先，GPS全球定位系統(tǒng)是被動式偽碼單向測距的三維導航系統(tǒng)，其實質(zhì)是一個單 向接收型的定位系統(tǒng)，天基衛(wèi)星只向地面用戶發(fā)送定位信號，而地面用戶在接收該定位信 號之后，還需由地面用戶通過匹配設(shè)備獨立解算自己當前的三維定位坐標數(shù)據(jù)。其天基衛(wèi) 星自身并不能確定該地面用戶的三維定位坐標，更無法將該用戶的三維定位坐標傳送給其 它地面用戶或地面運營調(diào)度指揮中心，因此，這種偽碼單向測距的定位模式只能使配備解 碼設(shè)備的動車組及時求得自身的位置和速度信息，卻無法使地面運營調(diào)度指揮中心或其它 列車實時地獲取該動車組的位置和速度信息，這不利于運營調(diào)度管理和保障行車安全。
[0006] 其次，從衛(wèi)星發(fā)射導航信號到達接收機天線輸入口時的信號強度水平來看，GPS 全球定位系統(tǒng)的最小保證電平值為_130dBm，而BDS北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的最小保證電平值 為-133dBm。根據(jù)導航定位及解算的原理可知，BDS北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)采用雙星定位方式即 可滿足精確定位需求，而GPS全球定位系統(tǒng)則需要至少四顆GPS衛(wèi)星才能保證其定位的精 度，如果GPS衛(wèi)星數(shù)目不足則不能進行精確的導航定位。目前美國GPS全球定位系統(tǒng)的現(xiàn)有 空間星座體系僅包括21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星，北斗導航系統(tǒng)的在軌衛(wèi)星數(shù)達到了 17 顆，二者所能提供的服務(wù)品質(zhì)已相差無幾，而根據(jù)中國北斗導航系統(tǒng)空間星座規(guī)劃，到2020 年項目完成時，北斗導航系統(tǒng)將實現(xiàn)包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星和3顆傾 斜同步軌道衛(wèi)星在內(nèi)的共計35顆衛(wèi)星全部入軌。從理論上來說，地面終端導航設(shè)備所能搜 索到的衛(wèi)星數(shù)量越多則定位越精準，這意味著未來，進一步完善后的中國北斗導航在軌衛(wèi) 星數(shù)量將超過并多于美國GPS定位系統(tǒng)，因此BDS北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)屆時的定位信號將更 強，精度也將更高。
[0007] 此外，GPS全球定位系統(tǒng)僅向用戶提供坐標定位服務(wù)，卻不提供任何通訊服務(wù)。而 我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)還具有美國GPS全球定位系統(tǒng)所不具備的雙向短報文 通信功能，是全球首個在定位、授時之外具備雙向短報文通信為一體的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗 衛(wèi)星導航系統(tǒng)的雙向短報文通信功能不僅可點對點雙向通信，其還支持一點對多點的廣播 傳輸，該基于雙向短報文通信的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)信息群發(fā)功能，將在定位服務(wù)的基礎(chǔ)上 給定位用戶的超遠距離通訊提供額外的便利。北斗短報文功能還提供了通訊緊急通道，此 通道無時間限制，可以按照設(shè)定的時間間隔，不斷發(fā)出求救信息。當出現(xiàn)緊急情況，用戶可 觸發(fā)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的雙向短報文通信功能中的緊急救援功能，通過衛(wèi)星導航終端設(shè)備 及時向救援單位傳遞所處位置和受災情況等信息，有效提高救援搜索效率。
[0008] 另一方面，根據(jù)所需通訊的數(shù)據(jù)類型，可將動車組關(guān)鍵數(shù)據(jù)分為二大類：
[0009] 第一類、對通訊實時性要求高但單次傳送的數(shù)據(jù)量較少的數(shù)據(jù)，除了包括前述列 車方位動態(tài)信息以外，該類信息還包括重大事故救援請求、車載設(shè)備狀態(tài)信息、鐵路沿線設(shè) 施狀況信息、平交路口路況信息、調(diào)度信息、載客載貨量信息等；
[0010] 第二類、對通訊實時性要求較低的其他數(shù)據(jù)，例如：行車日志、節(jié)能優(yōu)化信息等；
[0011]GPRS通用分組無線服務(wù)技術(shù)（GeneralPacketRadioService)是較為成熟的 無線通訊技術(shù)，目前，高速動車組可通過車載遠程數(shù)據(jù)無線傳輸裝置與軌道沿線的GPRS或 CDMA等無線移動網(wǎng)絡(luò)地面基站進行通訊，并經(jīng)由無線移動網(wǎng)絡(luò)地面基站中轉(zhuǎn)，最終接入地 面運營調(diào)度指揮中心的通訊系統(tǒng)中，完成動車組數(shù)據(jù)的通信過程。由于目前GPRS等無線移 動網(wǎng)絡(luò)地面基站已在全國絕大多數(shù)地域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋，因此借助其較為穩(wěn)定的無線信號覆蓋 網(wǎng)絡(luò)和高效的數(shù)據(jù)傳送能力，可以滿足包括視頻信息在內(nèi)的上述動車組關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳送。
[0012] 但是現(xiàn)有的動車組關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳送方法嚴重且單一地依賴于GPRS等無線移動網(wǎng)絡(luò) 及其遍布全國的地面基站系統(tǒng)，甚至動車組通過GPS全球定位系統(tǒng)解算和獲取的三維定位 坐標數(shù)據(jù)和速度數(shù)據(jù)等列車方位動態(tài)信息也均需要依賴于GPRS等無線移動網(wǎng)絡(luò)才能中轉(zhuǎn) 并傳送給其它動車組或地面運營調(diào)度指揮中心。
[0013]由于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)尚未在高鐵動車組的實時定位和相關(guān)服務(wù)領(lǐng)域展開應(yīng)用， 因此，一旦列車需要在沙漠、偏遠山區(qū)或因災受損等沒有GPRS類無線移動網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋的 環(huán)境下運行，則動車組的運行安全將出現(xiàn)風險隱患，地面運營調(diào)度指揮中心的調(diào)度管理工 作也將無法開展，假若列車在此情況下遭遇險情則更給搜救施援工作造成嚴重困難和挑 戰(zhàn)。同時，單純依賴于美國GPS定位系統(tǒng)的列車方位動態(tài)信息獲取方式，不但受制于其潛在 的使用費和諸多服務(wù)條款約束，更存在定位精度和性價比均逐漸被北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)所趕 超的發(fā)展問題。
[0014] 另一個備受關(guān)注的情況是，現(xiàn)有的動車組列車還因無法實現(xiàn)美國GPS全球定位系 統(tǒng)或中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的兼?zhèn)渑c切換，而不能適應(yīng)當前中國高鐵出口其它國家的發(fā)展 需求。
[0015] 除此以外，諸如WiFi(WirelessFidelity)無線保真等技術(shù)的新型無線網(wǎng)絡(luò)在近 幾年以來發(fā)展迅速，以WiFi無線網(wǎng)絡(luò)為典型代表的一批基于8011.lib通訊標準的新型訪 問節(jié)點AP(AccessPoint)類無線網(wǎng)絡(luò)已越來越廣泛的應(yīng)用于火車站等各種公共場合。此 類AP無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積遠不及GPRS等無線移動網(wǎng)絡(luò)，但在覆蓋范圍內(nèi)的AP設(shè)備通過AP 無線網(wǎng)絡(luò)卻能以更低廉的價格享用更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，因此，在局域覆蓋范圍內(nèi)，AP無線 網(wǎng)絡(luò)較之GPRS類無線移動網(wǎng)絡(luò)擁有更高的性價比和便捷性，是一項具有應(yīng)用優(yōu)勢和前景 的成熟技術(shù)。但在動車組關(guān)鍵數(shù)據(jù)無線傳輸領(lǐng)域AP無線網(wǎng)絡(luò)尚無廣泛應(yīng)用。
[0016] 另一方面，現(xiàn)有的衛(wèi)星定位原理如下：
[0017] 一、GPS導航定位的坐標解算公式為：
[0018] 車載終端設(shè)備從i顆衛(wèi)星測得的偽距氏可表示為：
[0019]Rj=cAtj(1)
[0020]式（1)，中c表示衛(wèi)星信號傳輸速度，Ati表示終端設(shè)備接收到衛(wèi)星信號的當前時 間與衛(wèi)星發(fā)送信號時間的差值；
[0021] 由偽距Ri換算成三維坐標的公式為：
[0023] 式（2)中，XpYpZi表示第i顆衛(wèi)星的空間坐標，X、Y、Z表示用戶終端設(shè)備的空間 位置。
[0024] 由式（1)和式⑵共同形成GPS定位方程組，GPS定位方程組有四個未知量X、Y、 Z、A&，求解此四個未知量，須建立四個獨立的方程，這意味著用該測距定位方法至少需要 四顆衛(wèi)星的信號。
[0025] 二、北斗導航系統(tǒng)的雙星定位原理如下：
[0026] 北斗導航定位原理如圖1所示，定義并測量兩個時間延遲量：
[0027] 從地面運營調(diào)度指揮中心發(fā)出詢問信號至某一顆北斗衛(wèi)星S0后轉(zhuǎn)發(fā)到用戶終端 設(shè)備；用戶終端設(shè)備發(fā)出定位響應(yīng)信號再經(jīng)同一顆衛(wèi)星S0轉(zhuǎn)發(fā)回地面運營調(diào)度指揮中心 的時間延遲量計作：第一延遲量tB1;
[0028] 從地面運營調(diào)度指揮中